Очистка сточных вод: кинетика флотации и флотокомбайны

ОЧИСТКА
СТОЧНЫХ ВОД:
КИНЕТИКА ФЛОТАЦИИ
И ФЛОТОКОМБАЙНЫ

Б.С. Ксенофонтов

МОНОГРАФИЯ

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2020

УДК 574(075.4)
ББК 20.1
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Очистка сточных вод: кинетика флотации и флотокомбайны : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 
2020. — 256 с.

ISBN 978-5-8199-0618-7 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-010524-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-105928-9 (ИНФРА-М, online)

В монографии рассмотрены новые подходы к моделированию разделения неоднородных систем на основе многостадийного флотационного процесса, в котором основным объектом является промежуточный 
комплекс пузырек—частица in и агрегаты частиц. Такой метод моделирования впервые описывается в мировой литературе как в виде теоретических основ, так и практических приложений. В качестве примеров 
практического применения описываются процессы очистки сточных 
вод в установках нового типа, получивших название флотокомбайнов. 
При этом рассматриваются различные сочетания комплексного действия 
процессов флотации, отстаивания и фильтрации. Примеры реализации 
и использования флотокомбайнов рассмотрены применительно к процессам очистки сточных вод различных производств.
Для широкого круга научных работников, инженерно-технических 
работников, преподавателей, студентов старших курсов, будущих бакалавров и магистров, обучающихся по экологическим направлениям подготовки.
УДК 574(075.4)
ББК 20.1

Р е ц е н з е н т:
А.А. Денисов, заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических 
наук, профессор ГНУ «Всероссийского научно-исследовательского 
и технологического института биологической промышленности» Российской академии сельскохозяйственных наук

ISBN 978-5-8199-0618-7 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-010524-6 (ИНФРА-М. print) 
ISBN 978-5-16-105928-9 (ИНФРА-М. online)
© Ксенофонтов Б.С., 2015
© ИД «ФОРУМ», 2015

Введение

Проводимые нами исследования показывают, что возможности
флотационного способа в области очистки сточных вод в значительной мере еще не реализованы на практике, при этом как отдельно
при использовании только этого способа, так и в сочетании с другими
технологиями. Это касается не только расширения ассортимента извлекаемых загрязнений, но и глубины их извлечения.
Для расширения использования флотационного способа в практике очистки сточных вод необходимо использовать модели чаще всего применяемых способов, к которым относятся напорная, механическая, пневматическая и электролитическая флотация. Как показывает
многолетний опыт, наиболее адекватными моделями этих процессов
являются те, которые основаны на рассмотрении флотационного процесса как многостадийного, развиваемого нами в течение последних
30 лет [5, 25]. Главными особенностями нового подхода является то,
что в качестве основного субъекта рассматривается флотокомплекс
частица—пузырек и условия его образования и возможного распада,
а также перехода в пенный слой. При этом в частных случаях, при расмотрении конкретного способа флотации учитываются особенности
системы аэрации, а также гидродинамические условия, оказывающие
наиболее сильное влияние на сохранность флотокомплекса частица—
пузырек.
Изложенные соображения указывают на целесообразность использования простого определения флотации как процесса образования флотокомплексов частицы—пузырьки газа и отделения их от
жидкости путем перехода в пенный слой.
Такой подход к рассмотрению флотации как технологического
процесса оказался продуктивным при разработке новой флотационной техники комбинированного типа и получившей название флотокомбайнов. Процессы, происходящие во флотокомбайнах, например
флотация, отстаивание, фильтрация и др., являются совмещенными,
т. е. осуществляются параллельно или последовательно основному

флотационному процессу. При этом математическое описание таких
процессов предлагается нами осуществлять на базе многостадийной
модели, примененной ранее для флотационного процесса [5, 25].
Предлагаемый нами подход хорошо подтверждается экспериментальными данными. Этот метод расчета, по нашему мнению, является надежной базой для определения основных параметров флотокомбайнов. Проведенные исследования подтвердили правильность выбора
расчетного метода флотокомбайнов, что в дальнейшем было подтверждено и результатами промышленного внедрения.
Автор надеется, что излагаемые в книге материалы заинтересуют
разработчиков нового водоочистного оборудования и будут стимулировать расширение ассортимента флотационной техники, используемой для очистки сточных вод.

