ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ ПЕН
advertisement
МГТУ им. Н.Э. Баумана, отдел «Охрана окружающей среды» Использование современных способов физико-химической и биологической очистки природных и сточных вод при выполнении курсовых и дипломных проектов Авторы: Б. С. Ксенофонтов, А. С. Козодаев, Р. А. Таранов , С. Н. Капитонова, С. Д. Морозов. Докладчик: Ксенофонтов Б.С., руководитель отдела, профессор кафедры «Экология и промышленная безопасность», доктор технических наук Москва 2009 г. Использование новых технологических приёмов в процессах очистки природных вод 1. Преаэрация в местах водозабора для снижения органических загрязнений. 2. Высокоэффективные реагенты. 3. Новые фильтрующие загрузки. 4. Озоно-сорбционная технология очистки. 5. Мембранная технология очистки. 6. Комбинированные методы обеззараживания воды (хлорирование, озонирование, УФ облучение.) Использование новых технологических приёмов в процессах очистки природных вод Вода на очистку Место водозабора Сжатый воздух Типовая технологическая схема подготовки питьевой воды Новые реагенты: оксихлорид алюминия, праестол и др. Использование крупнозернистого песка, активированного угля, С-верада и т.п. 1 - смеситель; 2 - камера хлопьеобразования; 3 - горизонтальный отстойник; 4 - скорый фильтр; 5 - резервуар чистой воды; 6 - насосная станция второго подъема (НС-II); 7 - сооружения по обработки промывной воды; 8 - резервуар - накопитель Зависимость мутности воды от от вида и дозы реагента Схемы магнито- и электросмесителей Перспективные направления использования электромагнитных воздействий для обработки водных систем Использование электромагнитных воздействий в процессах ионного обмена (повышается скорость ионного обмена на 20 – 30%). 2. Более широкое использование электромагнитных воздействий в процессах обеззараживания воды. 3. Применение электромагнитных воздействий для ускорения достижения равновесия в неоднородных системах, содержащих электропроводную компоненту. 1. Озоносорбционная технология подготовки воды Технология водоподготовки Рублевской водопроводной станции Методы обеззараживания воды. Нормативные документы. Питьевая вода СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед поступлением ее в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети Нормативные документы Табл. 1. СанПиН 2.1.4.1074-01. Показатели качества питьевой воды Показатели Единицы измерения Нормативы Термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ) Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общие колиформные бактерии (ОКБ) Число бактерий в 100 мл Отсутствие Общее микробное число (ОМЧ) Число образующих колонии бактерий в 1 мл Не более 50 Колифаги Число бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 100 мл Отсутствие Споры сульфитредуцирующих клостридий Число спор в 20 мл Отсутствие Цисты лямблий Число цист в 50 л Отсутствие Основные методы обеззараживания воды 1. 2. 3. Хлорирование (газообразный хлор, диоксид хлора, гипохлорит натрия) Озонирование УФ обеззараживание Хлорирование газообразным хлором ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Хлор-ядовитый газ зеленовато-желтого цвета с резким удушливым запахом, в 2,45 раза тяжелее воздуха. Растворимость хлора в воде увеличивается с понижением температуры и повышением давления. При добавке в воду хлора происходит его гидролиз Cl2 + H2O HClO + HCl Часть хлорноватистой кислоты НСlO диссоциирует с образованием гипохлорит иона OCl. При наличии в воде аммиака образуются моно- и дихлорамины: HClO + NH3 NH2Cl + H2O HClO + NH2Cl NHCl2 + H2O Хлорирование газообразным хлором Основными обеззараживающими веществами являются Сl2, НСlO, OCl, NH2С1 и NHCl2, их называют активным хлором. При этом Cl2, HClO и OCl образуют свободный хлор, хлорамин и дихлорамин - связанный хлор. Хлорирование газообразным хлором Ввиду малой растворимости жидкого хлора поступающий реагент предварительно испаряется. Затем хлор-газ растворяют в малом количестве воды, получаемую хлорную воду перемешивают с обрабатываемой водой. Дозировка хлора происходит в фазе газообразного вещества, соответствующие газодозаторы называются хлораторами. 1-баллон с сжиженным хлором; 2испаритель; 3смеситель; трубопровод обеззараживаем ой воды Хлорирование газообразным хлором Преимущества 1. 