Очистка сточных вод нефтехимического комплекса электрохимическими методами

Вайншток, Платон Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Очистка сточных вод нефтехимического комплекса электрохимическими методами
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Очистка сточных вод нефтехимического комплекса электрохимическими методами"

На правах рукописи

ВАЙНШТОК ПЛАТОН НИКОЛАЕВИЧ

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ вод НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность 03.02.08 - «Экология» (в химии и нефтехимии)

г г пай 2314

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2014

005548781

Работа выполнена на кафедре «Прикладная экология» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Назаров Владимир Дмитриевич.

Официальные оппоненты: Галкин Юрий Анатольевич,

доктор технических наук, профессор, группа компаний «Эко-Проект», президент; Зсльдова Анна Ильинична, кандидат технических паук, доцент, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», доцент кафедры «Безопасность производства и промышленная экология».

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

архитектурно-строительный университет», г. Самара.

Защита состоится « 2 » июля 2014 г. в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.03 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www.rusoil.net.

Автореферат диссертации разослан « 30 » апреля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета <3^^'-Абдульминев Ким Гимадиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аетуальность темы исследования

Территория Республики Башкортостан расположена в пределах бассейнов рек Волги, Урала, Оби. Основная водная артерия Башкортостана - р. Белая.

Охрана водных ресурсов бассейна р. Белой имеет свои специфические особенности. Прежде всего, это высокая концентрация нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслей промышленности, сгруппированных в виде крупных производственных комплексов на сравнительно .маловодной территории. При этом рост нефтепереработки и нефтехимии осуществлялся темпами, превышающими средние показатели роста промышленности по России.

В республике Башкортостан основными веществами, загрязняющими воды, являются хлориды, сульфаты и соли кальция, нефтепродукты и другие органические вещества, тяжелые металлы. По данным «Государственного доклада о состоянии природных ресурсов и окружающей среды Республики Башкортостан в 2011 году» на качество воды в контрольном створе ниже г.Ишимбай влияли сбросы сточных вод ОАО «Газпром нефтехим Салават» (нефтехимическая отрасль экономики), Межрайводоканал г.Ишимбай (жилищно-коммунальное хозяйство). Средний уровень содержания соединений железа возрос до 4 ПДК, максимальный - до 9 ПДК, во всех пробах превышены нормативы.

Необходимо внедрять появляющиеся в наши дни инновационные технологии очистки нефтесодержащих вод, позволяющие придерживаться программы энергоэффективности их работы, наиболее ощутимой при ее внедрении на очистных сооружениях крупных НПЗ и предприятий нефтехимии.

Степень разработаности темы исследования.

Вопросы очистки нефтесодержащих вод рассматривались в работах Адель-шина А.Б., Аксенова В.И. , Апельцина Э.И., Аюкаева Р.И., Доломатова М.Ю., Журбы М.Г., Криштула В.П., Кульского JI.A., Краснобородько И.Г., Ласкова Ю.М., Ли А.Д., Матова Б.М., Минца Д.М., Назарова В.Д., Перевалова В.Г., Позднышера Г.Н. , Рогова В.М., Рулёва H.H., Серпокрылова Н.С., Смирнова В.И., Стрелкова А.К., Тронова В.П., Тронова A.B., Фесенко Л.Н., Фоминых А.М., Швецова В.М., Яковлева C.B., и др. Все существующие методы и технологии очистки нефтесодержащих вод имеют ряд недостатков: сложные и дорогостоящие конструктивные решения, необходимость применения оборудования с большими затратами электроэнергии, ограниченность области применения. Актуальной остается задача разработки доступных унифицированных энергоэффективных устройств для очистки нефтесодержащих вод, позволяющих с минимальными затратами электроэнергии производить их очистку при различной минерализации от пресных до высокоминерализованных.

Целью диссертационной работы является разработка технологии очистки нефтесодержащих вод до ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения с

применением энергосберегающих методов и возобновляемых источников энергии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) Определить факторы, влияющие на эффективную очистку нефтесодержа-щих вод электрофлотацией и электролизом.

2) Определить пути интенсификации очистки нефтесодержащих вод электрофлотацией и электролизом.

3) Разработать технологическую схему очистки нефтесодержащих вод.

4) Разработать методику расчета очистных сооружений нефтесодержащих вод.

Научная новизна

1. Установлена зависимость скорости образования пузырьков газа в процессе электрофлотации нефтесодержащих вод от напряжения на электродных блоках, плотности тока, материала электродов, минерализации очищаемой воды.

2. Получены математические зависимости плотности тока электрофлотатора от минерализации и напряжения на электродах, скорости барботажа от плотности тока, эффективности очистки от скорости барботажа.

3. Установлена зависимость эффективности очистки пресных и высокоминерализованных вод (Патенты РФ на полезные модели № 134526, №136429) электрофлотацией от скорости барботажа и материала электродов, при этом наибольшую эффективность очистки воды в электрофлотаторе дает применение коксопекового катода для пресных вод и медного катода для высокоминерализованных вод.

4. Предложен способ очистки сточных вод электрофлотацией с использованием возобновляемых электрохимических источников тока (Патент РФ на полезную модель №120416).

5. Получена математическая модель электролизера с электрохимическим источником тока, позволяющая рассчитать ожидаемую эффективность очистки сточных вод от ароматических углеводородов (бензол), металлов (цинк, никель, медь) и органических загрязнений (краситель - метиленовый синий).

Практическая ценность и теоретическая значимость работы

1. Разработаны устройства для очистки нефтесодержащих вод с применением энергосберегающих технологий в процессах электрофлотации, электрохимической фильтрации.

2. Разработано инновационное устройство - электролизер для очистки сточных вод от металлов и органических загрязнений, не имеющее аналогов по уровню эффективности очистки воды от меди с применением энергосберегающих технологий.

3.Выявлены закономерности процесса электрофлотации, получены на их основе расчетные характеристики, а также получены математические зависимости плотности тока, скорости барботажа, эффективности очистки, позволяющие с большой точностью спрогнозировать эффект очистки электрофлотацией.

4. Получены зависимости двухфакторной линейной регрессии, описывающие вариацию силы тока в электролизере с алюминиевыми анодами, что позволяет рассчитать и оценить ожидаемую эффективность очистки. Погрешность модели не превышает 7 %.

5. Разработана технология очистки нефтесодержащих сточных вод от нефтепродуктов, металлов и органических загрязнений методами электрофлотации, электролиза и фильтрования с применением возобновляемых источников энергии.

