Обобщенные модели флотации и разработка флото-, эко- и циклокомбайнов типа КБС на основе принципов биоподобия

ОБОБЩЕННЫЕ МОДЕЛИ ФЛОТАЦИИ 
И РАЗРАБОТКА ФЛОТО-, ЭКО- 
И ЦИКЛОКОМБАЙНОВ ТИПА 
КБС НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ 
БИОПОДОБИЯ

Б.С. КСЕНОФОНТОВ

Москва
ИНФРА-М
2023

МОНОГРАФИЯ

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204
 
К86

Ксенофонтов Б.С.
К86  
Обобщенные модели флотации и разработка флото-, эко- и циклокомбайнов типа КБС на основе принципов биоподобия : монография / 
Б.С. Ксенофонтов. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 224 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/1981692.

ISBN 978-5-16-018341-1 (print)
ISBN 978-5-16-111359-2 (online)
В монографии рассмотрены как теоретические основы создания флотокомбайнов и экокомбайнов типа КБС на основе многостадийной и обоб щенной моделей флотации, так и практические рекомендации на основе 
принципов биоподобия. Показаны возможные схемы флотокомбайнов 
и экокомбайнов типа КБС и специального назначения.
Описаны новые системы аэрации для использования в различных флотационных аппаратах, в том числе во флотокомбайнах и экокомбайнах. 
Приводятся практические примеры использования новой флотационной 
техники.
Для широкого круга читателей, в том числе научных сотрудников, преподавателей вузов, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов старших курсов.

УДК 628.3(075.4)
ББК 38.761.204

Р е ц е н з е н т :
Луканин А.В., доктор технических наук, профессор, профессор Российского университета дружбы народов

ISBN 978-5-16-018341-1 (print)
ISBN 978-5-16-111359-2 (online)
© Ксенофонтов Б.С., 2023

Введение

Разработка новой техники для очистки сточных вод обусловлена 
необходимостью как повышения эффективности очистки воды, так 
и снижения удельных материало- и энергозатрат. В связи с этим 
идет постоянное совершенствование существующей и разработка 
новой водоочистной техники [1–67].
Для очистки сточных вод используется флотационная техника 
преимущественно напорного типа. Хотя процесс флотации известен 
давно, принципиально новых технических решений в этой области 
относительно мало. В качестве примера приведем разработанный 
автором в 1989–1992 гг. способ напорной флотации с двумя рабочими жидкостями [16], из которых одна рабочая жидкость с труднорастворимым газом (воздухом), а другая — с легкорастворимым 
газом, например с углекислым газом. Этот способ был испытан 
и использован автором впервые в отечественной практике на биотехнологических предприятиях.
Другой пример — это направление, связанное с развитием использования комбинированных установок, осуществленное под руководством автора начиная с 1995 года на подмосковных машиностроительных предприятиях.
Проведенные автором [1] исследования определили возможность аппаратурного оформления этого способа с использованием 
комбинированной установки, названной автором флотокомбайном. 
Автором разработаны и другие способы и аппараты флотационной 
очистки сточных вод с учетом их конкретного состава.
Развиваемое автором направление флотационной очистки 
с использованием многостадийной и обобщенной моделей с применением разработанных автором флотокомбайнов находится 
на стадии активного внедрения начиная с 90-х годов прошлого 
века. Нынешняя стадия развития указанного направления связана 
с расширением внедрения разновидностей флотокомбайнов вплоть 
до экокомбайнов и многофункциональных аппаратов с полным 
циклом экологических процессов (риc. В.1). Хорошо известно, что 
в обычной практике чаще всего применяются однофункциональные 
аппараты (см. риc. В.1), в гораздо меньшей степени двухфункциональные и еще реже трехфункциональные. В виде опытно-промышленных образцов начинают использоваться экокомбайны и в виде 
опытных аппаратов — многофункциональные аппараты с полным 
циклом экологических процессов, например в виде локальных 
очистных сооружений.
Приведенные сведения (см. риc. В.1) указывают на разнообразие 
многофункциональных аппаратов, начиная с однофункциональных 

и кончая аппаратами с полным циклом экологических процессов, 
например в виде комплекса очистных сооружений. При этом чем 
выше степень сложности многофункционального оборудования, 
тем, как правило, более ограничено их использование по сравнению 
с однофункциональными аппаратами.

