СПОСОБ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1999 года по МПК C02F1/40 C02F1/463 

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано в технологии подготовки воды для технологических нужд при очистке промышленных стоков от нефтепродуктов и питьевого водоснабжения.

Известен способ очистки сточных вод путем осветления электрокоагуляцией в течение 10-40 мин с последующим пропусканием воды через сорбент из прокаленного шунгита при температуре 500 - 550^oC (патент РФ N 2060959, М кл. C 02 F 1/463, 14.12.1994 г. Опубликован 27.05.96 г.. Бюл. N 15).

Недостатком этого способа является то, что скорость процесса очистки сточных вод лимитируются скоростью сорбции на шунгите, которая существенно зависит от примесей в воде, качества поверхности шунгита, энергетических и динамических параметров потока воды через сорбент. Степень очистки низкая и нестабильная. Требуется частая замена шунгита при остановке процесса очистки и возможно вторичное загрязнение воды самим адсорбентом, насыщенным нефтепродуктами.

Известен способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления путем обработки воды при толщине слоя 0,4 - 1,6 мм тлеющим разрядом при силе тока 50 - 100 мА и напряжении 500 - 2000 В и температуре ниже температуры кипения очищаемой сточной воды (патент РФ N 2043969, C 02 F 1/46, 16.01.1990 г.).

Недостатком этого способа и устройства является то, что процесс очистки воды носит селективный характер, а именно, происходит удаление загрязнений, имеющих электрический заряд (ионы тяжелых металлов, анионы комплексных соединений и т.д.). Примеси нейтральных форм, растворимые газы и взвеси, после обработки тлеющим разрядом воды, практически остаются на уровне исходных значений. Производительность процесса низкая, т.к. способ предусматривает обработку в ограниченном режиме температуры очищаемой воды и при толщине слоя менее 1,6 мм, что ведет к существенному увеличению времени очистки.

Известны способы очистки сточных вод нефтепереработки, включающие предварительное обезжиривание (выделение "свободных" углеводородов и большей части механических примесей и эмульсий), физико-химическую очистку (коагуляция, гравитационная сепарация и флокулирование углеводородов), биологическую очистку (удаление растворенных и способных к биоразложению углеводородных загрязнений), "третичную" очистку (улучшение процесса осветления и более полное удаление фосфатов, фенолов и ароматических соединений) (Ф. Берне, Ж. Корданье Водоочистка. М.: Химия, 1997, с. 75-103).

Недостатком этого способа является то, что для его реализации необходимо использовать устройства сложной конструкции в техническом исполнении, большое число узлов и оборудования значительных размеров. Способ не обеспечивает высоких скоростей процесса очистки, т.к. большинство реакций протекают в диффузионном режиме или кинетическом при малых скоростях реакции. При проведении процесса очистки одновременно протекают основное количество реакций с образованием различных форм радикалов органических соединений, что затрудняет управление процессом и контроль за конечным результатом очистки, и, как следствие, не обеспечиваются высокая степень и скорость очистки. Растворимые газы и органические примеси практически не удаляются.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ очистки нефтесодержащих сточных вод, включающий операцию электрокоагуляции с последующим пропусканием воды через сорбент под вакуумом, при абсолютном давлении над поверхностью воды от 10 до 50 кПа, причем пропущенную через сорбент воду подвергают озонированию (полож. решение по заявке N 9810085/25 (001446), М. кл. C 02 F 1/40, C 02 F 1/46 от 25.03.98 г. заявлено 27.01.98 г., патент RU N 2120411).

Недостатком этого способа является то, что он носит ограниченный характер по очистке воды, поскольку отсутствуют операции по воздействию на примеси с различными удельными весами и теплофизическими параметрами, содержание которых в сточной воде существенно. Использование сорбента в виде полиакриламидного волокна, которое являясь расходуемым материалом и имеет ограниченные срок работы и емкость по компонентам в сточных водах, требует частой остановки в работе всей системы очистки и замены сорбента. Полиакриламидное волокно может само являться источником вторичного загрязнения. Операция озонирования в этом случае является малоэффективным приемом для очистки, но затраты на ее проведение существенны, что приводит к удорожанию технологии при низкой степени очистки и малой производительности оборудования.

Целью предлагаемого способа является интенсификация операций сепарации и флотации и, как следствие, повышение производительности процесса очистки воды при достижении высокой степени удаления нефтепродуктов.

