Использование многостадийной модели флотации и разработка флотокомбайнов типа КБС для очистки воды

 
 
 
 
 

Б.С. Ксенофонтов 

 

Использование многостадийной модели 
флотации и разработка флотокомбайнов 

типа КБС для очистки воды 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 622.765.063  
ББК И43 + Н761.204.34 
К86 
 
 
 
Ксенофонтов, Б. С. 
Использование многостадийной модели флотации и разработка 
флотокомбайнов типа КБС для очистки воды. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. — 156, [4] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5220-0 

В предлагаемой вниманию читателей монографии впервые в отечественной 
и мировой литературе рассмотрена в широком аспекте многостадийная 
модель флотации, предложенная автором более 30 лет назад. Показаны 

возможности 
ее 
использования 
в 
различных 
направлениях 
флотационной очистки воды, сгущения осадков и обогащения полезных ископаемых. 
Широко освещены вопросы, касающиеся нового флотационного 
оборудования в виде флотокомбайнов, разработанных на основе модели 
многостадийной флотации. Указаны перспективы и пути интенсификации 
флотационных процессов очистки воды. 
Для широкого круга читателей, в том числе преподавателей вузов, 
научных сотрудников, аспирантов, магистров, бакалавров и студентов 
старших курсов. 
 
УДК 622.765.063  
ББК И43 + Н761.204.34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Б.С. Ксенофонтов, 2019 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-5220-0  
 
   МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019 

К86 

Оглавление 

Введение ........................................................................................................................ 4 
1. Многостадийная модель  флотации Ксенофонтова и ее приложения .................. 5 
2. Кинетика флотационного процесса  на основе многостадийной модели ........... 12 
2.1. Кинетика флотационного процесса  на примере ионной флотации .......... 12 
2.2. Кинетика процесса очистки сточных вод флотоотстаиванием .................. 13 
3. Моделирование процесса  электрофлотационной очистки сточных вод ........... 21 
3.1. Теоретические основы электрофлотационного процесса ........................... 21 
3.2. Электрофлотация на водороде ...................................................................... 24 
3.3. Электрофлотация на кислороде .................................................................... 26 
3.4. Электрофлотация на водороде и кислороде ................................................ 28 
4. Модели сложных процессов очистки сточных вод и флотокомбайны ............... 36 
4.1. Модели сложных флотационных процессов очистки сточных вод ........... 36 
4.2. Моделирование процессов во флотокомбайнах .......................................... 46 
4.3. Обобщенные модели флотационных процессов ......................................... 55 
5. Интенсификация флотационных процессов и новое оборудование ................... 64 
5.1. Интенсификация процесса напорной флотации с использованием 
углекислого газа .................................................................................................... 64 
5.2. Основы процессов очистки сточных вод  во флотоотстойниках ............... 72 
5.3. Интенсификация очистки сточных вод  с использованием 
комбинированной флотационной техники ......................................................... 80 
5.4. Очистка сточных вод во флотоколоннах ..................................................... 89 
5.5. Использование струйных и эжекционных аэраторов  для очистки  
сточных вод ........................................................................................................... 95 
5.6. Эжектор в качестве смесителя реагента со сточной водой ...................... 105 
6. Практическое применение флотационных машин  с различной системой 
аэрации ................................................................................................................. 121 
7. Проблемы обезвоживания осадков ...................................................................... 133 
8. Возможности использования напорных флотаторов  для сгущения  
и инактивации биомассы активного ила ........................................................... 137 
9. Опыт и перспективы использования флотационных колонн в процессах 
обогащения полезных ископаемых и очистки сточных вод  
при использовании оборотных систем водопользования ................................ 144 
Заключение ................................................................................................................ 154 
Литература ................................................................................................................. 155 
 

 
 

