CC BY
14
М.А. Высотина, О.В. Чурбакова
ВЛИЯНИЕ ПРИСАДОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ОСАДКОВ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ЗАВОДОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
T.I. Khalturina, M.M. Orlova, M.A.Vysotina, O.V. Churbakova
INFLUENCE OF ADDITIVE MATERIALS ON THE PROPERTIES OF SEDIMENTS OF OILY WASTE WATER FROM AGRICULTURAL MACHINERY PLANTS
Халтурина Т.И. - канд. хим. наук, проф. каф. инженерных систем зданий и сооружений Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: THal1965@yandex.ru
Орлова М.М. - асп. каф. инженерных систем зданий и сооружений Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: mm.orlova@rambler.ru
Высотина М.А. - магистрант каф. инженерных систем зданий и сооружений Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: vma-21@mail.ru
Чурбакова О.В. - канд. техн. наук, доц. каф. инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности Политехнического института Сибирского федерального университета, г. Красноярск. E-mail: ochurbacova@mail.ru
Khalturina T.I. - Cand. Chem. Sci., Prof., Chair of Engineering Systems of Buildings and Constructions, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: THal1965@yandex.ru
Orlova M.M. - Post-Graduate Student, Chair of Engineering Systems of Buildings and Constructions, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: mm .orlova @rambler.ru
Vysotina M.A. - Magistrate Student, Chair of Engineering Systems of Buildings and Constructions, Construction Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: vma-21@mail.ru
Churbakova O.V. - Cand. Techn. Sci., Assoc. Prof., Chair of Engineering Ecology and Health Safety, Polytechnical Institute, Siberian Federal University, Krasnoyarsk. E-mail: ochurbacova @mail.ru
В статье представлены результаты исследований влияния присадочных материалов (доломита и вермикулита) на свойства осадков нефтесодержащих сточных вод заводов сельскохозяйственного машиностроения. Цель исследования: оптимизация процесса обработки осадка нефтесодержащих сточных вод доломитом и определение оптимальной дозы вермикулита для улучшения водоотдачи осадка. Изучение структуры и состава доломита осуществлялось при проведении рентгенофа-зового анализа на дифрактометре 08А0УАЫСЕ и термогравиметрического анализа на приборе МЕИЗСИЭТА 449Р1, а также применялись методы математической статистики с использованием пакетов прикладных программ. Изучен технологический процесс кондиционирования осадка нефтесодер-
жащих сточных вод при применении присадочных материалов доломита и вермикулита для изменения его структуры, а, следовательно, улучшения водоотдающих свойств. С помощью рентгенофазового и термогравиметрического анализа был определен состав и структура доломита. Получена математическая модель процесса обработки осадка доломитом и построены регулировочные диаграммы для минимизации оценочных критериев и последующей автоматизации. Были определены оптимальные значения по дозе вермикулита. Термогравиметрический анализ позволил изучить состав исходного осадка и осадка, обработанного вермикулитом. Уставлено, что обработка осадка вермикулитом позволяет снизить удельное сопротивление фильтрации в 3,5 раза при добавлении оптималь-
ной дозы 110 мг/дм3, что объясняется изменением структуры осадка, позволяющей создать жесткий скелет на фильтровальной перегородке, приводящей к увеличению скорости фильтрации и улучшению условий отделения обезвоженного осадка. При обработке осадка нефтесодержащих сточных вод доломитом удельное сопротивление осадка фильтрации снижается в 6 раз, а вермикулитом - в 3,5 раза, что позволит увеличить производительность обезвоживающих аппаратов и снизить эксплуатационные затраты.
Ключевые слова: нефтепродукты, сточные воды, присадочные материалы, коагуляция, оптимизация, регулировочные диаграммы, осадок, термогравиметрический анализ, рентгенофазовый анализ.
