Очистка ливневых и сточных вод

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 101 лист, 34 источников литературы, графическая часть представлена на 7 листах.

Дипломный проект посвящён исследованию фильтровально-сорбционных  свойств сорбентов для очистки  сточных вод от нефтепродуктов.

Исследования по фильтрованию были проведены в лаборатории на модельных растворах. В качестве сорбентов были использованы: активированный уголь марки АГ-3, антрацит марки АК, а также разработанные на факультете ФПиХП «Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова» новые модифицированные материалы (терморасширенный графит, волокно активированное железом, марганцем и хромом).

Разработана методика анализа нефтепродуктов, изучены сорбционные свойства фильтровально-сорбционных материалов в статических и динамических условиях.

Предложена технологическая  схема очистки нефтесодержащих  вод на БТЭЦ-2. Проведена ее автоматизация.

Был предложен вариант  усовершенствования технологии очистки на БТЭЦ-2, путём замены сорбционной загрузки в фильтре. Проведён сравнительный анализ с существующей технологией, представленный в экономической части.

Осуществлена оценка воздействия на окружающую среду  разработанной станции очистки.

Рассмотрены вопросы  охраны труда.

Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

Природная вода - не только источник водоснабжения, но и среда обитания животных и растений. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для жизни человечества на Земле.

Одна из наиболее острых проблем современности – загрязнение водных экосистем нефтью и продуктами ее переработки, которые, попадая в водоемы, подавляют жизнедеятельность флоры и фауны.

В теплоэнергетической промышленности и машиностроении происходит загрязнение  за счёт сброса в водоёмы нефтепродуктов, взвесей и других загрязнителей, образующихся после продувки и промывки аппаратов и других операций при работе гидрозолоудаления ТЭЦ.

БТЭЦ-2 — крупное энергетическое предприятие в Барнауле, Барнаульский филиал ОАО «Кузбассэнерго». Мощность очистных сооружений – 270 м³/ч. Очистные сооружения предназначены для очистки производственных сточных вод от нефтепродуктов, и наиболее загрязненной части ливневых сточных вод от взвешенных веществ и плавающих нефтепродуктов.

Работа посвящена усовершенствованию существующей технологии очистки нефтесодержащих вод БТЭЦ-2 с применением новых фильтровально–сорбционных материалов путём снижения концентрации загрязняющих веществ на выходе и организации водооборотного цикла, что значительно уменьшит затраты на водопотребление.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЧИСТКИ

НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД

1.1 Характеристика нефтепродуктов

Нефтепродукты — смеси углеводородов, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтяных газов. К их числу относятся различные виды топлива (бензин, дизельное топливо, керосин и др.), смазочные материалы, электроизоляционные среды, растворители, нефтехимическое сырьё [] .

Нефтепродукты относятся  к числу наиболее распространенных и опасных веществ, загрязняющих поверхностные воды. Нефть и продукты ее переработки представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную смесь веществ. Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом состоянии водоема. В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и запах, изменяется ее цвет, рН , ухудшается газообмен с атмосферой [].

Загрязнение окружающей среды нефтепродуктами происходит на всех этапах хозяйственной деятельности. Трудность ликвидации такого рода загрязнения заключается в сложности извлечения из воды растворенных нефтепродуктов.

Большая группа нефтепродуктов – это топлива. Сюда относятся и горючие бензины, и различного рода газы (нефтепереработки, попутный), и лигроины, и мазут, и авиационное топливо. Еще одна большая группа нефтепродуктов, применяемых в строительстве – это битумы. Они представляют собой продукты жидкой или полутвёрдой консистенции. Бензин относительно хорошо растворим в воде, следовательно, его разлив особенно опасен.

Молекулярная растворимость  нефти и нефтепродуктов в воде связана, прежде всего, с их химическим составом и структурой молекул. Растворимость уменьшается со снижением содержания в нефтепродуктах ароматических углеводородов и повышением концентраций циклопарафиновых и особенно парафиновых составляющих [3]. В таблице 1 приведены значения растворимости наиболее распространенных нефтепродуктов в воде.

Таблица 1 – Растворимость различных нефтепродуктов в воде

Нефтепродукты находятся  в различных миграционных формах, растворенной, эмульгированной, сорбированной  на твердых частицах взвесей и  донных отложений, в виде пленки на поверхности воды. Обычно в момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в водный объект, расстояние от места сброса, скорость течения и перемешивания водных масс, характер и степень загрязненности природных вод, а также состав нефтепродуктов, их вязкость, растворимость, плотность, температура кипения компонентов. При санитарно-химическом контроле определяют, как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти [4].

