CC BY
67
возрос до 16 МДж. В сельскохозяйственном обществе он равен 50 МДж, а в более развитом - 100 МДж [1]. Обеспечение будущего показателя энергопотреб-
ления - задача сегодняшнего дня и решать ее архитекторам и градостроителям придется уже сейчас.
Статья поступила 07.08.2014 г.
Библиографический список
1. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2009.
2. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. М.: Общество «Знание», 1988.
3. ГОСТ 51594-2000 Нетрадиционная энергетика. Солнечная
энергетика. Термины и определения. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.
4. Беренгартен М.Г., Севастьянов А.П. Методы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в современной энергетике. М., 2013.
УДК 628.336
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
© Т.И. Халтурина1, А.Н. Уарова2, О.В. Чурбакова3
Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.
Приведены данные эксперимента по обработке осадков сточных вод металлообрабатывающих предприятий ка-тионными флокулянтами. Получены результаты улучшения водоотдающих свойств осадков. Опытным путем определены оптимальные режимы процесса обезвоживания. Проведен дифференциально -термический анализ, изучены состав и структура осадков сточных вод металлообрабатывающих предприятий после обработки их ка-тионными флокулянтами для дальнейшей утилизации. Ил. 7. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: обработка; осадок; флокулянты; термограмма; дифференциально-термический анализ.
METALWORKING ENTERPRISE SEWAGE SLUDGE DRYING INTENSIFICATION T.I. Khalturina, А.N. Uarova, O.V. Churbakova
Siberian Federal University,
79 Svobodny pr., Krasnoyarsk, 660041, Russia.
The article reports on the results of the experiment on treating metalworking enterprise sewage with cationic flocculants. The obtained results demonstrate the improvement of water-repellent properties of sludge. The optimal regimes of sludge dewatering are determined empirically. Differential and thermal analysis is carried out; and composition and structure of metalworking enterprise sewage sediments are studied after their treatment with cationic flocculants for further utilization. 7 figures. 2 tables.
Key words: treatment; sediment (sludge); flocculants; thermogram; differential thermal analysis.
Проблемы загрязнения окружающей природной среды с каждым годом становятся более острыми, поскольку принятая во многих отраслях производства стратегия снижения техногенной нагрузки на окружающую среду при уменьшении водопотребления за счет создания замкнутых систем не избавляет от образования твердых и жидких отходов очистных сооружений. Все это обусловливает необходимость создания и реализации технологий кондиционирования осадков, обеспечивающих высокую эффективность
процесса обезвоживания для последующей утилизации, что является актуальным.
Для исследований были взяты натурные осадки маслоэмульсионных и кислотно-щелочных сточных вод ОАО «Красноярский металлургический завод» (ОАО «КраМЗ»).
Известно [1-3] применение высокомолекулярных флокулянтов для изменения структуры осадка и улучшения его способности отдавать влагу в качестве основного приема подготовки к механическому обез-
1Халтурина Тамара Ивановна, кандидат химических наук, профессор кафедры инженерных систем зданий и сооружений, тел.: 89029615551, e-mail: THal1965@yandex.ru
Khalturina Tamara, Candidate of Chemistry, Professor of the Department of Engineering Systems of Buildings and Constructions, tel.: 89029615551, e-mail: THal1965@yandex.ru
2Уарова Александра Николаевна, аспирант, тел.: 89831462104, e-mail: alex_yarova@mail.ru Uarova Aleksandra, Postgraduate, tel.: 89831462104, e-mail: alex_yarova@mail.ru
3Чурбакова Ольга Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности, тел.: 89022930157, e-mail: ochurbacova@mail.ru
Churbakova Olga, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Ecology and Life Safety, tel.: 89022930157, e-mail: ochurbacova@mail.ru
воживанию на центрифугах, вакуум- фильтрах и фильтр-прессах. Благодаря наличию ионогенных групп флокулянты являются полиэлектролитами и диссоциируют в воде на ионы. В зависимости от природы ионогенных групп полиион катионного флоку-лянта, образующийся при диссоциации, имеет положительный заряд. Частицы эмульгированных масел, входящих в состав осадка, отрицательно заряжены, поэтому наиболее рационально использовать для обработки катионные флокулянты. Сущность их действия заключается в ускорении процесса образования и повышения прочности коллоидных структур, а также связывании микрохлопьев в крупные агрегаты.
Целью настоящей работы является выбор наиболее рационального катионного флокулянта при сравнении «праестола 150-ТР» и «зетаг».
Изучение влияния флокулянта «праестол 150-ТР» на изменение свойств осадка было выполнено при планировании эксперимента с целью выбора оптимальных условий обработки при совместной минимизации выходных параметров. Эксперимент проводился следующим образом: в емкости наливался равный объем осадка (500 мл), добавлялся флокулянт в различных дозах, перемешивался в течение 5 минут, затем осуществлялось отстаивание в течение 1,5 часов и определялись свойства обработанного осадка.
Для исследований в качестве переменных взяты: х1 - доза флокулянта, мг/дм3; х2 - масса сухого вещества, г/дм3; х3 - температура, оС.
