Особливості застосування кавітаційної техніки в процесах очищення промислових стоків від органічних забруднень

ОСОБЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ КАВІТАЦІЙНОЇ ТЕХНІКИ В ПРОЦЕСАХ ОЧИСТКИ ПРОМИСЛОВИХ СТОКІВ ВІД ОРГАНІЧНИХ ЗАБРУДНЕНЬ

Вода є основним компонентом продуктів харчування і незамінним засобом гігієни, найважливішою мінеральною сировиною та головним природним ресурсом. З точки зору використання води у матеріальному виробництві - це та частина запасів, яка технічно доступна і економічно доцільна для задоволення потреб суспільства.

Споживання води постійно зростає. Зокрема, це стосується виробництв, де вона застосовується практично у всіх технологічних процесах. При цьому на різних етапах переробки сировини утворюються стічні води, кількість і склад яких визначаються умовами виробництва. У зв'язку з цим виникає гостра і актуальна на сьогодні проблема очистки забруднених промислових стоків перед скиданням їх у водойми.

Особливу увагу слід звернути на органічні забруднення, оскільки сучасні способи їх знешкодження шляхом окислення дозволяють отримати ефект на 80%. У результаті недоокислені органічні речовини забруднюють водойми, від чого гинуть гідробіонти, а вода дістає неприємний запах та присмак. Знизити їх кількість у стоках можна різними методами. Один з них базується на використанні сильних хімічних окислювачів. Використовуючи реагенти із забрудненої води, можна видалити 99% амінів та сульфідів і 75% меркаптанів. На сульфатцелюлозних заводах при очистці стічних вод за допомогою хлору, хлорного вапна, озону або активного кисню окислюються сірководень, гідросульфіди, метилсірчисті з'єднання, які потрапляють в промислові стоки.

Для очистки стічних вод від органічних сполук також використовують біологічний метод. Згідно з цим методом значна кількість органічних забруднень під впливом ферментів і мікроорганізмів окислюється, перетворюючись на вуглекислоту, воду, азот та інші неорганічні речовини. На підприємствах нафтохімії застосовують метод очистки стоків в аеротенках (біохімічний метод). Часто рекомендують триступеневу біохімічну очистку: перший й другий ступені - зрошуючи фільтри і третій - аеротенки. Використовують також процеси самоочистки в природних умовах, для чого обладнують ставки доочистки, біологічні ставки, каскадні аератори [1].

Найбільша концентрація органічних токсичних речовин фіксується в стоках хімічної, харчової та нафтопереробної промисловостей. Негативними особливостями цих виробництв є: нерівномірність утворення стічних вод та залпові скиди; несприятливе співвідношення біологічного споживання кисню до хімічного споживання кисню (БСК/ХСК =0,5), внаслідок чого незасвоєні мікроорганізмами високомолекулярні сполуки адсорбуються на поверхні клітин і гальмують окислення низькомолекулярних сполук; високі концентрації органічних речовин; значні об'єми кислих стоків. Все це привело до необхідності розширення і продовження досліджень в напрямку інтенсифікації методів очистки таких промислових стоків.

В роботах [2-4] авторами експериментально досліджено і теоретично обгрунтовано, що для інтенсифікації процесів окислення органічних речовин у промислових стоках доцільно використовувати кавітаційні ефекти, що виникають при гідродинамічних процесах за допомогою спеціального обладнання. Найпростішими серед них є гідродинамічні кавітаційні апарати проточного типу з нерухомо закріпленими перешкодами. При обробці води у таких апаратах відбуваються процеси окиснення органічних сполук, що викликаються фізико-механічною і фізико-хімічною дією кавітаційного поля. Ефекти, що спричиняють цю дію, відомі. Виділимо деякі з них: 1) виникнення інтенсивних полів пульсуючих тисків (порядку 10³ - 10⁴ ат) та хвиль розрідження - стиснення при пульсаціях парогазових каверн та мікробульбашок; 2) утворення кумулятивних мікрострумин (діаметром близько 30-70 мкм при швидкості течії 100-200 м/с, тиск у зоні удару об тверду поверхню досягає до 2000 ат) в асиметричному полі тисків у кінцевій стадії руйнування парогазових бульбашок; 3) утворення в потоці турбулентних зон, заповнених завихреннями та мікробульбашками в період руйнування, що випромінюють акустичні хвилі широкого діапазону частот; 4) фазові переходи, що проходять на поверхні кавітаційних бульбашок та пульсація температури парогазового вмісту бульбашок у результаті їх руйнування (до 10^{3 0}К); 5) ініціювання хімічних реакцій.

