Исследовательская работа на тему "Изучение способа очистки сточных вод методом центрифугирования"

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Лучинская средняя школа»
Ярославского муниципального района

Исследовательская работа на тему:

«Изучение процесса очистки сточных вод методом центрифугирования»

Работу выполнили обучающиеся

6 класса МОУ Лучинская СШ

Войнова Анастасия
Николина Виктория

Научный руководитель:

учитель биологии МОУ Лучинская СШ

Баркова Ксения Вячеславовна

с. Лучинское, 2017

Содержание:

Введение

Промышленные сточные воды содержат большое количество разнообразных по составу нерастворимых органических и неорганических соединений. Загрязняющие вещества могут плавать по поверхности, оседать на дно или находиться в воде во взвешенном состоянии. Для очистки сточных вод от взвешенных веществ применяют методы очистки: осаждение, фильтрация, флотация, центрифугирование.

Метод очистки центрифугированием основан на воздействии силового центробежного поля на неоднородную систему, и твердая фаза - взвешенные вещества отделяются от воды. Метод очистки центрифугированием является энергоемким и используется в случаях, когда выделенный осадок имеет ценность и может быть повторно использован, или когда для выделения осадка нельзя использовать реагенты. Центрифугированием, например, выделяют из сточных вод дорогостоящие пигменты в лакокрасочной промышленности.

При очистке сточных вод от взвешенных веществ образуется большое количество осадков, например, при биологической очистке бытовых стоков образуется избыточный активный ил. Технологические схемы обработки и последующего обезвреживания осадков включает стадию обезвоживания. Высокоэффективным методом сгущения осадков является центрифугирование, которое позволяет снизить влажность осадка с 99 % до 60 % [2].

В настоящее время проблема загрязнения водных объектов сточными водами является наиболее актуальной, так как промышленность развивается, и человек продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами.

Цель работы - исследование эффективности очистки воды от взвешенных веществ центрифугированием.

Основные задачи работы:

- По литературным данным изучить методы очистки сточных вод;

- Оценить степень очистки воды от каолина методом центрифугирования;

- Проанализировать влияние скорости вращения центрифуги на степень очистки воды;
- Проанализировать влияние времения вращения центрифуги на степень очистки воды.

Нами была выдвинута гипотеза – метод центрифугирования очистки сточных вод от взвешенных частиц является достаточно эффективным.

Объектом исследования явился рабочий раствор, состоящий из 2 г каолина, растворённых в 1 л воды. Метод исследования – центрифугирование.

Глава Ι. Обзор литературы
1. Основные способы очистки стоных вод

Выбор способа первичной очистки сточных вод происходит исходя из особенностей и вида производства.
Все установки на производстве используются, главным образом, для очистки стоков от твердых механических частиц, различных смол, масел и нефтепродуктов.
Чтобы свести загрязнения окружающей среды к минимуму, при проектировании очистных сооружений стремятся использовать получаемые в ходе очистки отходы в качестве сырья для получения ценных продуктов, а сточные воды очищаются для повторного использования.
Сточные воды подвергают очистке различными способами: механической, химической, механохимической, физико-химической и биохимической (или биологической) [1].
Установки механической очистки сточных вод – это фильтры, решетки, отстойники, песколовки, флотаторы. Данные сооружения удаляют, как правило, только грубодисперсные примеси. Под действием силы тяжести частицы, удельный вес которых больше удельного веса воды, выпадают на дно сооружений, образуя осадок. В то же время частицы, удельный вес которых меньше удельного веса воды (жиры, масла, нефть), всплывают на поверхность. Осадок и всплывшие загрязнения удаляют из сооружений и направляют на обработку.
Химическая очистка заключается в выделении из сточных вод загрязнений путем проведения реакций между ними и вводимыми в воду реагентами. Такими реакциями являются реакции окисления и восстановления, реакции образования соединений, выпадающих в осадок, и реакции, сопровождающиеся газовыделением. Химическая очистка применяется для очистки только некоторых производственных сточных вод.
Механохимическую очистку применяют для выделения из сточных вод нерастворенных загрязнений. Сущность ее состоит в том, что в воду добавляют коагулянты, которые способствуют удалению из нее загрязнений в процессе ее механической очистки.
К физико-химическим методам очистки сточных вод относятся сорбция, экстракция, эвапорация, коагуляция, флотация, электролиз, ионный обмен, кристаллизация и др [4].
Для выполнения биологической очистки используются сооружения, которые выполнены в виде одного компактного блока, включающие в себя несколько ярусов отстойников и секционированные аэротенки, которые рассчитаны на большой процент ила. Производительность такого сооружения составляет 100 тыс. м³ в сутки. Данный блок выполняет полную очистку, в также тепловую обработку промышленных и бытовых сточных вод [8].
Биологическая очистка проходит в два этапа, между которыми проходит озонирование, а также включает в себя использование физико-химических методов доочистки сточных вод.
Сточные воды, которые загрязнены химически, должны проходить биологическую очистку, а после этого смешиваться с бытовыми и хозяйственными сточными водами и направляться на вторичную биологическую очистку. После этого проводится озонирование, хлорирования и обработка ингибитором. И только потом очищенная вода может направляться в систему оборотного водоснабжения.
Для того чтобы термически обезвредить сточные воды путем концентрирования и получения сухого остатка с последующим его сжиганием, используются выпарные аппараты, печи, распылительные сушилки, скрубберы (Вентури), аппараты с кипящим слоем материала и клисталлизаторы [9].
В том случае, если необходимо концентрирование сточных вод, используются выпарные одноярусные и многоярусные аппараты, которые могут иметь принудительную или естественную циркуляцию. С помощью таких аппаратов можно концентрировать радиоактивные сточные воды или сульфатные щелоки.
Адсорберы, имеющие подвижный и неподвижный слой адсорбента, применяются для удаления минеральный и органических соединений со сточных вод.
В случае, когда необходимо удалить из сточных вод растворенные органические жидкости, используются перегонные аппараты и ректификационные колонны.
Сточные воды большинства химических производств содержат летучие неорганические вещества, такие как аммиак, сероуглерод, сероводород и другие. Для выделения растворенных в сточных водах газов применяют десорберы, которые могут быть пенными, насадочными, барботажными или распылительными [10].
Аппараты воздушного охлаждения применяются в установках для охлаждения сточных вод.
Осадки бытовых и производственных сточных вод в некоторых отраслях промышленности являются хорошим удобрением и используются в сельском хозяйстве.

