Выбор оптимальных технологических схем очистки воды

Выбор оптимальных технологических схем очистки воды – достаточно сложная задача, что обусловлено многообразием находящихся в воде примесей и высоким требованиями, предъявленными к качеству очистки воды. При выборе способа очистки примесей учитывают не только их состав в сточных водах, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды: при сбросе в водоем – НДС и ПДК, а при использовании очищенных сточных вод в производстве – те требования, которые необходимы для осуществления конкретных технологических процессов. Для приготовления из сточных вод технической воды или обеспечения условий сброса очищенных сточных вод водоемов большое значение имеет технико-экономическая оценка способов подготовки воды. Экономическое преимущество имеют, как правило, замкнутые системы водоиспользования. Применяемые схемы очистки должны обеспечивать максимальное использование очищенных вод в основных технологических процессах и минимальный их сброс в открытые водоемы. При широком внедрении оборотных систем имеются дополнительные резервы по сокращению расхода свежей воды и уменьшению сброса сточных вод в водоемы (совершенствование технологических процессов, повышение эффективности очистки сточных вод).

На нефтеперерабатывающих предприятиях сбор сточных вод и их очистку ведут в зависимости от нефтехимических примесей и способов их очистки. В сточных водах нефтеперерабатывающих предприятий находятся нефть и нефтепродукты, которые после отделения от воды можно использовать в народном хозяйстве. Химические примеси, как, например, тетраэтилсвинец, отделяют специальными химическими методами. В этом случае целесообразно применять раздельный сбор сточных вод и комбинированную систему очистки.

При выборе системы сбора и очистки сточных вод руководствуются следующими основными положениями:

§ необходимостью максимального уменьшения количества сточных вод и снижения содержания в них примесей;

§ возможностью извлечения из сточных вод ценных примесей и их последующей утилизации;

§ повторным использованием сточных вод (исходных и очищенных) в технологических процессах и системах оборотного водоснабжения.

Имея данные по расходам сточных вод, их подробную характеристику, в том числе и по содержанию примесей, а также требования к очищенной воде, по схеме можно отобрать для проверки несколько методов. На основании экспериментальных исследований с учетом технико-экономических показателей выбирают оптимальный метод очистки сточных вод.

Выбор метода очистки сточных вод предприятий зависит от многих факторов: количество сточных вод различных видов, их расходы, возможность и экономическая целесообразность извлечения примесей из сточных вод, требования к качеству очищенной воды при ее использовании для повторного и оборотного водоснабжения и сброса в водоем, мощность водоема, наличие районных или городских очистных сооружений.

Очистка нефтесодержащих сточных вод должна обеспечивать:

§ максимальное извлечение ценных примесей для использования их по назначению;

§ применение очищенных сточных вод в технических процессах;

§ минимальный сброс сточных вод в водоем.

Для очистки сточных вод используют очистные сооружения трех основных типов: локальные, общие и районные или городские.

На нефтебазах и насосных станциях трубопроводов применяют очистные сооружения общего типа, а в случае попадания в сточные воды особо вредных химических веществ - очистные сооружения локального типа. В зависимости от степени очистки сточных вод на очистных сооружениях локального или общего типа и характеристики водоема сточные воды либо направляют на районные или городские очистные сооружения, либо сбрасывают в водоем.

Очистные сооружения локального типа предназначены для обезвреживания сточных вод непосредственно после технологических цехов, имеющих вредные химические вещества, например после резервуарного парка технологических коммуникаций, насосных станций, хранящих и перекачивающих этилированные бензины. Применение таких установок дает возможность избежать необходимости пропускать сточные воды предприятия через установки для извлечения из воды определенных химических веществ.

Очистные сооружения общего типа предназначены для очистки всех нефтесодержащих вод нефтеперерабатывающего предприятия. Обычно эти очистные сооружения включают механическую, физико-химическую и биологическую очистки. К сооружениям механической очистки относятся песколовки, нефтеловушки, отстойники, флотационные и фильтрационные установки и другие. На этих сооружениях удаляют грубодисперсные примеси. К сооружениям физико-химической очистки относятся флотационные установки с применением химических реагентов, установки с применением коагулянтов для коллоидных примесей. К сооружениям биологической очистки относятся аэротенки, биофильтры, биологические пруды и другие.

Для очистки сточных вод применяют реагентные методы: коагуляцию, флокуляцию, осаждение примесей, фильтрование, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, обратный осмос и др.