Методология и методы исследований

В работе осуществлено обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены лабораторные исследования и испытания опытных установок электролизера, электрофлотатора и электрохимического фильтра с применением современных математических методов моделирования и обработки экспериментальных данных. Применены общепринятые методики для расчета технико-экономической эффективности разработанных устройств. Химический анализ проб воды выполнялся в аттестованной лаборатории ГБУ РБ «Управление государственного аналитического контроля Минэкологии РБ» (УГАК). Результаты экспериментов обработаны с применением методов математической статистики.

На защиту выносятся:

1. технология очистки нефтесодержащих сточных вод от нефтепродуктов, металлов и органических загрязнений методами электрофлотации, электролиза и фильтрования с применением возобновляемых источников энергии;

2.математические зависимости плотности тока элекгрофлотатора от минерализации и напряжения на электродах, скорости барботажа от плотности тока, эффективности очистки от скорости барботажа;

3. математическая модель электролизера с электрохимическим источником тока, позволяющая рассчитать ожидаемую эффективность очистки сточных вод от ароматических углеводородов (бензол), металлов (цинк, никель, медь) и органических загрязнений (краситель - метиленовый синий).

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом проведенных экспериментальных исследований процессов электролиза, электрофлотации, электрохимической фильтрации в лабораторных условиях и практических испытаний опытных установок электролизера, электрофлотатора и электрохимического фильтра с использованием утвержденных методик анализа, высокоточных приборов и оборудования, составления по опытным данным заявок на полезные модели и получением по ним положительных решений на выдачу патентов. Химический анализ проб воды выполнялся в аккредитованной лаборатории ГБУ РБ «Управление государственного аналитического контроля Минэкологии РБ» (УГАК). Результаты экспериментов обработаны с применением методов математической статистики.

Практическая реализация работы

Разработанный электрохимический фильтр применен в системе очистных сооружений ОАО «ЦЕНТР ОТДЫХА», что позволило достичь показателей очищенной воды, соответствующих требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» (с изменениями по постановлению Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 7 апреля 2009 г. N 20, вступившим в действие 02.06.2009г.). Материалы исследований использованы в учебном процессе. Разработанные методические пособия для студентов специальности 270112 «Водоснабжение и во-доотведение» используются для проведения лабораторных и практических занятий по дисциплине «Водоснабжение и водоотведение в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности».

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 3-й международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды», Уфа, 2012; VI Международной научно-технической конференции памяти В.Х. Ха-маева «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук», Уфа, 2012; Российской научно-практической конференции, посвященной 60-летию НТО строителей РБ «Строительство: от науки к инновациям», Уфа, 2013; VIII международной научно-практической конференции «Nauka i inowac-ja -2012. Geografía i geología, chemia i chemiczne technologie», Przemysl, 2012; VII Международной научно-технической конференции памяти В.Х. Хамаева «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук», Уфа, 2013; Межвузовском симпозиуме посвященным внедрению новых технологий в решении экологических задач промпредприятий, Уфа, 2013; Международная научно-практическая конференция «Современный город-2014. Водопо-требление и водоотведение», Уфа, 2014.

Публикации по результатам исследований

По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 патента на полезные модели и 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 182 листах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, библиографического списка литературы из 156 наименований, содержит 89 рисунков, 55 таблиц и 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и поставлена цель работы. Сформулированы задачи, решение которых позволяет разработать технологию глубокой очистки сточных вод предприятий нефтехимического комплекса от нефтепродуктов и металлов.

В первой главе сделан обзор существующих механических, физико-химических, химических и биохимических, электрохимических методов очистки нефтесодержащих вод. Выполнена постановка задачи исследований.

Во второй главе исследованы процессы очистки нефтесодержащих вод электролизом, представлена методика и результаты лабораторных исследований по очистке сточных вод электролизом. Полученные данные обработаны с применением методов математической статистики.

Электролизеры обладают набором функциональных возможностей по обработке водных растворов: извлечение ионов металлов, обеззараживание, жид-кофазное окисление органических веществ и др.

Актуальным вопросом на сегодняшний день является увеличение энергоэффективности методов очистки сточных вод. В работе сделана попытка создания электролизера для электрохимической очистки воды, генерирующего электроэнергию (рисунок 1).

Рязррп Д - Л

Рисунок 1 - План и разрез электролизера: 1- корпус; 2- мембрана; 3-катодная камера; 4- анодная камера; 5- электроположительные стержневые электроды из графита; 6- электроотрицательные стержневые электроды из магния; 7 - загрузка - кварцевый песок; 8- вольтметр; 9 и 10 - выход катодной и анодной камер соответственно.

Вид сверху

Очищаемая вода подается через патрубки подвода 5 и 6 в нижнюю часть электролизера. Между электроотрицательными 2 и электроположительными 3

электродами образуется ЭДС и начинается процесс переноса электрического тока через диафрагму. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к катоду 2, а отрицательно заряженные ионы - к аноду 3. На электродах 2 и 3 происходит переход от ионной проводимости в растворе к электронной проводимости в проводниках. В приэлектродном пространстве происходят окислительно-восстановительные процессы. Кроме того, происходит образование гидроксида магния электрохимическим путем, за счет чего происходит интенсивное хлопьеобразование труднорастворимых соединений на поверхности фильтрующего материала. Фильтрующий материал 9 не только способствует интенсивному хлопьеобразованию, но также сорбирует ионы тяжелых металлов и продукты окисления органических соединений. Далее вода проходит через весь слой фильтрующей загрузки снизу вверх к патрубкам отвода 7 и 8, расположенным в верхней части электролизера, очищаясь от загрязняющих веществ. Свойства католита и анолита исследовались следующим образом.

В работе проведены опыты по отстаиванию раствора бентонита с концентрацией 1,3 г/л в отстойнике в статических условиях. Модель воды готовили на водопроводной воде, на католите и анолите. Результаты приведены на рисунке 2.

13Г

.у-миаг-вдш«*«

ВОДОПТОШДЯА,» ВОДА;

" ♦ <даг

К=-(ЦШ КАТ0ЛЙТ1Щ

1»

ВРЕМЯ. МИИ,

Рисунок 2 - Кинетика осаждения взвешенных веществ в водопроводной воде, анолите и католите

Из приведенных результатов следует, что остаточное содержание взвешенных веществ в католите на 80% меньше, чем в водопроводной воде, а в анолите на 50% меньше, чем в водопроводной воде.

Аналогично проведены опыты по отстаиванию раствора бентонита с концентрацией 1,3 г/л в отстойнике в статических условиях. Модель воды готовили на растворе МаОН (каустической соды) с рН=8 и на растворе СН3СООН (уксусной кислоты) с рН-4. По результатам опытов с учетом правила Шульце-Гарди сделан следующий вывод: коагулирующим свойством в коллоидной среде обладают только ионы, которые обладают противоположным знаком с осаждаемыми частицами. Таким образом, щелочная и кислая среда обладают большим коагулирующим свойством при осаждении взвешенных веществ.