Решаемая при этом техническая задача состоит в получении очищенной воды после электрокоагуляции с последующей ее сепарацией от загрязнений с различными удельными весами в гравитационном поле и примесей с различными теплофизическими параметрами в поле электромагнитного излучения ИК-спектра.

Решение указанной задачи заключается в том, что в способе, включающем операции электрокоагуляции сточных вод под вакуумом после электрокоагуляции последовательно при давлении 2 - 70 кПа проводят сепарацию воды в гравитационном поле при соотношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему 0,2 - 1,0 и флотацию в поле электромагнитного излучения ИК-спектра при длине волны 8•10^-7-5•10^-5 м.

Причинно-следственная связь между внесенными изменениями и достигаемым положительным эффектом заключается в следующем.

При проведении сепарации в гравитационном поле нефтезагрязненных сточных вод, содержащих взвеси, твердые частицы и углеводороды с существенно различающимися удельными весами и отличными от удельного веса воды, происходит формирование потоков масс выделяемых примесей в противоположных направлениях. Так, тяжелые примеси (взвеси, песок и др.) двигаются в объеме воды в направлении поля гравитации и собираются на пластинах ламельных отстойников с последующей их локализацией в нижней части отстойников или на периферийных элементах центробежных сепараторов, а легкие - напротив, соберутся на поверхности воды в верхней части ламельного отстойника или в центре объема вращающейся жидкости. Наиболее эффективным приемом воздействия на этот процесс и повышение его интенсивности является создание вакуума при давлении 2 - 70 кПа над поверхностью очищаемой воды и изменение кинетического параметра, а именно, соотношение вакуумируемой поверхности воды к ее объему (S/V) в пределах 0,2 - 1,0, так как этот параметр определяет процесс массопереноса примесей в воде в рассматриваемых условиях. После сепарации воды в поле гравитации от примесей с различными удельными весами проводят флотацию в поле электромагнитного излучения ИК-спектра и выделение примесей с близкими по значению удельных весов, но различными теплофизическими свойствами и отличными от свойств воды. В этом случае, очищаемая вода, являясь оптически неоднородной жидкостью, со стоящей из основной фазы (воды) и мелкодисперсной гетерогенной фазы (капель углеводородов, твердые частицы, взвеси и др. коэффициент поглощения ИК-спектра которых существенно выше, чем у очищаемой воды) поступает в поле электромагнитного излучения, где подвергается флотационной обработке. Сущность активации флотационной обработки заключается в том, что мелкодисперсная гетерогенная фаза интенсивно нагревается за счет поглощения энергии поля электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 8•10^-7- 5•10^-5 м ИК-спектра до температуры, обеспечивающей перегрев воды с образованием паровой фазы на межфазной границе вода - гетерогенная мелкодисперсная частица. Вакуум, созданный в генераторе обработки очищаемой воды электромагнитным полем, за счет снижения общего давления на поверхности и в объеме воды, увеличивает скорость флотации мелкодисперсной гетерогенной фазы с указанными свойствами, окруженной паровой фазой воды. При этом вода, имея низкий коэффициент поглощения является оптически прозрачной в установленном диапазоне длин волн и практически не нагревается. Газы и растворенные углеводороды в воде дополнительно удаляются интенсивно в паровую фазу за счет десорбции на межфазной границе, так как резко увеличивается температура и эффективная поверхность десорбции и уменьшается энергия межфазного перехода.

Обработка очищаемой воды в поле электромагнитного излучения при длине волны более 5•10^-5 м не обеспечивает нагрев мелкодисперсных гетерогенных частиц до образования паровой фазы на межфазной границе, так как проникновение и поглощение энергии излучения частицами существенно падает с увеличением длины волны излучения и при значениях выше указанной величины не происходит интенсификации процесса флотации.

При длине волны менее 8•10^-7 м происходит интенсивный нагрев не только мелкодисперсных гетерогенных частиц, но и узлов и элементов внутри генератора, его стенок и воды. Процесс флотации становится неуправляемым и носит взрывной характер за счет интенсивного парообразования на всех межфазных границах с водой, попавших в поле электромагнитного излучения ИК-спектра. Теряется смысл флотационной обработки очищенной воды, так как она без снижения уровня загрязнений переходит в парообразное состояние попадает в вакуумную систему и там конденсируется на элементах и нарушает ее работоспособность.

