Закономерности обезвоживания осадков биологических

На правах рукописи
ЛИПАТОВ Сергей Викторович
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКОВ
БИОЛОГИЧЕСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ И ИХ СМЕСЕЙ С ИЗМЕНЯЕМОЙ
ГИДРОФИЛЬНОСТЬЮ
02.00.06 – Высокомолекулярные соединения
03.00.16.-Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград -2007
www.sp-department.ru
Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете и
в ЗАО «Региональная энергетическая служба».
доктор химических наук, доцент
Научный руководитель
Навроцкий Александр Валентинович
доктор химических наук, профессор, член-корр. РАН
Научный консультант
Новаков Иван Александрович
Официальные оппоненты
доктор технических наук, профессор
Каблов Виктор Федорович
кандидат технических наук
Орлянский Виталий Васильевич
ОАО «Химпром» (г. Волгоград)
Ведущая организация
Защита состоится «11» сентября 2007 года в
12-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.028.01 при Волгоградском государственном
техническом университете.
Адрес: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГТУ.
2
www.sp-department.ru
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: Обезвоживание осадков является необходимой
стадией в системе биологической очистки сточных вод. В ходе данного
технологического процесса осуществляется удаление избыточного активного ила,
сырого осадка в концентрированном виде. Важным условием эффективного
обезвоживания является использование полимерных флокулянтов для укрупнения
частиц, кондиционирования и отделения воды. Химическое строение полимерных
флокулянтов существенно влияет на степень обезвоживания и на содержание
взвешенных веществ в фильтрате. Действительно, к макромолекулам флокулянта
предъявляются противоречивые требования. С одной стороны требуется высокая
гидрофильность для растворения полимера и достижения высокой степени
набухания макромолекул, поскольку это способствует агрегации частиц по
мостичному механизму. С другой стороны после образования агрегатов
необходима гидрофобизация поверхности частиц и внутреннего объема флоккул.
Следовательно, необходимо обеспечить существенное изменение гидрофильности
макромолекул флокулянтов при переходе их из объема раствора на поверхность.
Такого эффекта можно достичь за счет применения полиэлектролитов, содержащих
относительно гидрофобные группы и обладающих амфифильными свойствами.
Кроме того, возможно использование смесей полиэлектролитов и эффекта
термодинамической несовместимости для гидрофобизации внутреннего объема
флоккул активного ила.
В связи с этим актуальным и перспективным направлением исследований
представляется разработка процессов обезвоживания осадков при использовании
катионных полиэлектролитов и их смесей с изменяемой гидрофильностью.1
Цель работы заключается в исследовании закономерностей обработки
осадков с использованием катионных полиэлектролитов и их смесей для
интенсификации технологических процессов обезвоживания дисперсий.
1
Автор выражает глубокую признательность к.х.н., доценту Дрябиной С.С. за оказанную
помощь при анализе и обсуждении полученных результатов
3
www.sp-department.ru
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
•
анализ процессов структурообразования в суспензиях активного ила и
выбор концентрационных условий обезвоживания;
•
изучение влияния катионных полиэлектролитов на структурообразование в
суспензии активного ила;
•
исследования процессов обезвоживания осадков биологических очистных
сооружений смесями катионных полиэлектролитов.
•
проведение
опытно-промышленных
технологических
рекомендаций
по
испытаний
и
разработка
совершенствованию
технологии
обезвоживания.
Научная
новизна:
предложено
использование
смесей
катионных
полиэлектролитов с изменяемой гидрофильностью для обработки осадков
биологических
очистных
сооружений,
что
способствует
повышению
эффективности процесса обезвоживания.
Показано, что введение катионных полиэлектролитов и их смесей приводит
к значительной интенсификации процессов структурообразования, что выражается
в снижении критической концентрации взвешенных частиц и повышении
прочности структуры.
Выявлено, что интенсификация процессов обезвоживания активного ила
достигается при использовании смеси одноименно заряженных полиэлектролитов
за счет эффекта термодинамической несовместимости полимеров различной
природы.
