CC BY
60
-□ □-
Наведет результати експерименталь-дослиджень з ттенсифшаци роботи фло-тацшног установки пи) час очистки стiчних вод молокопереробного тдприемства шляхом застосування спещальног конструкци змшу-вальног вставки )афрагми) у системi реа-гентног обробки. Встановлеш оптимальш параметри роботи флотацшног установки, за яких досягаеться необхдна ятсть очистки стiчних вод молокопереробного тдприемства для скиду гх у систему водовидведення м^та
Ключовi слова: ттенсифшащя, флотащ-йна установка, вузол змшування реагенту, дiафрагма, фiзико-хiмiчна очистка, молоко-
переробне тдприемство
□-□
Приведены результаты экспериментальных исследований по интенсификации работы флотационной установки при очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия путем применения специальной конструкции смесительной вставки (диафрагмы) в системе реагентной обработки. Установлены оптимальные параметры работы флотационной установки, при которых достигается необходимое качество очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия для сброса их в систему водоот-ведения города
Ключевые слова: интенсификация, флотационная установка, узел смешивания реагента, диафрагма, физико-химическая очистка,
молокоперерабатывающее предприятие -□ □-
УДК 628.33
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.601211
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ ПРИ ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Т. А. Шевченко
Кандидат технических наук, доцент Кафедра водоснабжения, водоотведения и очистки вод Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А. Н. Бекетова ул. Революции, 12, г. Харьков, Украина, 61002 E-mail: tamarashevchenko@yandex.ru А. А. Шевченко Инженер по научно-технической информации
ООО «Эко-Инвест» ул. Вокзальная, 26Е, г. Чугуев, Украина, 63503 E-mail: shevchenko950@gmail.com
1. Введение
В Украине около 300 различных молокоперераба-тывающих предприятий, и с начала 2000-х годов объемы производства ежегодно увеличиваются на 15-20 %.
Предприятия данной отрасли являются одними из крупных потребителей пресной воды, а сбрасываемые сточные воды, образующиеся в процессе производства, относятся к категории высококонцентрированных.
Объем сточных вод в зависимости от ассортимента выпускаемой продукции и наличия оборотных систем (охлаждение и сбор конденсата) составляет 1-6 л/л перерабатываемого молока.
Главными особенностями сточных вод молокопе-рерабатывающих предприятий являются:
- высокое содержание органических загрязнений (ХПК, БПК, жиры);
- суточная и сезонная неравномерность поступления сточных вод;
- изменение концентраций загрязняющих веществ.
Для обеспечения установленных нормативов сброса применяются различные методы и схемы очистки
сточных вод, эффективность применяемых решений зависит от ряда факторов, и прежде всего, от достоверности исходных данных, необходимых для проектирования очистных сооружений [1, 2].
Большинство существующих рекомендации и справочных данных для проектирования очистных сооружений разрабатывались в 80-х годах [3-5]. Строящиеся в то время молокозаводы были рассчитаны на выпуск относительно узкого ассортимента продукции и применение актуального на то время оборудования и технологий, не позволяющего экономно расходовать водные ресурсы. Поэтому актуальным становится вопрос разработки эффективной технологической схемы очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
С начала 2000-х годов ассортимент продукции мо-локоперерабатывающих предприятий расширился.
©
Также, наряду с натуральными продуктами, в производстве активно используются различные пищевые добавки, эмульгаторы, стабилизаторы, консерванты, красители и прочее [1].
Кроме этого, если во времена Советского Союза сыворотка практически полностью использовалась для сельскохозяйственных нужд, то на сегодняшний день, ее утилизация является серьезной проблемой. Внедрение оборудования для переработки сыворотки (сгущение, сушка и деминерализации) требует значительных капиталовложений и в ряде случаев нерентабельно. В итоге, сыворотку просто сбрасывают в канализацию, что существенно увеличивает концентрации загрязняющих веществ.
В состав сточных вод предприятий молочной промышленности входят органические вещества, минеральные соли, в том числе микроэлементы, молочные сахара, коллоидные суспензии молочного жира и белка (казеина, альбумина, глобулина). Наличие устойчивых коллоидных систем обуславливает сложность очистки и обезвреживания данной категории промышленных сточных вод [2].