1.2 Методы очистки сточных вод от нефтепродуктов

Очистка нефтесодержащих  сточных вод может осуществляться следующими методами:

• механическими (отстаивание, центрифугирование, фильтрование);
• физико-химическими (флотация, коагуляция и флокуляция, сорбция);
• химическими (хлорирование, озонирование);
• биологическими (с помощью микроорганизмов);
• электрохимическими (электрокоагуляция, электрофлотация).

Степень очистки сточных  вод от нефтепродуктов, достигаемая  на различных сооружениях приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Степень очистки сточных вод от нефтепродуктов на различных сооружениях

1.2.1Механические методы

Механическую очистку  сточных вод применяют для  отделения нерастворимых примесей. Механическая очистка обычно предшествует биологической, физико-химической и химической.

Отстаивание

Для очистки сточных  вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при концентрациях более 100 мг/л  применяют нефтеловушки. Эти сооружения представляют собой прямоугольные  резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, собираются и удаляются из нефтеловушки на утилизацию.

Центрифугирование

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Сточные воды очищают  в открытых и закрытых (напорных) гидроциклонах. Открытые гидроциклоны обычно проектируют для очистки  сточных вод от тяжелых примесей. Обычно гидроциклоны применяют в  комплексе с другими очистными  сооружениями.

Решающее влияние на рабочий эффект открытого гидроциклона оказывают физические свойства частиц (размер, форма, плотность и др.), для задержания которых он предназначен, а также геометрические размеры гидроциклона и гидравлический режим его работы.

Промышленность выпускает  гидроциклоны нескольких типоразмеров. Для грубой очистки применяют гидроциклоны больших диаметров. При целесообразности глубокой очистки сточной воды используют схему последовательного соединения различных типоразмеров гидроциклонов. При такой сложной схеме соединения гидроциклонов подача воды может осуществляться от одного насоса или от ряда насосов, установленных перед последующими гидроциклонами [].

Фильтрование

Метод фильтрования приобретает  все большее значение в связи  с повышением требований к качеству очищенной воды. Фильтрование применяют после очистки сточных вод в отстойниках или после биологической очистки. Процесс основан на прилипании грубодисперсных частиц нефти и нефтепродуктов к поверхности фильтрующего материала. Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные, зернистые или мембранные.

Фильтрование через  различные сетки и ткани обычно применяют для удаления грубо  дисперсных частиц. Более глубокую очистку нефтесодержащей воды можно  осуществлять на каркасных фильтрах. Пленочные фильтры очищают воду на молекулярном уровне.

1.2.2 Физико-химические методы

Физико-химическая очистка  заключается в том, что в очищаемую  вводу вводят какое-либо вещество-реагент (коагулянт или флокулянт). Вступая  в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, это вещество способствует более полному выделению нерастворимых примесей, коллоидов и части растворимых соединений.

При этом уменьшается  концентрация вредных веществ в  сточных водах, растворимые соединения переходят в нерастворимые или растворимые, но безвредные, изменяется реакция сточных вод (происходит их нейтрализация), обеспечивается окрашенная вода. Физико-химическая очистка дает возможность резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод. В зависимости от необходимой степени очистки сточных вод физико-химическая очистка может быть окончательной или второй ступенью очистки перед биологической.

Флотация

Флотация является сложным  физико-химическим процессом, заключающимся  в создании комплекса частица-пузырек  воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя.

В зависимости от способа  получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:

- флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);

-  флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);

- электрофлотация.

Процесс образования  комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

Прочность соединения пузырек-частица  зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток жидкости и поток воздуха в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера[4] .

Коагуляция

Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, то есть частиц размером от 1 до 100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием  химических и физических процессов. В процессах 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 силы тяжести. Хлопья  обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Сорбция

Сорбция широко применяется для глубокой очистки сточных вод в химической, нефтехимической промышленности. Во многих случаях без этого метода невозможно выдержать санитарные требования по сохранению чистоты водоемов или техническое условие на качество воды при повторном использовании сточных вод в замкнутых циклах водного хозяйства предприятий. Немаловажным достоинством сорбционной технологии является простота аппаратурного оформления и возможность полной или частичной автоматизации всего процесса в целом, а также отдельных его частей. К преимуществам сорбционного метода очистки относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости и управления процессом. В качестве сорбентов используются различные искусственные и природные пористые материалы, имеющие развитую или специфическую поверхность: золы, коксовая мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополистирол и другие. Наиболее эффектными сорбентами являются активные угли различных марок [].

1.2.3 Химическая очистка

Окисление – реакция  соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживание производственных сточных вод от нефтепродуктов в качестве окислителей  используют хлор, озон.

