Исследование процесса очистки воды от нефтепродуктов во флотационной установке с эжекционной системой аэрации с диспергатором

Полный текст

Введение Проблема очистки сточных вод от нефтепродуктов актуальна в настоящее время. Нефтепродукты относятся к наиболее распространенным видам загрязнений, которые присутствуют в большинстве сточных вод. Флотация широко используется для очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений, к которым относятся и нефтепродукты [1; 2]. Повышение эффективности флотационного метода очистки воды при снижении капитальных и эксплуатационных затрат является важнейшей задачей. Использование эжекционной системы аэрации дает ряд преимуществ: простота, надежность, невысокие эксплуатационные затраты. Однако у нее имеется существенный недостаток: генерирование крупных пузырьков размерами 500-1000 мкм, что не позволяет достигать высокой эффективности очистки от мелкодисперсных загрязнений [3-5]. Для устранения этого недостатка предлагается использование специального диспергатора, при контакте с которым пузырьки дробятся до размеров 30-300 мкм [6]. Еще одна важная задача состоит в определении продолжительности процесса очистки воды во флотаторе. Обычно при расчете рабочего объема флотационного аппарата продолжительность очистки принимают 20-30 мин согласно существующим рекомендациям [7]. Однако на это влияют множество параметров как системы аэрации (размеры пузырьков, интенсивность аэрации), так и загрязнений (степень гидрофобности, размеры частиц, плотность) [8; 9]. Применение математической модели, учитывающей характерные особенности определенного процесса флотации, позволяет более точно определить его продолжительность, что дает возможность проектировать установки, обладающие большей экономичностью и компактностью при достижении требуемой эффективности очистки. Существуют различные математически модели флотации, например, модель Белоглазова, модели с порядком, отличным от единицы, трехпараметрические модели [10-12]. Но наиболее полно флотация описывается многостадийной моделью, представленной в работе [7]. Данная модель учитывает все стадии флотационного процесса: образование флотокомплекса, его всплытие, а также обратимые процессы. Однако она не может быть применена для описания процесса во флотаторе с эжекционной системой аэрации с диспергатором, так как в ней не учитывается полимодальность распределения размеров пузырьков, генерируемых рассматриваемой системой аэрации [6]. Модель флотации с использованием эжекционной системы аэрации c диспергатором, учитывающая полимодальность распределения, в общем виде рассмотрена в работе [13]. С учетом определенных ранее характеристик системы аэрации в частном случае модель для флотации нефтепродуктов будет выглядеть следующим образом (рис. 1). B1 k11 k21 Пузырек воздуха Частица загрязнения B1 k11 k21 Air bubble Particle of contamination A C k12 k22 B2 A C k12 k22 B2 k3 k3 Рис. 1. Схема флотации нефтепродуктов: А - исходное состояние; В1, В2, С - мелко и крупнодисперсные пузырьки и пенный слой соответственно; k11, k12, k21, k22, k3 - константы Fig. 1. Scheme of oil flotation Процесс описывается системой дифференциальных уравнений (1) с начальными условиями (2) ⎧ d C ⎪ dt A ⎪ = -k11CA · k12CA · k3CA ; ⎪ d C ⎪ dt B1 ⎨ = k11CA · k21C B1 ; ⎪ d C ⎪ dt ⎪ d ⎪ C 2 B = k12CA = k C · k22C · k C B2 ; o k C (1) ⎩ dt C 1. B1 2. B2 3 A . где CA, CB , CB , CС - концентрации частиц в исходном состоянии A, состоянии фло- 1 2 токомплексов с мелко и крупнодисперсными пузырьками B1, B2 и в пенном слое С соответственно. Переходы между состояниями описываются константами k11, k12, k21, k22, k3. Начальные условия при t = 0: 0 CA(0) = CA ; B C (0) = 0; 1 B C (0) = 0; (2) 2 CC(0) = 0. Вероятность образования флотокомплексов с мелко и крупнодисперсными пузырьками характеризуется константами k11, k12, которые могут быть определены по формуле: k11, 12 1,5q1,2 E1,2 = , 1,2 k0 D1,2 (3) где q1,2 - интенсивность аэрации для мелко и крупнодисперсных пузырьков, м3/(м2·с); E1,2 - эффективность захвата частиц мелко и крупнодисперсными пузырьками, о.