36
Рис. 14. Глубокая очистка сточных вод
1.3. Биохимическая очистка нефтезагрязненных сточных вод
Сточные воды, предварительно прошедшие механическую и физико-
химическую очистку, еще содержат довольно большое количество тонко-
диспергированных и растворенных нефтепродуктов и не могут без после-
дующей очистки быть выпущены в водоемы.
В современном мире наиболее передовым и универсальным методом
очистки стоков от органических загрязнений является биологический спо-
соб. В основу такого способа фильтрации воды от нефтепродуктов (а так-
же очистки воды для дома) входит применение специальных микроорга-
низмов, которые используют нефтепродукты и разнообразные органиче-
ские вещества как основной источник питания в процессе жизнедеятельно-
сти. Среди таких микроорганизмов можно выделить сотни различных ви-
дов, к примеру, бактерии, грибы или дрожжи. Именно они обладают спо-
собностью перерабатывать самые сложные углеводородные соединения,
которые и входят в состав всех нефтепродуктов [14].
Задача биологической очистки сводится к превращению органиче-
ских соединений сточных вод в безвредные продукты окисления, такие как
H
2
O, CO
2
, SO
4
2-
, NO
3
-
и др. Под воздействием комплекса простейших мик-
37
роорганизмов и бактерий, развивающихся в очистных сооружениях, про-
исходит процесс биохимического разрушения органических загрязнений.
При этом для правильного использования микроорганизмов при биохими-
ческой очистке сточных вод требуется знать физиологию микроорганиз-
мов, а собственно, физиологию процесса дыхания, питания, роста и разви-
тия. Любой живой организм отличается наличием обмена веществ, способ-
ствующего усвоению питательных для него веществ и выделению продук-
тов жизнедеятельности.
В процессе химической очистки воды от нефтепродуктов происходит
реакция окисления углеводородов нефти, в результате чего в воде остают-
ся только вещества, легко поддающиеся процессу разложения, и нетоксич-
ные продукты, образовавшиеся по причине разложения нефти. Благодаря
химическому методу достигается максимальная степень очистки сточных
вод, что и делает его на данный момент самым эффективным способом.
Поэтому при разработке очистительного оборудования, как с эколо-
гической, так и с экономической точки зрения, в первую очередь, следует
опираться на степень загрязнения воды [40].
Сточные воды, содержащие до 25 мг/л нефти и нефтепродуктов, по-
сле предварительной физико-химической и механической очистки,
направляются на биохимическую очистку, которая заключается в окисле-
нии микроорганизмами органических загрязнений, а затем сбрасываются в
водоем.
Для нормальной деятельности микроорганизмов нужны не только
органические вещества, но и необходимые биогенные элементы (К, Са, N,
Р, F, С1 и прочие), источником которых в рассматриваемом случае могут
служить бытовые сточные воды. Оптимальное содержание бытовых сточ-
ных вод зависит от их состава и определяется экспериментально в каждом
случае, поскольку ненормированное применение бытовых стоков может
стать причиной деградации (или ослабления) микрофлоры, адаптирован-
38
ной к данным загрязнениям [14].
Критерием пригодности методики биохимического окисления для
снижения содержания в сточных водах органических загрязнений является
биохимический критерий, определяемый как соотношение химической по-
требности в кислороде (ХПК) полной биохимической потребности в кис-
лороде (БПК
полн
).
Биохимическое окисление производят как в естественных условиях
на полях орошения, фильтрации и биологических прудах, так и в специ-
ально созданных условиях в аэротенках и на биофильтрах. Поля орошения,
поля фильтрации и биофильтры работают за счет почвенных биоценозов;
биологические аэротенки и пруды – за счет биоценозов данных водоемов.
Для очистки нефтесодержащих сточных вод наибольшее распро-
странение получили биофильтры и аэротенки. Биофильтр представляет со-
бой круглый или прямоугольный резервуар чаще всего из железобетона
(или кирпича), имеющий двойное дно. На дырчатом верхнем дне распола-
гают фильтрующую загрузку, представляющую собой прочные химически
стойкие материалы: шлак, кокс, керамзит, гранитный щебень и др., а
сплошное нижнее дно служит для сбора воды, которая прошла фильтрую-
щую загрузку [6].
Биофильтры по величине гидравлической допускаемой нагрузки и
окислительной мощности подразделяют на капельные и высоконагружае-
мые (аэрофильтры). В капельных биофильтрах кислород, который необхо-
дим для жизнедеятельности аэробного слоя биопленки, расположенной на
поверхности фильтрующей загрузки, захватывается загрязненной сточной
водой, которую периодически подают на обработку при помощи реактив-
ных оросителей или специальных насадок, равномерно распределяя ее по
поверхности биофильтра. В аэрофильтры под колосниковые решетки, на
которых находится загрузка, при помощи вентиляторов непрерывно пода-
ют воздух. Благодаря гидравлическим затворам, которые герметизируют
39
поддонное пространство, нагнетаемый воздух выходит через слой загруз-
ки, в результате чего биопленка насыщается кислородом воздуха [3].
