Исследование технологии реагентного обезвоживания избыточного активного ила из вторичного отстойника при помощи экспериментально-статистических моделей

Полный текст

В России образуется более семи миллионов тонн осадка сточных вод в год с учетом сухого вещества [1]. Проблемы с обработкой осадка и дальнейшей его реализацией были всегда. В некоторых случаях осадок можно использовать в качестве топлива [2], удобрений в сельском хозяйстве [3, 4] (считается наиболее перспективным в мире), в качестве добавки в строительные материалы [5, 6]. Обработка осадка является сложным процессом, и прежде чем его утилизировать, необходимо пройти несколько этапов обработки осадка, одним из которых является обезвоживание, оно контролируется коэффициентом удельного сопротивления r × 10^-10 см/г. Определение данного показателя всегда трудоемко. Самым распространённым способом обезвоживания является предварительная обработка реагентами осадка с последующим механическим обезвоживанием [6‒8].

В статье представлены результаты исследования изменения удельного сопротивления неуплотненного избыточного активного ила (ИАИ) от доз шести видов коагулянтов (Д_к) и одного флокулянта (Д_ф). Целью этих исследований являлось изучение поведения удельного сопротивления активного ила от доз коагулянта и флокулянта, выбор наилучшего реагента для обезвоживания, а также получение математических моделей исследуемых процессов в виде уравнений Y_i = f(X₁,X₂) в неявном виде и удобных для инженерных и технологических расчетов уравнений r = f(Д_к, Д_ф) в явном виде или в виде изолиний.

Методика проведения исследований. Опыты проводились на установке [9, рис. 1] по методике, изложенной в работе [6, с. 15-19]. Исходным материалом служил неуплотненный избыточный активный ил городских очистных канализационных сооружений (ГОКС) г. Самары. В качестве реагентов использовали шесть видов коагулянта (табл. 1) и флокулянт – полиакриламид (ПАА).

 

Рис. 1. Зависимость изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r ×10^-10 , см/г, от доз реагентов: Д_к = 50-150 мг/дм³ (Аква-Аурат-30) и Д_ф = 50-150 мг/дм³ (ПАА)

Fig. 1. Dependence of the change in the resistivity of the sediment under study r × 10^-10, cm/g, from reagent doses: D_k = 50-150 mg/dm³ (Aqua-Aurat-30) and D_f = 50-150 mg/dm³ (PAA)

 

Рис. 2. Зависимость изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r ×10^-10, см/г, от Д_к = 50-150 мг/дм³ (алюминий полиоксисульфат) и Д_ф = 50-150 мг/дм³ (ПАА)

Fig. 2. Dependence of the change in the resistivity of the sediment under study r ×10^-10, cm/g, from D_k = 50-150 mg/dm³ (Aluminum polyoxysulfate) and D_f = 50-150 mg/dm³ (PAA)

 

Рис. 3. Зависимости изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r ×10^-10, см/г, от Д_к = 50-150 мг/дм³ (FeCl₃) и Д_ф = 50-150 мг/дм³ (ПАА)

Fig. 3. Dependence of the change in the resistivity of the sediment under study r ×10^-10, cm/g, from D_k = 50-150 mg/dm³ (FeCl₃) and D_f = 50-150 mg/dm³ (PAA)

 

Рис. 4. Зависимости изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r ×10^-10, см/г, от Д_к = 50 – 150 мг/дм³ (ГранЭКО) и Д_ф = 50 – 150 мг/дм³ (ПАА)

Fig. 4. Dependence of the change in the resistivity of the sediment under study r ×10^-10, cm/g, from D_k = 50-150 mg/dm³ (GranECO) and D_f = 50-150 mg/dm³ (PAA)

 

Опыты проводились при одинаковых условиях. Продолжительность контакта активного ила с реагентами равнялась 10 мин и обеспечивалась их перемешиванием на механической мешалке вместимостью 250 мл. Осадок профильтровывался под давлением 500 мм рт. ст. через двойной бумажный фильтр с синей лентой. Получаемые данные записывались через каждые 15-30 с (в зависимости от скорости фильтрования). Опыт заканчивался после появления трещин на осадке в воронке Бюхнера или прекращения поступления фильтрата в колбу Бунзена (см. соответственно поз. 2 и 4 в [9, рис. 1]).