Риc. В.1. Классификация многофункциональных аппаратов

В предлагаемой монографии рассматриваются результаты исследований и использование как однофункциональных аппаратов, 
так и многофункционального оборудования за более чем тридцатилетний период начиная с 1987 г. [1, 13]. При этом основное 
внимание уделено теоретическим основам процесса флотации 
на основе многостадийной и обощенной моделей, разработке 
и внедрению флотокомбайнов и водокомбайнов как общего, так 
и специального назначения.

Глава 1
СОЗДАНИЕ ФЛОТОКОМБАЙНОВ 
И ВОДОКОМБАЙНОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ 
БИОПОДОБИЯ

1.1. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ФЛОТОКОМБАЙНОВ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОСТАДИЙНОЙ И ОБОБЩЕННОЙ 
МОДЕЛЕЙ И ПРИНЦИПОВ БИОПОДОБИЯ

Разработка новой флотационной техники для очистки воды проводится нами в течение нескольких последних десятилетий на основе применения многостадийной модели флотации и принципов 
биоподобия [1–13].
Сущность этого подхода заключается в том, что очистка воды 
с использованием флотации как основы новой предлагаемой 
технологии рассматривается на основе многостадийной и обобщенной моделей процесса флотации [1–11], а конструирование 
водоочистной установки для реализации указанной технологии 
предлагается на основе биоподобия, в том числе в одном корпусе 
на единой платформе. Использование многостадийной и обобщенной моделей процесса указывает на целесообразность применения во флотационном аппарате ряда элементов, в частности разделяющих перегородок, регулирующих скорости водного потока 
внутри аппарата, фильтрующих сеток, блоков с расходящимися 
или сходящимися пластинами и т.п. На риc. 1.1 показана принципиальная схема наиболее простого флотокомбайна1 в виде флотоотстойника простейшей конструкции, а на риc. 1.2 — схема флотокомбайна с расположенными внутри функциональными элементами. 
Самым существенным достижением в технологическом отношении 
будет получение сгущенного осадка, а также достижение более высокой эффективности очистки воды в последнем случае.
Пример реализации простейшего варианта флотокомбайна 
в виде флотоотстойника представлен на риc. 1.3. Основные стадии 
процессов, происходящих в рабочем пространстве такого флотоотстойника, связаны с использованием отстаивания, флотации 
и фильтрации.

1 
Термины «флотокомбайн» и «водокомбайн» впервые предложены Б.С. Ксенофонтовым.

Риc. 1.1. Принципиальная схема флотокомбайна (в виде флотоотстойника):
1 — корпус флотокомбайна; 2 — зона сбора пены; 3 — зона образования 
и сбора осадка; 4 — сборник осадка; CВ — cточная вода; ОВ — очищенная вода

Риc. 1.2. Принципиальная схема флотокомбайна с расположенными внутри 
корпуса функциональными элементами:
1 — корпус флотокомбайна; 2 — пеноконцентратор; 3 — зона образования 
и сгущения осадка; 4 — сборник сгущенного осадка; 5 — функциональные элементы, способствующие интенсификации процессов очистки воды; 
CВ — сточная вода; ОВ — очищенная вода

Риc. 1.3. Схема простейшего флотокомбайна (флотоотстойника):
1 — корпус флотокомбайна; 2 — патрубок для подачи 1-й рабочей жидкости; 
3 — патрубок подачи сточной воды; 4 — патрубок подачи раствора реагента; 5 и 7 — полки пенного желоба; 6 — выходной патрубок для выгрузки 
пены; 8 — сетка; 9 — патрубок вывода осветленной воды; 10 — стойки; 
11 — днище; 12 — патрубок отвода осадка; 13 — патрубок подачи 2-й рабочей жидкости

Для сравнения различных вариантов флотокомбайнов рассмотрим схему флотокомбайна, представленного на риc. 1.4.
Использование многостадийной и обобщенной моделей процесса указывает на целесообразность применения во флотокомбайне большего количества элементов, в частности разделяющих 
перегородок, регулирующих скорости водного потока внутри аппарата, фильтрующей сетки и других, а также блока сгущения осадка 
(риc. 1.4).
Разработанный автором флотокомбайн (риc. 1.4) включает 
корпус 1, на внешней стороне которого расположены патрубки соответственно для подачи раствора 2, рабочей жидкости 3, исходной 
(грязной) воды 4, пенный желоб 6, сорбционный фильтр 9 с фильтрующей загрузкой 10 и патрубком вывода чистой воды 11, шнековый 
сгуститель 12 со шнеком 13 внутри, соединенным со сборником 
осветленной жидкости 14 и со сборником сгущенного осадка 15,

а внутри корпуса мешалка 5, сетчатая перегородка 7 и обеззараживающее устройство 8.