2. Высокая эффективность в отношении патогенных бактерий Последействие. Хлорирование газообразным хлором Недостатки 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлор-газа Высокая коррозионная активность Потенциальная опасность возникновения ЧС Недостаточная эффективность в отношении вирусов Образование в воде хлорорганических соединений (хлороформ ПДК 0,2 мг/л, 4-х хлористый углерод ПДК 0,006 мг/л и т.д.) , которые обладают высокой токсичностью, мутагенностью, канцерогенностью. Эти соединения способны накапливаться в донных отложениях, тканях гидробионтов, и в конечном итоге могут попадать в организм человека. Большое время контакта Необходимость дехлорирования при сбросе в водоем Обеззараживание гипохлоритом натрия На водоочистных станциях с небольшим расходом хлора, а так же где транспортировка, хранение и подготовка токсичного хлора связаны с трудностями, для хлорирования воды используется гипохлорит натрия NаСlO. Обычно концентрированный раствор гипохлорита привозится на станцию в армированных пластиковых емкостях и насосами-дозаторами подается в трубопроводы обеззараживаемой воды. Обеззараживание диоксидом хлора СlO2 является ядовитым, взрывоопасным газом с интенсивным запахом, водный раствор его практически безопасен. По сравнению с Cl2 двуокись хлора имеет ряд преимуществ-более высокая бактерицидность в щелочной среде, более активно окисляет органические вещества, может разлагать фенолы, не придавая при этом воде хлорфенольного запаха, наличие в воде аммиака не снижает эффективности ClO2. Диоксид хлора получают непосредственно на водоочистной станции хлорированием хлорита натрия NaС1O2: 2NaClO2+С12 2С1O2+2NаС1 Причины отказа от хлорирования в результате хлорирования в обрабатываемой воде образуются хлорорганические соединения (ХОС), при этом употребление воды, содержащей ХОС, приводит к заболеваниям печени, почек, поджелудочной железы, щитовидной железы, центральной нервной системы; традиционные схемы хлорирования во многих случаях не являются барьером на пути проникновения ряда бактерий и вирусов в питьевую воду; хлорирование воды, проводимое в больших масштабах, вызвало широкое распространение резистентных к хлору микроорганизмов; хлор (жидкий и газообразный) является сильнодействующим ядовитым веществом, и при его транспортировке, хранении и использовании необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала, населения и окружающей среды; концентрация запасов жидкого хлора на расходных складах, хлораторных коммунальных систем водоснабжения, на площадках очистных и других водопроводных сооружений, размещенных, как правило, в пределах жилой застройки, представляет потенциальную опасность возникновения чрезвычайных аварийных ситуаций; растворы хлорсодержащих реагентов коррозионно активны, и являются причиной быстрого износа оборудования и трубопроводов. Озонирование воды Озон (О3) -более сильный окислитель, чем диоксид хлора или свободный хлор . Синтетическим путем озон получают при коронном (тихом) разряде, который образуется в узком слое воздуха между электродами высокого напряжения (5...29 кВ) при атмосферном давлении. Соответствующие аппараты называются генераторами озона или озонаторами 3O2 2O3 Озонирование воды Пример получения озона 1-воздушный фильтр; 2-компрессор; 3-охладитель; 4-осушители; 5-озонатор; 6-трансформатор; 7смеситель (контактный резервуар). Озонирование воды заключается в ее перемешивании с озоновоздушной смесью в контактных камерах ври времени контакта 5...20 мин. Обеззараживание воды УФ излучением Уже в начале XX-го века в первых работах по исследованию воздействия УФ на живые организмы был обнаружен оптимум длин волн для инактивации микроорганизмов находящийся в области 250-266 нм, и была построена кривая бактерицидного действия УФ излучения. В отличие от реагентных методов обеззараживания при облучении микроорганизмов УФ излучением разрушается структура ДНК, что приводит к инактивации микроорганизмов. ©2007 Обеззараживание воды УФ излучением Спектр УФ лампы низкого давления 1,0 0,8 0,6 Кривая бактерицидного действия УФ излучения 0,4 0,2 0,0 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 ©2007 Обеззараживание воды УФ излучением Формула для степени обеззараживания выглядит следующим образом: N/N0=exp(-k*I*t) где N0 – количество клеток до облучения; N – количество клеток после облучения; I – интенсивность УФ излучения; t – время облучения; k – коэффициент, зависящий от вида микроорганизмов В