Охрана поверхностных и подземных вод

Нерастворимые частицы, состоящие из большого числа атомов или молекул,

образуют дисперсную фазу, а вода, в которой они распределены, - дисперсную

среду. Фаза представляет собой совокупность однородных частей системы,

одинаковых по составу и физико-химическим свойствам, и отделенных от других

частей системы поверхностью раздела. [З].

Существование поверхностей раздела является обязательным признаком

гетерогенных систем. Особые свойства и строение пограничных межфазных

слоев, обладающих в высокодисперсных системах большой свободной

поверхностной энергией, в значительной степени определяют поведение таких

систем, их агрегативную и кинетическую устойчивость. Величина межфазной

поверхности зависит от размера частиц дисперсной фазы - чем меньше размер

частиц, тем больше удельная поверхность и тем сильнее влияние поверхностных

явлений на свойства системы.

Крупные частицы примесей - тяжелые смолообразные нефтепродукты

кинетически неустойчивы, не образуют с водой устойчивых гетерогенных

систем, так как быстро оседают на дно под действием гравитационных сил.

Скорость седиментации зависит от формы частиц, соотношения силы тяжести,

приводящей к их осаждению, и силы трения, препятствующей этому процессу.

Водные дисперсии, содержащие частицы размером более 10-3 см, обладают как

правило, полной кинетической неустойчивостью. При уменьшении размера частиц

до 10-4-10-5 см образуются гетерогенные системы, для которых характерна

сравнительно небольшая удельная поверхность дисперсной фазы, слабая

интенсивность теплового движения частиц и невысокая кинетическая

устойчивость.

Тонкодисперные частички нефти всплывают на поверхность, так как их

плотность меньше, чем плотность воды. Скорость движения воды в нефтеловушке

изменяется в пределах 0,005-0,01м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100

мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с.

Коагуляция применяется для удаления из воды коллоидно-дисперсных

частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. В процессе очистки сточных вод

коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ -

коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов,

которые быстро оседают под действием сил тяжести. Хлопья обладают

способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

Коллоидная система состоит из дисперсионной среды и дисперсной фазы.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного

электрического слоя. Одна часть двойного слоя фиксирована на поверхности

раздела фаз, а другая создает облако ионов, т. е. одна часть двойного слоя

является неподвижной, а другая подвижной (диффузный слой). Разность

потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в

объеме жидкости) называется дзета-потенциалом ( или

электрокинетическим потенциалом. Дзета-потенциал зависит как от

термодинамического потенциала Е (разность потенциалов между поверхностью

частиц и жидкостью), так и от толщины двойного слоя. Его значение

определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые

предохраняют частицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных

частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на поверхности

этих частиц, обуславливает высокую стабильность коллоидной системы. [I].

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить

величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов,

имеющих положительный заряд. При коагуляции происходит дестабилизация

коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их

смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и

стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку,

характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК - это биохимическая потребность в

кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических

процессах окисления органических веществ за определенный промежуток времени

(2-20 суток), в мг О2 на 1 мг вещества. ХПК - химическая потребность в

кислороде, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству

расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей,

содержащихся в воде. ХПК также выражается в мг О2 на 1 мг вещества. [I].

Для очистки промышленных сточных вод применяется процесс

биохимического окисления, т. е. разрушение органических веществ. Для подачи

промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения необходимым

условием является отсутствие в них ядовитых веществ и примесей солей

тяжелых металлов; рН=6,5-7,5; температура сточной воды не должна превышать

35°С; показатель БПК - не более 500 мг/л; взвешенных веществ - не более 100

мг/л; общее содержание солей - не более 10 г/л; нефтепродуктов - не более

25 мг/л; устойчивых ПАВ - не более 20 мг/л. Очистка осуществляется аэробным

методом, который основан на использовании аэробных групп организмов, для

жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода в

количестве 2-4 мг/л и температура воды 20-35°С. Контактируя с органическими

веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид

углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на

образование биомассы. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в

активном иле.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые

организмы представлены скоплениями бактерий. Субстрат, которого в активном

иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков

водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы

активного ила. Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную

систему, при рН=4-9, имеющую отрицательный заряд.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы

превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти

процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом

новых веществ с затратой энергии. Все реакции биохимического метаболизма

управляются по скорости при помощи биокатализаторов-ферментов. Клетки

микробов имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них постоянно

присутствуют, другие синтезируются в клетках вследствие каких-либо

изменений в окружающей среде, например, изменения состава или концентрации

загрязнений сточных вод.

4. Технологическая схема очистки воды.

На отечественных и зарубежных нефтеперерабатывающих заводах

общепринятая схема включает три стадии очистки: 1) механическая - очистка

от грубодисперсных примесей (твердых и жидких); 2) физико-химическая

-очистка от коллоидных частиц, обезвреживании сернисто-щелочных вод; 3)

биологическая -очистка от растворенных примесей. Кроме того, производится

доочистка биологически очищенных сточных вод.

