Материал: Безопасность жизнедеятельности в экологически неблагоприятных условиях. Суровцев И.С., Борисов Ю.М

мени прилипающие частицы оттесняют пленку воды с гидрофильных участков поверхности зерна и покрывают его полностью.

В связи с этим, как показывает опыт, при фильтрации нефтесодержащих вод через свежий песок высокая степень очистки воды наступает не сразу. Продолжительность промежутка времени, в течение которого происходит превращение гидрофильной поверхности песчаных зерен в гидрофобную, зависит от их размеров, скорости фильтрования, концентрации и дисперсного состава эмульсии нефтепродуктов.

Сила прилипания частиц нефтепродуктов к поверхности загрузки фильтра пропорциональна поверхностному натяжению на границе нефтепродукт-вода и размерам улавливаемых частиц. Эффективность фильтрационного метода будет ниже при наличии в очищаемой воде поверхностно-активных веществ и размерах частиц нефтепродуктов, близких к коллоидным.

Основным рабочим элементом фильтра является зернистая загрузка высотой 0,5—1,0 м из песка крупностью 0,8—2,0 мм, расположенного на подстилающем слое из гравия 0,2— 0,3 м. Рабочая площадь фильтра определяется допустимой нагрузкой по воде [м3/(м2 . ч)], называемой также скоростью фильтрования.

При фильтровании воды сверху вниз в мелкозернистых верхних слоях в первую очередь задерживаются наиболее крупные частицы примесей. По мере движения воды вниз в крупнозернистые слои поступают все более мелкие капли нефтепродукта. Эксплуатация фильтров показывает, что основное количество загрязнений при фильтрации сверху вниз откладывается в верхних слоях фильтра толщиной 0,25-0,40 м. Грязеемкость этих слоев незначительная, а нижние наиболее грязеемкие слои фильтра мало влияют на очистку и остаются незагруженными. В верхних слоях быстро возрастает потеря напора, и фильтр выходит па регенерацию задолго до использования всей своей грязеемкости. По производственным данным при очистке воды с концентрацией нефтепродуктов 50—200 мг/дм3 и взвешенных веществ около 50 мг/дм3 продолжительность фильтроцикла составляет соответственно от 28 до 8 ч при оптимальной скорости фильтрации 5-6 м/ч и средней грязеемкости фильтра 13-15 кг/м3. Наиболее устойчивый и высокий эффект очистки имеет место при концентрации нефтепродуктов в воде не более 100 мг/дм3.

Лучшие технологические показатели работы фильтра можно получить при подаче воды снизу вверх. При этом наиболее крупные частицы нефтепродуктов и взвешенных веществ откладываются в нижних крупнозернистых слоях, а мелкие - в верхних тонкозернистых. Все слои загрузки при такой технологии используются более равномерно, грязеемкость фильтра возрастает, продолжительность фильтроцикла увеличивается иногда более чем в 3-5 раз по сравнению с нисходящими фильтрами. Однако такие фильтры чувствительны к повышению скорости фильтрации более 5 м/ч, требуют отверстий больших сечений в распределительной системе и, следовательно, устройства поддерживающих гравийных слоев. По данным ВНИИВОДГЕО, взвешивание («вскипание») слоя песка фракции 0,5—2 мм происходит при скорости воды около 6 м/ч. При скорости 7 м/ч эффективность очистки снижается в 2 раза по сравнению с плотным слоем.

Наиболее рациональным является фильтр, имеющий направление потока сверху вниз и обладающий грязеемкостью фильтра с восходящим потоком воды. Это оказывается возможным тогда, когда крупнозернистые слои состоят из более легкого материала, чем мелкозернистые. После промывки первые оказываются наверху, а вторые — внизу фильтра. В качестве легкого зернистого материала используется антрацит, плотность которого в 1,5-1,7 раза меньше плотности кварцевого песка.

Наряду с таким материалом загрузки зернистых фильтров, как кварцевый песок и антрацит, для загрузки фильтров применяют дробленый керамзит. По поглотительной способности фракции 0,5-2 мм при 20 °С в отношении нефтепродуктов эти материалы характеризуются следующими показателями, кг/кг: кварцевый песок 0,11; дробленый антрацит 0,2; дробленый керамзит 0,33. Из естественных материалов эффективен и дробленый сырой диа-

185

томит (0,83 кг/кг). Представляет также интерес котельный шлак (0,2—0,3 кг/кг), горелая порода (0,25 кг/кг), литейный кокс (0,25 кг/кг), нефтяной кокс (0,23 кг/кг) и др.

Вкачестве плавающей загрузки в напорных фильтрах используются недробленые и дробленые гранулы вспененного полистирола и других полимерных материалов, гранулы керамзита, металлургических шлаков. Применение плавающего фильтрующего слоя позволяет увеличить скорость фильтрования, начальное содержание примесей и значительно упростить регенерацию загрузки.

Практический интерес представляет использование фильтров с отжимаемой загрузкой. Конструкция фильтра предусматривает в качестве фильтрующего материала поролона (химическое название пенополиуретан), обладающего упругоэластичными свойствами и обеспечивающего его регенерацию путем отжима, с последующим восстановлением своей формы.

Отметим, что фильтрование относится к наиболее прогрессивным методам очистки воды и включает две стадии: собственно фильтрование и регенерацию загрузки, т.е. восстановление ее поверхностных свойств. Процесс регенерации предусматривает разрушение агломератов задержанных загрязнений и вынос их за пределы фильтра. Эффективность процесса регенерации определяет выбор фильтрующей загрузки и применимость фильтров в каждом конкретном случае.

Неполное восстановление загрузки фильтров приводит к образованию и росту в ней кальматированных ядер загрязнений загрузки, нарушению равномерности распределения воды, сокращению фильтроцикла, увеличению объемов промывной воды и в итоге необходимости замены фильтрующей загрузки.

Вобъеме фильтра наблюдается неравномерное распределение загрязнений. Кроме того, прочностные характеристики присоединяемых загрязнений к зернам загрузки, вследствие изменения адгезисной активности частиц суспензий, так же распределены неравномерно. Это дает основания считать, что распределение осадка по прочности в теле фильтра носит случайный характер.

Величина энергии взаимодействия частиц загрязнений с зернами загрузки определяется поверхностными свойствами двух контактирующих частиц. В этом просматривается аналогия с процессом агломерации взвешенных частиц, которая имеет место при других процессах разделения (например, при отстаивании).

Одним из интенсивных способов очистки поверхностей от загрязнений является обработка ее в поле ультразвуковых колебаний. Ультразвук обладает комплексом свойств, благодаря которым обеспечивается эффективное удаление загрязнений с обрабатываемой поверхности. К этим свойствам относятся высокоскоростные акустические течения, кавитация и др.

Врезультате исследований, описанных в [1], было установлено, что ультразвуковая обработка зернистой загрузки фильтров позволяет практически полностью удалить задержанные в ней загрязнения.

Эффективность ультразвуковой обработки повышается примерно в 2 раза при повышении избыточного давления до 0,3 мПа (3 атм.) при этом органические загрязнения загрузки, определяемые при прокаливании, могут быть снижены в 14 раз.

Замечено, что при увеличении продолжительности ультразвукового воздействия гидрофильность зерен повышается. Это объясняется, по-видимому, не только снижение количества адсорбированных загрязнений, но и поверхностных природных свойств кварцевого песка.

Таким образом, установлено, что ультразвуковая обработка фильтрующих загрузок может служить целенаправленному изменению их поверхностных свойств и способствовать повышению эффективности последующего процесса фильтрования.

Весьма эффективными для тонкой доочистки воды от нефтепродуктов являются и так называемые намывные фильтры [2]. Они представляют собой тонкий намывной слой тонкодиспергированного фильтрующего материала на поверхности сетчатой (пористой) подложки или мелкозернистого слоя обычного фильтра. Высота намывного слоя обычно составляет 1-5

186

мм. В качестве материалов намывных фильтров используются диатомит, асбестовый порошок, нефтяной кокс, вспученный перлит, угольная пыль и другие пылевидные материалы фракций от 40 до 100 мкм.

Намывные слои из перлита в процессе работы уплотняются, что ведет к увеличенным энергетическим потерям. Хорошо себя зарекомендовали смеси перлита с угольной пылью и нефтяным коксом. Регенерация намывных фильтров производится при достижении напора 8—10 м или при появлении минимально допустимого проскока нефтепродуктов в воде.

Флотация. Наиболее эффективной и экономичной является воздушная (пенная) флотация, которая в настоящее время получает все более широкое распространение и в технологии очистки воды, преимущественно для очистки сточных вод. Далее под флотацией понимается воздушная (пенная) флотация.

Взаимное закрепление пузырьков и частиц в водной среде основано на физикохимическом взаимодействии трех фаз (вода, вещество частицы, газ) и в большинстве случаев определяется явлениями смачивания. В связи с тем, что газы являются гидрофобными веществами, в жидкой среде они могут активно взаимодействовать лишь с гидрофобными поверхностями других дисперсных примесей. Чем выше степень гидрофобности извлекаемых примесей, тем больше вероятность их закрепления на пузырьках. Гидрофильные поверхности веществ с пузырьками газа не взаимодействуют [3].

Флотационная очистка сточных вод технологически и экономически эффективна при извлечении примесей, обладающих природной гидрофобностью (нефть, нефтепродукты, углеводородные жидкости, жиры, мыла, синтетические моющие средства и др.). При отсутствии природной гидрофобности у примесей сточных вод флотация возможна лишь с применением специальных флотореагентов, регулирующих степень гидрофобности поверхностей извлекаемых частиц.

По способу введения в очищаемую жидкость пузырьков воздуха различают механическую флотацию, пневматическую флотацию и флотацию с выделением воздуха из раствора (с изменением давления) [4].

Для очистки сточных вод стали также возможно применять электрохимическую (электрофлотацию) и химическую флотацию, в которых пузырьки газа образуются в результате электролиза воды или химических реакций.

Эффективность механической флотации по очистке нефтесодержащих сточных вод невелика. При продолжительности обработки 20-30 мин из них выделяется нефтепродуктов 60-70 %. Это объясняется трудностями закрепления очень мелких частиц нефтяной эмульсии на сравнительно крупных пузырьках, образующихся при механической флотации. Эффективность очистки может быть повышена с помощью введения в воду поверхностно-активных веществ или электролитов, изменяющих электрокинетические свойства эмульсии.

В связи с тем, что выделение из воды тонкодиспергированных примесей безреагентной напорной флотацией осуществляется недостаточно полно, для повышения эффекта очистки применяют химическую коагуляцию. Коагуляция обычно осуществляется с помощью сернокислого алюминия, сернокислого и хлорного железа, которые в щелочной среде образуют нерастворимые гели гидроокисей металлов.

Сочетание коагуляции и флотации требует тщательного учета всех особенностей обоих процессов. Полнота очистки воды от тонкодиспергированных и эмульгированных примесей может быть обеспечена только оптимально налаженным процессом коагуляции. Роль флотации в этом случае сводится лишь к выполнению задачи интенсификации выделения из жидкости скоагулированных загрязнений и получению более плотного слоя всплывшей массы по сравнению с осадком при простом отстаивании. Любое вмешательство в ход процесса коагуляции должно быть увязано с его особенностями. Недоучет данного фактора отражается на эффективности очистки воды напорной флотацией с коагуляцией. Примерно такого же характера обстоя-

187

тельства необходимо учитывать в случае применения флокуляции (введение органических высокомолекулярных флокулянтов) для разрушения стойких тонкодисперсных систем.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в отличие от флотации без коагуляции, где механизмы извлечения загрязнений и образования флотоагрегатов сочетаются в одном процессе, при флотации с применением коагуляции механизм извлечения загрязнений из воды — это прежде всего механизм коагуляции, а флотирующие хлопья пузырьки выполняют главным образом транспортную функцию. Следовательно, в этом случае под механизмом образования флотоагрегатов необходимо понимать формирование совокупности хлопьев скоагулированных загрязнений и пузырьков воздуха.

Сорбция. Для глубокой очистки воды от нефтепродуктов, находящихся в тонкоэмульгированном и растворенном состояниях, наряду с другими применяется сорбционный метод. В широком понимании сорбция представляет собой процесс поглощения веществ, из той или иной среды с помощью других веществ, называемых поглотителями или сорбентами. Различают три разновидности сорбции: адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.

В качестве адсорбентов применяют различные природные и искусственные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, активные глины, силикагели, алюмогели, активированные угли. Наиболее эффективными являются активированные угли. Их пористость составляет 60—75 %, а удельная поверхность 400—900 тыс. м2/кг.

Выводы. Действующие нормативные документы предусматривают жёсткие требования по ПДК указанных загрязняющих веществ (не более 0,03 мг/дм3). Основными методами очистки сточных вод от нефтепродуктов является их очистка в сооружениях использующих механические и физико-химические методы очистки, а также их комбинацию.

Наиболее рациональной схемой глубокой очистки стоков от нефтепродуктов является двухступенчатая схема с предварительной очисткой в нефтеловушках или на гидроциклонах и окончательная в фильтрах или флотаторах.

Наиболее эффективной фильтрующей средой для очистки нефтесодержащих вод являются кварцевый песок, антрацитовая крошка, а также полимерные синтетические материалы.

Для глубокой очистки сточных вод содержащих нефтепродукты методом флотации необходимо его сочетать с коагуляцией с тщательнымучетом всех особенностей обоих процессов.

Библиографический список

1.Пономарев В.Г. Очистка производственных сточных вод от грубодиспергированных примесей: автореферат диссертации на соискание ученой степени докт. техн. наук., М., ВНИИ ВОДГЕО, С. 1-65.

2.Покровский В.Н., Аракчеев Е.П. Очистка сточных вод тепловых электростанций.

М., Энергия, 1980. 255 с.

3.Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теорию флотации. М., Госгортехиздат, 1959. 636 с.

4.Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины. М., Недра, 1972. 250 с.

References

1.Ponomarev V.G. Purification of industrial sewage from grossly dispersion impurity: abstract of Ph.D’s thesis., М., all-union scientific research institute VODGEO, pp. 1-65.

2.Pokrovsky V.N., Arakcheev E.P. Sewage treatment of thermal power stations. М., Energiya, 1980. 255 pp.

3.Klassen V.I., Mokrousov V.A. Introduction in the flotation theory. M., GOSGORTEHIZDAT, 1959. 636 pp.

4.Meshcheryakov N.F. Cars of flotation. M., Nedra, 1972. 250 c.

188