Важнейшими показателями качества сточных вод являются следующие: рН, ХПК, БПК, взвешенные вещества, содержание белков и молочного жира. Величина рН сточных вод определяется в значительной степени технологией производства, номенклатурой выпускаемой продукции [6]. При изучении 8 очистных сооружений молочных предприятий Франции авторами [7] было установлено, что рН колеблется в пределах 5,8-7,2. Для предприятий, вырабатывающих творог и кисломолочные продукты, величина рН достаточно низкая - 3-6. Это обусловлено тем, что в результате получения кисломолочной продукции образуется определенное количество сыворотки, сбрасываемой в канализацию, что и приводит к снижению рН. В тех случаях, когда сыворотка совершенно не утилизируется, рН колеблется в пределах 2-4. Согласно данным [8] величина водородного показателя, изученная в пределах рН=3-11, влияет на эффективность снижения БПК сточных вод при их очистке.
Указанные сточные воды характеризуются большим содержанием взвешенных веществ, 90 % которых имеют органическое происхождение. Их концентрация в основном обусловлена потерями сырья и молочной продукции в технологическом процессе и представляют собой кусочки творога, молочную пленку, казеин, а также содержат вещества, полученные при выработке молочных продуктов (белок, молочный сахар) [9].
К примесям минерального происхождения относятся грунт, песок, растворы щелочи, попадающие в канализацию при мойке технологического оборудования, тары, помещений.
Поскольку сточные воды молокозаводов относятся к водам нестабильного состава, то и показатели ХПК и БПК колеблются в широких пределах и составляют в среднем для городских молочных заводов - 1200-1400 мгО2/л, для производства казеина и сметано-творожных продуктов - 2400 мгО2/л [9, 10].
Содержание жиров определяется ассортиментом выпускаемой продукции и технологией производства. Образующиеся сточные воды содержат в себе углеводороды, протеины и жиры. Сточные воды содержат жиры в том виде, что и натуральное моло-
ко [11]. В молоке молочный жир представляет собой жировые шарики диаметром 0,5-10 микрон. В 1 мл молока бывает от 2 то 10 млрд. таких шариков. Жировые шарики окружены гидратированной белковой оболочкой, которые крайне медленно всплывают при отстаивании сточных вод. Концентрация жиров в сточных водах, образующихся при производстве высокожирной продукции (сливок, сметаны, масла), составляет 200-400 мг/л.
В работе [12] к основным показателям качества сточных вод помимо указанных выше также отнесен показатель общие растворенные вещества (TDS), включающий коллоидные и растворенные формы загрязнений. При проведении исследований авторами [12] величина этого показателя находилась в пределах 1229-1858 мг/л.
Обобщенные данные состава производственных сточных вод предприятий молочной промышленности представлены в табл. 1.
Таблица 1
Обобщенные данные состава производственных жиросодержащих сточных вод предприятий молочной промышленности
Показатели загрязнений Количественная характеристика сточных вод Требования к очищенной воде при сбросе в городскую канализацию
молоко заводов сыроваренных заводов
Жиры, мг/л 100 100 20-50
Взвешенные вещества, мг/л 350 350-600 до 100
ХПК, мгО2/л 1300 1800 до 800
БПКполн, мгО2/л 1100 2400 до 500
Азот общий 50-80 60-90 10-50
Азот аммонийный, мг/л до 60 до 65 10-50
Фосфор общий, мг/л до 9 до 16 5-20
Фосфор растворенный, мг/л до 8 до 12 5-20
рН 6,5-8,5 6,2-7,0 6-9
Температура °С 17-25 17-25 до 40
Необходимо принимать во внимание, что каждое предприятие уникально и имеет ряд особенностей (культура водопользования, сырье, оборудование и пр.). В связи с этим возникает необходимость в комплексном обследовании системы водоотведения и химического состава сточных вод молокоперераба-тывающих предприятий перед разработкой технологии их очистки.