Определена эффективность очистки воды от меди в электролизере при скорости обработки 1-15 м/ч. Результаты приведены на рисунке 3.

-*-С(Си);С1=и/Л Ы6С1 -*-С(Си); С2«5-(/л №0 ~«-С<Си); С$«Мт/л Н*С1

0 12 5 454?! 9 101112 19 М15' -0,1»! т/а

Скоро; п. обработан волы, ли'чво

Рисунок 3 - Зависимость концентрации меди в католите от скорости фильтрования при исходной концентрации меди 0,15 г/л и минерализации воды 1, 5,10, 50 г/л ИаС1

Из рисунка 3 видно, что максимальный эффект очистки наблюдается при скорости обработки 5 м/ч для воды с минерализацией 1 и 50 г/л, при этом ста-

бильно высокая эффективность очистки при скорости обработки от 1 до 5 м/ч при любой минерализации воды.

Экспериментально определена эффективность очистки воды от никеля, цинка, красителя метиленового синего, бензола и энергия, вырабатываемая электролизером. Пробы воды отбирались из катодной камеры.

Данные, рассчитанные по полученным значениям напряжения и тока, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Эффективность очистки воды от органических соединений и

металлов

Вид электролизера Кон-центра-ция №С1, г/л Скорость фильт рова-ния, м/ч Удельная вырабатываемая (затрачиваемая) энергия, Вт-ч/м3 Эффективность очистки, %

Металлы Органические соединения

медь никель цинк метил е-новый синий бензол

гене-рируе руе-мая потреб треб-ляемая

Опытная установка (рис. 1) 1 1 0,90 - 93,3 50,0 99,9 87,0 93,6

5 0,18 - 98,0 87,4 99,9 84,0 90,1

10 0,09 - 96,0 78,1 99,9 34,5 37,1

15 0,06 - 95,0 0 99,4 33,2 35,7

Опытная установка (рис. 1) 5 1 3,24 - 86,6 - - - -

5 0,64 - 92,0 - - 81,8 87,3

10 0,32 - 87,3 - - - -

15 0,21 - 86,6 - - - -

Опытная установка (рис. 1) 10 1 6,35 - 95,0 - - - -

5 1,27 - 95,0 61,0 - 71,4 76,0

10 0,63 - 90,0 - - - -

15 0,42 - 89,3 - - - -

Опытная установка (рис. 1) 50 1 71,0 - 97,3 60,0 99,9 - -

5 12,2 - 97,3 42,1 99,9 41,2 48,5

10 2,43 - 80,7 0 99,9 - -

15 1,21 - 80,0 0 99,9 - -

Типовой электролизер 1 5 - 0,18 28,6 0 99,5 0 0

5 5 - 0,64 33,3 15,0 99,9 7,0 1,0

10 5 - 1,27 33,3 20,0 99,9 13,0 4,0

50 5 - 12,2 0 20,0 99,9 14,0 5,0

Из таблицы 1 видно, что больше энергии генерируется при меньших скоростях обработки воды. Это связано с увеличением при больших скоростях сопротивления среды процессу движению ионов через мембрану, а также с увеличением при малых скоростях обработки времени пребывания воды в электролизере. При сравнении эффективности очистки воды разработанным элек-

тролизером и электролизером с внешним источником энергии (аккумулятором) установлено, что эффект очистки воды разработанньм электролизером выше по всем показателям, исключением явилась очистка от цинка, где в обоих электролизерах получен равный высокий эффект очистки 99,9%.

Произведена обработка данных методом математической статистики. Полученные данные приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты линейной аппроксимации изменения силы тока от числа анодов (материал - алюминий)________-,

Расстояние между катодами и анодами в электролизере Уравнение линейной зависимости силы тока от числа анодов Коэффициент детерминации

1 см 1=3,29п 0,831

5 см /-2,83/г 0,895

10 см /=2,25/г 0,875

Данные таблицы 2 показывают, что при увеличении расстояния между катодами и анодами в электролизере коэффициент роста силы тока при увеличении электродов уменьшается.

С помощью метода наименьших квадратов получено уравнение регрессии для силы тока в электролизере:

1 = 6,72 + 2,249п-0,6181, где п — число электродных пар;

I - расстояние между анодами и катодами.

В третьей главе представлены методика и результаты лабораторных исследований процесса очистки нефтесодержащих вод флотацией. Полученные данные обработаны с применением методов математической статистики.

В экспериментах скорость барботажа определялась в лабораторном элекгро-флотаторе. В качестве электролита использовали растворы хлористого натрия концентрации (1-200) г/л.

Результаты определения скорости барботажа пузырьками водорода, образованными на катоде из графита приведены на рисунке 4.

Установлено, что скорость барботажа линейно зависит от плотности тока:

д = Ы,

где к - константа скорости барботажа, мЗ/А-ч.

г - плотность тока, АУм2.

г 6 7 8 9 10 11 и 15 14 и, В

Рисунок 4 - Скорость барботажа воды пузырьками газа при минерализации 1,5,10, 50,200 г/л №С1 с использованием графитового электрода.

Из рисунка 4 следует, что скорость барботажа практически линейно зависит от напряжения на электродах в диапазоне исследованных напряжений от 5 до 13 В. С увеличением минерализации скорость барботажа существенно увеличивается.

Скорость барботажа, определенная для напряжения 10 В на различных электродах, приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Скорость барботажа при напряжении 10 В для процессов с медным, латунным, графитовым, коксопековым и алюминиевым электродами

Минерализация, г/л Скорость барботажа V, м/ч

Медь Латунь Графит Коксопек Алюминий

1 0,07 0,07 0,05 0,08 0,28

5 0,25 0,20 0,40 0,30 0,29

10 0,80 0,30 0,80 0,38 0,42

50 1,4 2,20 2,0 0,83 1,19

200 1,6 2,60 5,50 1,00 -

Из полученных результатов следует, что максимальная скорость барботажа в пресной воде с минерализацией 1 г/л достигнута на коксопековом электроде.

При минерализации от 5 до 200 г/л максимальная скорость барботажа получена на графитовом электроде.

Несомненный практический интерес, с точки зрения экономии электроэнергии на электролиз воды, представляют удельные затраты, отнесенные к 1 м3 полученного газа.