Оценочными критериями являлись: у! - удельное сопротивление осадка фильтрации, см/г; у2 - замас-ленность осадка, %;
Факторы и уровни их варьирования выбраны на основании предварительного изучения и представлены в табл. 1.
Полученные экспериментальные данные по обработке осадка сточных вод «КраМЗ» флокулянтом «праестол 150-ТР» обсчитаны по методу Брандона [4], позволившему получить нелинейную функцию вида
У = К -Л(*1) ■/2Ы' ■ ■ ■ ■/«(*«). где ^(х„) - зависимость выходного параметра от п-го параметра входа; К - поправочный коэффициент, численно близкий к среднему значению у-выборки.
Для метода Брандона немаловажное значение имеет расположение факторов в порядке убывания
степени влияния на переменную состояния.
По результатам исследований построены эмпирические линии регрессии. Графические зависимости нормализованных значений удельного сопротивления фильтрации и замасленности от x1, x2, x3 представлены на рис. 1, 2. Обработка данных эксперимента проведена в табличном процессоре Excel, что позволило получить уравнения аппроксимации.
После обсчета получены общие соотношения для выходных параметров у! и y2: у0 = 0,2 8 3 ■ (0 , 14 1 2 ■ х? - 0,8648 ■ х 0 + 2 ,1 1 1 1 )
■ (0 ,0 0 5 3 ■ х? - 0,3291 ■ х 2 + 5,9036) ( )
у? = 0 , 1 8 4 ■ (0,0 549 ■ х? - 0,4963 ■ х 0 + 1,8446)
( )
( )
Анализ уравнений показывает, что на все выходные параметры в большей степени влияют доза фло-кулянта и масса сухого вещества осадка, а температура проведения процесса обработки практически не оказывает существенного влияния на выходные параметры.
Как видно из рис. 1, 2, оптимальная доза флокуян-та «праестол 150-TR» составляет 2,5 мг/дм3 или 0,008% от массы сухого вещества, при этом удельное сопротивление осадка фильтрации снижается в 4 раза.
В работе проведены исследования по использованию флокулянта «зетаг» производства швейцарской фирмы Ciba Specialty Chemicals для сравнения с флокулянтом «праестол 150-TR». Свойства исходного натурного осадка сточных вод ОАО «КраМЗ» для исследований влияния катионного флокулянта «зетаг» представлены в табл. 2.
Данные по влиянию дозы флокулянта «зетаг» на изменение удельного сопротивления осадка фильтрации показаны на рис. 3 в виде графической зависимости. Как видно из рисунка, оптимальная доза «зетаг» составляет 7,5 мг/дм3 или 0,02% от массы сухого вещества осадка, удельное сопротивление фильтрации уменьшается в 8,5 раз.
Таким образом, наибольшее предпочтение для обработки осадков сточных вод ОАО «КраМЗ» имеет флокулянт «зетаг» при сравнении с «праестолом 150-TR».
Таблица 1
Факторы и интервалы их варьирования_
AZ +1,68 +1 0 -1 -1,68
х1 1,0 4,8 3,5 2,5 1,5 0,2
х2 5,0 35,2 31,2 26,2 21,2 17,2
хз 5,0 24,0 20,0 15,0 10,0 6,0
Свойства исходного натурного осадка
Влажность, % Плотность, г/см3 Сухое вещество, г/дм3 Прокаленный остаток, г/дм3 Потери при прокаливании, г/дм3 Удельное сопротивление фильтрации, *1010 см/г
96,60 0,983 33,80 15,306 18,514 225,6
Таблица 2
tí
♦ y = 0,1412 Zx12 - 0,8648 x1+ 2,111
♦ t
♦ ' ♦ ♦ — 1 ♦
~I-1-1-Г"
-1-1-Г"
-1-1-Г"
~I-1-1-Г"
-1-1-1-
12 3 4
x1 - доза флокулянта, мг/дм3
tí S
>у
y = 0,0053 x22 - 0,3291 c2 +5,9036
▼ ♦ ♦ ♦ ♦
iiii ♦ IIII ...........t...................... ♦ iiii ♦ ♦ IIII ► IIII
15 20 25 30 35
х2 - масса сухого вещества, г/дм3
40
/д г/
3
2 1 0
< y = -0,C 01x32 + 0,0216 x3 + 0,8756
< * 1 ь- i i
> í l '---- ♦
~i-1-1-Г"
-1-1-г
-1-1-Г"
~I-1-1-Г"
10 15 20
х3 - температура , оС
25
Рис. 1. Зависимость нормализованных значений удельного сопротивления фильтрации от варьируемых параметров х1, хг, хз
3
2
1
0
0
5
3
1
0
4
5
>у 2
У = 0,0549х 2 - 0,496 3x1 + 1,8 446
♦ ♦ ♦ 1 — 4
♦ ♦ Ф ♦
1 2 3 4 5 X! - доза флокулянта, мг/дм3
\ = 0,0087х ♦ .22 - 0,497х .2 + 1,841 < ♦ У
♦ \ ♦ ♦ ♦ ♦
15 20 25 30 35 х2 - масса сухого вещества, г/дм3
3
1
0
0
2
1
0
2
< ►
У = -с ♦ « ,0033х2+ ► 1-1 0,078х + < к- 0,6656 ►
< * -4 ► « ► ► —-- < < ► ►
10
15
20 25
х3 - температура , оС
Рис. 2. Зависимость нормализованных значений замасленности от варьируемых параметров х1, хг, хз
3
2
1
0
5
Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления фильтрации осадка от дозы флокулянта «зетаг»
Для изучения состава осадков сточных вод металлообрабатывающего предприятия ОАО «КраМЗ» был проведен дифференциально-термический анализ на приборе NETZSCH STA 449 F1 в диапазоне 30/20,0 (к/мин)/1000 в режиме ДСК-ТГ (где ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия, мкВ/мг; ТГ -кривая изменения массы, %; ДТГ - дифференциальная термогравиметрическая кривая, %мин). Термограммы осадков исходного и обработанного флоку-лянтом «праестол 150-TR» представлены на рис.4 и 5.