4
Введение

Глава 1
ОБЗОР ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД

Использование современного оборудования в процессах очистки
сточных вод является залогом успешного решения достаточно сложных экологических задач. В этой связи разработчики технологий очистки сточных вод выбору оборудования придают большое значение.
В первую очередь это относится к оценке эффективности очистки
того оборудования, которое будет использовано. Кроме того, анализируются вопросы возможной многофункциональности применяемого оборудования и максимальной его автоматизации. При этом оценивается также стоимость выбранного оборудования. В последнее
время в практике очистки сточных вод дискутируется долговечность
устанавливаемого оборудования.
Указанные выше критерии послужили основными показателями,
влияющими на выбор того или иного вида оборудования для решения
конкретных задач.
Проведем такой анализ к различным видам оборудования, устанавливаемого последовательно на механической, физикохимической и биологической стадиях очистки сточных вод.

Оборудование для механической очистки воды

Как известно, на стадии механической очистки сточных вод используют решетки различных типов, песколовки, отстойники, решетчатые фильтры и т. п. Первым этапом очистки сточных вод на очистных сооружениях является операция грубой очистки стоков от крупных взвесей. Решетки используются для отделения крупных твердых
частиц перед дальнейшими стадиями очистки сточных вод. При этом
на городских сооружениях применяются, как правило, решетки с
прозорами 10—50 мм, а на локальных очистных сооружениях — с

прозорами 10—30 мм, а иногда и менее. Проанализируем пути совершенствования решеток, поставляемых на рынок как отечественными,
так и зарубежными фирмами. Общей тенденцией усовершенствования решеток является уменьшение размеров прозоров вплоть до 2—
3 мм, а также создание совершенных устройств, способствующих механизированному съему уловленных отбросов. На рис. 1.1 представ6
Глава 1. Обзор оборудования для очистки сточных вод

Рис. 1.1. Современные решетки:
а — решетка механическая серии РМУ серии ГР; б — решетки грабельные; в — ступенчатая решетка HUBER STEP; г — вертикальная шнековая

лены в качестве примеров различные типы решеток. Большинство решеток, предлагаемых различными фирмами, являются механизированными. Только в случае малой производительности предлагаются
решетки с ручным удалением отбросов, так как в этих случаях, как
правило, не совсем выгодно использовать механизированный привод
для удаления небольшого количества отбросов.
Следует особо отметить тенденции совершенствования конструкции решеток путем использования более эффективных механизированных приводов для удаления отбросов и регенерации рабочей поверхности решеток.
В качестве примера использования решеток с малыми прозорами
следует отметить оборудование для механической очистки сточных
вод на Люберецких очистных сооружениях (ЛОС) Мосводоканала [3].
Со сточными водами на ЛОС поступает большое количество различных видов отбросов: предметы быта горожан, отбросы пищевых производств, пластиковая тара и полиэтиленовые пакеты, а также строительный и прочий мусор. Для их удаления на ЛОС используются два
вида механизированных решеток с прозорами 5 и 6 мм.
В этой связи выбор типа решетки проводится с выполнением
предварительных техникоэкономических оценок, учитывающих
конкретные особенности объекта, на котором будут использоваться
эти решетки.
В качестве дополнительных устройств очистки сточных вод от грубых взвесей используются сита различных типов. При этом следует отметить, что в случае необходимости доочистки сточных вод от грубодисперсных механических примесей (ГДМП) и особенно при больших
расходах сточных вод при использовании механизированных плоских
щелевых сит достигаются более высокие технологические показатели
по сравнению с применением барабанных сеток [4, с. 109—113]. Опыт
использования механизированных плоских щелевых сит на объектах
Мосводоканала в процессах удаления ГДМП свидетельствует о перспективности использования такого вида оборудования.

Оборудование физикохимической очистки воды

Набор оборудования для физикохимической очистки включает
достаточно широкий ассортимент, в частности оборудование для
приготовления растворов реагентов, смесители реагентов с водой, камеры хлопьеобразования и т. д.

