Технологическая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов

Д. В. Павлов, канд. техн. наук, координатор проекта Технопарка РХТУ

С. О. Вараксин, канд. техн. наук, директор Технопарка РХТУ

Р. Н. Васильев, генеральный директор ЗАО «Стройтехпроект»

Защита водных ресурсов от их истощения и загрязнения – одна из наиболее важных экологических задач. Вслед за ее осознанием приходит понимание важности изменения производственных технологий и внедрения эффективных методов очистки сточных вод. В данной статье мы рассмотрим применение наилучших доступных технологий очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ и особенности построения очистных сооружений (ОС) на их основе.

Одними из наиболее существенных загрязнений водных ресурсов являются нефть и нефтепродукты. Источниками загрязнения водных объектов нефтепродуктами являются нефтепроводы, нефтеперерабатывающие установки, нефтебазы, перекачивающие станции и наливные пункты, предприятия морского, автомобильного и железнодорожного транспорта. Серьезную опасность представляют органические вещества, широко применяющиеся в гальваническом производстве. Это, в первую очередь, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и ароматические углеводороды.

По природе возникновения и накопления органические загрязнения условно разделяются на технологические и эксплуатационные. Технологические загрязнения попадают на поверхность изделий в процессе их изготовления: органические кислоты, смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), полировальные пасты, консервационные смазки и др. Эксплуатационные – в процессе эксплуатации технологического оборудования.

В процессе эксплуатации оборудования на деталях возникают масляные и смолистые загрязнения, нагары, очистка от которых необходима во время ремонта и профилактического ухода. При термической обработке на детали изделий попадают масло и глицерин, а при хранении на складах – консервационные смазки. К эксплуатационным загрязнениям относятся также органоминеральные, асфальто-смолистые загрязнения, нагар, накипь, продукты коррозии и другие вещества, контактирующие с изделием во время его использования и транспортировки.

Органические загрязнения с трудом поддаются разложению, замедляя в то же время биологические процессы в водоемах, имеющие решающее значение для самоочищения поверхностных вод.

Влияние нефтепродуктов, масел, жиров и ПАВ на процессы очистки сточных вод заключается в снижении эффективности отстаивания (уменьшении скорости оседания взвешенных веществ), торможении биохимических процессов в сооружениях биохимической очистки, в интенсивном пенообразовании. Попадая в водные объекты, эти вещества изменяют органолептические свойства воды (вкус, цвет, запах), затрудняя ее использование для питьевых и хозяйственных целей. Нефтепродукты и ПАВ образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газовому обмену между водой и атмосферой, снижая степень насыщения воды кислородом, что приводит к нарушению экосистемы в водоемах [1, 2].

Применяемые в настоящее время методы обезвреживания стоков транспортных предприятий не обеспечивают достижение необходимой степени очистки и/или характеризуются сложными технологическими схемами. Наиболее перспективным представляется использование флотационных и мембранных методов, которые имеют ряд преимуществ: упрощение технологической схемы, простоту автоматизации, сокращение производственных площадей, уменьшение количества образующихся осадков. Электрофлотационный метод является перспективным направлением в технологии очистки сточных вод, т. к. позволяет корректировать физико-химические свойства обрабатываемой воды, извлекать взвешенные вещества и эмульсии, является экологически чистым, исключающим вторичное загрязнение воды [3–5].

Для транспортных предприятий, автозаправочных станций, моек различных видов производственного оборудования, автотранспорта и подвижного состава, сточные воды которых содержат нефтепродукты, отнесенные к классу особо опасных и жестко регламентируемых нормативами предельно-допустимых концентраций (ПДК), специалистами Технопарка РХТУ им. Д. И. Менделеева разработаны и запущены в производство модульные установки очистки воды (МУОВ). Преимущества данных установок – компактность, надежность в эксплуатации, простота монтажа, обслуживания и автоматизации, минимальные эксплуатационные затраты.

