CC BY
82
УДК 628.315.1
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЛОТАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДВП
© А.В. Рубинская, Н.Г. Чистова , Ю.Д. Алашкевич
Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия) E-mail: [email protected]
В данной работе рассматриваются вопросы эффективности очистки оборотных промышленных вод в производстве древесноволокнистых плит мокрым способом от фенолов, формальдегидов, а также улавливания вторичного древесного волокна и возврата его в основное производство. Предложен метод напорной дисперсионной флотации для очистки оборотных вод от загрязняющих веществ, улавливания вторичных древесных волокон, получены математические зависимости эффективности очистки оборотных вод от технологических параметров флотационной машины.
Введение
Несмотря на существующие способы очистки, в настоящее время на предприятиях деревоперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности нельзя считать решенной проблему очистки сточных вод, так как в силу технологического процесса данных производств, потребляя большие объемы воды, имеют высокую степень их загрязненности, нанося тем самым значительный урон окружающей среде. Действующие очистные сооружения многих лесохимических предприятий требуют высоких доз реагентов, сложны и нестабильны в работе.
В Лесосибирском промышленном узле успешно функционирует ряд деревоперерабатывающих предприятий. Наиболее крупные из них ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс» и ОАО «Лесосибирский лесопильно-деревоперерабатывающий комбинат №1», в состав которых для улучшения показателя комплексной переработки древесины входят и успешно работают линии по производству древесноволокнистых плит (ДВП) мокрым и сухим способом. Так, на одну тонну готовых плит, полученных мокрым способом, расходуется в среднем до 230 м3 чистой воды.
Все сточные воды с заводов поступают на локальные очистные сооружения, которые находятся за пределами цехов, где происходит частичное осаждение взвешенных веществ и первичное осветление стоков. Существующие методы очистки сопряжены с большими капитальными и эксплуатационными затратами.
Одними из самых токсичных веществ, содержащихся в сточных водах настоящих производств, являются фенолы и формальдегиды. Решение данной задачи для предприятий - первостепенно, так как существующие очистные сооружения гидравлически перегружены и не обеспечивают качественную очистку сточных вод, происходит непрерывное загрязнение акватории реки Енисей, концентрация этих веществ в сточных водах превышает предельно допустимые концентрации в несколько раз. В свою очередь норматив плата за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду устанавливается (индексируется) ежегодно Правительством РФ и имеет тенденцию возрастания.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Для решения существующей задачи на предприятиях лесного комплекса в настоящей работе предлагается для очистки сточных промышленных вод от фенолов, формальдегидов, а также улавливания вторичных древесных волокон способ флотации диспергированными пузырьками воздуха, на наш взгляд, являющийся наиболее приемлемым и эффективным в условиях данных производств. Эффективность этого процесса при всех равных условиях зависит от размера воздушных пузырьков: с уменьшением диаметра пузырьков эффективность очистки повышается. При очень маленьких пузырьках, когда масса оседающей частицы, сорбированной на поверхности пузырька, соизмерима с выталкивающей силой, действующей на него, частица с прикрепленным пузырьком может оставаться во взвешенном состоянии, что отрицательно влияет на эффективность очистки.
Лидером на мировом рынке по производству очистного флотационного оборудования является фирма KWI, inc. (ранее фирма Krofta Waters inc. до 2001 г.) которая поставляет радиальные флотаторы для очистки сточных вод в различных отраслях промышленности, таких как целлюлозно-бумажная, пищевая, металлургическая, нефтеперерабатывающая. За последние годы на предприятиях ЦБП России и СНГ при поддержке фирмы KWI, inc. установлено свыше 50 флотаторов различной конструкции. Однако флотаторы американской компании KWI требуют предварительного качественного усреднения стоков по составу и расходу воды, что в условиях действующих производств обеспечить довольно сложно, а также нуждаются в точном дозировании реагентов, требуют много времени на запуск и отладку после останова, и цена данного оборудования довольно высока. К тому же в лесохимической промышленности настоящие флотаторы не применялись.