Глава 1. Обзор оборудования для очистки сточных вод
7

Перемешивание — одна из важнейших операций, входящая во
многие стадии процесса очистки промышленных сточных вод.
Перемешивающие устройства, в том числе мешалки, в технологических системах очистки сточных вод предназначены для осуществления процессов гомогенизации, суспендирования, эмульгирования,
диспергирования, теплообмена и т. п. В зависимости от особенностей
технологического процесса обработки стоков возможно применение
мешалок следующих типов: лопастные (якорные, рамные, листовые),
пропеллерные (в том числе с диффузором), турбинные (открытые и
закрытые), ленточные и шнековые (винтовые), погружные, а также
специальные (барабанные, дисковые, вибрационные). Выбор того
или иного типа перемешивающего устройства зависит от поставленной задачи и пути ее решения.
На стадии физикохимической очистки воды в ряде случаев эффективным является использование флотационного оборудования.
Совершенствование флотационной техники по пути сочетания различных функций в одном корпусе аппарата развивается многими
разработчиками [5—14], в том числе и нами [5, 6, 8, 9, 11—14]. При
этом в одном корпусе флотационной машины или аппарата устанавливаются, например, блоки аэрации для осуществления флотационного процесса и элементы конструкций, характерные для процесса отстаивания, и в итоге имеем комбинированный аппарат —
флотоотстойник. Хорошо известны также флотомашины, в которых
сочетаются функции кондиционирующих и флотационных аппаратов [10].
Нами в последние годы предприняты успешные попытки создания таких комбинированных аппаратов — флотокомбайнов, в которых последовательно осуществляются такие подготовительные процессы, как коагуляция, флокуляция и другие, которые способствуют
разделению осветляемой системы, а также непосредственно процессы флотации, отстаивания и фильтрации.
Б.С. Ксенофонтовым были разработаны флотационные машины
различного типа, в том числе с пневматической системой аэрации
(рис. 1.2), на основе комбинированного способа извлечения гидрофобных загрязнений, позволяющие интенсифицировать флотационный процесс.
Сравнительные показатели эффективности очистки сточных вод
от нефтепродуктов в комбинированных флотомашинах нашей разработки и фирмы «Vemko» ( США) представлены в табл. 1.1 [5].

8
Глава 1. Обзор оборудования для очистки сточных вод

Таблица 1.1. Сравнение эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов
с использованием различных флотационных машин

Тип флотационных машин и аппаратов
Концентрация нефтепродуктов, мг/л

исходная
конечная

Механические ФКМО*
50—100
5—10

Пневматические ФКП*
50—100
0,5—5

Напорные*
50—100
1—5

Электрофлотационные*
50—100
1—5

Механические (фирма «Vemko», США)**
50—100
10

* Данные испытаний.
** Рекламные данные.

Анализ представленных в табл. 1.1 данных показывает, что по эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов большинство
из разработанных комбинированных флотационных машин и аппаратов превосходят современные зарубежные аналоги, например механические флотомашины фирмы «Vemko» (США).
В качестве перспективной разработки нами также предложены
различные типы флотоотстойников, представляющих частный случай
комбинированных флотационных аппаратов. Например, для очистки
сточных вод производства бытовой техники нами разработан флотоотстойник (рис. 1.3). Отличительной особенностью этого флотоотстойника является установка в зонах флотации и отстаивания блоков
тонкослойного осветления с различным межполочным пространством. Использование таких блоков позволяет оптимизировать гидродинамический режим в зонах флотации и отстаивания.

Глава 1. Обзор оборудования для очистки сточных вод
9

Рис. 1.2. Многокамерная флотационная пневматическая машина

Важную роль в процессах доочистки сточных вод играют фильтры
с зернистой загрузкой, например с выраженными адсорбционными
свойствами. Такие фильтры выпускаются различными фирмами.

Мембранные установки для очистки промышленных сточных вод

Мембранные технологии находят все более широкое применение в
области очистки промышленных сточных вод. Это обусловлено высокой эффективностью очистки, минимальным использованием химических реагентов, универсальностью и компактностью установок. В ряде
случаев применение мембранных технологий является единственно
возможным решением очистки промышленных сточных вод [15].
Возможно применение как типовых мембранных установок очистки сточных вод, так и специально изготовленных под конкретную
задачу.
Ультрафильтрационные системы очистки промышленных сточных вод в отдельных случаях могут эффективно очищать стоки, содержащие эмульгированные нефтепродукты. К таким стокам относятся сточные воды автомоек, сточные воды гальванических, покрасочных производств.
Для увеличения срока службы мембран ведущие производители
рекомендуют применение воздушной и/или химической промывки.
Это способствует энергосбережению за счет снижения сопротивления.
Используется понятие «экономически оправданный срок службы
мембран». Он зависит от качества их изготовления и материалов. При
этом срок может составлять 5—6 лет и в отдельных случаях не менее
8 лет.

10
Глава 1. Обзор оборудования для очистки сточных вод

Рис. 1.3. Станция биологической очистки хозяйственнобытовых сточных вод
«БиОКС» ООО «ТЕХНОМОСТ СЕРВИС» [16]