Технологическая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов Р – реактор-коагулятор; Е – накопительные емкости и усреднители; Н – насосы; Д/НД – установка приготовления и дозирования реагентов; ЭФ – электрофлотатор; Ф1-Ф2 – фильтры

Технологическая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов с применением комбинирования электрофлотации, фильтрации и сорбции представлена на рис. 1. Основные технико-экономические преимущества ОС, построенных по данной схеме:

• отсутствие эксплуатационных затрат на замену растворимых электродов, в отличие от электрокоагуляторов, и, соответственно, отсутствие вторичного загрязнения воды и твердых отходов ионами железа и/или алюминия;
• отсутствие отстойников и, следовательно, малые занимаемые площади;
• длительный срок службы конструкционных материалов: полипропилен до 50 лет, нерастворимые электроды до 10 лет;
• высокое качество очистки сточных вод (табл. 1), в том числе от органических добавок (добавки к СОЖ, ПАВ) и, следовательно, снижение эксплуатационных затрат на приобретение сменной загрузки сорбционных фильтров (срок службы сорбента не менее года) при доочистке воды до ПДК РХ либо сброса на рельеф.

Очистные сооружения вагоноремонтного депо производительностью 5 м 3 /ч, Воронеж

В табл. 1 представлены среднестатистические данные по очистке сточных вод предприятий по мойке и ремонту морского, автомобильного и железнодорожного транспорта, ливневых сточных вод нефтебаз, полученные обобщением показателей эксплуатируемых на территории РФ очистных сооружений, спроектированных и построенных специалистами РХТУ им. Д. И. Менделеева на основе комбинирования электрофлотации (ЭФ), фильтрации (МФ) и сорбции (СФ).

Данные табл. 1 свидетельствуют о получении очищенной воды высокого качества как для повторного использования в технических целях, так и для сброса в соответствии с жесткими требованиями ПДК.

Представленная в статье универсальная технология успешно реализована на ОС промышленных и транспортных предприятий Москвы, Воронежа и города Ливны. Очистные сооружения обеспечивают глубокую очистку сточных вод от взвешенных до уровня 0,1 мг/л, нефтепродуктов до 0,05 мг/л. Внедрение представленной технологии повышает рентабельность эксплуатации ОС и создает возможность организации оборотного водоснабжения транспортных предприятий.

Кроме того, за счет модульности исполнения очистных сооружений можно увеличивать производительность ОС в случае расширения производственных мощностей предприятия без замены существующего оборудования.

В структуре продуктов загрязнения водных ресурсов нефть и ее производные занимают «почетные» лидирующие позиции. Образуя на поверхности водоемов пленку, органические углеводородные соединения препятствуют нормальному газообмену.

Снижение содержания кислорода в воде способствует деградации и гибели природных источников. Гниение осадков, загрязненных органическими отходами, продуцирует появление токсичных соединений, делающих воду непригодной даже для технических нужд.

Выход из сложившейся ситуации — повышение качества очистки стоков от вредных нефтесодержащих продуктов. Технологии удаления из сточных вод нефтепродуктов включают механические, физико-химические и биологические методики, применяемые как отдельно, так и в комплексе.

Механический способ

Механическая очистка от нефтепродуктов проводится в комплексе с другими способами.

Исключения составляют случаи, когда механически очищенные стоки пригодны для повторного технологического использования.

Для механической очистки стоков от нефтепродуктов используются методы:

• отстаивания;
• удаления нефтепродуктов с помощью центробежного ускорения;
• механической фильтрации.

При использовании этих методов в среднем удается отделить до 65% твердых частиц нефтепродуктов.

Стадия отстаивания

Во время отстаивания органические частицы с плотностью большей, чем плотность воды, опускаются вниз, а частицы с меньшей плотностью поднимаются на поверхность.

Такой принцип работы характерен для:

Конструктивно бывают отстойники статического и динамического типов. В первом случае процесс очистки происходит путем выдерживания стоков в спокойном состоянии в течение от нескольких часов до суток.