3. Цель и задачи исследования
Целью работы было обоснование интенсификации работы флотационной установки путем применения смесительной диафрагмы специальной конструкции при очистке сточных вод молокоперерабатывающих предприятий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих основных задач:
- разработка экспериментальной установки для исследования процесса очистки сточных вод молоко-перерабатывающего предприятия на флотационной установке с использованием специальной конструкции смесительной диафрагмы в узле смешения реагента;
- изучение основных факторов, которые влияют на очистку сточной воды молокоперерабатывающего предприятия на флотационной установке при применении специальной конструкции диафрагмы в узле смешения реагента;
- выполнить компьютерное моделирование процесса смешения коагулянта с обрабатываемой сточной водой с применением специальной конструкции смесительной диафрагмы в узле смешения реагента.
4. Материалы и методы исследования интенсификации процесса напорной флотации при очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия
Исследования выполнены в лабораторных условиях на сточной жидкости ЗАО «Молочный комбинат «Авида» (г. Старый Оскол, Белгородская область, Российская Федерация). Лабораторные исследования выполнены с использованием оптических и физико-химических методов.
С помощью компьютерного моделирования построены эпюры скоростей и структуры смешения потока раствора реагента и обрабатываемой воды, которые объясняют механизм интенсификации процессов очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий на флотационной установке с помощью смесительной диафрагмы специальной конструкции.
5. Результаты исследования интенсификации процесса напорной флотации при очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия
Объектом исследования интенсификации процесса очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий было выбрано предприятие ЗАО «Молочный комбинат «Авида» (г. Старый Оскол, Белгородская обл., Российская Федерация). Лабораторные исследования проводились в период второго полугодия 2012 г.
ЗАО «Молочный комбинат «Авида» - ведущее предприятие молочной промышленности Белгородской области. Продукция комбината включает в себя молочные, кисломолочные, творожные и сырные изделия. Расход сточных вод за сутки в среднем составляет приблизительно 550 м3; в среднем за месяц - приблизительно 17 000 м3 (по состоянию на октябрь 2012 г.).
Исследование среднесуточного количества переработанного молока за период с декабря 2011 г. по октябрь 2012 г. показывает, что существует небольшая сезонность работы предприятия. Отклонения от среднего за год могут достигать 25 %. Однако это незначительно сказывается на среднемесячном расходе воды (отклонения до 10 %). В среднем, за исследуемый
период времени, комбинат перерабатывал 217,8 тонн молока в сутки. Основными загрязнителями сточных вод ЗАО «Молочный комбинат «Авида» являются: легкоокисляющиеся и нестойкие органические соединения, масла и жиры, минеральные вещества.
Проведенные исследования показали, что загрязнение сточных вод предприятия сывороткой, приводит к значительному ухудшению их качества. Несмотря на это, согласно данным табл. 2, независимо от наличия в сточных водах сыворотки, основными загрязнителями являются взвешенные вещества, фосфаты, жиры, легкоокисляющиеся и нестойкие органические соединения (БПК5, ХПК). В связи с этим для очистки сточных вод ЗАО «Молочный комбинат «Авида» разработана следующая комплексная двухэ-тапная система очистки, включающая: механическую и физико-химическую (1 этап), и, дополнительно, биологическую очистку (2 этап). Также, для сокращения объемов осадка предполагается его обезвоживание (рис. 1).
Этап физико-химической очистки реализуется на флотационной установке. Для повышения эффективности очистки сточных вод перед ней также предусматривается дозирование реагентов: коагулянтов и полимерных флокулянтов, применение которых в определенном диапазоне рН будет способствовать формированию легкоудаляемой хлопьевидной структуры загрязнений. Для поддержания оптимальной величины рН сточной воды, предусмотрено использование системы корректировки рН.
Таблица 2
Превышение норм сброса объединенных сточных вод предприятия (усредненные данные за второе полугодие 2012 г.)
№ п/п Показатель Ед. измерения Качество сточных вод ПДК Кратность превышения
1 Водородный показатель ед. рН 10,0 6,5-8,5 -
2 Взвешенные вещества мг/дм3 1 580 150 7,5
3 ХПК мг02/дм3 3 897 150 15
4 БПК5 мг02/дм3 2 358 66,7 21
5 Сульфаты мг/дм3 145 500 норма
6 Хлориды мг/дм3 89,8 350 норма
7 Железо общее мг/дм3 2,6 1,0 2,7
8 Азот аммонийный мг/дм3 18,5 5,0 2,2
9 Нефтепродукты мг/дм3 2,1 2,3 норма
10 Жиры мг/дм3 274 1,1 229
11 СПАВ мг/дм3 0,041 2,5 норма
12 Фосфор фосфатный мг/дм3 32,6 1,0 27
13 Сухой остаток мг/дм3 2 185 1000 1,8
Лабораторные исследования по изучению интенсификации процесса напорной реагентной флотации при очистке сточных вод молокоперерабатывающих предприятий были проведены с применением флотатора производства ЗАО «НПФ «ЭКОТОН» [13]. Схема лабораторной установки приведена на рис. 2.