е.; D1,2 - средний диаметр мелко и крупнодисперсных пузырьков, м; k01,2 - фактор полидисперсности мелко и крупнодисперсных пузырьков, о.е. Общая интенсивность аэрации q может быть определена как отношение расхода воздуха к площади поверхности воды во флотаторе. Интенсивность аэрации для мелко и крупнодисперсных пузырьков может быть определена исходя из определения доли воздуха, приходящегося на каждую группу пузырьков: D3 × n 1,2 1,2 D × n q1,2 = q 3 , · D3 × n (4) 1 1 2 2 где n1,2 - доля мелко и крупнодисперсных пузырьков. Эффективность захвата частиц и фактор полидисперсности определяются по зависимостям, приведенным в работах [14; 15]. Всплытие флотокомплексов с мелко и крупнодисперсными пузырьками характеризуется константами k31, k32, которые определяют по формуле: u31, 32 k31, 32 = h , (5) где υ31, 32 - скорость всплытия флотокомплексов с мелко и крупнодисперсными пузырьками, м/с; h - выстота уровня воды, м. При этом скорость всплытия определялась по зависимостям, приведенным в работах [8; 9]. Константа, характеризующая самостоятельное всплытие частиц нефтепродуктов, определяется по формуле: k7 = uвспл , h (6) где υвспл - скорость всплытия частиц загрязнений, м/с. Скорость всплытия частиц нефтепродуктов может быть приближенно определена по формуле uвспл = D2 g (rв -rч ) , 18m (7) где ρв - плотность воды, кг/м3; ρч - плотность частиц загрязнений, кг/м3. Материалы и методы Эксперимент по исследованию флотационного извлечения нефтепродуктов разного дисперсного состава был проведен на установке (рис. 2). Для приготовления модельного стока использовалось моторное масло (ρм = 920 кг/м3), исходная концентрация нефтепродуктов в воде составляла 30-35 мг/л. В ходе эксперимента был определен дисперсный состав извлекаемых частиц и эффективность их извлечения при флотации с диспергатором и без диспергатора. Процесс флотации осуществлялся следующим образом. Во флотационную камеру 3 помещалось 2 л исходной сточной воды. В течение 3 мин производилась аэрация воды, при этом вода подавалась насосом 2 из камеры 1. Расход рабочей жидкости на стадии аэрации составлял 20 л/ч, расход воздуха составлял 15 л/ч. По окончании аэрации объем воды в камере составил 3 л. Далее насос для подачи рабочей жидкости был отключен в целях создания в камере спокойной обстановки для всплытия флотокомплексов. Система для фиксирования капель нефтепродуктов и пузырьков состоит из емкости 8, в которую набиралась исследуемая жидкость, USB-микроскопа 9, подключенного к компьютеру 10, и источника света 7. Фиксирование капель нефтепродуктов и отбор проб для анализа проводились в исходный момент времени и далее каждые 5 мин. Рабочая жидкость Р1 Исходная сточная вода Р2 Воздух 1 2 3 4 5 6 Рис. 2. Схема лабораторной установки: 1 - камера чистой воды; 2 - насос; 3 - флотационная камера; 4 - диспергатор; 5 - эжектор; 6 - перегородка; 7 - источник света; 8 - емкость; 9 - USB-микроскоп; 10 - компьютер 10 7 8 9 Operating liquid Р2 Р1 Wastewater Air 1 2 3 4 5 6 Fig. 2. Scheme of laboratory setup: 1 - chamber for clean water; 2 - pump; 3 - flotation chamber; 4 - disperser; 5 - ejector; 6 - semi-wall; 7 - source of light; 8 - container; 9 - USB-microscope; 10 - computer В ходе эксперимента были измерены частицы нефтепродуктов с десяти фотографий для каждого случая. Так же были определены размеры пузырьков согласно методике, изложенной в работах [6; 16]. При статистической обработке результатов получены функции плотностей распределения частиц по размерам и данные о количестве частиц определенного размера. По полученным данным была определена продолжительность процесса очистки и вычислены эффективности извлечения частиц каждой фракции по формуле hi = N 0i - Ni , N 0i (8) где N0i - количество измеренных частиц каждой фракции в исходной воде; Ni - количество измеренных частиц каждой фракции в очищенной воде. Далее эффективности извлечения частиц каждой франции были рассчитаны теоретически с использованием предлагаемой модели. По полученным результатам построены графики экспериментальной и теоретической зависимостей эффективности флотационного извлечения