При давлении над поверхностью воды ниже 2 кПа происходит интенсивное газовыделение, что существенно изменяет динамику (появляется турбулентность) движения потоков при массопереносе частиц в процессе сепарации в гравитационном поле отстойника или центробежного сепаратора. Эффективность сепарации в этом случае снижается. В очищенной воде остаются примеси в виде капель и частиц, степень очистки низкая. В генераторе электромагнитного поля ИК-спектр интенсивное газовыделение приводит к образованию мутной среды, газовоздушной смеси, нагрев частиц которой при длинах более 5•10^-5 м затруднен в связи с низкой оптической проницаемостью образованной среды.

При давлении над поверхностью воды выше 70 кПа не происходит удаление газов и растворимых углеводородов в отстойнике и сепараторе за счет снижения их порционального давления в газовой фазе. Образование оптически неоднородной жидкости в генераторе затруднено. Воздействие излучения на процесс флотации незначительно даже при длинах волн порядка 8•10^-7 м. Процесс флотации протекает в пассивном режиме, поскольку удельные веса мелкодисперсных гетерогенных примесей после сепарации в гравитационном поле близки к удельному весу воды.

В процессе сепарации очищаемой воды в гравитационном поле при соотношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему менее 0,2 не обеспечивается снижение содержания примесей с удельным весом ниже удельного веса воды из нижнего уровня отстойника или периферийных зон центробежного сепаратора, так как при больших объемах заполнения и высоте уровня воды эти примеси не успевают всплыть на поверхность или в центральный объем вращающейся жидкости в центробежном сепараторе. Массоперенос затруднен, не реализуются полностью возможности вакуума при обработке в условии сепарации в гравитационном поле для снижения содержания примесей.

При соотношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему более 1,0 требуются существенные затраты на создание поверхности большой площади внутри отстойника или сепаратора путем конструктивных и технологических решений или обработки очищаемой воды в малых объемах, что существенно ухудшает гидродинамику потока воды и снижает производительность процесса сепарации.

В качестве устройства, обеспечивающего создание режимов для сепарации в гравитационном поле способ предусматривает использовать ламельные отстойники с различным конструктивным исполнением внутреннего объема и ламельных пластин, а также центробежные сепараторы с внутренними периферийными элементами.

Для создания вакуума в указанных пределах использовали водяной вакуумный насос и систему откачки из электрокоагулятора, отстойника (сепаратор) и генератора обработки электромагнитным излучением.

В качестве источника создания поля электромагнитного излучения ИК-спектра способ предусматривает использовать кварцевые термоизлучатели типа КГТ, формирующие лучистый поток в области инфракрасного спектра при длинах волн, наиболее эффективно воздействующих на процесс флотации и обеспечивающие максимальный коэффициент поглощения энергии излучения для мелкодисперсной гетерогенной фазы и минимальный для воды. Кварцевые термоизлучатели расположены определенным порядком в герметичной камере.

Для сравнительного анализа достижения положительного эффекта предлагаемого способа и известного способа были проведены испытания процесса очистки нефтезагрязненных сточных вод в адекватных условиях работы установки и режимов обработки.

Предлагаемый способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Очистку нефтезагрязненных сточных вод среднезагрязненного стока (нефтепродукты - 12±1 мг/л, взвешенные частицы - 57,0±15 мг/л, азот аммонийный - 47±3 мг/л) машиностроительного производства производили на установке с производительностью 3,5 м³/ч, оснащенной электрокаогулятором, ламельным отстойником, центробежным сепаратором, камерой сорбции, генератором поля электромагнитного излучения и озонатором. Схема подключения каждого из блоков очистки к системе дренажа загрязнений, вакуумной линии, подвода очищаемой и отвода очищенной воды позволила комбинировать включение указанных блоков согласно технологической цепочке соответствующей принципиальной схеме реализации известного способа (последовательно - электрокаогулятор, камера сорбции и озонатор) и предлагаемого (последовательно - электрокаогулятор, ламельный отстойник или центробежный сепаратор и генератор поля электромагнитного излучения) способа в адекватных условиях работы. Загрязненную воду из накопителя сточных вод подают вакуумным заборником в электрокаогулятор. Электрокаогуляция проводилась при токе 30-32 А, напряжении 24-25 В и абсолютном давлении 30 кПа. После электрокаогуляции проводят анализ воды. При очистке сточных вод как в известном, так и предлагаемом способах после операции коагуляции существенных различий по содержанию нефтепродуктов, взвешенных частиц и азота аммонийного не выявлено. Так содержание нефтепродуктов равно 1,3±0,2 мг/л, взвешенных частиц - 4,80±1,5 мг/л и азот аммонийный - 0,5±0,01 мг/л. После электрокаогуляции в известном способе очищаемую воду направляют в сорбционную камеру с полиакриламидным волокном и в озонатор, а в предлагаемом - последовательно в ламельный отстойник и генератор обработки в поле электромагнитного излучения ИК-спектра.