Обезвоживание
Сточные воды
<>
крупные Механическая очистка
загрязнения
О
4 флотошлам Физико-химическая
очистка
из быт очный активный ил
Биологическая очистка
Очищенная вода
Рис. 1. Общая поэтапная схема очистки сточных вод
Рис. 2. Схема лабораторной установки флотационной очистки: 1 — бак исходных сточных вод; 2 — насос подачи сточных вод; 3 — трубный смеситель; 4 — бак с раствором коагулянта; 5 — насос дозирования раствора коагулянта; 6 — бак с раствором флокулянта; 7 — насос дозирования раствора флокулянта; 8 — диафрагма; 9 — запорно-регулирующая арматура; 10 — флотатор; 11 — осветленные сточные воды; 12 — расходный бак воды; 13 — насос повышения давления; 14 — сатуратор; 15 — компрессор
С целью уменьшения расходов реагентов, используемых в процессе флотационной обработки сточных вод молокоперерабатываю-щих предприятий, в данной работе представлена специальная усовершенствованная конструкция смесительной вставки (диафрагмы). Эта конструкция разработана и защищена патентом на полезную модель 147132 (Российская Федерация) [14]. Конструкция диафрагмы приведена на рис. 3.
В результате анализа данных табл. 2 было установлено, что основными загрязнениями сточных вод молочного комбината, концентрации которых значительно превышают нормы ПДК, являются: взвешенные вещества, ХПК, БПК5, жиры и фосфор фосфатов. Поэтому были проведены исследования по влиянию концентраций этих загрязнений на процесс напорной флотации с применением обычной конструкции флотатора (вариант 1) и флотатора с усовершенствованной конструкцией диафрагмы в устройстве коагуляционной обработки (вариант 2).
Смесительную диафрагму устанавливают в трубу, диафрагма создает перепад давления. Часть потока перед диафрагмой забирается в обводной трубопровод. В этот трубопровод вводится концентрированный раствор коагулянта, далее по нему происходит смешение раствора с частью расхода сточных вод. Отобранная часть потока с коагулянтом возвращается в основной трубопровод сразу за диафрагмой в зону интенсивного вихреобразования.
Рис. 3. Конструкция диафрагмы
В табл. 3 приведены результаты очистки сточных вод на лабораторной флотационной установке (рис. 2) по основным показателям качества сточных вод: взвешенные вещества, ХПК, БПК5, жиры, фосфор фосфатов. Данные получены по двум вариантам узла коагуляционной обработки, указанным выше в работе. В качестве коагулянта был применен сульфат алюминия, дозы которого варьировались в таких пределах -60-110 мг/дм3 (в расчете на А^О^).
В практике физико-химической очистки сточных вод молокоперерабатывающих предприятий широкое распространение получили железосодержащие реагенты (соли железа Fe2+ и Fe3+). Применение таких регентов может быть более рациональным с точки зрения осуществления дальнейшей биологической очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия, экологически и экономически выгоднее, чем примене-
ние алюминий содержащих реагентов. Поэтому для сравнения эффективности работы коагулянтов и экономической целесообразности их применения лабораторные исследования по интенсификации процесса напорной флотации при очистке сточных вод моло-коперерабатывающего предприятия были проведены по варианту 2 (с применением усовершенствованной конструкции диафрагмы в системе подачи реагента) с использованием двух видов коагулянтов: сульфата алюминия Al2(SO4)3 и хлорида железа FeCl3, дозы которых указаны по тексту далее.
В табл. 4 и на рис. 4-8 приведены данные по эффективности работы лабораторной флотационной установки с применением усовершенствованной конструкции диафрагмы в узле смешения коагулянта с применением двух видов коагулянтов: сульфата алюминия и хлорида железа (III).