частиц нефтепродуктов от их размеров. Общая эффективность очистки воды от нефтепродуктов была определена по формуле n n N d 3 - N d 3 å S h = i =1 0i чi n å i =1 i чi , (9) N d 3 å i =1 0i чi где dчi - средний диаметр частиц каждой фракции, мкм. Далее было произведено сравнение эффективностей флотационного извлечения частиц различного размера без диспергатора и при его использовании. Так же была определена концентрация нефтепродуктов в отобранных пробах и построена теоретическая кривая их извлечения. При расчете констант был использован среднеобъемный диаметр частиц нефтепродуктов, определенный по формуле: n N d 3 3 å i чi dч = i =1 , N (10) где N - общее количество частиц. Результаты и обсуждение Функции плотностей распределения частиц нефтепродуктов по размерам для моторного масла при флотации с использованием диспергатора и без него представлены на рисунке 3. При флотации с использованием эжекционной системой аэрации с диспергатором продолжительность очистки воды составило 25 мин. После этого времени функция плотности распределения изменялась незначительно. Важно отметить, что при флотации без диспергатора за 25 мин получена функция плотности распределения, близкая к функции плотности распределения при флотации с диспергатором за 5 мин. мкм 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Условные обозначения: · t = 0 (исходное состояние); · t = 5 мин с диспергатором; · t = 10 мин с диспергатором; · t = 25 мин с диспергатором; · t = 25 мин без диспергатора 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dч, мкм Рис. 3. Функции плотности распределения частиц моторного масла по размерам 0,1 0,09 0,08 f(dp), 1/mm 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 t = 0 (initial state) t = 5 min with disperser t = 10 min with disperser t = 25 min with disperser t = 25 min without disperser 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dp, mm Fig. 3. Probability density function of motor oil particles size При использовании диспергатора было выделено две группы пузырьков со следующими характеристиками: средний диаметр первой группы пузырьков составляет 55 мкм со среднеквадратическим отклонением 18 мкм, доля пузырьков составляет 66%; средний диаметр второй группы пузырьков - 105 мкм со среднеквадратическим отклонением 15 мкм (28%), доля пузырьков - 15 мкм; доля пузырьков с диаметрами 105-300 мкм составила около 6%. Данная часть спектра не является значимой и при описании процесса не учитывалась. При отсутствии диспергатора наблюдалось выделение пузырьков в диапазоне 100-1000 мкм со средним диаметром 500 мкм. Параметры, необходимые для расчета констант, и константы определены по формулам (3)-(7). Экспериментальные эффективности извлечения определены по формуле (8), теоретические - по решению системы дифференциальных уравнений (1). Теоретическая зависимость и экспериментальные результаты эффективности извлечения от диаметра капель моторного масла при разной продолжительности флотации представлены на рисунке 4. Для времени окончания процесса (25 мин) на рисунке 5 показано сравнение эффективностей извлечения частиц при использовании диспергатора и при его отсутствии. Максимальный эффект диспергатора наблюдается при извлечении частиц размерами 15-35 мкм. 1 Эффективность извлечения 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Условные обозначения: · t = 5 мин эксп.; · t = 5 мин теор.; · t = 10 мин эксп.; · t = 10 мин теор.; · t = 25 мин эксп.; · t = 25 мин теор. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dч, мкм Рис. 4. Теоретическая и экспериментальная зависимости эффективности извлечения частиц моторного масла от диаметра частиц при разной продолжительности флотации 1 0,9 Recovery efficiency 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dp, mm t = 5 min exp t = 5 min theory t = 10 min exp t = 10 min theory t = 25 min exp t = 25 min theory Fig. 4. Theoretical and experimental dependence of recovery of motor oil particles on particles size for different time of flotation Эффективность извлечения 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Условные