Очистка сточных вод: компьютерные технологии в решении задач флотации

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
В РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ФЛОТАЦИИ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ
К.В. ТИТОВ

Допущено 
Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» 
(20.03.01 и 20.04.01)

Москва
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 628.31(075.8)
ББК 38.761.2я73
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Очистка сточных вод: компьютерные технологии в решении задач флотации : учебное пособие / Б.С. Ксенофонтов, К.В. Титов. — 
Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 240 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-8199-0910-2 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-016001-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105324-9 (ИНФРА-М, online)
Очистка сточных вод является неотъемлемой частью практически любого технологического процесса, и поэтому эта дисциплина является универсальной для подготовки разработчиков различных уровней и всех направлений (бакалавров, магистров, аспирантов). Важнейшее место в этом 
направлении занимает флотация, эффективность использования которой 
резко возрастает с применением компьютерных технологий.
В предлагаемом пособии основной акцент сделан на компьютерном изложении математических методов практического решения задач очистки 
сточных вод флотацией. В целом такой подход связан с созданием электронных ресурсов в образовании, методическим насыщением и встраиванием систем компьютерной математики в образовательные технологии вузов.
Ориентировано на бакалавров, магистрантов, аспирантов, преподавателей и специалистов, интересующихся компьютерной математикой в решении задач флотационной очистки сточных вод, и рекомендуется для  обучающихся по укрупненной группе специальностей и направлений 20.00.00 
«Техносферная безопасность и природообустройство».

УДК 628.31(075.8)
ББК 38.761.2я73

Р е ц е н з е н т ы:
Акопян В.Б., доктор биологических наук, профессор, заведующий 
отделом Государственного научно-исследовательского института 
био синтеза белковых веществ;
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, генеральный 
директор НПП «Медбиопром»

ISBN 978-5-8199-0910-2 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-016001-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105324-9 (ИНФРА-М, online)

© Ксенофонтов Б.С., 
Титов К.В., 2017
© ИД «ФОРУМ», 2017

Введение

Использование численных методов для решения экологических
задач с каждым годом возрастает. При этом расширяется не только
спектр задач, но и количество применяемых программных продуктов.
Для успешного применения в этом случае компьютерных технологий
необходима специальная подготовка, решению которой и посвящено
данное учебное пособие.
Для эффективного применения флотации для очистки сточных
вод необходимо знание кинетики этого процесса [1—18]. Использование для описания кинетики флотации уравнения Белоглазова обсуждается давно и на этот счет имеются различные точки зрения. Например, что оно применимо в случае флотации монодисперсных пульп, а
при флотации полидисперсных пульп согласно этим же источникам
целесообразно применять закон действующих масс [1]. Однако предлагаемые подходы не изменяют существа подхода. А именно, указанные подходы с точки зрения химической кинетики [18], служащей в
этом случае аналогом математического описания флотационного
процесса, основаны на представлении, что флотационный процесс
аналогичен простой химической реакции. А как показал проведенный нами анализ, это является не совсем правильным подходом
[1, 2]. Дело в том, что флотационный процесс аналогичен сложной и
обратимой химической реакции, а это уточнение в корне меняет суть
подхода к решению указанной проблемы. Изложению флотационной
кинетики в указанном направлении и посвящено предлагаемое учебное пособие.
При изучении дисциплины «Математическое и компьютерное
моделирование» планируется достижение определенных целей и результатов, в том числе в области прикладных применений, в частности для решения задач флотации.
При этом планируется научиться работать в среде образовательных технологий, используя системы компьютерной математики
(СКМ). В настоящее время практически вся математика представлена

в электронном виде в таких СКМ как: MathCAD, Maple, Mathematica,
MATLAB и др. Эти системы имеют достаточно простой пользовательский интерфейс и внутренний язык математического моделирования,
что делает их привлекательными и незаменимыми в решении математических задач. Они позволяют вести не только численные высокоточные расчеты, но и символьные преобразования, которые особенно
важны в аналитических расчетах задач флотации.
При освоении дисциплины планируется достижение следующих
результатов обучения на уровнях «знать, уметь, владеть», вносящих
вклад в формирование компетенций, предусмотренных основной
профессиональной образовательной программой (табл. 1).

Таблица 1

Коды компетенций
Планируемые результаты обучения по дисциплине (модулю)

СПК1
Знать: возможности и математические методы решения
прикладных задач флотации в СКМ; проблемноориентированные математические модели СКМ

Уметь: формулировать математические постановки задач
флотации в среде СКМ; вести математическое моделирование задач с последующей их реализацией в виде программ

Владеть (навыки и/или опыт деятельности): навыками записи математических постановок реальных задачам флотации; навыками разработки новых и адаптации существующих математических моделей к реальным практическим задачам науки и техники, в том числе флотации

СПК5
Знать: способы применения методов математического моделирования при решении задач флотации в СКМ

Уметь: применять методы математического моделирования
при решении задач флотации в СКМ

Владеть (навыки и/или опыт деятельности): навыками применения методов математического моделирования для решения задач флотации в СКМ

Следует отметить и важность фонда оценочных средств (ФОС)
для текущего контроля и промежуточной аттестации студентов, который включает ряд показателей, сформулированных в табл. 2 и частично представленных в виде вопросов после каждой главы.

4
Введение

В целом следует отметить, что использование СКМ является одним из важнейших направлений повышения уровня образования в
практических областях применения компьюторной математики, в
том числе решения задач флотации.

Введение
5

Таблица 2

Контролируемые
разделы (модули)
дисциплины

Код контролируемой компетенции
(или ее части)
Знать, уметь, владеть
Наименование оценочного средства

Интерфейс систем компьютерной математики
(СКМ)

СОПК3,
СПК1, СПК5
Знать: математические методы решения задач флотации
в СКМ

Вопросы для проведения текущего
контроля по итогам
освоения модуля

Уметь: формулировать математические
постановки задач
флотации в СКМ

Владеть: навыками
записи в СКМ математических постановок применительно
к реальным практическим задачам флотации,

Компьютерные
технологии изучения математики,
реализуемые в
СКМ (Mathcad,
Maple, Matlab
и др.)

СОПК3,
СПК1, СПК5
Знать: проблемно
ориентированные
математические модели флотационных
процессов

Вопросы для проведения текущего
контроля по итогам
освоения модуля

Уметь: реализовывать элементы математических моделей
в компьютерных образовательных технологиях при решении задач флотации

Владеть: навыками
разработки новых
технологий при решении задач флотации

Глава 1
ОСНОВЫ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: флотационные машины, колонные аппараты,
флотокомбайны, кинетика флотации, время флотации, флотокомплексы, гидрофобные частицы.

§ 1.1. Оборудование и технология
флотационной очистки сточных вод

Флотация сточных вод получила достаточно широкое распространение в практике очистки сточных вод промышленных предприятий. Эффективность флотационной очистки сточных вод в значительной степени зависит от количества диспергируемого воздуха и
размера образующихся газовых пузырьков, а также от условий контактирования газовых пузырьков с частицами загрязнений, преимущественно с гидрофобной поверхностью. Последние из указанных
факторов особенно трудно реализовать во флотационных типовых
машинах, используемых в практике очистке сточных вод. В этой связи наряду с ранее разработанными и внедренными на ряде предприятий механическими и пневматическими флотомашинами испытывается несколько новых типов флотационных машин и аппаратов, в которых условия контактирования газовых пузырьков с частицами
загрязнений происходят в более благоприятных условиях, чем в типовых флотационных машинах и аппаратах. В первую очередь это относится к определению возможностей использования колонных флотационных аппаратов для очистки нефтесодержащих сточных вод, которые до настоящего времени практически не применялись в
отечественной практике очистки промышленных стоков.

Флотационные колонные аппараты имеют высоту примерно от 2
до 10 м, а диаметр может составлять около 0,5—2 м. На рис. 1.1 приведены примеры таких флотационных колонных аппаратов.
Во флотационных колоннах обеспечивается достаточно высокая
вероятность столкновения частиц с пузырьками благодаря встречному движению частиц и пузырьков, высокая вероятность слипания и
сохранности минерализованных воздушных пузырьков. В колоннах
отсутствуют перемешивающие устройства, порождающие инерционные силы, вызывающие отрыв частиц от пузырьков, что повышает
сохранность комплексов частица загрязнений—пузырек.
К преимуществам противоточных колонн следует отнести также
низкую энергоемкость, невысокие капитальные затраты, небольшую
площадь, необходимую для установки, составляющую примерно
20—30 % площади, занимаемой стандартными флотационными машинами той же производительности, а также широкую возможность
использования процессов вторичной минерализации в пенном слое
для повышения эффективности слипания пузырьков с частицами загрязнений. Для подтверждения указанных преимуществ были проведены испытания с использованием лабораторных и опытнопромышленных образцов флотационных колонн с различными системами
аэрации (рис. 1.2).
Испытание эффективности использования флотационных колонных аппаратов проводилось при очистке нефтесодержащих сточных
вод. При этом на стадии лабораторных исследований использовался
опытный образец флотационной колонны с рабочим объемом 15 л.
Результаты лабораторных исследований представлены в табл. 1.1.

§ 1.1. Оборудование и технология флотационной очистки...
7

Рис. 1.1. Примеры конструкций флотационных колонных аппаратов

Таблица 1.1. Влияние времени флотации на остаточную концентрацию
нефтепродуктов в очищенной воде (концентрация нефтепродуктов
в исходной воде 27,8 мг/л; интенсивность аэрации сточных вод 1,1 м3/м2 мин )*

№
п/п
Время флотации, мин
Концентрация
нефтепродуктов
в очищенной воде, мг/л

Эффективность
очистки, %

1
5
15,6
43,9

2
7,5
11,3
59,4

3
10
7,9
71,6

4
12,5
5,1
81,6

5
15
3,7
86,7

6
17,5
2,2
92,1

7
20
1,9
93,2

8
22,5
1,8
93,5

9
25
1,8
93,5

10
30
1,8
93,5

* Испытания проводились в периодическом режиме.

Анализ представленных в табл. 1.1 данных свидетельствует о достижении достаточно низкой концентрации нефтепродуктов в очищенной воде, не превышающей 1,8 мг/л при времени флотации неф8
Глава 1. Основы флотационной очистки сточных вод

Рис. 1.2. Схема флотационной колонны для очистки сточных вод и тонкодисперсных пульп от гидрофобных загрязнений

тесодержащих стоков не более 22,5 мин. Такие показатели в практике
очистки сточных вод считаются высокими, и они указывают на перспективность использования флотационных колонных аппаратов для
очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений, например от нефтепродуктов
Для проверки эффективности использования флотационной колонной техники в опытнопромышленных условиях проводились испытания на аппарате рабочим объемом 1 м3. Использовался колонный аппарат такой же конструкции как и лабораторный образец
(см. рис. 1.2). Результаты этих испытаний представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Усредненные значения концентрации нефтепродуктов в очищенной воде
в зависимости от времени флотации сточных вод во флотационной колонне рабочим
объемом 1 м3*

№
п/п

Время
флотации,
мин

Концентрация
нефтепродуктов
в исходной воде,
мг/л

Остаточная концентрация
нефтепродуктов
в очищенной воде, мг/л

Эффективность
очистки, %

1
5,7
32,4
16,6
48,8

2
10,1
30,1
13,1
56,5

3
14,5
28,9
6,9
76,1

4
20,2
31,6
4,8
84,8

5
23,9
29,8
3,3
88,9

6
30,6
31,2
3,4
89,1

* Испытания проводились в непрерывном режиме.

Представленные в табл. 1.2 данные свидетельствуют о подтверждении результатов испытаний, полученных ранее в лабораторных
условиях. Некоторое отличие в значениях остаточной концентрации
нефтепродуктов в очищенной воде, выходящей из лабораторного и
опытнопромышленных образцов флотационной колонны, обусловлено масштабным различием указанных аппаратов.
Оценивая в целом полученные данные, можно утверждать, что
колонные флотационные аппараты по технологической эффективности не уступают флотационным машинам типовых конструкций, что
дает возможность применять их в практике очистки сточных вод от

§ 1.1. Оборудование и технология флотационной очистки...
9

гидрофобных загрязнений, в том числе и от нефтепродуктов. Особенно эффективно применение таких аппаратов в случае необходимости
предельно компактного расположения оборудования изза лимитирования производственных площадей.
Как показали результаты исследований особый интерес для практического использования представляет флотационная колонна со
струйными и эжекционными аэраторами (рис. 1.3). В таких флотационных колоннах в большей степени реализуются те условия, о кото
рых упоминалось выше, в том числе повышенное содержание тонкодиспергированного газа и создание благоприятных условий для контактирования газовых пузырьков с частицами загрязнений.

Полученные данные легко интерпретируются и с позиции теории многостадийной флотации, развиваемой Б.С. Ксенофонтовым.
Уменьшение размеров газовых пузырьков приводит к увеличению
константы, характеризующей вероятность слипания частицы загрязнений с пузырьком. Значение этой константы возрастает также и при
увеличении вероятности захвата газовым пузырьком частицы загрязнений, что и наблюдается в колонных флотационных аппаратах, ра10
Глава 1. Основы флотационной очистки сточных вод

Рис. 1.3. Схема флотационной колонны с комбинированной системой аэрации:
1 — колонна; 2 — пенный отсек; 3 — загрузочное устройство; 4 — струйный аэратор; 5 — наклонные решетки; 6 — камера струйного аэрирования; 7 — эжекторы