Удельные затраты энергии по очистке нефтесодержащих вод флотационным методом с применением медного, латунного, графитового, коксопекового, алюминиевого электродов, определенные для напряжения 10 В и концентрации ИаС1 1, 5, 10, 50,200 г/л представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Удельные затраты энергии при напряжении 10 В для процессов барботажа медным, латунным, графитовым, коксопековым и алюминиевым электродами_____

Минерализация, г/л Удельные затраты энергии со, кВт-ч/м3

Медь Латунь Графит Коксопек Алюминий

1 0,72 0,50 0,97 0,42 0,22

5 0,23 0,40 0,32 0,58 0,75

10 0,13 0,27 0,24 0,70 0,96

50 0,08 0,22 0,17 0,82 0,97

200 0,04 0,17 0,13 0,87 -

Из таблицы 4 следует, что в воде с минерализацией от 1 до 200 г/л наименьшими удельными затратами энергии обладает медный электрод. Алюминиевый и коксопековый электроды имеют близкие значения затрат электроэнергии при минерализации 1 г/л.

По результатам серии из трех опытов по очистке в электрофлотаторе с графитовыми, коксопековыми, медными, алюминиевыми катодами, приготовленными с помощью миксера дисперсных систем из растворов хлористого натрия с концентрациями 1, 5, 10, 50 г/л и навесок бентонита в расчете 0,5 г/л, получены данные и составлены графики представленные на рисунке 5.

Кинетические закономерности очистки нефтесодержащих вод представлены на рисунке 6.

-(и; ----

1! ■ ■ ■ г

ч* ч I

| ■1 . • -.'-А .

1 . 1 N !

¿3 * Г Г';;

Ьал' Ч ' - ч.

С=А г/л

за гА

1 а а ^ 5 « ? * 9 » и и. » г« » вда^ч«.

Рисунок 5 - Зависимость оптической плотности, концентрации бентонита и эффективности очистки от времени очистки в электрофлотаторе с графитовыми катодами растворов бентонита с концентрацией 0,5 г/л с минерализацией 1, 5,10, 50 г/л МаС1.

. ., Г Т'ТТ" 1 Г"; ~Т—-:

чйМ-4-4-4-1- РМ-4-44 -

,С(\«рх«ие «^ж 3 тргутот с шятяшятй 2И пи, пЬ

эмркащсшючаг-.ТОЗИФЮШ I азс'х

змркюидавс-кчдаиий 38 г'л

Рисунок 6 - Зависимость оптической плотности нефтесодержагцих вод от времени очистки на электрофлотаторе с медными катодами с содержанием нефти 1 г/л и минерализацией 1, 5, 10, 50 г/л ЫаС!.

Из рисунка 5 и 6 видно, что эффективность очистки в электрофлотаторе с использованием графитовых и медных катодов с ростом минерализации эмульсий и растворов увеличивается.

В результате сравнения данных таблиц 3 и 4 с данными, полученными на рисунках 5 и 6, составлена сводная таблица показателей процесса электрофлотации (таблица 5).

Как видно из данных, приведенных в таблице 5, эффект очистки от взвешенных веществ и нефтепродуктов возрастает с увеличением скорости барбо-тажа. Однако для разных материалов электродов увеличение скорости барбо-тажа по-разному соогаосится с эффектом очистки.

Определена энергоэффективность применения рассматриваемых электродов при определенной минерализации путем деления удельных затрат энергии на эффект очистки в каждом отдельном случае. Получен показатель удельных затрат энергии, соответствующий эффекту очистки воды электрофлотатором на 1 %.

Таблица 5 - Сводная таблица основных показателей процесса элеюрофлотации, полученных с применением медного, графитового, алюминиевого, коксопекового катодов и графитового анода_

Основные показатели процесса элеюро- Минерализация, г/л

флотации 1 5 10 50

Скорость барботажа V, м/ч 0,07 0,25 0,8 1,4

.6 я Удельные затраты энергии со, кВт-ч/мЗ 0,72 ОДЗ 0,13 0,08

«5 Эффект очистки по ВВ, % * 64,3 72,5 74,3 89,1

ю / Эффект очистки по ВВ 0,1119 0,032 0,0175 0,009

Эф. по нефтепрод., % 61,2 71,8 83,9 81,9

ш / Эф. по нефтепрод. 0,1176 0,032 0,0155 0,0098

Скорость барботажа V, м/ч 0,05 0,4 0,8 2

графит Удельные затраты энергии ш, кВт-ч/мЗ 0,97 0,32 0,24 0,17

Эф. по ВВ, % 73,7 76,7 84,2 90,9

ш / Эффект очистки по ВВ 0,1316 0,042 0,0285 0,0187

Эф. по нефтепрод., % 54,1 81,2 90 94,7

(0 / Эф. по нефтепрод. 0,1792 0,039 0,0266 0,018

Скорость барботажа V, м/ч 0Д9 0,19 0,23 1,19

« Удельные затраты энергии ш, кВт-ч/мЗ 1,5 7,5 9,6 8,7

а Эф. поВВ,% 85 90,7 82,7 80

й 2 са 1 Эффект очистки по ВВ 0,018 0,083 0,116 0,096

1 Эф. по нефтепрод., % 74 87 93,1 90,7

ш / Эф. по нефтепрод. 0,02 0,086 0,103 0,096

Скорость барботажа V, м/ч 0,08 0,3 0,38 0,83

X Удельные затраты энергии со, кВт-ч/мЗ 4,2 5,8 7,0 8,2

а Эф. по ВВ, % 76,5 82,1 84,4 90,9

и и ш / Эффект очистки по ВВ 0,0549 0,071 0,0829 0,0902

и Эф. по нефтепрод., % 80 88,2 85,2 92,8

ш / Эф. по нефтепрод. 0,0525 0,066 0,0821 0,0883

* ВВ - взвешенные вещества

При испытании опытной модели были проведены серии опытов по очистке воды в электрофлотаторе от нефтепродуктов с применением электродов из разных материалов с различным уровнем минерализации водных растворов. В ходе экспериментов соблюдались условия идентичности данных «на входе»: уровень исходного загрязнения и подаваемой на электрод величины напряжения. Количество опЬттов в каждой серии делает возможным применение мето-

дов математической статистики для выявления и описания зависимостей между факторами. При этом введены следующие обозначения:

1. параметры процесса очистки воды на «входе»: М- уровень минерализации водного раствора, г/л; V- величина, подаваемого на электрод напряжения, В; 5 - площадь электрода, м2;

2. параметры процесса очистки воды на «выходе»: I- сила тока, А;

7 - плотность тока, А/м2,

й> - удельные энергозатраты на производство 1 м3 газа, кВт-ч/м3; V- скорость барботажа, м3/ч.