Очистные сооружения районного или городского типа предназначены в основном для механической, физико-химической и биологической очистки сточных вод. Если на эти очистные сооружения направляют производственные сточные воды, то в них не должно быть примесей, которые могут нарушить нормальный ритм работы канализации и очистных сооружений.

Эти производственные воды не должны содержать:

§ взвешенных и всплывающих веществ в количестве более 500 мг/л;

§ веществ, способных засорять трубы канализационной сети или отлагаться на стенках труб;

§ веществ, оказывающих разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации;

§ горючих примесей и растворенных газообразных веществ, способных образовывать взрывоопасные смеси в канализационных сетях и сооружениях;

§ вредных веществ в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с учетом эффекта очистки).

Температура этих вод не должна превышать 40° С. Не допускаются залповые сбросы сильноконцентрированных сточных вод.

Механическая очистка

Механическую очистку применя­ют для удаления из производственных сточных вод нерастворимых при­месей. Основными процессами гидромеханической очистки являются:

- процеживание сточной жидкости на решетках и сетках для выделе­ния крупных примесей и посторонних предметов;

- улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;

- отстаивание воды для удаления нерастворяющихся тонущих и пла­вающих органических и неорганических примесей, не задерживае­мых решетками и песколовками;

- удаление твердых взвешенных частиц в гидроциклонах;

- фильтрование через различные фильтры для улавливания тонко­дисперсных взвесей.

Тот или иной процесс механической очистки или их комбинацию при­меняют в зависимости от свойств примесей и необходимой степени их выделения.

Процеживание сточных вод осуществляется главным образом для за­щиты очистных сооружений от засорения и поломки движущихся частей оборудования. Для этого применяют решетки из металлических прутков с углом наклона к горизонту 60 - 75°. Решетки бывают подвижными и не­подвижными. Наибольшее распространение получили неподвижные ре­шетки. Скорость сточных вод между прутками принимается равной 0,8 - 1 м/с.

Для удаления более мелких взвешенных частиц используются сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Барабанные сита представляют собой сетчатый барабан с отверстиями диаметром 0,5 - 1 см. При вращении барабана сточные воды процеживаются через отверстия и освобождаются от твердых примесей, которые смываются с сетки водой и отводятся в желоб.

Для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей применяют отстаивание. В данном случае отделение примесей происходит под дей­ствием силы тяжести. Для проведения отстаивания чаще всего применя­ются песколовки, отстойники и осветлители.

Песколовки представляют собой резервуары, в которых сточные воды протекают с небольшой скоростью, обеспечивающей выпадение частиц тяжелых веществ, главным образом песка. Скорость протекания воды должна быть не более 0,3 м/с. При этом выделяется песок с размерами частиц 0,25 мм, который составляет 65 - 70 % от всего количества песка, содержащегося в сточных водах. Песколовки бывают горизонтальными и вертикальными. На рис. 2 показана горизонтальная песколовка, представляющая собой резервуар с прямоугольным или трапециевидным се­чением.

Рис. 2. Принципиальная схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением воды:

1 - привод скребкового механизма, 2 - скребковый механизм; 3 - сточная во­да; 4 - осевший песок; 5 - приемный бункер для песка; 6 - приемник грязево­го насоса

Очищаемая сточная вода движется слева направо с определенной ско­ростью, а выпадающий песок подвигается скребковым механизмом 2 к приемному бункеру 5, откуда время от времени удаляется грязевым насо­сом через приемник. Для обеспечения бесперебойной работы песколовку делают из нескольких отдельных секций.

Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Отстойники применяются для выделения из сточных вод грубодис­персных примесей. Когда плотность примесей выше плотности воды, применяют собственно отстойники, если ниже - отстойники-ловушки. Продолжительность отстаивания зависит от состава сточных вод, т. е. от содержания нерастворимых примесей, и составляет в среднем 1,5 -2 ч, иногда до 8 ч.

Различают отстойники периодического и непрерывного действия. По направлению движения воды они делятся на горизонтальные, вертикаль­ные и радиальные.

На рис. 3 показан горизонтальный отстойник, который представ­ляет собой прямоугольный резервуар, имеющий два или более одновре­менно работающих отделения. Вода движется от одного конца отстойника к другому. Глубина отстойника Н = 1,5 - 4 м, длина (8 - 12) м, ширина 3 - 6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается с помощью поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется приме­нять при расходах сточных вод свыше 15000 м³/сут. Эффективность от­стаивания воды достигает 60 %.

