Для природы и человека неочищенные сточные воды нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических и других родственных промышленных предприятий очень вредны: в них содержатся опасные для здоровья людей, а также для животного и растительного мира концентрации загрязняющих веществ различной физической природы: нефть и нефтепродукты, взвешенные вещества, тяжёлые металлы, поверхностно-активные вещества, фенолы, кислоты, щёлочи, смолы, токсичные вещества, болезнетворные бактерии и др.
Любой сброс плохо очищенных сточных вод этих предприятий в водоёмы в той или иной степени нарушает водопотребление (применение воды для питьевых нужд), ухудшает водопользование (использование воды для купания, спорта, полива садовых и огородных культур и других потребностей). Иногда вода водоёмов, загрязнённая сточными водами, становится непригодной и для промышленных нужд.
Наиболее распространёнными загрязнениями водных объектов: океанов, морей, озёр, рек, прудов, болот, подземных вод, ледников и водяного пара в атмосферном воздухе в настоящее время является нефть и продукты её переработки (бензин, керосин, масла, мазут, асфальтены и др.). Поступая в водные объекты, нефть и нефтепродукты создают различные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную плёнку; растворённые или эмульгированные в воде нефтепродукты; осевшие на дно тяжёлые фракции; продукты, адсорбированные грунтом дна или берегом водоёма [1].
Загрязнённые производственные нефтесодержащие сточные воды могут также образовывать взрыво- и горючеопасные газы и смеси или отравляющие вещества, поэтому с целью их очистки и нейтрализации принимаются специальные меры.
Перед отведением сточных вод в канализационные системы, системы оборотного водоснабжения, водоёмы или на рельеф местности они должны быть очищены до требуемых, предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ. Наиболее уязвимы к техногенному загрязнению подземные воды, в которых со временем накапливаются загрязнения от сточных вод.
Очистка и обезвреживание производственных сточных вод от вредных примесей осуществляется с помощью механических, силовых, адсорбционных, абсорбционных, физико-химических, химических, термических, биологических и других способов очистки.
В последние годы ведущие в области фильтровальной техники российские и зарубежные фирмы разработали, запатентовали и выпускают новые конструкции фильтров, очистительных установок и устройств для сточных вод, отличающиеся улучшенными характеристиками.
Удобен в эксплуатации автоматический самоочищающйся механический фильтр [2] для очистки производственных сточных вод от взвешенных частиц загрязнений. Фильтр состоит из цилиндрического корпуса, разделённого на верхнюю камеру 1 (рис.1) и нижнюю камеру 3 перегородкой 5 с отверстиями А, над которыми расположены цилиндрические фильтроэлементы 15. Для подвода загрязнённых сточных вод на очистку и вывода очищенных сточных вод имеются входной 4 и выходной 2 патрубки. Регенерация фильтроэлементов 15 противотоком (левый фильтроэлемент 15 показан на рис. 1 в режиме регенерации) осуществляется с помощью устройства, состоящего из установленного на валу 8 поворотного патрубка 12 с расположенным на нём зубчатым патрубком – сателлитом 13 и приёмной подпружиненной втулкой 14. Патрубок – сателлит 13 обкатывается вокруг центральной шестерни 6. В патрубке 11 для отвода загрязнений при регенерации цилиндрических фильтроэлементов 15 противотоком расположен запорный элемент 10. Расположение фильтроэлементов 15 в цилиндрическом корпусе фильтра и траектория движения втулки 14 таковы, что для регенерации каждого из фильтроэлементов 15 необходимо поворачивать патрубок 12 на один и тот же угловой шаг столько раз, сколько фильтроэлементов в фильтре. Для управления поворотным патрубком 12 и запорным элементом 10 используется привод 9 с приводным двигателем 7.
Установка для эффективной очистки сточных вод, содержащих взвешенные частицы, а также нефтепродукты в эмульгированной форме [3], представляет собой прямоугольную ёмкость (длина больше ширины), перегородками разделённую на три секции, объём первой секции больше 50% от общего объёма.
На выходе первой секции установлен электролизёр, через который проходят сточные воды после первичного отстаивания. Электролизёр имеет два катодных и два анодных (выполнены из алюминия) чередующихся электрода. При подаче на электроды электрического тока силою 5А происходит деструкция углеводородов в составе сточных вод, а дополнительным фактором их очистки является процесс электрокоагуляции. На следующей секции (ступени очистки) сточные воды осветляются с использованием флокулянтов, осадок уплотняется, а очищенные сточные воды частично выводятся из установки а частично возвращаются в электрохимический процесс очистки.