Моделирование случайной величины, описывающей вариацию плотности тока, проведено с применением нелинейного уравнения двухфакторной регрессии с нулевой константой:

У=яМ1/2,

где а - оцениваемый параметр регрессии.

Результаты оценок параметров модели представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Результаты моделирования изменения плотности тока в

Материал электрода Уравнение двухфакторной зависимости плотности тока Коэффициент детерминации

Графит /=1,724Ж/2 0,982

Медь /=1,305Ми2 0,987

Латунь 7=1,215 М1/1 0,973

Коксопек /=1,408М(/2 0,920

Алюминий /=2,022МЕ/2 0,914

Все построенные уравнения регрессии статистически значимы с доверительной вероятностью 0,91-0,99, что делает возможным применение данных моделей при прогнозных расчетах.

Построение полиномиальных моделей 2 порядка зависимости эффективности очистки от скорости барботажа позволяет найга оптимальную величину скорости, дающую максимальную эффективность процесса очистки (рисунок 7).

100 90 80 70 60 50

•

--}--

у = -26,7х2 + 53,9х+58.5 Я2 = 0,99

0,5

1,5

V, уг'/ч

Рисунок 7 - Результаты аппроксимации зависимости эффективности очистки от скорости барбогажа при помощи полиномиальной модели 2 порядка при применении медного электрода

Поскольку построение модели с одновременным включением названных факторов недопустимо, возможно построить систему однофакторных моделей взаимного влияния величин вида:

(Уд = /(V);

V = /(/);

[/ = /(М,С/).

где М - уровень минерализации, г/л; V - подаваемое напряжение, В; 7 -плотность тока, А/м2; V - скорость барботажа, м3/ч; С - коэффициент, позволяющий количественно измерить влияние материала электрода на процесс электрофлотации.

В таблице 7 представлены модели, описывающие характеристики процесса электрофлотации.

Материал электрода Система уравнений

Графит Уд =58,72 + 55,44У-18,77^2; К = 0,00057; 7=1.724Ми2.

Медь Уд = 58,5 + 53,9У-26,7У2; V =0,00027; 7=1,305АЯ/2.

Коксопек Уд =78,2 + 29,6-14,6У2; V =0,00017; J=1,ЖMU\

Практическое применение моделей позволит прогнозировать конечную эффективность процесса очистки воды в зависимости от имеющегося уровня минерализации нефтесодержащих вод и величины подаваемого напряжения.

В четвертой главе рассмотрены технологические решения по очистке нефтесодержащих сточных вод. На рисунке 8 приведена технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод.

Вза.в-м7Ш1игй

Вьгауск 8 ^ шмряюстияй водой« ■я-

Рисунок 8 - Технологическая схема глубокой очистки воды от нефтепродуктов и металлов

Очистка нефтесодержащих вод производится следующим образом. После биологических очистных сооружений (БОС) нефтехимического предприятия вода поступает в электрофлотатор 1, в котором происходит электролиз воды с образованием пузырьков газа, флотирующих загрязняющие вещества. При этом происходит очистка воды от взвешенных веществ и нефти, а также частичное удаление металлов - железо, медь. Аноды электрофлотатора выполнены из графита, катоды из коксопека. Напряжение на электродном блоке составляет 10-12 В.

Извлечение органических загрязнений и ионов тяжелых и цветных металлов происходит в электролизере 2 с электродами, образующими электрохимические источники тока и имеющие стержни из электроотрицательного материала (магний) и электроположительного материала (графит). Электролизер загружен минеральной зернистой активной загрузкой, в качестве которой используют силицированный кальцит фракции 2-5 мм. Эффект очистки воды увеличивается за счет электрохимических источников тока: увеличивается процесс хлопьеобразования, в приэлектродном пространстве электролизера происходят окислительно-восстановительные процессы, фильтрующий материал за счет поляризации сорбирует ионы тяжелых металлов и продукты окисления органических соединений. Количество электрохимических источников тока равно 8.

Обеззараживание воды от сульфатвосстанавливающих бактерий происходит ультрафиолетовыми лампами 3, после чего вода накапливается в резервуаре чистой воды 4, предназначенного для технологических нужд, в частности, для регенерации электролизера 2 и загрузки фильтра 6 при помощи промывных насосов 9.

Нефть, извлеченная флотатором 1, обезвоживается в гидрофобном фильтре 7 и накапливается в накопителе 8. Дренажная вода насосами 10 подается в голову сооружений.

Доочистка воды производится электрохимическим фильтром 6 с минеральной зернистой активной загрузкой, в качестве которой используют сили-цированный кальцит фракции 2-5 мм, перед которым дозируется коагулянт с помощью насоса дозатора реагентного хозяйства 5. В теле фильтра создаются электрохимические источники тока, которые увеличивают эффект очистки воды. Электрохимические источники тока состоят из электродов, выполненных в виде параллельно расположенных перфорированных дисков из электроположительных (например, графит) и электроотрицательных (например, алюминий) материалов. Количество электрохимических источников тока равно 5.

Результаты опытов приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Результаты опытов глубокой очистки воды от нефтепродуктов и металлов__

Загрязнения Единица измерения Содержание загрязнений

на выходе из биологических очистных сооружений нефтехимического предприятия после доочистки ! по разработанной технологии

Взвешенные вещества мг/л 700 2,8

Нефтепродукты мг/л 15 0,05

Железо мг/л 0,43 0,047

Медь мг/л 0,62 0,001

Из приведенных результатов следует, что применение разработанного устройства улучшило качество очищенных вод по взвешенным веществам, нефтепродуктам, железу, меди. Остальные показатели не изменились. На рисунке 9 приведен электрохимический фильтр, являющийся последней ступенью технологической схемы.

А1®

Рисунок 9 - Электрохимический фильтр для очистки сточных вод

Проведены опыты по очистке электрохимическим фильтром раствора красителя метиленового синего с исходной оптической плотностью 0,7. Напряжение на клеммах изменялось от 0 до 5 В, изменялось и количество подключенных внешних электродных пар к клеммам. На рисунке 10 приведены результаты опытов по очистке водного раствора от органических соединений от напряжения на электродах.

-•-Эф. очистки, к= 15,137; й1 = 0,997

Ц, в

Рисунок 10 - Эффективность очистки водного раствора от органических соединений в электрохимическом фильтре в зависимости от напряжения на электродах

Из результатов опытов следует, что эффективность очистки существенно увеличивается при напряжении более 2 В, что указывает на целесообразность применения дополнительных электрохимических источников тока.