Практическая значимость: Проведены опытно-промышленные испытания
и выявлена высокая флоккулирующая активность двухкомпонентных смесей
промышленных катионных полиэлектролитов в процессах обезвоживания осадков
биологических очистных сооружений. Использование бинарных смесей вместо
индивидуальных флокулянтов позволяет уменьшить дозу флокулянта с 5 до 2 кг/т
с.в., сократить содержание взвешенных веществ на 70-80 % и снизить влажность
осадка на 5-7 %.
Апробация
работы:
Результаты
исследования
обсуждались
на
XI
Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические
технологии 2006» (г.Самара, 16-20 октября 2006г.), на 5-м Международном
4
www.sp-department.ru
конгрессе по управлению отходами и природоохранным технологиям ВэйстТэк2007, научно-технических конференциях ВолгГТУ 2006-2007 гг.
Публикация
результатов:
результаты
проведенных
исследований
опубликованы в 2 статьях и 1 тезисах докладов конференций
Объем и структура работы: Диссертационная работа состоит из введения,
трех глав, выводов, списка литературы из 123 наименований. Работа изложена на
125 страницах машинописного текста, включая 17 таблиц и 19 рисунков.
Первая глава посвящена обзору литературы в области флокуляции
дисперсных систем, процессам структурообразования в дисперсиях, методам
оценки флокулирующего действия и физико-химическим свойствам растворов
полиэлектролитов.
Во второй главе излагаются результаты исследований структурообразования
в суспензии активного ила, флокуляции дисперсий с использованием катионных
полиэлектролитов и смесей полиэлектролитов, приводятся технологические
параметры обезвоживания активного ила.
В третьей главе подробно описаны характеристики использованных
флокулянтов
и
дисперсных
систем,
а
также
методики
исследования
гидродинамических свойств и оценки флокулирующей активности бинарных
смесей катионных полиэлектролитов.
2. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В СУСПЕНЗИИ АКТИВНОГО ИЛА И
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
(Обсуждение результатов)
Взаимодействие макромолекул полиэлектролитов с частицами водных
дисперсий приводит к формированию агрегатов частиц – флокул. Основным
фактором, вызывающим образование флокул является «мостикообразование»
за счет одновременной адсорбции макромолекулы на поверхностях разных
частиц.
В
качестве
основных
параметров
полимеров,
способствующих
эффективному флокулообразованию, является высокая молекулярная масса (длина
макромолекулярной цепи) и наличие заряда, противоположного по знаку заряду
поверхности частиц. В тоже время существует необходимость не только в
образовании флокул с большим числом агрегации, но и задачи регулирования
5
www.sp-department.ru
структуры флокул, а также структурно-механических свойств осадков.
Известны
данные,
термодинамической
показывающие
совместимостью
существование
компонентов
в
взаимосвязи
растворе,
между
изменением
термодинамического качества растворителя и адсорбцией полимеров из смеси.
Можно предположить, что условия адсорбции, а также и условия флокуляции
значительно изменятся в зависимости от термодинамической совместимости
полимеров. Так гидрофобизация поверхности флокул при адсорбции макромолекул
термодинамически
несовместимых
полиэлектролитов
должна
приводить
к
интенсификации межчастичных контактов и структурообразвоанию в системе.
В настоящей работе предпринята попытка поиска новых путей регулирования
структуры
флокул
и
осадков
при
использовании
смеси
катионных
полиэлектролитов для интенсификации процесса обезвоживания активного ила.
2.1. Исследование процессов структурообразования в суспензиях активного ила
и выбор концентрационных условий обезвоживания
Активный ил биологических очистных сооружений с физико-химической
точки зрения представляет собой многокомпонентную дисперсную систему с
ограниченной седиментационной устойчивостью, содержащую 0,2-0,8 % твердой
фазы. Существенным фактором, влияющим на флокуляцию дисперсий, является
концентрация дисперсной фазы. С точки зрения кинетики агрегации частиц
большие концентрации предпочтительны, так как это увеличивает количество
столкновений в единицу времени. Тем не менее, при анализе технологических
процессов необходимо принимать во внимание другие физико-химические и
физические процессы, протекающие в системе наряду с процессом агрегации. Так,
например, высокие концентрации частиц уменьшают скорость седиментации за
счет эффекта стесненного осаждения. Особенно существенное замедление
наблюдается на стадии уплотнения осадка.
