Экспериментально-статистические модели влагоотдачи обработанной реагентами смеси сырого осадка и уплотненного активного ила
- Авторы: Кичигин В.И.1, Юдин А.А.1
-
Учреждения:
- Самарский государственный технический университет
- Выпуск: Том 14, № 1 (2024)
- Страницы: 4-11
- Раздел: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/630560
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2024.01.01
- ID: 630560
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проверена технология изменения удельного сопротивления смеси сырого осадка и уплотненного активного ила, взятого после иловой насосной станции городских очистных канализационных сооружений, за счет обработки осадка сернокислым алюминием и полиакриламидом (ПАА) дозами от 0 до 300 мг/дм3. Установлена степень влияния каждого реагента на процесс обезвоживания исследуемого осадка. Показано, что на процесс влагоотдачи ПАА оказывает примерно в 2 раза большее влияние, чем Al2(SO4)3 при дозах реагентов от 0 до 200 мг/дм3 и примерно в 1,5 раза – при дозах от 100 до 300 мг/дм3. Получены математические модели зависимости изменения удельного сопротивления осадка от количества вводимых в него Al2(SO4)3 и ПАА. Математические модели представлены и в графическом виде (изолиниями). Определены оптимальные дозы коагулянта и флокулянта для химической обработки исследуемого осадка сточных вод.
Полный текст
На городских очистных сооружениях (ГОКС) образуется несколько видов осадка [1]: сырой осадок после первичных отстойников; неуплотненный активный ил после вторичных отстойников; избыточный активный ил после илоуплотнителя; смесь сырого осадка и уплотненного активного ила.
Сырой осадок с влажностью около 95 % образуется в процессе отстаивания стоков в первичных отстойниках. Он состоит из достаточно легко декантированных взвешенных частиц. Активный ил с вторичных отстойников характеризуется низкой концентрацией сухого вещества (влажность 99,2 – 99,6 %). Активный ил после илоуплотнителей обладает высокой структурообразующей способностью, в которой вода находится в коллоидно-связанном виде и имеет влажность 95,0 – 97,5 %. Смесь сырого осадка и уплотнённого избыточного активного ила (влажность ≈ 96 %) занимает промежуточную способность к влагоотдаче [2].
Основной проблемой при обработке осадков бытовых сточных вод является обезвоживание осадка, контролируемое величиной коэффициента удельного сопротивления осадка r. К сожалению, определение этого показателя не только трудоемко, но и может меняться в больших диапазонах [3]. Для улучшения водоотдающих свойств осадка применяют методы: реагентный, тепловой обработки, жидкофазного окисления, переменного замораживания и оттаивания. Самый распространенный способ, с помощью которого обезвоживают осадки, является реагентный метод. В качестве реагентов применяют органические и минеральные соединения – флокулянты, коагулянты, известь [4–6].
В данной работе представлены результаты исследования возможности изменения удельного сопротивления смеси сырого осадка и уплотненного избыточного активного ила, отобранного с иловой насосной станции городских очистных сооружений, от доз вводимых реагентов. Целью работы является изучение поведения удельного сопротивления смеси сырого осадка и активного ила от доз коагулянта Дк и флокулянта Дф, а также выведение уравнений в неявном виде и уравнений , в явном виде или в виде изолиний.
Методика проведения исследований. Опыты проводились на установке [7, рис. 1] по методике, изложенной в работах [3, с. 15-19; 10]. Исходным материалом служила смесь сырого осадка с первичных отстойников и избыточного активного ила после илоуплотнителя ГОКС. Состав исследуемого осадка приведен в табл. 1. Исходный осадок обрабатывался коагулянтом и флокулянтом ПАА. Опыты проводились при одинаковых условиях. Продолжительность контакта осадка с реагентами равнялась 10 мин при перемешивании на магнитной мешалке 250 мл ила. 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 [7, рис. 1] или прекращения поступления фильтрата в колбу Бунзена.
