Техника и технология защиты водной и воздушной среды от загрязнений

Гидроциклоны и центрифуги

Действие гидроциклонов основано на использовании поля центробежных сил, которые в тысячи раз превышают силы тяжести. При этом эквивалентно сокращается продолжительность процесса осветления воды.

В гидроциклоне ( рис. 10.16) возникают два основных круговых потока: внешний и внутренний. Передача вращения от периферии внутрь осуществляется конвекцией, силами вязкости и перемещением завихренной жидкости. При вращении внешнего потока часть жидкости удаляется через нижнее отводное отверстие, а другая часть жидкости переходит во внутренний поток и, изменяя направление, отводится через верхнее отводное отверстие. В гидроциклоне образуется также воздушный поток по оси аппарата.

Рис. 10.16. Схема гидроциклона

Осветление воды происходит за счет действия центробежной силы, равной разности ее значений для твердой и жидкой фаз:

( 10.11)

где - диаметр частиц взвеси; и - плотность твердой и жидкой фаз; - скорость течения воды на входе в аппарат; - расстояние от центра аппарата до оси тангенциального питающего патрубка.

Изготавливают гидроциклоны двух видов: литые нефтированные диаметром 75-500 мм и футерованные каменным литьем или шлакоситаллом диаметром 150-2000 мм. Достоинствами гидроциклона является компактность и отсутствие движущихся частей, высокая производительность и эффективность разделения суспензий, простота обслуживания. Недостаток - быстрый износ.

Физико-химические методы очистки заключаются в том. что в очищаемую воду вводят вещество-реагент (коагулянт или флокулянт). Реагенты, вступая в химическую реакцию с примесями, уменьшают концентрацию вредных веществ в сточных водах, растворимые соединения переводят в нерастворимые, обесцвечивают окрашенную воду. Этот метод может быть окончательным или второй ступенью перед биологической очисткой.

В практике очистки сточных вод в нефтяной и газовой промышленности широко применяют методы коагуляции и флотации.

Флотация - это процесс, основанный на слиянии примесей под действием молекулярных сил с тонкодисперсными пузырьками воздуха, всплывании образующихся агрегатов и образовании на поверхности флотатора пены. Обработка воды флотацией применяется при содержании эмульгированной нефти 150 мг/л и твердых минеральных загрязнителей, которые не задерживаются в нефтеловушках.

Различают три вида флотации: пенная (безнапорная), напорная, электрофлотация. При напорной флотации выделение взвеси из воды производится с помощью пузырьков газа, получаемых из перенасыщенного (при 0,8 МПа) водовоздушного раствора. Флотируемость частиц зависит от размеров пузырьков воздуха, которые определяются поверхностным натяжением на границе вода - воздух. Для насыщения воздухом используют или неочищенную воду, или очищенную воду. Вид содержащихся в воде загрязнений определяет характер флотационной обработки: одним воздухом или в сочетании с реагентами-коагуляторами. В качестве коагуляторов используют водные растворы глинозема, хлорного железа и др.

В состав флотационных установок входят флотационные камеры, совмещенные с камерами хлопьеобразования, узлы подготовки и распределения водовоздушной смеси, устройства для удаления и отвода пены. Наиболее широко используют флотаторы с горизонтальным движением воды. Длина камеры до 9 м, ширина - до 6 м, глубина слоя воды - до 2,5 м. Днище камеры имеет уклон к трубопроводу для опорожнения. Образующуюся пену удаляют кратковременным подъемом уровня воды с отводом ее через подвесные лотки либо с помощью скребковых механизмов, перемещающих пену к сборным лоткам. Общее время нахождения сточной воды во флотаторах до 20 мин. Содержание нефтепродуктов в очищенной воде 20-50 мг/л, а после флотации с коагуляцией - 15-20 мг/л.

Для очистки эмульгированных стоков с содержанием нефтепродуктов до 150 г/л применяется электрофлотация. В этом случае в нижней части камеры расположены два электрода, к которым подведен постоянный ток плотностью 20-30 и напряжением до 30 В. При электролизе сточной воды образуются микропузырьки водорода и кислорода. Кислород окисляет нефтепродукты, а водород увлекает за собой на поверхность частицы нефтепродуктов и скоагулированные взвешенные вещества. Для ускорения процесса очистки в воду добавляют в качестве флокулянта раствор хлористого или сернокислого магния.