Определен экологический ущерб от сброса недостаточно очищенных неф-тесодержащих вод в водные объекты с учетом нормативов платы за сброс в поверхностные водоемы рыбохозяйственного назначения (постановление Правительства РФ № 344 от 12 июня 2003г.), который составил 3,982 млн. руб./год при суточном расходе сточных вод 1000 мЗ/сутки.

В работе определен экономический эффект от внедрения технологической схемы глубокой очистки сточных вод после биологических очистных сооружений нефтехимического предприятия, который составляет 2,98 млн. руб./год при расходе сточных вод 1000 мЗ/сутки.

Выводы

1. Разработан мембранный электролизер, работающий по принципу электрохимического источника тока. С помощью электролизера достигнуто уменьшение концентрации взвешенных веществ осаждением в католйте и анолите.

2. Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от тяжелых металлов фильтрованием воды в мембранном электролизере. Эффект очистки сточных вод от цинка составляет 99,9, от меди (90-98)%, от никеля (42-87)%. Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от органических трудноокисляемых веществ (бензол, метиленовый синий). При скорости фильтрования 1-5 м/ч, эффект очистки составил 90 и 84 % соответственно. Установлено, что удельная энергия, вырабатываемая электролизером, существенно увеличивается с увеличением минерализации раствора и уменьшением скорости обработки воды. Получено уравнение двухфакторной линейной регрессии, описывающее вариацию силы тока в электролизере, что позволяет рассчитать ожидаемую эффективность очистки сточных вод от ароматических углеводородов (бензол), металлов (цинк, никель, медь) и органических загрязнений (краситель - метиленовый синий). Погрешность модели не превышает 7 %.

3. Составлены математические модели, описывающие характер процесса электрофлотации с использованием алюминиевого, медного, графитового и коксо-пекового катодов, применение которых позволит прогнозировать конечную эффективность очистки воды в зависимости от уровня минерализации воды и величины подаваемого напряжения.

4. Показано, что с увеличением минерализации на латунном, медном и графитовом электродах уменьшаются энергозатраты. Установлена зависимость эффективности очистки пресных и высокоминерализованных вод (патенты РФ на полезные модели № 134526, №136429) электрофлотацией от скорости барбота-жа и материала электродов. Наибольшая эффективность очистки воды в электрофлотаторе достигается при использовании коксопекового катода для пресных вод и медного катода для высокоминерализованных вод. Предложен способ очистки сточных вод электрофлотацией с использованием возобновляемых электрохимических источников тока (патент РФ на полезную модель №120416).

5. Разработана технология очистки нефтесодержащих вод, включающая электролизер, электрофлотатор и электрохимический фильтр с применением возобновляемых источников энергии.

б. Определен экологический ущерб от сброса недостаточно очищенных нефтесодержащих вод в водные объекты с учетом нормативов платы за сброс в поверхностные водоемы рыбохозяйственного назначения. При суточном расходе сточных вод 1000 мЗ/сутки он составляет 3,982 млн. руб./год. Определен экономический эффект от внедрения технологической схемы глубокой очистки сточных вод после биологических очистных сооружений нефтехимического предприятия, который составляет 2,98 млн. руб./год при расходе сточных вод 1000 мЗ/сутки.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Вайншток, П. Н. Усовершенствование метода электрофлотации / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров // Водоснабжение, водоотведение и системы защиты окружающей среды: материалы 3-й междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Центр науч.-техн. обеспечения. - Уфа, 2012. - С. 70-84.

2. Вайншток, П. Н. Усовершенствование метода электрофлотации / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы междунар. науч.-техн. конф. памяти В.Х. Хамаева, 7 дек. 2012 г. / УГНТУ. - Уфа, 2012. - Вып. 6. - С. 108110.

3. Вайншток, П. Н. Подготовка пластовых вод для использования в системе поддержания пластового давления нефтяных месторождений / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров // Nauka i inowacja - 2012: материалы VIII междунар. науч.-практ. конф. - Przemysl: Nauka i studia, 2012. - Раздел 18: Geografia i geologia, chemia i chemiczne technologie. - C. 34-47.

4. Вайншток, П. H. Очистка сточных вод от металлов и органических соединений электролизером с загрузкой без внешнего источника энергии / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров // Башкирский химический журнал. - 2013. - Т. 20; № 4. - С. 108-112.

5. Вайншток, П. Н. Очистка производственных сточных вод электрохимическим методом / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров //Экология и промышленность России. - 2013. - № 2. - С. 18-21.

6. Вайншток, П. Н. Энергосбережение в процессах очистки сточных вод электрофлотацией / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров // Строительство: от науки к инновациям: материалы рос. науч.-практ. конф., посвященной 60-летию НТО строителей РБ / БашНИИстрой. - Уфа, 2013. - С. 66-75.

7. Вайншток, П. Н. Электрохимический фильтр для очистки сточных вод / П. Н. Вайншток, В. Д. Назаров, М. В. Назаров // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы междунар. науч.-техн. конф. памяти В.Х. Хамаева / УГНТУ. - Уфа, 2013. - Вып. 7. - С. 146-149.

8. Пат. на полезную модель 120645 Российская Федерация, МПК C02F9/12. Устройство для подготовки нефтепромысловых вод для системы поддержания пластового давления нефтяных месторождений / В. Д. Назаров, М. В. Назаров, П. Н. Вайншток. - № 2012117689/05; заявл. 27.04.2012; опубл. 27.09.2012.

9. Пат. на полезную модель 120416 Росийская Федерация, МПК C02F1/465. Электрофлотатор для очистки сточных вод / В. Д. Назаров, М. В. Назаров, П. Н. Вайншток. - № 2012114064/05; заявл. 10.04.2012; опубл. 20.09.2012.

10. Пат. на полезную модель 134526, МПК C02F1/465. Электрофлотатор для очистки высокоминерализованных сточных вод / В. Д. Назаров, М. В. Назаров, П. Н. Вайншток. - № 2013114623/05; заявл. 01.042013; опубл. 20.11.2013, Бюл.№ 32.

П. Пат. на полезную модель 136429, МПК C02F1/465. Электрофлотатор для очистки пресных вод / В. Д. Назаров, М. В. Назаров, П. Н. Вайншток. - № 2013116414; заявл. 10.04.2013; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1.

12. Вайншток, П. II. Подготовка подтоварных вод для низкопроницаемых коллекторов нефти методом электрофлотации / М. В. Назаров, П. Н. Вайншток, А. II. Воронина // Нефтегазовое дело: электрон, науч. жури. -2014. - JN» 1. - С. 460-489. - URL: http: // www.ogbus.ru/authors / iNazarov MV/ Nazarov MV_l.pdf.