Основываясь на современных представлениях о динамике дисперсных систем,
можно
сказать,
что
причиной
снижения
подвижности
частиц
являются
межчастичные контакты. Такие взаимодействия при низких концентрациях
суспензии приводят к формированию агрегатов из первичных частиц. Дальнейшее
6
www.sp-department.ru
увеличение концентрации может приводить к формированию пространственной
сетки, обладающей определенной прочностью. Прочность такой сетки становится
отличной от нуля при некоторой критической концентрации С0 и резко возрастает с
увеличением концентрации.
Применительно
к процессу
обезвоживания
активного
ила
вопрос о
структурообразовании имеет принципиальное значение. Активный ил содержит,
как правило, 0,2-0,8 % масс. взвешенных частиц. Поскольку такой ил не обладает
седиментационной
устойчивостью,
то
логичным
решением
является
его
уплотнение в гравитационном поле. В процессе уплотнения при повышении
концентрации частиц создаются условия для структурообразования. Однако в
случае последующей обработки флокулянтом структурообразование ведет к
затруднению диффузии макромолекул флокулянта на поверхность частиц,
неравномерному распределению полимера. Следствием структурообразования в
конечном итоге становится снижение эффективности кондиционирования и
водоотдачи.
Поскольку состав и физико-химические свойства осадков изменяются в
зависимости от состава сточных вод, режима работы биологических очистных
сооружений, сезонного фактора, то необходимо иметь инструментальный метод
контроля величины с0 в процессе работы установок механического обезвоживания
осадков. Поскольку структурообразование ведет к изменению реологического
поведения суспензии, то достаточно удобным методом может быть построение
кривых течения, то есть зависимостей напряжения сдвига от градиента скорости
сдвига, с использованием ротационной вискозиметрии.
В данном исследовании реологические измерения выполнены для образцов
активного ила, отобранных в различные периоды времени на биологических
очистных сооружениях г. Волгограда (о. Голодный). Пример кривых течения
приведен на рис. 1.
7
www.sp-department.ru
τ 10−3, Па
5
80
60
40
4
20
3
2
1
0
0
0,5
1
1,5
2
γ, с-1
2,5
Рис. 1. Зависимость напряжения сдвига от градиента скорости сдвига при течении
образцов активного ила с концентрацией взвешенных частиц (масс. %) 1
– 0,47; 2 – 0,94; 3 - 1,88; 4 - 2,82; 5 - 3,76.
Из рис. 1 видно, что реологическое поведение активного ила изменяется с
ростом концентрации частиц. Так при низких концентрациях активный ил
демонстрирует ньютоновское поведение, а с увеличением концентрации возникает
предельное
напряжение
сдвига
и
форма
кривых
течения
соответствует
вязкопластической модели:
•
τ = τ 0 +η * γ ;
где τ0 – предельное напряжение сдвига,
γ – градиент скорости сдвига,
η* - пластическая вязкость.
Проследив зависимость предельного напряжения сдвига от концентрации
взвешенных частиц можно определить критическую концентрацию частиц, при
которой в активном иле начинают проявляться эффект структурообразования (рис. 2).
8
www.sp-department.ru
-3
τ0 10 , Па
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
С0=2,5 % масс.
Рис. 2.
Зависимость
предельного
напряжения
сдвига
5
С, % масс.
активного
ила
от
концентрации взвешенных частиц.
Из рис. 2. следует, что активный ил с концентрацией взвешенных частиц до 2
% не имеет структуры, тогда как при концентрациях 3 % и выше образование
структуры
подтверждается
появлением
предельного
напряжения
сдвига.