Отечественная промышленность выпускает флотационные установки в блочном исполнении пропускной способностью до 3000 по очищенной воде.

Коагуляция

Одним из широко применяемых процессов (приемов) снижения содержания взвеси в жидкости является седиментация под действием силы тяжести. Однако осаждение высокодисперсных примесей происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Для ускорения процессов осаждения, фильтрования, флотации прибегают к коагулированию примесей воды.

Коагуляция - это процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц за счет их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием агрегатов (хлопьев) и отделением их от жидкой фазы.

Коллоидные и тонкодисперсные примеси обладают агрегативной устойчивостью, обусловленной наличием гидратных оболочек или двойного электрического слоя. При нагревании или замораживании, при добавлении электролитов, при наложении магнитного поля агрегативная устойчивость примесей нарушается.

Частицы ила, глины, песка являются гидрофобными примесями, имеющими двойной электрический слой и несущими электрические заряды. Ликвидация или уменьшение этих зарядов приводит к нарушению агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей.

При добавлении к воде коагулянта (сульфат алюминия, алюминат натрия, хлорное железо, железный купорос и др.) формируются хлопья в виде цепочек из этого реагента. На поверхности хлопьев адсорбируются примеси. При осаждении хлопьев происходит осветление воды.

В технологии очистки воды используют явление флокуляции (укрупнения частиц при их столкновении). В качестве флокулянтов используют крахмал, силикат натрия, полиакриламид и др.

Биологические методы

Для удаления из загрязненных вод растворенных в них органических веществ применяют биологическое окисление в природных или искусственных условиях. Для извлечения из воды тонкодисперсных растворенных органических веществ используются различные микроорганизмы, способные "поедать" содержащиеся в сточных водах органические вещества. На станциях биологической очистки для этого используются биофильтры или аэротенки. Степень очистки сточных вод от нефтепродуктов на станциях биологической очистки составляет 5-10 мг/л при начальном содержании в сточной воде 20-50 мг/л. Современные бактериальные препараты получены на основе бактерий, питающихся нефтью, и могут успешно применяться для ликвидации разливов нефти на грунт и воду.

Для получения питьевой воды на начальных стадиях применяют те же основные способы, что и при очистке сточных вод. за исключением биологических. Последней стадией получения питьевой воды является водоподготовка. включающая в себя умягчение, обесцвечивание, дегазацию, обессоливание, нормализацию pH и обеззараживание. Это сложная комбинация электрохимических, сорбционных, ионообменных, мембранных способов очистки воды. Однако, лучше пить чистую воду, чем лекарства.

В основе большинства установок водоподготовки лежат многослойные фильтры грубой и тонкой очистки на основе утлеродсодержащих сорбентов (древесного угля, цеолитов, каменных углей и др.). Ультрафиолетовые излучатели убивают болезнетворных микробов. Хлорирование воды, содержащей фенолы, приводит к образованию диоксина, который является сильнейшим канцерогеном. Большинство рек России загрязнены нефтепродуктами и фенолами. Например, воды Иртыша содержат нефтепродукты в количестве 11-50 ПДК, фенолы 6-17 ПДК.

Средства борьбы с нефтяными загрязнениями на море

Собирание (концентрирование) растворенных в жидкости веществ на поверхности раздела фаз называют адсорбцией. Адсорбция, так же как и адгезия, относится к поверхностным явлениям. Нефть в том или ином количестве содержит природные поверхностно-активные вещества (ПАВ) - асфальтосмолистые вещества, нефтяные кислоты и др. Эти компоненты нефти способны адсорбироваться на поверхности зерен скелета горной породы и являться причиной гидрофобного характера смачиваемости. Для повышения нефтеотдачи пласта в пласт закачивают воду, содержащую синтетические ПАВ. Эти вещества улучшают смачиваемость породы водой, уменьшают действие поверхностных и капиллярных сил, препятствующих полному вытеснению нефти из порового пространства продуктивного пласта.

По разным оценкам ежегодно в Мировой океан попадает от 4 до 10 млн тонн нефти. Обычно нефть распространяется по поверхности воды в виде пленки толщиной несколько миллиметров в зависимости от вязкости и температуры. Например, толщина пленки нефти плотностью 950 в холодной морской воде может достигать 7 мм. Примерное влияние объема разлитой нефти на толщину пленки следующее: при разливе и растекании нефти в количестве 20 толщина образующейся пленки составляет 20 нм; при 300 толщина пленки примерно 300 нм; при растекании 1000 толщина пленки составляет 1,0 мкм.