Озонирование

Озон обладает высокой  окислительной способностью и при нормальной температуре разрушает многие органические вещества, находящиеся в воде. Степень очистки нефтесодержащих сточных вод озонированием может колебаться в пределах от 86 до 96 % , что зависит от сложности строения органических веществ, входящих в состав нефтепродуктов. При этом процессе возможно одновременное окисление  примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание сточной воды  и  насыщение ее кислородом. Преимуществом этого метода является  отсутствие  химических  реагентов при очистке сточных вод.

Растворимость озона  в воде зависит от pH и количества примесей в воде. При наличии в воде кислот и солей растворимость озона увеличивается,  а  при наличии щелочей - уменьшается. Озон самопроизвольно диссоциирует на  воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. В  водном  растворе  озон диссоциирует быстрее. С ростом температуры и pH скорость распада озона резко возрастает.

Перспективность применения озонирования как окислительного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, не загрязняет воду продуктами реакции, а сам процесс легко поддается полной автоматизации.

Смешение очищаемой  воды с озонированным воздухом может осуществляться различными способами: барботированием воды через фильтры, дырчатые (пористые) трубы, смешением с помощью эжекторов, мешалок [].

1.2.4 Биологическая очистка

Сточные воды, прошедшие  механическую и физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое  количество растворенных и тонкодиспергированных  нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.

Наиболее универсален  для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический  метод. Он основан на способности  микроорганизмов использовать разнообразные  вещества, содержащиеся в сточных  водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности.

Биохимическая очистка  сточных вод от нефтепродуктов осуществляется в естественных условиях на полях  фильтрации, орошения и в биологических  прудах и в искусственных условиях в биофильтрах и аэротенках [].

1.2.5 Электрохимические методы

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основным недостатком  этих методов является большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

1.2.6 Современные методы и способы очистки сточных вод от нефтепродуктов

Сотрудники Санкт-Петербургского инженерно-строительного института Алексеев М.И., Светашова Е.С. и Панов С.Н. запатентовали способ очистки сточных вод. Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности очистки для достижения концентрации нефтепродуктов в очищенной воде 0,05 мг/л при одновременной интенсификации процесса и снижении стоимости очистки. Для достижения этого в способе очистки сточных вод от нефтепродуктов был использован в качестве сорбента материал природного происхождения, обеспечивающий требуемую степень очистки от растворенных нефтепродуктов в одной ступени фильтрования. Сущность изобретения заключается в том, что очистка сточных вод от нефтепродуктов включает предварительную механическую очистку и доочистку фильтрованием через слой неподвижного сорбента, фильтрование ведут через слой измельченного природного минерала апатита. Изобретение может быть использовано в локальных очистных сооружениях нефтебаз, автобаз, машиностроительных заводов, а также в городских очистных сооружениях[].

Для очистки промышленных стоков от нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ Домницкий В.В. и Абросимов М.В. разработали способ, который предусматривает осветление нефтесодержащих сточных вод электрокоагуляцией с последующим пропусканием воды через сорбент. Для повышения степени очищенности целевого продукта и производительности способа операции электрокоагуляции и сорбции ведут при абсолютном давлении над поверхностью воды от 10 до 50 кПа, а в качестве сорбента используют полиакриламидное волокно. Учёные установили, что наиболее высокая степень очищенности сточной воды достигается при дополнительной очистке пропущенной через сорбент воды с помощью озонирования [].

В Институте химии нефти СО РАН Ивановым В.Г.,Глазковым О.В., Глазковой Е.А., Смирновой Л.Д., Скрипниковым В.В., Качуровским А.Н. и Лялиным В.Н. был разработан метод очистки сточных вод от нефтепродуктов, который был опубликован в июне 2001г. Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа повышения качества адсорбционной очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов с использованием предварительной магнитной обработки воды. Воду пропускают через устройство с попарно установленными постоянными магнитами, обеспечивающими последовательное воздействие разноименных полюсов на воду при уровне магнитной индукции в зазоре от 0,32 до 0,82 Тл, затем фильтруют через несколько слоев базальтового волокна, чередующихся со слоями порошкообразного адсорбента - высокоактивного оксида алюминия. Изобретение может быть использовано для создания локальных очистных сооружений на нефтепромыслах, нефтебазах, нефтеперерабатывающих предприятиях, а также для ликвидации последствий аварий, сопровождающихся загрязнением природных водоемов нефтепродуктами [].