Анализ кривых ДСК (см. рис. 3, 4) показывает, что на образцах исходного осадка и осадка, обработанного флокулянтом «праестол 150-TR», наблюдаются отличия по ширине пиков и значениям максимальной температуры: при t=109,5°C и t=121,2оС эндоэффекты объясняются дегидратацией; при t=293,3°C и t=308,0°C экзоэффекты связаны с полиморфными
превращениями оксигидратных форм алюминия, а при t=329,0°С также наблюдается дегидратация и образование бемита; при t=408,0°С, t=471,1оС и t=478,0оС экзоэффекты характерны для сгорания масел [5].
На рис. 5 показана термограмма осадка, обработанного «праестолом 150-ТР».
Термогравиметрические кривые (ТГ) показывают, что все основные тепловые эффекты сопровождаются изменением массы образцов осадка. Для осадка, обработанного флокулянтом «праестол 150^», наблюдается термический эффект при t=737,2°С, характерный для разложения карбонатов, в отличие от исходного осадка (рис. 6). Остаточная масса осадка, обработанного флокулянтом «праестол 150^», составляет 63,31%, исходного осадка - 56,41%, что указывает на меньшее значение его замасленности после обработки.
Рис. 4. Термограмма натурного осадка
Рис. 5. Термограмма осадка после обработки «праестолом 150-TR»
Рис. 6. Исходный осадок сточных вод
На рис. 7 представлена термограмма осадка, обработанного флокулянтом «зетаг».
На рис. 6, 7 представлены термограммы натурного осадка, взятого для исследования влияния флокулян-та «зетаг» на изменение его свойств, и обработанного флокулянтом осадка. При сравнении данных термограмм также видны отличительные особенности по значениям температур для термоэффектов: при t=123,10C, 1=97,00С, 1=146,00С происходит дегидратация; при t=302,00C и t=281,0 0С термоэффекты объясняются полиморфными превращениями гидроокислов алюминия; при t=435,00C и t=450,00C пики характерны для сгорания масел; при t=762,00C и t=721,0 C происходит разложение карбонатов; увеличение остаточной массы осадка, обработанного «зетаг», при сравнении
с исходным также объясняется изменением его свойств, то есть снижением замасленности.
Действие катионных флокулянтов «праестол 150-ТР> и «зетаг» объясняется тем, что гидроокисные осадки, содержащие эмульгированные частицы масел, образуют рыхлые структуры, возникающие из частиц с неравномерным распределением электрокинетического потенциала на поверхности твердой фазы. Ориентированное слипание частиц приводит к образованию замкнутых полостей, что и объясняет низкую водоотдачу натурных осадков. Молекулы катионных флокулянтов стягивают отрицательно заряженные частицы масел, приближая их друг к другу и способствуя их отделению от осадка, при этом структура хлопьев изменяется.
Рис. 7. Осадок после обработки флокулянтом «зетаг»
Установлено, что применение катионного флоку-лянта «зетаг» позволяет улучшить водоотдающие свойства осадков сточных вод металлообрабатывающих предприятий в большей степени по сравнению с действием флокулянта «праестол 150-Т13» за счет
изменения их структуры. Интенсификация обезвоживания осадков позволяет повысить производительность обезвоживающих аппаратов и снизить эксплуатационные затраты.
Статья поступила 16.06.2014 г.
Библиографический список
1. Туровский И.С. Обработка осадка сточных вод. М.: Стройиздат, 1988. С. 146.
2. Фестер Р. Новые флокулянты для обработки осадков и шламов // Сборник докладов Международного симиозиума. Новые технологии в обработке отходов и осадков сточных вод. М., 1992. С. 6-10.
3. Халтурина Т.И., Хомутова Ю.В., Чурбакова О.В. Интенсификация процесса обезвоживания осадков металлообра-
батывающих предприятий // Известия вузов. Строительство. 2004. №12. С. 69-72.
4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высш. шк.,1978. С. 155-157.
5. Иванова В.П., Касатов Б.П., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. М.: Недра, 1974. С. 399.