Рис. 1. Изолинии зависимости изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r·10-10, см/г, от доз реагентов Дк = 0–200 мг/дм3 и Дф = 0–200 мг/дм3
Fig. 1. Isolines of the dependence of the change in the resistivity of the studied sediment r·10-10 cm/g, from reagent doses Dk = 0–200 mg/dm3 and Df = 0–200 mg/dm3
Таблица 1
Table 1
Качественный состав исследуемой смеси сырого осадка и активного ила
Qualitative composition of the tested mixture of crude precipitate and active sludge
Показатель | Значения показателей по ИАИ смеси сырого осадка и ила |
Азот общий, % | 5,2 |
Фосфат общий, % | 1,33 |
Алюминий, мг/дм3 | 6330 |
Кадмий, мг/дм3 | 5,9 |
Медь, мг/дм3 | 171 |
Железо, мг/кг | 12200 |
Никель, мг/дм3 | 29,3 |
Свинец, мг/дм3 | 17,8 |
Цинк, мг/дм3 | 1910 |
Влажность, % | 99,0 |
Для сокращения продолжительности исследований использовался метод математического планирования экспериментов (планы первого порядка) [8-10]. Было проведено две серии опытов. Основные характеристики планов экспериментов представлены в табл. 2, а матрицы планирования, опытные и расчетные данные – в табл. 3. Порядок проведения опытов в матрицах планирования (табл. 3) рандомизировался с помощью таблицы случайных чисел [9, приложение 2]. Полученные результаты обрабатывались методами математической статистики при уровне значимости q = 0,05 по методике, изложенной в работе [10, с. 136].
Таблица 2
Table 2
Основные характеристики плана экспериментов, мг/дм3
Main characteristics of the experimental plan, mg/dm3
Характеристика | Эксперимент № 1 | Эксперимент № 2 | ||
Дк | Дф | Дк | Дф | |
Основной уровень | 100 | 100 | 200 | 200 |
Интервал варьирования | 100 | 100 | 100 | 100 |
Верхний уровень | 200 | 200 | 300 | 300 |
Нижний уровень | 0 | 0 | 100 | 100 |
Таблица 3
Table 3
Матрицы планирования экспериментов, опытные и расчётные данные
Experimental planning matrices, experimental and design data
№ п/п | План | Параметры процесса, мг/дм3 | Опытные значения удельного сопротивления осадка r 10-10, см/г | Расчетные значения | |||||||
X0 | X1 | X2 | X1X2 | Дк | Дф | Y1 | Y2 | ‒Yj | Sj2 | �Yjp | |
Матрица планирования эксперимента № 1 | |||||||||||
1 | + | + | + | + | 200 | 200 | 154,4 | 141,2 | 147,8 | 9,33 | 147,8 |
2 | + | - | + | - | 0 | 200 | 15,0 | 13,4 | 14,2 | 1,10 | 14,2 |
3 | + | + | - | - | 200 | 0 | 419,8 | 405,1 | 412,4 | 10,36 | 412,6 |
4 | + | - | - | + | 0 | 0 | 1271,7 | 1113,4 | 1192,6 | 111,95 | 1192,6 |
Матрица планирования эксперимента № ٢ | |||||||||||
1 | + | + | + | + | 300 | 300 | 498,4 | 492,6 | 495,5 | 4,12 | 495,5 |
2 | + | - | + | - | 100 | 300 | 66,0 | 159,9 | 112,9 | 66,45 | 112,9 |
3 | + | + | - | - | 300 | 100 | 33,8 | 6,9 | 20,3 | 19,05 | 20,3 |
4 | + | - | - | + | 100 | 100 | 21,4 | 26,2 | 23,8 | 3,39 | 23,7 |
Доверительную оценку искомых величин определяли по формуле
(1)
где X – доверительная граница для истинного значения искомой (измеренной) величины; – среднее арифметическое значение измеряемой величины, рассчитанное по измеренным величинам; t – критическая точка распределения Стьюдента, определяемая по [10, приложение 5.5] при принятом в расчетах уровне значимости q = 0,05 и числе степеней свободы k; Sx – эмпирический стандарт, определяемый при числе степеней свободы .
Результаты исследований. Анализ данных, приведенных в табл. 1, показывает, что смесь сырого осадка и активного ила содержит большое количество цветных металлов, причем основными ингредиентами, мг/дм3, являются: алюминий (6330), железо (12200), цинк (1910). Среднее значение исходной влажности этого осадка составляет 99,0 %.