2. Типы центрифуг.

Фильтрующая центрифуга представляет собой аппарат периодического действия. Основной ее частью является перфорированный барабан, насаженный на вращающийся вал. На этом барабане находится фильтровальная ткань. Между тканью и барабаном, как правило, помещают дренажную сетку.
Суспензия загружается в барабан сверху, после чего он приводится во вращение. Фильтрат при помощи центробежной силы проход через осадок, а также через фильтрованную перегородку и перфорацию барабана. После этого он попадает на кожух и выводится из системы. После того как процесс фильтрации окончен, происходит выгрузка осадка из барабана вручную [5].

Различают следующие типы центрифуг:

1. Фильтрующие – для разделения сравнительно грубодисперсных суспензий.

2. Отстойные и осветляющие – для разделения плохо фильтрующихся суспензий, осветления суспензий небольшой концентрации.

3. Разделяющие (сепарирующие) – для разделения эмульсий.

4. Комбинированные, в которых сочетаются два принципа разделения- осаждение с последующей фильтрацией или фильтрация с последующим осаждением в центробежном поле.

Среди отстойных центрифуг для очистки сточных вод наибольшее распространение получили центрифуги типа ОГШ - осадительные горизонтальные со шнековой выгрузкой. Центрифуги типа ОГШ предназначены для разделения суспензий с твердой фазой объемной концентрацией от 1 до 40 %, размером частиц свыше 5мкм, разностью плотностей твердой и жидкой фазы более 0,2 кг/ дм³[10].

Под действием центробежной силы суспензия разделяется, и на стенках ротора осаждаются частицы твердой фазы. Осветленная жидкость течет к сливным окнам, переливается через сливной порог и выбрасывается из ротора. Диаметр сливного порога можно регулировать сменными заслонками и поворотными шайбами. Частоту вращения ротора можно изменять сменой шкивов [7].

Технологический режим в центрифугах типа ОГШ регулируют изменением скорости подачи суспензии и частоты вращения ротора, а также изменением величины диаметра сливного порога.

Глава ΙΙ. Объект и методы исследования. Результаты исследования

Исследование проводилось на базе Ярославского Государственного Технического университета г. Ярославля.

Объектом исследования явился рабочий раствор, состоящий из 2 г каолина, растворённых в 1 л воды.

Исследование проводилось в феврале 2017 года.
Для исследования очистки воды от взвешенных частиц использовался метод центрифугирования.

Описание установки:

Работа проводится на центрифуге типа МРW - 6 ( Приложение 1)

Центрифуга состоит из следующих основных узлов:

1.Основной узел (1) с электродвигателем (4).

2.Верхняя часть (2) с крышкой (3).
3.Пульт управления с тиристорным регулятором числа оборотов (20).
Основание центрифуги состоит из нижнего кожуха (1), электродвигателя (4), горизонтального ротора (5), четырех стаканов (6) с пробирками (8). Ротор огражден чашей (23) из алюминиевого листа, стальным защитным кольцом (24) и верхним кожухом (2). Верхняя часть центрифуги состоит из следующих элементов: верхнего кожуха (2), крышки (3), замка (10) и микросвитча (25), который отключает питание, если крышка поднята.
На лицевой плите (14) пульта управления находятся следующие приборы, предназначенные для пуска, управления и контроля работы центрифуги:

- выключатель временной (18),

- регулятор числа оборотов (20),

- индикатор числа оборотов (15),

- контрольная лампа (27),

- выключатель (26).

Методика проведения анализа:

1. Приготовить рабочий раствор. Для этого необходимо тщательно смешать 2 г каолина в 1 л воды.