Введение  

Использование флотационной техники в практике очистки воды мо-
жет быть значительно расширено при развитии научных основ этого 
процесса и разработке на этой базе методики расчета флотационной тех-
ники [1–22]. В этой связи автором в течение последних более чем трех 
десятилетий разрабатывается новый подход к решению задач этого 
направления [1, 2]. При этом не только формируются теоретические ос-
новы этого процесса, но и развивается аппаратурное оформление на этой 
новой научной базе, а именно с применением многостадийной модели 
флотации, предложенной автором в 1987 г. [3]. В дальнейшем развитие 
многостадийной модели осуществлялось практически для всех использу-
емых в практике очистки воды способах флотации, а также в процессах 
сгущения осадков сточных вод, в том числе избыточного активного ила, 
и частично в технологии обогащения полезных ископаемых. Использова-
ние многостадийной модели изменило технологический подход во фло-
тационной технологии от фрагментарного к непрерывному, начиная от 
кондиционирования очищаемых сточных вод и сгущаемых осадков и 
кончая финишными стадиями доочистки сточных вод и обезвоживания 
осадков. 
Следует особо отметить разработку на этой научной базе нового вида 
флотационного оборудования — флотокомбайнов, в том числе типа КБС, 
в которых осуществляются не только процессы очистки воды, но и пред-
варительное сгущение осадков сточных вод [22–25]. В целом следует 
отметить, что использование научной базы при ее реализации позволит 
существенно повысить эффективность очистки воды и решить проблему 
предварительного сгущения осадков сточных вод [26–39]. 
Автор надеется, что при правильном применении многостадийной 
модели флотационная технология очистки сточных вод, сгущения осад-
ков и обогащения полезных ископаемых станет заметно эффективнее. 

1. Многостадийная модель  

флотации Ксенофонтова и ее приложения 

Известно достаточно много моделей флотационного процесса [1, 2, 22], 
но особо следует отметить модель, разработанную профессором И.О. Бело-
глазовым. Согласно этой модели процесс флотации рассматривается по ана-
логии с простой химической реакцией первого порядка (рис. 1.1). 
Уравнение процесса флотации по Бе-
логлазову имеет вид 

                             
0e
,
k
C
C
 

 
            (1.1) 

где С и С0 — концентрации загрязнений в 
текущий и начальный моменты соответ-
ственно; k — константа, характеризующая 
скорость флотационного процесса; τ — 
время, 

 

0

1,5
.
qE
k
k D

 
 (1.2) 

Здесь q — скорость барботирования; E — эффективность захвата частиц 
всплывающим пузырьком газа при флотации; k0 — фактор полидисперс-
ности пузырьков; D  — средний диаметр пузырьков во флотационной 
ячейке. 
Существенные недостатки такого подхода: 
• флотокомплекс не рассматривается в качестве объекта исследования; 
• отсутствует зависимость образования пенного продукта от времени; 
• не в полной мере указаны факторы, влияющие на кинетику процесса. 
Устранение этих недостатков и наиболее полное описание процесса 
флотации было предложено Б.С. Ксенофонтовым в середине 80-х годов 
XX в. [1–3, 22]. Согласно этому подходу процесс флотации рассматрива-
ется по аналогии со сложной химической реакцией первого порядка. 
Следует особо отметить, что разработка автором этой модели началась 
с дискуссии в 70–80 годах ХХ в. между автором и проф. В.И. Клас- 
сеном, который утверждал, что модель Белоглазова неплохо описывает 
экспериментальные данные. Однако твердым убеждением автора было и 

 

Рис. 1.1. Схема процесса  
флотации по Белоглазову: 

 — пузырек воздуха;  

