2291

ENGINEERING SYSTEMS

THEORETICAL JUSTIFICATION OF THE INTENSIFICATION OF THE PROCESS OF PRESSURE FLOTATION WASTEWATER TREATMENT BY INCREASING THE EFFICIENCY OF AIR DISSOLUTION IN SATURATOR

S.Yu. Andreev, A.I. Shein, S.V. Stepanov, V.A. Knyazev

The results of theoretical studies of the process of pressure flotation wastewater treatment are presented. It is shown that with an increase in the pressure in the saturator more, the efficiency of the process of non-reactive pressure flotation treatment of contaminated wastewater in a horizontal flotation tank decreases, due to an increase in the average diameter of air bubbles formed from a supersaturated solution. It is established that it is possible to increase the effect of flotation wastewater treatment by increasing the degree of turbulence of the water-air mixture in the volume of the saturator. Mathematical dependences describing the process of air dissolution in the saturator are obtained. The use of the proposed calculation method will optimize the process of pressure flotation wastewater treatment.

Keywords: saturation concentration, supersaturated solution, saturation coefficient, mass transfer process, volume mass transfer coefficient, film mass transfer coefficient, air bubble dissolved air flotation

В настоящее время для очистки производственных сточных вод широко используется метод флотации.

Флотация – процесс извлечения из воды загрязняющих частиц, происходящий в результате их молекулярного прилипания к поверхности раздела фаз вода-воздух, обусловленный наличием избыточной свободной энергии на поверхности слоев.

Как технологический процесс флотация впервые стала использоваться более 100 лет назад в горнорудной промышленности для обогащения руд.

Закрепление дисперсной частицы на поверхности пузырька в водной среде протекает в результате физико-химического взаимодействия трех фаз (вода, воздух, поверхность частицы) и определяется явлениями смачивания. Смачивающая способность жидкости зависит от степени ее полярности.

Прилипание дисперсной частицы к поверхности пузырька воздуха в воде возможно только в случае его гидрофобности, когда наблюдается плохое смачивание вещества частицы водой. Чем выше степень гидрофобности поверхности дисперсных частиц извлекаемых загрязнений, тем выше вероятность их закрепления на пузырьках воздуха. Гидрофильные дисперсные частицы, как правило, не флотируются пузырьками воздуха. Высокий эффект флотационной очистки сточных вод наблюдается при извлечении таких гидрофобных примесей, как нефть, нефтепродукты, жиры, масла, поверхностно активные вещества. В этих случаях поверхностное натяжение воды на границе раздела фаз не превышает величины 0,060 0,065 н/м.

Большое значение в процессе флотационной очистки сточных вод имеет размер образующихся пузырьков воздуха, их количество и степень равномерности их распределения во флотационном объеме.

Наиболее мелкие пузырьки воздуха, имеющие диаметр 20–100 мкм, позволяет получить метод напорной флотации, предусматривающий выделение газа из перенасыщенного раствора воздуха в воде, образующегося вследствие понижения давления [1].

До величины давления Р 3 109 Па растворимость воздуха в воде выражается законом Генри, в соответствии с которым максимально возможное количество раство-

где Снр – концентрация насыщения газа, кг/м3 (максимальная растворимость в воде при давлении Р, Па); КГ – коэффициентпропорциональности(коэффициентГенри), кг/Па·м3.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

где Сна – максимальная растворимость газа в воде при атмосферном давлении; Ра – атмосферное давление, Ра 0,1 106 Па .

В таблице представлены значения растворимости воздуха в воде при атмосферном

Основными элементами схемы напорной флотационной очистки сточных вод являются напорный резервуар (сатуратор), предназначенный для насыщения обрабатываемых сточных вод воздухом, и флотационный резервуар (флотатор), предназначенный для формирования флотоагрегатов «извлекаемая дисперсная частица – пузырек воздуха» и выделения их из сточных вод.