Последний параметр резко возрастает при увеличении концентрации взвешенных
частиц, что соответствует теоретическим представлениям.
Необходимо
отметить,
что
значения
коэффициентов
вязкости
также
существенно зависят от концентрации взвешенных частиц в активном иле (рис. 3).
Причем зависимость коэффициентов вязкости от концентрации взвешенных частиц
можно аппроксимировать двумя прямыми с различным наклоном. Так при низких
концентрациях вязкость изменяется незначительно. Однако при концентрациях,
превышающих критическое значение, вязкость резко возрастает.
9
www.sp-department.ru
−3
η 10 , Па с
40
30
2
20
10
1
С0=2,5 % масс.
0
0
1
2
3
4
С, % масс.
Рис. 3. Зависимость пластической вязкости активного ила от концентрации
взвешенных частиц.
Полученные данные по пластической вязкости полностью согласуются с
данными по зависимости предельного напряжения сдвига от концентрации и
свидетельствуют об образовании пространственной структуры в активном иле при
содержании взвешенных частиц более 2,5 %.
В связи с полученными данными о структурообразовании в активном иле
необходимо провести анализ таких процессов в присутствии флокулянта. При
введении флокулянта происходит существенное укрупнение размеров частиц
дисперсной фазы, изменяются физико-химические свойства поверхности частиц за
счет присутствия макромолекул флокулянта. Поэтому можно ожидать и изменения
параметров структурообразования.
Экспериментальные данные по зависимостям предельного напряжения сдвига и
пластической вязкости от концентрации взвешенных частиц приведены на рис. 4 и 5.
10
www.sp-department.ru
τ 10−3, Па
7
6
5
1
4
3
3
2
2
1
0
0
1
2
3
4
С, % масс
Рис. 4. Зависимость предельного напряжения сдвига активного ила от концентрации
взвешенных частиц при различных дозах флокулянта 1 – нет, 2 – 3,7 мг/г, 3 – 7,4
мг/г.
η 10−3, Па с
40
2
30
20
4
3
10
1
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
С, % масс.
Рис. 5. Зависимость пластической вязкости активного ила от концентрации
взвешенных частиц при различных дозах флокулянта 1 – нет, 2 – 3,7 мг/г, 3 –
7,4 мг/г.
11
www.sp-department.ru
Соответствующие кривые течения имеют вид, аналогичный приведенным на
рис. 1. Из рис. 4 и 5 видно, что характер концентрационных зависимостей
сохраняется и при введении флокулянта. При низких концентрациях дисперсной
фазы в системе не наблюдается эффектов структурообразования.
Однако введение флокулянта заметно изменяет критическую концентрацию
структурообразования. Так увеличение дозы флокулянта приводит к уменьшению
критической концентрации структурообразования до 1,0 –
1,5 %.
Причиной
снижения критической концентрации структурообразования С0 в присутствии
флокулянта является как «мостикообразование» через макромолекулы флокулянта,
так и гидрофобизация поверхности частиц ила за счет адсорбции макромолекул
флокулянта. Оба этих фактора способствует формированию межчастичных
контактов и пространственной структуры.
2.2 Особенности разделения дисперсий
с использованием бинарных
смесей катионных полиэлектролитов
Даже на уровне модельных систем интерпретация флокулирующего
действия полимерными смесями вызывает определенные трудности, связанные в
первую очередь с термодинамической несовместимостью одноименно заряженных
полимеров смеси.
Для
лабораторных
исследований
использовались
высокомолекулярные
образцы катионных полиэлектролитов, растворимые в воде и в водных растворах
солей.
Параметры образцов приведены в табл. 1.
Взаимодействие между компонентами в растворе смесей полимеров можно
оценить по изучению их гидродинамических свойств. Наиболее простым и
достоверным способом является анализ зависимостей вязкости для смесей
различного состава. В случае полиэлектролитов вязкость можно определить в
состоянии подавленной ионизации и компактной конформации клубка, а также в
условиях, когда макромолекулы набухают и принимают форму развернутых
макроионов.
