Содержание к диссертации
Введение
Глава I Литературный обзор.
1.1. Сущность физико-химического действия ультразвуковых колебаний 7
1.2. Свойства ультразвуковых колебаний 20
Глава II. Способы получения ультразвуковых колебаний .
2.1. Акустический ультразвуковой реактор 29
2.2. Гидродинамический ультразвуковой реактор 30
2.3. Выбор метода получения ультразвуковых колебаний 32
Глава III. Теоретические основы осаждения сточных вод в режиме кавитации .
3.1. Анализ исходной хозбытовой сточной воды по фазово-дисперсному состоянию 37
3.2. Моделирование процесса взаимодействия мицелл под действием ультразвуковой кавитации 45
Глава IV. Экспериментальная проверка предложенной теории .
4.1 Описание процесса выпадения осадка при очистке сточных вод как многофазной системы 50
4.2 Исследование влияния кавитации на процессы седиментации
4.2.1 Экспериментальные исследования на магнитострикционном реакторе 60
4.2.2. Экспериментальные исследования на гидродинамическом, реакторе 68
4.3"Анализ результатов экспериментальных исследований по влиянию кавитации на процессы седиментации хозяйственно бытовых сточных вод... 75
4.4 Влияние процесса кавитации на физико-химические элементы коллоидной системы: 78
4.4.1 Изменения - потенциала под.воздействием. кавитации 79
4.4.2 Кавитация коллоидной системы и динамическая вязкость среды
Глава V. Анализ и синтез метода генетических алгоритмов коллоидных систем .
5.1 Обозначения и относительные параметры 84
5.2 Функция выпадения осадка для однофазной системы
5.2.1 Аналитическое задание функции 85
5.2.2. Табличное задание функции 86
5.3 Функция выпадения осадка для многофазной системы 87
5.3.1 Функция выпадения осадка для отдельной фазы 87
5.3.2 Функция взаимовлияния фаз 88
5.4 Метод решения задачи 89
5.5 Определение параметров многофазной системы qn на основе экспериментальных измерений
5.6 Применение метода генетических алгоритмов для определения параметров многофазной системы на основе экспериментальных измерений 95
5.7 Определение параметров многофазной системы на основе экспериментальных измерений с применение метода генетических алгоритмов 100
Глава VI. Комплексная технология биологической очистки сточных вод и её эколого-экономическая оценка .
6.1 Эколого-экономическая оценка предлагаемых технических решений 108
6.1.1 Описание технологической схемы 110
6.1.2. Экономическое сравнение двух вариантов 111
Приложения
- Свойства ультразвуковых колебаний
- Гидродинамический ультразвуковой реактор
- Моделирование процесса взаимодействия мицелл под действием ультразвуковой кавитации
- Исследование влияния кавитации на процессы седиментации
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в технологиях очистки хозяйственно-бытовых сточных вод распространение находят физические методы интенсификации процессов очистки воды. Использование ультразвуковых колебаний является частью этой научной проблемы.
Применение ультразвука обусловлено его специфическими действиями на жидкостную среду в кавитапионном режиме. Совершенствование методов расчёта, способов генерации колебаний и расширение области использования ультразвука привело к применению этого способа интенсификации процессов в различных отраслях производств: в металлургии - для улучшения качества металла; в химических технологиях - для повышения скорости химических реакций: в рудообогащении - для получения концентрированных взвесей; в медицине - для обеззараживания.
Многие вопросы, связанные с воздействием ультразвука на вещество до сих пор остаются нерешёнными, хотя многочисленные теоретические и экспериментальные исследования подтверждают возможность использования ультразвуковых колебаний для интенсификации целого ряда процессов. Это объясняется тем, что в ультразвуковом поле возникает, одновременно, целый ряд физических явлений - кавитация, ударные волны, микропотоки, люминесценция и т.п. В свою очередь, выше перечисленные явления могут вызывать, в водном растворе, реакции окисления и восстановления, ускорять кристаллизацию вещества и осаждение взвешенных частиц, изменять заряд потенциалообразующих ионов.
Применение ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов осаждения взвешенных веществ в хозяйственнобытовых сточных водах расширяет область возможного использования физического метода -ультразвука, позволяет повысить эффект осаждения и, собственно, снизить капитальные и эксплуатационные затраты при строительстве очистных сооружений.
Таким образом, проведение исследований по влиянию ультразвука на процесс осаждения взвешенных веществ в хозяйственнобытовых сточных водах и создание, на основании, полученных теоретических и экспериментальных разработок принципа расчёта, учитывающего воздействие ультразвука, является актуальной задачей.
Цели и задачи работы.
Цель диссертации состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований по определению воздействия ультразвуковых колебаний на процесс осаждения взвешенных веществ на стадии механической очистки хозяйственнобытовых сточных вод.
Задачи работы:
теоретические исследования по воздействию ультразвукового поля на осаждение взвешенных веществ в водной среде;
научные исследования качества исходной сточной воды по фазодисперсному состоянию;
экспериментальные исследования воздействия кавитации с магнитострикционным излучателем на процесс осаждения;
экспериментальные исследования воздействия кавитации с использованием гидродинамического реактора на процесс осаждения;
разработка модели процесса осаждения в ультразвуковом поле;
математическая обработка экспериментальных данных и получения зависимости эффекта осаждения от времени обработки ультразвуком;
составление программы для ЭВМ при расчёте и применении данного метода очистки сточных вод.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- получено новое уравнение, выражающее зависимость снижения
концентрации взвешенных веществ от продолжительности ультразвуковой
обработки;
предложен механизм процесса осаждение, под воздействием ультразвукового поля;
- разработаны модели мицелл в зависимости от исходных составляющих
растворённых и нерастворённых примесей в бытовых сточных водах и
рассмотрен механизм взаимодействия мицелл загрязнений сточной воды в
ультразвуковом поле.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
по результатам исследований разработаны методические рекомендации по применению ультразвуковых колебаний для осаждения взвешенных веществ в бытовых сточных водах;
в применении гидродинамического реактора на стадии механической очистки бытовых сточных вод, что увеличивает эффект очистки воды в 2,5 раза;
доказана целесообразность введения в схему механической очистки бытовых сточных вод гидродинамического реактора. Расчетный годовой экономический эффект городских очистных сооружений расходом 33000(мЗ/сут.) (расчёт произведён по тарифам 2002 года) составит 0,21 млн. рублей.
Внедрение результатов работы.
На основании результатов исследований выданы рекомендации на проектирование локальных очистных сооружений на предприятии входящего в состав ОАО «Моспромстрой».
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается большим объемом и длительностью экспериментальных исследований на лабораторных и пилотных установках с реальными водами Курьяновских Очистных Сооружений, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, применением стандартных методов измерения и точного измерительного оборудования.
Апробация работы.
Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены автором на Курьяновских Очистных Сооружениях.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 6 (шесть) печатных работ, в том числе 1 (одна) статья из них в журнале, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 75 наименований. Общий объем диссертационной работы: 136 страниц машинописного текста, 29 таблиц, 47 рисунков, 4 приложения.
Свойства ультразвуковых колебаний
По своей физической природе ультразвук представляет собой упругие волны и в этом не отличается от звука. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна и соответствует усредненной верхней границе слышимого звука 15 кГц. Однако, благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн, имеет место ряд особенностей распространения ультразвуковых колебаний. Звук, как физическое явление, т.е. как волнообразное распространение колебаний частиц упругой среды, характеризуется величинами: звуковым давлением, плотностью звуковой энергии, потоком звуковой энергии, уровнем интенсивности (силы) звука. Жидкости и газы в статическом состоянии не обладают сдвиговой вязкостью и не способны выдерживать и передавать какие-либо касательные напряжения. Поэтому, в жидкостях и газах распространяются лишь продольные волны, в которых направление касательных движений частиц совпадает с направлением распространения волн. Скорость распространения зависит от плотности среды р и адиабатического коэффициента сжимаемости (Зс и вычисляется по формуле: где А - амплитуда смещения (м; см и т.д.); со- циклическая частота (с"1); t - время (с). При распространении акустических колебаний в среде, последние создают дополнительное давление - звуковое давление. Звуковое давление - величина переменная, меняющаяся периодически. В данной точке среда в течение периода давление Р меняется от максимального до нуля и затем снова возрастает до максимального значения, т.е. где Р0 - максимальное звуковое давление (амплитуда давления), определяемое по формуле где со - циклическая частота (с"1); с - скорость звука (м/с, см/с); р - плотность среды (кг/м ; г/см ); А - амплитуда колебаний частиц среды (м; см и т.д.). Частицы упругой среды, в которой распространяются ультразвуковые волны, совершают колебательные движения и поэтому обладают кинетической и потенциальной энергией. Количество энергии, переносимое звуковыми колебаниями за 1с через площадь в 1см2, перпендикулярную к направлению их распространения, определяет силу или интенсивность звука. Интенсивность определяют по формуле: где Е - плотность энергии, определяемая формулой W - энергия, заключенная в объеме V - звукового поля. Плотность звуковой энергии в каждой точке меняется со временем. Среднее значение плотности энергии в данной точке определяется по формуле Интенсивность выражается по системе СИ в вт/см . При распространении ультразвука в среде, часть его энергии поглощается при нагреве среды. Поглощение акустической энергии обусловлено частотой звука, вязкостью, теплопроводностью и волновым сопротивлением среды, т.е. произведением плотности среды р и скорости звука. Связь между развиваемым в среде звуковым давлением и волновым
Гидродинамический ультразвуковой реактор
Известно, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикцией. В 1880 г. французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что, если деформировать пластинку кварца, на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды, и наоборот, если к пластинке кварца приложить электрическое напряжение, то она изменит свои размеры. Это явление назвали пьезоэлектрическим. Магнитострикционный эффект так же, как и пьезоэлектрический, может быть прямым и обратным (рис. 2.1). зо 2.2. Гидродинамический реактор. В 10—30-е годы нашего столетия появились первые ультразвуковые преобразователи в виде излучателей, свистков и сирен. Все они относятся к механическим излучателям и применяются для создания ультразвуковых колебаний в жидких и газообразных средах. В последнее время для получения акустических колебаний стали использоваться роторные преобразователи (рис. 2.3), состоящие из ротора и статора, каждый из которых содержит один или несколько коаксиально расположенных цилиндров с прорезями (щелями) или отверстиями. Каждый из них на боковых поверхностях снабжён системой прорезей или отверстий. Работа их подобна работе сирен и сводится к периодическому прерыванию струи жидкости, что достигается чередованием прорезей статора и ротора при вращении последнего и приводит к возникновению в рабочей среде пульсаций давления. Частота роторных гидродинамических излучателей определяется количеством прорезей и числом оборотов ротора. При вращении ротора происходит быстрое чередование совмещения и не совмещения прорезей (щелей) или отверстий ротора и статора, вследствие чего в обрабатываемой жидкости возникают пульсации давления, сопровождающиеся кавитацией [22]. Гидродинамические машины способны излучать акустические колебания в широком частотном диапазоне: от 0,3 до 35 кГц с максимальной интенсивностью 1,5—2,5 Вт/см". Общими преимуществами гидродинамических излучателей являются дешевизна получаемой акустической энергии, простота конструкций и их эксплуатации, а также тот факт, что струя жидкости является в них, с одной стороны, генератором колебаний, с другой — объектом озвучивания. Роторные гидродинамические излучатели существенно сложнее других излучателей в конструктивном отношении (необходимость обеспечения высокой соосности ротора и статора, наличие вращающихся элементов и т. д.). Они имеют наибольшую по сравнению с другими производительность. Таким образом, для получения явления кавитации в таких условиях необходимо увеличение подводимой звуковой мощности. Частотные диапазоны различных применений ультразвука приводятся в таблице 2.2 [24].
Моделирование процесса взаимодействия мицелл под действием ультразвуковой кавитации
Согласно адсорбционной теории, потеря устойчивости и переход в нестабильную систему связана с изменением заряда частиц. В результате воздействия ультразвука происходит сжатие двойного электрического слоя. То есть, приводит к снижению С, -потенциала до критического, при котором устойчивость мицеллы становится невозможной. Дисперсные частицы в малых концентрациях, когда вода под их действием не превращается в структурную жидкость, находятся в броуновском движении. В этом случае гравитационное поле недостаточно для осаждения этих частиц. Как правило, вес взвешенной в воде частицы пропорционален кубу, а лобовое сопротивление, возникающее при её осаждении, квадрату характерного размера частицы. Для осаждения дисперсной частицы под действием силы тяжести необходимо добиться, объединения как можно большего числа частиц малого размера. Предположим, что частицы, объединяясь, имеют шарообразную форму радиусом г. Если количество всех объединённых частиц обозначим через N, то объём 7гаЛ " представляет тот активный объём, в котором все частицы осядут в виде хлопьев. Количество всех осевших частиц - п2, а Пі — количество частиц, содержащихся в единице объёма первоначально. Тогда количество осевших частиц будут относится к суммарному содержанию частиц в единице объёма, как Увеличение осевших частиц может быть осуществлено следующим образом: 1. За счёт увеличения N, то есть количества объединённых частиц с использованием ультразвука; 2. Путём изменения радиуса действия ионов, то есть за счёт увеличения заряда дисперсных частиц, воздействуя на массу исходной воды ультразвуковыми колебаниями в режиме кавитации (см. главу 1). Часть механической энергии, подведённой к массе воды, затрачивается на состояние мицеллы, то есть на изменение диффузионного слоя. Известно, что максимальный объём шаров занимает 74% в единице объёма исследуемой жидкости. Пусть Е - заряд частицы, е - заряд объединённой частицы, тогда где, г - расстояние от центра одной частицы до центра объединённой. При каком-то определённом расстоянии г0 и заряде е0, сила взаимодействия станет настолько незначительной, что процесс сближения прекратится. Если заряд объединённой частицы е, то условие, при котором произойдёт увеличение радиуса Г = Г0 F (3.2) За время t обработки воды заряд увеличится на величину Де t, при этом радиус действия станет lg г = r0 /1+ — -с. (3.3) Активная часть единицы объёма воды под влиянием кавитации должна стать 4m =-l[l+-)-. (3.4) Примем G - концентрация взвешенных частиц в единице объёма, мг/л; AG - концентрация выпавших частиц, мг/л. Тогда п- AG — =—; (3.5) 111 з AG / Ae \ї — =Ki-(l+-)i (3.6) где Ki - коэффициент пропорциональности Вне зависимости от того, каким способом будет или нет, осуществляться обработка воды, осаждение частиц от гравитационного поля воздействия не может быть более 74% объёма единицы исходной жидкости. Эффект применения ультразвуковых колебаний для интенсификации процесса седиментации сводится к увеличению процента выпавших в осадок взвешенных частиц, в нашем случае AG. Механизм воздействия кавитации показан на рис. 3.5, 3.6, Рис. 3.5 Модель взаимодействия ионных сфер при кавитации (1 стадия) Рис. 3.6 Модель взаимодействия ионных сфер при кавитации (2 стадия) Рис. 3.7 Модель взаимодействия ионных сфер при кавитации (3 стадия) Выводы по Главе Ш. Основываясь на общепринятых положениях, изложенных в Главе ПТ можно сформулировать задачи экспериментальных исследований. 1. Установить дисперсность исследуемой сточной воды. 2. Проверить экспериментальным путём предлагаемую расчётную схему седиментации взвешенных веществ в процессе механической очистки. 3. Подтвердить экспериментально, что предложенным методом осаждения, возможно, удалить объём частиц до 74%. 4. Установить экспериментальным путём повышение эффективности седиментации предложенным методом. 5. Построить график распределения дисперсных фаз для исходной воды, и для обработанной ультразвуком.
Исследование влияния кавитации на процессы седиментации
Анализ литературных источников позволил предположить, что при осаждении загрязнений под действием кавитации происходит изменение электрокинетического потенциала коллоидной системы. Проверка этой гипотезы была осуществлена с помощью цитоферометра - микроскопа для измерения электрофоретической подвижности частиц. Основой цитоферометра является прибор Кёна. Схема и методика проведения экспериментов содержится в Приложении 2. Исходная вода, поступающая на Курьяновские Очистные Сооружения, обрабатывалась воздействием кавитации на экспериментально лабораторной установке приведённой на рис. 2.4. Продолжительность кавитационного воздействия осуществлялась в следующей последовательности: 10 секунд, 30 секунд, 1 минута, 5 минут. Затем проба отбиралась, и определялся электрокинетический потенциал по методике, приспособленной к данному прибору. Проводилось считывание количества частиц с помощью цитоферометра. В таблице 4.15 представлены полученные результаты. Удельное сопротивление пробы составило 4986 ом-см, как видно из таблицы 4.12 происходит изменение значение потенциала от -24,25 до + 30,00. Известно, что наибольший эффект осаждения наблюдается при С, - потенциале близком 0. И так очевидно, что происходит изменение С, - потенциала коллоидной системы под воздействием кавитации, по сравнению с исходной (необработанной). Например, при осаждении в гравитационном поле (t=0) Спот --13,567 мв, а при воздействии кавитации 10 секунд Спот — 0. С увеличением продолжительности воздействия кавитации на объект происходит сначала переход на положительные значения Спот- +30 мв, а затем опять переходит на отрицательные. Так, при (Ч=5минут) Спот =-24,25 мв, На рисунке 4.13, показано изменение дзета потенциала под влиянием кавитации. Как видно из графика на рис. 4.13 кривая дзета потенциала пересекает ось х, т.е. стремится к нулю в двух временных точка, а именно, 10 секунд и 43 секунды, что подтверждает предположение влиянии кавитации на дзета потенциал. И в этот период осуществляется наибольший эффект осаждения, который наблюдается при - потенциале — 0. Одновременно с экспериментами по изменению 5 потенциала проводились исследования по влиянию кавитации на динамическую вязкость коллоидной системы. Эксперименты по определению влияния кавитации на динамическую вязкость коллоидной системы аналогичны определению влияния на дзета потенциал. Вязкость исходной и обработанной воды определялась с помощью прибора -вискозиметра, время обработки и объёмы проб соответствовали предыдущим исследованиям. Известно, что динамическая вязкость воды при 0С равна 0,0013 н-с/м2, при выполнении исследований в реальных условиях получены результаты, которые помещены в таблицу 4.16. Таблица 4.16 Определение влияния процесса кавитации на изменение динамической вязкости коллоидной системы.