При флотационной очистке, как правило, используется схема, предусматривающая насыщение всего потока очищаемых сточных вод воздухом в сатураторе с последующим сбросом повышенного давления в дросселирующем устройстве и подачу образовавшейся водовоздушной смеси во флотатор, либо циркуляционная схема, предусматривающая забор части очищенных сточных вод и насыщение рециркуляционного потока воздухом в сатураторе, сброс повышенного давления с последующим смешением образовавшейся водовоздушной смеси с основным потоком очищаемых сточных вод и подачу их во флотатор.

Теоретическое уравнение газового баланса в процессе прямоточной напорной флотации позволяет определить удельное количество воздуха, выделяющегося из одного кубического метра перенасыщенного раствора С , кг/м3, при сбросе давления

с Р до Ра , Па.

В реальности в сатураторе не происходит полного насыщения обрабатываемых

ENGINEERING SYSTEMS

Скорость насыщения сточных вод воздухом в сатураторе ddtС определяется уравнением

где Kw – объемный коэффициент массопередачи воздуха, с-1; С – концентрация

воздуха в воде в момент времени t, кг/м3.

Выполняя преобразования уравнения (7) и интегрируя его в интервале времени в пределах от 0 до Тс и в интервале изменения концентрации воздуха в воде в пределах

от С0 до СТ , можно получить уравнение

воздуха становится перенасыщенным и из него выделяются пузырьки воздуха, в результате чего образуется граница раздела фаз «воздух – вода». Процесс фазового перехода, сопровождающийся возникновением дисперсной системы, протекает в результате изменения величины энергии Гиббса. В этом случае под изменением энергии Гиббса G , Дж, понимается максимальная величина работы системы, складывающаяся из работы образования объема новой фазы Аоб и работы образования новой поверхности раздела фаз Апов:

где Gпов – изменение энергии Гиббса при изменении величины площади поверхности раздела фаз «вода – воздух», Дж; – изменение химического потенциала

системы при фазовом переходе, Дж.

При образовании единичного пузырька воздуха происходит изменение величины энергии Гиббса Gп , Дж

где п – коэффициент поверхностного натяжения границы раздела фаз «вода –

воздух», Дж/м2; Sп – площадь поверхности пузырька воздуха, м2; Wп – объем пузырька воздуха, м3; Wμ – объем одного моля воздуха, м3.

Учитывая, что для пузырька воздуха сферической формы

где rп – диаметр пузырька воздуха, м.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Формула (11) может быть записана в виде

происходит процесс насыщения воды воздухом в сатураторе) до давления Ра (да-

вления после дросселирующего устройства) раствор становится перенасыщенным, при этом величина изменения химического потенциала системы составит

Критическое значение радиуса зародыша пузырька воздуха, образовавшегося из перемешенного раствора, при п 0,073 Дж/м2 и W 0,024 м3 будет иметь вели-

чину

энергии п , и образовавшийся зародыш растворится в воде.

Условием выделения из жидкой фазы пересыщенного раствора газообразной фазы, кроме превышения химического потенциала выделяющегося вещества в старой фазе над его химическим потенциалом в новой фазе, является наличие дополнительной поверхностной энергии границы раздела фаз.

Для образования новой фазы из пересыщенного раствора необходимо, чтобы из-за самопроизвольных флюктуаций произошло скопление в одном месте достаточно большого числа молекул новой фазы, что, как правило, происходит на микровключениях, служащих центрами образования, аналогичных центрам конденсации или кристаллизации.

После образования устойчивого зародыша пузырька воздуха он в результате молекулярной диффузии воздуха из раствора начинает расти до того момента, пока перенасыщение не исчезнет.

ENGINEERING SYSTEMS

Таким образом, процесс выделения новой фазы из пересыщенного раствора состоит из двух стадий:

1)возникновение зародышей пузырьков воздуха;

2)рост образовавшихся зародышей пузырьков воздуха.