 — частица загрязнения 

остается непреклонным, что в основе модели флотационного процесса 
должен быть флотокомплекс частица – пузырек. Это и было положено в 
основу предложенной модели, впервые опубликованной в 1987 г. [3].  
В различных дискуссиях автора с оппонентами рассматривались также 
различные частные случаи моделей, предложенных особенно молодыми 
исследователями, которые претендовали на оригинальность подхода, но 
затем выяснялось, что это частные случаи модели автора, так как в них был 
заложен главный признак — существование флотокомплекса частица — 
пузырек. Далее при изложении материала будут рассмотрены всевозмож-
ные случаи модели автора с рассмотрением не только главного признака 
модели — флотокомплекса частица – пузырек, но и другие, например, об-
ратимость отдельных стадий флотацонного процесса и др. При этом со-
гласно автору [3] прослеживается тесная аналогия между предложенной 
моделью и сложной химической реакцией, где главным объектом является 
промежуточный продукт (комплекс). Исследования автора в течение более 
30 лет убедительно подтвердили это.  
Простейший случай флотационного процесса согласно модели Ксе-
нофонтова представлен на рис. 1.2, а более общий случай — на рис. 1.3. 
 

 
 

Рис. 1.2. Простейший случай  
флотационного процесса со-
гласно модели Ксенофонтова 

Рис. 1.3. Общий случай фло-
тационного процесса соглас-
но модели Ксенофонтова 

Для простейшего случая система уравнений имеет следующий вид: 

 

1

1
3

3

;

;

.

A
A

B

A
B

С
B

dC
k C
dt
dC
k C
k C
dt
dC
k C
dt

 






 
(1.3) 

Для общего случая система уравнений имеет следующий вид: 

 

1
2
5
6

1
2
3
4

5
6
3
4

;

;

;

A

A
B
C
A

B

A
B
B
C

С
C
A
B
C

dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt

 









 




 
(1.4) 

 
1
0

1,5
,
qE
k
k D

 
(1.5) 

где q — скорость барботирования; E — эффективность захвата частиц 
всплывающим пузырьком газа при флотации; k0 — фактор полидисперс-
ности пузырьков; D  — средний диаметр пузырьков во флотационной 
ячейке. 
Определение и расчет констант k2–k6 впервые было дано Б.С. Ксено-
фонтовым [3, 4, 19]: 

 
2
1
2
ф
a
пп ,
k
AC G M C

  
(1.6) 

где А — безразмерный коэффициент; 
ф
C  — концентрация флотоком-

плексов частица — пузырек; 
a
G  — градиент скорости в зоне аэрации, 
определяемый отношением разностей скоростей к разности расстояния 
между рассматриваемыми точками; M — отношение диаметра частицы к 
диаметру пузырька; 
пп
C
 — концентрация пузырьков в подпенном слое;  

 
под
3
,
k
h



  
(1.7) 

где 
под

 — скорость подъема флотокомплекса; h — расстояние от зоны 
аэрации до пенного слоя;  

 
3
4
п
п
ср ,
k
FG C d

 
(1.8) 

где F — коэффициент пропорциональности; 
п
G  — градиент скорости в 

подпенном слое; 
п
C  — концентрация пузырьков в пене; 
ср
d
 — средний 

диаметр пузырьков в пене;  

 
ос
5
,
k
h


 
(1.9) 

где 
ос

 — скорость осаждения частиц твердой фазы, выпадающих из 
пенного слоя; h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя;  

 

2
2

6
(
)
(
)
1
exp
exp
,
4
4
2

x
h
x
h
k
x
t
t
t











 

 


















 











 
(1.10) 

где t — время; x — текущее расстояние от границы пенного слоя;  — 
коэффициент диффузии частиц твердой фазы в жидкость; h — расстояние 
от зоны аэрации до пенного слоя.  
Решение системы уравнений (1.4) имеет вид, показанный на рис. 1.4.  
 