Для получения математических моделей процессов обезвоживания активного ила воспользуемся методикой, представленной в работе [10, с. 154-162]. Так, для эксперимента № 1 (см.табл. 3) имеем следующее.
Воспроизводимость опытов проверяем по критерию Кохрена
(2)
Для наших опытов (q = 0,05; N = 4; k = m - 1 = 2 - 1 = 1) табличное значение критерия Кохрена по [10, приложение 5.8] Gтабл. = 0,9065. Условия Gр. ≤ Gтабл. выполняются, поэтому опыты считаются воспроизводимыми.
Ошибка опыта по формуле (2) составит:
(3)
Коэффициенты уравнения регрессии определим по формуле
(4)
Для проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии вычисляем дисперсию коэффициентов:
(5)
Для уровня значимости q = 0,05, числах степеней свободы k = N = 4 и m -1 = 2 - 1 = 1 табличное значение критерия Стьюдента по [10, приложение 5.5] будет равно t = 2,78, а доверительный интервал для коэффициентов bi составит:
(6)
Коэффициенты оказались значимыми, так как ; ;
Вычисляем дисперсию адекватности по формуле
(7)
Уравнение регрессии считается адекватным, если выполняется условие
(8)
где по [10, приложение 5.6] табличное значение Фишера-Снедекора равно Fт(0,05; 2;4) = 6,94.
Тогда уравнения
(9)
(10)
оказываются неадекватными, так как и . Уравнения
(11)
(12)
будут адекватными, так как в случае использования в математической модели в виде полуквадратичной функции (формулы (11) и (12)) и
Так как y = r (1010, см/г), x1 = Дк (мг/дм3), x2 = Дф (мг/дм3), то в пределах Дк = 0–200 мг/дм3 и Дф = 0–200 мг/дм3 для первой серии опытов и Дк = 0–300 мг/дм3 и Дф = 0–300 мг/дм3 для второй серии опытов зависимость ri = f(Дк ;Дф)можно описывать уравнениями:
=
(13)
(14)
Проверка зависимости вероятного коэффициента удельного сопротивления r от Дк и Дф для первой серии опытов по формуле (13), а для второй серии опытов – по формуле (14) представлена в табл. 4. Установлено, что отклонение расчетных значений от опытных данных было менее 1,0 %.
Таблица 4
Table 4
Проверка воспроизводимости математических моделей
Checking the reproducibility of mathematical models
№ п/п | Параметры процесса, мг/дм3 | Значения удельного сопротивления осадка r · 10-10, см/г | Отклонение расчетных значений от опытных, % | ||
Дк | Дф | по опытным данным | рассчитанные по формулам | ||
Опытные и расчётные данные по формуле (١٢) к матрице планирования эксперимента № ١ | |||||
1 | 200 | 200 | 147,8 | 147,8 | 0 |
2 | 0 | 200 | 14,2 | 14,2 | 0 |
3 | 200 | 0 | 412,4 | 412,6 | -0,037 |
4 | 0 | 0 | 1192,6 | 1192,6 | 0 |
Опытные и расчётные данные по формуле (١٣) к матрице планирования эксперимента № ٢ | |||||
1 | 300 | 300 | 495,5 | 495,5 | 0 |
2 | 100 | 300 | 112,9 | 112,9 | 0 |
3 | 300 | 100 | 20,3 | 20,3 | 0 |
4 | 100 | 100 | 23,8 | 23,7 | 0,42 |
Анализ полученных коэффициентов уравнений регрессии (9) и (12) показывает, что в первой серии опытов удельное сопротивление осадка r уменьшалось при увеличении дозы флокулянта и коагулянта. Причём на процесс влагоотдачи параметр X2(Дф) оказывал большее влияние, чем параметр X1(Дк) в 360,8/161,6 = 2,23 раза. Во второй серии опытов (при дозе реагентов от 100 до 300 мг/дм3) функция r = f(Дк, Дф) имела уже прямопропорциональную зависимость (см. уравнения (10) и (12)), а на процесс влагоотдачи параметр X2(Дф) оказывал бльшее влияние, чем параметр X1(Дк), только в 141,1/94,8 = 1,49 раза.
В табл. 5 представлена обобщенная характеристика математических моделей изменения удельного сопротивления смеси сырого осадка и уплотненного активного ила от дозы реагентов, рассчитанная по формулам (1)–(8). По даннымтабл. 3 были построены изолинии зависимостей изменения удельного сопротивления смеси сырого осадка и активного ила r · 10-10, см/г, от доз реагентов (рис. 1 и 2). Для построения изолиний на рис. 1 и 2 были использованы экспериментальные данные, приведенные в табл. 3.
Рис. 2. Изолинии зависимости изменения удельного сопротивления исследуемого осадка r·10-10, см/г, от доз реагентов Дк = 100–300 мг/дм3 и Дф = 100–300 мг/дм3
Fig. 2. Isolines of the dependence of the change in the resistivity of the studied sediment r·10-10 cm/g, from reagent doses Dk = 100‒300 mg/dm3 and Df = 100‒300 mg/dm3
Таблица 5
Table 5
Обобщенная характеристика математических моделей изменения удельного сопротивления смеси сырого осадка и уплотненного активного ила от дозы реагентов
Generalized characteristic of mathematical models of resistivity change
mixtures of crude precipitate and compacted active sludge from the reagent dose
Показатель | Значения показателей для серий опытов | |
№ 1 | № 2 | |
Расчетное значение критерия Кохрена Gр | 0,84 | 0,71 |
Табличное значение критерия Кохрена Gтабл | 0,9065 | |
Ошибка опыта | 33,2 | 23,2 |
Расчетные значения коэффициентов регрессии bi: b0 b1 b2 | 441,8 - 161,6 - 360,8 | 163,1 94,8 141,1 |
Дисперсия коэффициентов | 8,3 | 5,8 |
Доверительный интервал Sbi · t | 8,0 | 6,7 |
Функция отклика (математическая модель) линейная | Y1 = 441,8 - 161,6X1 - 360,8X2 | Y2 = 163,1 + 94,8X1 + 141,1X2 |
Расчётные значения функции отклика Yi: Yp1 Yp2 Yp3 Yp4 | -80,6 242,0 641,0 964,2 | 399,0 209,4 116,8 -72,8 |
Дисперсия адекватности | 208758 | 37268 |
Расчетное значение критерия Фишера Fp | 6292 | 1606 |
Табличное значение критерия Фишера Fт | 6,94 | |
Условие не соблюдается, т. е. представленные выше уравнения регрессии неадекватны. Рассчитаем дополнительные коэффициенты регрессии и новые значения функции отклика Yi | ||
Коэффициенты регрессии | 228,4 | 96,5 |
Функция отклика (математическая модель) полуквадратичная | Y1 = 441,8 - 161,6X1 - 360,8X2 + 228,4X1X2 | Y2 = 163,1 + 94,8X1 + 141,1X2 + 96,5X1X2 |
Расчётные значения функции отклика, Yi: Yp1 Yp2 Yp3 Yp4 | 147,8 14,2 412,6 1192,6 | 495,5 112,9 20,3 23,7 |
Дисперсия адекватности | 0,04 | 0,01 |
Анализ данных, приведенных на рис. 1, показывает, что величина удельного сопротивления исследуемой смеси осадков уменьшалась с увеличением дозы вводимых реагентов. Причем особенно интенсивно процесс обезвоживания проходил при увеличении Дф (даже без обработки осадка сернокислым алюминием). В зоне Дк до 50 мг/дм3 и Дф = 190–200 мг/дм3 величина r не превышала 100 · 10-10 см/г. Вероятно, эту зону можно считать «устойчиво-допустимой» для обработки подобной смеси осадков.
Характер изолиний на рис. 2 показывает, что при увеличении доз коагулянта и флокулянта более 150 мг/дм3 наблюдался стремительный рост удельного сопротивления осадка, что указывает на снижение скорости его обезвоживания. Было установлено, что при дозах реагентов более 200 мг/дм3 образовывалась пленка на фильтре в воронке Бюхнера, снижая влагоотдачу. Вероятно, оптимальная доза ПАА не может превышать 125 мг/дм3, а доза – 150 мг/дм3.
Применение математической модели при экспериментально-статистическом исследовании процессов обезвоживания осадков сточных вод позволяет: выбрать оптимальный технологический режим процесса, сократить план исследовательских работ при разработке технологии производства, создать систему управления процессом.
Выводы
1. Установлено, что смесь сырого осадка и активного ила содержит большое количество цветных металлов, причем основными ингредиентами, мг/дм3, являются: алюминий (6330), железо (12200) и цинк (1910). Среднее значение исходной влажности этого осадка составляет 99,0 %.
2. Изучено изменение удельного сопротивления смеси сырого осадка и уплотненного активного ила от доз коагулянта Дк и флокулянта Дф. Получены математические модели процесса обезвоживания активного ила в виде уравнения в неявном и явном видах и в виде изолиний.
3. Доказано, что в зоне вводимых концентраций и ПАА от 0 до 200 мг/дм3 величина удельного сопротивления исследуемой смеси осадков уменьшалась с увеличением дозы вводимых реагентов. Причем особенно интенсивно процесс обезвоживания проходил при увеличении (даже без обработки осадка сернокислым алюминием). В зоне изменения этих реагентов от 100 до 300 мг/дм3 с увеличением дозы реагентов увеличивалось и удельное сопротивление осадка .
4. Установлено, что на процесс влагоотдачи параметр Х2 (Дф) оказывает бльшее влияние, чем параметр Х1 (Дк) в первой серии опытов примерно в 2,23, а во второй – в 1,49.
5. Установлено, что в зоне до 50 мг/дм3 и = 190–200 мг/дм3 величина r не превышала 200·10-10 см/г. Вероятно, эту зону можно считать «устойчиво-допустимой» для обработки подобной смеси осадков. Можно считать, что оптимальная доза ПАА не может превышать 125 мг/дм3, а доза – 150 мг/дм3.
6. Применение математических моделей при экспериментально-статистическом исследовании процессов обезвоживания осадков сточных вод позволяет выбрать оптимальный технологический режим обезвоживания, сократить план исследовательских работ и затраты на разработку технологии производства, создать систему управления этим процессом.
Об авторах
Виктор Иванович Кичигин
Самарский государственный технический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: kichigin.viktr@rambler.ru
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения
Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, 443100Александр Александрович Юдин
Самарский государственный технический университет
Email: alex.udin1996@mail.ru
аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения
Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, 443100Список литературы
- Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М.: Изд-во АСВ, 2006. 704 с.
- Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1988. 256 с.: ил. (Охрана окружающей природной среды).
- Кичигин В.И., Палагин Е.Д. Обработка и утилизация осадков природных и сточных вод / СГАСУ. Самара, 2008. 204 с.
- Васильев Б.В., Морозов С.В., Пробирский М.Д. Флокулянты для обезвоживания осадков сточных вод на станциях аэрации Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 4. С. 13–16.
- Гумен С.Г., Васильев Б.В., Морозов С.В., Медведев Г.П. Реагентно-тепловая обработка осадков сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 4. С. 21–23.
- Опыт применения мембранных камерных фильтр-прессов и органических флокулянтов для обезвоживания осадков городских сточных вод / В.А. Загорский, Д.А. Данилович, А.В. Ганин и др. // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 4. С. 2–7.
- Кичигин В.И., Юдин А.А. Исследование зависимости удельного сопротивления осадка от его влажности и исходной концентрации бентонитового замутнителя // Градостроительство и архитектура. 2023. Т.13, № 2. С. 22–30. doi: 10.17673/Vestnik.2023.02.04.
- Бондарь А.Г., Статюха Г.А. Планирование эксперимента в химической технологии (основные положения, примеры и задачи). Киев: Вища школа, 1976. 183 с.
- Саутин С.А. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Л.: Химия, 1975. 48 с.
- Кичигин В.И. Моделирование процессов очистки воды. М.: Изд-во АСВ, 2003. 203 с.