13
капитальные затраты и ежегодные расходы на переработку и удаление осадков
могут равняться аналогичным видам расходов на эксплуатацию собственно
очистных сооружений [11].
Отходы являются следствием процесса природопользования,
создающего материальную базу для нормального воспроизводства и
интеллектуально-духовного развития человечества в течение неопределенно
долгого времени, на базе ограниченных природных ресурсов при сохранении
качества окружающей среды [10].
Рисунок 1.1 - Классификация источников образования и типов
нефтезагрязненных отходов
Нефть и нефтепродукты - наиболее распространенные загрязняющие
вещества, присутствующие в сточных водах. Нефтепродукты представляют
собой сложную смесь различных углеводородов (низко- и
высокомолекулярных, предельных и непредельных, алифатических,
ароматических, алициклических), а также неуглеводородных соединений
серо-, кислород-, азотсодержащих и высокомолекулярных
смолоасфальтеновых веществ с включенными в них тяжелыми металлами.
Углеводороды составляют от 50 до 98 % от общей массы сырой нефти.
14
Остальная, иногда довольно большая часть, приходится на неуглеводородные
соединения, которые могут быть более токсичны и опасны для активного ила,
чем углеводороды. Кроме того, нефть содержит до 10 % воды и минеральные
соли: NaCl, MgCl2, CaCl2 [2].
Рассмотрим систему промышленных стоков нефтеперерабатывающих
предприятий. Количество воды в системе оборотного водоснабжения
нефтеперерабатывающих заводов превышает количество сточных вод от 10 до
20 раз (меньшее значение характерно для НПЗ с глубокой переработкой
нефти). В оборотных водах допускается содержание: от 25 до 30 мг/л
нефтепродуктов, 25 мг/л взвешенных веществ, 500 мг/л сульфатов (в
пополняющей воде 130 мг/л), 300 мг/л хлоридов (в пополняющей воде
50 мг/л), 25 мг О2/л БПК
полн
(в пополняющей воде 10 мг/л); карбонатная
временная жесткость не должна превышать 5 мг-экв/л (в пополняющей воде
2,5 мг-экв/л).
На нефтеперерабатывающих заводах предусматриваются две основные
системы производственной канализации:
I система - для отведения и очистки нефтесодержащих
нейтральных производственных и производственно-ливневых сточных вод. В
этом случае в единую канализационную сеть поступают соответствующие
сточные воды большинства технологических установок: от конденсаторов
смешения и скрубберов (кроме барометрических конденсаторов на
атмосферно-вакуумных трубчатках), от дренажных устройств аппаратов,
насосов и резервуаров (исключая сырьевые), от охлаждения сальников
насосов, от промывки нефтепродуктов (при условии малых концентраций
щелочи в воде), от смыва полов, а также ливневые воды с площадок установок
и резервуарных парков. Сточные воды первой системы канализации после
очистки, как правило, используются для производственного водоснабжения
(пополнение системы оборотного водоснабжения и для отдельных
водопотребителей).Общее солесодержание этих вод не превышает 2 тыс. мг/л;
II система - для отведения и очистки производственных сточных вод,
15
содержащих нефть, нефтепродукты и нефтяные эмульсии, соли, реагенты и
другие органические и неорганические вещества.
Сточные воды второй системы канализации, содержащие соли, после
очистки, как правило, сбрасываются в водоем. Не исключаются частные
случаи использования этих стоков, а при соответствующих обоснованиях - их
обессоливание и возврат в производство.
Вторая более перспективная схема, кроме сооружений механической и
физико-химической очистки, включает сооружения биологической очистки, а
в некоторых случаях - установки доочистки сточных вод.
В состав сооружений очистки сточных вод II системы входят установка
механической очистки, физико-химической очистки сернисто-щелочных
стоков, а также двухступенчатой биологической очистки. Кроме того, могут
использоваться установки деминерализации воды, а также ее доочистки от
взвешенных и растворенных органических примесей (рис. 1.2).