Подписано в печать 29.04.2014. Бумага офсетная. Формат 60x84 Ч\ь. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 90. Заказ 117.

Редакцнонно-издательский центр Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес редакционно-издательского центра: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Вайншток, Платон Николаевич, Уфа

ФГБОУ ВПО «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201459672

Вайншток Платон Николаевич

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель,

д.т.н., профессор В.Д. Назаров

Уфа -2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений...........................4

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

Цели и задачи исследования.....................................................7

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД....................................................11

1.1 Механические методы........................................................11

1.2 Физико-химические методы................................................16

1.3 Химические и биохимические методы очистки........................26

1.4 Электрохимические методы очистки.....................................38

1.5 Выводы.............................................................................61

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД ЭЛЕКТРОЛИЗОМ.........................................62

2.1 Методика исследования электролизера с электрохимическим источником тока................................................................................62

2.2 Результаты экспериментальных работ....................................74

2.3 Моделирование показателей электролиза при конструировании электролизера, генерирующего электроэнергию............................81

2.4 Выводы...............................................................................95

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД ФЛОТАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ.................96

3.1 Методика исследования процесса электрофлотации.................98

3.2 Результаты экспериментальных работ....................................108

3.3 Моделирование показателей процесса электрофлотации..........123

3.3.1 Выбор определяющих факторов для составления модели процесса электрофлотации........................................................................123

3.3.2 Анализ зависимости эффективности очистки воды от нефтепродуктов от условий протекания процесса электрофлотации............131

3.3.3 Построение модели процесса электрофлотации....................136

3.4 Выводы.............................................................................137

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ ...............................................................................139

4.1 Исходные данные для разработки технологической схемы........................................................................................139

4.2 Технологическая схема глубокой очистки воды от нефтепродуктов, металлов и взвешенных веществ.............................................141

4.3 Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод предприятия нефтехимического комплекса..........................................144

4.3.1 Расчет напорно-электрохимического трехсекционного флотатора.....................................................................................148

4.3.2 Модели электрофлотатора.............................................148

4.4 Описание и расчет электрохимического фильтра для очистки сточных вод................................................................................158

4.5 Расчет электролизера для очистки сточных вод......................163

4.6 Технико-экономическое обоснование...................................164

4.7 Выводы............................................................................168

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................169

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................183

Список сокращений и условных обозначений

АФПЗ - гидроавтоматический фильтр с плавающей загрузкой. ВВ - взвешенные вещества. ИФ - импелерная флотация. НФ - напорная флотация. ОС - отстаивание.

ПАВ - поверхностно-активные вещества.

1111Д - поддержание пластового давления.

СПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества.

СВБ - сульфатвосстанавливающие бактерии.

УФ — ультрафиолет.

ФПЗ - фильтр с плавающей загрузкой.

ЭФ - электрофлотация.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Территория Республики Башкортостан расположена в пределах бассейнов рек Волги, Урала, Оби. Водные ресурсы республики складываются из количества воды, поступающей с сопредельных территорий (Челябинской, Пермской, Свердловской, Оренбургской областей и Республики Татарстан), а также ресурсов, формирующихся в пределах самой республики.

К бассейну р. Волги относятся р. Белая, Буй и западный Ик (левые притоки р. Камы). Их водосборы охватывают 79 % территории республики.

Основная водная артерия Башкортостана - р. Белая (Агидель). Водосборная площадь р. Белой составляет 72,2 % от территории республики, в её бассейне формируется до 82 % годового республиканского речного стока.

Охрана водных ресурсов бассейна р. Белой имеет свои специфические особенности. Прежде всего, это высокая концентрация нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслей промышленности, сгруппированных в виде крупных производственных комплексов на сравнительно маловодной территории. При этом рост нефтепереработки и нефтехимии осуществлялся темпами, превышающими средние показатели роста промышленности по России.

Кроме того, бассейн р. Белой имеет ограниченные водные ресурсы, в 9-15 раз меньше, чем в Самарской области и Татарстане. В этих условиях особенно актуальными являются мероприятия по санитарной охране р. Белой. Важна также в Башкирии и оценка внедренных на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях санитарно-технических решений и обоснование дополнительных мероприятий по оздоровлению р. Белой [1].

Понятие «нефть» применяется экологами при оценке загрязненности природных и сточных вод. Оно условно ограничено только суммой неполярных и малополярных углеводородов, экстрагируемых гексаном или четыреххлористым углеводородом и не сорбируемых из этих растворов оксидом алюминия. В некоторых работах для описания того же понятия употребляется термин «нефтепродукты» или «нефтяные углеводороды». Этими терминами не охватываются нерастворимые в указанных экстрагентах компоненты нефти, а также полярные вещества из её состава.

Нефть и нефтепродукты в настоящее время являются основными загрязняющими веществами внутренних вод и морей мирового океана. Попадая в водные объекты, они создают различные классы загрязнений: нефтяную пленку, плавающую на поверхности воды, растворенные или эмульгированные нефтепродукты, осевшие на дно водоема тяжелые нефтяные фракции. В результате происходит изменение вкуса, запаха, цвета, поверхностного натяжения и вязкости

воды, снижается количество кислорода, образуются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и начинает представлять угрозу для животного мира и человека. При содержании нефти всего 0,01 г/л вода становиться непригодной для употребления [2].

Особо опасным загрязняющим веществом является фенол. Фенол присутствует в сточных водах большинства нефтеперерабатывающих и коксохимических предприятий. В присутствии фенолов значительно снижаются биологические процессы водных объектов, процесс самоочищения, вода приобретает довольно неприятный запах [3].

Главным бедствием, подстерегающим большие и малые реки в наши дни, является их массовое отравление и загрязнение. Промышленные предприятия городов Ишимбая, Салавата, Стерлитамака, Уфы и других продолжают сбрасывать в реку Белую огромное количество неочищенных стоков. Особенно коварными являются залповые сбросы в подледный период: рыба не успевает уйти и погибает, трупы её сносятся по течению и обнаруживаются часто за десятки километров от предприятия-отравителя. При заготовках льда на реке Белой почти ежегодно обнаруживают характерный «слоеный пирог» из мертвой рыбы и желтоватого льда. Такие залповые сбросы делаются во время половодья. Примеры варварского отношения к водоемам в республике вошли даже в учебники. Так, в книге «Охрана природы» (Благосклонов и др., М.: Высшая школа, 1967) написано следующее: «На реках Каме и особенно Белой, начиная с 1950 года, почти ежегодно отмечались случаи массовой гибели рыб. Два нефтеперерабатывающих завода в г. Уфе спускали в реку Белую от 20 до 80 тонн нефти в сутки; погибло много рыбы -стерляди, белорыбицы. Ежегодно при ледоходе было видно, как погибшая рыба плывет по течению. В январе 1954 года гибель рыбы в реке Белой наблюдалась на протяжении 250 км, а в одном из затонов Камы только за один день было выловлено 400 кг мертвой рыбы, главным образом стерляди».