На некоторых зарубежных заводах для очистки от растворенных примесей

используют сорбционный метод.

В табл.1 приведены данные о применяемых схемах очистки сточных вод на

ряде зарубежных заводов. [2].

Методы очистки производственных сточных вод, объединенные схемой,

размещаются в определенном порядке по принципу: последовательность очистки

- от простого к сложному. Т. е. сначала применяются методы для удаления

примесей I группы, затем - П и т.д. При этом контролируется содержание в

воде отдельно каждой группы примесей на всех стадиях очистки, так как

предыдущая стадия должна обеспечивать качество воды, которое позволит

использовать следующий метод очистки.

Учитывая вышесказанное и в соответствии с условием задания и

выбранными методами очистки от примесей I , П и Ш группы нами предлагается

следующая технологическая схема очистки промышленных сточных вод (рис.1).

В соответствии с предлагаемой схемой очистка промышленных сточных вод

включает три стадии.

Таблица 1

Схемы очистки сточных вод, применяемые на некоторых зарубежных НПЗ

|Предприятие, фирма, город, |Схема очистки сточных вод |

|страна | |

|НПЗ компании «Маратов Ойл |Нефтеловушки типа АНИ - реагентная |

|Ко», Техас-Сити, США |флотация |

|Пзфирмы «Атлантик Ричфилд», |Нефтеловушки типа АНИ - адсорбционная |

|Карлсон, США |установка |

|Завод фирмы «Хамбл Ойл», |Коагуляция-песчаные фильтры |

|Питсбург, США | |

|НПЗ компании «Америкэн Ойл |Нефтеловушки типа АНИ - аэрируемый пруд|

|Ко», Уаигинг, США |–реагентная флотация |

|НПЗ фирмы «Хамбл Ойл», |Нефтеловушки типа АНИ - пруд |

|Бейтаун, США |дополнительного отстоя – аэротенки |

| |–биологические пруды |

|НПЗ фирмы «Ситиз-Сервис», |Нефтеловушки типа АНИ - |

|Бронте, Канада |пруд-усреднитель-коагуляция-биофильтры |

| |- озонирование –аэротенки - песчаные |

| |фильтры |

|НПЗ фирмы «ЕНИ», |Нефтеловушки. С параллельными |

|Ингель-штадт, ФРГ |пластинами – коагуляция – биологическая|

| |очистка |

|НПЗ, Польян, Франция |Нефтеловушки с параллельными пластинами|

| |–биологическая очистка |

|НПЗ, Сан-Нарро, Италия |Реагентная флотация – биологическая |

| |очистка |

|НХК, Питешти, СРР |Нефтеловушки типа АНИ - коагуляция |

| |–биологическая очистка - сооружения |

| |доочистки |

На первой стадии осуществляется удаление нефтепродуктов и механических

примесей на нефтеловушках. Типовые Нефтеловушки представляют собой

горизонтальный прямоугольный отстойник. Тяжелые смолообразные продукты

выпадают в осадок. Всплывание нефти на поверхность воды происходит в

отстойной камере. Нефть удаляется через нефтесборные трубы. Скорость

движения воды в нефтеловушках изменяется в пределах 0,005-0,01 м/с. Для

частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с.

Горизонтальные Нефтеловушки имеют не менее 2-х секций. Ширина секций 2-3 м,

глубина отстаиваемого слоя воды 1,2-1,5 м , продолжительность отстаивания

не менее 2 часов. Остаточное содержание нефтепродуктов в воде составляет

100 мг/л.

После Нефтеловушки сточные воды подаются на физико-химическую очистку

от коллоидных нефтепродуктов при помощи процесса коагуляции.

флокулянт

коагулянт

иловая смесь

Сточные воды

Очищенная

Сточные воды

сточные воды

вода

2

ссссСс

очищенная

вода

Очишенная вода

4 5

1

шлам

активный ил

шлам

3 воздух

избыток ила

Рнс.1. Технологическая схема очистки ПСВ

1. Нефтеловушка. 2. Смеситель,

3. Коагулятор-осветлитель. 4. Аэротенк

5. Отстойник.

В процессе коагуляционной очистки происходит удаление из воды

коллоидно-дисперсных частиц диаметром менее 100 мкм и соосаждение

растворенных в воде примесей, поэтому уменьшаются значения ХПК и БПК

сточных вод.

В качестве коагулянта предлагается использовать смеси солей

трехвалентного железа FеС13+Fе2(SO4)3 в количестве 100 мг/л, приготовленные

путем обработки отходов производства диоксида титана хлорной водой. С целью

повышения эффективности очистки сточных вод совместно с коагулянтом

целесообразно использовать различные высокомолекулярные анионные

флокулянты: активную кремневую кислоту, полиакриламид, технический ПАА и

др. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в

пределах 0,4-1 г/м3.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из

следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточной водой;

хлопьеобразование и осаждение хлопьев. В предлагаемой схеме стадии

смешения, коагулирования и осаждения проводятся в одном аппарате

-коагуляторе-осветлителе (рис.2).