№ п/п Период исследований Показатель
Взвешенные вещества, мг/дм3 ХПК, мгО2/дм3 БПК5, мгО2/дм3 Жиры, мг/дм3 Фосфор фосфатов, мг/дм3
1 2 3 4 5 6 7
Доза коагулянта 60 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 157,18 2224,1 1416,0 25,2 13,5
Вариант 2 102,56 2073,8 1320,3 18,9 12,3
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 134,04 2259,0 1384,4 24,3 13,6
Вариант 2 106,95 2104,3 1289,6 18,5 12,5
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 120,77 2221,2 1324,5 25,7 13,1
Вариант 2 82,78 2252,5 1343,2 19,4 11,5
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 146,16 2341,0 1351,6 25,8 12,3
Вариант 2 77,0 2214,5 1278,6 19,8 12,0
5 Среднее значение Вариант 1 139,54 2261,3 1369,1 25,2 13,1
Вариант 2 92,32 2161,3 1307,9 19,1 12,1
Доза коагулянта 70 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 81,25 2043,7 1301,2 21,5 12,6
Вариант 2 50,62 1893,5 1205,5 14,6 11,4
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 82,71 2197,1 1346,5 21,0 12,5
Вариант 2 57,04 2011,4 1232,7 14,2 10,7
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 74,64 2158,7 1287,2 22,5 12,4
Вариант 2 48,85 2002,2 1193,9 13,6 10,9
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 50,90 2087,9 1205,5 22,8 12,9
Вариант 2 43,07 2024,6 1169,0 13,8 10,8
5 Среднее значение Вариант 1 72,38 2121,9 1285,1 22,0 12,6
Вариант 2 49,90 1982,9 1200,3 14,1 11,0
Доза коагулянта 80 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 46,62 1893,5 1205,5 13,8 11,7
Вариант 2 45,61 1743,2 1109,8 16,2 9,3
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 52,76 2011,4 1232,7 13,2 11,0
Вариант 2 51,87 1887,6 1156,9 15,4 10,2
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 47,50 2002,2 1193,9 14,7 9,7
Вариант 2 46,12 1908,4 1138,0 16,0 12,4
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 52,20 2056,3 1187,2 14,9 11,4
Вариант 2 50,33 1898,1 1095,9 16,3 11,7
5 Среднее значение Вариант 1 49,77 1990,9 1204,8 14,1 11,0
Вариант 2 48,48 1859,3 1125,1 16,0 10,9
Таблица 3
Усредненные значения концентраций основных загрязнений сточных вод молочного комбината после флотационной
очистки за период сентябрь-декабрь 2012 г.
1 2 3 4 5 6 7
Доза коагулянта 90 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 58,61 1773,2 1129,0 15,7 12,3
Вариант 2 67,93 1803,3 1148,1 18,9 13,2
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 68,45 1887,6 1156,9 15,4 11,3
Вариант 2 72,73 1856,7 1137,9 18,2 11,9
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 65,14 1845,8 1100,6 16,2 11,2
Вариант 2 73,28 1939,7 1156,6 19,7 12,1
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 63,95 1866,5 1077,6 17,6 11,1
Вариант 2 70,47 1898,1 1095,9 19,8 11,7
5 Среднее значение Вариант 1 64,04 1843,3 1116,0 16,2 11,5
Вариант 2 71,10 1874,4 1134,6 19,1 12,2
Доза коагулянта 100 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 54,61 1833,4 1167,2 18,9 12,3
Вариант 2 73,26 1893,5 1205,5 21,5 12,6
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 79,86 1887,6 1156,9 19,7 11,9
Вариант 2 82,71 1980,5 1213,8 20,2 12,2
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 74,64 1908,4 1138,0 20,4 11,8
Вариант 2 69,21 2002,2 1193,9 21,2 12,4
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 54,81 1993,0 1150,7 21,4 11,4
Вариант 2 66,56 2056,3 1187,2 22,0 12,3
5 Среднее значение Вариант 1 65,98 1905,6 1153,2 20,1 11,9
Вариант 2 72,94 1983,1 1200,1 21,2 12,4
Доза коагулянта 110 мг/дм3 (в расчете на Al2O3)
1 Сентябрь 2012 г. Вариант 1 87,91 1953,6 1243,8 22,3 12,3
Вариант 2 77,26 1983,6 1262,9 21,8 13,5
2 Октябрь 2012 г. Вариант 1 88,41 1980,5 1213,8 21,8 12,5
Вариант 2 78,43 1949,5 1194,8 20,2 12,2