Таким чином, кожна парогазова бульбашка та область навколо неї являють собою унікальний мікрореактор, в якому можуть проходити різні фізико-механічні процеси. Хімічні перетворення відбуваються за рахунок утворення активних атомів або груп атомів ( вільних радикалів ) шляхом розриву ковалентних чи іонних хімічних зв'язків під впливом високого тиску, градієнтів температури чи електричних полів. Найхарактернішими такими перетвореннями є: розкладання молекул води на радикали Н і ОН, утворення молекул Н₂О₂, О₃, Н₂, О₂. Молекули озону і пероксиду водню можуть утворюватися через проміжний радикал ( атом кисню О?), який утворюється у воді з молекул розчиненого кисню в місці руйнування кавітаційних бульбашок. Звідси випливає завдання цієї роботи, а саме - дослідження впливу фізико-хімічного фактору на процеси окислення органічних забруднень стоків у процесі їх кавітаційної обробки.

Враховуючи те, що швидкість окислення органічних речовин стоків залежить від концентрації генерованих реагентів-окислювачів і гідродинамічних характеристик кавітаційного поля, авторами в лабораторних умовах досліджувались: залежність відносного збільшення концентрації кисню у воді відносно початкової, наявність в дистильованій відстояній воді пероксиду водню і озону та залежність швидкості зменшення хімічного споживання кисню стоків від гідродинамічних умов.

Експериментальні результати щодо обробки водопровідної води у гідродинамічному триступеневому кавітаційному апараті, отримані в лабораторних умовах (рис.1-2), показують швидке досягнення рівноважної концентрації кисню у воді, наявність пероксиду водню і озону.

Швидке накопичення кисню ( рис. 1) можна пояснити тим, що у кінцевій стадії руйнування кавітаційної бульбашки збільшення тиску газу у її порожнині сприяє його інтенсивному розчиненні в рідині, і в об'ємі навколо бульбашки утворюється насичений газорідинний розчин, внаслідок чого відбувається її швидке насичення киснем. Значний вплив в цьому процесі відіграє також тепловий фактор. Так, при зростанні температури до 40С розчинність кисню у воді зменшується у 1,5 разу.

Після руйнування кавітаційної бульбашки в розчин переходять продукти радикального розкладання молекул води і рекомбінації радикалів, що приводить до накопичення у воді молекулярного кисню, пероксиду водню та озону (рис. 2). Отже, отримані результати підтверджують наявність хімічного фактору в процесах окислення органічних речовин стоків при накопиченні у воді молекулярного кисню. Причому окислення може відбуватися головним чином за рахунок радикалів ОН і НО₂, оскільки концентрації Н₂О₂ і О₃ є малими. Залишається дослідити вплив гідродинамічних умов на інтенсивність хімічних процесів окислення органічних речовин стоків. Можна зробити припущення, що їх швидкість залежить від гідродинаміки кавітаційної обтічності системи тіл обмеженим потоком, що змінюється шляхом заміни кількості перешкод, їх геометрії ступеня рухомості та інших параметрів (іншими словами конструктивних особливостей), які повинні вибиратися для кожної конкретної технологічної задачі і можуть бути пов'язані з підсиленням кавітаційного впливу, регулюванням інтенсивності кавітаційного поля, зниженням енергомісткості апарата.

В найбільш простих конструкціях кавітаційних апаратів використовуються суцільнометалеві перешкоди, що встановлюються в робочій камері нерухомо та розміщуються рядами по концентричним колам, що утворюють в камері просторову решітку. Недоліком цих пристроїв є неможливість регулювання протяжності кавітаційного поля. Режим пульсації тиску, швидкості потоку, а також можливі зміни параметрів самої рідини (газовміст) значно впливають на розміри каверн в робочій камері, внаслідок чого технологічний режим роботи обробки може відхилятися від оптимального.

В деяких апаратах кавітаційні каверни утворюються за рахунок співудару зустрічних потоків [5]. Рідина, що подається, струминами витікає назустріч основному потоку рідини, в результаті чого в потоці утворюються каверни. Подібні конструкції реакторів дозволяють розширити технологічні можливості кавітації, так, наприклад: зустрічне підведення хімічних реагентів в реактор поряд із виконанням функції каверноутворення дозволить отримати більший ефект окислення органічних сполук. Однак експлуатація цих апаратів відрізняється складністю процесу регулювання кавітації в робочій камері, пов'язаною з необхідністю використання додаткового регулювання режимних параметрів, а саме - тиску та витрати рідини, що подається колектором. Існує цілий ряд апаратів, основною особливістю яких є можливість регулювання інтенсивності кавітаційного поля за рахунок зміни тиску в каверні.

В деяких конструкціях перешкоди виготовляють у вигляді пустотілих циліндрів, що мають можливість повертатися. Це дозволяє краще регулювати ширину кавітаційного поля по перерізу робочої камери та його протяжність. У пристроях цього типу використовують також конструктивні елементи, що дозволяють інтенсифікувати процес кавітаційної обробки рідини за рахунок створення кавітації, в пристінних граничних шарах потоку внутрішньої поверхні робочої камери або за рахунок створення суцільного поля кавітації по всьому об'єму потоку при вході його в дифузор. При використанні вакуумних систем регулювання кавітації можливі випадки засмоктування рідини з основного потоку у вакуумну лінію, в результаті чого система може вийти з ладу або працювати в нестаціонарному режимі.

Регулювання режимів кавітаційного поля може також проводитися переміщенням перешкод вздовж робочої камери. Для ефективної роботи такої конструкції стержень з перешкодами встановлюється в тому перерізі робочої камери, параметри течії у якому забезпечували б отримання кавітації необхідної інтенсивності. Це дозволяє утворювати каверни по всьому об'єму робочої камери і суттєво підвищити ефективність роботи апарата.

Для регулювання розмірів кавітаційного поля в деяких апаратах використовують циліндричні пустотілі перешкоди із пружного матеріалу [6]. При їх деформації під дією динамічного тиску змінюється площа живого перерізу потоку та гідродинамічний опір обтічного тіла, що приводить до зміни розмірів каверни. Дані пристрої складні в розрахунку, суть якого зводиться до визначення надійної залежності між пружними властивостями матеріалу перешкоди та гідродинамічними характеристиками здеформованого тіла, що дозволяють отримати в робочій камері реактора каверни необхідних розмірів.

За каверноутворюючі тіла інколи використовують лопатеві механізми. В таких конструкціях перешкоди нерухомо встановлюються вздовж робочої камери реактора і оснащують системою регулювання кутів встановлення лопатей.

Існують методи підвищення енергії кавітаційного поля, що основані на поєднанні способів збудження кавітації та інтенсифікації кавітаційної дії на рідину за рахунок використання енергії вібрації корпуса установки. В цьому випадку використовується ефект резонансних коливань корпуса робочої камери від вібраційних складових пульсацій тиску в кавітаційному полі. Вібрація установки викликає пристінкові кавітаційні ефекти та сприяє підвищенню градієнта тиску в зоні кавітації. Основним недоліком таких апаратів є кавітаційна ерозія внутрішньої поверхні робочої камери та складність створення коливань.

Підвищення інтенсивності кавітації можна також досягнути встановленням декількох перешкод як у поздовжньому, так і в поперечному перерізі робочої камери таким чином, щоб руйнування бульбашок відбувалося всередині потоку. При цьому ерозійна дія кавітації може бути зведена до мінімуму. Найбільш доцільно використовувати таку систему перешкод, геометричні параметри якої гарантують утворення у всьому об'ємі робочої камери каверн необхідних розмірів. Обов'язковою умовою нормальної роботи такої системи є постійність значень тиску та швидкості потоку на вході в робочу камеру реактора.

Експериментальними дослідженнями багатьох авторів [7-9] підтверджується, що інтенсивність впливу кавітаційного поля на інтенсивність різних процесів є максимальною в умовах утворення в потоці коротких хвиль з відносною довжиною. У зв'язку з цим досліди з розробки стічної води молокозаводу в триступеневому кавітаційному апараті проточного типу для виявлення впливу гідродинамічних умов на швидкість окислення органічних забруднень виконувались у трьох режимах (, ,). Результати подані у таблиці 1.

Таблиця 1 - Залежність швидкості окислення органічних речовин стоків від відносної довжини каверни