Рисунок 1.2 - Схемы организации очистки сточных вод на НПЗ
На рисунке 1.2 приведены схемы организации очистки сточных под
канализации I и канализации II на отечественных НПЗ.
Сточные воды первой и второй систем канализации проходят очистку на
отдельных очистных сооружениях, так как различаются по составу и
концентрации загрязнений. Очищенные сточные воды первой системы, как
16
правило, используются для подпитки оборотных систем водоснабжения
завода. Очищенные сточные воды второй канализационной системы не могут
быть использованы в оборотном цикле вследствие повышенного содержания
солей (порядка от 5 до 6 г/л), поэтому после соответствующей очистки
сбрасываются в водоем.
Схемы очистки сточных вод первой и второй канализационных систем
аналогичны. В песколовках выделяются крупнодисперсные нефтепродукты и
тяжелые механические примеси, песок. При увеличенном расходе сточных
вод, превышающем расчетный, излишек воды автоматически перепускается
через ливнесброс в аварийный амбар. Аварийный амбар, как правило,
представляет собой земляные емкости с забетонированными откосами,
рассчитываемые на суммарный объем дождевых вод с канализуемой
территории при повторяемости дождя один раз в год продолжительностью
20 мин. Объем аварийных амбаров не должен превышать 20 тыс. м
3
.
Необходимо предусматривать удаление осадка и всплывших нефтепродуктов
из аварийного амбара. Отстоявшаяся в амбаре вода от 3 до 4-х суток должна
быть перепущена в очистные сооружения.
Применяемая на НПЗ схема сооружений очистки сточных вод, хотя и
обеспечивает требуемую степень очистки, однако, как показывают результаты
эксплуатации, наладки и исследований, имеет существенные недостатки,
которые усложняют эксплуатацию, удорожают строительство и являются
причиной загрязнения окружающей среды.
Основной недостаток очистных станций НПЗ - это большие объемы
сооружений, что обусловливает значительную открытую поверхность воды,
на которой накапливается задержанная нефть. Другой недостаток
эксплуатируемых схем очистных сооружений НПЗ заключается в отсутствии
устройств для замера расходов сточных вод и осадков, что значительно
затрудняет поддержание наиболее оптимального режима оборудования
очистных сооружений.
Учитывая, что НПЗ являются крупными объектами водопотребления и
17
одновременно сбрасывают большой объем сточных вод в городские или
районные системы канализации, можно сказать, что перспективным
направлением совершенствования систем очистки сточных вод является
разработка так называемых бессточных систем водоснабжения и канализации.
Скорость и эффективность трансформации нефтепродуктов на
сооружениях биологической очистки, прежде всего, связана с аэробностью
условий. Сброшенные в канализацию нефтепродукты, практически не
изменяясь в анаэробных условиях этих систем, поступают на очистные
сооружения. Эффективность разложения нефтепродуктов на сооружениях
биологической очистки зависит от:
- химического состава нефти, ее свойств (прежде всего: летучести,
плотности, растворимости основных составляющих компонентов) и
поступающей в аэротенки концентрации нефтепродуктов;
- наличия баланса между поступлением нефтепродуктов и их
эффективной деструкцией;
- физико-химических условий в аэротенках (температуры, рН,
содержания растворенного кислорода в иловой смеси);
- сбалансированного состава сточных вод, обеспечивающих
полноценное питание активного ила (минимальные необходимые количества
углеродсодержащей органики, азота и фосфора в пропорции 100 : 3 : 0,5);
- технологического режима очистки (дозы, возраста ила, удельных
нагрузок на активный ил, окислительной мощности аэротенков);
- свойств активного ила (процентного содержания
углеводородокисляющих бактерий в общей биомассе активного ила,
адаптационных свойств, ферментативной активности).
1.3 Передовые технологии в сфере уменьшения негативной нагрузки
НПЗ на водные объекты
Би?охимическая оч?истка яв?ляется од?ним из ос?новных пе?рспективных
18
ме?тодов оч?истки ст?очных во?д НП?З ка?к пе?ред сб?росом в водоём, та?к и пе?ред
по?вторным ис?пользованием в си?стемах об?оротного водоснабжения.