обозначения: · с диспергатором эксперимент; · с диспергатором теория; · без диспергатора эксперимент; · без диспергатора теория 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dч, мкм Рис. 5. Теоретическая и экспериментальная зависимости эффективности извлечения частиц моторного масла от диаметра частиц при продолжительности флотации 25 мин с диспергатором и без диспергатора 1 0,9 Recovery efficiency 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dp, mm with disperser experiment with disperser theory without disperser experiment without disperser theory Fig. 5. Theoretical and experimental dependence of recovery of motor oil particles on particles size for the time of flotation 25 minutes with and without disperser Общая эффективность извлечения моторного масла рассчитана по формуле (9). За 25 мин она составила 93%. Эффективность очистки воды при флотации без диспергатора за 25 мин составила 73%. Далее был произведен расчет, в результате которого была получена теоретическая кривая извлечения моторного масла. Диаметр частиц, используемый для расчета констант, был определен по формуле (10) и составил dч = 25 мкм. Теоретическая зависимость и экспериментально полученные результаты при флотации с использованием диспергатора представлены на рисунке 6. Условные обозначения: 40 - экспериментальные 35 данные; 30 - теоретические данные С, мг/л 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t, с Рис. 6. Теоретическая и экспериментальная зависимости изменения концентрации моторного масла от времени Experimental data 35 Theory 30 С, mg/l 25 20 15 10 5 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 t, s Fig. 6. Theoretical and experimental dependence of oil concentration change on time Эффективность очистки, рассчитанная по измеренным концентрациям, при флотации с диспергатором составила 91%, а без диспергатора - 75%. Результаты, полученные при расчете эффективности по формуле (9) и по данным, представленным на рисунке 6, не противоречат друг другу. Из представленного сравнения теоретических и экспериментальных результатов (рис. 4-6) видно, что результаты эксперимента в пределах погрешности, которая с вероятностью 0,9 не превышала 15%, совпадают с теоретической кривой. Следовательно, предлагаемая теоретическая модель не противоречит эксперименту и может быть использована для описания процесса очистки воды в предлагаемой установке при заданных условиях. Далее было проведено сравнение концентраций нефтепродуктов в исходной сточной воде и в очищенной - после флотации при отсутствии и наличии дис- пергатора. Концентрация нефтепродуктов в исходной воде составляла 32 мг/л, в очищенной после флотации с использованием диспергатора - 2,7 мг/л, в очищенной после флотаци без использования диспергатора - 8 мг/л. Таким образом, применение диспергатора позволило повысить эффективность очистки воды от моторного масла примерно с 75 до 90%. Выводы В работе теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность описания процесса очистки нефтесодержащей сточной воды во флотационной установке с эжекционной системой аэрации с диспергатором на основе многостадийной модели флотации с учетом разделения пузырьков на несколько групп. Предлагаемая математическая модель может быть использована для определения эффективности извлечения и продолжительности процесса очистки воды от нефтепродуктов разного дисперсного состава. Экспериментально определен диапазон размеров частиц нефтепродуктов, составляющий 15-35 мкм, для извлечения которых применение диспергатора наиболее эффективно. Проведенные исследования показали, что применение диспергатора позволяет повысить эффективность очистки при заданном времени с 75% до 90% по сравнению с обычной эжекционной системой аэрации либо сократить продолжительность очистки.

Об авторах

Екатерина Сергеевна Антонова

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: kotant@mail.ru

аспирант кафедры экологии и промышленной безопасности Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана

2-я Бауманская ул., 5, стр. 1, Москва, Россия, 105005

Список литературы