Для сокращения продолжительности исследований использовался метод математического планирования экспериментов (планы первого порядка) [11-13]. Было проведено 12 серий опытов. Основные характеристики двух планов экспериментов представлены в табл. 2 (планы № 1 и 2), а усредненные экспериментальные и расчётные данные – в табл. 3. Порядок проведения опытов в матрицах планирования рандомизировался по таблице случайных чисел. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики при уровне значимости q = 0,05 по методике, изложенной в работе [13, с. 136]. Для получения математических моделей процессов обезвоживания активного ила использовалась методика, приведенная в работе [13, с. 154-162]. Последовательность проверки воспроизводимости опытов, расчета коэффициентов регрессии, определения их значимости и адекватности полученных математических моделей рассмотрены в [10, с. 58].

 

Таблица 1. Доля Al₂O₃ % в коагулянте

Table 1. Proportion of Al₂O₃% in coagulant

Коагулянт	Характеристики	Содержание Al2O3, %
Сульфат алюминия	ТУ 2013.41-04- 41654713-2014,  высший сорт	17,0
Хлорид железа «ФерАква-Аурат»	ТУ 2152-088-00205067-16	40,0 (FeCl3)
Алюминий полиоксисульфат	ТУ 20.13.41-090-00205067-2017, технический очищенный	16,0
Полиоксихлориды алюминия «ГранПАКС»	ТУ 20.59.59-092-00205067-2018	30±3,0
Алюминий хлоргидрат «ГранЭКО»	ТУ 2163-086-00205067-15	45,0÷51,0
«АкваАурат™-30»	ТУ 2163-069-00205067-2007, среднеосновный	30±3,0

 

Таблица 2. Основные характеристики плана экспериментов

Table 2. The main characteristics of the experiment plan

Характеристика	Дк, мг/дм3	Дф, мг/дм3	Характеристика	Дк, мг/дм3	Дф, мг/дм3
План эксперимента № 1
Основной уровень	100	100	Верхний уровень	200	200
Интервал варьирования	100	100	Нижний уровень	0	0
Плана эксперимента № 2
Основной уровень	150	150	Верхний уровень	150	150
Интервал варьирования	100	100	Нижний уровень	50	50

 

Таблица 3. Экспериментальные и расчетные значения удельного сопротивления осадка r × 10^-10, см/г, в зависимости от дозы и типа коагулянта и флокулянта

Table 3. Experimental and calculated values of resistivity precipitation r × 10^-10, sm/g, depending on the dose and type of coagulant and flocculantа

Доза реагентов, мг/дм3		ПАА
Дк	Дф	Аква-Аурат- 30	Al поли-оксисульфат	FeCl3	ГранПАКС	Гран-ЭКО	Al2(SO4)3
По плану эксперимента № 1
200	200	64,4	52,5	83,4	51,9	116,3	3104,5
0	200	80,1	81,3	80,1	80,1	80,1	394,5
200	0	26,6	35,9	45,0	29,1	29,4	67,7
0	0	43,7	45,2	42,0	45,5	45,2	88,6
b0		53,7	53,72	62,62	51,65	67,75	913,82
b1		-8,20	-9,52	1,58	-11,15	5,1	672,28
b2		18,58	13,18	19,12	14,35	30,45	835,68
b12		0,35	-4,90	0,075	-2,95	13,0	682,72
		-2,3	-1,38	12,1	1,3	6,0	1,2
По плану эксперимента № 2
150	150	25,3	37,9	64,9	47,1	51,5	665,9
50	150	38,6	79,1	89,7	42,6	69,0	2161,3
150	50	20,4	10,5	11,6	10,3	10,0	13,3
50	50	13,7	10,2	12,4	72,1	13,6	23,6
b0		24,5	34,42	44,65	43,1	36,02	716,02
b1		-1,65	-10,22	-6,4	-14,32	-5,28	-376,42
b2		7,48	24,075	32,65	1,82	24,22	697,58
b12		-5,0	-10,38	-6,0	16,58	-3,48	-371,28
		4,5	2,4	5,1	-0,13	4,6	1,8