Риc. 1.4. Схема флотокомбайна

Принцип работы флотокомбайна включает подачу грязной воды 
через патрубок 4 внутрь корпуса 1, а также подачу рабочей жидкости и раствора реагента соответственно через патрубки 3 и 2. Поступающие внутрь корпуса 1 потоки перемешиваются с помощью 
мешалки 5, что приводит к образованию флотокомплексов частица 
загрязнений — газовый пузырек и их дальнейшему всплыванию 
в пенный слой, образующемуся в пенном желобе 6, из которого 
он далее подается наряду с осадком в шнековый сгуститель 12. 
Сгущенный продукт собирается в сборнике 15, а отделенная жидкость — в сборнике 14.
Очищаемая в корпусе 1 флотокомбайна вода после отделения 
загрязнений преимущественно в виде флотокомплексов проходит 
последовательно через сетчатую перегородку 7, обеззараживающее устройство 8, например, в виде ультрафиолетовой лампы 

или контактной камеры озонирования, и далее пропускается через 
угольную загрузку 10 фильтра 9 и выводится через патрубок 11.
Такой флотокомбайн может автономно использоваться в качестве локальной очистной установки с площадью меньшей, чем 
в случае использования сооружений — аналогов до 1,6–2,2 раза.

Риc. 1.5. Усредненные значения концентрации нефтепродуктов 
в осветленной воде:
1 — после отстаивания; 2 — после очистки во флотоотстойнике; 3 — после 
очистки во флотокомбайне

Сравнительная эффективность очистки сточных вод при использовании разных способов обработки с использованием в том 
числе и флотокомбайнов, приведена на риc. 1.5–1.6. Показано, что 
усредненные значения остаточной концентрации нефтепродуктов 
(риc. 1.5) в очищенной воде после флотокомбайна заметно ниже, 
чем после очистки во флотоотстойнике. Аналогичные данные 
по остаточному влагосодержанию, которые свидетельствуют 
о более низкой влажности осадка после обработки сточных вод 
во флотокомбайне по сравнению с использованием флотоотстойника, приведены на риc. 1.6.
Таким образом, обработка сточной воды во флотокомбайне приводит к заметно лучшим результатам, чем при использовании флотоотстойника.
Важно также отметить использование кинетических моделей 
процессов очистки, в том числе флотации. Новый подход, основанный на многостадийности процесса, оказался успешным 
не только для интенсификации процессов на существующем, 

но и на вновь разработанном оборудовании [6–11]. При этом развитие процесса моделирования способствовало появлению нового 
типа оборудования — флотокомбайнов, которые оказались более 
эффективными при меньших материало- и энергозатратах, чем известные машины и аппараты.

Риc. 1.6. Усредненные значения влагосодержания осадков, образующихся 
при различных видах обработки осадков сточных вод:
1 — после отстаивания; 2 — после обработки во флотоотстойнике; 
3 — после обработки во флотокомбайне

1.2. ПРИМЕРЫ ФЛОТОКОМБАЙНОВ, СОЗДАННЫХ 
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА БИОПОДОБИЯ

Одно из главных направлений развития флотационной техники — это создание более крупных и рентабельных машин. В последнее время произошел переход от принципов упрощения конструкций и механизмов к принципам, которые позволяют разделять и направлять потоки жидкости, обеспечивать внешний приток 
воздуха к большим установкам и, таким образом, использовать монокамеры большого объема.
Разработка новой флотационной техники для очистки воды проводится нами в течение нескольких последних десятилетий на основе принципов биоподобия и применения многостадийной модели 
флотации [63]. Схематически концепция такого подхода показана 
на риc. 1.7.