3 Ноябрь 2012 г. Вариант 1 84,13 2064,8 1231,2 21,2 13,1
Вариант 2 78,71 2002,2 1193,9 21,0 12,1
4 Декабрь 2012 г. Вариант 1 83,52 2119,5 1223,8 22,8 12,6
Вариант 2 75,69 2056,3 1187,2 22,3 13,2
5 Среднее значение Вариант 1 86,00 2029,6 1228,1 22,0 12,6
Вариант 2 77,52 1997,9 1209,7 21,3 12,8
Таблица 4
Эффективность очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия на лабораторной флотационной установке при применении растворов коагулянтов сульфата алюминия и хлорида железа (Ill)
Доза коагулянта, мг/дм3 Эффективность, %
по взвешенным веществам по ХПК по БПК по жирам по фосфатам
сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3) сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3) сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3) сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3) сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3) сульфат алюминия (в расчете на Al2O3) хлорид железа (в расчете на FeCl3)
60 100 93,2 88,9 30,2 31,0 29,5 28,0 92,7 88,1 59,5 57,7
70 110 96,3 89,6 36,0 34,0 34,2 31,0 94,6 90,4 63,2 60,2
80 120 96,4 92,2 40,0 37,0 38,6 34,0 93,9 91,7 64,5 63,0
90 130 94,7 96,2 39,5 40,8 37,7 37,0 92,7 93,7 63,3 64,1
100 140 94,6 96,5 36,0 40,6 37,1 37,1 91,9 94,2 64,1 64,3
110 150 94,2 96,7 35,5 39,9 33,2 36,6 91,9 93,8 65,2 65,3
Рис. 4. Сравнительные данные эффективности очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия по взвешенным веществам на лабораторной флотационной установке
Рис. 5. Сравнительные данные эффективности очистки
сточных вод молокоперерабатывающего предприятия по ХПК на лабораторной флотационной установке
ный пакет программного обеспечения позволяет моделировать течение жидкости и газа в реальных условиях, запускать сценарии «что если», и эффективно анализировать воздействие потока жидкости, теплообмена и связанные с ними силы на погруженные или окружающие компоненты. Пакет «SolidWorks Flow Simulation» дает возможность сравнить варианты, чтобы сделать более обоснованные решения, и создать продукты с лучшими характеристиками.
?есь
е 95
(г 90
85
80
т [
L --- -- !
г -т
60 100 70 110 80 120 90 130 100 140 ПО 150
Рис. 6. Сравнительные данные эффективности очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия по БПК5 на лабораторной флотационной установке
Для компьютерного моделирования и построения эпюр распределения скоростей в смесительном устройстве был применен пакет программного обеспечения «SolidWorks Flow Simulation» [15]. Указан-
Доза коагулянта, мг/дм3 ♦сульфат алюминия "хлорид железа (III)
Рис. 7. Сравнительные данные эффективности очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия по жирам на лабораторной флотационной установке
70
65
60
55
-е-
m
FeCl3
I
LX Г- ■Jr- -г-
р —
60 100 70 110 80 120 90 130 100 140 110 150
Доза коагулянта, мг/дм3 ♦сульфат алюминия ■ хлорид железа (III)
Рис. 8. Сравнительные данные эффективности очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия по фосфору фосфатов на лабораторной флотационной установке
В процессе компьютерного моделирования распределения потока в смесительном устройстве с установленной в нем диафрагмой специальной конструкции с помощью пакета «SolidWorks Flow Simulation» были получены эпюры распределения скоростей (рис. 9) с учетом геометрической формы самой диафрагмы, диаметра трубопровода и изменения градиента скорости.
Рассматривая полученную модель смешанного потока сточных вод и коагулянта, можно заметить, что при прохождении потока через диафрагму значительно увеличивается скорость потока и его турбулизация, что ведет к интенсификации смешения сточной жидкости с раствором вводимого реагента.
Рис. 9. Моделирование эпюры распредения скоростей в движущемся потоке после диафрагмы (трехмерная модель)
6. Обсуждение результатов исследования интенсификации процесса напорной флотации при
очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия
В результате анализа полученных данных (табл. 3) можно выделить следующее:
- при работе лабораторной установки по варианту 1 эффективными дозами реагента, при которых наблюдается удаление практически всех видов загрязнений до допустимых концентраций, является доза 82-85 мг/дм3 (в расчете на А1203);
- при работе лабораторной установки по варианту 2 (с применением усовершенствованной конструкции диафрагмы) эффективными дозами реагента, при которых наблюдается удаление практически всех видов загрязнений до допустимых концентраций, является доза 70-76 мг/дм3 (в расчете на А1203);
- при указанных дозах коагулянта сульфата алюминия для вариантов 1 и 2 эффективность очистки сточных вод ЗАО «Молочный комбинат «Авида» составляла: по взвешенным веществам - 94,6-96,3 %; по ХПК - 36,1-40,5 %; по БПК5 - 34,2-39,2 %; по жирам - 91,5-94,5 %; по фосфору фосфатов - 63,1-64,5 %.
Из указанного следует, что при применении усовершенствованной конструкции диафрагмы (вариант 2) доза коагулянта сульфата алюминия (в расчете на А1203) снижается на 10,6-14,6 %, при этом эффективность очистки сточных вод не изменяется и примерно равна в обоих вариантах.
При сопоставлении данных табл. 4 и рис. 4-8 можно отметить, что эффективность лабораторной флотационной установки с использованием усовершенствованной конструкции смесительной вставки (диафрагмы) при установленных оптимальных дозах коагулянтов сульфата алюминия А12^04)3 и хлорида железа FeC13 находится примерно в одинаковых
пределах, но сами оптимальные дозы отличаются. Так, оптимальная доза сульфата алюминия А12^04)3 составила 70-76 мг/дм3 (в расчете на А1203), а оптимальная доза хлорида железа FeC13 - 114-122 мг/дм3. Из указанного следует, что при применении сульфата алюминия А12^04)3 его доза меньше дозы коагулянта хлорида железа FeC13 на 37,7-38,6 %, при этом эффективность очистки сточных вод примерно равна в обоих случаях.
В результате анализа полученных данных при компьютерном моделировании движения потока обрабатываемой сточной воды с введенным в нее раствором реагента (рис. 9) можно выделить следующее:
- при прохождении потока через диафрагму значительно увеличивается скорость потока и его турбули-зация, что ведет к интенсификации смешения сточной жидкости с раствором вводимого реагента;
- оптимальной скоростью введения реагента является 1,5-2,0 м/с, при этом достигается оптимальная скорость и турбулизация общего потока (сточной жидкости с раствором реагента), значения которых достигают 2,5-3,5 м/с и 333-444 сек-1 соответственно.
7. Выводы
Проведенные научные исследования по интенсификации работы флотационной установки при очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия позволяют сделать следующие выводы:
1. На основании данных о качественном и количественном составе сточных вод ЗАО «Молочный комбинат «Авида» (г. Старый Оскол, Белгородская обл., Российская Федерация) разработана экспериментальная установка для исследования интенсификации процесса очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия на флотационной установке с использо-
ванием специальной конструкции смесительной диафрагмы в узле смешения реагента.
2. На основании анализа полученных экспериментальных данных выявлены основные факторы, которые влияют на очистку сточной воды молоко-перерабатывающего предприятия на флотационной установке при применении специальной конструкции диафрагмы в узле смешения реагента. К таким факторам относятся: интенсивность перемешивания, вид и доза вводимого коагулянта, концентрации исходных загрязнений в сточных водах (взвешенные вещества, жиры, БПК5, ХПК и фосфаты).
3. С помощью пакета программного обеспечения «SolidWorks Flow Simulation» получена виртуальная модель потока в смесительном устройстве с установленной в нем диафрагмой специальной конструкции, наглядно показаны и смоделированы эпюры распределения скоростей в поперечном сечении смесительного устройства, что приводит к активному и более полному перемешиванию раствора реагента и обрабатываемой воды. Последнее, в свою очередь, позволяет сделать вывод об интенсификации процесса коагуляции при очистке сточных вод молокоперерабатывающего предприятия методом напорной флотации.