При очистке от нефтепродуктов водоемов, находящихся в черте  населенных пунктов, одной из главных  проблем является удаление с поверхности  воды тонкой маслянистой пленки. В 2000г  Ананьева Т.А.; Волков Ф.В.; Назарова Е.В. запатентовали сорбционно-активный материал, который позволяет сорбировать нефтепродукты с поверхности воды при их концентрациях менее 2 г/л, сохраняя при этом степень извлечения нефтепродуктов из воды на уровне от 99,0 до 99,5%. Изобретение относится к сорбционно-активным материалам на основе природного сырья растительного происхождения для очистки природных, промышленных и бытовых сточных вод, содержащих нефтепродукты. Сорбционно-активный материал для очистки воды от нефтепродуктов содержит природный наполнитель - торф или мох и полимерное связующее - сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Техническим результатом заявляемого изобретения является сохранение степени извлечения нефтепродуктов из воды при их пониженных концентрациях в воде [12].

2 ФИЛЬТРОВАЛЬНО-СОРБЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Сорбционные методы очистки  воды в настоящее время находят  все более широкое применение, и одним из наиболее часто применяемым сорбентом является активный уголь.

2.1Активные угли

Активные угли применяются в промышленности как адсорбенты для разделения и очистки веществ в газовой и жидких фазах, в качестве катализаторов и носителей катализаторов, хемосорбентов и осушителей. Эффективное использование угля для решения той или иной производственной задачи возможно при соответствии его качества (пористая структура, природа поверхности, состав минеральной части, механическая прочность) условиям проведения технологического процесса.

По природе активированные угли принадлежат к группе графитовых тел. Для них используются углесодержащие материалы растительного происхождения. Ископаемые угли, каменноугольные полукоксы и др. Существуют два основных способа получения активных углей: Парогазовый метод активирования (процесс частичного "выжигания" углеводородных соединений из угля-сырца и окисление самого углерода за счет кислорода воздуха, пара и углекислого газа) и активирование углей органическими добавками (термическое разложение материала угля-сырца в присутствии неорганических добавок). В зависимости от способа и условий получения активированные угли могут резко отличаться природой поверхности, которая в свою очередь может меняться при хранении в присутствии кислорода воздуха и воды. Активированный уголь обладает каталитической активностью в ряде химических реакций: окисления, галогенирования, дегидрохлорирования, дегидратации, полимеризации [13].

Большое значение во всех случаях применения углей имеет  пористая структура. Для углей характерно полимодальное распределение объема пор по размерам, наличие нескольких узких максимумов на кривой распределения объема пор по эффективным ресурсам.

При адсорбции веществ  с малыми размерами молекул определяющую роль играет мелкопористая структура, по характеру которой все активные угли делятся на две группы: с  узким и широким распределением микропор. Угли первой группы характеризуются одной разновидностью микропор. Угли второй группы - двумя и более [14].

Именно активный уголь  позволяет удовлетворить постоянно  возрастающие требования к качеству воды, не только сбрасываемой в водоемы после очистки, но и используемой питьевой воде.

2.2 Сорбент на основе промышленных отходов

Применение активных углей не всегда экономически целесообразно, что связано с их относительно высокой стоимостью и проблемами регенерации. Поэтому возникает вопрос о расширении сырьевой базы получения активных углей. Активные угли получают из разнообразного углеродосодержащего сырья в некарбонизованном виде или в форме углей и коксов. Важнейшим сырьем в Европе являются древесина, торф, каменные и бурые угли, нефтепродукты, асфальты, сажа. Последние получают на основе жидких нефтяных фракций. Для производства можно также использовать нефтяные остатки. Одним из возможных сырьевых источников для производства активных углей является твердый остаток пиролиза автомобильных шин.

Утилизация автомобильных шин основана на процессе низкотемпературного пиролиза, протекающего при 400ºС. Образующийся твердый остаток содержит до 95 % углерода. Величина удельной поверхности составляет 32 м²/г, сорбционная активность данного продукта позволяет использовать его в процессах сорбции.

Крупномасштабное  использование углеродных сорбентов  в целях охраны окружающей среды  требует расширения производства пористых углеродных материалов из дешевых видов  органического сырья: ископаемых твердых топлив, различных природных и техногенных органических отходов. На основе сложившихся теоретических представлений о механизме пиролиза твердого органического сырья можно получать  дешевые углеродные сорбенты, которые с успехом можно применять в процессах очистки стоков и газовых выбросов вместо дорогостоящих сорбентов, получаемых из более дефицитного сырья [15].

2.3 Природные материалы

Наиболее распространенными  загрузками сорбционных фильтров являются кварцевый песок, антрацит, цеолит, торф, вермикулит, шунгит.