Рис. 3. Схема горизонтального отстойника: 1 - входной лоток; 2 - отстойная камера; 3 - выходной лоток; 4 - приямок

Схема вертикального отстойника представлена на рис. 4. Очищаемая вода подается через трубу 1 в отстойную часть 5, ударяется в отражатель 4, затем меняет свое направление сначала на горизонтальное, а затем на восходящее вертикальное, при котором примеси оседают в иловом колодце 5. Рис. 4. Принципиальная схема вертикаль­ного отстойника

Осевший ил удаляют через илопровод 6. Осветленная вода переливается через круговой водослив 2 и затем в сборный лоток. Преимуществом вертикального отстойника является простота удаления осадка, недостатком — большая глубина, затрудняющая их строительство особенно в плотных грунтах. Эффективность осаждения в вертикальных отстойниках на 10 - 20 % ни­же, чем в горизонтальных.

В настоящее время большое распространение получили радиальные отстойники, схема которых показана на рис. 5.

Радиальный отстойник представляет собой круглый бассейн из желе­зобетона диаметром 50 м. Очищаемая от загрязнений вода подается через центральную распределительную трубу 3 и движется от центра к пери­ферии с постоянно уменьшающейся скоростью, при этом скорость осаж­дения осадка остается постоянной во все время осаждения. Осветленная вода попадает в круговой водослив 2 у краев бассейна и оттуда по лотку подается к месту

назначения. Выпавший осадок с помощью скребков 7, закрепленных на металлических фермах 6, сдвигается к центрально рас­положенному приямку 9. Если диаметр отстойника превышает 24 м, то ферма опирается концами на тележки, движущиеся по круговому рель­су, уложенному на борту отстойника. Такие отстойники применяются для очистки больших количеств сточных вод - свыше 20000 м³/сут. Од­ним из недостатков радиальных отстойников является наличие ферм со скребками, работающих под водой и недоступных для постоянного надзора

Для повышения скорости отстаивания примесей можно увеличить площадь отстаи­вания и тогда проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. При этом используются трубчатые и пластинчатые отстойники. Схема трубчатого отстойни­ка приведена на рис. 6.

Рабочими элементами в отстойниках являются пакеты трубок диаметром 25 - 50 мм или ряды па­раллельно установленных пластин. Для успешного проведения отстаива­ния необходимо равномерное распределение воды по рабочим элементам и ламинарный режим ее движения. Эти отстойники могут использоваться для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных ве­ществ при расходах 100 – 10000 м³/сут. Они достаточно компактны и хо­рошо вписываются в технологические схемы очистки сточных вод. Эф­фективность очистки в таких отстойниках 80-85 %.

Нефтепродукты, масла, смолы и другие вещества, обладающие мень­шей плотностью, чем вода, удаляются из сточных вод в ловушках, масло­уловителях, смолоотстойниках. Схема нефтеловушки показана на рис. 7.

Нефтеловушка представляет собой прямоугольный железобетонный отстойник, разделенный на несколько секций, работающих независимо друг от друга. Глубина нефтеловушки -2 м, ширина секции 3 - 6 м, длина

Рис. 7. Принципиальная схема нефтеловушки: 1 - вход сточных вод; 2 - устройство для удаления осадка; 3 - слой нефтепродуктов на поверх­ности воды; 4 - нефтесборная труба; 5 - нефтеудерживающая перегородка; 6 - слив очищенной воды; 7 - скребковый механизм; 8 - приямок для осадка

определяется расчетом при условии, что средняя продолжительность от­стаивания составляет около 2 ч. Загрязненная вода через строго горизон­тальный водослив поступает в отстойную камеру ловушки. Вследствие разности плотностей воды, нефтепродуктов и оставшихся в сточной воде твердых механических примесей происходит их разделение: нефтепро­дукты всплывают на поверхность, примеси оседают на дно, вода стекает из ловушки. Скопившиеся на поверхности воды нефтепродукты улавли­ваются поворачивающейся горизонтально нефтесборной трубой с про­дольной щелью. При необходимости удаления скопившейся нефти кром­ку щели устанавливают на уровне горизонта воды вращением штурвала, закрепленного на конце трубы. Собранные нефтепродукты направляются в резервуары для отделения воды и используются по назначению. Осадок из приямка откачивают на иловые площадки, где его подсушивают, а за­тем вывозят на свалку. В ловушках предусмотрен такой же, как в песко­ловках, скребковый механизм с деревянными лопатками, передвигающи­ми осадок к приямку, а нефтепродукты - к нефтесбросной трубе.

Для защиты от атмосферных осадков и улучшения условий эксплуата­ции нефтеловушки накрываются съемными плитами. Зимой в нефтело­вушки подают пар для подогрева верхнего слоя жидкости.