флокулянт[pic]

Рис.2. Коагулятор-осветлитель.

1-корпус, 2-желоб, 3-отверстия для удаления осветленной воды, 4-

воздухоотделитель, 5-центральная труба, 6-распределительные трубы.

Сточная вода, смешанная с коагулянтом, поступает в воздухоотделитель

коагулятора-осветлителя. Затем вода движется по центральной трубе к

распределительным трубам, которые заканчиваются соплами для

распределения и вращения в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт. Хлопья

коагулянта образуются в кольцевой зоне. Взвешенные частицы с хлопьями

оседают на дно и их удаляют из аппарата. Осветленная вода через отверстие

попадает в желоб, откуда ее направляют на дальнейшую очистку.

Остаточное содержание нефтепродуктов в воде не превышает 25 мг/л.

Третьей стадией очистки производственных сточных вод является

биологическая очистка от растворенных примесей в аэротенках. Аэротенк

представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для

принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкоридорные.

Глубина аэротенков 2-5 м.

Для сточных вод с БПКп=250 мг/л предлагается использовать

одноступенчатую схему очистки в аэротенке-вытеснителе.

В аэротенк-вытеснитель воду и ил подают в начало сооружения, а смесь

отводят в конце его. Теоретически режим потока поршневой без продольного

перемешивания. На практике существует значительное продольное

перемешивание. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения

обеспечивает увеличение скорости их окисления. Изменение состава воды по

длине аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность.

Концентрация активного ила в аэротенке составляет 2-3 г/л, расход

воздуха 20-25 м3 на 1 м3 очищаемой воды.

После аэротенка иловая смесь подается в отстойник, где происходит

отделение ила от воды. Большую часть ила возвращают в аэротенк, а избыток

его отводится.

Из отстойника сточная вода подается в биологический пруд на

доочистку.

5. Расчет основного аппарата.

В предлагаемой нами схеме очистки промышленных сточных вод основным

аппаратом является нефтеловушка (рис.3).

Схема горизонтальной прямоугольной нефтеловушки показана на рис.4.

Нефтеловушки предназначены для отстаивания грубодиспергированных

нефтепродуктов. Типовые открытые нефтеловушки изготавливаются из сборных

железобетонных конструкций. Применяются нефтеловушки пяти типов,

различающихся пропускной способностью одной секции: 0.005; 0.015;

0.030; 0.045; 0.055 мЭ/с. В каждую секцию сточная вода подводится

независимо. В процессе отстаивания нефть всплывает, а тяжелые смолообразные

продукты выпадают в осадок. При помощи скребкового транспортера нефть

подают к нефтесборным трубам, через которые она удаляется. Осадок с дна

ловушки удаляется скребковым механизмом в приямок, а оттуда забирается

гидроэлеватором. Отвод нефти и удаление осадка производится

автоматически.[7].

[pic]

Очищенная вода

Рис.4. Схема горизонтальной нефтеловушки.

1-корпус нефтеловушки, 2-гидроэлеватор, 3-слой нефти, 4-нефтесборная

труба, 5-нефтеудерживающая перегородка, 6-скребковый транспортер,

7-приямок для осадка.

Нефтеловушки рассчитываются на очистку воды от капель размером 0,1-

0,08 мм. Скорость всплывания таких капель uмин , см/с, вычисляют по

уравнению Стокса:

981 (в - (н

uмин = d2 ,

18 (в

где d - диаметр капель, см; (в и (н - плотность соответственно сточной

воды и нефти, г/см3; (в - вязкость сточной воды, мПа с.

981 0.95 – 0.83

uмин = (0.09)2 = 0.04 см/с.

18 1.48

Длина отстойной части нефтеловушки рассчитывается по формуле:

vРАС

l = ha ,

uмин

где h - высота секции нефтеловушки, м; a - коэффициент, учитывающий

турбулентность и струйность потока воды в нефтеловушке vРАС к скорости

всплывания нефти uмин.

0.4

l = 1.2 (1.5 = 18 м

0.04

Для расхода промышленных сточных вод 150 м3/ч = 0.042 м3/с достаточно

одной секции нефтеловушки пропускной способностью 0.045 м3/с с длиной

отстойной части 18м.

Литература

1. Торошечников М.С., Радионов А.И., Кельцев Н.В. и др. Техника защиты

окружающей среды: Учеб. пособие для вузов. - М.: Химия, 1981. - 368с.

2. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической

промышленности. - Л.: Химия, 1977. - 464с.

3. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды.

- К.: Наукова думка, 1982. - 564с.

4. Кульский Л.А. и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистки

воды. В 2-х ч. - К.: Наукова думка, 1980. - 1320с.

5. Звіт. Наукове узагальнення технологічних заходів інтенсифікації роботи

діючих очисних споруд у південній частині басейну Дніпра без значних

капітальних затрат. Інститут колоїдної хімії та хімії води ім.

А.В.Думанського. - К., 1997.- 48с.

-----------------------

Сточная вода

+коагулянт

Страницы: 1, 2