The results of researches of filler materials (dolomite and vermiculite) influence on the properties of sediments of oil-containing sewage of plants of agricultural mechanical engineering are presented in the study. The research objective was the optimization of processing of sediments of oil-containing sewage dolomite and definition of an optimum dose of vermiculite for improvement of water return of sediments. Studying the structure and composition of dolomite was carried out carrying out the X-ray phase analysis on the D8ADVANCE diffractometer and the thermogravi-metric analysis on NETZSCHSTA 449 F1 devices, and also methods of mathematical statistics with use of packages of applied programs were used. Technological process of conditioning of sediment of oil-containing sewage at use of filling materials of dolomite and vermiculite for change of its structure, and, therefore, the improvement of the water giving propertieswas studied. The contents and structure of dolomite was defined by the X-ray phase and thermogravimetric analysis. The mathematical model of processing of sediments received by dolomite and adjusting charts for minimization of estimated criteria and the subsequent automation were constructed. Optimum values were determined by a vermiculite dose. The thermogravimet-ric analysis allowed studying structure of the initial sediments and sediments processed by vermiculite. It is stated that processing of sediment vermiculite allows reducing the specific resistance of filtration by 3.5 times at addition of an optimum dose of 110
mg/dm3 explained by change of the structure of sediments allowing to create a rigid skeleton on the filtering partition leading to increase in speed of a filtration and improvement of conditions of office of the dehydrated sediment. When processing a sediment of oil-containing sewage dolomite the specific resistance of sediment of filtration decreases by 6 times, and vermiculite - 3.5 times allowing to increase the productivity of the dehydrating devices and to lower operational expenses.
Keywords: oil products, sewage, filler materials, coagulation, optimization, adjusting charts, precipitate, thermogravimetric analysis, X-ray phase analysis.
Введение. Для очистки нефтесодержащих сточных вод заводов сельскохозяйственного машиностроения применяют коагуляционные методы [1, 2], в процессе осуществления которых образуются гидроокисные осадки, относящиеся к труднофильтруемым суспензиям. Известно использование присадочных материалов для изменения жесткости структуры осадка и улучшения его водоотдающей способности, как основной прием подготовки к механическому обезвоживанию на центрифугах, вакуум-фильтрах и фильтрах-прессах [3, 4]. Присадочные, или вспомогательные материалы - это инертные, легко фильтрующиеся вещества, которые не изменяют заряда частиц осадка, но создают крупнопористую структуру.
Цель исследования: оптимизация процесса обработки осадка нефтесодержащих сточных вод доломитом и определение оптимальной дозы вермикулита для улучшения водоотдачи осадка.
Методы и результаты исследования. Изучение структуры и состава доломита осуществлялось при проведении рентгенофазового анализа на дифрактометре D8ADVANCE и термогравиметрического анализа на приборе NETZSCHSTA 449F1, а также применялись методы математической статистики с использованием пакетов прикладных программ. Изучен технологический процесс кондиционирования осадка нефтесодержащих сточных вод при применении присадочных материалов доломита и вермикулита для изменения его структуры, а, следовательно, улучшения водоотдающих свойств. С помощью рентгенофазового и термогравимет-
рического анализа был определен состав и структура доломита. Получена математическая модель процесса обработки осадка доломитом и построены регулировочные диаграммы для минимизации оценочных критериев и последующей автоматизации. В результате исследований были определены оптимальные значения по дозе вермикулита. Термогравиметрический анализ позволил изучить состав исходного осадка и обработанного вермикулитом.
В работе был изучен состав доломита Круто-качинского месторождения Красноярского края.
SiO2 - 7,8 %; ^3 - 1,8; Fe2Oз - 1,6; CaO - 31,4; MgO -17,5; П.П.П. (потери при прокаливании) -39,9 %. Дифрактограмма доломита была получена при проведении рентгенофазового анализа на дифрактометре D8ADVANCE. Она представлена на рисунке 1. На дифрактограмме наблюдаются линии, характерные для кальцита СаСОз (6=2,09; 2,28; 3,02 А°), дифракционный максимум (6=3,34 А°) указывает на кварц ЗЮ2, а при 6=1,78; 2,19; 2,4; 2,53; 2,67; 2,88; 3,68 А° линии соответствуют доломиту CaMg(CЮз)2.
Рис. 1. Дифрактограмма доломита
Термический анализ доломита, выполненный на приборе NETSCHSTA 449П, в диапазоне 30/100 (К/мин)/1000 в режиме ДСК-ТГ, позволил установить, что эндоэффекты при t = 766,6 X и t= 800 X характерны для соединений кальция и магния; при t = 820,0 X термоэффект объясняется наличием продуктов разложения доломита - смеси окислов магния и кальция. Учитывая состав доломита, являющегося щелочным реагентом, при взаимодействии гидроокисного осадка нефтесодержащих сточных вод с ним происходят следующие реакции:
2А1(0 Н )3+СаО=Са(А Ю2)2+3 Н20 2А1(0 Н )3+М дО=М д(А Ю2)2+3 Н20,
т. е. происходит образование алюминатов. Но одновременно доломит играет роль вспомогательного вещества - присадочного материала, создающего крупнопористую структуру.
На рисунке 2 представлена термограмма доломита.
Рис. 2. Термограмма доломита
С целью выявления факторов, влияющих на процесс обработки осадка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты, был поставлен плановый эксперимент по методу Бокса и Хантера. В результате обсчета экспериментальных данных были получены уравнения регрессии методом наименьших квадратов, программно реализованных на Python 3.6. В качестве варьируемых параметров были приня-
ты: Х1 - масса органического вещества осадка, мг/дм3; Х2 - доза доломита, %; Х3 - температура t, °С. Оценочными критериями являлись: У1 -удельное сопротивление осадка фильтрации М010, см/г; У2 - влажность осадка, %; У3 - зольность осадка, %. Факторы, интервалы варьирования и границы области исследований приведены в таблице 1 .
Факторы, интервалы варьирования и границы области исследований
Таблица 1
Фактор Интервал +1,68 +1 0 -1 -1,68
х1, мг/л 300 1204 1000 700 400 196
х2, % 2 11,36 10 8 6 4,64
х3, °С 10 66,8 60 50 40 33,2
Значимость коэффициентов определялась по критерию Стьюдента для р=0,05. Адекватность уравнений регрессии проверялась по критерию Фишера. По уравнениям регрессии были построены регулировочные диаграммы в виде графиков линий уровня. Для повышения качества графиков использовалась система LaTeX (подписи осей и типов линий). Далее на основе
регулировочных диаграмм была проведена оптимизация для определения рациональных режимов процесса кондиционирования осадков нефтесодержащих сточных вод доломитом. На рисунке 3 представлены регулировочные диаграммы для проведения процесса в оптимальном режиме и последующей автоматизации.
Выходные параметры при массе органического вещества осадка 196.0мг/дм3
- - уйсопр осадка, Юк см/г • - влажность осадка, % эо/ъность осадка, %
-----150.0 -: 180.0 / ) ...........к ^ / V ^ %
у [ у .........^......{................* \ / / : Й.......г^фг.......
« 7 Ч Ш II
Доза доломита, %
Рис. 3. Регулировочные диаграммы процесса кондиционирования осадков
Выходные параметры при массе органического вещестВа осадка 700.0 мг/дм3
V '
• - блажность осадка, % зольность осадка, %
/ / £ СЭ , \ ' СЗ •■: \ ' Ч \ ' / ; '• ' 1 1 '■ / 1 ' Л : 1 / 1 ■ Г • : ' ' / 1
; : г
% Xо -1 / 1 .'< / > ■' ' / , к '; / ; \ 1: ! / \ ■'* Ч М И
Доза доломита, %
Выходные параметры при массе органического Вещества осадка 1000.0 мг/дм'
Доза доломита, %
Продолжение рис. 3
Окончание рис. 3
На территории Красноярского края также следований в качестве присадочного материа-находится Размановское месторождение вер- ла. Химический анализ вермикулита представ-микулита, который и был использован для ис- лен в таблице 2.
Таблица 2
Химический анализ вермикулита
Химическое вещество Содержание химического вещества, %
SiО2 34,06
ТО2 1,00
ЛЪОэ 13,38
Fe2Oз 5,72
FeO 0,61
CaO 14,25
MgO 22,31
MnO 0,60
Na2O 0,65
P2O5 0,42
H2O 7,00
Результаты экспериментальных исследований по обработке осадка вермикулитом и изучению его влияния на изменение удельного сопротивления фильтрации в зависимости от его дозы вермикулита показаны на рисунке 4.
Уставлено, что оптимальная доза для обработки осадка вермикулитом составляет 250 мг/дм3,
при этом удельное сопротивление фильтрации снижается в 4 раза, что объясняется изменением структуры осадка, позволяющей создать жесткий скелет на фильтровальной перегородке, приводящей к увеличению скорости фильтрации и улучшению условий отделения обезвоженного осадка.
® г
о и
щ О
4 -н се
В «-
ё = & &
® I
о &
5 Л
О
£
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
V = с ,0047х2 - 2,451 4х + 426,17
♦ ^^^^ ♦ ^^
100 200 300
Доза вермикулита, мг/дм3
400
500
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления осадка фильтрации от дозы вермикулита
Был проведен термогравиметрический ана- Термограммы осадков исходного и обрабо-лиз для изучения состава исходного осадка и танного вермикулитом представлены на рисун-обработанного вермикулитом на приборе NE- ках 5 и 6. TZSCHSTA 449Р1, в диапазоне 30/20,0 (к/мин)/1000 в режиме ДСК-ТГ.
Рис. 5. Термограмма исходного осадка
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура ГС
Рис. 6. Термограмма осадка, обработанного вермикулитом
При сопоставлении термограмм (рис. 5, 6) исходного осадка и осадка, обработанного вермикулитом, эндоэффекты при t = 121,2 °С и t = 116,6 °С показывают на удаление слабосвязанной воды, при t = 293,3 °С и t = 310 °С пики характерны для дегидратации, т. е. потери сорбционной воды при нагревании ^(ОН)3 и образование бемита ШОН ; при t = 749,9 °С наблюдается разложение С аСО3. Экзоэффекты при t = 355,8 °С и t = 408,1 °С указывают на полиморфный переход окисигидратных форм алюминия, при t = 242,4 °С термоэффект соответствует кристобалиту SiO2. Из термогравиметрических кривых (ТГ) следует, что все основные тепловые эффекты сопровождаются изменением массы образцов осадка. Для осадка, обработанного присадочным материалом -вермикулитом, наблюдается термический эффект при t = 749,9 °С, характерный для кальцита, в отличие от исходного осадка. Остаточная масса осадка, обработанного вермикулитом, составляет 48,3 %, в то время как для исходного осадка - 60,83 %, что указывает на изменение его состава и свойств [6].
Выводы
1. В результате проведенных исследований и обсчета экспериментальных данных были получены уравнения регрессии методом наименьших квадратов, программно реализованных на Python 3.6. По уравнениям регрессии были построены регулировочные диаграммы в виде графиков линий уровня. Для повышения качества графиков использовалась система LaTeX. На основе регулировочных диаграмм была проведена оптимизация процесса кондиционирования осадков нефтесодержащих сточных вод доломитом. Установлено, что при обработке осадка доломитом удельное сопротивление фильтрации снижается в 6 раз.
2. Оптимальная доза для обработки осадка вермикулитом составляет 250 мг/дм3 , при этом удельное сопротивление фильтрации снижается в 4 раза, что объясняется изменением структуры осадка, позволяющей создать жесткий скелет на фильтровальной перегородке, приводящей к увеличению скорости фильтрации и улучшению условий отделения обезвоженного осадка.
Литература
1. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности / ВНИИ ВодГЕО. - М.: Стройиздат, 1978. - 590 с.
2. Халтурина Т.И., Чурбакова О.В. К вопросу электрокоагуляционной очистки сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты // Вестн. КрасГАУ. - 2016. - № 5. -С. 91-99.
3. Туровский И.С. Обработка осадка сточных вод. - М.: Стройиздат, 1988. - 146 с.
4. Халтурина Т.И., Хомутова Ю.В., Чурбакова О.В. Интенсификация процесса обезвоживания осадков металлообрабатывающих предприятий // Изв. вузов. Сер. «Строительство». - 2004. - № 12. - С. 69-72.
5. Большаков А.А. Использование местных минеральных и органических ресурсов в водоподготовке и очистке сточных вод // Изв. вузов. Сер. «Строительство». - 2002. -№ 8. - С. 80-84.
6. Иванова В.П., Касатов Б.П., Красавина Т.Н. Термический анализ минералов и горных пород. - М.: Стройиздат, 1974. - 399 с.
Literatura
1. Ukrupnennye normy vodopotreblenija i vodootvedenija dlja razlichnyh otraslej promyshlennosti / VNII VodGEO. - M.: Strojizdat, 1978. - 590 s.
2. Halturina T.I., Churbakova O.V. K voprosu jelektrokoaguljacionnoj ochistki stochnyh vod, soderzhashhih jemul'girovannye nefteprodukty // Vestn. KrasGAU. - 2016. - № 5. - S. 91-99.
3. Turovskij I.S. Obrabotka osadka stochnyh vod. -M.: Strojizdat, 1988. - 146 s.
4. Halturina T.I., Homutova Ju.V., Churbakova O.V. Intensifikacija processa obezvozhivanija osadkov metalloobrabatyvajushhih predprijatij // Izv. vuzov. Ser. «Stroiteí'stvo». - 2004. -№12. - S. 69-72.
5. Bol'shakov A.A. Ispol'zovanie mestnyh mineral'nyh i organicheskih resursov v vodopodgotovke i ochistke stochnyh vod // Izv. vuzov. Ser. «Stroiteí'stvo». - 2002. - № 8. -S. 80-84.
6. Ivanova V.P., Kasatov B.P., Krasavina T.N. Termicheskij analiz mineralov i gornyh porod. -M.: Strojizdat, 1974. - 399 s.
