CC BY
366
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
УДК 628.349.08
Вильсон Елена Владимировна
к.т.н., доцент кафедры «Водоснабжение и водоотведение» Ростовский государственный строительный университет
Романенко Елена Юрьевна
к.т.н., доцент кафедры «Технологии вяжущих веществ, бетонов и строительной керамики»
Ростовский государственный строительный университет
Elena_V58@mail. ru
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО УДАЛЕНИЯ ФОСФОРА ИЗ СТОЧНЫХ ВОД НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ОЧИСТКИ
Аннотация
Рассматриваются методологические подходы к выбору способа физико - химической дефосфатизации сточных вод. Показано, что необходимо эмпирически определять оптимальную дозу и вид реагента, используемого для удаления фосфатов из сточных вод. Представлены уравнения регрессии, определяющие оптимальную дозу реагента в зависимости от места его ввода в сооружения биологической очистки. Представлен альтернативный способ физико-химического удаления фосфатов, представляющий собой сорбцию фосфатов на оксиде алюминия - загрузке фильтра доочистки. Установлено, что адсорбция происходит по ионообменному механизму. Представлено уравнение для определения продолжительности фильтроцикла, а также возможные методы утилизации материала загрузки после исчерпания ее адсорбционной емкости.
Ключевые слова
Сточные воды, фосфаты, алюминий содержащие коагулянты, смешанные коагулянты, механизм адсорбции
фосфатов, фильтроцикл, составляющие бетонных смесей.
Экологическая безопасность водоемов при сбросе в них сточных вод оценивается степенью достижения нормативных показателей очистки сточных вод, в т.ч. и по фосфору. Актуальность проблемы удаления из сточных вод соединений фосфора обусловлена тем, что фосфор является лимитирующим фактором эвтрофикации. В природных водах фосфор представлен в основном ортофосфатами, концентрация которых обычно очень мала - сотые, редко десятые доли миллиграммов фосфат - иона в 1 дм3. Известно, что при повышении концентрации ортофосфатов с 0,3 до 2,0 мг/дм3, масса водорослей возрастает вдвое, причем наблюдается преобладание сине - зеленых водорослей, которые в процессе своего метаболизма выделяют токсичные для гидробионты и человека вещества - алкалоиды и низкомолекулярные пептиды [8, с. 22]. В загрязненных сточных водах концентрация общего фосфора может достигать десятки миллиграммов в 1 дм3.
Снижение концентрации фосфора в сточных водах достигается биологическими и (или) физико -химическими методами в процессе водоочистки. Приоритет того или иного метода связан в основном с составом воды и исходной концентрацией общего фосфора. Анализ литературных источников и собственный опыт авторов позволяет сделать вывод, что биологический метод наиболее приемлем для станций аэрации большой производительности. Как правило, в сточных водах крупных населенных пунктов концентрация фосфатов редко превышает 4 мг/дм3 и глубокое удаление фосфора может быть реализовано модифицированным биологическим методом с использованием аэробных и анаэробных процессов [4, с. 5 -8]. При включении в технологическую схему процесса ацидофикации для получения легкоокисляемой органики исходных сточных вод или избыточного ила, задача снижения концентрации фосфатов до нормативного значения бывает, как правило, решена. Реагентный метод дефосфатизации может быть использован и при очистки сточных вод крупных населенных пунктов и при очистке сточных вод небольших населенных пунктов. Сточные воды последних часто имеют характерную особенность - достаточно высокие концентрации загрязняющих веществ, в том фосфатов, например, в сточных водах ст. Кущевская (Краснодарский край) концентрация фосфатов в исходной сточной воде составляла 16 - 18 мг/дм3, для
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
сравнения: в сточных водах г. Ростова - на -Дону концентрация фосфатов составляет 2,2 - 2,9 мг/дм3 [2, с. 33-40; 6, с. 896-907]. В этом случае представляется целесообразном осуществлять удаление фосфатов физико -химическими методами (как самостоятельный способ или как вспомогательный). Однако, для достижения надлежащего эффекта, необходимо правильно подобрать коагулянт, вид и дозировка которого, как показывают результаты исследований, зависят от рН системы, от исходной концентрации фосфора и от места ввода коагулянта. В общем случае места ввода коагулянта принимают следующие: стадия предварительной обработки (предварительная коагуляция); стадия биологической очистки (симультанное осаждение); обработка очищенной сточной воды (пост - обработка, контактная коагуляция, коагуляция с последующим отстаиванием) [3, с. 447-455]. Каждый вариант целесообразен при учете специфических факторов - качества и технологического принципа очистки сточных вод. В первом случае происходит не только коагуляция фосфат - ионов, но и коагуляция взвешенных тонкодисперсных примесей минерального и органического происхождения, о чем свидетельствует снижение ХПК сточных вод, а также снижение концентрации взвешенных веществ. Во втором случае продукты гидролиза коагулянта (ПГК) могут адсорбироваться хлопьями ила и некоторая часть ПГК по отношению к фосфат - ионам будет не активной. Оптимальная доза коагулянта может быть определена только эмпирически.
Для определения вида коагулянта и места ввода коагулянта в схеме водоочистки были выполнены полные двухфакторные эксперименты с использованием коагулянтов фирмы «Сорбент» г. Пермь:
- Гидроксохлорид алюминия, ТУ 6-00-05795731-250-96. Содержание AI2O3 - 42,6 %, Cl - 19,6 %.
- Гидроксохлорсульфат алюминия, ТУ 2163-001-05795731-99. Содержание AI2O3 - 15,9 %.
-Алюможелезный коагулянт (коагулянт смешанного типа), ТУ 2163-141-05795731-2004. Содержание
AI2O3 - 13,5 %, Fe2O3 - 3,3 %.
Методом полного двухфакторного эксперимента были получены уравнения регрессии вида: y = b0 + b1X1 + b2X2 ,по которым можно определить оптимальную дозу коагулянта в указанном диапазоне факторов (где: у - доза коагулянта, мг/дм3; X1 - исходная концентрация фосфат - иона, мг/дм3; X2 - температура обрабатываемой воды; bi - коэффициенты уравнения регрессии, определяемые расчетом). Верхний уровень концентрации фосфат - ионов составлял 4 мг/дм3, температуры - 250С; нижний уровень концентрации фосфат - ионов составлял 2 мг/дм3, температуры - 110С.
В данном случае для предварительных исследований считали целесообразным использовать в качестве контрольного параметра концентрацию ортофосфатов, а не общего фосфора, так как концентрация ортофосфатов в исследуемой исходной воде относительно концентрации общего фосфора составляла не менее 82 %, а в очищенной воде менее 94 %.
Для гидроксохлорида алюминия были получены следующие уравнения регрессии:
- при вводе коагулянта на стадии механической очистки (в первичный отстойник): Дк = 45Cp - 85, мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии биологической очистки (в конец аэротенка): Дк = 13,75 Cp+0,75 t - 4 , мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии доочитски (после вторичного отстойника): Дк = 20,0 Cp - 10, мг/дм3;
Для алюможелезного коагулянта были получены следующие уравнения регрессии:
- при вводе коагулянта на стадии механической очистки (в первичный отстойник): Дк = 14,25Cp + 0,95
t - 11,4, мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии биологической очистки (в конец аэротенка): Дк = 4,63 Cp + 0,73 t -
11,22, мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии доочитски (после вторичного отстойника): Дк = 6,9 Cp + 0,88 t -
5,3, мг/дм3;
Для гидроксосульфата алюминия были получены следующие уравнения регрессии:
- при вводе коагулянта на стадии механической очистки (в первичный отстойник): Дк = 47,8 Cp + 0,86
t - 100,5, мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии биологической очистки (в конец аэротенка): Дк = 5,0 Cp+0,4 t - 5,8, мг/дм3;
- при вводе коагулянта на стадии доочитски (после вторичного отстойника): Дк = 5,9 Cp+0,32 t - 4,2, мг/дм3.
Анализ уравнений регрессии показывает, что дозы коагулянтов при реализации процесса
дефосфатизации на стадии механической очистки значительно превышают дозы коагулянта при других
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
вариантах введения реагента в обрабатываемые сточные воды. Дозы коагулянтов при введении их в конец аэротенка и во вторичный отстойник близки. Очевидно, объяснение этому может лежать в теории коагуляции А.Д. Бабенкова [1, с. 172-173]. Так во вторичном отстойнике вследствие, низкой концентрации взвешенных веществ может наблюдаться перерасход коагулянта в результате необходимости формирования достаточного количества твердой фазы, необходимого для потери кинетической устойчивости формируемой дисперсной системы. Вид коагулянта также значим, в данном случае очевидно преимущество гидроксосульфата алюминия при введении его на стадии доочистки и смешенного коагулянта при введении его на стадии биологической очистки.
Для осуществления метода реагентной дефосфатизации, на очистных сооружениях требуется предусмотреть реагентное хозяйство, состоящее из затворных и расходных баков, выполненных из стали или кислотостойкого бетона, насосов-дозаторов и системы трубопроводов.
Наряду с положительными результатами реагентной обработки воды солями металлов есть и нежелательные. Например, при введении коагулянтов в аэротенк, в избыточном активном иле будет присутствовать ионы металлов, вызвавших коагуляцию и класс опасности такого избыточного ила (как отхода) может быть определен как Ш или П. При использовании схемы обработки воды предусматривающей введение реагента в обрабатываемую воду после вторичных отстойников, необходимо предусматривать фильтры для предотвращения поступления ионов тяжелых металлов в очищенную воду в концентрациях превышающих предельно допустимые и для повышения качества очистки воды от фосфатов.
Известно, что в обычном для сточных вод диапазоне рН = 5 - 8, в системе преобладает ион Н2РО4" и НРО4 2-. Эти ионы из системы можно извлечь не только в результате реакции взаимодействия ионов с минеральными солями, но и в результате фиксации гидрофосфат - ионов на адсорбенте. Анализ литературных источников [5, с. 296] и собственные исследования авторов, позволили установить перспективный неорганический сорбент - оксид алюминия, на поверхности которого возможна хемосорбция фосфат - ионов, протекающая по ионообменному механизму, обусловленным обменом фосфат - ионов на
молекулы воды: ^ - H 2 O]11 + H 2 PO 4 — [ Al - H 2 PO 4 ] + H 2 O, или на гидроксид - ион: ^ - OH] п
+ H 2 PO 4 —> [М - H 2 PO 4 ] + OH . Экспериментально подтверждено повышение значения рН в
фильтрате. Наличие процесса хемосорбции подтверждается необратимостью процесса - отсутствием десорбции фосфат - ионов при изменении температуры раствора. Оптимизация процессов хемосорбции протекающей по ионообменному механизму с образованием малорастворимых соединений, связана с регулированием рН системы в определенном диапазоне значений, зависящем от исходной концентрации фосфатов. Для каждого отдельного случая значение рН должно быть рассчитано с учетом значения фосфатного потенциала и уравнения Линдсея и Морено: рН = 10,7 - рШРО4- [5, с. 299]. Например, для концентраций фосфатов в обрабатываемой сточной воде (по P) равной, мг/дм3: 0,37; 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 1,8; 3,0; 5,0 и 10,0 значение рН соответственно не должно быть ниже: 5,72; 5,91; 6,11; 6,38; 6,7; 6,91; 7,21.
Результаты исследований, проведенные на пилотной установке при скорости фильтрования от 1 до 10 м/ч, показали возможность применения оксида алюминия в качестве сорбента фосфат - ионов с достижением их полного удаления из очищаемых сточных вод при этом в результате повышения рН фильтрата за счет поступления в него гидроксид - ионов из адсорбента, растворимость гидрофосфатов алюминия минимальна. Установлено, что продолжительность фильтроцикла зависит от исходной концентрации фосфатов, скорости фильтрования и от величины адсорбционной емкости оксида алюминия. Скорость фильтрования по мере ее увеличения, становится доминирующим фактором, определяющим продолжительность защитного действия сорбента. Так при скорости фильтрования 1 м/ч, продолжительность фильтроцикла превышает в десятки раз продолжительность фильтрацикла при фильтровании сточных вод со скоростью 10 м/ч.
Продолжительность фильтроцикла определяли по уравнению Н.А. Шилова: Тпр = k L - ч
где: Тпр - время работы фильтра до регенерации (продолжительность фильтроцикла), ч; k -коэффициент защитного действия загрузки. Если адсорбция происходит очень быстро, k = ao/v•Co, (ч/м); ao -удельная динамическая адсорбционная емкость сорбента, г-экв/м3; L - длинна слоя сорбента, м; То - потеря
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
защитного слоя загрузки, То = ho/v, ч, ho - «мертвый» слой загрузки т.е. слой в котором не происходит сорбция, м; v - скорость фильтрования, м/ч.
Значение удельной динамической адсорбционной емкости до проскока фосфат - ионов в фильтрат, в концентрациях превышающих ПДК (0,2 мг/дм3 по Р) определяли экспериментально, пропуская биологически очищенные сточные воды через фильтровальную колонку, загруженную аликвотным количеством оксида алюминия до тех пор, пока концентрация фосфат - ионов в фильтрате не достигла предельно допустимой. Было установлено, что величина удельной динамической адсорбционной емкости оксида алюминия зависит от скорости фильтрования и исходной концентрации фосфат - ионов.
Так при скорости фильтрования 5 м/ч и концентрации РО43- в биологически очищенной сточной воде - 5,3 мг/дм3, ao = 96,0 г-экв/м3. В этом случае уравнение для определения продолжительности фильтроцикла имеет вид:
W = 115 L - 0,2, ч.
При скорости фильтрования 2 м/ч и концентрации РО43- в биологически очищенной сточной воде - 2,0 мг/дм3, ao = 110,0 г-экв/м3. В этом случае уравнение для определения продолжительности фильтроцикла имеет вид:
t^ = 873 L - 0,1, ч.
Регенерация фильтрующей загрузки представляется проблематичной, так как требует создания дополнительно реагентного хозяйства для приготовления и дозирования регенерационных растворов.
В данном случае предлагается рассмотреть возможность использования отработанной загрузки фильтра для приготовления бетонных смесей с заданными специфическими свойствами. Осуществление такого решения обеспечивается, с одной стороны, возможностью длительной эксплуатацией загрузки без снижения эффективности очистки, с другой стороны известно, что фосфат алюминия А1(ШР04)3 широко используется в качестве вяжущего средства для твердеющих на воздухе пластичных масс и огнеупорных бетонов на фосфорнокислотной связке [9, с. 420]. В связи с большой удельной поверхностью, хорошей размалываемостью отработанной фильтрующей загрузки ее целесообразно вводить в состав бетонной (растворной) смеси вместо части цемента, снижая тем самым себестоимость получаемых изделий. Незна -чительная насыпная плотность отхода (480 - 560 кг/м3) способствует снижению плотности бетонной (растворной) смеси. Одновременно установлено, что данный компонент, в зависимости от количества вводимого вещества, обладает пластифицирующими свойствами или является ускорителем процесса твердения (последнее эффективно при использовании в ячеистых бетонах для интенсификации процесса набора пластической прочности) [7, с. 130]. Список использованной литературы:
1. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977. - 356 с.
2. Вильсон Е.В., Мельник Е.А. Оптимальные условия реагентной дефосфотизации в присутствии активного ила // Вода: химия и экология. - 2012. - № 5. - С. 33 - 40.
3. Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. - М.: Ассоциации строительных вузов, 2009. - 759 с.
4. Загорский В.А., Данилович Д.А. и др. Анализ промышленного применения технологий удаления фосфора из городских сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. - № 5. - 2004.
5. Орлов Д.С. Химия почв. Издание 2-е, исправленное и дополненное. - М.: МГУ, 1992. - 400 с.
6. Полякова А. В., Исмаилова Д. Н., Серпокрылов Е. Н. Особенности формирования биоценоза в сооружениях биологической очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации азота аммонийного и восстановленных соединений серы // Науковедение: электронный научный журнал. - 2014. - № 8, Часть 3 [Электронный ресурс]. С. 896 - 907 URL: http://naukovedenie.ru (дата обращения: 05.10.2015).
7. Рояк С.М. Рояк Г.С. Специальные цементы. - М.: Стройиздат, 1983. - 279 с.
8. Судницына Д.Н. Экология водорослей Псковской области. Псков: ПГПУ, 2005. - 128 с.
9. Тейлор Х. Химия цемента. - М.: Мир, 1996. - 560 с.
10. Babenkov E.D. Ochistka vody koagylyantami. - M.: Nayka, 1977. - 356 s.
11. Vilson E.V., Melnik E.A. Optimalnye ucloviya reagentnoy defosfotizacii v prisutstvii aktivnogo ila // Voda: chimiya i ekologiya. - 2012. - N 5/ - S. 33-40.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11/2015 ISSN 2410-700Х_
12. Voronov Y.V. Vodootvedeniye i ochistka stochnych vod. - M.: Associachiya ctroitelnych vyzov, 2009. - 759 s.
13. Zagorskiy V.A., Danilovich D.A, i dr. Analiz promychlennogo primeneniya technologiy ydaleniya fosfora iz gorodskich stochnych vod. // Vodosnabgeniy i sanitarnaya technika - N 5. - 2004.
14. Orlov D.S. Chimiya pochv. Izdaniy 2-e, ispravlennoe. - M.: MGY, 1992. - 400 s.
15. Polyakova A.V., Ismailova D.N.< Serpokrelov E.N. Osobennosti formirovaniya biocenoza v soorygeniyach biologicheskoy ochistki stochnych vod, sodergachich vysokiy konchentrachii azota ammoniynogo I vosstanovlennych soedineniy sery // Naykovedeniye: elektronny naychny gyrnal. - 2014. - N 8, chast 3 [Elektronny resyrs]. S. 896 - 907 URL: http://naukovedenie.ru (data obracheniya: 05.10.2015).
16. Royak S.M., Royak G.S. Specialnye cementy. - M,; Stroyizdat, 1983/ - 279 s,
17. Sydnicina D.N. Ekologiya vodorosley Pskovskoy oblasti. Pskov: PGPY, 2005. - 128 s.
18. Teylor H. Himiya cementa. - M.: Mir, 1996. - 560 s.
© Вильсон Е.В., Романенко Е.Ю., 2015
УДК 621.785, 621.923
Гаврилов Александр Константинович
Студент, инженер Парц Кристина Андреевна Студент, инженер Жирова Анастасия Андреевна Студент, инженер Шакуров Яков Александрович Студент, инженер Зверев Егор Александрович к.т.н., доцент
Механико-технологический факультет Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Российская Федерация
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Аннотация
В статье представлены наиболее рациональные способы поверхностного упрочнения деталей машин. Показано, что комплексирование технологических методов упрочнения детали, таких как плазменная и высокочастотная термическая обработка, позволяет существенно улучшить качество поверхностного слоя изделия.
Ключевые слова
Плазменная обработка, индукционный нагрев, высокочастотная термическая обработка,
гибридные технологии.
Метод плазменного нанесения износостойких покрытий - один из способов поверхностного упрочнения деталей машин, широко применяемых в машиностроении [1]. Однако, при технологических достоинствах существует вероятность отказов в процессе эксплуатации. Невысокая адгезионная прочность (прочность сцепления покрытия с основой) и наличие пористости в структуре покрытия после плазменного напыления - основная причина нарушения работоспособности деталей, работающих в условиях тяжелых режимов [2].
Из результатов технико-экономического анализа [3] другие методы нанесения покрытий такие как:
