КОМПЛЕКС ОЧИСТКИ ТОКСИЧНЫХ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к химической и нефтехимической промышленности, а именно к обработке сточных вод или отстоя сточных вод из карт полигона захоронения жидких отходов для последующего сброса очищенной воды в систему канализации.
Известна мобильная установка для очистки особо загрязненных водных сред (Свидетельство на полезную модель РФ 40315, МПК C02F 1/46, опубликовано 10.09.2004). Установка содержит последовательно связанные друг с другом вентиль водозабора, подающую линию, дробилку-иэмельчитель, устройство входного контроля рН-параметра, дозатор серной кислоты, дозатор щелочи, устройство выходного контроля рН-параметра, аппарат электрохимической обработки, флотатор-коагулятор, кассетный фильтр тонкой очистки, емкость чистой воды и вентиль чистой воды. Установка снабжена электроприводом и пультом управления, а также системой насосов: насосом пеноудаления, насосом подачи очищенной воды на фильтрацию, насосом сброса осадка, вакуум-насосом и вакуум-ресивером.
Недостатком известной установки является высокое энергопотребление, в частности, дробилки-измельчителя, аппарата электрохимической обработки, возможность очистки воды только при низких концентрациях нефтепродуктов и фенолов.
Известно устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод, в частности пластовых, подтоварных и ливневых сточных вод нефтяных месторождений (патент РФ 2325330, МПК C02F 1/40, C02F 9/12, опубл. 27.05.2008), содержащее последовательно соединенные песколовку, магнитный сепаратор с источником питания, вихревой смеситель, напорный флотационный аппарат, вакуумный дегазатор, резервуар чистой воды, насосную станцию, реагентное хозяйство для подачи коагулянта и реагентное хозяйство для подачи бактерицидного препарата, систему рециркуляции промывных вод, включающую насос промывной воды, гидрофобно-коалесцирующий фильтр, сборник нефтешлама и отстойник, иловую площадку.
Недостатком устройства является невозможность обеспечения очистки высококонцентрированных по растворенным органическим и минеральным примесям жидких отходов из карт полигона.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является комплекс очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов для системы поддержания пластового давления нефтяных месторождений (Патент на полезную модель РФ 90434, МПК C02F 1/40, C02F 1/12, опубликован 10.01.2010). Комплекс содержит последовательно соединенные отстойник с коалесцирующим фильтром, напорный многосекционный флотатор с устройством для ввода реагентов, электрохимический флотатор с каталитическими фильтрами, магнитный сепаратор, имеющие нефтесборные устройства, выход которых соединен со входом гидрофобно-коалесцирующего фильтра, фильтрационную установку с ультрафильтром с калиброванными отверстиями, ультрафиолетовые лампы, резервуар чистой воды, систему удаления осадка на иловые площадки.
Известное устройство предназначено для подготовки нефтепромысловых вод для системы поддержания пластового давления нефтяных месторождений, и его сложная конструкция обеспечивает в основном снижение концентрации взвешенных веществ, кислорода, сероводорода, сульфатвосстанавливающих бактерий, кроме того, может быть использовано только при невысоких концентрациях загрязняющих взвешенных примесей.
Задачей полезной модели является создание высокоэффективного комплекса очистки токсичных нефтесодержащих высококонцентрированных жидких отходов из карт полигона, обеспечивающего возможность сброса очищенной воды в систему канализации, с применением менее сложных оборудования и технологии.
Поставленная задача решается тем, что комплекс очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов, аналогично прототипу, включает последовательно соединенные отстойник с системой удаления осадка, напорный флотатор с устройством для ввода реагентов, имеющие нефтесборные устройства, фильтрационную установку, ультрафиолетовые лампы. В отличие от прототипа комплекс содержит камеру аэрации с аэратором и нефтесборным устройством, расположенную перед отстойником, компрессор, газоуловитель, дополнительный отстойник с системой удаления осадка и шламосборным устройством, расположенный после напорного флотатора. Перед фильтрационной установкой, выполненной с мембранными фильтрами и снабженной системой обратной промывки, установлен предфильтр. Перед предфильтром размещена первая рабочая емкость, а вторая рабочая емкость размещена после фильтрационной установки. Между дополнительным отстойником и первой рабочей емкостью предусмотрен накопитель воды, перед ультрафиолетовыми лампами установлено устройство для ввода пероксида водорода.
Аэратор может быть выполнен погружным для оперативной очистки без опорожнения камеры аэрации в целях поддержания заданного режима аэрации.
Между отстойником и напорным флотатором может быть установлена промежуточная емкость для регулирования (согласования) расходов воды.
Комплекс может содержать последовательно соединенные модули сепарации, флотации, фильтрации и окисления. Причем камера аэрации, отстойник с системой удаления осадка, нефтесборное устройство, газоуловитель и компрессор расположены в модуле сепарации. Напорный флотатор с устройством для ввода реагентов и дополнительный отстойник с системой удаления осадка, шламосборное устройство расположены в модуле флотации. В модуль фильтрации включены последовательно соединенные первая рабочая емкость, предфильтр, мембранная фильтрационная установка с системой обратной промывки, вторая рабочая емкость. Накопитель воды расположен между модулем флотации и модулем фильтрации. Устройство для ввода пероксида водорода и ультрафиолетовые лампы помещены в модуль окисления. В модуле фильтрации и модуле окисления установлены датчики непрерывного контроля оптических, флуориметрических и электрохимических показателей очищаемой воды.
Накопитель воды может быть выполнен в виде пруда-отстойника либо резервуара в зависимости от расхода воды в модулях.
Между модулем сепарации и модулем флотации может быть установлена промежуточная емкость для регулирования (согласования) расходов воды.
Отстойники могут быть выполнены тонкослойными с элементами из полимерного материала и/или материала с коалесцирующими свойствами, в том числе съемными.
Введение в комплекс камеры аэрации, расположенной перед отстойником, повышает эффективность очистки воды. Это связано с тем, что при аэрации жидких отходов происходит отгонка летучих органических и неорганических веществ, перемешивание с равномерным распределением примесей по объему, окисление ионов металлов кислородом воздуха с образованием оседающих гидроксидов, диспергирование пленок нефтепродуктов, коалесценция капель воды, содержащихся в этих пленках или в крупных каплях нефти. При этом происходит обезвоживание выделенных (всплывающих) нефтепродуктов, создание «висящего» фильтрующего слоя из оседающих примесей, с которым взаимодействуют тяжелые фракции нефтепродуктов, капли нефтепродуктов с кристаллической солью и т.п., переходя в результате в осадок.
Газоуловитель улавливает летучие органические и неорганические вещества, отгонка которых происходит в камере аэрации.
Дополнительный отстойник, помещаемый после напорного флотатора, увеличивает эффективность разделения примесей, как поступивших из отстойника, так и образовавшихся в результате процессов коагуляции и флокуляции во флотаторе.
Фильтрационная установка с мембранными фильтрами оборудована предфильтром и системой обратной промывки, что позволяет снижать нагрузку на мембраны за счет удаления крупных взвешенных примесей и поддерживать производительность процесса на постоянном уровне за счет устранения кольматации (отложения осадка на мембранах) и недопущения закупорки пор.
Перед ультрафиолетовыми лампами установлено устройство для ввода (дозирования) пероксида водорода, поскольку под действием ультрафиолетового излучения фотохимический распад пероксида водорода протекает с образованием радикалов, обладающих наиболее высоким окислительным потенциалом. Радикалы эффективно окисляют остаточные органические, биоорганические и частично минеральные примеси очищаемой воды.
Накопитель воды, который предусмотрен между дополнительным отстойником и первой рабочей емкостью, необходим для полного развития процессов коагуляции и флокуляции примесей, начавшихся в напорном флотаторе под действием реагентов, а также для регулирования (согласования) расходов воды в дополнительном отстойнике и фильтрационной установке при разных режимах их работы (сменном и круглосуточном, соответственно).
Выполнение отстойников тонкослойными позволяет экономить пространство и повышать эффективность удаления из воды оседающих и всплывающих примесей за счет многократного (по сравнению с объемными отстойниками) сокращения пути, проходимого ими в вертикальной плоскости до нижних и верхних поверхностей пластин отстойника, соответственно.
Применение полимерных тонкослойных элементов, в том числе съемных, в отстойниках по сравнению с обычно применяемыми металлическими, существенно упрощает конструкцию, снижает ее вес и позволяет при необходимости облегчить отмывку тонкослойных элементов после их извлечения из отстойников. Применение тонкослойных элементов, обладающих коалесцирующими свойствами, способствует коалесценции (слиянию) капель нефтепродуктов и лучшему отделению в результате их укрупнения.
Разделение комплекса на модули позволяет логически и структурно разделить ступени очистки токсичных нефтесодержащих высококонцентрированных жидких отходов. Составляющие каждого модуля объединены одной целью, которая достигается при заявленной связи и последовательности расположения элементов модуля. Так в модуле сепарации происходит первичное разделение компонентов жидких отходов на нефтепродукты, водную фракцию, осадок и газообразные компоненты. Эффективное решение этой задачи достигается благодаря тому, что подготовительные процессы, происходящие в аэраторе, завершаются в отстойнике, содержащем системы удаления осадка, нефтепродуктов, улавливания газообразных продуктов и отвода водной фракции. В модуле флотации существенная очистка водной фракции, поступающей из модуля сепарации, достигается за счет объединения устройств и процессов - эффективность напорного флотатора усиливается коагуляционной и флокуляционной подготовкой флотирующих примесей, а окончательное их отделение от воды происходит в дополнительном отстойнике, который соединен с напорным флотатором. В блоке фильтрации решается задача отделения взвешенных и части коллоидных органо-минеральных примесей, которые являются опасными конкурентами растворенных органических веществ в окислительных процессах, что может привести к снижению эффективности работы модуля окисления. Для эффективной работы фильтрационной установки с мембранными фильтрами необходимо осуществлять ее регулярную промывку и предварительно освобождать воду от крупных взвешенных примесей с помощью предфильтра. В модуле окисления последовательно соединены устройства, которые позволяют не просто объединить окислительную способность пероксида водорода и ультрафиолетового излучения, но в несколько раз усилить ее за счет образования активных радикалов при фотохимическом распаде пероксида водорода под действием ультрафиолета.
Датчики непрерывного контроля оптических, флуориметрических и электрохимических показателей очищаемой воды устанавливаются с целью получения информации, необходимой для управления процессами обратной промывки мембранной фильтрационной установки, дозирования пероксида водорода, принятия решения о замене предфильтра, увеличения или уменьшения числа работающих ультрафиолетовых ламп.
Сущность полезной модели иллюстрируется графическими материалами. На фиг. представлена схема комплекса очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов.
В частном случае комплекс включает последовательно соединенные модуль 1 сепарации, модуль 2 флотации, модуль 3 фильтрации и модуль 4 окисления. Модуль 1 сепарации включает камеру 5 аэрации с погружным аэратором 6, размещенную перед тонкослойным отстойником 7, снабженным системой отвода осадка, нефтесборное устройство 8 с системой отвода, газоуловитель 9, компрессор 10 для подачи воздуха в аэратор. Модуль 2 флотации содержит напорный флотатор, включающий камеру 11 флотации с напорным резервуаром 12 для насыщения воды воздухом, дополнительный тонкослойный отстойник 13, шламосборное устройство 14, устройство 15 для ввода реагентов. Между модулем 1 сепарации и модулем 2 флотации расположена промежуточная емкость 16. После отстойника 13 модуля 2 флотации предусмотрен накопитель воды 17. Модуль 3 фильтрации, содержит первую рабочую емкость 18, соединенную с накопителем воды 17, предфильтр 19, фильтрационную установку 20 с мембранными фильтрами, вторую рабочую емкость 21, а также систему 22 обратной промывки. Модуль 4 окисления включает устройство 23 для ввода пероксида водорода, ультрафиолетовые лампы 24. В модуле фильтрации и в модуле окисления установлены датчики 25 оптических, флуориметрических и электрохимических показателей очищаемой воды. Погружные и дозирующие насосы на фиг. не показаны.
Комплекс очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов работает следующим образом. Жидкие отходы подают в камеру 5 аэрации модуля 1 сепарации. Одновременно туда же через аэратор 6 подают воздух, нагнетаемый компрессором 10. При этом обеспечивается равномерное распределение примесей по объему, создание «висящего» фильтрующего слоя из оседающих примесей, насыщение воды воздухом. В результате происходит отгонка летучих органических и неорганических веществ, улавливаемых газоуловителем 9, окисление ионов металлов с образованием оседающих гидроксидов, диспергирование пленок нефтепродуктов, коалесценция капель воды, содержащихся в этих пленках или в крупных каплях нефти, что приводит к обезвоживанию выделенных (всплывающих) нефтепродуктов. Одновременно концентрируются неорганические соли, которые вместе с более «тяжелыми» токсичными примесями уходят в шлам. Из камеры 5 аэрации жидкие отходы поступают в отстойник 7. В отстойнике 7 жидкие отходы разделяют на три фракции - водную, нефтяную, осадок. Причем высокая эффективность удаления из воды примесей достигается за счет выполнения отстойника тонкослойным, что обеспечивает многократное (по сравнению с объемными отстойниками) сокращение пути, проходимого ими в вертикальной плоскости до нижних (для оседающих примесей) и верхних (для нефти) поверхностей пластин отстойника. Нефтяную фракцию собирают нефтесборным устройством 8 и утилизируют в виде топлива для местных нужд предприятия. Осевшие примеси удаляют через систему отвода осадка. Водную фракцию направляют в промежуточную емкость 16. Из емкости 16 погружным насосом (не указан на фиг.) водную фракцию подают в камеру 11 флотации модуля 2 флотации. Туда же направляют насыщенную воздухом под давлением в напорном резервуаре 12 воду, поступающую в него из отстойника 13 или из емкости 16. В трубопровод перед камерой 11 флотации с помощью устройства 15 для ввода реагентов подают коагулянт и/или флокулянт и/или другие реагенты для коагуляции и флокуляции взвешенных примесей и вовлечения в этот процесс части растворенных примесей. Образующиеся при этом хлопья выносятся наверх пузырьками воздуха в виде флотокомплексов, которые с потоком воды попадают в отстойник 13. В отстойнике 13 происходит разделение примесей на нефтешлам, собираемый шламосборным устройством 14, а также осадок, удаляемый через систему отвода осадка. Очищенная вода поступает из отстойника 13 в накопитель воды 17, где ее выдерживают не менее двух суток для полного развития процессов коагуляции и флокуляции примесей, начавшихся в камере 11 флотации под воздействием реагентов. Накопитель 17 также используют для регулирования (согласования) расходов воды в модуле 2 и модуле 3 при разных режимах их работы (сменном и круглосуточном, соответственно). Из накопителя 17 воду подают в первую рабочую емкость 18, оттуда - на предфильтр 19 модуля 3 фильтрации. Предфильтр 19 задерживает крупные взвешенные примеси, что позволяет снижать нагрузку на мембранную фильтрационную установку 20, работающую в тангенциальном режиме и очищающую воду от взвешенных и частично от коллоидных примесей. Регулярно с помощью автоматизированной системы 22 проводят обратную промывку мембранной фильтрационной установки 20 очищенной водой, поступающей во вторую рабочую емкость 21. Это позволяет поддерживать производительность процесса на постоянном уровне за счет устранения кольматации (отложения осадка на мембранах) и недопущения закупорки пор. Промывные воды возвращают в первую рабочую емкость 18. Мембранная фильтрация в модуле 3 обеспечивает существенное снижение концентрации взвешенных и коллоидных примесей органической и биоорганической природы, что позволяет эффективно использовать модуль 4 для деструкции растворенных органических и неорганических примесей. В модуле 4 через устройство 23 для ввода пероксида водорода его дозируют в водный поток, который после этого облучают ультрафиолетовыми лампами 24. Фотохимический распад пероксида водорода (под действием ультрафиолетового излучения) протекает с образованием радикалов, обладающих наиболее высоким окислительным потенциалом. Радикалы эффективно окисляют остаточные органические и биоорганические примеси очищаемой воды. С помощью датчиков 25 оптических, флуориметрических и электрохимических показателей очищаемой воды получают информацию, необходимую для управления процессами обратной промывки фильтрационной установки 20 с мембранными фильтрами, дозирования пероксида водорода с помощью устройства 23, принятия решения о замене предфильтра 19, увеличения или уменьшения числа работающих ультрафиолетовых ламп 24. После модуля 4 очищенную воду подают в систему канализации.
5
Пример. Проведены испытания макета комплекса очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов на высококонцентрированных жидких отходах из карты полигона. Анализировали исходную пробу жидких отходов и пробы воды после каждого из четырех модулей, входящих в комплекс. В пробах определяли основные показатели, нормируемые для абонентов бассейнов канализования общесплавных или бытовых выпусков. Содержание примесей органической природы оценивали показателями ХПК (химическое потребление кислорода) и БПК (биохимическое потребление кислорода за 5 суток). Концентрацию отрицательно заряженных органических ионов - показателем СПАВ (ан) (анионактивные синтетические поверхностно-активные вещества).
При достижении показателем уровня ПДК дальнейший анализ (после следующих модулей) не проводили (н/о - показатель не определяли). Результаты анализа представлены в таблице.
Таблица
№
Показатель, ед. измерения
Исходная проба
Проба после модуля 1 сепарации
Проба после модуля 2 флотации
Проба после модуля 3 фильтрации
Проба после модуля 4 окисления
Условия сброса в систему канализации Санкт-Петербурга для не жилищного фонда
1
рН
6,9
6,3
6,4
6,5
6,5
6,5÷9,0
2
ХПК, мгО/дм<sup>3</sup>.
66000
3800
2400
490
260
ХПК/БПК<sub>5</sub>≤2,5
3
Взвешенные вещества, мг/дм<sup>3</sup>.
1150
480
98
13
6
300 (110)
4
Цветность, град. цв.
-
595 (после выдержки 2 сут)
240
160
Не норм.
5
Нефтепродукты, мг/дм<sup>3</sup>
>60
47
2,9
1,5
0,6
0,7 (0,5)
6
СПАВ (ан) мг/дм<sup>3</sup>
15
>2,0
>2,0
2,0
1,3
1,4 (1,0)
7
Аммоний(ион), мг/дм<sup>3</sup>
875
3,8
н/о
н/о
н/о
18 (пo N)
8
Хлориды, мг/дм<sup>3</sup>
36000
н/о
860
н/о
н/о
1000
9
Сульфаты, мг/дм<sup>3</sup>
24000
н/о
340
н/о
н/о
500
10
Нитраты, мг/л
380
0,56
н/о
н/о
н/о
Не норм
11
Нитриты, мг/дм<sup>3</sup>
н/о
0,041
н/о
н/о
н/о
Не норм
12
Сульфиды, мг/дм<sup>3</sup>
2,5
0,0029
н/о
н/о
н/о
1,5
13
БПК<sub>5</sub>,мгО<sub>2</sub>/дм<sup>3</sup>
н/о
н/о
1300
200
120
700 (-)
14
Кадмий, мг/дм<sup>3</sup>
0,01
н/о
0,0009
н/о
н/о
0,05 (0,002)
3
Из полученных результатов следует, что резкое снижение содержания загрязнителей, концентрации которых составляют десятки тысяч мг/дм, происходит уже в первых двух модулях. Это относится, в частности, к таким нормируемым показателям как ХПК, хлориды и сульфаты. Мембранный блок, как и планировалось, эффективно удаляет минеральные, органические и биоорганические примеси, находящиеся во взвешенном состоянии. А в окислительном блоке происходит деструкция преимущественно растворенных органических и биоорганических соединений, приводящая к достижению условий сброса воды в систему канализации.
В первых двух модулях происходит изменение фазового состояния ряда примесей с переходом значительной части растворенных примесей (в том числе, коагулянта) в состав взвешенных частиц. Поэтому концентрация взвешенных примесей, поступающих на тонкослойные отстойники, а, следовательно, и эффективность их работы, в действительности оказывается существенно выше, чем это следует из данных, приведенных в таблице.
По отдельным показателям, как следует из представленных в таблице данных, имеется существенный «запас» по сравнению с нормативами, что позволяет использовать предложенный комплекс и для более загрязненных нефтесодержащих жидких отходов.
Таким образом, экспериментально полученные данные подтверждают высокую эффективность комплекса очистки токсичных нефтесодержащих жидких отходов из карт полигона их захоронения, обеспечивающего возможность сброса очищенной воды в систему канализации, с помощью более простого устройства и более простой технологии, чем в прототипе, при сверхвысоких концентрациях ряда компонентов в очищаемых отходах.