Происходит процесс окисления загрязнений, образуется новая плен-
ка и отмирает старая, которая затем срывается с поверхности загрузки по-
ступающей водой и далее выносится из биофильтра. Для задержания этой
пленки после биофильтров располагают отстойники, преимущественно
вертикального типа [11].
В основе аэротенков лежит деятельность микроорганизмов, которые
обитают обычно в природных водоемах и представляют сотой активный ил
(АИ). Аэротенки подразделяют на: аэротенки с регенерацией или без реге-
нерации активного ила, аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители,
аэротенки-отстойники. В зависимости от аэрационных устройств различа-
ют аэротенки с механической, пневмомеханической и пневматической
аэрацией.
В сооружении, получившем название окситенк (рис. 15), использует-
ся чистый либо технический кислород, улучшающий деятельность актив-
ного ила и интенсифицирующий окислительные процессы. Благодаря это-
му окислители характеризуются объемом примерно на 50-70% меньше, в
сравнении с обычными аэротенками, которые используются для очистки
таких же сточных вод.
Преимущества биохимического метода очистки сточных вод заклю-
чаются в возможности удаления разнообразных органических соединений
из стоков, включая токсичные. В том числе они отличаются простотой
конструкции аппаратуры и относительно невысокой эксплуатационной
стоимостью.
40
Рис. 15. Окситенк: 1 – трубопровод для сточной воды; 2 – илоотделитель
(зона отстаивания); 3 – стабилизатор уровня ила; 4 – трубопровод очищен-
ной воды; 5 – датчик давления; 6 – трубопровод подачи кислорода;
7 – аэратор турбинный; 8 – реактор (зона аэрации); 9 – трубопровод отво-
да отработанного газа; 10 – окно с насадкой; 11 – лоток водосборный; 12 –
датчик растворенного кислорода; 13 – мешалка; 14 – щель возвратного ила
К недостаткам можно отнести высокие финансовые затраты, необхо-
димость соблюдения строгого технологического режима очистки стоков,
токсичное влияние некоторых органических соединений на микроорганиз-
мы, необходимость разбавления стоков в случае высокого содержания в
них нефти и нефтепродуктов.
1.4. Утилизация нефтесодержащих осадков сточных вод
В процессе деятельности очистных сооружений предприятий нефте-
химической промышленности образуется большое количество нефтесо-
держащих отходов. В связи с тем, что большинство очистных сооружений
не имеет замкнутого цикла, очищенные сточные воды после цикла очистки
обычно сбрасываются в общегородскую канализационную систему или
непосредственно в открытые водоемы и реки.
41
Чаще всего содержание нефтепродуктов в сбрасываемых очищенных
сточных водах, достигает от 100 до нескольких сотен мг/л. В результате
происходит накопление и концентрирование нефтепродуктов в реках, во-
доемах, в почве, поскольку объемы поступающих в них нефтесодержащих
отходов превышают естественные возможности природы к самоочище-
нию. Поэтому для нормальной работы экосистемы просто необходима
принудительная утилизация нефтесодержащих отходов [36, 52].
К нефтесодержащим отходам относятся все примеси, собирающиеся
в отстойниках, флотационных, фильтрационных и других очистных со-
оружений, то есть после механической, физико-химической и биохимиче-
ской очистки сточных вод. Объем осадков сточных вод зависит от вида
очищаемых сточных вод и используемого метода очистки. Например, при
совместной очистке производственных сточных вод и бытовых, объем об-
разованных может составлять не более 0,5-2,0 % объема очищенной воды.
Локальная очистка производственных сточных вод с применением хими-
ческих реагентов сопровождается образованием осадков в количестве от
10 до 40 % от расхода сточных вод.
Рассмотрим классификацию нефтесодержащих отходов. Различают
четыре основных группы нефтесодержащих отходов.
Первая группа – относятся жидкие отходы нефтепродуктов и осадки,
образовавшиеся на фильтрах очистных сооружений от сбрасываемых сто-
ков. Такие нефтесодержащие отходы собирают в шламонако-
пителях (рис. 16).
Вторая группа – относятся осадки, образовавшиеся в процессе очистки
воды в сточных водоемах с применением химических веществ. К ним от-
носятся: сульфат, хлорид, гидроксид кальция, алюминий, железо. Утилиза-
ция нефтесодержащих отходов делает эти вещества гелеподобными, что
приводит к затруднению работ по разделению нефтепродуктов от водной
фракции.
42
Рис. 16. Шламонакопители нефтесодержащих отходов осадков сточных
вод
Третья группа – относятся только мало горючие компоненты, облада-
ющие такими физико-химическими свойствами, которые очень затрудняют
производить разделение водной фракции от загрязняющих нефтесодержа-
щих элементов.
Четвертая группа – относятся специфические нефтепродукты, требую-
щие индивидуальных методов утилизации [36, 52].
Проблема утилизации и обезвреживания осадков нефтесодержащих
сточных вод является очень сложной, при этом технология обработки
остается наиболее разработанной. Целью обработки осадков нефтесодер-
жащих сточных вод является утилизация содержащихся в них ценных
компонентов, а также превращение их в безвредный конечный продукт, не
вызывающий загрязнений окружающей природной среды
При наличии в технологической схеме очистки сточных вод стадии
биологической очистки, в том числе возникает проблема утилизации избы-
43
точного активного ила или его уничтожения. В этом случае стадия обезво-
живания – основная стадия обработки осадков, определяющая выбор по-
следующих операций, как и экономичность процесса в целом.
Утилизация нефтесодержащих отходов. Для уменьшения объемов
нефтесодержащих отходов, их подвергают механическому обезвожива-
нию. Этот процесс заключается в предварительном испарении максималь-
ного количества воды. Для этого применяют методы фильтрации с помо-
щью центрифугирования и отстаивания. При использовании этого способа
для первой группы, в течение одного часа можно обработать 35 % осадка
[47]. Уплотнение активного ила обычно производят в уплотнителях в тече-
ние 18-24 ч. При этом концентрация активного ила это может увеличи-
ваться от 0,4 до 3 %. Использование метода флотации позволяет повысить
его концентрацию до 4,5%, а метод центрифугирования – до 8%.
Основным методом обезвоживания осадков является подсушка на
иловых открытых площадках, но это малопроизводительно. Для интенси-
фикации такого процесса используют фильтр-прессы, вакуум-фильтры и
ленточные фильтрующие прессы. Использование ленточных фильтрую-
щих прессов при перемешивании шламов с полиэлектролитами, золой и
другими реагентами для изменения физико-химических свойств нефтесо-
держащих осадков, облегчает процесс фильтрации [21].
Осадки и отходы второй и третьей групп содержат значительно
большее количество воды. В связи с этим утилизация таких нефтесодер-
жащих отходов требует применения таких коагулянтов, как известь (10 г/л)
и хлорида железа (1 г/л). После этого очистку проводят на вакуумном
фильтре. Такой метод имеет производительность 40 кг/м
2
в час, испарение
воды достигает 70–75 % [51].
Cпособ утилизации нефтяных шламов заключается в использовании
нефтяного шлама. Для этого используются шламы, образующиеся в про-
цессе механической очистки нефтесодержащих сточных вод, шламы из
44
прудов-накопителей и т.д. Нефтяной шлам подогревают с применением
пара, получаемого в парогенераторах при сжигании попутного газа, со-
держащегося в нефти и выделяемого при термической обработке нефти, а
также топливно-технологического газа, подаваемого в сеть с температурой
50–70 °С и давлением около 3–5 кг/см
2
[17].
Еще один способ утилизации нефтесодержащих шламов заключается
в применении современных технологий, позволяющих использовать оса-
док от очистки сточных вод в качестве сырья для производства асфальта и
в процессах подсыпки дорожного полотна. При содержании токсичных
веществ в осадке, его подвергают термическому уничтожению на специа-
лизированных установках. В целом, современные технологии утилизации
нефтесодержащих осадков сточных вод содействуют снижению вредных
выбросов и сбросов в районе расположения нефтеперерабатывающих
предприятий, обеспечению благоприятной экологической обстановки и не
требуют существенных капиталовложений [35, 39].
По данным Л. Соколова [21] в настоящее время в странах Западной
Европы, США, Японии отходы нефтепромышленных предприятий, в том
числе сточные воды, все чаще используются как вторичные сырьевые ре-
сурсы. Преимущественно на крупных промышленных предприятиях целе-
сообразно обустраивать центры по переработке промышленных отходов.
Такие центры в основном финансируются заинтересованными сторонами –
государством и муниципалитетами [35].
45
Глава 2. РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЕЙ
ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НА ПРЕД-
ПРИЯТИИ «ТРАНСНЕФТЬ-СЕВЕР» УСИНСКОГО РНУ
2.1. Характеристика предприятия «Транснефть-Север»
Компания «Транснефть» эксплуатирует свыше 53 тыс. км маги-
стральных нефтепроводов и около 16 тыс. км магистральных нефтепро-
дуктопроводов, что составляет 85 % добываемой в России нефти и 26 %
производимых нефтепродуктов [48]. Нефтепроводы компании «Транс-
нефть-Север», являющейся дочерней компанией АО «Транснефть», свя-
зывают крупнейшие в стране месторождения нефти с внешними рынками
и заводами в Европе и Азии. Их общая протяженность составляет 1929 км,
а производительность – 25 млн. тонн (рис. 17) [34].
Рис. 17. Нефтепроводная инфраструктура проекта АО «Транснефть-Север»
Краткая история создания. Предприятие создано в 1973 году при ин-
тенсивном освоении нефтегазоносной провинции Тимано-Печорская. Сна-
чала было организовано районное Ухтинское нефтепроводное управление.