Ученые ТПУ разработали модель очистки промышленных стоков с учетом состава примесей

Ученые Томского политехнического университета и Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН исследовали поведение примесей, характерных для стоков металлургических и целлюлозно-бумажных предприятий. Результаты опубликованы в журнале Powder Technology. Работа поддержана грантом Министерства науки и высшего образования.

Почему состав стоков влияет на очистку

Отстаивание — одна из первых стадий очистки промышленных сточных вод. В резервуаре тяжелые частицы оседают, а легкие жидкие примеси всплывают. Однако в реальных стоках загрязнения взаимодействуют: твердые частицы могут объединяться, а капли жидкостей — сливаться. Поэтому расчеты для отдельных частиц не всегда точно описывают поведение смеси.

Исследователи изучили диспергированную древесину, сульфат железа, керосин, хлорид натрия и карбонат натрия. Сначала они проверяли свойства каждой примеси отдельно, затем — многокомпонентных смесей. В экспериментах оценивали кислотность, осаждение твердых частиц и разделение жидких компонентов.

Повышение концентрации заметно замедляло очистку. При увеличении массовой доли примесей с 0,5 до 5 % скорость осаждения древесных частиц снижалась на 73–74 %. Скорость разделения керосина и воды при таком же изменении концентрации уменьшалась более чем в 150 раз.

Температура действовала иначе: повышение температуры суспензии 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.

Что позволяет рассчитать новая модель

По словам инженера-исследователя лаборатории тепломассопереноса ТПУ Михаила Микулича, разработанная модель показывает распределение концентрации примесей по высоте резервуара и время, необходимое для осветления воды. Она учитывает стесненное осаждение — ситуацию, когда частицы мешают друг другу опускаться, — и взаимодействие жидких примесей.

При сравнении с результатами исследований расчет по классической формуле Стокса завышал скорость осаждения на 25–30 %. Разработанная модель позволила снизить отклонение до 15 %. Расчеты также показали, что увеличение концентрации примесей с 0,5 до 10 % по массе удлиняло время осаждения в 1,9–2,2 раза.

Ученые оценили и влияние размеров резервуара. В исследованных условиях наилучшие характеристики осаждения получили при глубине 3,3 м и радиусе 10 м. Основная масса осадочного слоя формировалась в первые два часа. Эти параметры относятся к проведенным расчетам, а не к универсальным требованиям для промышленных отстойников.

Значение для металлургии и переработки

Для металлургических предприятий и перерабатывающих производств, где образуются подобные стоки, работа важна прежде всего как инструмент расчета водоочистки. Более точная оценка времени отстаивания может помочь подбирать режим работы оборудования с учетом состава воды и нагрузки на следующие стадии очистки. При этом исследование не дает оснований оценивать экономию затрат или прямое влияние на рынок металлолома.

Следующим этапом станет изучение испарения капель как метода термической очистки. Ученые планируют учитывать состав и концентрацию загрязнений, которые остаются в воде после отстаивания.

Фото: ТПУ (https://tpu.ru/)