Очистка сточных вод: новые модели флотации и флотокомбайны типа КБС и специального назначения

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ 

ВОД

НОВЫЕ МОДЕЛИ

ФЛОТАЦИИ

И ФЛОТОКОМБАЙНЫ 

ТИПА КБС

И СПЕЦИАЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва 
ИНФРА-М 

2021

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204

К86

Ксенофонтов Б.С.

К86
Очистка сточных вод: новые модели флотации и флотокомбайны 

типа КБС и специального назначения : монография / Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 203 с. — (Научная мысль). — 
DOI 10.12737/1230211.

ISBN 978-5-16-016773-2 (print)
ISBN 978-5-16-109350-4 (online)
В предлагаемой вниманию читателей монографии впервые в мировой 

литературе рассмотрены в широком аспекте многостадийная и обобщенная модели флотации, предложенные автором более тридцати лет назад. 
Показаны возможности их использования в различных направлениях флотационной очистки воды, сгущения осадков и обогащения полезных ископаемых. Широко освещены вопросы, касающиеся нового флотационного 
оборудования в виде флотокомбайнов типа КБС и специального назначения, разработанных на основе многостадийной и обобщенной моделей 
флотационного процесса. Указаны перспективы и пути интенсификации 
флотационных процессов очистки воды.

Для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, пре
подавателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов старших курсов.

УДК 628.3(075.4) 

ББК 38.761.204

ISBN 978-5-16-016773-2 (print)
ISBN 978-5-16-109350-4 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2021

Р е ц е н з е н т ы:

Луканин А.В. — доктор технических наук, профессор, профессор 

кафедры общей фармацевтической и биомедицинской технологии 
медицинского института Российского университета дружбы народов;

Пирогов Е.Н. — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры 

транспортного строительства Российского университета транспорта 
(Московского института инженеров транспорта)

Введение

Очистка воды является и будет продолжать оставаться прио
ритетным направлением на протяжении последних десятилетий. 
В этой связи разработка новых способов и устройств, а также совершенствование существующих будет представлять несомненный 
научный и практический интерес для широкого круга исследователей. Особое место в развитии новых подходов и развитии существующих будет представлять моделирование этих процессов 
[1–13].

Использование флотационной техники в практике очистки 

воды может быть значительно расширено при развитии научных 
основ этого процесса и разработке на этой базе методики расчета 
флотационной техники [1–55]. В этой связи нами в течение последних более чем трех десятилетий разрабатывается новый подход 
к решению задач этого направления [11–12]. При этом разрабатываются не только теоретические основы этого процесса, но и развивается аппаратурное оформление на этой новой научной базе, 
а именно с применением многостадийной модели флотации, предложенной нами в 1987 году [13]. В дальнейшем развитие использования многостадийной модели проводилось практически для 
всех используемых в практике очистки воды способах флотации, 
а также в процессах сгущения осадков сточных вод, в том числе 
избыточного активного ила, и частично в технологии обогащения 
полезных ископаемых. Использование многостадийной и обобщенной моделей изменило научный подход во флотационной технологии от фрагментарного к непрерывному, начиная от кондиционирования очищаемых сточных вод и сгущаемых осадков и кончая 
финишными стадиями доочистки сточных вод и обезвоживания 
осадков [50].

Следует особо отметить разработку на этой научной базе нового 

вида флотационного оборудования — флотокомбайнов, в том числе 
типа КБС и специального назначения, в которых осуществляются 
не только процессы очистки воды, но и предварительное сгущение 
осадков сточных вод [33–35, 56–62]. В целом следует отметить, что 
использование научной базы при ее реализации позволит существенно повысить эффективность очистки воды и решить проблему 
предварительного сгущения осадков сточных вод.

Автор надеется, что при правильном применении многоста
дийной модели флотационная технология очистки сточных вод, 
сгущения осадков и обогащения полезных ископаемых станут заметно более эффективными.

При этом другой важнейшей задачей является использование 

обобщенной многостадийной флотационной модели для расчета 
процессов извлечения из воды не только гидрофобных, но и гидрофильных загрязнений. Применение обобщенной многостадийной 
флотационной модели дало нам возможность разработать флотокомбайны как общего типа КБС, так и специального назначения. 
Эти новые виды техники для очистки воды дают возможность добиться более высоких технологических результатов по сравнению 
с использованием известных установок аналогичного типа.

Глава 1

МНОГОСТАДИЙНАЯ МОДЕЛЬ ФЛОТАЦИИ 

КСЕНОФОНТОВА И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Известно достаточно много моделей флотационного процесса 

[11–12, 36–47], но особо следует отметить модель профессора Белоглазова. Согласно этой модели процесс флотации рассматривается по аналогии с простой химической реакцией первого порядка (риc. 1.1).

Риc. 1.1. Схема процесса флотации по Белоглазову:

А — исходное состояние; С — пенный слой

Уравнение процесса флотации по Белоглазову имеет вид:

− τ
=
0

k
C
C e
,
 (1.1)

где C  и
0
C
— концентрации загрязнений в текущий и начальный 

моменты, соответственно;

k — константа, характеризующая скорость флотационного про
цесса;

τ — время.