Первая из этих стадий требует увеличения энергии Гиббса и вследствие этого термодинамически затруднена. Вторая стадия протекает самопроизвольно со значительным убыванием энергии Гиббса.

Поскольку первая стадия выделения новой фазы из пересыщенного раствора затруднена, число образовавшихся в объеме жидкости зародышей пузырьков воздуха ограничено, и с ростом пересыщения жидкости величина диаметра образующихся пузырьков газа имеет тенденцию к увеличению.

На рис. 1 представлены полученные В.Н. Покровским графики распределения размеров пузырьков азота в воде, образующихся при различной степени пересыщения раствора.

Рис. 1. Графики распределения размеров пузырьков азота в воде, образующихся при различной степени пересыщения раствора:

1 – пересыщение 200 %; 2 – пересыщение 400 %; 3 – пересыщение 500 %; 4 – пересыщение 800 %

Из рис. 1 следует, что распределение размеров пузырьков азота при всех значениях пересыщения раствора близко к нормальному. Среднестатистические размеры образующихся пузырьков азота с увеличением пересыщения раствора увеличиваются. С ростом величины пересыщения раствора наблюдается расширение спектра дисперсности образующихся пузырьков.

Эффективность процесса флотационной очистки сточных вод зависит от величины газонаполнения флотационного объема и среднего диаметра образующихся пузырьков воздуха dП , м. С уменьшением величины среднего диаметра образую-

щихся пузырьков воздуха вероятность образования флотокомплекса «удаляемая дисперсная частица – пузырек воздуха» увеличивается, что обуславливает повышение эффекта флотационной очистки. Повышение величины газонаполнения флотационного объема приводит к увеличению объемной концентрации газовой фазы и к росту общей поверхности раздела фаз «вода – воздух», что также увеличивает эффект флотационной очистки.

При увеличении значения пересыщения раствора, с одной стороны, происходит повышение величины газонаполнения флотационного объема , что обуславливает повышение эффекта очистки. С другой стороны, наблюдается увеличение среднего диаметра образующихся пузырьков воздуха, что способствует снижению вероятности образования флотокомплексов.

Противоположное влияние этих факторов приводит к тому, что максимальный эффект флотационной очистки наблюдается при некотором значении пересыщения раствора.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

О снижении эффективности процесса безреагентной флотационной очистки замазученных сточных вод в горизонтальном флотоотстойнике при увеличении давления в сатураторе более 4,0 кгс/см2 свидетельствует полученный В.Н. Покровским график, представленный на рис. 2.

Эф

0,4

0,3

0,2

0,1

Рис. 2. Зависимость эффективности безреагентной флотационной очистки в горизонтальном флотоотстойнике Эф, %, от давления в сатураторе Рн, кгс/см2

Величина удельного газонаполнения водовоздушной смеси, образующейся во флотаторе из перенасыщенного раствора, может быть определена по формуле

В соответствии с рекомендациями академика С.В. Яковлева удельное количество воздуха в водовоздушной смеси в объеме флотатора при флотационной очистке производственных сточных вод может быть определено по формуле

где Cз – концентрация загрязнений в очищаемых сточных водах, кг/м3; qy – удельный

В этом случае газонаполнение водовоздушной смеси в объеме флотатора будет иметь величину

ENGINEERING SYSTEMS

При величине абсолютного давления в сатураторе Ра 0,6 106 Па концентрация

Значение объемного коэффициента массопередачи воздуха при продолжительности насыщения воды в сатураторе Тс 3 мин 180 с и концентрации воздуха в по-

В соответствии с данными, представленными на рис. 2, при снижении давления в сатураторе с Рс 5,0 кгс/м2 до Рс 4,0 кгс/м2 эффективность безреагентной флота-

ционной очистки замазученных сточных вод в горизонтальном флотоотстойнике может быть увеличена с Э 11% до Э 30%.

В этом случае для сохранения значений величин удельного количества воздуха,

Для этого необходимо либо увеличить продолжительность насыщения обрабатываемых сточных вод воздухом в сатураторе при неизменном значении Кw=0,0085 с-1 до

либо интенсифицировать процесс растворения воздуха в сатураторе и при неизменной

Величина объемного коэффициента массопередачи воздуха в воду в сатураторе

где КL – коэффициент массопередачи поверхности раздела фаз «воздух – вода» в водовоздушной смеси в сатураторе (пленочный коэффициент массопередачи), м/с;

ENGINEERING SYSTEMS

Подставляя формулы (37), (34) и (30) в формулу (29), получим

Из формулы (36) следует, что интенсифицировать процесс массопередачи воздуха

вводу в объеме сатуратора возможно за счет

1)увеличения значения коэффициента массопередачи поверхности раздела фаз

«воздух – вода» КL , м/с. Увеличить пленочный коэффициент массопередачи КL

можно за счет повышения интенсивности перемешивания водовоздушной смеси в объеме сатуратора;

2) уменьшения среднего диаметра пузырьков воздуха dп , м в водовоздушной

смеси в объеме сатуратора. Повышение интенсивности перемешивания водовоздушной смеси в объеме сатуратора позволит не только увеличить значение пленочного

коэффициента массопередачи КL , но и уменьшить средний диаметр пузырьков воздуха dп , в результате чего возрастет поверхность межфазового контакта в

сатураторе А; 3) повышения величины удельного газонаполнения водовоздушной смеси в объеме

сатуратора . Повышение удельного газонаполнения водовоздушной смеси в сатураторе также позволит увеличить площадь контакта газовой и жидкой фаз в объеме сатуратора А и за счет этого интенсифицировать процесс массопередачи воздуха в воду.

Список литературы

1.Андреев, С.Ю. Теоретические основы процесса массопередачи в объеме динамической двухфазной смеси «вода – воздух» / С.Ю. Андреев, И.А. Гарькина, В.А. Князев // Региональная архитектура и строительство. – 2017. – №3. – С. 152–159.

2.Андреев, С.Ю. Оценка эффекта истощения газовой фазы в процессе массопередачи в двухфазной системе «жидкость – газ» / С.Ю. Андреев, И.А. Гарькина, Н.Н. Ласьков, В.А. Князев // Региональная архитектура и строительство. – 2017. –

№4. – С. 158–165.

References

1.Andreev, S.Yu. Theoretical foundations of the mass transfer process in the volume of a dynamic two-phase mixture «water – air» / S.Yu. Andreev, I.A. Garkina, V.A. Knyazev // Regional architecture and engineering. – 2017. – No. 3. – P. 152–159.

2.Andreev, S.Yu. Assessment of the effect of gas phase depletion in the process of mass transfer in a two-phase «liquid – gas system» / S.Yu. Andreev, I.A. Garkina, N.N. Laskov, V.A. Knyazev // Regional architecture and engineering. – 2017. – No. 4. – P. 158–165.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 628.3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФЛОТАЦИОННОГО УДАЛЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ТОНКОСЛОЙНОГО ОТСТАИВАНИЯ

ÈУВЕЛИЧЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ КРУПНОСТИ ОБРАЗУЮЩИХСЯ

ФЛОТОКОМПЛЕКСОВ

С.Ю. Андреев, Н.Н. Ласьков, С.В. Степанов, В.А. Князев

Приведены результаты теоретических исследований процессов флотационного удаления дисперсных загрязнений из сточных вод. Рассмотрена математическая модель процесса флотационной очистки, описывающая кинетику процессов перехода загрязняющей дисперсной частицы из исходного состояния в флотокомплекс «частица – пузырек» и перехода образовавшегося флотокомплекса в пенный слой. Показано, что процесс флотационного удаления дисперсных загрязнений может быть существенно интенсифицирован за счет использования технологических приемов тонкослойного