Современное техническое решение проблемы очистки производственных стоков

СОВРЕМЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОКОВ

Л.В.Кучеренко, С.Д. Угрюмова, Н.Ю. Мороз, О.Г. Воробьева,

Загрязнение окружающей среды происходит при любом внесении в экосистему компонентов, нарушающих процесс круговорота или обмена веществ. Опыт природопользования во всем мире показывает, что уменьшить экологический ущерб можно на основе прогрессивных инженернотехнических методов: создания очистных сооружений, бессточных технологических процессов, утилизации отходов в качестве вторичных материальных ресурсов. В статье рассмотрены возможности использования магнитного поля в процессе очистки производственных стоков.

Environmental pollution occurs during entering the components into ecosystem, breaking process of circulation or a metabolism. Experience of wildlife management all over the world shows that it is possible to reduce ecological damage on the basis of progressive nonproduction methods: creations of clearing constructions, unsewer technological processes, recycling of waste products as secondary material resources.

In clause{article} opportunities of use of a magnetic field are considered during clearing the industrial drains.

Загрязнение окружающей среды происходит при любом внесении в экосистему компонентов, нарушающих процесс круговорота или обмена веществ. Опыт природопользования во всем мире показывает, что уменьшить экологический ущерб можно на основе прогрессивных инженернотехнических методов: создания очистных сооружений, бессточных технологических процессов, утилизации отходов в качестве вторичных материальных ресурсов. С позиции В.И. Вернадского, на данном этапе эволюции биосферы развитие пойдет по пути разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.

Задачей специалистов с точки зрения экологии является оптимизация технологических решений, исходя из минимизации ущерба окружающей среде. Одной из сфер экологизации промышленности является совершенствование технологий с целью эффективного использования энергии, утилизации вторичного сырья. Смена технологий требует определенных затрат, что удорожает производство, но часто это через определенное время окупается.

Пренебрежение экологическими требованиями ради быстрой экономической выгоды приводит к тяжелым последствиям для людей и, в конечном итоге, к невосполнимым экономическим потерям. Из числа загрязнителей, поступающих в океанские воды в больших объемах, наиболее токсичными являются нефть и нефтепродукты. Ежегодно в Мировой океан попадает до 15 млн т нефти, каждая тонна которой покрывает 12 км2 водной поверхности, что приводит к гибели оплодотворенной икры, личинок и молоди рыбы. Из-за нарушения процесса фотосинтеза происходит изменение газообмена между водой и атмосферой. Основная часть загрязнений поступает не в открытое море, а в прибрежные воды, где нерестится, растет и вылавливается около 90 % рыбы, потребляемой человеком. Загрязнение морских вод губительно сказывается на фитопланктоне, служащем первым звеном пищевой цепи морских животных. Загрязнение водоемов приводит к сокращению нерестовых площадей и ареала обитания рыб, ухудшению состояния кормовой базы, нарушению миграционных путей рыб.

Особое внимание уделяется специальным методам обработки стоков, позволяющим извлекать и утилизировать ценные компоненты. Современные технические решения включают целый комплекс методов и разнообразных способов их реализации. Рациональным подходом является использование для осаждения загрязняющих ингредиентов вместо дорогостоящих синтетических веществ природных ископаемых (уголь, глина, бишофит, цеолит), а также специфических отходов производства (опилки, рисовая шелуха, чешуя рыб). Выбор наиболее оптимального комплекса методов очистки определяется физико-химическими показателями и технологическими особенностями образования производственных стоков.

Особая роль в промышленных стоках отводится нефти. Разлитая в море нефть распространяется по поверхности морской воды в виде пленки, толщина и форма которой зависят от состава нефти, действия ветра, волн. Небольшое количество обычной сырой нефти в аналогичных условиях быстро распространится на поверхности воды в виде тончайших радужных бликов, состоящих из пленки толщиной не более 0,3 мкм. Такому распространению способствуют поверхностно-активные вещества, содержащиеся в сырой нефти. Изменения в составе нефти происходят и в результате растворения некоторых фракций в морской воде. Отмечается, что растворенная фракция нефтяных

углеводородов в поверхностном микрослое занимает61 % от общего их содержания. Причем концентрация растворенных нефтяных углеводородов в поверхностном микрослое в 1 800 раз выше, чем в подповерхностном однометровом слое.

Предполагается, что в процессе миграции нефтяных углеводородов и поверхностного микрослоя в атмосферу в большей мере задействована растворенная форма, тогда как взвешенная форма углеводородов нефти впоследствии участвует в образовании нефтяных агрегатов. Нефть, оставшаяся после выветривания легких фракций и растворения части компонентов в воде, подвергается дальнейшему окислению. Катализаторами этого процесса служат минеральные соли, содержащиеся в морской воде, солнечная радиация и деятельность микроорганизмов. Известно свыше 100 видов морских бактерий, способных окислять углеводороды нефтяного происхождения. В воде, хорошо насыщенной кислородом, при температуре 20-30 °С микроорганизмы могут окислять нефть со скоростью до 2 г на 1 м2 водной поверхности в день. Для того чтобы максимально увеличить микробиологическое воздействие моря, нефть, сбрасываемая за борт, должна быть диспергирована.

В настоящее время нет какого-либо одного метода, способного давать точную количественную оценку нефтяного загрязнения морских вод. Лишь комплекс методов помогает решить эту задачу. Для проведения эффективных природоохранных мероприятий по очистке производственных стоков необходимы комплексные экономические, экологические, технические, технологические, гидрологические и другие исследования.

Нами рассмотрены возможности использования магнитного поля в процессе очистки. Магнитная восприимчивость, характеризующая магнитные свойства веществ, очень мала у всех диамагнитных и большой группы парамагнитных веществ. Вода и многие органические соединения являются типичными представителями диамагнитных веществ.

Механизм процесса магнитной обработки воды в целом в настоящее время нельзя признать изученным. В большей степени это связано с плохой воспроизводимостью результатов магнитной обработки, которая в лабораторных исследованиях достигает 30 %. Объективным подтверждением изменения ряда свойств у омагниченной воды являются технологические эффекты, используемые в различных отраслях промышленности. Для интенсификации процесса всплывания сферических частиц масло- и нефтепродуктов использованы магнитные свойства. Преимуществами способов, использующих энергию электромагнитного поля, являются: компактность конструкции, высокая эффективность, универсальность, чистота выделенных веществ, возможность автоматизации управления процессом.

Применение установок, использующих энергию электромагнитного поля, является прогрессивным направлением в технологии очистки. Это позволяет эффективно и более экономично, по сравнению с другими установками, требующими строительства громоздких очистных сооружений, занимающих значительные производственные площади, решать проблемы защиты окружающей среды.

Особый интерес также представляют цеолиты - кристаллические тонкопористые алюмосиликатные адсорбенты. Их каркасы являются открытыми структурами, в которых отдельные звенья расположены менее плотно, чем у других алюмосиликатов. Другой характерной особенностью цеолитов является наличие у них системы регулярных каналов и сообщающихся полостей, которые значительно увеличивают их поверхность по сравнению с другими алюмосиликатами. В природе цеолиты представлены минералами: шабазитом, гмелинитом, ливинитом, фожазитом, морденитом и др. Среди них наиболее эффективными поглотителями, имеющими большую адсорбционную емкость, являются цеолиты группы шабазита и фожазита. В природных условиях цеолиты обычно загрязнены другими минералами, что затрудняет их использование в качестве селективных адсорбентов.

Сточные воды, содержащие нефтепродукты в виде мазута, смазочных и изоляционных масел, керосина, бензина и т. д. образуются при эксплуатации и ремонте мазутного хозяйства, за счет утечек из маслосистем, при аварийных упусках и ремонтных работах, при утечках охлаждающей воды из насосов. Количество и степень загрязнения стоков зависят от мощности предприятия и вида используемого топлива.

Учитывая значение предельно допустимой концентрации ПДК 0,05 мг/л для нефтепродуктов, очистка стоков до концентраций, позволяющих сбрасывать их в водоемы, экономически невыгодна. Целесообразно очищать нефтесодержащие стоки до концентраций, позволяющих использовать их в технологическом цикле предприятия. На современных предприятиях должны предусматриваться также и локальные очистные установки с

использованием различных способов очистки. Механическую очистку обычно проводят в нефтеловушках, отстойниках, фильтрах, гидроциклонах и сепараторах. При наличии в сточных водах крупных минеральных частиц применяют решетки и песколовки. На крупных предприятиях объем стоков составляет свыше 1 000 м /сут. На мелких, весьма многочисленных, от 5 до 1 000 м /сут. Особенностью предприятий, осуществляющих перевалку нефтепродуктов, является отсутствие возможностей для создания полного оборотного цикла, в связи с чем сбор сточных вод в окружающую среду является неизбежным. В то же время нормативная документация постоянно идет по пути ужесточения требований к качеству очистки сточных вод.

Нами экспериментально исследовались процессы фильтрации при очистке нефтесодержащих сточных вод. Установлено, что применение двухслойных фильтров для очистки сточных вод, содержащих масляные примеси и склеивающие вещества, нецелесообразно, поскольку при промывке фильтров неизбежен вынос легких фракций.

Интенсивность промывки двухслойных фильтров для очистки сточных вод составляет 15-16 л/(с^м), продолжительность промывки - 8-10 мин. Для загрузки фильтров с восходящим потоком воды используют кварцевый песок, однако можно использовать и другие фильтрующие материалы, например доменный шлак. Загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах, например масла, нефть, смолистые вещества, целлюлоза, лигнин и т. д., способны оказывать влияние на механизм процесса фильтрации через зернистую загрузку и изменять структуру отложений в порах, что должно быть учтено при выборе конструктивных и технологических параметров фильтров: типа и крупности зерен загрузки, высоты ее слоя, направления фильтрационного потока, условий регенерации и загрузки, методов обработки промывной водой и др.

Полноту и тонкость фильтрования, а также гидравлическую характеристику фильтра определяли на полноразмерном гидравлическом стенде. Первоначально оценивали номинальную пропускную способность фильтра при минимальном перепаде давления и гидравлическую характеристику при прокачивании чистого нефтепродукта через фильтр, затем полноту, номинальную и абсолютную тонкость фильтрования, для чего применяли раствор, в который предварительно вводился искусственный загрязнитель. При этом применяли те же методики, что и при определении свойств фильтрующих материалов.

Стойкость конструкционных материалов к действию нефтепродукта выполняли, осматривая внутренние поверхности корпуса и фильтрующие элементы и проверяя физико-механические показатели фильтрующих и прокладочных материалов. Одновременно проводили гранулометрический и спектральный анализ загрязнений, содержащихся в отфильтрованном стоке.

Работоспособность фильтра при действии внешних факторов исследована в специальных климатических, холодильных и термических камерах и при испытании в различных климатических зонах и разных погодных условиях. Чтобы определить воздействие вибрации и тряски, использовали вибрационные и ударные стенды. Стабильность фильтра к действию климатических факторов и механических нагрузок определяли, повторно проверяя его герметичность, номинальную пропускную способность и номинальную тонкость фильтрования.

Чтобы предварительно выяснить срок службы вновь разработанного фильтра, моделировали условия его работы при испытаниях на стенде. В фильтруемую среду при этом вводили искусственные или естественные загрязнители в количествах, соответствующих ожидаемой средней концентрации загрязнений в стоке в условиях эксплуатации фильтров данного типа. При испытаниях фиксировали количество очищенного масла, число замен или промывок фильтрующих элементов, число ремонтов фильтра. Эффективность использования фильтра характеризуется затратами на очистку определенного количества сточной воды при необходимой степени надежности фильтра, но отсутствует научно обоснованная система критерев, позволяющая оценивать надежность фильтров.

Сложность явлений, наблюдаемых при движении потока через фильтрующий материал, и зависимость его от большого числа разнообразных факторов не дают возможности решить уравнения, описывающие этот процесс, в аналитическом виде. Однако анализ процесса фильтрования показывает, что его эффективность зависит от гидродинамического режима движущегося потока и сил давления и инерции в нем.

Для очистки сточных вод использовались фильтры с нисходящим (сверху вниз) и с восходящим (снизу вверх) потоками, по схеме прямоточно-противоточного движения. Предлагаемая нами прямоточно-противоточная схема включения трехступенчатых объемных

фильтрующих колонн в общую схему очистных сооружений позволяет снизить содержание нефти до 5-7 мг/л при скорости фильтрации на последней ступени 4-6,5 м/ч.

В результате проведенных исследований установлена взаимосвязь концентрации нефти в воде и времени работы фильтра до регенерации. Ресурс эффективной очистки стоков на фильтре без регенерации составил 70 ч, при содержании нефти 40-50 мг/л. При значительном уменьшении содержания нефти в стоке до 11-12 мг/л ресурс работы фильтра увеличился до 180 ч. При содержании нефти менее 5 мг/л изменения работоспособности фильтров практически не наблюдалось. С учетом результатов лабораторных испытаний можно предположить, что использование объемных пористых фильтров в качестве трехступенчатой тонкой очистки стоков с содержанием нефти 11,8-12 мг/л при перепаде давлений на насосе не более 0,07 МПа позволит обеспечить требуемую степень очистки воды (для оборотного водоснабжения) и достаточно большой ресурс работы в количестве не менее 500 часов. Нами также была разработана конструкция и изготовлен электрофлотатор с горизонтальными угольно-железными электродами. На основании результатов исследований была разработана технологическая схема по локальной очистке нефте- и жиросодержащих стоков.

Технология очистки включала четыре основные стадии: очистка от механических примесей; разделение раствора по плотности в гидродинамическом потоке вращения; электрофлотационная очистка до 5-10 мг/л; из электрофлотационной камеры стоки направлялись на угольный фильтр для до-очистки (степень очистки 0,28-0,30 мг/л). Исследования зависимости концентрации нефтепродуктов в эмульсиях, подвергнутых обработке в магнитной камере, показали, что на всех исследуемых объектах воздействие неоднородного магнитного поля приводило к разделению водонефтяных эмульсий с уменьшением концентрации нефтепродуктов до 10 мг/л.

Результаты изучения процесса нагревания водонефтяных эмульсий без воздействия магнитного поля и подвергнутых воздействию неоднородного магнитного поля показали, что при воздействии неоднородного магнитного поля процесс выделения нефтепродуктов из эмульсий происходил быстрее, чем при нагревании без поля. Математическая постановка и решение задач оптимизации процессов очистки промышленных стоков, проведенных нами, включали в себя основные этапы: подготовку статистических и экономических данных для статистической обработки; построение математических моделей процессов с определением коэффициента корреляции функций и основных технологических и конструктивных параметров; формирование функции - критерия оптимальности; математический анализ целевой функции; выбор методов поиска глобального экстремума функции; составление программы расчета и реализации решения задачи на ЭВМ.

При создании систем очистки производственных стоков задачи статической и динамической оптимизации решались одновременно. В результате решения задач оптимального проектирования, поставленных на основе технологического критерия оптимальности ( как относительно расхода материалов реагентов, так и воды), определялись оптимальные значения конструктивных и технологических параметров, установок и сооружений при минимальном значении приведенных затрат. По экстремальным значениям критерия оптимальности стало возможным определить соответствующие ему наиболее выгодные в технологическом и экономическом плане значения управляющих параметров.

С целью уменьшения антропогенных нагрузок на гидросферу и рационального использования биоресурсов развитие промышленности Дальнего Востока должно происходить с использованием современных ресурсосберегающих технологий переработки сырья, эффективных и экологичных методов эксплуатации технических средств.

Среди множества экологических проблем Приморского края наиболее острой является проблема чистоты водного бассейна и количества и качества питьевой воды. На фоне ухудшающегося качества воды и органолептических показателей свежевыловленных морепродуктов формируется множество проблем, связанных в единый эколого-социально-экономический комплекс.

Экологическое благополучие, повышение качественных показателей жизненного уровня людей, экологически адаптированная экономика, обеспечение охраны окружающей среды могут быть достигнуты решением первоочередных задач,среди которых важное значение имеет задача предотвращения загрязнений и очистка производственных стоков. Наиболее неблагоприятная обстановка по качеству сбрасываемых сточных вод сложилась в местах скопления судов, в портах, на предприятиях по переработке морепродуктов и судоремонта.

Нами проведен анализ источников загрязнений морской среды нефтесодержащими производственными сточными водами. Разработана методика ускоренного спектрального анализа сточных вод на содержание нефтепродуктов. Экспериментальными исследованиями доказано,что ни один из известных способов очистки не позволяет осуществить очистку сточных вод до требуемых нормативов, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность создания комплексных технологических схем, использующих действие силовых полей и природных адсорбентов. Показаны пути оптимизации технологических процессов, позволяющих повысить эффективность работы технических устройств.