Мобильный очистной комплекс для прибрежных акваторий

2003

Известия ТИНРО

Том 133

УДК 628.394.6

Г.И.Тихомиров

МОБИЛЬНЫЙ ОЧИСТНОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРИБРЕЖНЫХ АКВАТОРИЙ

Настоящая работа основана на результатах экспериментальных исследований и физического моделирования процесса разделения нефтеводяных смесей в коалесцентном оборудовании для предотвращения загрязнения моря льяльными водами судовых машинных отделений. Коалесцентный фильтроэлемент с зернистой загрузкой из полимерных материалов рассматривается для капель нефтепродуктов как деэмульгатор, основанный на явлении коалесценции капель на гидрофобной поверхности гранул, а не фильтр, отсеивающий их. В качестве зернистой загрузки для коалесцентного деэмульгатора впервые предложены гранулы (диаметром 0,5-1,2 мм) сополимера стирола с содержанием дивинилбензола 7,8 %. В качестве доочистного фильтра предложен аппарат с зернистой загрузкой из природного цеолитизированного туфа Чугуевского месторождения Приморья. На основании полученных экспериментальных данных разработана и внедрена технология локальной очистки судовых льяльных вод, которая реализована в портовом плавучем очистном комплексе на базе нефтеналивной баржи и судового фильтрующего оборудования типа СКМ, модернизированного по технологии автора. Очистной комплекс имеет производительность 4 м3/ч и обеспечивает очистку сточной воды от 100 %-ного нефтесодержания до 3 млн-1.

^^omi^y G.I. The mobile plant for purification of coastal waters // Izv. TINRO. — 2003. — Vol. 133. — P. 282-287.

The results of experimental studies and physical modeling of oil-water mixture division by coalescence equipment are presented that were conducted for prevention of pollution of the sea by bilge waters from ship's engine. The coalescer loaded with granules of polymeric materials was used as de-emulsifier for drops of oil. This effect is based on the phenomenon of increase of oil drops on the surface of granules.

Round granules (diameter 0.5-1.2 mm) of copolymer of styrene with the 7.8 % content of divinylbenzole were used for loading of coalescer-demulsifier for the first time. An additional device loaded with a natural zeolite tuff of Chuguevskiy deposits in Primorye region (Russia) was used for fine cleaning of water.

On the basis of the received experimental data, the technology of purification of bilge water was developed. It was implemented in a mobile floating complex for prevention of pollution on the basis of the bulk-oil barge and the filtering ship's equipment based on СКМ device modernized by author. The purifying complex has productivity of 4 m3/h and provides purification of sewage from 100 % oily waste to 3 ppm.

В соответствии с современными требованиями Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов

применяется фильтрующее оборудование (ФО). Под этим термином Российский морской регистр судоходства (Регистр) подразумевает комбинацию нефте-водяных сепараторов и фильтров, обеспечивающих очистку сточной воды от нефтепродуктов до 15 млн-1. Это оборудование отличается компактностью, автоматизировано, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала и предназначено для работы в жестких судовых условиях при 100 %-ном загрязнении нефтью сточной воды.

Вышеуказанное ФО в большинстве своем не предназначено для очистки СНВ от эмульгированных нефтепродуктов (НП). Оно имеет коалесцентные филь-троэлементы с ограниченным ресурсом (50-100 ч), которые после загрязнения требуют замены, так как не подлежат регенерации.

Современное ФО не может использоваться в пределах 12-мильной прибрежной зоны или в стационарных условиях на береговых объектах, так как его очистная способность по НП намного меньше действующих предельно-допустимых концентраций в сбросе (ПДС) для водоемов рыбохозяйственного или хозяйственно-бытового назначения.

Поэтому, чтобы использовать ФО в прибрежных рыбопромысловых районах, а также в стационарных условиях небольших береговых промышленных предприятий, необходимо повысить его очистную способность. Для этого надо было разработать новые (регенеративные) конструкции коалесцентных фильтроэлементов, а также эффективные доочистные фильтры на основе доступных материалов.

На основании экспериментальных исследований процесса разделения неф-теводяных смесей в различных зернистых материалах нами разработаны, одобрены Регистром и внедрены на морских судах Тихоокеанского бассейна новые конструкции коалесцентных фильтроэлементов-деэмульгаторов на основе зернистой загрузки из анионита марки АВ 17-8 для отечественных сепарационных установок типа СКМ. Отличительной особенностью этих фильтроэлементов является способность к разделению грубодисперсных нефтеводяных эмульсий, а также возможность простой по технологии регенерации их в судовых условиях, а следовательно, большой ресурс, до 8-10 лет (Тихомиров, 1995, 1997, 1998; Тихомиров, Андреев, 2000; Тихомиров и др., 2000).

Дальнейшие эксперименты с использованием методов физического моделирования процесса разделения нефтеводяных смесей в коалесцентных ступенях очистки на основе зернистых полимерных материалов позволили разработать и внедрить более чем на 120 морских судах новую технологию модернизации сепарационных установок типа СКМ, отвечающую современным требованиям МАРПОЛа, без использования дополнительных (доочистных) напорных фильтров типа ФДН (Тихомиров, Тихомиров, 1996, 2001).

Анализ технической эксплуатации модернизированных установок типа СКМ за последние пять лет позволил определить направление дальнейших исследований и разработать мероприятия по повышению эффективности регенеративных коалесцентных фильтроэлементов. Так, экспериментальные исследования показали, что коалесцентные свойства анионита марки АВ 17-8 и катионита марки КУ-2 одинаковы, так как работа адгезии при смачивании их нефтепродуктами идентична. Эффективность разделения нефтеводяных эмульсий определяет не ионообменная емкость смолы, а структура зернистого слоя и размеры его частиц. Это позволило отказаться от использования в регенеративных фильтроэлемен-тах набухающих гидрофильных ионитов и перейти к их исходному продукту, сополимеру стирола с 7,8 %-ным содержанием дивинилбензола (ДВБ), зерна которого диаметром 3,5-1,2 мм служат матрицей при производстве вышеуказанных ионитов, обладают гидрофобными свойствами, не набухают в воде, имеют в два раза меньшую стоимость (Тихомиров, Тихомиров, 2001).

Для сбора и очистки СНВ, поступающих с морских судов, стоящих на рейде, у причалов порта и в судоремонтных заводах г. Владивосток, используются небольшие по размерам суда (портовые сборщики льяльных вод, СЛВ), которые

должны сдавать собранные СНВ на береговые очистные сооружения. Недостаток таких сооружений и потребность в очистке СНВ для объектов, находящихся в порту, потребовали создания локального плавучего очистного комплекса на базе нефтеналивной баржи ННБ-500-57 ООО "Транс Эко".

Принципиальная схема технологической системы очистки СНВ для вышеуказанного комплекса с использованием ФО типа СКМ, модернизированного по нашей технологии, представлена на рис. 1. Она включает в себя: нефтеводяной сепаратор 1 отстойно-коалесцентного типа (СК-4м, производительностью 4 м3/ч) и предвключенный механический фильтр № 1, модернизированные по нашей технологии (Тихомиров, Тихомиров, 1996), а также электровинтовой насос 3. Дополнительно установлены фильтры № 2 и № 3. Фильтр № 2 аналогичен по конструкции и назначению фильтру № 1, а фильтр № 3 является доочистным и представляет собой штатный корпус фильтра № 1, заполненный частицами природного сорбента (диаметр гранул 2,0-2,5 мм), цеолитизированного туфа Чугуевского месторождения Приморья.

Рис. 1. Принципиальная схема технологической системы очистки сточных нефте-содержащих вод на базе модернизированного судового нефтеводяного фильтрующего оборудования типа СКМ

Fig. 1. Diagrammatic arrangements of the technological system for purification of waste oily waters on the basis of modernized of ship's oily-water filtering equipment such as СКМ

Прием поступающей на очистку СНВ производится в один из танков баржи (вместимость 100 м3). Здесь после суточного отстоя с подогревом до температуры 25-30 оС происходит предварительное отделение воды от грубодисперсных частиц механических примесей и НП. Последние накапливаются в виде пленки в нефтесборнике 10 и периодически переливаются в топливную цистерну.

Отсепарированное топливо в дальнейшем используется для работы двух огнетрубных паровых котлов, установленных на барже для обогрева танков и технологических нужд.

Затем очищаемая вода по трубопроводу самотеком перепускается в сборный отстойный танк вместимостью 80 м3 (на рис. 1 приемный и сборный танки не показаны), где также отстаивается, но без подогрева. Двухпозиционное регулирование уровня воды в сборной цистерне обеспечивает автоматическое включение и выключение электровинтового насоса 3, который очищаемую воду подает через клапанную коробку 4 в предвключенные механические фильтры № 1 или № 2.

В верхние полости этих фильтров СНВ подается по касательной к цилиндрическому корпусу и очищается от механических примесей и грубодисперсных НП. Опускаясь вниз, она фильтруется через горизонтальную сетку 9, под которой установлен плавающий слой 8 из гранул естественного полипропилена. Капли НП налипают на поверхности этих гранул и коалесцируют. Полипропилен ограничен двумя цилиндрическими сборками 6 и 7, на которых при помощи сеток установлены листы эластичного пенополиуретана, доочищающие воду от механических примесей и крупных капель НП.

Отсепарированные капли НП в фильтрах № 1 и № 2 всплывают в нефте-сборники 10 и периодически сливаются через клапаны 5, а отфильтрованная вода выходит в подогреватель 12 сепаратора 1.

В полости первой ступени очистки 13 сепаратора 1 происходит отделение крупных капель НП, а мелкие капли, не успевшие всплыть, потоком воды увлекаются в коалесцентные фильтроэлементы-деэмульгаторы, заполненные круглыми гранулами (диаметр 0,5-1,2 мм) ДВБ. Здесь происходит деэмульгирование капель НП, имеющих диаметр более 20 мкм, за счет коалесценции их на поверхности зерен ДВБ (ТУ 6-05-1811-83, Омский завод ионообменных смол). После такой обработки укрупненные капли НП всплывают в полости 14, а очищенная вода снизу по вертикальной трубе 15 вытесняется из сепаратора на доочистку в фильтр № 3, корпус которого заполнен природным сорбентом, где СНВ окончательно отделяется от эмульгированных НП. Качество очистки воды от НП контролируется системой автоматического замера и регулирования сбросом типа BWAM S-646 (Франция) с точностью до 1 млн-1 и автоматической записью показаний прибора на самописец.

Вышеописанный комплекс был реализован в 2002 г. на объекте ООО " Транс Эко" (ННБ-500-57, рис. 2 и 3) во Владивостоке. Он прошел промышленные испытания, показал очистную способность 2,6 млн-1 (по стандартной методике определения НП с использованием ИК-спектрофотометрии в лаборатории Главного управления природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Приморскому краю). По результатам этих испытаний получена лицензия на водопользование и сброс очищенных сточных вод.

Рис. 2. Общий вид нефтеналивной баржи ННБ-500-57

Fig. 2. Photograph of bulk-oil barge NNB-500-57 "Trance Ако Company", 42nd berth of port Vladivostok

Анализ технической эксплуатации очистного комплекса показывает, что неф-тесодержание СНВ, поступающих для очистки на баржу с СЛВ, обычно не превышает значений 1500-3500 млн-1. После предварительного отстоя очищаемой воды в приемном танке (при подогреве и перепуске 2/3 объема в сборный танк) концентрация НП в ней составляет 150-250 млн-1, взвешенных веществ

(ВВ) — 60-65 мг/л (по стандартной методике, методом гравитации). На входе в сепаратор вода имеет концентрацию: по ВВ — 12,6 мг/ л, по НП — 30,0 млн-1.

Рис. 3. Общий вид сепаратора типа СК-4м с регенеративными фильтро-элементами на основе зернистой загрузки из ДВ Б: 1 — фильтроэлементы

Fig. 3. Photograph of a separator such as СК-4м with regenerative coales-cers on the basis of granular loading of DVB: 1 — coales-cers

Фильтроэлементы сепаратора являются регенеративными и обеспечивают разделение нефтеводяной смеси на 99,85 %. Так, нефтесодержание очищенной воды составляет 3,0-4,0 млн-1, а концентрация ВВ — до 0,126 мг/л.

Анализы проб воды на нефтесодержание производились с использованием прибора марки OCMA-200 (Япония) в теплотехнической лаборатории ООО "ФЕ-СТЕХСЕРВИС", имеющей лицензию Регистра.

Доочистка СНВ в напорном фильтре № 3 при фильтрации её через зернистый слой (диаметр 530 мм, высота 200 мм), состоящий из частиц цеолитизиро-ванного туфа, позволяет на 100 % исключить в стоке ВВ и на 50 % — растворенные НП. На выходе из фильтра № 3 нефтесодержание очищенной воды не превышает 3,0 млн-1, что соответствует установленной норме ПДС.

Качество доочистки воды может быть еще повышено, если увеличить высоту слоя зернистой загрузки фильтра № 3 до 0,5 м и уменьшить размеры гранул цеолитизированного туфа до 0,5-1,5 мм.

Результаты использования природного цеолитизированного туфа Чугуевского месторождения Приморья для доочистки СНВ в литературе отсутствуют. Поэтому нами экспериментально была определена доочистная способность этого сорбента, обладающего следующими характеристиками (по данным Приморского геологического управления).

Состав сорбента (диаметр частиц — 2,0-2,5 мм): SiO2/Al2O3 — 8,5 %; клиноптилолит, Na6(AÍ6SÍ30O72)-24 H2O — 70-90 %; морденит, №8(А^14009б)"24 H20 — 20-0 %.

Химический состав цеолитизированного туфа, %: SiO2 — 67,02, M gO — 0,6, CO2 — 0,06, S — 0,026, Pb — 0,02, ТЮ2 — 0,1, CaO — 2,54, FeO — 0,18, Hg — 0,0000085, Al2O3 — 12,23, Na2O — 1,48, K 2O — 1,08, Cd — 0,00079, Fe^ — 1,25, FeO — 0,18, MnO — 0,03, P2O5 — 0,06, S O3 — 0,06.

Физические свойства:

удельный вес — 2,16-2,38 г/см3; плотность — 2,31-2,34 г/см3; пористость, %: открытая — 6,35-14,91, закрытая — 10,25-16,53, в среднем — 19,05, общая — 18,18-26,69, водопоглощение — 9,7-11,2 %; истираемость — 0,3-1,3 %; предел прочности при сжатии в сухом состоянии — 440-450 кг/см2; насыпной вес — 0,8-1,2 г/см3; коэффициент размягчения — 0,67-0,47.

Зернистая загрузка фильтроэлементов сепаратора на основе гранул ДВБ регенерируется после загрязнения их тяжелыми фракциями НП (асфальтенами,

парафинами и т.п.) промывкой в среде дизельного топлива или органического растворителя при барботаже снизу воздухом.

Зернистая загрузка доочистного фильтра № 3 является нерегенерируемой и подлежит замене, а использованный фильтрующий слой с частицами размером 2,0-2,5 мм и толщиной 200 мм (рис. 4) — сжиганию. Механические примеси из загрузки удаляются обратным (восходящим) током чистой воды.

Рис. 4. Схема доочистного фильтра на основе зернистой загрузки из природного цеоли-тизированного туфа: 1 — перфорированное днище; 2 — поддерживающий слой из частиц диаметром 25 мм; 3 — слой из частиц диаметром 4-5 мм; 4 — фильтрующий слой из частиц диаметром 2,0-2,5 мм

Fig. 4. Diagrammatic arrangements of the additional purification filter on the basis of granules of natural zeolitly tuff: 1 — perforated bottom; 2 — supporting layer of particles 0 25 mm; 3 — layer of particles 0 4-5 mm; 4 — filtering layer of particles 0 2,0-2,5 mm

1

Для определения режима регенерации загрузки доочистного фильтра (хотя она и не требовалась после месяца работы) была проведена её промывка восходящим потоком чистой воды. Необходимая интенсивность промывки для мелкозернистой загрузки составила 15 л/см2. После промывки в течение 10-15 мин происходила полная обмывка загрузки от ВВ.

Литература

Тихомиров Г.И. Коалесцирующий элемент: Свидетельство на полезную модель № 472 от 08.07.1992 г. — М.: РОСПАТЕНТ, 1995.

Тихомиров Г.И. О выборе технологической схемы разделения судовых нефтесо-держащих смесей // Исследования Владивостокского отделения Российского общества Тепломассообмена в 1995-96 гг. — Владивосток: ДВО РАН, 1997. — С. 14-15.

Тихомиров Г.И. Решение проблемы повышения эффективности судовых нефте-водяных сепарационных установок типа СКМ // Мат-лы 3-й Всерос. науч. конф. "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности". — СПб.: Балтийский гос. техн. ун-т, 1998. — С. 584.

Тихомиров Г.И., Андреев А.К. Исследование процесса разделения нефтеводя-ных смесей в зернистых коалесцирующих материалах // Докл. междунар. экол. конгресса "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности". — Т. 1. — СПб.: Балтийский гос. техн. ун-т, 2000. — С. 314-317.

Тихомиров Г.И., Андреев А.К., Чириков А.Ю., Тихомиров С.Г. Результаты разработки регенеративных фильтроэлементов для очистки судовых сточных нефтесо-держащих вод // Мат-лы 1-го междунар. инвестиц. конгресса "Новейшие технологии в системе интеграционных процессов стран Азиатско-Тихоокеанского региона". — Владивосток: ДВО РАН, 2000. — С. 304-308.

Тихомиров Г.И., Тихомиров С.Г. Технология модернизации судовых нефте-водяных сепарационных установок отстойно-коалесцирующего типа // Тез. докл. меж-вуз. науч. конф. " Морское образование на Дальнем Востоке". — Владивосток: ДВГМА, 1996. — С. 27-28.

Тихомиров Г.И., Тихомиров С.Г. Исследование эффективности разделения нефтеводяной смеси в элементах модернизированной судовой сепарационной установки типа СК-2,5М // Мат-лы 4-й междунар. науч. конф. "Проблемы транспорта Дальнего Востока". — Владивосток: ДВО РАТ, ДВГМА, 2001. — С. 14-19.

Guidelines and specifications for pollution prevention equipment for machinery space bilge of ships / International Maritime Organization. — MERC 33(20). — L., 1992. — Circ. 262. — 33 p.

Поступила в редакцию 1.07.03 г.