 

Результаты исследований. В процессе обработки данных были получены коэффициенты уравнений математических моделей, описывающих процессы влагоотдачи в зависимости от вида вводимых реагентов, представленные в табл. 3. Проверка по критерию Кохрена показала, что опыты воспроизводимы, полученные коэффициенты уравнений регрессии значимы по критерию Стьюдента, а уравнений (1) – (12) в табл. 4 адекватны по критерию Фишера-Снедекора. Хорошая воспроизводимость представленных в табл. 4 расчетных формул (1) – (12) в натуральном виде показана в табл. 5 и 6.

 

Таблица 4. Характеристика процессов снижения удельного сопротивления избыточного активного ила реагентами

Table 4. Characteristics of the processes of reducing the resistivity of excess activated sludge by reagents

Коагулянт + ПАА	№ плана эксперимента	№ формулы	Математические модели процессов в неявном виде	Расчетная формула в явном виде
Аква-Аурат-30	1	1	r=53,7-8,2∙X1+18,58∙X2	r=43,32-0,0819∙Дк+0,0185∙Дф
	2	2	r=24,5-1,65∙X1+7,48∙X2-5,0∙X1∙X2	r=-7,16+0,167∙Дк+0,3496∙Дф-0,002∙Дк∙ Дф
Алюминий полиоксисульфат	1	3	r=53,72-9,52∙X1+13,18∙X2-4,9∙X1∙X2	r=45,16-0,0462∙Дк+0,1808∙Дф-0,00049∙Дк∙ Дф
	2	4	r=34,45-10,22∙X1+24,08∙X2-10,38∙X1∙X2	r=-34,78+0,2104∙Дк+0,8968∙Дф-0,004152∙Дк∙ Дф
Хлорное железо	1	5	r=62,62+1,58∙X1+19,12∙X2	r=41,92+0,0158∙Дк+0,1912∙Дф
	2	6	r=44,65-6,4∙X1+32,65∙X2-6,0∙X1∙X2	r=-31,85+0,112∙Дк+0,893∙Дф-0,00244∙Дк∙ Дф
ГранПАКС	1	7	r=51,65-11,15∙X1+14,35∙X2-2,95∙X1∙X2	r=45,5+0,082∙Дк+0,173∙Дф-0,000295∙Дк∙ Дф
	2	8	r=43,1-14,32∙X1+1,82∙X2+16,58∙X1∙X2	r=134,42-0,9496∙Дк-0,6267∙Дф+0,006632∙Дк∙ Дф
ГранЭКО	1	9	r=67,75+5,10∙X1+30,45∙X2+13,0∙X1∙X2	r=45,17-0,079∙Дк+0,1748∙Дф+0,0013∙Дк∙ Дф
	2	10	r=36,02-5,28∙X1+24,22∙X2-3,48∙X1∙X2	r=-15,78+0,0336∙Дк+0,624∙Дф-0,001392∙Дк∙ Дф
Сульфат алюминия	1	11	r=913,82+672,28∙X1+835,68∙X2+682,72∙X1∙X2	r=88,58-0,1044∙Дк+1,53∙Дф+0,06827∙Дк∙ Дф
	2	12	r=716,02-376,42∙X1+697,58∙X2-371,28∙X1∙X2	r=-1411,4+7,323∙Дк+28,8∙Дф-0,1485∙Дк∙ Дф

 

Таблица 5. Влияние дозы реагентов на величину рН в неуплотненном ИАИ, обработанном реагентами ИАИ и в фильтрате

Table 5. The effect of the reagent dose on the pH value in uncompacted EAS treated with EAS reagents and in the filtrate

