Способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов
METHOD FOR PURIFICATION OF GROUND WATERS FROM HEAVY METALS AND OIL PRODUCTS

Изобретение относится к очистке грунтовых вод в районах интенсивной добычи и переработки нефти.
Известен способ очистки поверхностных природных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов центробежным полем, фильтрованием в геохимических барьерах, заполненных минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом фракции 5-20 мм, биологической очисткой в биопрудах с высшей водной растительностью, сорбцией, фильтрованием в активированном угле, пополнением запасов подземных вод за счет естественной инфильтрацией, причем для увеличения эффекта очистки поверхностных вод в геохимических барьерах размещены электроотрицательные и электроположительные электроды, образующие электрохимические источники тока (Назаров В.Д., Назаров М.В, Хакимова Г.Ф. Очистка поверхностного стока с автомобильных дорог // Наука и техника в дорожной отрасли. №4 - 2018. - С. 29-33).
Недостатком способа является высокая материалоемкость, сложность эксплуатации протяженных сооружений.
Наиболее близким техническим решением задачи (прототипом) является способ очистки непроточных водоемов от тяжелых металлов и нефтепродуктов (Патент РФ на изобретение №2630552). Способ заключается в том, что извлеченную из водоема воду очищают последовательно сорбцией и фильтрованием в геохимическом барьере, заполненном минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом фракции 2-5 мм, в котором размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт. Очищенную воду возвращают в водоем, создавая циркуляцию воды. Воду фильтруют со скоростью 1-5 м/ч при длине геохимического барьера 8-16 м.
Недостатком способа является невозможность предотвратить загрязнения водного объекта (реки) нефтепродуктами и тяжелыми металлами, находящимися в техногенных потоках грунтовых вод.
Задачей изобретения является предотвращение загрязнения водного объекта нефтепродуктами и тяжелыми металлами, находящимися в техногенных потоках грунтовых вод, путем их извлечения, очистки и повторного использования.
Сущность изобретения заключается в том, что способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов, включающий фильтрование грунтовых вод в геохимическом барьере, заполненном минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом, в котором размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт, при этом извлеченный из очищаемой воды осадок подвергают компостированию, очищенную воду используют повторно, согласно изобретению воду фильтруют в скрещенном электрическом поле, состоящем из поперечного и продольного электрического поля, созданного последовательно расположенными по длине геохимического барьера электрохимическими источниками тока, причем направление вектора напряженности электрохимического поля в соседних электрохимических источниках тока меняют на противоположное, профильтрованную в минеральном зернистом материале воду собирают перфорированными коллекторами, расположенными с уклоном, аналогично уклону воды в реке, воду подают в равномерно расположенные по длине геохимического барьера колодцы, в которых проводят гравитационное разделение нефтепродуктов с помощью скиммера, воду подают в нагнетательные скважины для промывки грунта, осадок подают на шламовые площадки для обезвоживания и компостные площадки для получения товарных почвогрунтов. Применяют силицированный кальцит фракции 20-40 мм.
В качестве электроположительного материала применяют графит, электроотрицательного - алюминий.
На фиг. 1 показан траншейный геохимический барьер, на фиг. 2 - сечение геохимического барьера, на фиг. 3 - картина электрического поля.
На фиг. 1 показана река 1, в которую поступают техногенно загрязненные грунтовые воды под уровень воды за счет фильтрования в порах грунта. Вдоль берега реки 1 расположен траншейный геохимический барьер 2 протяженностью 1-10 км, предназначенный для перехвата загрязненного потока грунтовых вод, глубина которого определяется глубиной залегания водоупорных глин, составляющая на практике 1-3 м. Траншейный геохимический барьер заполнен фильтрующим материалом 3 - силицированным кальцитом фракции 20-40 мм. По вертикальной оси траншейного геохимического барьера 2 (фиг. 2) расположены дренажные полипропиленовые перфорированные коллекторы 4, число которых зависит от глубины геохимического барьера 2, но не менее трех. Коллекторы 4 расположены с уклоном, соответствующим уклону реки, для обеспечения самотечного режима в траншейном геохимическом барьере 2. В фильтрующем зернистом материале 3 вблизи стенок геохимического барьера 2 размещены электроды, создающие поперечное электрическое поле и продольное электрическое поле. Как показано на фиг. 3, поперечное электрическое поле создается электроположительным стержневым электродом из графита 5 и электроотрицательным стержневым электродом из алюминия 6, образующими электрохимический источник тока. Напряженность поперечного электрического поля составляет 1 В/м. Электроды соседнего источника тока имеют противоположный знак потенциала, поэтому в горизонтальном направлении возникает продольное электрическое поле, напряженность которого составляет 0,1-0,2 В/м, т.к. они находятся на расстоянии 5-10 м друг от друга.
По длине траншейного геохимического барьера 2 размещены колодцы 7 с плотностью 1-2 колодца на 1 км длины геохимического барьера, к которым подсоединены перфорированные коллекторы 4. Колодцы 7 оборудованы системой удаления осадка, включающей водозаборное устройство 8, насосную станцию 9, шламовую площадку 10, компостную площадку 11, системой удаления нефтепродуктов, включающей скиммер 12, насосную станцию 13, накопитель 14 нефтепродуктов, а также системой утилизации воды, включающей кольцевое водозаборное устройство 15, насосную станцию 16 и нагнетательные скважины для промывки грунта (на фигуре не показаны).
Способ реализуется следующим образом.
рх
рх
Специфическим видом многолетнего воздействия нефтехимического комплекса на природные объекты является формирование в грунтах промплощадок скоплений нефтяных углеводородов. Как правило, такие явления проявляются в поймах рек. В грунтах промплощадок, имеющих естественный уклон в сторону водных объектов, наблюдается устойчивый процесс фильтрования водонефтяной эмульсии в направлении к водному объекту. Так, в районе г. Салават установлен факт разгрузки нефтепродуктов в р. Белая. Концентрация нефтепродуктов в реке варьировалась от 1 до 6 предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДК), достигая максимально 92 ПДК.
Наиболее уязвимыми в экологическом отношении являются донные отложения. Концентрация нефтепродуктов в них превышает фоновую в 18 раз, концентрация ароматических углеводородов - в 40 раз, концентрация бенз(а)пирена - в 55 раз. Восстановление качества нефтезагрязненных на большую глубину грунтов относится к наиболее сложным проблемам.
Существует другая не менее сложная проблема, связанная с содержанием в нефтепродуктах, особенно в тяжелых фракциях, высоких концентраций тяжелых металлов, относящихся к I-III классу опасности. Если для очистки нефтесодержащих вод существует множество методов их очистки, то для извлечения тяжелых металлов на практике преобладает метод седиментации гидроксидов металлов в присутствии щелочных реагентов, не обладающий высоким эффектом.
Основной задачей изобретения является перехват загрязненных грунтовых вод перед их поступлением в водный объект с последующей очисткой вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов. Для этой цели предложено использовать геохимический барьер.
Геохимические барьеры - это участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, - их концентрации. Из природных материалов наиболее широкое применение для геохимических барьеров нашли карбонаты (кальций, доломит, магнезит).
Нами предложено использовать в геохимическом барьере силицированный кальцит, который обладает каталитической активностью относительно образования оксидов и гидроксидов тяжелых металлов в процессе фильтрования воды. Поскольку участки загрязненных грунтов имеют внушительные размеры 1-6 км, то длина геохимического барьера должна быть такой же. Геохимический барьер представляет собой фильтр с зернистой загрузкой с бесконечно большим фильтроциклом, поэтому он должен обладать высокой грязеемкостью. Предложено использовать силицированный кальцит фракции 20-40 мм.
Геохимический барьер 2 выполняется в виде траншеи, расположенной вдоль берега реки 1 с уклоном, соответствующим уклону реки для обеспечения самотечного режима. Глубина заложения геохимического барьера равна глубине расположения водоупорных глин, что на практике равно 1-3 м. Ширина геохимического барьера равна 1 м, что обеспечивает необходимую скорость фильтрования грунтовых вод в силицированном кальците 3. По вертикальной оси геохимического барьера (фиг. 2) вдоль всего геохимического барьера размещены перфорированные коллекторы 4 показать стрелки на все коллекторы, не только на нижний из полипропиленовых труб со щелевыми отверстиями. Грунтовая вода, попадая в геохимический барьер, фильтруется в фильтрующем материале 3 -силицированном кальците, затем проникает в щели коллекторов 4. С этой целью по длине коллектор имеет последовательно расположенные чередующиеся участки длиной 20 метров без перфорации и 10 метров - с перфорацией и т.д. Частично происходит разделение загрязняющих веществ по плотности. В верхней трубе-коллекторе 4 преобладают нефтепродукты, в средней - вода, в нижней - взвешенные вещества и гидроксиды тяжелых металлов.
По длине геохимического барьера установлены колодцы 7, соединенные с коллекторами 4, имеющие приямок для накопления осадка. Осадок извлекается водозаборным устройством 8 в виде обратного конуса и насосной станцией 9, подается на шламовую площадку 10 для обезвоживания и далее на компостную площадку 11 для получения почвогрунтов биологическим методом с использованием инокуляторов, разрыхлителей, органических отходов аграрного комплекса.
В верхней части колодца 7 размещен скиммер 12, извлекающий всплывшие нефтепродукты. С помощью насосной станции 13 нефтепродукты направляют в накопитель 14 нефтепродуктов. Промышленные скиммеры извлекают нефтепродукты с влажностью менее 5%, что позволяет использовать нефтепродукты в качестве печного топлива.
В средней части колодца 7 размещено кольцевое водозаборное устройство 15, извлекающее воду с высоким содержанием эмульгированных нефтепродуктов и остаточным содержанием тяжелых металлов. Эта вода насосной станцией 16 направляется в нагнетательные скважины, расположенные на загрязненной территории для промывки грунта от нефтепродуктов и тяжелых металлов (скважины на фигуре не показаны).
Изобретение позволяет таким образом реализовать замкнутую систему водопользования с очисткой извлеченных грунтовых вод, обезвреживанием грунтов, предотвращением загрязнения водного объекта (реки) нефтепродуктами и тяжелыми металлами.
Нами экспериментально доказано, что эффект очистки вод фильтрованием в геохимическом барьере может быть повышен за счет применения электрохимических источников тока, созданных электроположительными и электроотрицательными электродами, размещенными в силицированном кальците. Эффект воздействия электрического поля на процесс очистки воды заключается в регенерации коагулянта за счет растворения электроотрицательного электрода и за счет поляризации зерен силицированного кальцита. Поляризация приводит к образованию связанных зарядов на их поверхности и, соответственно, закреплению ионов тяжелых металлов с последующим образованием оксидов и гидроксидов металлов.
попер
прод
попер
прод
Отличительной особенностью предложенного геохимического барьера является создание скрещенного электрического поля, состоящего из поперечного электрического поля Е (фиг. 3), созданного электроположительным электродом 5 из графита и электроотрицательным электродом 6 из алюминия, и продольного электрического поля Е, образованного соседними электрохимическими источниками тока такими же электродами, но противоположной полярности. Оптимальное значение напряженности электрического поля Е=1 В/м, напряженность электрического поля Е=(0,10-0,16) В/м при расстоянии между соседними источниками тока 6-10 м. В скрещенном электрическом поле образование связанных зарядов происходит в двух направлениях, что увеличивает эффект извлечения металлов.
Пример 1. Определили зависимость электродвижущей силы (ЭДС) электрохимического источника тока, создающего продольное электрическое поле, от расстояния между электродами для электродной пары Al-Cu (прототип) и Аl-графит (изобретение) в растворе NaCl концентрации 1 г/л (табл. 1).
Из приведенных результатов следует, что электродная пара Аl-графит предпочтительней при любом расстоянии. Оптимальным расстоянием следует считать 6-10 м, при котором ЭДС практически не изменилась.
Пример 2. Проводили опыты по очистке воды от тяжелых металлов (Fe, Мn, Сu) и нефтепродуктов (дизельное топливо) геохимическим барьером длиной 20 м с поперечным электрическим полем (прототип) и скрещенным электрическим полем (изобретение) при скорости фильтрования от 10 до 50 м/ч. Результаты приведены в таблице 2.
Из результатов табл. 2 следует, что по изобретению достигнут больший эффект очистки воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов. Оптимальной скоростью фильтрования следует считать 20-30 м/ч, т.к. при большей скорости ухудшается качество очищенной воды.