С целью повышения эксплуатационной надёжности разработана конструкция фильтр-пресса для очистки сточных вод путём отжима осадка [4], включающая бесконечные фильтровальные ленты, системы прошивки фильтровальных лент, подачи и отвода осадка и отжимной элемент, выполненный в виде тороидальной оболочки, установленной с возможностью вращения под действием фильтровальных лент. Фильтровальные ленты имеют сетчатую поверхность, под которой выполнены продольные каналы.
Для эффективного удаления из промышленных сточных вод различных механических включений фирмой Ondeo Degremont, Inc. (США) разработано устройство [5], включающее вертикальную решётку, устанавливаемую в прямоугольном канале с поступающим на очистку сточными водами. Верхняя кромка решётки находится выше уровня сточных вод в канале. В вертикальной плоскости по поверхности решётки со стороны очищаемых сточных вод совершает движение скребковый узел. При перемещении вверх он захватывает с поверхности решётки задержанные механические включения и переносит их в контейнер, находящийся за пределами канала. Установка устройства в канале с поступающими на очистку сточными водами и его удаление осуществляется посредством грузоподъёмных средств.
С целью повышения степени очистки производственных сточных вод от взвешенных твёрдых частиц (механических примесей) разработана конструкция автоматического механического фильтра [6], отличающегося удобством эксплуатации. Фильтр содержит внешнюю ванну 1 (рис.2) для сбора загрязнённых сточных вод Б и установленную в ней внутреннюю ванну 10 для сбора очищенных сточных вод А. В ванне 10 установлен вращающийся барабан 7 без торцевых стенок, цилиндрическая перфорированная поверхность которого покрыта фильтрующим материалом 9. Трубопровод 6 промывочного устройства, соединённый с приёмным лотком 3 для задержанных частиц загрязнений, размещается выше уровня загрязнённых сточных вод Б в ванне 1. Привод 4 вращает барабан 7 посредством цепной передачи 5. Насос 8 применяется для отвода очищенных сточных вод А из ванны 10. Сточные воды Б поступают на очистку в барабан 7 через отверстия В в стенке ванны 10, проходят через его цилиндрическую перфорированную поверхность, покрытую фильтрующим материалом 9, поступают очищенными в ванну 10 и откачиваются из неё насосом 8. Задержанные механические примеси (механические частицы) гибкими транспортными рёбрами 2, закреплёнными равномерно по окружности внутри барабана 7, перемещаются в лоток 3 и смываются промывочной водой в ванну 1.
Эффективна в работе установка для комплексной очистки и обезвреживания нефтесодержащих сточных вод [7], включающая несколько коаксиально расположенных секций, находящихся одна внутри другой и установленных в подземной ёмкости для сбора промышленных стоков. Последняя внутренняя секция фиксируется на перфорированном цилиндре, из которого отводятся очищенные сточные воды. Направление очистки сточных вод – от периферии к центру.
Каждая секция имеет каркас в виде двух цилиндрических сеток, между которыми засыпается фильтрующая адсорбционная загрузка в виде гранул, размеры которых уменьшаются от внешней секции к внутренней.
Повышенной эффективностью работы отличается гидравлический механический барабанный фильтр [7], состоящий из трубы 1 (рис.3) для очищенных сточных вод, установленной в подшипниках скольжения, которые крепятся к стенкам ёмкости 2 для загрязнённых сточных вод. На трубе 1 жёстко закреплён вращающийся барабан 10, оснащённый лопастями 4 на торцевых поверхностях. На цилиндрическую перфорированную поверхность барабана 10 крепится фильтрующее полотно 9, на поверхности которого задерживаются частицы загрязнений. К поверхности фильтрующего полотна 9 и расположенному на нём слою осаждённых частиц загрязнений из сточных вод прижимается пружиной 5 гранулятор 8, установленный в направляющих 7. Гранулятор 8 выполнен в виде набора щёток и предназначен для очистки поверхности фильтрующего полотна 9 от осаждённых частиц загрязнений. Частицы загрязнений осаждаются на дне ёмкости 2 и скребковым транспортёром 11 удаляются в ёмкость 6. Очищенные сточные воды выводятся из фильтра через патрубок 3.
Для очистки нефтесодержащих сточных вод достаточно широко используется флотация, позволяющая интенсифицировать всплывание нефтепродуктов за счёт их обволакивания пузырьками воздуха, который подаётся в сточную воду. В зависимости от процесса образования пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: безнапорную, напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, вибрационную, электрическую.