В работе был проведен ряд экспериментов с целью успешного решения задач по очистке промышленных стоков предприятий по производству ДВП мокрым способом. Исследования проводились ведущими специалистами Лесосибирского филиала СибГТУ в рамках научных исследований, для чего была приобретена полупромышленная флотационная установка УНИВЕРСАЛ СМ-1 [1], производительностью от 5 до 15 м3/ч, на которой осуществлялись натурные эксперименты по очистке сточных промышленных вод данного производства по следующим показателям: фенолам, формальдегидам и взвешенным веществам.
На первом этапе наших исследований был проведен четырехфакторный эксперимент, целью которого являлось определение наиболее значимых факторов, влияющих на эффективность очистки оборотной воды от фенолов и формальдегидов и улавливание вторичного волокна.
Исследования проводились в следующей последовательности: отбиралась сточная оборотная вода, объемом 120 л, подавалась в приемный резервуар, где готовился модельный раствор. На основании выбора плана эксперимента входные параметры варьировали на трех уровнях. Эксперимент производился при заданных значениях производительности (6,0; 7,0; 8,0 м3/ч), количества эжектируемого воздуха (1, 3, 5%), количества водовоздушной смеси (20, 30, 40%) и температуры сточной воды (30, 35, 40 °С).
Планирование и реализация эксперимента производились с помощью метода греко-латинских квадратов, который позволяет исключить влияние одного или нескольких исследуемых факторов, используемых в эксперименте, на выходную величину, а также неоднородностей, которые могут частично или полностью исказить истинный характер зависимости функции отклика от фактора и привести к неправильным выводам по результатам эксперимента.
Планирование и реализация четырехфакторного эксперимента по определению зависимости эффективности улавливания вторичного древесного волокна и очистки оборотных вод от фенолов и формальдегидов при различных значениях производительности флотатора (Р), количества эжектируемого воздуха (V), температуры исходной сточной воды (t), количества водовоздушной смеси (D, %), представлены следующими зависимостями
Эфен. = f (Р, V, t, D)
(1)
Эформ-д = f (Р, V, t, D)
(2)
Эвв = I (Р, V, 1, Б) (3)
Обработка экспериментальных данных производилась в пакете программ 8ТЛТ18Т1СЛ 6 [4], результаты дисперсионного анализа представлены в таблицах 1-3.
Таблица 1. Дисперсионный анализ для количества эжектируемого воздуха (фенолы)
Эффект Ст.св. ББ МБ Е Р
2 516,89 258,45 5,817 0,039395
Ошибка 6 266,59 44,43 - -
Итого 8 783,48 - - -
Таблица 2. Дисперсионный анализ для количества эжектируемого воздуха (формальдегиды)
Эффект Ст.св. ББ МБ Е Р
2 4326,26 2163,13 35,069 0,00048
Ошибка 6 370,09 61,68 - -
Итого 8 4696,35 - - -
Таблица 3. Дисперсионный анализ для производительности (взвешенные вещества)
Эффект Ст.св. ББ МБ Е Р
2 554,23 277,12 7,1081 0,026143
Ошибка 6 233,92 38,99 - -
Итого 8 788,15 - - -
Согласно плану, для оценки значимости линейных эффектов были получены значения Б-критерия и р-уровня (статистическая значимость) для каждого фактора по всем показателям. По фенолам: Брасч Р = 0,201; Ррасчу = 5,81; Брасч Б = 1,13; Брасч 4 = 0,006. Их сравнивали с Ртабл для выбранного уровня значимости. Для
р = 0,°5, Бтабл = 5Д4. Имеем: Ррасч Р < Бтабл; БрасчУ ^ Бтабл; Брасч Б ^ Бтабл; Брасч 1 ^ Бтабл.
По формальдегидам: Ррасч Р = 0,06; РрасчУ = 35,06; Брасч Б = 0,06; Брасч 4 = 0,12, для р = 0,01, Бтабл = 10,92. Имеем: Ррасч Р < Бтабл; БрасчУ > Бтабл; Брасч Б < Бтабл; Брасч 1 < Бтабл.
По взвешенным веществам: Брасч Р = 7,1; БрасчУ = 017; Брасч Б = 0,11; Брасч 4 = 0,77, для р = 0,05, Бтабл = 5,14.