Литература
1. Шевченко, А. А. Разрабока технических решений по очистке сточных вод молокоперерабатывающих предприятий [Текст]: матер. межд. науч.-техн. Интернет-конф. / А. А. Шевченко // Ресурсосбережение и энергоэффективность инженерной инфраструктуры урбанизированных территорий. - Харьков: ХНАГХ, 2013. - С. 88-90.
2. Чеботаева, М. В. Очистные сооружения BIOMAR® в индустрии напитков в России [Текст] / М. В. Чеботаева // Отраслевой научно практический журнал «Пиво и Напитки». - 2008. - № 4 - С. 44-45.
3. Храмцов, А. Г. Промышленная переработка вторичного молочного сырья [Текст] / А. Г. Храмцов, К. К. Полянский, С. В. Василисин, П. Г. Нестеренко. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1986. - С. 3-7, 8-15, 31-45.
4. Лернер, И. Г. Использование отходов молочной промышленности [Текст] / И. Г. Лернер. - М., 1964. - С. 3-16.
5. Храмцов, А. Г. Молочный сахар [Текст] / А. Г. Храмцов. - М.: «Пищевая промышленность». - 1972. - 192 с.
6. Шустер, К. Анаэробная обработка высококонцентрированных стоков молочных предприятий [Текст] / К. Шустер, И. Ной-берт // Научно-технический сборник «Экология производства». - 2009. - № 11. - С. 50-52.
7. Vourch, M. Treatment of dairy industry wastewater by reverse osmosis for water reuse [Text] / M. Vourch, B. Balannec, В. Chaufer,
G. Dorange // Desalination. - 2008. - Vol. 219, Issues 1-3. - P. 190-202. doi: 10.1016/j.desal.2007.05.013
8. Sharma, D. Treatment of dairy waste water by electro coagulation using aluminum electrodes and settling, filtration studies [Text] / D. Sharma // Int. J. ChemTech Res. - 2014. - Vol. 6, Issue 1. - P. 591-599.
9. Ковальчук, В. А. Бютехнолопя очистки с^чних вод шдприемств харчово! промисловост [Текст]: наук.-техн. зб. /
B. А. Ковальчук, О. В. Ковальчук, В. I. Самелюк // Комунальне господарство мют. - К. : Техшка, 2010. - Вип. 93. -
C. 182-187.
10. Горбань, Н. С. Технология очистки сточных вод молокозаводов [Текст]: зб. наук. пр. / Н. С. Горбань, С. С. Фомин,
H. Ю. Ревякина, С.М. Эпоян // Проблеми охорони навколишнього природного середовища та еколопчно! безпеки, 2010. -С. 200-205.
11. Prashant, A. K. Treatment of dairy wastewater using rotating biological contactors [Text] / A. K. Prashant et al. // Euro. J. Exp. Bio. - 2013. - Vol. 3, Issue 4. - Р. 257-260.
12. Pratiksinh, Ch. Performance evaluation of Effluent Treatment Plant of Dairy Industry [Text] / Ch. Pratiksinh, R. Apurva // Pratiksinh Chavda Int. Journal of Engineering Research and Applications. - 2014. - Vol. 4, Issue 9. - P. 37-40.
13. ФЛОТАТОР ФТ - 10 c установкой реагентной обработки 10КФ. Руководство по эксплуатации (ФТ 0000.0000 РЭ) [Текст]. - Белгород, ЗАО «НПФ «ЭкоТОН», 2012. - 27 с.
14. Патент на полезную модель № 147134 Устройство для коагуляционной обработки сточной жидкости [Текст] / Шевченко А. А. и др. / Федеральная служба по интеллектуальной собственности (РОСПАТЕНТ) - Патентообладатель ЗАО НПФ «ЭкоТОН». - Заявка 10.07.2014 г. - Опубликовано 26.09.2014 г.
15. SolidWorks Flow Simulation 2009 tutorial + примеры [Текст]: уч. пос. - Изд-во: Dassault Systems SolidWorks Corporation, 2009. - 244 c.