Дозы реагентов, мг/дм3		Значения рН в исходном ИАИ после обработки ИАИ реагентами и в фильтрате ИАИ для сред, обработанных
		Аква-Аурат-30 + ПАА			Алюминий полиоксисульфат + ПАА			Хлорное железо + ПАА
ДК	ДФ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ
По плану эксперимента № 1
200	200	6,98	7,06	6,91	6,10	6,15	6,20	6,34	6,00	5,97
0	200	7,03	7,00	6,98	6,10	6,20	6,30	6,00	6,10	6,20
200	0	6,96	6,97	6,98	6,54	6,30	6,14	5,9	5,88	5,86
0	0	7,27	7,18	7,10	7,00	7,00	7,05	6,98	7,00	7,00
b0		7,06	7,05	6,99	6,43	6,41	6,42	6,30	6,245	6,26
b1		-0,09	-0,04	-0,05	-0,12	-0,19	-0,25	-0,18	-0,30	-0,34
b2		-0,06	-0,02	-0,05	-0,34	-0,24	-0,17	-0,14	-0,19	-0,17
b12		0,06	0,07	0,01	0,12	0,16	0,20	0,36	0,26	0,23
По плану эксперимента № 3
150	150	7,10	7,07	6,95	6,16	6,27	6,37	5,93	5,85	5,95
50	150	6,89	6,92	6,95	6,25	6,31	6,36	5,88	5,72	6,00
150	50	6,90	7,00	6,97	6,25	6,30	6,34	6,00	5,95	5,94
50	50	6,86	6,91	6,92	6,70	6,50	6,70	5,75	5,76	5,94
b0		6,94	6,975	6,9475	6,34	6,34	6,44	5,89	5,82	5,96
b1		0,06	0,06	0,01	-0,14	-0,06	-0,09	0,08	0,08	-0,01
b2		0,06	0,02	0,00	-0,14	-0,06	-0,08	0,02	-0,04	0,02
b12		0,04	0,015	-0,01	0,09	0,04	0,09	-0,05	-0,02	-0,01

 

Таблица 6. Влияние дозы реагентов на величину рН в неуплотненном ИАИ, обработанном реагентами ИАИ и в фильтрате

Table 6. The effect of the reagent dose on the pH value in uncompacted EAS treated with EAS reagents and in the filtrate

Дозы реагентов, мг/дм3		Значения рН в исходном ИАИ после обработки ИАИ реагентами и в фильтрате ИАИ для сред, обработанных
		ГранПАКС + ПАА			ГранЭКО + ПАА			Сульфат алюминий + ПАА
ДК	ДФ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ	ИАИ	скоагулированный ИАИ	фильтрат ИАИ
По плану эксперимента № 1
200	200	6,17	6,15	6,21	6,00	6,07	6,14	6,93	6,80	7,00
0	200	6,2	6,15	6,20	6,30	6,00	6,20	6,83	7,00	7,18
200	0	6,17	6,34	6,27	5,95	5,96	6,08	6,96	6,85	7,23
0	0	6,18	6,20	6,29	6,10	6,10	6,15	6,90	6,88	7,27
b0		6,18	6,21	6,24	6,08	6,03	6,14	6,90	6,88	7,17
b1		-0,01	1,00	-0,00	-0,11	-0,018	-0,03	0,04	-0,06	-0,06
b2		0,01	-0,06	-0,04	0,06	0,00	0,03	-0,02	0,02	-0,08
b12		-0,01	-0,04	0,00	-0,04	0,05	0,00	0,01	-0,04	-0,035
По плану эксперимента № 3
150	150	6,14	6,21	6,24	6,1	6,23	6,27	6,5	6,55	6,6
50	150	6,26	6,46	6,37	6,0	6,07	6,22	6,45	6,55	6,65
150	50	6,22	6,26	6,28	6,1	6,14	6,2	6,5	6,5	6,5
50	50	6,14	6,24	6,27	6,1	6,17	6,24	6,4	6,45	6,5
b0		6,19	6,29	6,29	6,07	6,15	6,23	6,46	6,51	6,56
b1		-0,01	-0,06	-0,03	0,02	0,03	0,00	0,04	0,01	-0,01
b2		0,01	0,04	0,02	-0,02	-0,00	0,01	0,01	0,04	0,06
b12		-0,05	-0,07	-0,04	0,02	0,05	0,02	-0,01	-0,01	-0,01