12
www.sp-department.ru
Таблица 1 - Х арактеристика ф локулянтов
Ф локулянт
[η], η пр ,
дл/г дл/г
Ф ормула
H 2C C H
К Ф -91
αη = 3
η пр
[η ]
n
N
O SO 2 O C H 3
+
CH 3
3,21 73,3
2,84
0,27 13,8
3,71
2,86 55,4
2,4
4,00 60,2
2,47
5,05 92,0
2,63
6.01 72.0
12.0
H 3C
H 2C
ВПК
CH
HC
CH2
CH2
N
H 3C
+
CH2
n
Cl
CH3
CH3
H 2C
C
O
C
К Ф -99
O
H 2C
Росфлок
Zetag7692
Praestol
-650
m
CH
O
H 2N
C
H 2N
H2C
H 2C
C
O
C
O
H 2C
C
H2N
C 2H 5
C
C
H2 H2
O
C
H2
N
H
n
CH
O
m
N
+
Cl
CH3
C 2H 5
CH3
CH
O
CH
C
O
n
H 2C
+
O SO 2O C H 3
C N
H2
CH3
CH3
C
H2
H 2C
O
C
CH3
CH
O
m
CH3
+
Cl
C N
H2
CH3
CH3
C
H2
m
C
CH3
+
n
HN C C C N Cl
H2H2 H2
CH3
CH3
Проведенные ранее подробные исследования гидродинамических свойств
растворов индивидуальных полиэлектролитов и их бинарных смесей показали, что
зависимости
характеристической
вязкости
и
коэффициента
набухания
от
соотношения компонентов в смеси проходят ниже прямой аддитивности, которая
при отсутствии специфических межмолекулярных взаимодействий.
Было высказано предположение, что такие отклонения указывают на
ухудшение термодинамического качества «смешанного растворителя» при таком
соотношении компонентов по сравнению с чистым растворителем для полимеров в
смеси, происходит сжатие полиэлектролитных клубков, о чем свидетельствует
некоторое снижение характеристической вязкости и коэффициентов набухания для
растворов смесей. Выявленная закономерность не является специфичной только
13
www.sp-department.ru
для этой пары полиэлектролитов, а характерна для любой пары одноименно
заряженных полимеров.
Вероятно, в присутствии смеси полиэлектролитов также изменяются
условия адсорбции макромолекул на поверхности частиц и флокулообразования по
сравнению с индивидуальными реагентами.
Несомненный научный и практический интерес при изучении процессов
флокуляции
активного
ила
представляет
исследование
дисперсионных
характеристик системы - размеров и формы образующихся флокул, а также их
плотности. Исследования флокулирующей активности бинарных смесей проводились в
сравнении с индивидуальными полимерами и сополимерами катионной природы.
Применение же бинарных смесей флокулянтов не приводит к значительному
изменению размеров флокул, но наблюдается тенденция к снижению оптимальной
дозы индивидуальных компонентов, при этом степень агрегации не уменьшается.
Комплексом методов дисперсионного анализы, включающим оптическую
микроскопию были определены гранулометрические характеристики активного
ила
в
присутствии
Экспериментально
одиночных
установлено,
что
флокулянтов
в
их
присутствии
бинарных
как
смесей.
индивидуальных
полиэлектролитов, так и их бинарной смеси в количестве 1-4 кг/т происходит
активное увеличение размеров частиц. Среди изученных флокулянтов наблюдается
высокая активность КФ и Zetag-7692, в их присутствии формируются стабильные
флокулы
с
высокой
степенью
агрегации
и
низкой
полидисперсностью.
Гранулометрические характеристики дисперсии активного ила в присутствии
индивидуальных полиэлектролитов в оптимальных концентрациях представлены в
таблице 2.
Для интенсификации процесса обезвоживания важным является уровень
влажности образующегося осадка, поэтому основной задачей исследования
флокулирующей активности, является подбор дозы ПЭ, обеспечивающей
оптимальную степень обезвоживания.
Флокуляция ила с образованием стабильных флокул наблюдается в
интервале доз 1 – 6 мг/г, что характерно для высокомолекулярных катионных
флокулянтов.
14
www.sp-department.ru
Таблица 2 -Дисперсионные характеристики суспензии активного ила
в присутствии флокулянтов различной природы
Флокулянт
нет
(WАИ= 99,51%)
КФ-91
Zetag-7692
ВПК
КФ:ВПК
(0,5:0,5)масс доли
Сф, кг/т
Rn105, м
Rs105, м
Rm105, м
Кп
αn
αm
0
4,3
12,6
12,5
2,9
1,0
1,0
2
3
4
2
3
4
2
3
4
13,0
17,4
25,1
8,7
9,3
10,3
8,5
11,3
17,4
57,9
80,4
80,1
52,6
70,0
65,6
27,6
35,6
41,0
69,3
88,3
86,1
59,7
76,2
75,5
86,9
102,8
102,5
5,3
5,1
3,4
6,9
8,2
7,3
10,0
9,1
5,9
3,0
4,0
5,8
2,0
2,2
2,4
2,0
2,7
4,1
5,5
7,1
6,9
4,8
6,1
6,0
6,9
8,2
8,2
1
8,3
25,5
31,5
3,3
1,9
2,5
При уменьшении дозы до 1 мг/г и ниже в большинстве случаев не
наблюдается флокуляция частиц ила и выделение осадка на фильтре становится
невозможным. Высокие концентрации полиэлектролита (6,0 мг/г и более)
обеспечивают флокулообразование, но при этом существенно возрастает адгезия
осадка к фильтровальному полотну, что затрудняет отделение осадка. Поэтому
нами проводились исследования обезвоживания избыточного активного ила в
присутствии бинарных смесей флокулянтов при концентрациях – 1-4 мг/л
и
оптимальном составе смеси (0,5 + 0,5). Влажность осадка, полученного в
лабораторных условиях, составляет 85-90 %. Как видно из рис. 7, применение
флокулирующих композиций способствует увеличению эффекта обезвоживания
активного ила.
Изученные флокулянты проявили высокую активность как по обезвоживанию
осадка, так и по снижению содержания взвешенных веществ в фильтрате (рис. 8).
Причем в экспериментах использовали активный ил без предварительного
концентрирования при малом содержании взвешенных веществ (0,3-0,7 %), что
осложняет флокуляцию полимерами. Тем не менее, использование бинарных
смесей флокулянтов позволяет интенсифицировать процессы флокуляции при
обезвоживать активный ил.
15
www.sp-department.ru
89,85
ВПК+Росфлок
88,35
ВПК+Zetag-7692
87,2
КФ-99+ВПК-402 0.5+0.5
85,7
КФ-91+ВПК-402 0.5+0.5
93,88
Росфлок
90,4
Zetag7692
88,6
КФ-91
87,7
КФ-99
86,75
ВПК-402
Рис. 7. Обезвоживание избыточного активного ила в присутствии смесей
флокулянтов, W, % (W ИАИ = 99,51 %)
Вероятно, при флокуляции активного ила смесью катионных полиэлектролитов
большее количество частиц вовлекаются в процесс агрегации, что и обеспечивает
возрастание степени осветления. Увеличение скорости оседания активного ила, повидимому, связано с образованием более плотных флокул в присутствии смеси
полиэлектролитов по сравнению с индивидуальными компонентами.
43
ВПК+Росфлок
34
КФ-99+ВПК-402 0.5+0.5
30
КФ-91+ВПК-402 0.5+0.5
ВПК+Zetag-7692
20
90
ВПК-402
70
Zetag7692
60
Росфлок
50
КФ-99
45
КФ-91
Рис. 8. Содержание взвешенных веществ в фильтрате в присутствии
флокулянтов, мг/л (ВВ без флокулянтов = 745 мг/л)
16
www.sp-department.ru
Выявленный синергизм флокулирующего действия, по-видимому, можно
объяснить термодинамической несовместимостью полимеров различной природы.
При использовании двух полимеров различного химического строения в процессе
флокуляции
можно
ожидать
проявления
эффекта
несовместимости
адсорбированных цепей. При этом адсорбированные цепи будут стремиться
минимизировать контакты разноименных звеньев, что должно приводить к сжатию
«петель» и «хвостов» и вытеснению молекул воды из поверхностного слоя, то есть
снижению гидрофильности. В таком случае можно считать двухкомпонентные
флокулирующие
гидрофильностью.
системы
Снижение
адаптирующимися
гидрофильности
системами
с
изменяемой
поверхностных
слоев
далее
способствует повышению прочности межчастичных связей, что является причиной
повышения
эффективности
отделения
осадка
-
уменьшению
количества
взвешенных веществ в фильтрате и влажности осадка.
Результаты
лабораторных
исследований
процесса
обезвоживания
избыточного активного ила с применением бинарных смесей катионных
флокулянтов позволили провести опытно промышленные испытания с целью
совершенствования обезвоживания осадков городских очистных сооружений и
отработки технологических режимов обезвоживания осадков с применением
бинарных смесей катионных флокулянтов. При этом существует возможность
снизить расход индивидуальных флокулянтов при их использовании в смеси, что
не снизит характеристики осадка и фильтрата.
Были проведены опытно-промышленные испытания одной из эффективных
бинарной смеси флокулянтов ВПК-402 и Zetag-7692 при обезвоживании
уплотненного избыточного активного ила, образующегося при биологической
очистке хозбытовых сточных вод в цехе «Станция аэрации».
Стадия приготовления рабочих растворов бинарной смеси флокулянтов
является важным узлом стадии подготовки флокулирующих реагентов для
процесса флокуляции. Необходимо отметить, что использование в качестве
флокулянтов бинарных смесей полимеров принципиально не изменяет имеющуюся
технологию обезвоживания в цехе «Станция аэрации». Приготовление рабочих
растворов
бинарной
смеси
флокулянтов
не
представляется
сложным
и
осуществлялось с использование действующего технологического оборудования -
17
www.sp-department.ru
установки «Winkelpresse» фирмы «Bellmer» производства Германии. В растворе
бинарных смесей при суммарной концентрации флокулянтов 0,1-0,4 % компоненты
смеси хорошо совмещаются, не происходит расслаивания. Это позволяет готовить
раствор флокулянтов большей концентрации, чем концентрация индивидуальных
полимеров и при этом появляется возможность сократить затраты на стадии
подготовки раствора флокулянтов.
При
проведении
опытно-промышленных
испытаний
в
качестве
флокулирующей смеси была исследована бинарная смесь ВПК-402 – Zetag-7692
различного состава (табл. 3). Контроль концентрации рабочего раствора
осуществляли по действующей методике путем определения сухого остатка.
Суммарная концентрация флокулянтов
составляет 0,1; 0,18 и 0,22 %
соответственно в 1, 2 и 3 камерах резервуара приготовления рабочего раствора.
Технологические
режимы
и
параметры
обезвоживания
уплотненного
избыточного активного ила с использованием бинарной смеси флокулянтов ВПК402 и Zetag-7692 приведены в табл. 3.
Таблица 3 – Характеристики процесса обезвоживания избыточного активного ила
при использовании бинарной смеси флокулянтов ВПК-402 и Zetag-7692
Влажность
Соотношение
уплотненног
№
флокулянтов
о активного
п/п
ила (шлама), ВПК-402 – Zetag7692
%
1
97,81
0,1-0,9
2
98,05
0,25-0,75
3
98,05
0,5-0,5
Удельный
Расход
Расход
расход
W, %
шлама флокулянто
флокулянто
в Qф, л/ч
Q, м3/ч
в Сф, кг/т
40
40
40
1100
1000
900
2,75
2,50
2,25
86,1
86,1
86,3
Как видно из результатов опытно-промышленных испытаний, применение
бинарной
смеси
катионных
флокулянтов
ВПК-402
и
использоваться в процессе обезвоживания активного ила
Zetag-7692
может
ила с исходной
влажностью 97,2 – 98,9 % на оборудовании станции механического обезвоживания.
Необходимая суммарная доза флокулянтов составляет 2,25-2,50 кг/т а.с.в. Процесс
обезвоживания осуществляется при производительности по активному илу 40 м3/ч
и является эффективным и позволяет получить осадок с влажностью 86,1-86,3 %..
18
www.sp-department.ru
Кроме указанных количественных параметров следует отметить, что при
использовании бинарной смеси ВПК-402 с Zetag-7692 наблюдается хорошее
отлипание обезвоженного осадка от фильтровального полотна.
ВЫВОДЫ
1. В
результате
систематических
структурообразования
использование
и
смесей
исследований
обезвоживания
катионных
активного
полиэлектролитов
закономерностей
ила
предложено
с
изменяемой
гидрофильностью для обработки осадков биологических очистных сооружений,
что способствует повышению эффективности процесса обезвоживания.
2. Исследованы структурно-механические свойства суспензий активного ила и
показано, что структурообразование и формирование пространственной сетки
обеспечивается при критической концентрации взвешенных частиц 2,0-2,5 %, а
при введении флокулянта критическая концентрация закономерно снижается до
1,0-1,5 % в связи с гидрофобизацией поверхности и интенсификации
межчастичных контактов.
3. Изучен процесс обезвоживания избыточного активного ила при введении
катионных полиэлектролитов и выявлено, что использование бинарных смесей
катионных полиэлектролитов в суммарной дозе 2 кг/т, приводит к снижению
влажности осадка на 5-7 % и остаточному содержанию взвешенных веществ в
фильтрате от 50-90 мг/л до 20-40 мг/л по сравнению с индивидуальными
полиэлектролитами.
4. Повышение эффективности процесса обработки осадка связано с усилением
межчастичных связей и упрочнением структуры осадка, которое достигается за
счет снижения гидрофильности адсорбированных макромолекул вследствие
проявления эффекта термодинамической несовместимости полимерных цепей
различного химического строения.
5. Проведенные
опытно-промышленные
испытания
показали
возможность
эффективного применения бинарных смесей катионных полиэлектролитов для
обезвоживания избыточного активного ила при дозах 2,25-2,5 кг/т с получением
осадка влажностью 86,1-86,3 %.
19
www.sp-department.ru
Публикация результатов:
1. Интенсификация обезвоживания активного ила при введении смеси катионных
полиэлектролитов. Дрябина С.С., С.В. Липатов, Ж.Н. Малышева, А.В.
Навроцкий / Тезисы
докл.
XI-ой
Международной
научно-технической
конференции «Наукоемкие химические технологии 2006», г.Самара, 16-20
октября 2006 г.-С. 155-156.
2. Исследование структурообразования дисперсий активного ила в процессах
уплотнения и флокуляции. И.А. Новаков, А.В. Навроцкий, С.С. Дрябина, Ж.Н.
Малышева, С.В. Липатов/ Известия ВолгГТУ (Сер. Химия и технология
элементоорганических мономеров и полимерных материалов. Вып. 4) / Сб.
научн. ст.- № 5- Волгоград: Изд. ВолгГТУ, 2007.-С.116-119.
3. Особенности процесса обезвоживания активного ила при введении смеси
катионных полиэлектролитов. Дрябина С.С., Малышева Ж.Н., Навроцкий А.В.,
Липатов С.В., Новаков И.А. / Сборник докладов 5-го международного конгресса
по управлению отходами и природоохранным технологиям ВэйстТэк-2007,
2007.- С. 402.
Подписано в печать.
.07. 2007 г. Заказ № . Тираж 100 экз. Печ. л.1,0.
Формат 60×84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Типография «Политехник»
Волгоградского государственного технического университета
400131, Волгоград, ул. Советская, 35.
20
www.sp-department.ru