Для быстрой и качественной очистки сточных вод от нефти и твёрдых взвесей применяют фильтры, работающие по принципу безнапорной флотации [9]. На рисунке 4 приведена конструктивная схема одноступенчатого безнапорного фильтра – флотатора, состоящего из корпуса 1 с патрубками ввода сточных вод на очистку (исходная жидкость), отвода очищенных сточных вод (осветлённая жидкость), входа и выхода сжатого воздуха (газ), отвода образующейся пены (шлам), отвода шламового осадка (осадок); горизонтальной перегородки 4 с установленными в ней переточными трубами 2; дополнительной переточной трубы 5,верхний торец которой расположен выше горизонтальной перегородки 4, а нижний - ниже патрубка отвода пены (шлам). Эффективность работы фильтра-флотатора повышена благодаря выполнению верхних концов переточных труб 2 в виде конфузоров 3 и установке в каждой переточной трубе 2 под конфузором 3 винтовой лопасти 6, что усиливает эффект вращения потока очищаемых сточных вод.
Одним из эффективных средств очистки сточных вод является алюмокремниевый реагент АКФК [10], сочетающий в себе свойства коагулянта и флокулянта. Применение реагента АКФК в комбинации с активирующей добавкой и физических методов активации позволяет создать в объёме очищаемых сточных вод упорядоченные наноразмерные структуры (подобных цеолитам), которые обеспечивают высокую степень очистки. Благодаря способности к образованию цеолитоподобных структур реагент АКФК отличается от других традиционных коагулянтов более высокой эффективностью при очистке сточных вод от взвешенных частиц загрязнений и нефтепродуктов.
Метод электрической флотации (электрофлотации), применяемый для эффективной очистки нефтесодержащих сточных вод, отличается простотой технологической схемы установки, дешевизной и надёжностью оборудования, высокой степенью очистки, возможностью использования извлеченных нефтепродуктов. Технологическая схема установки электрофлотационной очистки нефтесодержащих сточных вод [11] представлена на рисунке 5. Схема установки включает накопительную ёмкость 2 для сточных вод, подаваемых на очистку по трубопроводу 1. Собранные сточные воды подаются с помощью насоса 10 из ёмкости 2 в электрофлотатор 5, выполненный в виде прямоугольной ёмкости из пропилена, состоящей из двух камер с электродными блоками, в которые подаётся постоянный ток от источника постоянного тока 9.
В верхней части ёмкости электрофлоратора 5 на раме монтируется пенное устройство, состоящее из мотор-редуктора и транспортёра с лопатками из пропилена для сбора образующейся пены. Для повышения степени очистки сточных вод предусмотрена дозированная подача в электрофлотатор 5 жидкого флокулянта – коагулянта по трубопроводу 3. В ходе электрофлотации эмульгированные нефтепродукты транспортируются воздушными пузырьками на поверхность сточных вод в ёмкости электрофлотатора 5 и накапливаются в слое флотошлама, который периодически удаляется с поверхности сточных вод по трубопроводу 4. Далее сточные воды из электрофлотатора 5 подаются в сорбционный фильтр 7 насосом 6. Очищенные сточные воды выводятся из установки элетрофлотационной очистки по трубопроводу 8. Удельные затраты электроэнергии на очистку сточных вод составляют до 0,5 кВт*ч/м3.
Одной из острейших проблем, связанной с развитием нефтехимической и химической отраслей промышленности, является антропогенное вмешательство в кругооборот тяжёлых металлов в окружающую среду. Избыточное количество тяжёлых металлов в водных объектах, в доступном для живых организмов виде, является потенциально опасным. В связи с этим, проблема качественной очистки производственных сточных вод от тяжёлых металлов очень актуальна. К тяжёлым металлам традиционно относят более 40 химических элементов с атомными массами более 50 а.е.м. (медь, цинк, галлий, молибден, кадмий, марганец, железо, теллур, вольфрам и др.).
Для очистки производственных сточных вод от тяжёлых металлов наибоее часто применяются следующие методы: реагентный (нейтрализация), биохимический, сорбционный, ионообменный, термической дисциляции с предварительным осветлением.
Достоинством реагентного метода очистки сточных вод от тяжёлых металлов является сравнительно небольшая себестоимость очистки, достаточная эффективность по отношению к тяжёлым металлам. Его недостатками являются: образование большого количества обводнённого осадка; недостаточная эффективность очистки по отношению к сульфатам; трудности при дозировании реагентов вследствие непостоянства состава сточных вод, подаваемых на очистку.
В мировой практике для очистки производственных сточных вод широко применяются также биологические методы. Процесс биологической очистки осуществляется сложным сообществом бактерий, простейщих и ряда микроорганизмов. Современные сооружения биологической очистки достаточно эффективны, однако они обычно занимают большие площади, расходуют значительное количество электроэнергии и довольно трудоёмки в эксплуатации.