Имеем: Ррасч Р ^ Бтабл; БрасчУ ^ Бтабл; Брасч Б ^ Бтабл; Брасч 1 ^ Бтабл.
По результатам проведения и анализа четырехфакторного эксперимента определены основные входные параметры, влияющие на процесс очистки оборотной воды, которыми явились количество эжектируемого воздуха (V, %) и производительность флотационной машины (Р, м3/ч). Результаты реализации и оценки четырехфакторного эксперимента показали, что наибольшее влияние на процесс очистки оборотной воды от фенолов и формальдегидов оказывает количество эжектируемого установкой воздуха, являющегося технологическим параметром флотационной машины. Производительность установки на качество очистки этих загрязнений явного влияния не оказывает, на основании чего можно сделать вывод, что флотаторы такого типа любой производительности будут улавливать фенолы и формальдегиды из сточных вод с одинаковой эффективностью. Наибольшее влияние на процесс улавливания вторичного древесного волокна оказывает производительность флотатора. Было установлено, что количество водовоздушной смеси оказывает незначительное влияние на процесс очистки оборотной воды от волокон.
Получены зависимости эффективности очистки оборотной воды от фенолов и формальдегидов (ЭФен и ЭФор-д, %) от эжектируемого воздуха и зависимость улавливания вторичного волокна (ЭВВ, %) от производительности флотационной машины и доказано, что именно эти факторы оказывают наибольшее влияние на исследуемый процесс (рис. 1-3).
На следующем этапе экспериментальных исследований на основании четырехфакторного эксперимента был спланирован и реализован двухфакторный эксперимент по определению влияния установленных факторов на выходную величину и их парное взаимодействие.
Для получения регрессионных зависимостей был спланирован и реализован В-план второго порядка, в основе которого лежит регрессионный анализ. На наш взгляд, реализация такого плана исследований наилучшим образом подходит для обработки результатов представленного эксперимента.
Обработка результатов эксперимента осуществлялась в пакете программы 8ТЛТ18Т1СЛ-6. Расчет производился по квази-ньютоновскому методу.
В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости эффективности очистки оборотной воды (Э, %) по таким показателям, как фенолы, формальдегиды и взвешенные вещества от технологических параметров флотационной установки: количества эжектируемого воздуха (V, %) и производительности машины (Р, м3/ч).
Основные факторы, интервалы и уровни их варьирования представлены в таблице 4.
V V
Рис. 1. Зависимость эффективности очистки сточной воды от количества эжектируемого воздуха (фенолы)
Рис. 2. Зависимость эффективности очистки от количества эжектируемого воздуха (формальдегиды)
Рис. 3. Зависимость эффективности улавливания вторичного волокна от производительности флотатора
Таблица 4. Основные факторы и уровни их варьирования
Обозначения Интервал Уровень варьирования фактора
Наименование фактора натуральные нормализованные варьирования фактора нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Производительность, м3 /ч P X1 1 6 7 8
Количество эжектируемого воздуха, % V Х2 2 1 3 5
В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости эффективности очистки оборотной воды (Э, %) по трем химическим показателям от технологических параметров флотационной установки.
ЭФ = -488,0012 + 161,8175 Р - 9,221 V - 12,11 Р2 + 0,3763 V2 + 1,4225 РУ (1)
ЭФорм = 351,216 - 81,8325 P + 4,00416 V + 6,265 P2 + 1,4412 V2 - 2,0575 PV (2)
ЭВВ = -608,686 + 201,229 Р - 6,083 V - 14,662 Р2 - 0,1619 V2 + 0,1413 РУ (3)
Полученные математические модели являются адекватными. Коэффициенты, стоящие перед факторами, говорят о значимости входных параметров и влиянии их на исследуемые факторы, а также их парное взаимодействие на выходную величину.
Обсуждение результатов
Наглядное представление о влиянии входных факторов на выходную величину дают графические зависимости, построенные по полученным моделям. На рисунках 4-6 представлены графические изображения откликов по полученным моделям от двух варьируемых факторов.
Из графика, представленного на рисунке 4, хорошо видно, как изменяется эффективность очистки оборотной воды при изменении производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха. Так, при увеличении значения производительности до 7,2 м3/ч эффективность очистки максимально увеличивается до значения 67%. При этих же значениях производительности, при постоянном увеличении количества эжектируемого воздуха, наблюдается тенденция к увеличению значения Эфен, соответственно результаты обработки данных показали, что наилучшие показатели достигаются при значениях Р=7,2 м/ч , У=5,5%.
Рис. 4. Зависимость эффективности очистки по фенолам от производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха
Рис. 5. Зависимость эффективности очистки по формальдегидам от производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха
Рис. 6. Зависимость эффективности очистки по взвешенным веществам от производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха
На рисунке 5 представлена зависимость эффективности очистки сточной воды по содержанию формальдегидов и фенолов от производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха. Из графика видно, что при уменьшении количества эжектируемого воздуха до 2,8% значение эффективности очистки уменьшается до 68%, при дальнейшем увеличении количества эжектируемого воздуха величина эффективности увеличивается до 95%. При тех же значениях эжектируемого воздуха и производительности, равной 6,7 м3/ч, наблюдается минимальное значение эффективности очистки. Это объясняется тем, что для окисления формальдегида в воде необходимо большое количество кислорода, исходя из этого можно сказать, что для нейтрализации формальдегида в оборотной воде необходимо устанавливать такие значения количества эжектируемого воздуха, чтобы флотатор работал в режиме отдувки, т.е. значения эжектируемого воздуха должны быть больше чем 2,8%.
Из графика, представленного на рисунке 6, видно, как изменяется эффективность очистки оборотной воды по взвешенным веществам при изменении производительности флотатора и количества эжектируемого воздуха. Так, при увеличении значения производительности до 7,0 м3/ч, эффективность очистки максимально увеличивается до значения 88%. При тех же значениях производительности и при увеличении количества эжектируемого воздуха от 1,5 до 3% наблюдается тенденция к увеличению значения ЭВВ (%), соответственно результаты обработки данных показали, что наилучшие показатели достигаются при значениях Р=7,0 м/ч , V= 2,1%.
Выводы
Результаты эксперимента показали, что на процесс очистки оборотных сточных вод производства древесноволокнистых плит действительно оказывают существенное влияние технологические параметры флотационного аппарата. Наибольшее влияние на эффективность очистки оказывают производительность установки и количество эжектируемого воздуха.
Таким образом, исследования в данной области являются актуальными и должны быть направлены на решение проблемы по загрязнению природных водоемов сточными водами лесохимических предприятий. Исследования для решения данной задачи необходимо вести в следующих направлениях:
1. Рационально использовать воду на лесохимических предприятиях, что позволит уменьшить сброс сточных вод в водоемы. Для чего необходимо совершенствовать технологические процессы, позволяющие сократить количество и загрязненность сточных вод.
2. Внедрять высокоэффективные водоочистные технологии и конструкции. Используя метод физикохимической очистки сточных вод в сочетании с методами биологической очистки, получить воду, удовлетворяющую требованиям, предъявляемым предприятиям к ее качеству.
3. Решать проблему загрязнения водоемов путем создания замкнутых систем водоснабжения и канализации промышленных предприятий с повторным использованием очищенных сточных вод с возможностью улавливания как можно большего количества отходов данных производств и возврата их в основное производство.
Список литературы
1. Генцлер Г. Л. Развитие теории конструирования водоочистных флотационных аппаратов. Новосибирск, 2004. 318 с.
2. Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д., Рубинская А.В. Проблемы очистки сточных вод в производстве древесноволокнистых плит мокрым способом // Экология и безопасность жизнедеятельности: Сб. мат. IV междунар. на-уч.-практ. конф. Пенза, 2004. С. 145-146.
3. Рубинская А.В., Чистова Н.Г. Совершенствование очистки сточных вод в производстве ДВП // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. науч. тр. Брянск, 2006. Вып. 16. С. 84-85.
Поступило в редакцию 28 мая 2007 г.