=

0

1,5qE
k
k D

,
 (1.2)

где q — скорость барботирования;

E — эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком 

газа при флотации;

0k
— фактор полидисперсности пузырьков;

D — средний диаметр пузырьков во флотационной ячейке.
Существенные недостатки такого подхода:
– флотокомплекс не рассматривается в качестве объекта иссле
дования;

– отсутствует зависимость образования пенного продукта

от времени;

– не в полной мере указаны факторы, влияющие на кинетику 

процесса.

Устранение этих недостатков и наиболее полное описание про
цесса флотации было предложено Ксенофонтовым Б.С. в середине 
80-х годов XX века [11–13, 36–47, 49–52]. Согласно этому подходу 
процесс флотации рассматривается по аналогии со сложной химической реакцией первого порядка.

Следует особо отметить, что разработка автором этой модели

началась с дискуссии в 70–80-х годах ХХ века между автором 
и проф. Классеном В.И., который утверждал, что модель Белоглазова неплохо описывает экспериментальные данные. Однако 
твердым убеждением автора было и остается, что в основе модели 
флотационного процесса должен быть флотокомплекс «частица — 
пузырек». Это и было положено в основу предложенной модели, 
впервые опубликованной Ксенофонтовым Б.С. в 1987 году [13]. 
В различных дискуссиях автора с оппонентами рассматривались 
также различные частные случаи моделей, предложенных особенно 
молодыми исследователями, которые претендовали на оригинальность подхода, но затем выяснялось, что это частные случаи модели 
автора, так как в них был заложен главный признак — существование флотокомплекса «частица — пузырек». Далее при изложении 
материала будут рассмотрены возможные случаи модели автора 
с рассмотрением не только главного признака модели — флотокомплекса «частица — пузырек», но и других, например, обратимости 
отдельных стадий флотацонного процесса и др. При этом, согласно 
автору, прослеживается тесная аналогия между предложенной моделью и сложной химической реакцией, где главным объектом является промежуточный продукт (комплекс). Исследования автора 
в течение более 30 лет убедительно подтвердили это.

Простейший случай флотационного процесса согласно модели 

Ксенофонтова представлен на риc. 1.2, а более общий случай —
на риc. 1.3. Стадия образования флотокомплекса — главного объекта флотационного процесса по нашей модели — выделена пунктирной линией.

Риc. 1.2. Простейший случай флотационного процесса согласно модели 

Ксенофонтова

Для простейшего случая система уравнений имеет следующий 

вид:

= −
=
−
=
1

1
3

3

A

A

B

A
B

c

B

dC
k C
dt

dC
k C
k C
dt

dC
k C
dt

. 
 (1.3)

Для общего случая система уравнений имеет следующий вид:

= −
+
+
−
=
−
−
+
= −
+
+
−
1
2
5
6

1
2
3
4

5
6
3
4

A

A
B
C
A

B

A
B
B
C

c

C
A
B
C

dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt

dC
k C
k C
k C
k C
dt

, 
 (1.4)

=
1

0

1,5qE
k
k D

, 
 (1.5)

где q — скорость барботирования;

E — эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком

газа при флотации;

0k
— фактор полидисперсности пузырьков;

D — средний диаметр пузырьков во флотационной ячейке.

Риc. 1.3. Общий случай флотационного процесса согласно модели 

Ксенофонтова

Определение и расчет констант k2 — k6 впервые были даны Ксе
нофонтовым Б.С. [13, 14].

−
=
2
1

2
a
k
AC G M C
ф
пп , 
 (1.6)

где A — безразмерный коэффициент;

Cф — концентрация флотокомплексов «частица — пузырек»;

a
G
— градиент скорости в зоне аэрации, определяемый отноше
нием разностей скоростей к разности расстояния между рассматриваемыми точками;

M — отношение диаметра частицы к диаметру пузырька;
Cпп — концентрация пузырьков в подпенном слое.

ν
=
3
,
k
h

под
 (1.7)

где νпод — скорость подъема флотокомплекса;

h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя.

=
3

4k
FG C d
п
п
ср , 
 (1.8)

где F — коэффициент пропорциональности;

Gп — градиент скорости в подпенном слое;

Cп — концентрация пузырьков в пене;

dср — средний диаметр пузырьков в пене.

ν
=
5k
h

ос , 
 (1.9)

где νос — скорость осаждения частиц твердой фазы, выпадающих 
из пенного слоя;

h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя.

(
)
(
)
−
+
∂ = ψ
−
−
−
∂
ψ
ψ
πψ
2
2

6

1

4
4
2

x
h
x
h

k
exp
exp
x
t
t
t

,  (1.10)

где t — время;

x — текущее расстояние от границы пенного слоя;
ψ — коэффициент диффузии частиц твердой фазы в жидкость;
h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя.
Решение системы уравнений (1.4) имеет вид, представленный 

на риc. 1.4.

Интенсификация флотационного процесса согласно многоста
дийной модели может быть достигнута рядом способов, в том числе 
путем коалесценции флотокомплексов с образованием пузырька 
более крупного размера, чем исходный (риc. 1.5).

Риc. 1.4. Графическое решение системы уравнений флотационного процесса 

согласно модели Ксенофонтова:

зависимость концентрации загрязнений: 1 — в осветляемой жидкости; 

2 — в виде флотокомлексов; 3 — в пенном продукте

Риc. 1.5. Схема флотации с учетом явления коалесценции частиц загрязнений