Биологический метод очистки промышленных сточных вод, обогащённых тяжёлыми металлами и сульфатами, основан на использовании симбиоза микроорганизмов, способных образовывать сульфиды при восстановлении сульфатов с одновременным окислением органических веществ. Образующийся биогенный сероводород химически взаимодействует с растворёнными формами ионов тяжёлых металлов, образуя нерастворимые сульфиды металлов, выпадающие в осадок. Однако, в случае попадания очищенных сточных вод с бактериальной массой в водоёмы может привести к неконтролируемому процессу сульфатредукции и образованию чрезвычайно большого количества сероводорода, которое приведёт к непредсказуемым экологическим последствиям во много раз более серьёзным, чем ущерб окружающей среде даже при сбросе неочищенных сточных вод [12].
Разработана технология биовостановления воды водоёмов, загрязнённой нефтью и нефтепродуктами [13]. Технология основана на использовании аутентичных (природных) ассоциаций углеводородокисляющих бактерий, иммобилизованных и локализованных в пространстве.
Ассоциация бактерий, находящаяся в бактериальном матриксе, закрепляется на носителе. Носитель даёт возможность клеткам находиться в прикреплённом состоянии. Для закрепления клеток бактерий на носителе он должен быть гидрофилен. Клетки бактерий стремятся закрепиться на субстрате для того, чтобы комфортно осуществлять процессы жизнедеятельности и наращивать биомассу. При иммобилизации природных ассоциаций углеводородокисляющих бактерий на носителе происходит распределение в поровых пространствах носителя клеток бактерий, находящихся в естественном природном матриксе. Бактериальный матрикс представляет собой слизистую субстанцию синтезированную клетками бактерий, входящих в ассоциацию бактерий, имеющую полисахаридную природу и выполняющую структурообразующую, защитную коммуникативную функции. Носитель с иммобилизованными клетками углеводородокисляющих бактерий помещается в сорбент для нефти, который расположен в один или несколько слоёв и выполнен из материалов с разными свойствами.
В соответствии с технологией биовосстановления нефтезагрязнённой воды разработан биопрепарат, который внешне представляет собой кассету диаметром 0,5 м из пористой ткани (бязи) 2 (рис.6) на жёстком каркасе 3 в виде кольца с положительной плавучестью с микроорганизмами 1 (углеводородокисляющими бактериями, иммобилизированнными на поверхности природных носителей, помещенными на поверхности пористых сорбентов). В качестве носителя используют цеолиты, водоросли, микроскопические грибы, а в качестве сорбента – водоросли, торф (природный или гидрофобизированный) и т.д.
Достоинством сорбционного и ионообменного методов очистки производственных сточных вод от тяжёлых металлов являются: глубокая степень очистки от тяжёлых металлов и сульфатов при правильном подборе сорбентов, селективность извлечения, что может облегчить вторичное использование тяжёлых металлов, возможность сброса очищенных сточных вод в природные водоёмы. Однако эти методы требуют малопроизводительны, требуют больших капитальных затрат, значительных производственных затрат при эксплуатации, большого расхода реагентов.
Достоинствами метода термической дисциляции с предварительным осветлением являются глубокая степень очистки производственных сточных вод от тяжёлых металлов, образования сравнительно небольших объёмов стока и осадка, получение товарных продуктов в виде меди, цинка, гипса, сульфата магния и т.д. Однако недостатками этого метода очистки являются большие капитальные вложения и производственные расходы (на подогрев воды, электролитическое выделение металлов и т.д.).
В установку для качественной очистки промышленных сточных вод от тяжёлых металлов [14] входит узел электрокоагуляции, включающий большое количество электродных пластин (катодных и анодных), соединённых параллельно с чередованием. Анодные пластины выполняются из алюминия или железа и при прохождении через них очищаемых сточных вод они растворяются с образованием комплексов металл-коагулянт, которые с потоком сточных вод уходят из узла электрокоагуляции. На второй стадии производится осветление этих сточных вод с использованием гидроциклона, имеющего цилиндроконическую форму. Сточные воды подаются в верхнюю цилиндрическую часть гидроциклона по тангенциальному вводу, а отделённая твёрдая фаза отводится из нижней конической части.
В промышленно развитых странах мира продолжается эффективная работа по созданию высокопроизводительных фильтров и обезвреживающих устройств для нефтесодержащих сточных вод. Особенно большое внимание уделяется разработке новых фильтрующих установок для комплексной очистки и обезвреживания нефтесодержащих сточных вод с полной или частичной автоматизацией операций.