большинстве случаев микроорганизмы по степени сопротивляемости к УФ располагаются следующим образом: вегетативные бактерии < вирусы < бактериальные споры < цисты < простейшие ©2007 Обеззараживание воды УФ излучением Доза облучения D=I*t (или количество энергии, сообщаемое микроорганизмам) является главной характеристикой установки УФ обеззараживания. Она зависит от средней интенсивности (I) облучения и времени нахождения под облучением (t). Доза УФ облучения измеряется в Дж/м2 или мДж/см2. Уравнение N/N0=exp(-k*D) является хорошим первым приближением, описывающим инактивацию микроорганизмов в зависимости от приложенной дозы облучения ©2007 Обеззараживание воды УФ излучением Средняя интенсивность облучения в свою очередь зависит от количества и мощности источников УФ излучения и коэффициента пропускания воды τ=I/I0. I0-исходная интенсивность, Вт/м2, I- интенсивность после прохождения слоя воды толщиной L. Обычно L=1 см. Обеззараживание воды УФ излучением УФ излучение поглощается водой и растворенными в ней веществами. При этом интенсивность падает по мере проникновения луча в глубь жидкости. Эффективность обеззараживания зависит от коэффициента пропускания УФ излучения водой на длине волны 254 нм, а также от концентрации загрязняющих веществ. Коэффициент пропускания определяет среднюю интенсивность УФ излучения в камере обеззараживания УФ установок. Коэффициент пропускания определяет долю УФ излучения с длиной волны 254 нм, пропускаемую слоем воды толщиной в 1 см, и составляет 40-70 % для очищенных сточных вод и 50-80 % для доочищенных сточных вод. Чем больше коэффициент пропускания, тем больше средняя интенсивность УФ излучения и, следовательно, больше доза УФ облучения, выше эффект обеззараживания. Обеззараживание воды УФ излучением Преимущества УФ облучение летально для большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. УФ излучение инактивирует вирусы, которые не поддаются воздействию хлора. Обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов, поэтому на его эффективность изменение характеристик воды оказывает намного меньшее влияние, чем при обеззараживании химическими реагентами. В частности, на воздействие УФ излучения на микроорганизмы не влияют рН и температура воды. В отличие от хлорирования и озонирования, после воздействия УФ в воде не образуется вредных органических соединений даже в случае многократного превышения требуемой дозы. Это, в частности, позволяет значительно упростить контроль за процессом обеззараживания и не проводить анализы на определение содержания в воде остаточной концентрации дезинфектанта. УФ излучение не влияет на органолептические свойства воды. Время обеззараживания при УФ облучении составляет 1-10 секунд в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей. Достижения последних лет в светотехнике и электротехнике позволяют обеспечить высокую степень надежности УФ комплексов. Современные УФ лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс. Обеззараживание воды УФ излучением Преимущества Метод безопасен для людей, отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом. УФ оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без их остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ. Простота в эксплуатации. Требуется только периодическая очистка поверхности кварцевых чехлов и замена ламп по мере выработки ресурса, не требуется применение вспомогательных устройств и специального обслуживающего персонала. Нет проблем коррозии технологического оборудования. Для обеззараживания УФ излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более, озонировании эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании); отсутствием потребности в реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция, а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования. Обеззараживание воды УФ излучением Преимущества Время обеззараживания при УФ облучении составляет 1-10 секунд в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей. Современные УФ лампы и пускорегулирующая аппаратура к ним выпускаются серийно, имеют высокий эксплуатационный ресурс (лампы 12 000 часов, ПРА-50 000 часов). Метод безопасен для людей, отсутствует необходимость создания складов токсичных хлорсодержащих реагентов, требующих соблюдения специальных мер технической и экологической безопасности, что повышает надежность систем