Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
10.07.2015

Оценка эффективности коагуляционной очистки сточной воды от промывки целлюлозы

Седова Елена Леонидовна
Студентка кафедры химических технологий Северного (Арктического) Федерального университета им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Повжик Богдан Сергеевич
студент кафедры химии и химических технологий Северного (Арктического) федерального университета имени М.В.Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Воронцов Константин Борисович
к.т.н, доцент кафедры химических технологий, Северного (Арктического) Федерального университета им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Российская федерация
Аннотация: В статье приведены результаты экспериментальных исследований по коагуляционной очистке воды от промывки целлюлозы. Исследовано влияние рН, дозировки коагулянта и продолжительности обработки на эффективность очистки. Установлено, что наиболее сильное влияние на эффективность очистки оказывают дозировка коагулянта и рН.
Ключевые слова: вода от промывки целлюлозы, коагуляция, коагулянт, целлюлозно-бумажная промышленность
Электронная версия
Скачать (754.2 Kb)

Актуальной задачей современности является защита окружающей среды от выбросов промышленных предприятий. В частности, в целлюлозно-бумажной промышленности серьезной проблемой следует считать загрязнение природных водоемов стоками, содержащими значительные количества высокомолекулярных и биорезистентных соединений. К таким соединениям относятся лигнинные вещества, которые практически не разрушаются в процессе биологической очистки, традиционно применяемой на большинстве предприятий отрасли. В сток предприятия лигнин попадает на стадиях промывки и отбелки целлюлозы.

Обработка коагулянтами – наиболее перспективный, эффективный и распространенный метод очистки воды от грубодисперсных и коллоидных загрязнений. Коагуляция относительно широко применяется для очистки производственных сточных вод от высокомолекулярных соединений.

Таким образом, значительный интерес представляет разработка систем и режимов очистки сточных вод целлюлозно – бумажного производства от лигнинных веществ.

Объектом исследований в данной работе служила вода от промывки целлюлозы, отобранная на ОАО «Архангельский ЦБК» и имевшая следующие характеристики: ХПК – 420 мг О2/л, цветность – 750 оПКШ, рН – 8,6, содержание взвешенных веществ – 0,050 г/л. В качестве реагентов использовали коагулянт – сульфат алюминия и низкокатионный полиакриламидный флокулянт.

Исследования проводили методом планированного эксперимента, который является весьма информативным и может быть эффективно применен по отношению к процессам коагуляционной очистки стоков [1].

В данной работе использовали ротатабельный центральный композиционный план второго порядка для трех факторов. В качестве факторов были выбраны следующие: pH, дозировка коагулянта - Д (в расчете на Al2O3) и продолжительность обработки коагулянтом, τ. Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 1. Выходными параметрами были выбраны: эффективность очистки по химическому потреблению кислорода (ХПК), эффективность очистки по цветности и остаточное содержание взвешенных веществ в осветленной воде.

Пробы сточной воды обрабатывали раствором коагулянта, исходя из заданных дозировок, затем раствором флокулянта (дозировка 0,1 мг/л). Затем воду отстаивали в течение 0,5 часа, в осветленной воде определяли остаточное содержание взвешенных веществ (ВВ, г/л), цветность (в градусах платиново-кобальтовой шкалы, оПКШ) и ХПК (мг О2/л). По результатам анализов рассчитывали эффективность очистки по ХПК (ЭХПК) и цветности (ЭЦВ), выражаемые в процентах.

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы

Уровни факторов

Шаг

-1

0

1

α

рН (х1)

4,5

5,0

5,8

6,5

7,0

0,7

Д, мг Al2O3/л (х2)

20,0

30,1

45,0

59,9

70,0

14,9

τ, мин (х3)

1,0

1,6

2,5

3,4

4,0

0,9

Полученные экспериментальные данные использовали для расчета коэффициентов уравнений регрессии и разработки статистических моделей, связывающих значения выходных параметров с условиями их получения.

Уравнения регрессии для выходных параметров:

1) Эффективность очистки по ХПК

1.png

2) Эффективность очистки по цветности 

2.png

3) Остаточное содержание взвешенных веществ

3.png

Все вышеприведенные уравнения и модели адекватны: расчетный критерий Фишера оказался меньше табличных значений.

По уравнениям, описывающим математические модели, строили поверхности отклика, которые наглядно демонстрируют влияние режимных параметров на выходные характеристики и представлены на рисунках 1-3.

Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Матрица планирования и результаты экспериментов

опыта

Параметры очистки

Выходные параметры

pH

Д, мг/л

τ, мин

Эхпк, %

Эцв, %

ВВ, г/л

1

5

30

1,6

3,8

88,0

0,076

2

6,5

30

1,6

38,3

84,0

0,074

3

5

60

1,6

7,5

89,9

0,106

4

6,5

60

1,6

42,0

85,6

0,098

5

5

30

3,4

26,3

84,9

0,156

6

6,5

30

3,4

42,0

83,6

0,040

7

5

60

3,4

11,4

90,1

0,062

8

6,5

60

3,4

64,7

85,2

0,052

9

4,5

45

2,5

6,8

84,8

0,072

10

7

45

2,5

61,0

80,5

0,018

11

5,8

20

2,5

45,4

85,9

0,024

12

5,8

70

2,5

57,3

86,1

0,108

13

5,8

45

1,0

42,0

89,7

0,034

14

5,8

45

4,0

49,3

70,3

0,012

15

5,8

45

2,5

27,8

81,7

0,046

16

5,8

45

2,5

11,5

90, 7

0,024

17

5,8

45

2,5

23,0

90,0

0,012

18

5,8

45

2,5

25,3

89,2

0,022

19

5,8

45

2,5

7,6

88,7

0,032

20

5,8

45

2,5

12,1

77,5

0,020


Увеличение дозировки сульфата алюминия приводит к росту эффективности очистки по ХПК, при этом наиболее существенно данный фактор влияет при продолжительности процесса свыше 2 минут (рисунок 1).

Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по ХПК

Рис.1. Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по ХПК:
а – при постоянной продолжительности, б- при постоянной дозировке коагулянта, в – при постоянном рН

На основании представленных на рисунке 1 данных также возможно установить оптимальный интервал, в котором необходимо поддерживать значение рН процесса коагуляционной очистки и который составил 5,5…6,0. С увеличением продолжительности обработки коагулянтом наблюдается рост эффективности очистки по ХПК при дозировках более 50 мг/л и в указанном выше интервале рН. Максимальное достигнутое значение степени очистки по ХПК в условиях данного эксперимента составило 65 %, для чего требуется создание следующих условий: рН – 5,5…6,0, дозировка коагулянта - 60 мг/л, продолжительность обработки коагулянтом – свыше 2,5 минут.

Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по цветности

Рис. 2. Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по цветности:
а – при постоянной продолжительности, б - при постоянной дозировке коагулянта, в – при постоянном рН

Эффективность очистки по цветности в меньшей степени, чем степень очистки по ХПК, зависит от исследованных факторов. Наибольше значения данного параметра также наблюдали в интервале рН 5,5…6,0. С ростом дозировки эффективность очистки увеличивается. С увеличением продолжительности процесса степень очистки вначале (до 2 минут) возрастает, а затем (после 3 минут обработки) происходит некоторое снижение, что может быть связано с разрушением образовавшихся ранее частиц осадка и появлением повышенного содержания мелкой взвеси. В ходе экспериментов достигнута эффективность очистки по цветности 85 % при следующих уровнях факторов: рН – 5,5…6,0, дозировка коагулянта – 65…70 мг/л, продолжительность обработки – 2…3 минуты.

Влияние факторов эксперимента на величину содержания взвешенных веществ в осветленной воде

Рис. 3. Влияние факторов эксперимента на величину содержания взвешенных веществ в осветленной воде:
а – при постоянной продолжительности, б – при постоянной дозировке коагулянта, в – при постоянном рН

Содержание взвешенных веществ в осветленной воде является параметром характеризующим эффективность процесса очистки с точки зрения формирования седиментационных свойств осадка и укрупнения его частиц в ходе коагуляции и дальнейшего уплотнения осадка под действием силы тяжести. Увеличение дозировки сульфата алюминия способствует более качественному формированию частиц осадка и, соответственно, снижению содержания ВВ. Наименьшие значения исследуемого параметра наблюдаются в интервале рН 5,5…6,0 при дозировках коагулянта свыше 50 мг/л. Фактором, оказывающим весьма заметное влияние на остаточное содержание взвешенных веществ, является продолжительность обработки коагулянтом. При этом, при продолжительности обработки менее 3 минут, с ростом дозировки коагулянта происходит и увеличение ВВ; это объясняется тем, что при больших дозах реагента образуется большее количество твердой фазы – осадка, и продолжительность процесса оказывается недостаточной для формирования приемлемых седиментационных свойств. При низких дозах коагулянта образуется относительно небольшое количество осадка и зависимость становится менее выраженной. В ходе исследований были получены значения содержания ВВ в осветленной воде 0,020 г/л и ниже при условиях обработки: рН – 5,5…6,0, дозировка коагулянта - 60…70 мг/л, продолжительность контакта с коагулянтом – 3 минуты и более.

На основании анализа представленных экспериментальных зависимостей выходных параметров от факторов процесса коагуляционной очистки можно сделать следующий вывод: вода от промывки целлюлозы может быть очищена с использованием методов коагуляции. Для достижения наилучших параметров очистки сточной воды необходимо создать следующие условия: рН - 5,5…6,0, дозировка сульфата алюминия - 60…70 мг/л, продолжительность обработки коагулянтом - 3 минуты. При этом достигается эффективность очистки 65 % и 85 % по ХПК и цветности, соответственно, и содержание взвешенных веществ в осветленной воде не превышает 0,020 г/л.

Список литературы:

1. Birjandi N., Younesi H., Bahramifar N. Treatment of wastewater effluents from paper-recycling plants by coagulation process and optimization of treatment conditions with response surface methodology // Applied Water Science 2014:231 / DOI: 10.1007/s13201-014-0231-5.