 

Анализ данных, приведенных в табл. 3, показал, что в области изменения концентрации вводимого в ИАИ флокулянта от 0 до 200 мг/дм³ удельное сопротивление осадка находилось в прямо пропорциональной зависимости от его дозы. Подобная зависимость с остаточной величиной r в этой области изменения дозы коагулянтов была только у FeCl₃ , ГранЭКО и Al₂(SO₄)₃, а обратно пропорциональной – для коагулянтов: Аква-Аурат-30, алюминий полиоксисульфат и полиоксихлорид алюминий «ГранПАКС»

Влияние ПАА на процесс изменения удельного сопротивления неуплотненного ИАИ было больше, чем влияние коагулянтов для всех сочетаний коагулянтов с ПАА. Например, для сочетаний «Аква-Аурат-30 / ПАА» примерно в 2,3 раза; для «полиоксисульфат Al / ПАА» – в 1,4 раза; для «FeCl₃ / ПАА» – в 12,1 раза; для «ГранПАКС / ПАА» – в 1,3 раза; для «ГранЭКО / ПАА» ‒ в 6 раз; для «Al₂(SO₄)₃ / ПАА» – в 1,2 раза (см. табл. 3, строку |b₂/b₁| ). Сравнение второй и третьей строк матрицы планирования № 1 показывает, что остаточная величина удельного сопротивления осадка (УСО) была меньше при соотношении Д_к / Д_ф = 200 / 0, чем при соотношении 0 / 200 для всех исследованных коагулянтов.

Опыты по плану экспериментов № 2 показали, что в диапазоне изменения независимых факторов Д_к и Д_ф от 50 до 150 мг/дм³ удельное сопротивление ИАИ уменьшалось с увеличением Д_к и увеличивалось с ростом вводимой дозы ПАА (см. соответственно знаки при коэффициентах b₁ и b₁). Причем степень влияния флокулянта на изменение остаточной величины r в осадке была больше, чем коагулянта, в несколько раз (см. строку |b₂/b₁| в матрице № 2). Сравнение значений второй и третьей строк матрицы планирования № 2 показывает, что и в диапазоне изменения независимых факторов Д_к и Д_ф остаточная величина УСО была меньше при соотношении Д_к / Д_ф = 150 / 50, чем при соотношении 50 / 150 для всех исследованных коагулянтов.

Значимость коэффициентов b₁₂ при взаимодействующих факторах всех сочетаний «коагулянт + ПАА» указывает на то, что функция отклика исследуемых математических моделей Y = f(Д_к, Д_ф) адекватно описывается не плоскостью, а полуквадратичной формой (сферой), у которой значение коэффициента b₀ не соответствует фактическому значению функции отклика в центре плана эксперимента. Анализ осредненных экспериментальных данных по четвертой строке табл. 3 (по плану № 2) показал, что минимальное значение удельного сопротивления ИАИ (10,2÷13,7)×10^-10 см/г имело место при обработке ИАИ полиакриламидом и коагулянтом дозой 50 мг/дм³ в экспериментах с использованием коагулянтов: «Аква-Аурат-30», «Алюминий полиоксисульфат», «FeCl₃» и «ГранЭКО». Повышение дозы флокулянта (строка 2 по плану № 2) увеличивало значение УСО для всех сочетаний исследованных коагулянтов с ПАА.

В четвертой графе табл. 4 приведены уравнения (1) – (12), описывающие математические модели исследуемых процессов, представленные в неявном виде. Для практических технологических расчетов эти уравнения были переведены в явный вид. По уравнениям (1) – (12) в явном виде были построены зависимости r = f(Д_к, Д_ф) в виде изолиний. Для иллюстрации здесь приведены графики только для коагулянтов: «Аква-Аурат-30», «Алюминий полиоксисульфат», «FeCl₃» и «ГранЭКО» (рис. 1 – 4) в области изменения концентрации вводимых в ИАИ коагулянтов и ПАА от 50 до 150 мг/дм³.