водоснабжения и канализации в целом. УФ оборудование компактно, требует минимальных площадей, его внедрение возможно в действующие технологические процессы очистных сооружений без их остановки, с минимальными объемами строительно-монтажных работ. Простота в эксплуатации. Требуется только периодическая очистка поверхности кварцевых чехлов и замена ламп по мере выработки ресурса, не требуется применение вспомогательных устройств и специального обслуживающего персонала. Нет проблем коррозии технологического оборудования. Для обеззараживания УФ излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более, озонировании эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании); отсутствием потребности в реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция, а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования. Обеззараживание воды УФ излучением Преимущества Нет проблем коррозии технологического оборудования. Для обеззараживания УФ излучением характерны более низкие, чем при хлорировании и тем более, озонировании эксплуатационные расходы. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании); отсутствием потребности в реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция, а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования. Недостатки В отличие от реагентных способов обработки метод УФ обеззараживания не обладает последействием, т.е. не препятствует повторному росту микроорганизмов распределительных сетях. Комплекс озоносорбционной подготовки питьевой воды Назначение: Комплексы озоносорбционной очистки воды устанавливаются на объектах, имеющих собственный водозабор или централизованное водоснабжение и обеспечивают очистку воды от взвесей, соединений железа, марганца, сероводорода, нефтепродуктов и других органических загрязнений. Состав: 1 - озонатор, 2 - контроллер, 3 - электромагнитный клапан, 4 Обеспечивается - эжектор, 5 - контактный резервуар (фильтр) с блоком датчиков обеззараживание уровня 6 и деструктором озона 7, 8 - насосная станция. воды. Преимущества озоносорбционной подготовки питьевой воды Преимущества: 1. Очистка воды любой степени загрязненности до Европейских и Российских стандартов; 2. Простота в эксплуатации; 3. Низкая стоимость оборудования (за счет одновременного сочетания фильтрования, обезжелезивания и обеззараживания); 4. Минимальные эксплуатационные затраты – замена фильтрующей засыпки один раз в 3-5 лет; 5. Компактность комплекса; 6. Высокая надежность и безопасность; 7. Простота в использовании. Очистка сточных вод ---- Современные способы очистки сточных вод: - Использование высокоэффективных реагентов; - Интенсификация флотационной очистки сточных вод; - Биологический способ удаления азота; - Реагентный способ удаления фосфора; - Интенсификация флотационного способа сгущения активного ила. ---- Технологические схемы очистки сточных вод ---- Используемое оборудование Требования к качеству очищенной сточной воды Способы флотационной очистки сточных вод ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЛОКОВ КОАЛЕСЦЕНЦИИ Многостадийная флотация с учетом коалесценции флотокомплексов d C A K1C A K 2C B K 6C A K 5CC dt d C B K1C A K 2C B K 3C B K 4CC K 7 C B K 8C D dt d CC K 3C B K 4CC K 6C A K 5CC K 9C D K10CC dt d C D K 7 C B K 8C D K 9C D K10CC dt Результаты испытаний фильтрующего элемента 0,6 0,52 С , мг/л 0,5 0,44 0,4 0,32 0,3 0,28 0,2 0,1 0 1 2 3 Пробы воды 4 Результаты испытаний флотационного аппарата Лабораторная установка Доочистка фильтрованием. C = 0,79 - 0,54 мг/л Сравнительная таблица основных параметров флотомашин Пневматическая флотационная машина. Комбинированная флотационная машина пневматического типа с фильтрующими элементами. Время флотации, мин. 25 16 Рабочий объем флотатора, м3. 2,6 1,66 5 3 Размер камеры флотации (L·B·H), м 0,5·1·1 0,5·1·1 Расход воздуха, м3/ч. 52 33,2 Дисковый 10 Дисковый 6 3,5·1·1,2 2,5·1·1,2 Параметры Количество камер, шт. Аэраторы: Тип Количество, шт. Габариты (L·B·H), м МЕТОД НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ 1 – сатуратор; 2 – флотокамера напорного типа. Перепад давления Газовыделение Метод может применяется и в водоподготовке, и для очистки сточных вод Особенности метода напорной флотации Высокая эффективность извлечения. газовый пузырек образуется на поверхности извлекаемого компонента. Высокая прочность флотокомплекса. прочное слипание пузырька с частицей за счет мелких размеров и специфики зарождения пузырьков; образование нескольких пузырьков на одной частице; ламинарное течение во флотокамере. Низкая скорость флотирования. медленный подъем флотокомплексов из-за маленьких размеров пузырьков. Интенсификация метода Увеличение скорости подъема флотокомплексов при сохранении его прочности. Способы интенсификации - конструкционный Изменение конструкции флотокамеры для уменьшения времени флотации. Введение дополнительных узлов для коалесценции (блоки тонкослойного осветления, фильтрующие элементы, сетчатые уловители, сорбционные осветлители и т.