Интенсификация процессов седиментации взвешенных веществ в сточных водах с использованием ультразвука тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.04, кандидат технических наук Козачук, Илья Николаевич

• Козачук, Илья Николаевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козачук, Илья Николаевич

Введение.

Глава I . Литературный обзор.

1.1. Сущность физико-химического действия ультразвуковых колебаний.

1.2. Свойства ультразвуковых колебаний.

Выводы по Главе.

Глава П. Способы получения ультразвуковых колебаний.

2.1. Акустический ультразвуковой реактор.

2.2. Гидродинамический ультразвуковой реактор.

2.3. Выбор метода получения ультразвуковых колебаний.

Выводы по Главе П.

Глава Ш. Теоретические основы осаждения сточных вод в режиме кавитации.

3.1. Анализ исходной хозбытовой сточной воды по фазово-дисперсному состоянию.

3.2. Моделирование процесса взаимодействия мицелл под действием ультразвуковой кавитации.

Выводы по Главе Ш

Глава IV. Экспериментальная проверка предложенной теории.

4.1 Описание процесса выпадения осадка при очистке сточных вод как многофазной системы.

4.2 Исследование влияния кавитации на процессы седиментации.

4.2.1 Экспериментальные исследования на магнитострикционном реакторе.

4.2.2. Экспериментальные исследования на гидродинамическом, реакторе.

4.37Анализ результатов экспериментальных исследований по влиянию кавитации на процессы седиментации хозяйственно бытовых сточных вод. 75 4.4 Влияние процесса кавитации на фйзико-химические элементы коллоидной системы:. 784.4.1 Изменения £ - потенциала под.воздействием, кавитации.

4.4.2 Кавитация коллоидной системы и динамическая вязкость среды. лл

Выводы по Главе IV.

Глава V. Анализ и синтез метода генетических алгоритмов коллоидных систем.

5.1 Обозначения и относительные параметры.

5.2 Функция выпадения осадка для однофазной ^^ системы.

5.2.1 Аналитическое задание функции.

5.2.2. Табличное задание функции.

5.3 Функция выпадения осадка для многофазной системы.

5.3.1 Функция выпадения осадка для отдельной фазы.

5.3.2 Функция взаимовлияния фаз.

5.4 Метод решения задачи.

5.5 Определение параметров многофазной системы ^ на основе экспериментальных измерений.

5.6 Применение метода генетических алгоритмов для определения параметров многофазной системы на 95 основе экспериментальных измерений.

5.7 Определение параметров многофазной системы на основе экспериментальных измерений с применение метода генетических алгоритмов.

Выводы по Главе V.

Глава VI. Комплексная технология биологической очистки сточных вод и её эколого-экономическая оценка. 6.1 Эколого-экономическая оценка предлагаемых технических решений.

6.1.1 Описание технологической схемы.

6.1.2. Экономическое сравнение двух вариантов.

Выводы по Главе VI.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация процессов седиментации взвешенных веществ в сточных водах с использованием ультразвука»

Применение ультразвуковых колебаний в технологиях обработки воды является частью научной проблемы использования в этой области народного хозяйства физических методов, которые включают кроме того магнитный, высокочастотный, рентгеновский, ультрафиолетовый. В настоящее время ультразвуковые колебания находят широкое применение в различных отраслях и производствах: в металлургии, в химической и пищевой промышленности, в машиностроении, в медицине. Это объясняется многообразием физико-химических изменений в веществе при наложении звуковых полей. Ультразвуковые колебания вызывают диспергирование и эмульгирование определенных веществ, способствуют коагуляции и дегазации, оказывают влияние на процессы кристаллизации и растворения, известно, что ультразвуковые колебания вызывают разнообразные химические превращения вещества, в числе которых можно назвать реакции окисления, восстановления, полимеризации и деполимеризации. Объяснение этих явлений исследователи находят в многообразном действии ультразвукового поля на вещество: эффект кавитации, ударные волны, микропотоки, акустический ветер. Становится все более очевидной эффективность использования ультразвуковых колебаний при решении целого ряда технических задач. Непрерывно совершенствуются схемы ультразвуковых генераторов, продвигаются работы по развитию . методов использования ультразвукового поля и по изысканию новых областей его применения. В этих условиях постановка вопроса о возможности применения ультразвуковых колебаний в водных технологиях является своевременной. Однако, теоретическая сторона мало изучена. Исследование механизма воздействия акустических полей на вещество осложняется тем, что в ультразвуковом поле одновременно возникают различные процессы: кавитация, ударные волны, микропотоки, люминесценция, которые могут оказывать взаимное влияние. Поэтому, возникает трудность описания экспериментальных результатов. Работ, относящихся к применению ультразвуковых колебаний для обработки воды, опубликовано немного. Ознакомление с ними приводит к выводу, что в настоящее время еще только делаются попытки в направлении теоретического обоснования использования физических методов, в частности ультразвуковых колебаний, в водных технологиях. Применение ультразвукового поля для интенсификации окислительно-восстановительных процессов в водной среде и осаждения грубодисперсных примесей расширяет область возможного использования этого физического метода.