 

Рис. 1.4. Графическое решение системы уравнений 
флотационного процесса согласно модели 
Ксенофонтова. Зависимость концентрации  
                              загрязнений от времени:  
CA — в осветляемой жидкости; CB — в виде флото- 
              комплексов; CC — в пенном продукте 

Интенсификация флотационного процесса согласно многостадийной 
модели может быть достигнута рядом способов, в том числе путем коа- 
лесценции флотокомплексов с образованием пузырька более крупного 
размера, чем исходный (рис. 1.5). 
Система уравнений, описывающая этот случай, имеет следующий 
вид: 

 

1
2
5
6

1
2
3
4
7
8

;

;

A
A
B
C
A

B
A
B
B
C
B
D

dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
k C
k C
dt

 










 
(1.11) 

5
6
3
4
9
10

7
8
9
10

;

.

c
C
A
B
C
D
C

D
B
D
D
C

dC
k C
k C
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt

 










 
(1.11) 

Решение этой системы уравнений в графическом виде представлено 

на рис. 1.6 и 1.7. 

 

Рис. 1.5. Схема флотации с учетом явления  

коалесценции частиц загрязнений 

Другие различные варианты интенсификации флотационного процесса 
с использованием многостадийной модели рассмотрены в отдельных 
работах и описывают флотационный процесс, осуществляемый в конкретных 
условиях [26–37]. 
 

 

Рис. 1.6. Зависимость изменения концентрации 
гидрофобных 
загрязнений 
(нефтепродуктов)  

от времени флотации с учетом коалесценции:  
CA — в осветляемой жидкости; CB — в виде флото-
комлексов; CC — в пенном продукте; CD — в состоя- 
                    нии микрофлотокомплекса 

Рис. 1.7. Зависимость изменения концентрации 
взвешенных веществ от времени флота- 
              ции с учетом коалесценции:  
СА — в осветляемой жидкости; СВ — в виде флото-
комлексов; СС — в пенном продукте; СD — в состо- 
                 янии микрофлотокомплекса 

 

Рис. 1.8. Схема многостадийной модели ионной флотации: 

 — пузырек;    
 — собиратель;  
 — коллигенд 

Например, описание процессов ионной флотации на основе многостадийной 
модели [22, 32] можно представить в виде последовательности 
следующих состояний системы (рис. 1.8): 
• состояние А — ионы коллигенда и собирателя и газовые пузырьки 
существуют автономно; 

• состояние В — образование сублата в результате взаимодействия 
собирателя и коллигенда; 
• состояние С — образование флотокомплекса собиратель — газовый 
(воздушный) пузырек; 
• состояние D — образование флотокомплекса ион коллигенда — собиратель — 
газовый пузырек; 
• состояние E — образование пенного слоя, содержащего ионы кол-
лигенда и собирателя и газовые пузырьки; 
• состояние F — образование пенки, содержащей ионы коллигенда и 
собирателя без газовых пузырьков (концентрат сублата). 
Математическое описание флотационного процесса, показанного на 
рис. 1.8, может быть представлено следующей системой уравнений: 

 

1
2
3
4
15
16

1
2
5
6
13
14

3
4
7
8

5
6
7
8
9
10

9
10
11
12

11
12
13
14

;

;

;

;

;

A
A
B
A
С
A
F

B
A
B
B
D
B
F

С
A
C
C
D

D
B
D
C
D
D
E

E
D
E
E
F

F
E
F
B
F

dC
k C
k C
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
dt
dC
k C
k C
k C
k C
k
dt

 



































15
16
.
A
F
C
k C


 
(1.12) 

Предлагаемая система должна удовлетворять, по крайней мере, двум 
условиям, а именно в начальный момент времени концентрация колли-
генда на первой стадии равна исходной концентрации в растворе и в любой 
момент времени сумма концентраций коллигенда по всем стадиям 
равна его исходной концентрации. 
Использование многостадийной модели флотации позволяет научно 
обоснованно подойти к разработке новых видов флотационной техники. 
Одно из главных направлений развития флотационной техники — это 
создание более крупных и рентабельных машин. В последнее время произошел 
переход от принципов упрощения конструкций и механизмов к 
принципам, которые позволяют разделять и направлять потоки жидкости, 
обеспечивать внешний приток воздуха к большим установкам и таким 
образом использовать монокамеры большого объема.