В динамическом отстойнике отделение твердых частиц нефтепродуктов происходит в движущемся потоке. На практике применяются динамические отстойники горизонтального и вертикального видов.

Процесс центрифугирования

Центрифугирование или удаление производных нефти с использованием принципа центробежного ускорения основывается на применении гидроциклонов.

Водный поток под давлением направляется в аппарат.

Воздействия центробежных сил вызывает оседание твердых составляющих нефтепродуктов, а очищенная вода выводится через отводную трубу.

Механическая фильтрация

Способ эффективный при необходимости устранения вязких частичек нефти небольших размеров. С этой целью используются материалы зернистой, пористой текстуры либо специальные сетки, так называемые тканевые фильтры.

Принцип действия данного метода основан на способности пористых материалов задерживать частицы углеводородной органики текучей консистенции.

Конструктивно такие фильтровальные станции представляют собой вращающиеся барабаны диаметром до 3 м, с закрепленными в них фильтрующими экранами. Стоки поступают внутрь установки, проходят сквозь фильтрующие элементы, и передаются на следующую стадию очистки.

Еще один метод фильтрации – применение фильтрующих элементов каркасного типа.

Рабочим наполнителем фильтра служат:

• речной песок;
• антрацитный уголь;
• керамзитовые окатыши разных калибров;
• шлаки, в виде отходов металлургического производства;
• различные синтетические материалы, например пенополистирол.

Виды физико-химических методов удаления нефтесодержащих продуктов

В основе методики лежат физико-химические свойства нефтесодержащих веществ переходить в состояния, удобные для их извлечения из стоков.

Наибольшее распространение получили:

Удаление при помощи флотационных пузырей

Флотация предполагает прилипание взвешенных коллоидных частичек нефтепродуктов к искусственно созданным воздушным пузырькам, с последующим их всплыванием и удалением с поверхности.

Способы создания флотационных пузырьков:

1. Вакуумная флотация – при понижении давления в очистной камере в стоках образуются воздушные пузырьки, которые захватывают частицы отходов и выносят их на поверхность.
2. Напорная флотация – включает две фазы. Первая – принудительное насыщение стоков воздухом. Вторая — фаза подъема и удаления с поверхности пузырьков и «прицепившихся» к ним шламовых масс.
3. Создание флотационных пузырьков и их калибровка при помощи пористых материалов.
4. Электрическая флотация – принципиальное отличие заключается в том, что насыщение стоков пузырьками происходит за счет работы электрофлотатора.

Сорбционное удаление

Поглощение растворенных в стоках нефтесодержащих соединений посредством поверхности сорбента, помещенного в фильтр – называют сорбцией.

Данный метод является одним из наиболее эффективных способов удаления органических соединений, в том числе продуктов нефтепереработки.

Работа сорбционных фильтров базируется на правилах адсорбции — удержания молекул загрязнителя на поверхности твердого вещества.

В качестве сорбента используются материалы с пористой поверхностью:

• торф;
• коксовый уголь;
• различные виды силикатных глин;
• активированный уголь.

Метод коагуляции

Данный процесс очистки связан с использованием химических реагентов – коагулянтов.

Принципиальная схема работы метода:

1. Попадая в сточные воды, активные коагулянты воздействуют на мелкодисперсные примеси нефтепродуктов.
2. Фаза образования флокул – слипания мелких частиц органических примесей в хлопьевидные крупные скопления.
3. Процесс удаления крупных сгустков нефтепродуктов путем фильтрования или отстаивания.

В масштабах крупных очистных станций в качестве коагулянтов чаще используются различные соли железа и алюминия.

Устранение загрязнений, содержащих нефть методами химического воздействия

В основе методики химической очистки лежит способность некоторых химических веществ и соединений вступать в реакцию с нефтяными примесями, их производными, с дальнейшим их распадом на нейтральные составляющие.

Как правило, продукты таких реакций выпадают в осадок и удаляются из стоков механическим способом.

Наибольшее практическое применение получили такие химические элементы и соединения:

1. Кислород, его производное озон.
2. Реагенты на основе хлора, хлорная известь, аммиачные растворы.
3. Калиевые, натриевые соли хлорноватистой кислоты.

Наибольшее распространение получили два направления химической очистки, основанные на реакциях нейтрализации и окисления. В первом случае для снижения кислотности и щелочности применяется взаимная нейтрализация:

• добавление растворов кальцинированной соды, аммиака, извести;
• пропускание стоков через нейтрализующие реагенты – известняк, мел, доломит.

Окислительные реакции применяются для удаления токсичных примесей, представленных солями тяжелых металлов.

В качестве окислителя применяют:

• технический кислород;
• озон;
• соединения хлора, кальция и натрия.

В контексте очистки стоков от нефтепродуктов химические методы призваны:

• ослаблять коррозийную нагрузку на конструкции водопроводящих и очистных сооружений;
• создавать благоприятные условия для реализации биохимических процессов в биологических отстойниках и окислителях.

Биологические методы

Биологическая очистка сточных вод основывается на внедрении специальных видов бактерий, способствующих разложению органических веществ на безвредные в экологическом плане элементы.

Иными словами нефть и ее производные выступают основой рациона питания для некоторых микроорганизмов. Технологически такие процессы протекают в естественных или искусственно созданных биологических фильтрах.

Для этого используют:

• биологические пруды;
• поля фильтрации;
• поля орошения.

Упрощенно биофильтр представляет собой резервуар, заполненный фильтрующим материалом (щебень, керамзит, полимерная крошка и т.п.), поверхность которого заселяется активными микроорганизмами.

Стоки, проходящие через такой фильтр, очищаются от органических примесей и становятся пригодными для дальнейшего использования.

Схемы

Ниже вы можете ознакомиться со схемами очистки сточных вод от нефтепродуктов:

Интересное видео

Предлагаем посмотреть видео-сюжет по теме:

Заключение

В заключении отметим, что эффективность процесса очистки стоков от нефтепродуктов во многом зависит от комплексности и системности применяемых методов, взаимно дополняющих друг друга.

— применение очищенных сточных вод в технических процессах;

— минимальный сброс сточных вод в водоем.

Для очистки сточных вод используют очистные сооружения трех основных типов: локальные, общие и районные или городские.

На нефтебазах и насосных станциях трубопроводов применяют очистные сооружения общего типа, а в случае попадания в сточные воды особо вредных химических веществ — очистные сооружения локального типа. В зависимости от степени очистки сточных вод на очистных сооружениях локального или общего типа и характеристики водоема сточные воды либо направляют на районные или городские очистные сооружения, либо сбрасывают в водоем.

Очистные сооружения локального типа предназначены для обезвреживания сточных вод непосредственно после технологических цехов, имеющих вредные химические вещества, например после резервуарного парка технологических коммуникаций, насосных станций, хранящих и перекачивающих этилированные бензины. Применение таких установок дает возможность избежать необходимости пропускать сточные воды предприятия через установки для извлечения из воды определенных химических веществ.

Очистные сооружения общего типа предназначены для очистки всех нефтесодержащих вод нефтетранспортного предприятия. Обычно эти очистные сооружения включают механическую, физико-химическую и биологическую очистки. К сооружениям механической очистки относятся песколовки, нефтеловушки, отстойники, флотационные и фильтрационные установки и другие. На этих сооружениях удаляют грубодисперсные примеси. К сооружениям физико-химической очистки относятся флотационные установки с применением химических реагентов, установки с применением коагулянтов для коллоидных примесей. К сооружениям биологической очистки относятся аэротенки, биофильтры, биологические пруды и другие.

Для очистки сточных вод применяют реагентные методы: коагуляцию, флокуляцию, осаждение примесей, фильтрование, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, обратный осмос и др.