д.) - реагентный Предварительная обработка воды коагулянтом и (или) флокулянтом - введение второй рабочей жидкости Первая рабочая жидкость – вода, насыщенная растворенным воздухом. Вторая рабочая жидкость – вода, насыщенная раствором легкорастворимого газа. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФЛОТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРОЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ Вторая рабочая жидкость – насыщенный раствор легкорастворимого газа (углекислый газ). Вводится во флотокамеру одновременно с первым рабочим раствором. НАБЛЮДАЕМЫЙ ПРОЦЕСС 1. Образование флотокомплекса. 2. Постепенное увеличение газового пузырька за счет выделения легкорастворимого газа. 3. Значительное увеличение скорости подъема флотокомплексов во всем объеме жидкости. 4. Не наблюдается увеличение интенсивности разрушения комплексов «частица-пузырек». 5. Эффективность извлечения загрязнений значительно возрастает. 6. Высокое илоуплотнение ВЛИЯНИЕ РАСТВОРА ЛЕГКОРАСТВОРИМОГО ГАЗА НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПЕННОГО СЛОЯ Добавление второго рабочего раствора при напорной флотации позволяет получить более концентрированный пенный продукт. С добавлением СО2 Без добавления СО2 ВЛИЯНИЕ РАСТВОРА ЛЕГКОРАСТВОРИМОГО ГАЗА НА ПРОЦЕСС ФЛОТАЦИИ dC A dt k1C A k 2 C B k 5 C C k 6 C A dC B k1C А k 2 C В k 3 C B k 4 C C dt dC C dt k 5 C C k 6 C A k 3 C B k 4 C C Решение системы Д.У., описывающих известный процесс напорной флотации Сравнение решений систем Д.У., описывающих флотационные процессы, использующие один (С1А, С1В, С1С) и два рабочих раствора (С2А, С2В, С2С). МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАСТВОРА ЛЕГКОРАСТВОРИМОГО ГАЗА НА ФЛОТОКОМПЛЕКСЫ ВОЗДУХ D3пуз=1-3 мм ВОЗДУХ СО2 D1пуз=0,0002 мм D2пуз=0,01-0,05 мм СО2 ВОЗДУХ ВОЗДУХ СО2 СО2 ВОЗДУХ СО2 СО2 ВОЗДУХ V2пуз=1,3-2,6 мм/с V3пуз=4-10 мм/с СО2 Аппаратурное оформление 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. корпус флотомашины; I блок тонкослойного осветления (2, 3, 4); II блок тонкослойного осветления; III блок тонкослойного осветления; устройство вывода чистой воды; блок успокоительных сеток; устройство ввода и распределения очищаемой жидкости с редукционным клапаном; устройство ввода и распределения раствора легкорастворимого газа; пеногон. Масса аппарата в традиционном исполнении – 9,24 т Масса разработанного аппарата – 5,04 т Общее снижение металлоемкости – 4,2 т (в 1,84 раза) Сравнение двух методов Традиционный метод напорной флотации Разработанный метод напорной флотации Рыхлый пенный слой Плотный пенный слой Концентрация твердой фазы 2-3% 5-6% Необходимое время пенного уплотнения 3 часа 3-15мин Уплотнение пенного слоя Флотационное извлечение 1-2 мм/с 4-10 мм/с 30 мин 15-20 мин Параметры Вид пенного слоя Лимитирующая стадия Скорость подъема флотокомплексов Время флотации Технологическая схема очистки поверхностного стока Очистка жиросодержащих и бытовых сточных вод Очистные сооружения предназначены для биологической очистки жиросодержащих, бытовых и производственных сточных вод мясокомбинатов, предприятий молочной промышленности, коттеджных поселков и крупных населенных пунктов . Очистка жиросодержащих сточных вод Очистка бытовых сточных вод - мясокомбинаты;- молокозаводы;- птицефабрики- маслобойные заводы;заводы растительных масел;- пивоваренные заводы- коттеджные поселки;- дома отдыха- населенные пункты- предприятия пищевойпромышленности- дачные поселки;- хлебозаводы Очистка нефтесодержащих сточных вод Характеристики станции: - оборотная система водопользования, - высокая производительность; -высокая эффективность очистки нефтесодержащих сточных вод; - минимальное использование площадей; - не требует постоянного обслуживания; Спасибо за внимание.