Представленные графики подтверждают, что процесс максимального снижения удельного сопротивления неуплотненного избыточного активного ила, вероятно, целесообразнее вести коагулянтами: «Аква-Аурат-30», «Алюминий полиоксисульфат», «FeCl₃» и «ГранЭКО» дозой 50 мг/дм³ и флокулянтом ПАА дозой 50 мг/дм³.

Параллельно с исследованием технологии реагентного обезвоживания неуплотненного избыточного активного ила фиксировалось и изменение величины рН в исходном ИАИ после обработки его соответствующими реагентами и в фильтрате ИАИ (табл. 5 и 6). Анализ этих данных показывает, что по планам эксперимента № 1 и № 2 значение показателя рН в центре плана (см. величину ) уменьшалось в скоагулированном ИАИ и увеличивалось в его фильтрате за исключением случая, когда в качестве коагулянта использовался Аква-Аурат-30. На изменение величины рН бо′льшее влияние оказывала доза коагулянта, чем доза флокулянта при использовании Аква-Аурат-30, , ГранПАКС, ГранЭКО и Al₂(SO₄)₃ (см. значения коэффициентов b₁ и b₂ по модулю в опытах по плану № 1), а в опытах по плану № 2 – при использовании Al₂(SO₄)₃ флокулянт оказывал бо́льшее влияние на pH. При использовании алюминий полиоксисульфата в соотношении с ПАА при дозах от 50 до 150 мг/дм³ оказывали равномерное влияние на pН, при дозах больше 150 мг/дм³ влияние флокулянта pН становилось больше. Было установлено, что в исследованном диапазоне для практической технологии реагентного обезвоживания ИАИ доза вводимых реагентов не оказывает существенного влияния на величину рН.

Выводы

1. Изучено изменение удельного сопротивления избыточного неуплотненного активного ила от доз коагулянта (Д_к) и флокулянта (Д_ф). Получены математические модели процесса обезвоживания ИАИ в виде уравнения r = f(Д_к, Д_ф) в неявном виде или в виде изолиний в явном виде.
2. Было установлено, что обработка исследуемого осадка полиакриламидом дозой больше 50 мг/дм³ оказывает негативное влияние на степень обезвоживания ИАИ. Степень влияния ПАА на удельное сопротивление ИАИ было больше, чем влияние коагулянтов, в 1,2 – 12,1 раза, кроме варианта использования коагулянта ГранПАКС.
3. Минимальное значение удельного сопротивления неуплотненного ИАИ (10,2–13,7)×10^-10 см/г имело место при его обработке реагентами дозой 50 мг/дм³ флокулянтом ПАА и коагулянтами «Аква-Аурат-30», «Алюминий полиоксисульфат», «FeCl₃» и «ГранЭКО». В зоне доз реагентов от 50 до 150 мг/дм³ (план № 2) более перспективным оказалось применение в качестве коагулянтов: «Алюминий полиоксисульфат» и FeCl₃ с r ≈ (10,2–12,4)×10^-10 см/г.
4. Установлено, что величина рН в ИАИ могла изменяться в пределах 5,9 – 7,27, после добавления реагентов происходило подкисление ИАИ до значения рН 5,88 – 7,18, а в фильтрате ‒ до 5,86 – 7,10. Показано, что в исследованном диапазоне для практической технологии реагентного обезвоживания ИАИ доза вводимых реагентов не оказывает существенного влияния на величину рН.
5. Процесс максимального снижения удельного сопротивления неуплотненного избыточного активного ила целесообразнее вести коагулянтами: «Алюминий полиоксисульфат» и FeCl₃ дозой до 50 мг/дм³ совместно с флокулянтом ПАА дозой 50 мг/дм³.

 

Об авторах

Виктор Иванович Кичигин

Самарский государственный технический университет

Email: kichigin.viktr@rambler.ru

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения

Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Александр Александрович Юдин

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: alex.udin1996@mail.ru

инженер кафедры водоснабжения и водоотведения

Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы