Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 10
1.1 Отстойники и нефтеловушки 10
1.2 Гидроциклоны 15
1.3 Жидкостные фильтры 18
1.4 Коалесцирующие фильтры 19
1.5 Электрокоагуляторы 23
1.6 Электролизеры 27
1.7 Электромагнитные фильтры 32
1.8 Флотаторы 37
1.9 Зернистые фильтры 45
1.10 Выводы. Постановка задачи 50
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 52
2.1 Физико-химические свойства воды 52
2.2 Природные воды как гетерогенная система 54
2.3 Неорганические и органические примеси природных вод 55
2.4 Свойства нефти и нефтепродуктов 60
2.5 Токсиканты в нефтях и пластовых водах 62
2.6 Лабораторная установка по определению скорости барботажа 65
2.7 Методика проведения экспериментов по очистке воды лабораторным электрофлотатором 67
2.8 Описание стенда для испытания пилотного электрофлотатора-гидрофобного фильтра с коалесцирующей загрузкой 69
2.9 Стенд для испытания фильтрующего оборудования 73
ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ 75
3.1 Электродные процессы 75
3.2 Определение скорости барботажа 81
3.3 Результаты опытов по очистке нефтесодержащих вод статическим электрофлотатором 83
3.4 Расчет электрофлотатора 86
3.5 Электрофлотатор с гидрофобным и коалесцирующим фильтром 89
3.6 Электрофлотатор с каталитическим блоком 96
3.7 Электролизер-электрофлотатор 98
3.8 Электрофлотатор с каталитическим блоком и топливным элементом 101
3.9 Электрохимическая флотация 104
3.10 Выводы 106
ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ 108
4.1 Основы метода электрохимического фильтрования 108
4.2 Параметры электрохимических фильтров 113
4.3 Умягчение природных вод фильтрованием в электрохимических фильтрах 117
4.4 Умягчение природных вод с применением магнитных полей 124
4.5 Выводы 128
ГЛАВА 5 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 130
5.1 Судовая установка для очистки нефтесодержащих вод 130
5.2 Способ подготовки нефтепромысловых вод для закачки в систему поддержания пластового давления нефтяных месторождений 135
5.3 Установка для очистки нефтесодержащих промливневых вод 139
5.4 Совместная очистка нефтесодержащих и хозбытовых сточных вод... 141
5.5 Очистка промливневых вод медеплавильного комбината 144
5.6 Очистка и обеззараживание хозбытовых сточных вод 149
5.7 Подготовка природных вод с применением электрохимических фильтров 151
5.9 Расчет предотвращенного экологического ущерба при очистке нефтесодержащих вод электрофлотацией 155
5.10 Выводы 156
ВЫВОДЫ 158
ЛИТЕРАТУРА 159
Введение к работе
Развитие промышленности, сельского хозяйства, топливно-энергетического комплекса и коммунального хозяйства связано с необходимостью потребления чистой воды и последующего сброса сточных вод. Несмотря на ужесточение требований к качеству очищенных вод, сбрасываемых в водотоки, состояние водных объектов не улучшается, а количество источников водоснабжения, соответствующих санитарным требованиям, постоянно сокращается.
Существенный вклад в загрязнение водных объектов вносят неорганизованные сбросы ливневых и талых вод, приближающиеся по составу к загрязненным производственным сточным водам.
Приоритетными загрязняющими веществами продолжают оставаться нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы, поверхностно^активные вещества, сульфаты и хлориды.
Особенно неблагополучными в экологическом отношении являются регионы с развитой нефтедобычей, нефтепереработкой, нефтехимией, добычей и переработкой рудных минералов.
Решение проблемы уменьшения сброса загрязняющих веществ в водные объекты со сточными водами видится в создании замкнутых систем водоснабжения промышленных и сельскохозяйственных предприятий, строительстве сооружений очистки ливневых и талых вод. Решение этих проблем тормозится не только недостаточным объемом инвестиций, но и отсутствием инновационных решений в области технологий очистки сточных вод и водоочистного оборудования.
Ухудшение качества воды в источниках водоснабжения напрямую связано с жизнеобеспечением, так как построенные по проектам 50-60-х годов системы водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий оказались не в состоянии решать возложенные на них задачи подготовки воды питьевого качества. Реконструкция систем водоснабжения возможна только на основе инновационных технических решений.
Рассмотрена возможность интенсификации известного
электрохимического метода — электрофлотации. Предложен способ определения скорости барботажа газообразными продуктами, образующимися на катоде и аноде. Предложены методы интенсификации процесса очистки сточных вод элекгрофлотацией за счет комбинации с жидкостным фильтрованием и коалесценцией, комбинации с мембранным электролизом, раздельной обработки водородом и кислородом, а также применения электрических полей.
Предложены методы интенсификации процесса очистки природных и сточных вод в электрохимических системах, электромагнитных полях, а также при использовании электроискровых явлений.
Актуальность работы. Современное развитие промышленности, сельского хозяйства, повышение качества жизни населения связано с необходимостью использования чистых вод и последующего сброса в водные объекты очищенных до соответствующего качества сточных вод. Антропогенное воздействие на водные объекты настолько высоко, что механизм самоочищения водоемов становится мало эффективным, большое количество водотоков относится к загрязненным и чрезвычайно загрязненным. Особую тревогу вызывают горнообогатительные комбинаты, в результате многолетней деятельности которых поверхностные водные объекты загрязнены тяжелыми металлами и сульфатами, а также нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, загрязняющие поверхностные и подземные водные обьекты нефтепродуктами, беиз(а)пиреном, сероводородом и продуктами его трансформации, тяжелыми металлами, минеральными веществами и другими многочисленными загрязняющими веществами.
С другой стороны, загрязненные водные объекты являются источниками водоснабжения, из которых необходимо получить воду нормативного качества для обеспечения нужд населенных пунктов, промышленных предприятий и других объектов народного хозяйства.
Решение этих проблем связано с совершенствованием известных методов очистки природных и сточных вод и поисков новых технических решений, которые позволят уменьшить антропогенную нагрузку на водные объекты, вовлечь в водооборот некондиционные воды, обеспечить экологическую безопасность потребителей воды и повысить уровень жизни населения в части обеспечения высококачественной живой питьевой водой.
Цель работы. Разработка технологии, обеспечивающей эффективную очистку природных и сточных вод за счет совершенствования электрохимических методов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить возможность интенсификации метода электрофлотации;
расширить область применения метода электрофлотации;
разработать методику расчета электрохимических фильтров;
определить направление совершенствования метода электрохимического фильтрования и область его применения;
применить электрохимические методы для очистки иефтесодержащих вод;
разработать метод безреагентного умягчения природных и сточных вод. Научная новизна.
Разработан способ электрофлотации, при котором водород используется в качестве флотирующего агента, кислород- в качестве окислителя, который в присутствии катализатора очищает воду от растворенных органических веществ. Впервые показана возможность утилизации отработанного водорода и кислорода в топливном элементе, вырабатывающем электроэнергию.
Впервые определено значение скорости барботажа воды газообразным кислородом. Установлено, что скорость барботажа линейно зависит от плотности тока и не зависит от концентрации электролита.
Впервые реализован метод, названный электрохимической флотацией, основанный на электролизе воды за счет внутренней энергии, вырабатываемой графито-магниевым источником тока.
Разработана теория электрохимического фильтрования. Установлена зависимость мощности электрохимического источника тока от концентрации раствора и межэлектродного расстояния.
Разработан способ безреагентного умягчения природных вод фильтрованием в электрическом поле последовательно расположенных электрохимических источников тока. Установлено, что предварительное фильтрование воды в магнитном поле увеличивает эффект умягчения воды.
Практическая значимость.
Разработана технологическая схема подготовки нефтепромысловых вод . для использования в системе поддержания пластового давления нефтяных месторождений.
I V
Разработана и внедрена технологическая схема очистки льяльных вод' судов речного флота, включающая электрохимический фильтр в качестве блока доочистки.
Разработана и внедрена технология очистки хозбытовых вод физико-химическими методами, включающая электрохимическую обработку воды электролизером и плазмохимическим фильтром.
Разработана и внедрена технология очистки промливневых вод предприятий цветной металлургии с использованием электрохимических фильтров.
Внедрение результатов исследований в практику.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке технологий очистки природных и сточных вод: - в судовой установке ФГУ Камского водного пути;
в очистных сооружениях водоотведения больничного комплекса в п. Базилеевка (РБ);
в сооружениях очистки промливневых вод Среднеуральского медеплавильного завода;
в очистных сооружениях водоснабжения п.п. Салемал, Мыс Каменный, Панаевский, Се-Яха Ямальского района.
На защиту выносятся:
1 Результаты экспериментально-теоретических исследований процессов
очистки природных и сточных вод электрофлотацией и фильтрованием в
электрическом поле электрохимических источников тока.
2 Уравнения регрессии, определяющие зависимость мощности источника
тока электрохимических фильтров от концентрации раствора и
межэлектродного расстояния.
Методика расчета электрофлотатора и электрохимического фильтра.
Результаты производственной апробации сооружений очистки природных и сточных вод.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на международных и республиканских научно-технических конференциях: на научно-практической конференции «Новые методы и технологии проектирования разработки и обустройства месторождений», г. Пермь - 2005; межвузовской научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук», г. Уфа - 2006; X, XI, XII международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа - 2006-2008; IX международном симпозиуме и выставке «Чистая вода России - 2007», г. Екатеринбург; III научно-практической конференции «Новые разработки в нефтяном и химическом машиностроении», г. Туймазы - 2007; межрегиональной научно-практической конференции «Чистая вода Башкортостана - 2008», г.Уфа.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 25 работах, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, 1 монография, 3 статьи в периодических изданиях, в 15 материалах международных,
\
межрегиональных и межвузовских конференций; 2 патента РФ на
изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на
175 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков, 41 таблицу.
Состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных
библиографических источников, включающего 194 ссылки.
Отстойники и нефтеловушки
Полученные соотношения справедливы для разбавленных систем. Даже в случае ламинарного движения дисперсных систем наблюдаются отклонения от закона Стокса.
Институтом «Гипровостокнефть» рекомендованы /3/ модификации базовых отстойников СПОНиВ для предварительного обезвоживания сепарированных легких нефтей и обработки тяжелых нефтей и эмульсий, содержащих значительное количество газа и свободно выделившейся воды.
Промысловые испытания технологии противоточной очистки загрязненной воды, заложенной в основу конструкции отстойника СПОНиВ, показали /4, 5/, что очистка загрязненной воды от нефти достигает 90%, а от взвешенных веществ - 30.. .50%.
Авторами 161 предложено повысить эффективность процесса разделения эмульсии за счет изменения направления и характера движения потока в вертикальном отстойнике на базе РВС-1000.
В результате экспериментов остаточное содержание воды в нефти и нефти в воде уменьшилось по сравнению с простым вертикальным отстойником в два раза.
В горизонтальных отстойниках со временем накапливающийся промежуточный слой снижает эффективность работы. С целью вывода промежуточного слоя предложено устройство 111.
Экспериментально установлено, что турбулентный режим движения воды в отстойнике ухудшает эффект очистки. Создание ламинарного режима в отстойниках любой конструкции представляет сложную проблему. Очевидно, что с уменьшением толщины слоя жидкости процесс седиментации происходит быстрее, а условие ламипарности легче выполнимо. Это положение привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по конструкции можно разделить на трубчатые и пластинчатые.
Рабочий элемент трубчатого отстойника - труба диаметром 5 см, длиной 1 м. Применяют трубчатые отстойники с малым (10) и большим (60) наклоном трубы 121. Отстойники с малым наклоном труб работают по периодическому циклу: осветление воды и промывка труб. Эти отстойники целесообразно применять для осветления сточных вод с небольшим количеством механических примесей. Эффективность осветления составляет 80...85%. Гидравлические нагрузки на трубчатые отстойники составляют 6...10 м /ч на 1 м входного сечения труб.
В отстойниках с большим наклоном труб происходит сползание осадка вниз по трубам, в связи с чем отпадает необходимость их промывки.
Пластинчатые отстойники состоят из ряда параллельно установленных пластин. В зависимости от направления движения воды и осадка отстойники делятся на:
- прямоточные;
- противоточные;
- перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно направлению движения осадка.
Больший эффект осветления двухфазных систем достигается в противоточных отстойниках, для осветления трехфазных систем - в перекрестных отстойниках. Расстояние между пластинами принимается равным 2...14 см, угол наклона пластины -30...60 /8/.
Для осветления трехфазных систем целесообразно применять гофрированные пластины, при этом взвешенные вещества будут осаждаться по вогнутой части гофр нижележащих пластин, а нефть будет всплывать по выпуклой части гофр вышележащих пластин.
Эффективность осветления воды в пластинчатых отстойниках повышается с уменьшением расстояния между пластинами, однако увеличивается вероятность зашламления межполочного пространства.
Вариант горизонтального отстойника с полочными блоками предложен в 191. Предлагаемое конструктивное оформление горизонтального полочного отстойника обеспечит более полное использование объема отстойника (до 75%) за счет равномерного распределения потока. Известен вариант горизонтального расположения пластин в тонкослойном модуле /10/.
В АНК «Башнефть» разработаны и широко внедрены трубные разделители, которые являются модификацией трубчатых отстойников /11/.
Послойный ввод пластовой воды позволяет получить из потока жидкости 40...60 % водной фазы с содержанием нефтепродуктов 100...200 мг/л.
Электродные процессы
Глобулы нефти, имеющие размер порядка 100 мкм, легко удаляются из сточной воды седиментацией. Однако удалить седиментацией высокодиспергированные глобулы размером в несколько микрометров не представляется возможным. Для этой цели следует считать перспективным использование метода флотации.
Флотационная очистка воды от диспергированной нефти заключается в захвате глобул нефти пузырьками газа и транспорте их на поверхность воды в пенный слой. Вероятность такого захвата определяется вторым началом термодинамики, по которому в изолированной системе самопроизвольно могут протекать процессы уменьшения свободной энергии.
При молекулярном прилипании глобулы нефти к пузырьку газа происходит уменьшение поверхностной энергии пограничных слоев. Молекулярное прилипание определяется поверхностными явлениями, проявляющимися на трехфазной границе раздела.
Применительно к вопросам очистки природных и сточных вод представляет интерес процесс флотационного извлечения мелких частиц размером порядка 10 мкм и менее. Флотация таких частиц получила название микрофлотации. В отличие от обычной флотации, элементарный акт которой осложнен инерционным ударом и сопутствующей ему деформацией поверхности пузырька, микрофлотация является в полной мере коллоидно-химическим процессом.
Эффект флотационного извлечения мелких частиц может быть существенно увеличен введением в очищаемую воду полиэлектролитов, коагулянтов и флокулянтов. При введении полиэлектролитов толщина диффузной части двойного слоя уменьшается, что приводит к убыванию сил электростатического отталкивания. При введении коагулянта, хлопья которого обладают противоположным знаком заряда, частицы загрязнений сорбируются коагулянтом, а затем образовавшиеся агрегаты извлекаются флотацией.
Для определения эффекта очистки нефтесодержащих вод электрофлотацией и параметра флотации к проводили опыты в статическом флотаторе.
Эмульсию нефти в воде получали перемешиванием в миксере с числом оборотов 8000 об/мин. Полученную эмульсию отстаивали в течение 1 суток, после чего пленочную нефть удаляли, в воде определяли исходное содержание нефти, взвешенных веществ, а также определяли оптическую плотность полученной дисперсной системы.
В процессе флотации определяли периодически оптическую плотность дисперсной системы, в конце опытов в воде определяли остаточное содержание нефти и взвешенных веществ. Результаты изменения оптической плотности очищаемой воды приведены на рисунке Для увеличения эффекта очистки воды вводили коагулянт АІ2(804)з и флокулянт «Праестол».
Основы метода электрохимического фильтрования
Электрохимические фильтры являются модификацией зернистых многослойных фильтров. Отличительной их особенностью является генерация электрического тока за счет создания в теле фильтра электрохимического источника тока. Оптимальным вариантом является тип электрохимической системы, когда оба электрода отличаются по химическим и физическим свойствам.
Для получения дополнительных функций фильтра при очистке вод фильтрованием необходимо выполнение следующих условий:
- катод и анод должны иметь разное значение стандартного электродного потенциала;
- катод и анод должны быть пространственно разделены с тем, чтобы разделить окислительные и восстановительные зоны;
- электроды должны иметь высокое значение удельной поверхности, т.е. должны быть пористыми, либо гранулированными;
- продукты реакций должны целевым образом использоваться, например, являться коагулянтом.
Сущность метода электрохимического фильтрования заключается в следующем. Фильтр (рисунок 4.1) загружают, как минимум, тремя слоями гранулированных материалов. Материалы слоя 3 и 5 должны быть электропроводны, иметь разные значения стандартного потенциала. Материал слоя 3 должен быть электроотрицательным, способен образовывать нерастворимый гидроксид. Материал слоя 5 должен быть электроположительным. Слои 3 и 5 пространственно разделены слоем 4, состоящим из неэлектропроводного зернистого фильтрующего материала.