Генератор обработки в поле электромагнитного излучения ИК-спектра представляет собой вакуумный герметичный реактор с кварцевыми термоизлучателями (8-10 штук кварцевых галогенных термоизлучателей КГТ 220-2000-1 при рабочем токе 10 А и напряжении 90 В и удельной мощности 2,5 кВт/м³. Для формирования излучения ИК-спектра в диапазоне волн 8•10^-7-5•10^-5 м использовали специальные фильтры.

Результаты сравнительных испытаний влияния давления над поверхностью воды на процесс очистки воды при адсорбции, сепарации в гравитационном поле и поле электромагнитного излучения приведены в табл. 1.

Как видно из табл. 1 оптимальным диапазоном при сепарации в гравитационном поле (отстойник) и флотации в поле электромагнитного излучения ИК-спектра является давление в пределах 2-70 кПа, обеспечивающее очистку сточных вод до конечной концентрации нефтепродуктов, взвешенных частиц и азота аммонийного. При значениях давления менее 2 и более 70 кПа степень очистки снижается.

Результаты испытаний влияния соотношения вакуумируемой поверхности к ее объему при давлении 30 кПа в ламельном отстойнике приведены в табл. 2. Представленные данные показывают что оптимальным диапазоном указанного соотношения является 0,2-1,0. При запредельных значениях S/V степень удаления загрязнений падает. Результаты испытаний влияния длины волны ИК-спектра на флотацию в поле электромагнитного излучения при давлении 30 кПа в генераторе обработки приведены в табл. 3. Представленные данные показывают, что оптимальным диапазоном длин волн ИК-спектра являются 8•10^-7-5•10^-5 м. При запредельных значениях длин волн степень удаления (особенно взвешенных частиц) снижается.

Из приведенных примеров видно, что использование предлагаемого способа позволяет проводить очистку нефтезагрязненных сточных вод от нефтепродуктов с 12 до 0,05 мг/л, взвешенных частиц с 57 до 0,03 мг/л и азота аммонийного с 47 до 0,1 мг/л при непрерывной эксплуатации установки в течение 15 часов, при этом достигаются стабильные свойства очищенной воды при давлении 2-70 кПа над поверхностью воды, соотношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему 0,2-1,0 при сепарации в гравитационном поле и длине волны ИК-спектра 8•10^-7-5•10^-5 м при флотации в поле электромагнитного излучения.

Использование известного способа очистки сточных вод обеспечивает после озонирования снижение содержания нефтепродуктов до 0,07 мг/л, взвешенных частиц до 1,4 мг/л и азота аммонийного до 0,2 мг/л, что соответственно по указанным примесям выше в 1,4; 46,6 и 2,0 раза чем в предлагаемом. После непрерывной эксплуатации установки по известному способу происходит вторичное загрязнение.

Заявленный способ очистки нефтезагрязненных сточных вод с введением сепарации воды в гравитационном поле и флотации в поле электромагнитного излучения ИК-спектра имеет изобретательский уровень, т.к. он для специалистов явным образом не следует из уровня техники.

Заявленный способ имеет промышленное применение, поскольку может быть использован в различных отраслях при очистке промышленных сточных и бытовых вод, а также вод грунтовых и подземных горизонтов.

Изобретение относится к области очистки воды и может быть использовано в технологии подготовки воды для технологических нужд, а также при очистке промышленных стоков от нефтепродуктов и питьевого водоснабжения. Сточную воду подвергают электрокоагуляции под вакуумом, после чего последовательно при давлении 2 - 70 кПа проводят сепарацию воды в гравитационном поле при отношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему 0,2 - 1,0 и флотацию в поле электромагнитного излучения ИК-спектра при длине волны 8•10^-7 - 5•10^-5 м. Технический результат - интенсификация операций сепарации и флотации и, как следствие, повышение производительности процесса очистки воды при достижении высокой степени удаления нефтепродуктов. 3 табл.

Способ очистки нефтесодержащих сточных вод, включающий операцию электрокоагуляции под вакуумом, отличающийся тем, что после электрокоагуляции последовательно при давлении 2 - 70 кПа проводят сепарацию воды в гравитационном поле при отношении вакуумируемой поверхности воды к ее объему 0,2 - 1,0 и флотацию в поле электромагнитного излучения ИК-спектра при длине волны 8 • 10^-7 - 5 • 10^-5 м.