В 1965 году газета «Советская Башкирия» писала о том, что ниже г. Стерлитамака гибнет рыба на протяжении 175 км, ниже г. Ишимбая — на протяжении 32 км.

К категории великих катастроф мира журналисты отнесли разрыв трубы Урало-Сибирских магистральных нефтепроводов в январе 1996 года, когда в реку Белую около г. Уфы вылилось несколько сот тонн нефти; пагубные последствия этой аварии скажутся позднее в нижнем течении реки [4].

Также крупной катастрофой можно назвать утечку токсичных фенол- и диоксин- содержащих отходов в почву и далее в подземные воды с территории предприятия химической промышленности г. Уфы в 1990 году - результатом утечки стало многократное превышение норм СанПин 2.1.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» и СП 2.1.5.105901 «Гигиенические требования к охране подземных вод» по данным ингредиентам, непригодность водопроводной воды, подаваемой жителям г. Уфы предприятием «Уфаводоканал» для

питья в течение нескольких месяцев, тысячи людей пострадавших от отравления, в том числе с летальным исходом, а также массовая гибель рыб и потенциальная опасность отравления людей токсичным уловом.

Необходимо отметить, что загрязнение подземных вод является ключевой проблемой, сопровождающей также и добычу нефти. Попутные воды, закачиваемые в пласт для поддержания пластового давления, при их выкачивании вместе с добываемой нефтью уже в виде нефтяных эмульсий иногда содержат нефть в соотношении по массе воды к нефти 20:1 соответственно. Данные воды, просачиваются в грунт через стенки скважин, ставших непрочными за многолетний период использования, попадая в грунтовые воды и делая их малопригодными для хозяйственно-питьевого использования близлежащими населенными пунктами.

Загрязнения канализационного стока жилищно-коммунальным хозяйством Башкирии составляет всего десятую часть общего объема по сравнению со сточными водами, сбрасываемыми в водные объекты предприятиями химической и нефтехимической отраслей промышленности республики - более 80 % загрязняющих веществ.

В республики Башкортостан основными веществами, загрязняющими воды, являются хлориды, сульфаты и соли кальция, нефтепродукты и другие органические вещества.

Факты изложенные выше, заставляют задуматься о принятие новых решений уже сегодня, иначе реки Белая, Буй, западный Ик в их сегодняшнем виде не сохранить.

Реку Белую спасти ещё можно. Первостепенными мерами являются [4], наряду с переходом на всех предприятий на оборотную систему водоснабжения, строительство мощных очистных сооружений и выполнение технологии очистки на существующих сооружениях, модернизация производства с его переводом на малоотходные технологии.

Степень разработаности темы исследования.

Вопросы очистки нефтесодержащих вод рассматривались в работах Аделыпина А.Б., Аксенова В.И., Апельцина Э.И., Аюкаева Р.И., Доломатова М.Ю., Журбы М.Г., Криштула В.П., Кульского JI.A., Краснобородько И.Г., Ласкова Ю.М., Ли А.Д., Матова Б.М., Минца Д.М., Назарова В.Д., Перевалова В.Г., Позднышева Г.Н., Рогова В.М., Рулёва H.H., Серпокрылова Н.С., Смирнова В.И., Стрелкова А.К., Тронова В.П., Тронова A.B., Фесенко Л.Н., Фоминых A.M., Швецова В.М., Яковлева C.B., и др. Все существующие методы и технологии очистки нефтесодержащих вод имеют ряд недостатков: сложные и дорогостоящие конструктивные решения, необходимость применения оборудования с большими затратами электроэнергии, огра-

ниченность области применения. Актуальной остается задача разработки доступных унифицированных энергоэффективных устройств для очистки нефтесодержащих вод, позволяющей с минимальными затратами электроэнергии производить очистку нефтесодержащих вод различной минерализации, от пресных до высокоминерализованных.

Целью настоящей работы является разработка технологии очистки нефтесодержащих вод до ПДК водоемов культурно-бытового назначения с применением энергосберегающих методов и возобновляемых источников энергии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Определить факторы, влияющие на эффективную очистку нефтесодержащих вод электрофлотацией и электролизом;

2. Определить пути интенсификации очистки нефтесодержащих вод электрофлотацией и электролизом;

3. Разработать технологическую схему очистки нефтесодержащих вод;

4. Разработать методику расчета очистных сооружений нефтесодержащих вод.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработаны устройства для очистки нефтесодержащих вод с применением энергосберегающих технологий в устройствах электрофлотации, электрохимической фильтрации.

3.Выявлены закономерности процесса электрофлотации, получены на их основе расчетные характеристики, а также получены математические зависимости плотности тока, скорости бар-ботажа, эффективности очистки, позволяющие с большой точностью спрогнозировать эффект очистки электрофлотацией.

4. Получены зависимости двухфакторной линейной регрессии, описывающей вариацию силы тока в электролизере с алюминиевыми анодами, что позволит рассчитать и оценить ожидаемую эффективность очистки. Погрешность модели не превышает 7 %.

Методология и методы исследований.

В работе осуществлено обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены лабораторные исследования и испытания опытных установок электролизера, электрофлотатора и электрохимического фильтра с применением современных математических методов моделирования и обработки экспериментальных данных. Применены общепринятые методики для расчета технико-экономической эффективности применения разработанных устройств. Химический анализ проб воды выполнялся в аттестованной лаборатории Управления Государственного Аналитического Контроля (УГАК). Результаты эксперимен тов обработаны с применением методов математической статистики.

Автор выносит на защиту: - технологию очистки нефтесодержащих сточных вод от нефтепродуктов, металлов и орга нических загрязнений методами электрофлотации, электролиза и фильтрования с применением возобновляемых источников энергии;

- математические зависимости плотности тока электрофлотатора от минерализации и напряжения на электродах, скорости барботажа от плотности тока, эффективности очистки от скорости барботажа;

- математическая модель электролизера с электрохимическим источником тока, позволяющая рассчитать ожидаемую эффективность очистки сточ

Информация о работе

Вайншток, Платон Николаевич
кандидата технических наук
Уфа, 2014
ВАК 03.02.08

Диссертация

Очистка сточных вод нефтехимического комплекса электрохимическими методами - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы