|
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ
АРГАТЕНКО Тетяна Вікторівна
УДК 628.316.12
ОЧИСТКА СТІЧНИХ ВОД МАРГАРИНО-МАЙОНЕЗНОГО ВИРОБНИЦТВА ВІД ЖИРОВИХ ЗАБРУДНЕНЬ
05.23.04 - Водопостачання, каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти та науки України
Науковий керівник: ПРОКОПЧУК ІВАН ТИМОФІЙОВИЧ
доктор технічних наук, доцент кафедри
водопостачання Київського національного
університету будівництва і архітектури.
Офіційні опоненти: ГІРОЛЬ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ
доктор технічних наук, професор, завідуючий
кафедрою водовідведення, теплогазопостачання та вентиляції Рівненського державного технічного університету.
ДАВИДЕНКО ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідуючий відділом очистки стічних
вод науково-дослідного і конструкторсько-технологічного інституту міського господарства.
Провідна установа: інститут гідротехніки і меліорації УААН.
Захист дисертації відбудеться “___” ___________ 2002 р. о 13 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.07 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31.
Відгуки на автореферат просимо надсилати у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою, на адресу: 03037, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31, КНУБА, Вчена рада.
Автореферат розісланий “___” ____________ 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, к.т.н., професор О.А. ВасиленкоЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Питання раціонального використання сировинних і енергетичних ресурсів відносяться до найбільш гострих і актуальних проблем сучасності. Вирішення цих проблем, тісно пов’язане з питаннями охорони навколишнього середовища, в тому числі - захисту і збереження водних ресурсів.
Україна є однією з провідних держав щодо розвитку галузей переробної, в першу чергу - харчової промисловості. В той же час, саме ці галузі господарства часто виступають як джерела утворення великої кількості висококонцентрованих промислових стічних вод. Такі води, в разі їх потрапляння без попередньої очистки до міських систем водовідведення, можуть бути причиною порушення умов експлуатації мереж, насосних станцій, очисних споруд, а також являти певну загрозу природним водоймам. З іншого боку, такі стічні води часто вміщують в собі цінні компоненти, вилучення та утилізація яких може принести певні позитивні економічні наслідки.
Серед галузей харчової промисловості дещо особливе місце, з точки зору проблем очистки стічних вод, належить виробництву маргарино-майонезної продукції. Це, з одного боку, пов’язано із досить високими концентраціями жирових забруднень в стічних водах таких підприємств, а з іншого боку - із відсутністю науково обґрунтованих і практично перевірених інтенсивних технологій знежирення таких вод.
Отже вилучення і утилізація жирів із стічних вод маргарино-майонезного виробництва при одночасному поліпшенні умов нормальної експлуатації мереж і споруд водовідведення та охорони водних ресурсів виглядає як перспективне і актуальне завдання.
Зв’язок дисертації з науково-технічним програмами. Роботу виконано у відповідності до плану наукових і дослідницьких робіт кафедри водопостачання Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА), що присвячені питанням вилучення жирових домішок із промислових стічних вод.
Метою роботи є наукове обґрунтування і розробка технології та обладнання для забезпечення високоефективного знежирення концентрованих стічних вод маргарино-майонезного виробництва з можливістю подальшої утилізації вилучених жирових забруднень.
Задачі дослідження:
- провести аналіз умов утворення та якісних характеристик висококонцентрованих технологічних стічних вод маргарино-майонезного виробництва;
- дослідити можливість використання електролітично генерованого коагулянту для фазових перетворень і подальшого вилучення із води дрібнодиспергованих жирових домішок на базі адгезійно-сорбційної взаємодії часток забруднень із газовою фазою флотаційного процесу;
- розробити конструкцію електрокоагулятора з використанням малодефіцитного електрохімічно розчинного анодного матеріалу та дослідити параметри роботи модифікованого анод-катодного блоку;
- отримати функціональні залежності ефекту знежирення стічних вод від головних технологічних характеристик процесу та встановити діапазони значень параметрів процесу, які забезпечують нормативно дозволений вміст жирів в очищеній стічній воді;
- на підставі експериментальних досліджень створити методику інженерного розрахунку основних конструкційних елементів технологічної схеми.
Об’єкт досліджень - технологічні води маргарино-майонезного виробництва висококонцентровані за вмістом жирових домішок.
Предмет досліджень - характеристики напірно-флотаційного процесу вилучення із стічної води жирових забруднень.
Методи досліджень - фізичне моделювання і математична інтерпретація процесу електрокоагуляції штучних каолінових суспензій на двох модифікаціях електродних блоків; фізичний експеримент на промисловому напірно-флотаційному очисному комплексі і теоретичний аналіз отриманих результатів.
Наукова новизна одержаних результатів:
- досліджено процес напірно-флотаційного знежирення висококонцентрованих стічних вод маргарино-майонезного виробництва;
- отримано функціональну залежність коефіцієнту виходу металу від щільності струму для електродного блоку електрокоагулятора з торцевим анодом;
- обґрунтовано і запропоновано залежності максимального теоретичного ефекту і коефіцієнту інтенсивності процесу напірно-флотаційного знежирення від основних технологічних параметрів.
Практичне значення одержаних результатів:
Розроблено і створено комплексну двоступеневу схему знежирення висококонцентрованих стічних вод маргарино-майонезного виробництва та запропоновано методику інженерного розрахунку основних технологічних елементів очисного комплексу. Розроблено нову конструкцію електрокоагулятора з торцевим анодом із алюмінієвого дроту (отримано патент України № 37135 А).
Практичне випробування розробленої технології електрокоагуляції-флотації жировміщуючих стічних вод виконувалось на створеному на ЗАТ “Київський маргариновий завод” експериментально-виробничому очисному комплексі, для якого розроблено рекомендації по експлуатації.
В реальних умовах діючого маргаринового заводу визначено характерну динаміку по годинах доби витрат і концентрацій зажирених технологічних вод маргарино-майонезного виробництва. Економічна та екологічна ефективність впровадженої науково-технічної розробки пов’язана з попередженням збитків внаслідок скидання до міської каналізації недоочищених промислових стічних вод та додатковими прибутками від повторного використання флотоконденсату.
Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які викладені в дисертації, одержані самим автором. Автором запропоновано ідею торцевого анода, виконано розрахунок ступеню корисного витрачання матеріалу анода, теоретичні обґрунтування процесу електрохімічного розчинення торцевого анода. Автору належать розробка методики, організація експериментальних досліджень напірно-флотаційного знежирення та обробка їх результатів.
Апробація роботи. Основні результати та окремі розділи роботи викладено у доповідях на науково-практичних конференціях КНУБА (м.Київ, 1999 – 2002 рр.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи очищення та повторного використання води” (м.Харків, 2000 р.); Всеукраїнській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми охорони і раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (м.Миргород, 2001 р.); Міжнародній науковій конференції Українського державного університету харчових технологій “Пріоритетні напрямки впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання та нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення” (м.Київ, 2001 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 друкованих робіт, в тому числі 6 в фахових виданнях ВАК.
Об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків; викладена на 139 сторінках машинописного тексту, містить 32 рисунки, 23 таблиці, список використаної літератури з 112 найменувань, 12 сторінок додатків; загальний об’єм роботи 161 сторінка.
Роботу виконано в Київському національному університеті будівництва і архітектури.
Основний зміст роботи
Текст роботи містить у собі всі основні результати дисертаційних досліджень.
У вступі наводиться стисла характеристика дисертаційної роботи.
В першому розділі розглянуті умови формування, кількісні та якісні показники технологічного стоку маргарино-майонезного виробництва. Показано, що основним джерелом утворення жировміщуючих стічних вод є технологічно-апаратурні комплекси маргаринового заводу з майонезним виробництвом. В систему технологічного водовідведення потрапляють також нормативні і наднормативні втрати продукції і сировини. Підкреслено, що основну увагу в даній роботі приділено вивченню, науковому аналізу та інженерно-технічному впровадженню технології видалення саме жирів, оскільки вони є особливо цінним компонентом, придатним до подальшого використання після вилучення із жировміщуючих стічних вод. Аналіз добової динаміки кількісних та якісних характеристик стічних вод Київського маргаринового заводу свідчить про значну добову нерівномірність їх надходження на очисні споруди (3,2...60,2 м3/год) та мінливість концентрацій жирових забруднень в загальному потоці стічних вод (від 500 до 3000 г/м3). Проведений аналіз складу стічних вод за фазово-дисперсним станом свідчить про наявність в них домішок всіх чотирьох груп класифікації Л.А. Кульського. Зроблено висновок про необхідність вилучення жирових забруднень перед скиданням цих вод до міської каналізаційної мережі.
У другому розділі розглянуто умови утворення жирової емульсії, механізм її дестабілізації за участю гідрофільних агентів з високою сорбційною здатністю, наприклад, коагулянтів. Ці речовини гідрофобізують часточки жиру за рахунок сорбції на своїй поверхні молекул поверхнево-активних речовин та жирних кислот, орієнтуючи їх аполярними радикалами назовні. Це призводить до руйнування сітки коагеля та міцелярної структури. Відомості про процеси очищення жировміщуючих стічних вод харчової промисловості проаналізовані нами за роботами Кульського Л.А., Каца В.М., Надисева В.С., Таварткіладзе І.М., Манеа А., Пушкарева В.В., Пантелята Г.І., Салюка А.І. та ін. Наведені в цих публікаціях дані дозволяють розділити методи видалення ефіророзчинних речовин на такі три основні групи: фізико-механічне та електрохімічне розділення фаз, біологічна деструкція. Однак конкретних відомостей про дослідження процесу знежирення стічних вод маргарино-майонезного виробництва не знайдено. Критичний аналіз існуючих методів вилучення жирів із промислових стічних вод дозволив обрати напрямком досліджень флотаційну обробку стічних вод. За даними А.І. Мацнева, найбільш універсальними методами, які дозволяють одночасно корегувати вміст в стічних водах різних видів забруднень, в тому числі жирів, є напірна флотація та електрофлотація. Однак існують суттєві обмеження щодо використання саме електрофлотації при обробці стічних вод, що містять рослинні жири (олії). Це пов’язано з небезпекою зажирювання електродів і, як наслідок - різким підвищенням електричного опору міжелектродного простору. Водночас, при напірній флотації, на відміну від інших різновидів флотаційних методів, відбувається часткове руйнування і дестабілізація жирової емульсії, що робить можливим в подальшому вилучення із стічної рідини практично будь-яких компонентів жирової фази. Таким чином, за основу технологічної схеми по вилученню жирових забруднень із стічних вод маргарино-майонезного виробництва обрано напірну флотацію.
Розглянуто основні закономірності напірно-флотаційного знежирення стічної води. Визначено, що найбільш суттєвий внесок у теорію і практику флотаційного процесу зроблено дослідженнями Бєлоглазова К.Ф., Классена В.І., Мацнева А.І., Шульмана Р., Богданова О.С., Самигина В.Д., Рубінштейна Ю.Б., Філіпова Ю.А., Ксенофонтова Б.С., Кізеєва М.Д. На основі принципової схеми організації процесу флотаційної обробки води складено балансове рівняння з урахуванням наявності в стічних водах певної частини жирових забруднень(Сmin ), що не може бути вилучена навіть при як завгодно довгому процесі флотації:
 , (1)
де Q - витрата стічної води; Wф - об’єм флотатора; Ct - концентрація жирових забруднень в очищеній воді; Сen - концентрація жирових забруднень на вході до флотатора з урахуванням розведення основного потоку циркулюючою рідиною; k – коефіцієнт інтенсивності; mц - ступінь рециркуляції робочої рідини:
 , де qp – витрата робочої рідини.
Класичне рівняння К.Ф. Бєлоглазова, згідно з яким флотація розглядається як кінетична реакція першого порядку, було трансформовано до вигляду:
 , (2)
де t – тривалість процесу; Еt – ефективність процесу;  . Саме це рівняння взято за основу при вивченні функціональних залежностей максимальної ефективності (Еmax) та коефіцієнту інтенсивності (k) процесу від технологічних параметрів.
Проаналізовано існуючі методи інтенсифікації напірно-флотаційного знежирення стічних вод і обґрунтовано спосіб руйнування жирової емульсії додаванням до стічних вод перед подачею їх до флотатора електролітично генерованого коагулянту. На основі робіт Яковлєва С.В., Краснобородька І.Г., Рогова В.М., Строкача П.П., Терновцева В.О., Прокопчука І.Т. та ін. виконано аналіз переваг та недоліків різних конструкцій електрокоагуляторів та створено їх класифікацію за гідравлічними, конструктивними і технологічними ознаками. Поставлено задачу винайти технічне рішення, яке б дозволило істотно збільшити тривалість терміну роботи електродного блоку між черговими замінами відпрацьованого анода, забезпечити можливість використання для виготовлення анода недефіцитного, широко розповсюдженого матеріалу, наприклад, дротового алюмінію, спростити конструкцію за умов виключення небезпеки зашламлення міжелектродного простору продуктами електролізу.
В третьому розділі представлена програма досліджень, конструкції лабораторних та промислової установок, основні методики, що використовувались при проведенні експериментальних досліджень та обробці отриманих даних.
Передбачалось проведення порівняльних досліджень процесу електролітичного генерування коагулянту в апаратах з традиційним (плоским) і запропонованим автором (торцевим) анодами (рис.1).
Рис.1. Схема лабораторного електрокоагулятора з торцевим анодом
1 – металеве кільце; 2 – анод; 3 – катод; 4 – міжелектродний зазор;
5 – обтискуюче гумове кільце; 6 – гумові прокладини;
7 – стопорний пристрій; 8 – стержень; 9 – анодний струмопідвід;
10 - катодний струмопідвід
Торцевий анод виконано у вигляді циліндра або призми, які розміщено таким чином, що електрохімічному розчиненню піддається тільки торцевий бік електрода. Забезпечено мінімальну міжелектродну відстань (2...3 мм), що дозволяє експлуатувати установки з найменшими енерговитратами. Під дією електричного струму торцева поверхня анода розчинюється. Після збільшення
міжелектродної відстані до 5...8 мм відбувається ручне, або автоматичне переміщення електродів на початково встановлену відстань 2...3 мм.
Порівняльні експерименти проводились на модельному розчині каолінової суспензії. Для обох різновидів анодів визначався вихід металу і ефект очистки. В якості функціональних (впливаючих) факторів враховувались такі параметри процесу, як щільність струму та питома витрата електроенергії.
Для технологічних досліджень по визначенню раціональних параметрів флотаційного знежирення стічних вод за авторськими розробками на Київському маргариновому заводі (КМЗ) було виготовлено експериментально-виробничий очисний комплекс (рис.2).
Рис.2. Принципова схема блоку напірної флотації
1 - флотатор; 2 - сатуратор; 3 - блок насосної циркуляції;
4 - блок електролітичного генерування коагулянту
Основними регульованими параметрами, що впливають на процес напірно-флотаційного знежирення, визначено тиск в сатураторі, Рс; ступінь рециркуляції робочої рідини, mц; ступінь насиченості робочої рідини повітрям, kair; дозу коагулянту за фактичним виходом металу анода, Дк.
При виконанні лабораторних та технологічних досліджень використовувались стандартні методики по визначенню вмісту жирових забруднень та оригінальна методика по визначенню ефекту освітлення каолінової суспензії. Для математичної обробки експериментальних даних застосовано чисельні методи на базі сервісної комп’ютерної програми STATGRAF.
В четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень та їх математична інтерпретація.
В лабораторних умовах проведено порівняльні дослідження робочих параметрів електрокоагуляторів з плоским та торцевим анодами. Виявлена більша ефективність конструкції електрокоагулятора з торцевим анодом. Для торцевого анода отримано математичну залежність виходу металу анода η′ в залежності від приведеної (безрозмірної) щільності струму і′:
η′ = а + (exp(-m ⋅ i′)) ⋅ (a1 + a2 ⋅ (1- exp(-a3 ⋅ i′))),
де а = 0,56...0,58; m = 1,01…1,06; a1 = 0,35...0,37; a2 = 0,929...0,933; а3 = 0,463...0,466.
На експериментальному очисному комплексі КМЗ досліджено флотаційне знежирення з метою визначення максимальної ефективності (Еmax) та коефіцієнту ефективності (k) процесу.
Існуюча на заводі гравітаційна технологія знежирення не дає необхідного ефекту (Скін = 280…350 г/м3), флотаційна обробка стічних вод без попереднього відстоювання не тільки не забезпечує отримання в очищених стічних водах нормативного вмісту жиру (Сt ≤ 50 мг/дм3), але в певних випадках (наприклад, при Рс ≤ 0,25 МПа) дає ефект навіть дещо нижчий в порівнянні із гравітаційними методами. Таким чином, флотаційна технологія не може замінити відстоювання стічної води, а повинна застосовуватись для подальшого видалення саме тієї частини жирів (емульговані і розчинені), які не можуть бути усуненими із води гравітаційними методами.
Показано, що ступінь насиченості робочої рідини повітрям kair = qп /qp (qп - витрата повітря) повинна знаходитися в межах 0,06...0,08. Зміна qp в межах досліджуваних діапазонів суттєво не впливає на Еmax, тому дослідження здійснювались при qp = 8...10 м3/год.
Отримано залежність Еmax від Дк, г/м3, та Рс′ = Рс /0,5 МПа, представлену на рис.3.
Рис.3. Максимальна інтенсивність знежирення (Е max) при напірній флотації, інтенсифікованій додаванням електролітично генерованого коагулянту
Запропоновано функціональну залежність Еmax = f(Рс′, Дк) у вигляді такого виразу:
 , (3)
де α - параметр, що враховує вплив на Еmax дози коагулянту (рис.4).
| 