Би?охимические ме?тоды ос?новываются на ес?тественных пр?оцессах
жи?знедеятельности ге?теротрофных ми?кроорганизмов [21]. Ин?тенсивность и
по?следовательность ок?исления ми?кроорганизмами то?го ил?и ин?ого ве?щества
за?висят от мн?огих факторов, но ре?шающее вл?ияние на эт?и пр?оцессы
ок?азывает хи?мическое ст?роение вещества. На?именее до?ступными
ис?точниками уг?лерода яв?ляются вещества, не со?держащие ат?омов кислорода,
- углеводороды. Те?м не менее, уг?леводороды в от?сутствии в до?статочном
ко?личестве др?угих ле?гко ра?злагаемых ис?точников пи?тания та?кже
ра?сщепляются ми?кроорганизмами ак?тивного ила. Ми?кроорганизмы сп?особны
ис?пользовать уг?леводороды ра?зных кл?ассов пр?остого и сл?ожного строения.
По-видимому, пр?актически вс?е углеводороды, вх?одящие в со?став нефти,
мо?гут яв?ляться об?ъектом ми?кробиологического во?здействия [11].
Ос?новными со?оружениями би?охимической оч?истки на от?ечественных
НП?З сл?ужат аэ?ротенки и вт?оричные отстойники. Ка?к правило, на оч?истных
со?оружениях НП?З пр?именяют аэ?ротенки с ра?ссредоточенным вп?уском
ст?очных во?д и аэ?ротенки - смесители. Об?ычные аэ?ротенки - вы?теснители -
ча?ще вс?его пр?именяют на вт?орой ст?упени оч?истки [13].
Би?ологические фи?льтры пр?актически не на?шли пр?именения дл?я
оч?истки не?фтесодержащих ст?очных во?д на от?ечественных предприятиях, та?к
ка?к оп?ыт их эк?сплуатации на од?ном из НП?З показал, чт?о эф?фект оч?истки в
ни?х зн?ачительно ниже, че?м в аэротенках. В на?стоящее вр?емя би?ологические
фи?льтры ис?пользуют то?лько на дв?ух не?фтеперерабатывающих за?водах ка?к
вт?орую ст?упень очистки. Би?ологические пр?уды на от?ечественных за?водах
пр?именяют то?лько в ка?честве со?оружений дл?я до?очистки би?охимически
оч?ищенных ст?очных во?д НП?З [11].
Аэ?ротенк пр?едставляет со?бой ап?парат с по?стоянно пр?отекающей
ст?очной водой, во вс?ей то?лще ко?торой ра?звиваются аэ?робные
микроорганизмы, по?требляющие субстрат, т.е. «з?агрязнение» эт?ой ст?очной
19
воды.
Би?ологическая оч?истка ст?очных во?д в аэ?ротенках пр?оисходит в
ре?зультате жи?знедеятельности ми?кроорганизмов ак?тивного ила. Ст?очная во?да
не?прерывно пе?ремешивается и аэ?рируется до на?сыщения ки?слородом
воздуха. Ак?тивный ил пр?едставляет со?бой су?спензию микроорганизмов,
сп?особную к флокуляции.
Оп?ределяющими пр?оцессами дл?я те?хнологического оф?ормления
оч?истки во?ды яв?ляются ск?орости из?ъятия за?грязнений и ск?орость ра?зложения
эт?их загрязнений. Ак?тивный ил в ко?нтакте с за?грязнённой жи?дкостью в
ус?ловиях аэ?рации пр?оходит сл?едующие фа?зы ра?звития [1?0]:
1. Ла?г-фазу I, ил?и фа?зу ад?аптации ил?а к со?ставу ст?очной воды. Пр?ироста
би?омассы пр?актически не происхдит.
2. Фа?зу эк?споненциального ро?ста II, в ко?торой из?быток пи?тательных
ве?ществ и от?сутствие пр?одуктов об?мена сп?особствуют ма?ксимальной
ск?орости ра?змножения клеток.
3. Фа?зу за?медленного ро?ста III, в ко?торой ск?орость ро?ста би?омассы
на?чинает сд?ерживаться не?достатками пи?тания и на?коплением пр?одуктов
метаболизма.
4. Фа?зу ну?левого ро?ста IV, в ко?торой на?блюдается пр?актически
ст?ационарное со?стояние в ко?личестве биомассы.
5. Фа?зу эн?догенного ды?хания (и?ли фа?зу са?моокисления) V, в ко?торой
из?-за не?достатка пи?тания на?чинаются от?мирание и ра?спад клеток, ве?дущие к
сн?ижению об?щего ко?личества биомассы.
Вт?оричные от?стойники яв?ляются со?ставной ча?стью со?оружений
би?ологической очистки, ра?сполагаются в те?хнологической сх?еме
не?посредственно по?сле би?оокислителей и сл?ужат дл?я от?деления ак?тивного
ил?а от би?ологически оч?ищенной воды, вы?ходящей из аэротенков, ил?и дл?я
за?держания би?ологической пленки, по?ступающей с во?дой из биофильтров.
Эф?фективность ра?боты вт?оричных от?стойников оп?ределяет ко?нечный
эф?фект оч?истки во?ды от вз?вешенных ве?ществ [22].
20
Дл?я те?хнологических сх?ем би?ологической оч?истки ст?очных во?д в
аэ?ротенках вт?оричные от?стойники в ка?кой-то ст?епени оп?ределяют та?кже
об?ъем аэ?рационных сооружений, за?висящий от ко?нцентрации во?звратного
ил?а и ст?епени ег?о рециркуляции, сп?особности от?стойников эф?фективно
ра?зделять вы?сококонцентрированные ил?овые смеси.
Ил?овая смесь, по?ступающая из аэ?ротенков во вт?оричные отстойники,
пр?едставляет со?бой ге?терогенную (м?ногофазную) систему, в ко?торой
ди?сперсионной ср?едой сл?ужит би?ологически оч?ищенная ст?очная вода, а
ос?новным ко?мпонентом ди?сперсной фа?зы яв?ляются хл?опки ак?тивного ила,
сф?ормированные в ви?де сл?ожной тр?ехуровневой кл?еточной структуры,
ок?руженной эк?зоклеточным ве?ществом би?ополимерного состава.
Ва?жнейшим св?ойством ил?овой см?еси ка?к ди?сперсной си?стемы яв?ляется
ее аг?регативная неустойчивость, ко?торая вы?ражается в из?менении ди?аметра
хл?опков ак?тивного ил?а в пр?еделах 20?-300 мк?м в за?висимости от
ин?тенсивности ту?рбулентного перемешивания.
Пр?и сн?ижении ин?тенсивности ту?рбулентного пе?ремешивания и
по?следующем от?стаивании ил?овой см?еси в ре?зультате би?офлокуляции
пр?оисходит аг?регирование хл?опков ак?тивного ил?а в хл?опья ра?змером 1-?5 мм,
ко?торые ос?аждаются по?д во?здействием си?лы тяжести.
Ос?аждение хл?опьев ак?тивного ил?а (п?ри ег?о ко?нцентрации в ил?овой
см?еси бо?лее 0,5-1 г/?л) пр?оисходит с об?разованием ви?димой гр?аницы ра?здела
фа?з ме?жду ос?ветляемой во?дой и илом.
Вт?оричные от?стойники бы?вают вертикальными, го?ризонтальными и
радиальными. Дл?я оч?истных ст?анций пр?опускной сп?особности до 20?000
м3?/сут пр?именяются ве?ртикальные вт?оричные отстойники, дл?я оч?истных
ст?анция ср?едней и бо?льшой пр?опускной сп?особности (б?олее 15?000 м3?/сут) -
го?ризонтальные и радиальные.
