Установка для очистки и обезвреживания сточных вод от опасных химических веществ с системой контроля качества воды в режиме реального времени

/30 Civil SecurityTechnology, Vol. 14, 2017, No. 3 (53) УДК 622.271

Установка для очистки и обезвреживания сточных вод от опасных химических веществ с системой контроля качества воды в режиме реального времени

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2017

В.А. Пашинин, А.В. Павлов, П.Н. Косырев, Е.Е. Мишуров

Аннотация

Описана блочно-модульная установка для очистки и обезвреживания сточных вод и источников водоснабжения от опасных химических веществ с системой автоматического оперативного контроля качества воды по заданным параметрам в различных точках технологического процесса водоочистки. На основе очистной установки серии «Мойдодыр Л(Н)-Ф» разработана новая установка, позволяющая получать воду, пригодную для использования в системах технического водоснабжения и сброса в естественные водоемы при любом загрязнении воды опасными химическими веществами.

Ключевые слова: очистка сточных вод; обезвреживание сточных вод; блочно-модульная установка; оперативный контроль качества воды; опасные химические вещества.

A Plant with an In-process Water Quality Control System for TREATING Waste Water Contaminated with Hazardous Chemicals

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2017

V. Pashinin, A. Pavlov, P. Kosyrev, E. Mishurov

Abstract

The article describes a modular-design plant for treatment and decontamination of waste waters and water sources. The plant is equipped with an automated system for water quality monitoring based on specified parameters at various stages of water treatment process. The plant was designed based on the commercial water treatment plant Moy-dodyr L(N)-F and can be used to treat water polluted with any hazardous chemicals to a level that it can be used in utility water supply systems or discharged into natural water bodies.

Key words: waste water treatment; waste water decontamination; modular-design plant; in-process water quality monitoring; hazardous chemicals.

Очистка и обеззараживание воды от опасных химических веществ представляет собой комплексную и актуальную задачу не только в режиме производственного цикла, но и в связи с возможными чрезвычайными ситуациями (далее—ЧС), обусловленными проливами и просыпями опасных химических веществ (ОХВ).

Здесь под ОХВ подразумеваются аварийно химически опасные вещества (далее—АХОВ), заражающие воду при ЧС (кислоты, щелочи, фосфаты, цианиды, несимметричный диметилгидразин и продукты его трансформации), а также вредные вещества, которые попадают в воду в ходе различных технологических процессов: нефтепродукты, фосфор, серу и хлорсодержащие удобрения (суперфосфат, ДДТ, дихлофос, карбофос, тиофос), тетраэтилсвинец и другие, которые попадают в сточную воду с сельскохозяйственных полей при их обработке удобрениями, при перевозке различными видами транспорта.

Разумное комплексное потребление воды в условиях постоянно увеличивающихся объемов ее расходования становится сложной технологической, технической и экономической задачей. Рациональное использование воды во многих технологических процессах включает в себя несколько направлений: снижение удельного потребления воды; организация оборотного водопотребления; применение технологических схем и оборудования для очистки воды, которые требовали бы минимального расхода пополняемой воды и не загрязняли окружающую природную среду;

разработка научно обоснованных норм расхода воды;

расширение использования сточных вод; повышение эффективности очистки сточных вод; совершенствование процессов в направлении более полного использования отходов производства для уменьшения потребности в очистных сооружениях.

Одними из самых часто встречающихся загрязнителей поверхностных вод являются нефтепродукты. Нефть и продукты ее переработки представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную смесь веществ (низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные, азотистые, сернистые соединения, а также ненасыщенные гетероциклические соединения типа смол, асфальтенов, ангидридов асфальтеновых кислот). Понятие «нефтепродукты» в гидрохимии условно ограничивается только углеводородной фракцией (алифатические, ароматические, алициклические углеводороды).

Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами [1]. Некоторые количества углеводородов поступают в воду в результате прижизненных выделений растительными

и животными организмами, а также в результате их посмертного разложения.

В результате протекающих в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при этом значительным изменениям может подвергаться их химический состав. Наиболее устойчивы—ароматические углеводороды, наименее — н-алканы.

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 определяется, как правило, сумма растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти.

Фоновое содержание нефтепродуктов в речных, озерных, морских, подземных водах и атмосферных осадках колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые доли мг/дм3 [2].

Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом состоянии водоема. Входящие в состав нефтепродуктов низкомолекулярные алифатические, нафтеновые и особенно ароматические углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические конденсированные углеводороды типа 3,4-бензапирена, обладающие канцерогенными свойствами. Нефтепродукты обволакивают оперение птиц, поверхность тела и органы других гидробионтов, вызывая заболевания и гибель.

Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм3, и присутствие их в виде пленки сказываются и на развитии высшей водной растительности и микрофитов.

В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и запах, изменяется ее цвет, рН, ухудшается газообмен с атмосферой.

ПДК нефтепродуктов составляет 0,3 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности—органолепти-ческий при сливе в сети канализации), ПДКвр— 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности—

рыбохозяйственный). Присутствие канцерогенных углеводородов в воде недопустимо.

На нефтетранспортных предприятиях сбор сточных вод и их очистку ведут в зависимости от нефтехимических примесей и способов их очистки. В сточных водах нефтетранспортных предприятий находятся нефть и нефтепродукты, которые после отделения от воды можно использовать в народном хозяйстве [3, 4].

При различных ЧС в сточные воды могут попасть продукты кислого и щелочного характера (серная, соляная, азотная, фосфорная кислоты, гидроокись калия, натрия, кальция), фосфаты, цианиды, несимметричный диметилгидразин и продукты его трансформации).

В ходе нарушения технологического процесса производства, при погрузке и перевозке различными видами транспорта и избыточного применения удобрений в сельском хозяйстве в воду попадают также такие вредные вещества, как токсичные металлы, фосфор, сера и хлорсодержащие удобрения (суперфосфат, ДДТ, дихлофос, карбофос, тиофос), тетра-этилсвинец и другие.

В таком случае химические примеси, как например тетраэтилсвинец, отделяют специальными химическими методами. В этом случае целесообразно применять раздельный сбор сточных вод и комбинированную систему очистки.

Имея данные по расходам сточных вод, их подробную характеристику, в том числе и по содержанию примесей, а также требования к очищенной воде, по схеме можно отобрать для проверки несколько методов. На основании экспериментальных исследований с учетом технико-экономических показателей выбирают оптимальную комбинацию методов очистки сточных вод.

Выбор методов очистки сточных вод зависит от многих факторов:

количество сточных вод различных видов, их расходы, возможность и экономическая целесообразность извлечения примесей из сточных вод;

требования к качеству очищенной воды при ее использовании для повторного и оборотного водоснабжения и сброса в водоем, мощность водоема, наличие районных или городских очистных сооружений [5].

Основными методами очистки воды от различных загрязнений (масла, топливо, ароматические углеводороды, серосодержащие вещества и др.), являются:

1) коагуляция—это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты;

2) флотация—это сложный физико-химический процесс, заключающийся в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя;

3) напорная флотация—этот вид очистки сточных вод выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных

и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха;

4) сорбция—это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ;

5) биологический метод—это процесс, основанный на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в ходе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления—Н20, С02, N03", $042- и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.

Из приведенных методов для создания водоочистного устройства подходят все перечисленные методы, за исключением биологического, при котором процесс очистки воды занимает длительное время.

При наличии в сточных водах следов металлов (например железо, алюминий) можно произвести очистку от этих компонентов путем доукомплектования установки очистки дополнительными узлами.

Если из исходной воды необходимо удалить ОХВ и другие примеси в небольших количествах, то технологическая схема водоочистного устройства примет вид, показанный на рис. 1.

На рис. 1-3: слева стрелкой показана исходная вода, а справа — вода после очистки.

Для удаления из воды больших количеств опасных химических веществ, взвешенных веществ и ряда других примесей наиболее целесообразно выбрать технологическую схему водоочистного устройства, приведенную на рис. 2.

Водоочистное устройство, работающее по данной технологической схеме, способно очищать воду до показателей, соответствующих воде питьевого качества.

Чтобы решить задачу очистки воды, необходимо провести работу по формированию рациональной блочно-модульной установки.

Исходя из вышеперечисленного, становится очевидной актуальность работы по созданию технологий и аппаратов, которые повысили бы эффективность очистки сточных вод, позволили бы вторично использовать сточные воды, тем самым уменьшая потребность предприятий в природной воде, а также обеспечить сброс сточных вод в естественные водоемы без нарушения экологического законодательства.

Выбор оптимальных технологических схем очистки воды — достаточно сложная задача, что обусловлено многообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями к качеству очистки.

При создании очистных сооружений основными факторами являются их производительность и состав системы очистки сточных вод. Проектирование

Рис. 1. Технологическая схема водоочистного устройства для очистки небольших количеств опасных химических веществ

Рис. 2. Технологическая схема водоочистного устройства для очистки больших количеств опасных химических веществ

системы очистки сточных вод должно осуществляться с учетом необходимости использования наилучших доступных технологий в области промышленной очистки сточных вод, прогрессивных технологических решений, автоматизации технологических процессов.

Выбор блоков для конкретного водоочистного устройства зависит от вида загрязнителей и показателей качества воды, которые условно можно разделить на 7 групп:

общие физико-химические показатели качества воды;

органолептические показатели качества воды; бактериологические и паразитологические показатели воды;

радиологические показатели качества воды; неорганические примеси в воде; органические примеси в воде; обеззараживающие средства и продукты обеззараживания в воде.

Основным критерием при выборе блока для очистки воды является перечень загрязнителей и их концентрации в исходной воде и показатели этих загрязнителей, которые необходимо достичь в очищенной выбранным набором блоков воде. Набор блоков является основой выбора технологии очистки и, соответственно, определяет структуру построения водоочистного устройства в целом.

При наличии в воде всего перечня загрязнителей (что можно представить лишь гипотетически) наиболее целесообразной выглядит следующая последовательность размещения блоков в технологической схеме установки:

блок фильтрации (блок коагуляции); блок флотации;

блок ионного обмена (блок обезжелезивания, блок осветления);

блок обратного осмоса (блок нанофильтрации); блок сорбции;

блок широкополосного УФ-облучения. Количество блоков, входящих в состав водоочистного устройства, зависит от перечня удаляемых загрязнений и требуемой степени очистки от них.

При всех преимуществах данной технологической схемы, позволяющих решать самые сложные

проблемы очистки воды, она является наиболее энергоемкой и требует хорошей водоподготовки для увеличения ресурса обратноосмотических мембран. Применение данной технологии для получения воды, пригодной для сброса в естественные водоемы, целесообразно только в том случае, когда другие методы не способны решить эту задачу.

Технологическая схема, в которой использовались бы все 6 блоков одновременно, невозможна, так как ряд блоков решают одинаковые задачи по удалению из воды загрязнений. В этом случае выбирается блок, эксплуатация которого наиболее выгодна с учетом принципа «эффективность—качество».

В частности для гарантированной очистки воды от опасных химических веществ необходимо использовать модульный принцип построения системы очистки, включающий следующие модули (блоки): блок механической очистки; блок флотации; блок сорбционной очистки; блок очистки УФ-облучением. Если из исходной воды необходимо удалить опасных химических веществ в небольших количествах (до 30 мг/л), то водоочистное устройство будет состоять из следующих блоков: блок флотации; блок сорбции; блок УФ-облучения.

Для удаления из воды большого количества опасных химических веществ, взвешенных веществ и других наиболее распространенных загрязнителей наиболее целесообразно выбрать приведенный ниже список блоков водоочистного устройства: блок коагуляции; блок флотации; блок сорбции; блок УФ-облучения.

Водоочистное устройство, работающее по данной технологической схеме, способно очищать воду до показателей, соответствующих воде, пригодной для сброса в естественные водоемы.

Применение данных водоочистных устройств позволит более рационально использовать водные ресурсы, применяющиеся во многих технологических

процессах и исключить штрафы за сброс недостаточно очищенных вод в городскую канализацию, естественные водоемы или на рельеф местности.

Рис. 3. Технологическая схема установки «МОЙДОДЫР М-КФ»

Беря за основу установку «МОЙДОДЫР М-КФ» (рис. 3) [6], рассмотрим, какие изменения надо произвести, чтобы новая установка имела оптимальную комплектацию, позволяющую получать воду, пригодную для использования в системах технического водоснабжения и сброса в естественные водоемы при любом загрязнении воды нефтепродуктами.

Примерный перечень конструктивных и технологических изменений состоит в следующем.

1. Блок коагуляции—его конструкция полностью соответствует своему назначению и позволит удалить из воды нерастворенные нефтепродукты и взвешенные вещества.

2. Блок флотации—данная конструкция обеспечивает удаление из воды как оставшейся части не-растворенных, так и основной массы растворенных нефтепродуктов.

3. Блок сорбции—необходимо добавить в конструкцию установки, обеспечив поток воды в направлении сверху вниз с линейной скоростью не более 5 м/час. В качестве сорбирующей загрузки предложено использовать активированный уголь АГ-3 с фракционным составом 1-2 мм. В качестве подложки использовать кварцевый песок или дробленый антрацит с фракцией 3-5 мм. Такой блок будет гарантированно поглощать различные фосфорорганические соединения.

4. Блок УФ-облучения—необходимо добавить в конструкцию, оснастив его лампой высокоинтенсивного импульсного облучения ИНП-7/80 или ИНП-16/250 в зависимости от производительности установки.

5. Система дозирования коагулянта — комплектация позволяет дозировать коагулирующий раствор

с требуемой производительностью, проводить в ходе работы установки ее корректировку. В состав 100 л коагулирующего раствора целесообразно включить:

Аква-аурат-30-4 кг;

№2ТО3-2 кг.

Для предотвращения появления запаха в блоках коагуляции и флотации, особенно в теплое время года, в коагулирующий раствор необходимо добавить 1 литр дезинфицирующего средства «Дезофран», которое не влияет на процесс коагуляции.

6. Система пенообразования—комплектация позволяет осуществлять процесс напорной флотации при давлении от 2 до 4 атм.

7. Система пеноудаления—комплектация позволит производить удаление пены в блоке флотации.

8. Блок управления—должен обеспечивать полную автономность работы установки, включая контроль качества воды после каждого блока.

9. Датчик системы контроля качества—предусмотрено размещение датчиков на входной и выходной магистралях и на выходе из каждого блока установки.

10. Обвязка установки—должна обеспечивать поток воды согласно технологической схеме, возможность перекрывать поток воды от блока к блоку по сигналу с блока управления при неудовлетворительном качестве воды на выходе из блока и направление воды на повторную очистку в данном блоке.

Примерный общий вид модернизированной установки приведен на рис. 4.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

На основе анализа возможного содержания в воде ОХВ и других загрязнений предложена универсальная технология очистки воды с содержанием загрязнителей в любых количествах.

На основе очистной установки серии «Мойдодыр Л(Н)-Ф», предназначенной для очистки производственных и поверхностных сточных вод, разработана блочно-модульная установка для очистки и обезвреживания сточных вод и источников водоснабжения от нефтепродуктов, фосфор- и серосодержащих пестицидов, а также других загрязнителей, содержащая систему автоматического оперативного контроля

контроля

Рис. 4. Примерный общий вид установки для очистки воды

качества воды по заданным параметрам в различных точках технологического процесса водоочистки, позволяющая получать воду, пригодную для использования в системах технического водоснабжения и сброса в естественные водоемы при любом загрязнении воды нефтепродуктами и рядом других загрязнителей.

Предлагаемая методика может быть использована при работах по созданию блочно-модульных водоочистных установок под конкретные задачи для очистки и обезвреживания сточных вод, выполняемых в интересах МЧС России.

Материалы по разработке данной блочно-модуль-ной установки докладывались на 19 Международной научно-практической конференции «Опыт ликвидации крупномасштабных чрезвычайных ситуаций в России и за рубежом», проведенной ФГБУ ВНИИ ГОЧС в 2014 г. [7].

Литература

1. Карелин Я. А., Попова И. А., Евсеева Л. А. и др. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. М.: Стройиздат, 1982. 184 с.

2. Роев Г. А. Очистные сооружения. Охрана окружающей среды. М.: Недра, 1993. 287 с.

3. Стахов Е. А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов. Л.: Недра, 1983. 263 с.

4. Роев Г. А., Юфин В. А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.: Недра, 1987. 224 с.

5. Очистка производственных сточных вод: Учеб. пособ. для вузов. // Под. ред. С.В. Яковлева. М: Стройиздат, 1985. 335 с.

6. Кочетов Л. М., Павлов А. В. Паспорт очистной установки «МОЙДОДЫР-Л(Н)-Ф-6» для систем оборотного водоснабжения. ЗАО «Концерн «Мойдодыр», 2009. Декабрь. С. 4-10.

7. Пашинин В. А., Косырев П. Н., Павлов А. В., Татаринов В. В. Установка для очистки и обезвреживания сточных вод от нефтепродуктов с системой контроля качества воды в режиме реального времени // Материалы XIX Международной на-уч.-практ. конф. «Опыт ликвидации крупномасштабных чрезвычайных ситуаций в России и за рубежом. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2014 . С. 352-359.

Сведения об авторах

Пашинин Валерий Алексеевич: д. т. н., проф., ФГБУ ВНИИ

ГОЧС (ФЦ), в. н. с., с.н.с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.

е-таИ: pashininmiit@yandex.ru

SPIN-код — 8305-8211.

Косырев Павел Николаевич: к. т. н., с. н. с., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. е-таИ: kosyrevp@mail.ru

Павлов Александр Викторович: к. х. н., с. н. с., МГУ

им. М.В. Ломоносова, доц. воен. каф.

119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 33.

е-таИ: pavlov@moydodyr.ru.

Мишуров Евгений Евгеньевич: ЗАО «Экологический промышленно-финансовый концерн «МОЙДОДЫР». 107370, г. Москва, Открытое шоссе, д. 12, стр. 3. е-т^И: mishurov@moydodyr.ru

Information about authors

Pashinin Valery A.: Ph. D., Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher, Senior Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. E-mail: pashininmiit@yandex.ru SPIN-scientific — 8305-8211.

Kosyrev Pavel N.: Cand.Sci. (Engineering), Senior Researcher, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: kosyrevp@mail. ru

Pavlov Alexandr V.: PhD in Chemistry, Senior Researcher, Moscow State University. M.V. Lomonosov, Associate Professor of Military Department.

1/33 Leninskie mountains, Moscow, 119991, Russia. e-mail: pavlov@moydodyr.ru.

Мishurov Еvgeni Е.: Closed joint-stock company "Ecological industrial and financial concern "MOYDODYP". 12/3 Open highway, Moscow, 107370, Russia. e-mail: mishurov@moydodyr.ru

Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС

Авторы, название URL

Пучков В.А. и др. Совершенствование гражданской обороны в Рос- http://elibrary.ru/item.asp?id=26496461 сийской Федерации. Материалы Всероссийского совещания с руководителями федеральных органов исполнительной власти и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации по проблемам гражданской обороны и защиты населения и XII Научно-практической конференции

Воронов С.И. и др. Актуальные проблемы формирования культуры http://elibrary.ru/item.asp?id=26496652 безопасности жизнедеятельности населения. XXI Международная научно-практическая конференция по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Ногинск, 17-18 мая 2016 г. Сборник докладов

Акимов В.А. и др. ВНИИ ГОЧС: комплексные решения проблем без- http://elibrary.ru/item.asp?id=27336754 опасности (40-летию института посвящается). В 4 т. Т. 1. Исторический очерк

Акимов В.А. и др. ВНИИ ГОЧС: комплексные решения проблем без- http://elibrary.ru/item.asp?id=27408687

опасности (40-летию института посвящается). В 4 т. Т. 2. Очерки и

воспоминания