Имеются нефтеловушки автоматизированные с электропневматиче- скими устройствами КЭП-12У. По мере накопления определенного слоя нефти датчики, реагирующие на границу раздела фазы нефть - вода, при­водят в действие поворотные нефтесборные трубы, и накопившийся про­дукт удаляется; таким же образом автоматизируется удаление осадка из приямков.

Скорость всплывания частиц нефти зависит от многих факторов, она увеличивается с укрупнением нефтяных частиц и замедляется при образо­вании эмульсии. Обычно в нефтеловушках задерживается 60 - 70 % со­держащейся в сточных водах нефти, и в воде, выходящей из ловушки, ос­тается около 100 мг/л. Эффективность работы ловушек зависит в большей степени от качества их обслуживания.

В ряде случаев в промышленности сохранились пруды-осветлители для доочистки путем отстаивания сточной и оборотной воды. Они пред­ставляют собой водоем, в котором вода протекает с очень малой скоро­стью. Считается, что для очистки 1 м³/ч оборотной воды нужна активная поверхность воды около 1-10 м² глубиной не менее 1 м до уровня осад­ка. Отстоявшуюся нефть удаляют с помощью шарнирных труб или дру­гими способами. Большую сложность в данном случае представляет очи­стка прудов от осадков. В новые проекты очистных сооружений пруды- отстойники не включаются.

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые – для удаления осаждающихся и всплывающих. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.

Схема напорного гидроциклона показана на рис. 8, Очищаемая вода подается по патрубку 2 в цилиндрическую часть гидроциклона 1 со скоростью 20 м/с и движется вдоль стенок по спирали вниз; в конической части циклона она повора­чивается к вертикальной оси аппарата и по внутренней спирали поднимается вверх к выходному патрубку 4. Под действием центробежной силы взвешенные в жид­кости частицы выпадают и через спуск для шлама 3 удаляются из системы. Для уве­личения пропускной способности устанавливают группу из параллельно включенных гидроциклонов, а для увеличения степени очистки группу последовательно включенных аппа­ратов. Гидроциклоны могут использоваться также для уплотнения шлама путем удаления из него части воды. Эффективность очистки гидроцикло­нами составляет около 70 %.

Недостатком напорных циклонов является значительный расход элек­троэнергии для создания необходимого напора и быстрое изнашивание аппаратов.

Фильтры применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей, которые не улавливаются другими методами гидромеханиче­ской очистки. Фильтры можно применять либо как самостоятельные очи­стные сооружения, либо как вторую ступень очистки после отстойников, ловушек, гидроциклонов. Процесс фильтрования заключается в том, что сточная вода проходит через пористую среду, находящуюся в фильтрах, при этом взвешенные вещества задерживаются на поверхности и в толще фильтрующего материала. Выбор фильтрующего материала чаще всего зависит от свойств сточной воды, температуры, давления, создаваемого фильтруемой водой, и конструкции фильтра. В качестве таких материалов чаще всего применяют кварцевый песок с зерном диаметром 0,5 - 2,00 мм. Используются также металлические перфорированные листы и сетки из кислотостойкой стали, разнообразные тканевые и керамические перегородки.

Широко используются безнапорные открытые фильтры, в которых фильтрующим материалом служит кварцевый песок. Высота слоя песка обычно 0,5 - 1,0 м. Схема устройства такого фильтра показана на рис. 9. Очищаемая вода вводится в фильтр по лотку 1 на фильтрующий материал 4, расположенный на дренажном основании 8 с отверстиями для прохода воды. Проходя через фильтрующий слой, вода очищается, посту­пает в подфильтровое пространство 7 и удаляется из фильтра по трубе 6. В процессе работы уровень очищаемой воды поддерживается постоян­ным. После некоторого времени работы, определенного регламентом, фильтрующий материал промывают от накопившихся загрязнений обрат­ным током воды. Для этого подачу сточной воды в фильтр отключают ре­гулирующим шибером 2, по трубопроводу 5 подают промывную воду, иногда горячую. Промывка фильтра также может быть водовоздушной. При этом вода и воздух, проходя через фильтрующий материал, отмыва­ют его от загрязнений. Грязная вода после промывки фильтра через жело­ба 3 отводится на очистные сооружения или на иловые площадки. При правильной эксплуатации фильтра концентрация нефтепродуктов в очи­щенной воде не превышает 10-15 мг/л.

Рис.9. Принципиальная схема безнапорного открытого фильтра