Как тип примесей и их концентрация влияют на механическую очистку промышленных стоков

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН провели экспериментальные исследования и определили характеристики седиментации и расслоения примесей промышленных стоков металлургических и целлюлозно-бумажных предприятий. Эти данные легли в основу математической модели для прогнозирования очистки сточных вод в первичном отстойнике.

Металлургическая и целлюлозно-бумажная промышленности — лидеры по сбросу сточных вод, а их многоступенчатые системы водоочистки критически зависят от качества воды. Первичная очистка воды от примесей в отстойниках — ключевая стадия. Перед очисткой промышленных стоков воде дают отстояться. При этом тяжелые частицы оседают. Однако реальные стоки содержат множество примесей одновременно, которые могут сталкиваться и агломерировать. Это усложняет расчет: формулы, работающие для отдельной частицы, при описании многокомпонентных стоков могут давать значительное отклонение.

По сообщению пресс-службы Минобрнауки России, ученые провели комплексные исследования компонентов промышленных стоков, типичных для металлургических и целлюлозно-бумажных предприятий — диспергированной древесины, сульфата железа, керосина, хлорида натрия и карбоната натрия. На первом этапе изучали каждую примесь по отдельности: характеристики кислотности, седиментации (осаждения) твердых частиц и расслоения жидких компонентов. На втором этапе создавали и исследовали многокомпонентные смеси.

«Проведенные экспериментальные и численные исследования показали, что скорости седиментации твердых частиц примесей и расслоения жидких компонентов не описываются в полной мере классическими моделями Стокса и Адамара — Рыбчинского. Отклонение от этих моделей происходит из-за стесненного характера осаждения у твердых частиц и «слипания» капель жидких примесей. Учитывая эти данные, мы предложили математическую модель промышленного отстойника. Она показывает, как концентрация примесей распространяется по высоте резервуара и сколько времени потребуется для осветления воды», — рассказал один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Михаил Микулич.

Результаты экспериментов показали, что при повышении массовой концентрации примесей с 0,5 до 5% скорость осаждения древесных частиц уменьшалось на 73-74%, а частиц сульфата железа — до 85-89%. При этом скорость расслоения компонентов керосина и воды при таком же повышении концентрации снизилась более чем в 150 раз. Температура также влияет на процесс осаждения сточных вод. Так, по словам ученых, увеличение температуры суспензии всего на 20°C ускоряет осаждение твердых частиц на 12-23% благодаря снижению вязкости воды. При нагреве до 60°C скорость всплытия и отделения керосина возрастает более чем вдвое.

Отдельно ученые сравнили разработанную модель с расчетами по формуле Стокса. Результаты показали, что классическая модель завышает скорость седиментации на 25-30%.

Предложенная модель позволила снизить отклонение до 15%. При переходе к масштабам реального промышленного отстойника эта разница критична.

«Проведение параметрических исследований позволило установить степень влияния геометрических параметров отстойника. Расчеты показали, что наилучшие характеристики осаждения достигаются при глубине отстойника 3,3 м и радиусе 10 м. Кроме того, установлено, что основная масса осадочного слоя формируется в интервале времени от 0 до 2 часов», — отметил Михаил Микулич.

На следующем этапе, зная концентрации и состав примесей, сохраняющихся в воде после отстаивания, ученые перейдут к изучению испарения капель при термической очистке, позволяющей удалить остаточные загрязнения.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.