Физические и химические изменения, которым подвергается пролитая в море нефть, во многом зависят от вязкости нефти, температуры водной среды и ее турбулентности. После разлива нефти на водную поверхность с нею происходят следующие превращения:

• перемещение по поверхности моря под действием ветра, волн и течений;
• растекание по поверхности за счет положительной плавучести, поверхностного натяжения и турбулентной диффузии;
• испарение - процесс, в результате которого легкие фракции улетучиваются, а оставшаяся нефть изменяет свою плотность, вязкость и т.д.;
• эмульгирование-процесс формирования эмульсии типа "вода в нефти", приводящий к увеличению вязкости нефти;
• диспергирование-образование глобул нефти которые диффундируют в толщу воды, образуя эмульсию типа "нефть в воде";
• растворение - процесс переноса растворимых в воде фракций углеводородов из поверхностного слоя взвеси в толщу воды после их окисления кислородом воздуха;
• фотоокисление - трансформация углеводородов под действием солнечного света;
• биодеструкция - уменьшение массы нефти в водной толще за счет жизнедеятельности микроорганизмов;
• погружение нефти в воду и осаждение ее на дно за счет постепенного увеличения плотности.

Основными методами борьбы с нефтяными загрязнениями водной поверхности являются: механический; физико-химический; биологический. К физико-химическим методам относится сжигание нефти на водной поверхности, а также применение детергентов, которые химически воздействуют на молекулы углеводородов и изменяют их поверхностное натяжение.

Одним из физико-химических способов ликвидации последствий аварийных разливов нефти является использование препаратов диспергирующего действия. В состав диспергирующих средств входят неионогенные оксиэтилированные ПАВ и растворители: вода, спирты, бензол и др. Массовая доля растворителей от 70 до 90%.

Все диспергирующие средства могут быть масло- и водорастворимыми. Оптимальная концентрация маслорастворимых средств от 3,5% и выше, их плотность ниже плотности воды, вязкость не более 50 . В состав водорастворимых диспергирующих средств входят смеси ПАВ с большим содержанием гидрофильных компонентов; реагенты используют до концентрации 10%.

Масловодорастворимые диспергирующие средства представляют собой концентраты, которые перед применением разбавляют водой или органическими растворителями до 15% концентрации. Из отечественных средств известен ДН-75, который приводит к образованию мелкодисперсных эмульсий нефти в воде с диаметром капель меньше 1 мкм. Отличительной особенностью этого препарата является универсальность: его можно использовать в качестве диспергирующего и в качестве собирающего средства.

При применении ДН-75 в качестве диспергирующего средства его водный раствор наносят с помощью авиации на плавающую нефтяную пленку. Содержащиеся в препарате ПАВ снижают межфазное натяжение на границе вода-нефть до значения 2 мН/м. Такое межфазное натяжение способствует образованию мелкодисперсной эмульсии нефти в воде. В дальнейшем диспергированная нефть подвергается ускоренному биохимическому разложению. К недостаткам метода диспергирования следует отнести сам принцип - нефть остается в водной среде.

При использовании ДН-75 в качестве собирающего средства его наносят на водную поверхность по периметру нефтяного пятна, оконтуривая разлив нефти. Применение ДН-75 в качестве собирателя нефти обусловлено его способностью при нанесении на водную поверхность создавать прочную мономолекулярную пленку. Поверхностное натяжение на границе раздела этого препарата с морской водой достигает 45 мН/м, что намного превышает поверхностное натяжение на границе раздела нефти с водой. В результате этот препарат, имеющий большее давление растекания, чем нефть, локализует и концентрирует нефтяное пятно. Препарат пригоден для сбора нефтяной пленки в изолированное пятно толщиной до 6 мм. При этом он сдерживает растекание нефтяного пятна.

Для успешного проведения локализации разлитой нефти и концентрирования нефтяной пленки на водной поверхности требуется препарата до 5 кг/км периметра нефтяного загрязнения. При этом волнение водной поверхности не должно превышать 2 баллов, а температура воды - выше .