CC BY
92
УДК 504.4054:628.3 Обуздина Марина Владимировна,
к. т. н., ассистент кафедры «Безопасности жизнедеятельности и экологии» Иркутского государственного университета путей сообщения, тел.: 8-914-005-005-8, e-mail: [email protected]
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД В ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ
M. V. Obuzdina
IMPROVING TECHNOLOGY OF CLEARING OF OILY WASTE WATER IN EXPERIMENTAL-INDUSTRIAL CONDITIONS
Аннотация. Усовершенствована технология очистки нефтесодержащих сточных вод от нефтепродуктов в опытно-промышленных условиях за счет частичной реконструкции существующей технологической схемы. Фильтр с загрузкой из цеолитов, модифицированных ТЭОС -тетраэтоксисиланом (С2И50)481, предлагается установить взамен фильтра с загрузкой из кварцевого песка и фильтра с загрузкой из активированного угля.
Ключевые слова: сорбция, органические загрязнители, цеолиты, нефтепродукты, адсорбер.
Abstract. Technology of clearing oily waste water in experimental-industrial conditions is improvement by partial reconstruction of the real technological scheme. The filter with the loading of zeolites modified by TEOS - tetraethoxysilane (С2И50)^ is installed instead of the filter with loading from quartz sand and the filter with loading from the activated coal.
Keywords: sorption, organic pollutants, oil products, zeolits, adsorber.
Локомотивное депо ст. Иркутск-Сортировочный является подразделением Восточно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Основными производственными показателями предприятия являются техническое обслуживание тепловозов по циклам ТО-2, ТО-3, а также текущие ремонты электровозов по циклам ТР-1, ТР-2.
Системой промышленной канализации ремонтных цехов ТР-1, ТО-2 преду-смотрен сбор промышленных стоков и отвод на локальные очистные сооружения локомотивного депо.
Локальные очистные сооружения (ЛОС) ТЧ-15 в составе: нефтеловушка, флотаторы, механические фильтры с загрузкой из кварцевого песка, фильтры доочистки с загрузкой из активированно-
го угля - были запущены в эксплуатацию в 1978 г. Проектная мощность очистных сооружений составляет 300 м3/сут. Фактическая нагрузка на очистные сооружения - 168,2-234 м3/сут.
Основными загрязнителями сточных вод локомотивного депо являются нефтепродукты (дизельное топливо, мазут Н-20, отработанные моторные масла), железо общее, взвешенные вещества. Концентрация нефтепродуктов в поступающих на очистку стоках колеблется в значительных пределах - от 50 мг/г до 250 мг/л.
Анализ качества сточных вод, поступающих на очистку, и перед сбросом в систему ГК осуществляется аккредитованной дорожной экологической лабораторией химическими и инструментальными методами анализа.
На данном предприятии проектом была принята следующая схема очистки нефтесодер-жащих сточных вод. Промстоки непрерывно в автоматическом режиме перекачиваются из накопителя в две нефтеловушки объемом 50 м3 каждая, время отстаивания стоков в которых составляет до 2 часов. Удаление всплывших нефтепродуктов производится 3 раза в неделю. Из нефтеловушек стоки поступают в накопитель очистной станции, откуда насосом равномерно в течение 20 часов перекачиваются на два многокамерных флотатора глубиной 2,0 м производительностью 12,5 м3/ч каждый. Очистка на каждой флотационной установке осуществляется методом напорной флотации с рециркуляцией 50 % очищенной воды, которая насыщается воздухом через эжектор, установленном на байпасной линии насоса. Растворение воздуха осуществляется в сатураторе объемом 0,6 м3 при давлении (3,5-4)* 105 Па.
Расход рециркуляционного потока распределяется следующим образом: 55 % водовоздуш-ной смеси подается на гидроциклон, остальные
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
45 % распределяются равномерно по двум флотационным камерам. Приведенный к поверхности выделения расход воды во флотаторе составляет: = 3,5 м3/ч-м2/ч.
Подача коагулянта (полиоксихлорида алюминия) с дозами 38-45 мг/л производится насосом-дозатором во всасывающий трубопровод центробежного насоса, а подача флокулянта полиак-риламида 5 (ПАА-5) с дозами 5 мг/л - насосом-дозатором в гидроциклонный смеситель. Очищенный на флотационной установке сток из лотка самотеком поступает на фильтр с зернистой загрузкой из кварцевого песка для удаления взвешенных веществ и собирается в резервуаре.
Далее осветленная воды насосом перекачивается на напорные фильтры с активированным углем, где осуществляется ее глубокая доочистка от нефтепродуктов. На очистной станции установлены сорбционные фильтры, каждый из которых имеет загрузку из активированного угля марки БАУ высотой 2 м. Общий объем загрузки составляет 9,8 м3.
Регенерация загрузки производится 2 раза в месяц в два этапа. На первом этапе осуществляется пропаривание фильтрующей загрузки острым паром, на втором этапе - промывка горячей водой. На данные операции требуется объем пара, имеющий общую теплотворную способность 13,2 Гкал.
Очищенная вода после сорбционных фильтров под остаточным напором поступала в количестве 20 м3/сут. в резервуар охлажденной воды для подпитки оборотной системы водоснабжения, остальные 280 м3/сут. сбрасывались в городскую канализацию.
Подпиточная вода должна была содержать нефтепродуктов не более 0,2 мг/л, взвешенных веществ - не более 3 мг/л. Вода, сбрасываемая в городскую канализацию, имела ограничения по концентрациям нефтепродуктов согласно требова-
ниям МУП «Водоканал» г. Иркутска - 0,6 мг/л.
При анализе режимов эксплуатации установок, входящих в технологическую схему очистки сточных вод, были выявлены следующие недостатки:
1. Эффект флотационной очистки стоков от нефтепродуктов был недостаточно высоким вследствие низкого газонасыщения (3-4 %) водо-воздушной смесью, поступающей в камеры флотатора из гидропневмобака (сатуратора). Увеличение до 5 % относительного объема воздуха, поступающего в эжектор, приводило к срыву нормального режима работы рециркуляционного насоса.
2. Фильтр с загрузкой из кварцевого песка недостаточно эффективно удерживал взвешенные вещества, что приводило к их проскоку в фильтры с активированным углем и снижало их сорбцион-ную емкость.
3. При регенерации сорбционных фильтров имел место вынос активированного угля вместе с отработанным паром и горячей водой (до 0,010,012 м3 с одного фильтра при каждой регенерации). Характеристика степени очистки сточных вод после каждой стадии представлена в табл. 1.
Очищенные потоки сточных вод по существующей схеме направляются в системы городской канализации и частично в оборотную систему для использования воды на технические нужды. Как указывалось выше, основным загрязнителем сточных вод являются нефтепродукты. Приведенные данные табл. 1 свидетельствуют о недостаточной эффективности работы узла доочистки - сорбци-онных фильтров. Концентрация нефтепродуктов после процессов адсорбции на активированном угле составляет 6,6 мг/л, что значительно превышает нормативный показатель сброса в ГК - 0,6 мг/л.
Таким образом, действующая технологическая схема очистки не позволяет достичь требуемых нормативов качества очищенных вод, что и
Т а б л и ц а 1
Характеристика степени очистки стоков
Показатели качества Концентрация, мг/л
До очистки После После после фильтра После
вод (исходящие потоки нефтеловушки флотатора с загрузкой сорбционных
сточных вод) из кварцевого песка фильтров
ХПК 98 94 85 84 82
ВВ 120 82 68 5 4
рН 8,5-9,0 8,0-8,5 7,0-8,0 7,0-8,0 6,5-8,0
Железо 0,8 0,74 0,59 0,55 0,5
БПК полн. 70 64 59 57 55
Концентрация неф- 168-250 90-100 15-57 12-50 6,6
тепродуктов
предопределило необходимость реконструкции узла доочистки за счет использования адсорбера с новым типом загрузки.
В качестве новой загрузки нами предложено использовать цеолиты клиноптилолитового типа Холинского месторождения, модифицированные ТЭОС - тетраэтоксисиланом (С2Н50)481. Цеолиты, модифицированные ТЭОС, обладают хорошей адсорбционной способностью и не уступают активированному углю. Однако модификация цеолита ТЭОС позволяет гидрофобизировать его поверхность, тем самым увеличивая его адсорбционную способность по отношению к нефтепродуктам [1].
На основании проведенных экспериментальных исследований был испытан в опытно-промышленных условиях локомотивного депо трехслойный фильтрующий материал, состоящий из природного цеолита; смеси природного цеолита, термически модифицированного и цеолита, химически модифицированного ТЭОС; а также химически модифицированного ТЭОС цеолита Холинского месторождения при соотношении 9:7,2:83,8 % соответственно. Особенностью такой многослойной загрузки фильтра является развитая поверхность зерен, что обеспечивает процесс регенерации фильтра. Схема фильтра с трехслойной загрузкой представлена на рис. 1.
Первый слой фильтрующего материала 2' по ходу движения сточной воды состоит из природного цеолита с размером частиц 2-3 мм и высотой слоя Ь = 0,1 м. Второй слой 2'' высотой Ь = 0,08 м -из смеси (при соотношении 1:1) цеолита, термически модифицированного при 350° в течение 2 ча-
сов, с размером частиц 3 мм и цеолита, химически модифицированного ТЭОС с размером частиц 1-2 мм. Третий слой 2''' состоит из цеолита, химически модифицированного ТЭОС, с размером частиц 1 мм, высота слоя Ь =1,5 м. Общая высота фильтра составляет 1,65 м [2].
Процесс доочистки сточных вод локомотивного депо в предлагаемом фильтре с трехслойной загрузкой из модифицированного цеолита происходит следующим образом: в первом слое из крупных частиц с развитой удельной поверхностью зерен задерживаются наиболее крупные частицы, примеси. При этом общее сопротивление фильтра не увеличивается, так как оно определяется нижними слоями, состоящими из более мелких частиц. Второй, смешанный слой, за счет развитой порозности слоя модифицированного цеолита образует каркасную структуру, в которой размещаются более мелкие частицы третьего слоя. Второй слой предотвращает заиливание зоны раздела между первым и третьими слоями. В третьем слое задерживаются наименьшие частицы, примеси, а также нефтепродукты.
В разработанном фильтрующем материале степень очистки жидкости от примесей определяется третьим слоем и зависит от размера частиц и высоты слоя цеолита, при этом величина загрузки определяет производительность слоя. Первые два слоя предназначены для интенсификации фильтрации жидкостей через слой: удлинения фильтроцикла, увеличения грязеемкости, повышения производительности, т. е. они влияют на экономические показатели работы фильтрующего материала. Общий объем загрузки сорбента со-
Рис. 1. Схема фильтра с трехслойной загрузкой цеолита: 1 - корпус; 2' - природный цеолит, h= 0,1 м; 2'' - смесь природного цеолита, термически модифицированного при 350°, и цеолита, химически модифицированного ТЭОС h = 0,08 м; 2''' - цеолит, химически модифицированный ТЭОС, h = 1,5 м; 3 - отбойник; 4 - трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 5 - труба сброса воздуха; 6 - люк; 7 - трубопровод гидровыгрузки цеолита; 8 - трубопровод отвода очищенной воды; 9 - трубопровод подачи горячей воды; 10 - распределительная система труб
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
ставляет 520 кг.
Модификация цеолитов кремнеорганиче-скими соединениями позволяет добиться увеличения сорбционной активности цеолитов по отношению к нефтепродуктам.
Для характеристики прочностных свойств фильтрующих материалов были исследованы их физико-технические показатели в сравнении с кварцевым песком. Как указывалось выше, в существующей технологической схеме на стадии доочистки применяется фильтр с загрузкой из кварцевого песка (после стадии фильтрации).
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что клиноптилолит (цеолит) Холинского месторождения обладает низкими показателями измельчаемо-сти, высокими прочностными характеристиками и высокой пористостью, что имеет важное значение при использовании его в качестве фильтрующей загрузки.
Кроме того, перед проведением испытаний фильтрующей многослойной загрузки и в соответствии с требованиями по подготовке фильтрующих материалов [3, 4] проведено определение крупности и однородности фильтрующих материалов ситовым анализом на ряде калиброванных сит (установление гранулометрического состава фильтрующей загрузки).
Регенерацию фильтрующих слоев осуществляли двукратной промывкой горячей водой в течение 30 минут с последующей обработкой острым паром в пропарочной станции, имеющейся на предприятии. Фильтрующий материал расположен на поддерживающих сетках, которые (по принципу кассет) могут свободно выниматься из корпуса фильтра для целей регенерации. После температурной обработки цеолиты приобретают рыхлую структуру и полностью восстанавливают свои сорбционные свойства. Регенерацию загрузки предлагается проводить 1 раз в 10 дней, замену фильтрующей загрузки - 1 раз в 2 месяца, что требует годового расхода используемых цеолитов 3120 кг.
Таким образом, проведенные исследования
показали, что природные и модифицированные термически (при температуре 350 °С) и химически ТЭОС (С2Н50)481) клиноптилолиты Холинского месторождения Восточного Забайкалья могут быть использованы в качестве фильтрующего материала для глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий железнодорожного транспорта.
Испытанная в опытно-промышленных условиях фильтрующая загрузка в системе доочистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов показала высокую эффективность, что, соответственно, позволит получать на выходе очищенные потоки сточных вод, соответствующих по качеству требованиям, предъявляемым к сбросу в системы городской канализации, а также требованиям к качеству оборотной воды.
На основании всего выше изложенного нами предлагается частичная реконструкция существующей технологической схемы, которая с конструктивной точки зрения представляется наиболее целесообразной. Предлагаемый фильтр необходимо установить после стадии флотации взамен существующих: фильтра с загрузкой из кварцевого песка, фильтра с загрузкой из активированного угля (рис. 2).
Такое решение позволит интенсифицировать процесс очистки сточных вод от высоких содержаний нефтепродуктов и взвешенных веществ и получить необходимую степень очистки сточных вод, что, в конечном итоге, полностью исключит платежи предприятия за превышение установленных лимитов на сброс сточных вод и значительно улучшит показатели природоохранной деятельности локомотивного депо.
Следует особо отметить, что технологический процесс обезвреживания нефтесодержащих сточных вод является очень сложным и кроме рассмотрения задач оптимизации очистки загрязненных потоков требует рассмотрения технологических приемов, направленных на обезвреживание всех образующихся побочных продуктов и отходов.
Т а б л и ц а 2
Физико-технические показатели фильтрующих материалов
Материал Измельчаемость, % Истираемость, % Суммарный износ, % Пористость, %
тах тт
Кварцевый песок 2,3...2,6 0,2 3,6 44,0 38
Цеолит 0,5.. .1,8 0,8.5,3 3,9.7,1 62,0 50
Рис. 2. Предлагаемая схема очистки производственных сточных вод локомотивного депо ТЧ-15 ст. Иркутск-Сортировочный: 1 - подающий насос; 2 - гидроциклонный смеситель; 3 - флотатор; 4 - водоприемный лоток; 5 - насосы-дозаторы коагулянта и флокулянта; 6 - эжектор; 7 - сатуратор; 8 - фильтр с трехслойной загрузкой цеолита
Т а б л и ц а 3
Растворимость различных нефтепродуктов в воде
Вещество Растворимость, мг/л
Нефть 10-15
Дизельное топливо 8-22
Керосин 2-5
Бензин 9-505
Мазут 0,01-2,00
Пентан 38,5
Бензол 1780,0
Толуол 515,0
При определении состава сточных вод учитывался тот факт, что концентрация растворенных нефтепродуктов в воде определяется химическим составом и структурой молекул загрязнения. В табл. 3 представлена растворимость различных нефтепродуктов в воде.
В целях получения достоверной информации о составе жидких нефтесодержащих отходов, получаемых в процессах очистки сточных вод, нами был проведен комплекс аналитических исследований на базе Института химии им. Фаворского СО РАН. В табл. 4 представлены физико-химические свойства композиционных смесей выборочных локомотивных депо ВСЖД [5].
По завершении процесса доочистки и стадий регенерации холостой (отмытый) адсорбент - цеолит может быть утилизирован в технологиях производства дорожных покрытий с учетом специфических свойств реагентов-модификаторов или в качестве добавки в битумные теплоизоляционные массы.
Все образующиеся жидкие нефтесодержащие отходы направляются на установку сжигания «Фор-
саж». Эти установки закуплены многими предприятиями ВСЖД и в настоящее время показывают достаточно высокую эффективность работы.
Используемые в установке простые конструктивные решения позволяют достичь высокой температуры горения (около 1000 °С) в камере дожигания, которая обеспечивается интенсивной подачей топлива через форсунку в камеру сгорания, в результате чего сводится к минимуму содержание загрязняющих веществ в отходящих из установки газах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Обуздина М. В. Цеолиты как сорбционный материал для очистки сточных вод от нефтепродуктов // Современность в творчестве вузовской молодежи. Актуальные вопросы права и безопасности на современном этапе : материалы науч.-практ. конф. молодых ученых / Вост-Сиб. ин-т МВД РФ. Иркутск, 2010. Вып. 12. С. 240-243.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
2. buzdina M., Rush E. Methods of intensification of purification processes of oil- containing wastewater of railway transport enterprises // Problems and Prospects of Survey, Design, Construction and Exploiting of Northeast Asia Transport Systems: students and post-graduate students' works presented : the Third International Scientific-Applied Conference, Irkutsk, May 30, 2011 / Irkutsk State Transport University (IrGUPS). Irkutsk : IrGUPS, 2011.
3. Аюкаев Р. И. Интенсификация методов водоочистных фильтров и совершенствование методов их расчета. Петрозаводск : ПГУ, 1985. 182 с.
4. Николадзе Г. И., Сомов М. А. Водоснабжение. М. : Стройиздат. 1995. 688 с.
5. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии : учеб. для вузов : в 2 кн. 2-е изд. М. : Химия, 1995. Кн. 2. : Массообменные процессы и аппараты. 368 с.: ил.
Т а б л и ц а 4
Физико-химические свойства сточных вод выборочных локомотивных депо_
Показатель Выборочные типовые предприятия Показатель Выборочные типовые предприятия
ТЧ-9 ТЧ-15 ТЧ-31 ТЧ-9 ТЧ-15 ТЧ-31
Плотность смеси, кг/м3, при температуре: Вязкость кинематическая, сСт, при °С:
20 °С 928 934 937 20 °С 736 730 741
60 °С 917 920 927 40 °С 245 232 279
80 °С 898 905 909 60 °С 78 74 80
Фракционный состав по Богданову, С° н. к. 80 °С 56 52 57
5 % 266 305 309 100 °С 17 17 20
10 % 300 336 342 Групповой состав, % масс, углеводороды:
20 % 331 380 387 парафино-нафтеновые 23,1 27,5 25,3
30 % 374 411 417 ароматические 60,1 58,1 59,2
Содержание воды, % масс. 12,5 13,8 13,2 смолы суммарные 15,4 13,2 14,3
Механических примесей, %, при температуре: содержание: серы, % 0,6 0,7 1,0
20 °С 2,7 3,0 3,3 водорастворимых кислот и щелочей отсут отсут отсут
60 °С 2,4 2,7 2,9 зольность, % масс. 0,3 0,2 0,4
80 °С 2,2 2,3 2,5 температура, °С:
Фракционный состав механических примесей, %: температура застывания -12 -10 -11
свыше 500мкм 61,7 59,5 57,4 температура вспышки 180 175 195
от 50 до 500 мкм 38,0 40,0 42,0 теплота сгорания в пересчете на сухое топливо, ккал/кг 8580 8410 8470
менее 50 мкм 0,3 0,5 0,6