По?д си?стемами аэ?рации сл?едует по?нимать ко?мплекс сооружений,
ус?тройств и оборудования, об?еспечивающих по?дачу и ра?спределение во?здуха
(к?ислорода) в аэротенке, по?ддержание ак?тивного ил?а во вз?вешенном
21
со?стоянии и со?здание бл?агоприятных ги?дродинамических ус?ловий ра?боты
аэротенков, а та?кже от?дувку об?разующихся в ре?зультате ме?таболизма газов,
из?быток ко?торых мо?жет то?рмозить (и?нгибировать) пр?оцесс би?охимической
оч?истки ст?очных во?д [12]. В за?висимости от сп?особа по?дачи и ра?спределения
ки?слородсодержащего га?за в аэ?ротенках вс?е пр?именяемые в на?стоящее вр?емя
аэ?раторы мо?жно кл?ассифицировать сл?едующим об?разом: 1) пн?евматические;
2) ме?ханические; 3) пн?евмомеханические; 4) ст?руйные (рис. 1.3).
Ри?сунок 1.3 - Кл?ассификация пн?евматических аэ?раторов
За ру?бежом распространены, на?ряду с фи?льтросными плитами,
ди?сковые по?ристые диффузоры, по?ристые тр?убы и др.
Ос?новным не?достатком по?ристых ме?лкопузырчатых аэ?раторов яв?ляется
их за?сорение пылью, по?ступающей с воздухом. Со?держание пы?ли в во?здухе
22
не до?лжно пр?евышать 0,05 мг/м3. Пе?рерывы в аэ?рации пр?иводят к
фи?льтрованию жи?дкости че?рез по?ристые аэ?раторы и за?биванию их ча?стицами
ак?тивного ила. Ср?еднепузырчатые аэ?раторы - пе?рфорированные тр?убы (d = 6
+ 10 мм?) - ме?нее эффективны, но и ме?ньше засоряются.
Дл?я пр?едотвращения ос?аждения ак?тивного ил?а в аэ?ротенке
ми?нимальные до?нные ск?орости во?ды до?лжны бы?ть в пр?еделах от 15 до
30 см/с.
Эф?фективность ра?боты пн?евматических аэ?раторов за?висит от со?става
ст?очных вод, ха?рактера пр?оцесса очистки, а та?кже от ка?чества их
ст?роительства и ур?овня эксплуатации. Ср?еди факторов, ко?торые вл?ияют на
ра?боту пн?евматических аэ?раторов и мо?гут бы?ть уч?тены ещ?ё на ст?адии
проектирования, в пе?рвую оч?ередь сл?едует от?метить ра?сположение аэ?раторов
в плане, гл?убину их по?гружения и уд?ельные на?грузки по во?здуху
(и?нтенсивность аэрации). Ра?сположение аэ?раторов в плане. Ши?рина и фо?рма
аэ?рационной по?лосы в аэ?ротенке вл?ияют на фо?рмирование
ги?дродинамической ст?руктуры по?тока и в зн?ачительной ст?епени оп?ределяют
эф?фективность пр?оцесса ма?ссопередачи [12].
Аэ?рация ст?очных вод в сооружениях биологической очистки
(аэротенках, биотенках, затопленных аэрофильтрах) требует больших затрат
электроэнергии, составляющих до 50% общих эксплуатационных расходов.
Значительное снижение этих затрат дают современные системы
мелкопузырчатой аэрации, отличающейся большой эффективностью
массопередачи кислорода из аэрирующего воздуха в воду. К таким системам
относится аэрационное оборудование фирмы «Креал», эффективность
которого втрое выше аэраторов из перфорированных труб.
Наиболее перспективным направлением в совершенствовании
аэрационных систем является создание мембранных элементов, которые
практически не подвержены биообрастанию и в процессе эксплуатации ведет
к значительной экономии электроэнергии [5].
Одним из примеров таких аэраторов являются мембранные элементы