2. В две пробирки вместимостью 25 мл налить 20 мл рабочего раствора. Пробирки уравновесить на технических весах Пару пробирок установить в противоположных гнездах рабочих колес (4,5). Крышку (6) закрепить на рабочих колесах с помощью специальной гайки (19). Закрыть крышку центрифуги (2).

3 Включить штемпельную вилку в заземленную розетку электросети 220в / 50 гц. Часовой выключатель установить на требуемое время работы. Путем поворота воротка регулятора оборотов постепенно установить необходимую скорость вращения.

4 После полного останова центрифуги открыть крышку (2), открутить специальную гайку (19), снять крышку (6), аккуратно достать пробирку с очищаемой водой.

5. С помощью пластмассовой пипетки отобрать с верха пробирок очищенную воду (20 мл) в стаканчик. Остальное содержимое пробирки тщательно перемешать с помощью стеклянной палочки и слить в специальную склянку.

6. Провести опыты, варьируя число оборотов (1000 - 3000 об/мин) (Приложение 3).

7.Определить на фотоколориметре оптическую плотность очищенной воды и по градуировочному графику концентрацию каолина в очищенной воде.

8. Определить эффективность очистки воды от каолина

Э = (С₁ – С₂ ) 100 / С₁,

где С₁ и С₂ – концентрация каолина в воде с исходной и очищенной воде,

мг/ дм³

9. Рассчитать производительность центрифуги

G = V n / ( ₁+ ₂ ),

где V – вместимость пробирки, м³,

n - число пробирок в центрифуге

₁ и ₂ – время работы и перезарядки центрифуги, ч

10. Рассчитать фактор разделения центрифуги по формуле 1.

11. Результаты эксперимента внести в таблицу ( Приложение 2)

В результате проведения методики мы выяснили, что эффективность очистки сточных вод методом центрифугирования может дойти до 80%. При этом эффективность очистки зависит от скорости вращения центрифуги и варьируется от 30% при скорости вращения 1000 оборотов в секунду до 80% эффективности при скорости вращения 3000 оборотов в секунду.

Заключение
Центрифугирование – это воздействие на вещества путем сверхскоростного вращения в специализированном аппарате. По сравнению с прочими методами, направленными на разделение отдельных субстанций, такими как фильтрование или отстаивание, центрифугирование дает возможность получать осадок с минимальным показателем влажности. Еще одним важным преимуществом центрифугирования выступает возможность его выполнения при помощи аппаратуры малых объемов и габаритов. Единственным недостатком метода выступает высокая энергоемкость приборов.
В настоящее время метод находит свое применение при необходимости выделения осадков растворов, очищения жидкостей, разделения компонентов биологически активных и химических веществ. Метод центрифугирования активно используется в химической, нефтяной, атомной, пищевой промышленности, а также в медицине.
В процессе исследования, гипотеза подтвердилась - метод центрифугирования очистки сточных вод от взвешенных частиц является достаточно эффективным и может доходить до 80%.

Исходя из результатов исследования, можно сделать следующие выводы:

1. Для очистки сточных вод от взвешенных веществ применяют различные методы очистки: осаждение, фильтрация, флотация, центрифугирование.

2. Метод центрифугирования позволяет снизить концентрацию коалина от 50 мг/ дм³ в исходном растворе до 9,8 мг/ дм³ коалина при центрифугировании.

3. Эффективность очистки зависит от скорости вращения центрифуги и варьируется от 30% при скорости вращения 1000 оборотов в секунду до 80% эффективности при скорости вращения 3000 оборотов в секунду.

Мы планируем продолжить исследование, изучив эффективность очистки сточных вод от взвешенных частиц методом центрифугирования, увеличивая время центрифугирования не меняя скорости. А также познакомиться с другими методами очистки сточных вод.

Список использованной литературы:

1. Арустамов Э.А., учебник «Экологические основы природопользования», СПО, 2007 - 320 с.

2. В. Воронов. Охрана окружающей среды: «Нюанс». Ярославль, 2009. - 160 с.

3. И.Ф. Ливчак, Ю.П. Жариков. Регулирование качества окружающей среды, Владивосток, “Дальнаука”, 2009. - 237 с.

4. Миланова Е.В., Рябчиков А.М. Использование природных ресурсов и охрана природы. М.: Высш.шк., 2004.

5. Морозова Т.Г. «Региональная экономика», Москва, изд. «ЮНИТИ-ДАНА», 2008

6. Очистка производственных сточных вод: Учеб. Пособие для вузов/ С.В. Яковлев. Я.А. Карелин, Ю.М ласков, Ю.В. Воронов; Под ред. С.В. Яковлева.- 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 2000 – 335 с.

7. Е.В. Подосенова. Технические средства защиты окружающей среды. 2004 – 174 с.

8. Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.2. – Калуга: Издательство Н Бочкаревой, 2003.- 884 с.

9. www.xumuk.ru - электронная энциклопедия.

10. http://studopedia.ru/ - энциклопедия для школьников и студентов.

Приложение 1

Устройство центрифуги типа МРW – 6.

Приложение 2

Результаты эксперимента

Приложение 3

6