Исследование по подбору режима перемешивания для сточных вод, содержащих взвешенные вещества и А-ПАВ, в камере кондиционирования

Введение. Метод флотационной очистки сточных вод в последние годы становится всё популярнее, сферы его применения расширяются, и, как следствие, данный процесс сам по себе изучен на данный момент достаточно хорошо, как с физической, так и с математической точки зрения. Однако большим плюсом этого метода очистки сточных вод является возможность его модернизации различными способами, что представляет интерес и безграничный простор для инженерной мысли.

Одной из последних таких модернизаций является внедрение во флотационный аппарат камеры кондиционирования. Согласно исследованиям [3, с. 13], в камере кондиционирования создаются условия, позволяющие извлекать из сточных вод не только гидрофобные примеси, как при классическом флотационном процессе, но и гидрофильные включения. Среди таких условий перечисляются необходимость тщательного перемешивания реагентов (коагулянтов и флокулянтов) со сточной водой и диспергирование воздуха или иного газа на множество пузырьков разного размера [2, c.18].

Для наиболее эффективной работы камеры кондиционирования необходим грамотный подбор параметров перемешивания, среди которых частота вращения перемешивающего устройства, время перемешивания, а также подбор нужных дозировок реагентов [1, с. 49].

В данном исследовании будет показан подбор вышеперечисленных параметров на примере модельного стока, содержащего гидрофобные (А-ПАВ) и гидрофильные (взвешенные вещества) загрязнения.

Объекты и методы исследования. Для проведения испытаний была собрана модель камеры кондиционирования (рис.1).

1 – устройство управления; 2 – обсадная труба; 3 – лопастная мешалка; 4 – сосуд с модельным стоком воды
Рис. 1. Схема исследовательской установки

Перемешивающее устройство с панелью управления позволяет устанавливать точное количество оборотов и выставлять время работы.

В качестве гидрофобных извлекаемых веществ выбраны анионные ПАВ. Концентрация АПАВ в воде определялась спектрофотометрическим методом по ГОСТ 31857-2012 «Вода питьевая. Методы определения содержания поверхностно-активных веществ». В качестве гидрофильных извлекаемых веществ добавлялись взвешенные вещества (земля). Эффективность их извлечения определялась по мутности, измеряемой с помощью турбидиметра.

Для реагентной обработки использовались 5% раствор коагулянта под маркой «Аква-аурат 30» и 0,1% раствор флокулянта под маркой «Superfloc».

Исходная концентрация АПАВ в каждом опыте составляет 0,5 мг/л. Исходная концентрация взвешенных веществ – 1 г/л.

Значение оптической плотности для холостой пробы D₀ (чистая водопроводная вода) получилось равным 0,034.

Приведенная оптическая плотность находится по формуле 1.

D= D_изм-D₀,   (1)

где D_изм – измеренное значение оптической плотности,

D₀ – значение оптической плотности для холостой пробы.

Массовая концентрация АПАВ в пробе определяется по формуле 2.

 c=f₃∙D,    (2)

где градуировочный коэффициент f₃ = 0,96.

Первый опыт заключался в проведении испытаний с разными дозировками реагентов. В конце каждого испытания из сосуда отбиралось по 100 мл пробы для подготовки к определению оптической плотности на спектрофотометре и по 10 мл для определения мутности. Опыты проводились в течение 15 минут при частоте вращения 1000 об/мин. Ниже показаны результаты испытаний (рис.2 и табл.1)

Таблица 1

Подбор дозировки растворов реагентов

Рис. 2. Результаты мутности при разных дозировках растворов реагентов

Второй этап исследований заключался в проведении 8 опытов в идентичных условиях, но с разной частотой вращения перемешивающего устройства. Шаг для исследований – 100 об/мин. Опыты проводились в течение 15 минут. Дозировка растворов реагентов: для коагулянта – 2 мг/100 мл, для флокулянта – 0,3 мг/10 мл. Результаты второго этапа исследований приведены в таблице 2 и на рисунке 3.

Таблица 2

Подбор частоты вращения перемешивающего устройства

Рис. 3. Результаты мутности при разной частоте вращения перемешивающего устройства

Третий этап исследований был ограничен одним опытом, в процессе которого в разные промежутки времени из камеры отбирались пробы воды для оценки эффективности очистки за разные промежутки времени.

Результаты третьего этапа приведены в таблице 3 и на рисунке 4.

Таблица 3

Подбор времени обработки стока в камере кондиционирования

Рис. 4. График зависимости эффективности очистки от времени

Обработка результатов. Из полученных результатов видна четкая зависимость эффективности очистки от дозировки реагентов. Видно, что флотационный метод применим, и даёт результат сам по себе, однако при введении реагентов даже в небольшом количестве эффективность резко возрастает. Далее рост эффективности продолжается с увеличением дозировки. В определенной точке (дозировка раствора коагулянта – 2 мг/100мл, раствора флокулянта – 0,3 мг/100мл) эффективность выходит на плато и больше не увеличивается с увеличением дозировки.

Частота вращения также оказывает существенное влияние на эффективность процесса, причем зависимость не является линейной. Наилучший результат получен при частоте 1400 об/мин. Такую зависимость можно объяснить следующим образом: при частоте меньшей, чем 1400 об/мин, разница давлений была недостаточно велика и количество воздуха, подсасываемого через отверстия вверху обсадной трубы, было недостаточным. Также, пузырьки воздуха при увеличении частоты разбиваются на произвольные размеры, что хорошо сказывается на эффективности очистки. При частоте выше, чем 1400 об/мин, эффективность начала ухудшаться. Это может быть связано с тем, что при такой высокой скорости вращения мешалки турбулентный поток не позволяет аэрофлокулам всплывать на поверхность, разрушая их.

Для отдельно взятой камеры кондиционирования рекомендуется принимать длительность процесса не более 10 минут. Из результатов видно, что для данного случая достаточно оказалось 8 минут, далее эффективность выходит на плато, после чего начинает резко снижаться. Дальнейшее снижение эффективности может быть обосновано тем, что уловленные в пенный слой частицы АПАВ и взвешенных веществ при столь длительном процессе могут выпадать в осадок. Поскольку в модельной установке не было предусмотрено бункера для накопления осадка, частицы захватывались турбулентным потоком обратно в общий объем воды, что отрицательно повлияло на результат.

Заключение. В результате проведенного эксперимента установлено, что наилучшая дозировка реагентов для сточных вод с аналогичным составом составляет для 5% раствора коагулянта – 2 мл/100мл, для 0,1% флокулянта – 0,3 мл/100мл, наилучшая частота перемешивания – 1400 об/мин, а время процесса может быть сведено к 8 минутам.

Стоит отметить, что как итог, не только найдены наилучшие параметры перемешивания для данного типа сточных вод, но и подтверждена эффективность кондиционирующего эффекта для извлечения взвешенных веществ.