Способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов Российский патент 2020 года по МПК C02F9/12 C02F1/62 C02F1/28 

Изобретение относится к очистке грунтовых вод в районах интенсивной добычи и переработки нефти.

Известен способ очистки поверхностных природных вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов центробежным полем, фильтрованием в геохимических барьерах, заполненных минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом фракции 5-20 мм, биологической очисткой в биопрудах с высшей водной растительностью, сорбцией, фильтрованием в активированном угле, пополнением запасов подземных вод за счет естественной инфильтрацией, причем для увеличения эффекта очистки поверхностных вод в геохимических барьерах размещены электроотрицательные и электроположительные электроды, образующие электрохимические источники тока (Назаров В.Д., Назаров М.В, Хакимова Г.Ф. Очистка поверхностного стока с автомобильных дорог // Наука и техника в дорожной отрасли. №4 - 2018. - С. 29-33).

Недостатком способа является высокая материалоемкость, сложность эксплуатации протяженных сооружений.

Наиболее близким техническим решением задачи (прототипом) является способ очистки непроточных водоемов от тяжелых металлов и нефтепродуктов (Патент РФ на изобретение №2630552). Способ заключается в том, что извлеченную из водоема воду очищают последовательно сорбцией и фильтрованием в геохимическом барьере, заполненном минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом фракции 2-5 мм, в котором размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт. Очищенную воду возвращают в водоем, создавая циркуляцию воды. Воду фильтруют со скоростью 1-5 м/ч при длине геохимического барьера 8-16 м.

Недостатком способа является невозможность предотвратить загрязнения водного объекта (реки) нефтепродуктами и тяжелыми металлами, находящимися в техногенных потоках грунтовых вод.

Задачей изобретения является предотвращение загрязнения водного объекта нефтепродуктами и тяжелыми металлами, находящимися в техногенных потоках грунтовых вод, путем их извлечения, очистки и повторного использования.

Сущность изобретения заключается в том, что способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов, включающий фильтрование грунтовых вод в геохимическом барьере, заполненном минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом, в котором размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт, при этом извлеченный из очищаемой воды осадок подвергают компостированию, очищенную воду используют повторно, согласно изобретению воду фильтруют в скрещенном электрическом поле, состоящем из поперечного и продольного электрического поля, созданного последовательно расположенными по длине геохимического барьера электрохимическими источниками тока, причем направление вектора напряженности электрохимического поля в соседних электрохимических источниках тока меняют на противоположное, профильтрованную в минеральном зернистом материале воду собирают перфорированными коллекторами, расположенными с уклоном, аналогично уклону воды в реке, воду подают в равномерно расположенные по длине геохимического барьера колодцы, в которых проводят гравитационное разделение нефтепродуктов с помощью скиммера, воду подают в нагнетательные скважины для промывки грунта, осадок подают на шламовые площадки для обезвоживания и компостные площадки для получения товарных почвогрунтов. Применяют силицированный кальцит фракции 20-40 мм.

В качестве электроположительного материала применяют графит, электроотрицательного - алюминий.

На фиг. 1 показан траншейный геохимический барьер, на фиг. 2 - сечение геохимического барьера, на фиг. 3 - картина электрического поля.

На фиг. 1 показана река 1, в которую поступают техногенно загрязненные грунтовые воды под уровень воды за счет фильтрования в порах грунта. Вдоль берега реки 1 расположен траншейный геохимический барьер 2 протяженностью 1-10 км, предназначенный для перехвата загрязненного потока грунтовых вод, глубина которого определяется глубиной залегания водоупорных глин, составляющая на практике 1-3 м. Траншейный геохимический барьер заполнен фильтрующим материалом 3 - силицированным кальцитом фракции 20-40 мм. По вертикальной оси траншейного геохимического барьера 2 (фиг. 2) расположены дренажные полипропиленовые перфорированные коллекторы 4, число которых зависит от глубины геохимического барьера 2, но не менее трех. Коллекторы 4 расположены с уклоном, соответствующим уклону реки, для обеспечения самотечного режима в траншейном геохимическом барьере 2. В фильтрующем зернистом материале 3 вблизи стенок геохимического барьера 2 размещены электроды, создающие поперечное электрическое поле и продольное электрическое поле. Как показано на фиг. 3, поперечное электрическое поле создается электроположительным стержневым электродом из графита 5 и электроотрицательным стержневым электродом из алюминия 6, образующими электрохимический источник тока. Напряженность поперечного электрического поля составляет 1 В/м. Электроды соседнего источника тока имеют противоположный знак потенциала, поэтому в горизонтальном направлении возникает продольное электрическое поле, напряженность которого составляет 0,1-0,2 В/м, т.к. они находятся на расстоянии 5-10 м друг от друга.

По длине траншейного геохимического барьера 2 размещены колодцы 7 с плотностью 1-2 колодца на 1 км длины геохимического барьера, к которым подсоединены перфорированные коллекторы 4. Колодцы 7 оборудованы системой удаления осадка, включающей водозаборное устройство 8, насосную станцию 9, шламовую площадку 10, компостную площадку 11, системой удаления нефтепродуктов, включающей скиммер 12, насосную станцию 13, накопитель 14 нефтепродуктов, а также системой утилизации воды, включающей кольцевое водозаборное устройство 15, насосную станцию 16 и нагнетательные скважины для промывки грунта (на фигуре не показаны).

Способ реализуется следующим образом.

Специфическим видом многолетнего воздействия нефтехимического комплекса на природные объекты является формирование в грунтах промплощадок скоплений нефтяных углеводородов. Как правило, такие явления проявляются в поймах рек. В грунтах промплощадок, имеющих естественный уклон в сторону водных объектов, наблюдается устойчивый процесс фильтрования водонефтяной эмульсии в направлении к водному объекту. Так, в районе г. Салават установлен факт разгрузки нефтепродуктов в р. Белая. Концентрация нефтепродуктов в реке варьировалась от 1 до 6 предельно допустимых концентраций для водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДК_рх), достигая максимально 92 ПДК_рх.

Наиболее уязвимыми в экологическом отношении являются донные отложения. Концентрация нефтепродуктов в них превышает фоновую в 18 раз, концентрация ароматических углеводородов - в 40 раз, концентрация бенз(а)пирена - в 55 раз. Восстановление качества нефтезагрязненных на большую глубину грунтов относится к наиболее сложным проблемам.

Существует другая не менее сложная проблема, связанная с содержанием в нефтепродуктах, особенно в тяжелых фракциях, высоких концентраций тяжелых металлов, относящихся к I-III классу опасности. Если для очистки нефтесодержащих вод существует множество методов их очистки, то для извлечения тяжелых металлов на практике преобладает метод седиментации гидроксидов металлов в присутствии щелочных реагентов, не обладающий высоким эффектом.

Основной задачей изобретения является перехват загрязненных грунтовых вод перед их поступлением в водный объект с последующей очисткой вод от нефтепродуктов и тяжелых металлов. Для этой цели предложено использовать геохимический барьер.

Геохимические барьеры - это участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, - их концентрации. Из природных материалов наиболее широкое применение для геохимических барьеров нашли карбонаты (кальций, доломит, магнезит).

Нами предложено использовать в геохимическом барьере силицированный кальцит, который обладает каталитической активностью относительно образования оксидов и гидроксидов тяжелых металлов в процессе фильтрования воды. Поскольку участки загрязненных грунтов имеют внушительные размеры 1-6 км, то длина геохимического барьера должна быть такой же. Геохимический барьер представляет собой фильтр с зернистой загрузкой с бесконечно большим фильтроциклом, поэтому он должен обладать высокой грязеемкостью. Предложено использовать силицированный кальцит фракции 20-40 мм.

Геохимический барьер 2 выполняется в виде траншеи, расположенной вдоль берега реки 1 с уклоном, соответствующим уклону реки для обеспечения самотечного режима. Глубина заложения геохимического барьера равна глубине расположения водоупорных глин, что на практике равно 1-3 м. Ширина геохимического барьера равна 1 м, что обеспечивает необходимую скорость фильтрования грунтовых вод в силицированном кальците 3. По вертикальной оси геохимического барьера (фиг. 2) вдоль всего геохимического барьера размещены перфорированные коллекторы 4 показать стрелки на все коллекторы, не только на нижний из полипропиленовых труб со щелевыми отверстиями. Грунтовая вода, попадая в геохимический барьер, фильтруется в фильтрующем материале 3 -силицированном кальците, затем проникает в щели коллекторов 4. С этой целью по длине коллектор имеет последовательно расположенные чередующиеся участки длиной 20 метров без перфорации и 10 метров - с перфорацией и т.д. Частично происходит разделение загрязняющих веществ по плотности. В верхней трубе-коллекторе 4 преобладают нефтепродукты, в средней - вода, в нижней - взвешенные вещества и гидроксиды тяжелых металлов.

По длине геохимического барьера установлены колодцы 7, соединенные с коллекторами 4, имеющие приямок для накопления осадка. Осадок извлекается водозаборным устройством 8 в виде обратного конуса и насосной станцией 9, подается на шламовую площадку 10 для обезвоживания и далее на компостную площадку 11 для получения почвогрунтов биологическим методом с использованием инокуляторов, разрыхлителей, органических отходов аграрного комплекса.

В верхней части колодца 7 размещен скиммер 12, извлекающий всплывшие нефтепродукты. С помощью насосной станции 13 нефтепродукты направляют в накопитель 14 нефтепродуктов. Промышленные скиммеры извлекают нефтепродукты с влажностью менее 5%, что позволяет использовать нефтепродукты в качестве печного топлива.

В средней части колодца 7 размещено кольцевое водозаборное устройство 15, извлекающее воду с высоким содержанием эмульгированных нефтепродуктов и остаточным содержанием тяжелых металлов. Эта вода насосной станцией 16 направляется в нагнетательные скважины, расположенные на загрязненной территории для промывки грунта от нефтепродуктов и тяжелых металлов (скважины на фигуре не показаны).

Изобретение позволяет таким образом реализовать замкнутую систему водопользования с очисткой извлеченных грунтовых вод, обезвреживанием грунтов, предотвращением загрязнения водного объекта (реки) нефтепродуктами и тяжелыми металлами.

Нами экспериментально доказано, что эффект очистки вод фильтрованием в геохимическом барьере может быть повышен за счет применения электрохимических источников тока, созданных электроположительными и электроотрицательными электродами, размещенными в силицированном кальците. Эффект воздействия электрического поля на процесс очистки воды заключается в регенерации коагулянта за счет растворения электроотрицательного электрода и за счет поляризации зерен силицированного кальцита. Поляризация приводит к образованию связанных зарядов на их поверхности и, соответственно, закреплению ионов тяжелых металлов с последующим образованием оксидов и гидроксидов металлов.

Отличительной особенностью предложенного геохимического барьера является создание скрещенного электрического поля, состоящего из поперечного электрического поля Е_попер (фиг. 3), созданного электроположительным электродом 5 из графита и электроотрицательным электродом 6 из алюминия, и продольного электрического поля Е_прод, образованного соседними электрохимическими источниками тока такими же электродами, но противоположной полярности. Оптимальное значение напряженности электрического поля Е_попер=1 В/м, напряженность электрического поля Е_прод=(0,10-0,16) В/м при расстоянии между соседними источниками тока 6-10 м. В скрещенном электрическом поле образование связанных зарядов происходит в двух направлениях, что увеличивает эффект извлечения металлов.

Пример 1. Определили зависимость электродвижущей силы (ЭДС) электрохимического источника тока, создающего продольное электрическое поле, от расстояния между электродами для электродной пары Al-Cu (прототип) и Аl-графит (изобретение) в растворе NaCl концентрации 1 г/л (табл. 1).

Из приведенных результатов следует, что электродная пара Аl-графит предпочтительней при любом расстоянии. Оптимальным расстоянием следует считать 6-10 м, при котором ЭДС практически не изменилась.

Пример 2. Проводили опыты по очистке воды от тяжелых металлов (Fe, Мn, Сu) и нефтепродуктов (дизельное топливо) геохимическим барьером длиной 20 м с поперечным электрическим полем (прототип) и скрещенным электрическим полем (изобретение) при скорости фильтрования от 10 до 50 м/ч. Результаты приведены в таблице 2.

Из результатов табл. 2 следует, что по изобретению достигнут больший эффект очистки воды от тяжелых металлов и нефтепродуктов. Оптимальной скоростью фильтрования следует считать 20-30 м/ч, т.к. при большей скорости ухудшается качество очищенной воды.

Изобретение относится к очистке грунтовых вод в районах интенсивной добычи и переработки нефти. Способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов включает фильтрование грунтовых вод в геохимическом барьере, заполненном минеральным зернистым материалом - силицированным кальцитом фракции 20-40 мм. В геохимическом барьере размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт. Извлеченный из очищаемой воды осадок подвергают компостированию, очищенную воду используют повторно. Воду фильтруют в скрещенном электрическом поле, состоящем из поперечного и продольного электрического поля, созданного последовательно расположенными по длине геохимического барьера электрохимическими источниками тока. Причем направление вектора напряженности электрохимического поля в соседних электрохимических источниках тока меняют на противоположное. Профильтрованную в минеральном зернистом материале воду собирают перфорированными коллекторами, расположенными с уклоном, аналогично уклону воды в реке. Воду подают в равномерно расположенные по длине геохимического барьера колодцы, в которых проводят гравитационное разделение нефтепродуктов с помощью скиммера. Воду подают в нагнетательные скважины для промывки грунта. Осадок подают на шламовые площадки для обезвоживания и компостные площадки для получения товарных почвогрунтов. В качестве электроположительного материала применяют графит, электроотрицательного - алюминий. Технический результат: предотвращение загрязнения водного объекта нефтепродуктами и тяжелыми металлами, находящимися в техногенных потоках грунтовых вод, путем их извлечения, очистки и повторного использования. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ очистки грунтовых вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов, включающий фильтрование грунтовых вод в геохимическом барьере, заполненном минеральным кальцитом, в котором размещены электрохимические источники тока, генерирующие коагулянт, извлеченный из очищаемой воды осадок подвергают компостированию, очищенную воду используют повторно, отличающийся тем, что воду фильтруют в скрещенном электрическом поле, состоящем из поперечного и продольного электрического поля, созданного последовательно расположенными по длине геохимического барьера электрохимическими источниками тока, причем направление вектора напряженности электрического поля в соседних электрохимических источниках тока меняют на противоположное, профильтрованную в минеральном зернистом материале воду собирают перфорированными коллекторами, расположенными с уклоном, аналогичным уклону воды в реке, подают воду в равномерно расположенные по длине геохимического барьера колодцы, в которых проводят разделение нефтепродуктов, воды и осадка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют силицированный кальцит фракции 20-40 мм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество перфорированных коллекторов составляет не менее трех.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перфорированный коллектор по длине имеет последовательно расположенные чередующиеся участки без перфорации и с перфорацией.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние между соседними электрохимическими источниками тока составляет 6-10 м.