Развитие промышленности и производств сопровождается увеличением количества сточных вод. В связи с этим уделяется большое внимание вопросам охраны водоемов от загрязнений, рациональному использованию водных ресурсов, улучшению санитарно-бытовых условий жизни населения. Важнейшими являются природоохранные мероприятия по совершенствованию водных производственных процессов, входящих в единый технологический комплекс. В условиях наращивания мощностей водоемких производств особенно важен вопрос интенсификации очистки сточных вод, обработки осадков и утилизации отходов, образующихся в процессе очистки. Поэтому, одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка и внедрение прогрессивных технологий с использованием физических методов. Это позволяет сократить водопотребление, исключить попадание нежелательных примесей в сточные воды и ускорить переход на повторно-оборотное водопользование.

В данной работе рассматриваются:

1. Анализ влияния ультразвуковых колебаний на осаждение взвешенных веществ при механической очистке бытовых сточных вод.

2. Механизм воздействия кавитации на состояния дисперсности водной среды бытовых сточных вод.

3. Математические предпосылки модели осаждения дисперсной фазы.

4. Расчет и вывод уравнения, связывающего продолжительность кавитационной обработки и изменения концентрации взвешенных веществ.

Заключение диссертации по теме «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов», Козачук, Илья Николаевич

YD. Общие выводы.

1. Установлено, что эффективность механической очистки хозяйственно бытовых сточных вод (седиментация взвешенных веществ) существенно повышается при ультразвуковом воздействии за счет режима развитой кавитации.

2. Предложена модель мицеллообразования с конструированием изменения сольватных оболочек в кавитационном режиме ультразвукового поля и установлено изменение вязкости и С, — потенциала исходной воды в кавитационном режиме.

3. Определена зависимость эффекта осаждения от времени воздействия кавитации.

4. Установлен обеззараживающий эффект кавитации в отношении Escherichia Coli.

5. Создана расчётная автоматизированная программа SEDIMENT GA, для вычисления неизвестных параметров системы с произвольным числом фаз в режиме кавитации, что позволяет прогнозировать процесс механической очистки сточных вод.

6. Экономическое сравнение вариантов показало, что эффективность разработанного метода, по сравнению с базовым вариантом, составляет 210 тысяч рублей при производительности о станции очистки воды 33000 (м /сут.) (расчёт произведён по тарифам 2002 года).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козачук, Илья Николаевич, 2009 год

1. Beute Н. Über den Einfluß Ultraschallwellen auf chemischen Prozesse. Zs. phys. Chem., 163 A, 3A 1933, S.161.

2. Паркер Р. Экспериментальные исследования процесса коагуляции под действием ультразвука. Сб. Аэрозоли. 4.1, М., 1937.

3. Под редакцией Мэзона Ю. Физическая акустика, ч.1, М., Мир, 1967, с.7-138.

4. Бергман JI. Применение ультразвука в промышленности. М., ИЛ, 1957, с.726

5. Перник А.Д. Проблемы кавитации. Л., Судостроение, 1966, с. 439.

6. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М., Издательство физико-математической литературы, 1963, с.420

7. Розенберг Л.Д., Применение ультразвука. М., АН СССР, 1957, с.106.

8. Бутягнн П.Ю. Кинетика и природа механохимических реакций. «Успехи химии» т.40, выпуск 11, 1971, с. 1935-1959.

9. Аллен А.О. Радиационная химия водных растворов. Сборник Химическое действие излучений большой энергии. М., ИЛ, 1949, с.78-96.

10. Ерёмин E.H. Элементы газовой электрохимии. М., МГУ, 1968, с. 212.

11. Полоцкий И.Г. Химическое действие кавитации. ЖОХ, т. 17, вып.6, 1947, с.1048-1053.

12. Полоцкий И.Г. Свечение воды при действии ультразвука. ЖОХ, т.8, вып.17, 1938, с. 1691-1695.

13. Эльпинер И.Е. Биофизика ультразвука. М., Наука, 1973, с.384.

14. Под ред. Розенберга Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука, т.1-3, М., Наука, 1967, с.70-166.

15. Голубничий П.И. и др. О свечении в некоторых жидких углеводородах при совместном действии ультразвука и электрического поля. Химия высоких энергий, т.З, №6, М., Наука, 1969, с. 515-522.

16. Сиротюк М.Г. Кавитационная прочность воды и распределение в ней зародышей кавитации. Акустический журнал, т. 1, выпуск 3, 1965, с.380-386.

17. Левшин В.Н., Ржевкин С.Н. К вопросу о механизме свечения жидкостей при воздействии ультразвука. Доклад АН СССР, т. 16, вып.8, 1937, с.407-412.

18. Соловьёва Л.Р. Химическое действие ультразвука. ЖТФ, т.6, вып.12, 1936, с.2059-2064.

19. Сокольская A.B., Эльпинер И.Е. О синтезе аммиака и цианистых соединений в поле ультразвуковых волн. Акустический журнал, т.З, 1957, с.293-294.

20. Schmid G. Zerreiben von Makromolekülen. — Phys. Zs., BDI 41, 1940, S. 325.

21. Фридман B.M. Ультразвуковая химическая аппаратура. M., Машиностроение, 1967, с.211.

22. Гершал Д-А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М., Энергия, 1976, с.320.

23. Эльпинер И.Е., Маргулис М.А., Сокольская A.B. Nature, выпуск 208, 1965, с. 945.

24. Кавалюнкайте В.Е. К вопросу о механизме роста монокристаллов в озвучиваемом растворе. Сб. Применение ультраакустики к исследованию вещества. Вып. 13, МОПИ, 1961, с.171-175.

25. Капустин А.П. Влияние ультразвука на кинетику кристаллизации. М., АН СССР, 1962, с,106.

26. Лопырев Н.К. О физических, безреагентных методах водоподготовки. Д., ДНТП, 1959, с. 19.

27. Зубрилов С.П. Ультразвуковая обработка воды и водных систем. Л., Транспорт, 1973, с,99

28. Рязанов А.И., Кудрявцев Б.Б. Зависимость деполяризующего действия ультразвука от рН раствора. В сб. Применение ультраакустики к исследованию вещества. Вып. 16, МОПИ, 1962, с.13-24.

29. Зубрилов С.П. Физико-химические аспекты ультразвуковой активации вяжущих растворов. Автореферат докторской диссертации. Я., 1975, с. 39.

30. Зубрилов С.П. Влияние кавитации на электрическую проводимость и водородный показатель, воды. Материалы 24 научно-технической конференции, Литва, 1970.

31. Полоцкий И.Г. Определение N02, N03, Н2О2 в воде, экспонированной в ультразвуковом поле. ЖОХ, т. 17, вып.9, 1947, с. 649

32. Зубрилов С.П. О возможных структурных изменениях, в воде под действием кавитации. Труды АФИ, выпуск 31, 1973, с. 206-210.

33. Фальковская JI.H. Водоснабжение и канализация. НТЖКХ, серия 1У, вып.З, М., 1964, с.47.

34. Рюмин В.П. Автореферат кандидатской диссертации. МХТИ им. Д.И.Менделеева. М.,1964.

35. Дорош Т.П. и др. Исследование возможности коагуляции высокозольных угольных суспензий полимерами и ультразвуком. В сборнике Обогащение полезных ископаемых. Вып.8, Киев, Техника, 1971, с. 88.

36. Бреховских JI.M. и др. Физические основы промышленного применения ультразвука. В кн. Применение ультразвука в промышленности. М., Машгиз, 1959, с.5-33.

37. Юрьева Л.В. и др. Влияние ультразвука на кинетическую устойчивость взвесей. Труды уральского лесотехнического института. Выпуск 31, 1973, с. 123-128.

38. Завьялов В.Е., Петрушкин В.Д. Коагуляция безреагентный метод интенсификации процессов разделения тонкодисперсных систем при очистке сточных вод. Труды ВНИИ ВОДГЕО. Вып.40, ч. 1, М., 1972 - 73, с. I4I-I44.

39. Фридман В.М. Звуковые и ультразвуковые колебания и их применение в легкой промышленности. М., Гизлегпром, 1957, с. 284.

40. Мальцев H.H. Исследование осаждения угольного шлама из оборотных вод углеобогатительных фабрик с помощью ультразвука. Сборник Применение ультраакустики к исследованию вещества. Выпуск 10, МОПИ, i960, с. 109-120.

41. Beute Н. и. а. Wassereinigung durch Ultraschallwell. — Akust Zs., H. 4. 1939, S. 209-214.

42. Круглицкий H.H. и др. Регулирование процессов коагулированного структурообразования в ВОДНЫХ дисперсиях глины ультразвуковыми колебаниями. Укр.хим. ж., т,30, вып.12, 1964, с.1283

43. Кульский JI.A. и др. В книге Физико-химическая механика и лиофильность дисперсных систем. Киев, Наукова думка, 1968

44. Носов В.А. Ультразвук в химической промышленности. Киев, Гостехиздат, УССР, 1963, с.244.

45. Соболева H.H. и др. Влияние ультразвукового поля на процессы коагуляции и осаждения в жидкой фазе. Научные записки ОПИ, т. 16, 1959, с.9-19.

46. Агранат Б.А. и др. Интенсификация процесса флотации осадка с помощью ультразвука, 4-я Всесоюзная научно-техническая конференция по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов. МИСИС, М., 1979, с.37-38.

47. Кортнев A.B., Протопопов Р.В. Физические основы воздействия ультразвука на процесс кристаллизации из перенасыщенных растворов. В сборнике Новые физические методы обработки пищевых продуктов. Киев, Гостехиздат, 1965, с. 267274.

48. Новожилов Ю.Л. Борьба с накипью с помощью ультразвука. Техническая информация ЦБТИ, Пермь, 1962.

49. Новожилов Ю.Л. Влияние ультразвука на свойства водопроводной воды. ЖПХ, АН СССР, т.37, выпуск 3, 1964, с. 679-682.

50. Шевалдышев Л.Г. Безреагентная обработка питательной и котловой воды.- Сб. 3, ЛДНТП, 1962, с. 80.

51. Даннлов В.И. и др. О зарождении центров кристаллизации в переохлажденной жидкости,- ЖЭТФ, т. 10, выпуск 11, 1940, с. 1305-13Ю.

52. Рой H.A. Возникновение и протекание ультразвуковой кавитации. Акустический журнал, т.З, вып.1, 1957, с.3-18.

53. Соколов И.Т. Влияние ультразвука на переохлажденную воду. КТФ, т.8, выпуск 10, 1938, с.901-902.

54. Под редакцией Аграната Б.А. Ультразвуковая технология. М., Металлургия, 1974, с.504.

55. Эскин Г.И. Ультразвук шагнул в металлургию. М., Металлургия, 1975, с. 192.

56. Под редакцией Маркова А.И. Применение ультразвука в промышленности. М., Машиностроение, 1975, с. 239.

57. Большая Советская Энциклопедия — т.26. М., Советская энциклопедия, 1977, с.609-615.

58. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. М., Изд. физмат литературы, 1962, с. 388.

59. Демидович Б.П. и др. Численные методы анализа. М., Наука, 1967, с. 368.

60. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., Наука, 1969, с. 175-369.

61. Московенко И.Б. Электризация взвесей коллоидных частиц в ультразвуковом поле. Акустический журнал, т.8, вып.4, М., АН СССР, 1962, с. 479-480.

62. Уемов А.И. Вещи, свойства и отношения.

63. Викулин П.Д. Физико-химические проявления акустического поля в технологиях кондиционирования воды. Монография, Мое. Гос. Строит. Универ. Москва, 2004. 251 с

64. Boulos P.F., Wu Z.Y., Orr C.H., Moore M., Hsiuing P., and Thomas D. (2001). "Optimal operation of water distribution systems using genetic algorithms." Proceedings of the AWWA Distribution System Symposium, September 23-26, San Diego, CA.

65. Goldberg D. (1989). Genetic algorithms in search optimization and machine learning. Addison-Wesley Publ. Co., Inc., Reading, MA.

66. Harrell L.J., and Ranjithan S.R. (1997). "Generating efficient watershed management strategies using a genetic algorithm-based method." Proceedings of the 24th Annual Water Resources Planning and Management Conference, ASCE, Houston, TX.

67. Holland J.H. (1975). Adaptation in natural and artificial systems. University of Michigan Press, Ann Arbor, MI.

68. Mahdi Moradi-Jalal, Sergey I. Rodin and Miguel A. Marino (2004). "Use of Genetic Algorithm in Optimization of Irrigation Pumping Stations." J. Irrig. and Drain. Engrg., ASCE, Volume 130, Issue 5, pp. 357-365 (September/October 2004)

69. Reis L.F.R., Porto R.M. and Chaudhry F.H. (1997). "Optimal location of control valves in pipe networks by genetic algorithm." J. Wat. Resour. Plang. and Mgmt., ASCE, 123(6), 317320.

70. Savic D.A. and Walters G.A. (1997). "Genetic algorithms for least-cost design of water distribution networks." J. Wat. Resour. Ping, and Mgmt., ASCE, 123(2), 67-77.

71. Simpson A.R., Murphy L.J. and Dandy G.C. (1994). "Genetic Algorithms compared to other techniques for pipeoptimization." J. Wat. Resour. Ping and Mgmt., ASCE, 120 (4), 423438.

72. Балацкий О.Ф., Мельник Л.Г., Яковлев А.Ф.

73. Экономика и качество окружающей природной среды. — Л.: Гидрометиздат,1984,-190с.