Очистные сооружения районного или городского типа предназначены в основном для механической, физико-химической и биологической очистки сточных вод. Если на эти очистные сооружения направляют производственные сточные воды, то в них не должно быть примесей, которые могут нарушить нормальный ритм работы канализации и очистных сооружений.

Эти производственные воды не должны содержать:

— взвешенных и всплывающих веществ в количестве более 500 мг/л;

— веществ, способных засорять трубы канализационной сети или отлагаться на стенках труб;

— веществ, оказывающих разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации;

— горючих примесей и растворенных газообразных веществ, способных образовывать взрывоопасные смеси в канализационных сетях и сооружениях;

— вредных веществ в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с учетом эффекта очистки).

Температура этих вод не должна превышать 40° С. Не допускаются залповые сбросы сильноконцентрированных сточных вод.

3 Методы очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов

Для очистки сточных вод от нефтепродуктов применяют:

Из механических практическое значение имеют отстаивание, центрифугирование и фильтрование; из физико-механических – флотация, коагуляция и сорбция; из химических – хлорирование и озонирование. Типовые технологические схемы очистки сточных вод от нефтепродуктов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурные схемы очистки сточных вод от нефтепродуктов.

3.1 Механическая очистка

Механическую очистку сточных вод от нефтепродуктов применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами.

Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования.

Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.

Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками.

Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и другие.

Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.

Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.

Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц 200-250 мкм. Необходимость предварительного выделения механических примесей (песка, окалины и др.) обуславливается тем, что при отсутствии песколовок эти примеси выделяются в других очистных сооружениях и тем самым усложняют эксплуатацию последних.

Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости.

Песколовки делятся на горизонтальные, в которых жидкость движется в горизонтальном направлении, с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, в которых жидкость движется вертикально вверх, и песколовки с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды. Последние в зависимости от способа создания винтового движения разделяются на тангенциальные и аэрируемые.

Самые простейшие горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапециидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25-1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Песколовки с круговым движением воды изготавливаются в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или отвал. Применяются при расходах до 7000 м 3 /сут. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Из опыта работы нефтебаз следует, что горизонтальные песколовки необходимо очищать не реже одного раза в 2-3 суток. При очистке песколовок обычно применяют переносный или стационарный гидроэлеватор.

Отстаивание — наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубо дисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности.

3.1.2.1 Статические отстойники

Нефтетранспортные предприятия (нефтебазы, нефтеперекачивающие станции) оборудуют различными отстойниками для сбора и очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Для этой цели обычно используют стандартные стальные или железобетонные резервуары, которые могут работать в режиме резервуара-накопителя, резервуара-отстойника или буферного резервуара в зависимости от технологической схемы очистки сточных вод.

Исходя из технологического процесса, загрязненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций неравномерно поступают на очистные сооружения. Для более равномерной подачи загрязненных вод на очистные сооружения служат буферные резервуары, которые оборудуют водораспределительными и нефтесборными устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и т.д. Так как нефть в воде находится в трех состояниях (легко-, трудноотделимая и растворенная), то попав в буферный резервуар, легко- и частично трудноотделимая нефть всплывает на поверхность воды. В этих резервуарах отделяют до 90-95% легко отделимых нефтей. Для этого в схему очистных сооружений устанавливают два и более буферных резервуара, которые работают периодически: заполнение, отстой, выкачка. Объем резервуара выбирают из расчета времени заполнения, выкачки и отстоя, причем время отстоя принимают от 6 до 24 ч. Таким образом, буферные резервуары (резервуары-отстойники) не только сглаживают неравномерность подачи сточных вод на очистные сооружения, но и значительно снижают концентрацию нефти в воде.

Перед откачкой отстоявшейся воды из резервуара сначала отводят всплывшую нефть и выпавший осадок, после чего откачивают осветленную воду. Для удаления осадка на дне резервуара устраивают дренаж из перфорированных труб.