Ученые Томского политехнического университета и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН провели экспериментальные исследования и определили характеристики седиментации и расслоения примесей промышленных стоков металлургических и целлюлозно-бумажных предприятий. Эти данные легли в основу математической модели для прогнозирования очистки сточных вод в первичном отстойнике.
Металлургическая и целлюлозно-бумажная промышленности — лидеры по сбросу сточных вод, а их многоступенчатые системы водоочистки критически зависят от качества воды. Первичная очистка воды от примесей в отстойниках — ключевая стадия. Перед очисткой промышленных стоков воде дают отстояться: тяжелые частицы оседают, легкие жидкости всплывают. Однако реальные стоки содержат множество примесей одновременно, которые могут сталкиваться и агломерировать. Это усложняет расчет: формулы, работающие для отдельной частицы, при описании многокомпонентных стоков могут давать значительное отклонение.
Ученые Томского политеха провели комплексные исследования компонентов промышленных стоков, которые являются типичными для металлургических и целлюлозно-бумажных предприятий — диспергированной древесины, сульфата железа, керосина, хлорида натрия и карбоната натрия. На первом этапе изучалась каждая примесь по отдельности: характеристики кислотности, седиментации (осаждения) твердых частиц и расслоения жидких компонентов. На втором этапе, согласно приоритету примесей в реальных стоках, создавались многокомпонентные смеси.
Проведенные экспериментальные и численные исследования показали, что скорости седиментации (оседания) твердых частиц примесей и расслоения жидких компонентов не описываются в полной мере классическими моделями Стокса и Адамара-Рыбчинского. Отклонение от этих моделей происходит из-за стесненного характера осаждения у твердых частиц и „слипания“ капель жидких примесей. Учитывая эти данные, мы предложили математическую модель промышленного отстойника. Она показывает, как концентрация примесей распространяется по высоте резервуара и сколько времени потребуется для осветления воды. К примеру, повышение концентрации примесей с 0.5 до 10 масс.% сопровождается увеличением времени осаждения в 1.9-2.2 раза, что указывает на значимый эффект стесненного осаждения, — отмечает один из авторов исследования, инженер-исследователь лаборатории тепломассопереноса ТПУ Михаил Микулич.
Результаты экспериментов показали, что при повышении массовой концентрации примесей с 0,5 % до 5 % скорость осаждения древесных частиц уменьшалось на 73-74 %, а частиц сульфата железа — до 85-89 %.
При этом скорость расслоения компонентов керосина и воды при таком же повышении концентрации снизилась более чем в 150 раз.
Температура также влияет на процесс осаждения сточных вод. Так, по словам ученых, увеличение температуры суспензии всего на 20 °C ускоряло осаждение твердых частиц на 12-23 % благодаря снижению вязкости воды. При нагреве до 60 °C скорость всплытия и отделения керосина возрастала более чем вдвое.
Отдельно ученые ТПУ сравнили разработанную модель с расчетами по формуле Стокса (без учета агломерации и стеснения). Результаты показали, что классическая модель завышала скорость седиментации на 25-30 %. Модель политехников позволила снизить отклонение до 15 % — при переходе к масштабам реального промышленного отстойника эта разница критична.
Проведение параметрических исследований позволило установить степень влияния геометрических параметров отстойника. Расчеты показали, что наилучшие характеристики осаждения достигаются при глубине отстойника 3,3 м и радиусе 10 м. Кроме того, установлено, что основная масса осадочного слоя формируется в интервале времени от 0 до 2 часов, — добавляет Михаил Микулич.
На следующем этапе, зная концентрации и состав примесей, сохраняющихся в воде после отстаивания, ученые перейдут к изучению испарения капель — методу термической очистки, позволяющему удалить остаточные загрязнения.
Исследования поддержаны грантом Министерства науки и высшего образования (№ 075–15−2025–007). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Powder Technology.
Фото: ТПУ
Источник: Минобрнауки России
