автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Интенсивная биотермическая обработка осадков нефтесодержащих сточных вод

На правах рукописи

ЗЕЛЕНЦОВ Данила Владимирович

ИНТЕНСИВНАЯ БИОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОСАДКОВ НЕФТЕСОДЕРЖАЩПХ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

• 3 МАЯ 2012

Пенза-2012

005019100

005019100

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Чертес Константин Львович

Официальные оппоненты - Андреев Сергей Юрьевич, доктор

технических наук, профессор/Пензенский государственный университет архитектуры и

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа

Защита состоится «22» мая 2012г. в 10.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г.Пенза, ул. Германа Титова, 28, ПГУАС, 1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан "_"_2012 г.

строительства, профессор кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидротехника»

- Безбородова Оксана Евгеньевна, кандидат технических наук, доцент/Пензенский государственный университет, доцент кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности»

Ученый секретарь диссертационного совета

Т.В. Алексеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Осадки нефтесодержащих сточных вод (ОНСВ) являются крупнотоннажным отходом, образующимся в водных хозяйствах нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ).

В настоящее время подавляющее большинство ОНСВ размещается в накопителях, что отрицательно влияет на компоненты природной среды. Трехкомпонентная природа ОНСВ (мехпримеси, вода, нефтепродукты) отличает их от других видов осадков по составу, свойствам и условиям последующей обработки.

Перспективным направлением выступает биотермическая обработка (компостирование) ОНСВ. Данный метод изучен и достаточно широко применяется для обработки осадков городских сточных вод и других видов сточных вод, в состав загрязнений которых входит легкоразлагаемая органика. В отличие от них, ОНСВ, обладают органической частью на основе широкого спектра углеводородов, устойчивых к биохимическому окислению. Кроме того, в состав ОНСВ входят токсичные для компостной микрофлоры соединения сернистой природы. В связи с этим, продолжительность биотермической обработки ОНСВ и затраты на реализацию технологии значительно выше, чем для осадков городских стоков. В подобных условиях возникает необходимость интенсификации процесса компостирования.

Существуют различные методы интенсификации биотермического компостирования осадков: путем введения биогенных добавок, адаптированных штаммов инокулирующих микроорганизмов, корректировки объемного соотношения компонентов, оптимизации состава и среды, а также комбинации различных методов аэрации. Однако, информация по ним до сих пор носит противоречивый характер. Не учтена специфика ОНСВ в разрезе возможности внедрения крупнотоннажного компостирования в практику работы очистных сооружений НПЗ. Отсутствует научно-обоснованный технологический регламент и конструктивно-технологическое оформление комплексов интенсивного биотермического компостирования ОНСВ большой производительности.

Целью настоящей работы является научное обоснование и создание конструктивно-технологического оформления способа интенсивного компостирования ОНСВ с использованием механизированных комплексов биотермической обработки.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ состава, свойств и разработка классификации видов ОНСВ с позиций их совместного интенсивного биотермического компостирования.

2. Исследование аэрационных свойств и условий окисления углеводородов в компостируемых осадках на различных температурных фазах их биотермической обработки.

3. Разработка способов ускорения биотермической обработки ОНСВ, содержащих токсичные для компостной микрофлоры сернистые соединения.

4. Конструктивно-технологическое оформление способа интенсивной биотермической обработки ОНСВ в условиях очистных сооружений нефтеперерабатывающих заводов.

5. Промышленное испытание предложенной технологии, оценка ее технико-экономической эффективности.

6. Разработка технологического регламента работы комплекса интенсивного биотермического компостирования ОНСВ.

Научная попита работы состоит в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснована новая технология интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей и комбинированной механо-пневматической аэрации.

2. Экспериментально исследованы аэрационные свойства компостов на основе ОНСВ, а также установлены кинетические закономерности разложения углеводородов в процессе биотермической обработки осадков.

3. Получена математическая модель, установившая зависимость скорости окисления от состава компостной смеси.

4. Разработана методика использования цифровых матриц состояния, анализа температурно-временных характеристик и учета аэрационных свойств компоста на каждой из температурных фаз для управления процессом биотермической обработки осадков.

Практическая значимость работы:

1. Математическая зависимость между составом компостной смеси и скоростью окисления нефтепродуктов использована при подготовке технических решений по реконструкции существующего полигона биодеструкции осадков ОАО «Куйбышевский НПЗ» и при ликвидации бездействующей части буферного пруда ОАО «Куйбышевский НПЗ».

2. Конструктивно-технологическое оформление комплекса биодеструкции нефтеотходов с использованием полученных в данной работе результатов является научно-теоретической базой создания новых и модернизации существующих объектов обращения осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий.

3. Разработан технологический регламент процесса компостирования на основе комбинированной аэрации в условиях специализированных комплексов биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод.

Практическая реализация работы:

Разработанная технология интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей, дробного компостирования и комбинированной механо-пневматической аэрации внедрена при строительстве комплекса биотермической обработки осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз» и при реконструкции существующего полигона биодеструкции осадков ОАО «Куйбышевский НПЗ».

Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов. При постановке экспериментов использованы общепринятые методики, оборудование и приборы.

Апробация. Основные положения и результаты работы доложены на Межрегиональной научно-практической конференции "Экология. Образование. Промышленность" (Уфа, 2009 г.), 67-й и 69-й Всероссийских научно-технических конференции по итогам НИР (Самара, 2010, 2012 гг.), Третьем международном экологическом конгрессе "Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов" (Тольятти, 2011 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 10 научных публикациях, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено положительное решение к выдаче патента на способ.

Личный вклад автора Личный вклад автора состоит в формулировке цели и задач исследований, их теоретическом обосновании, экспериментальном подтверждении расчетных данных, анализе результатов и формулировке выводов.

На защиту выносятся:

результаты теоретических и экспериментальных исследований по биотермической обработке осадков нефтесодержащих сточных вод;

- методика и оборудование исследования аэрационных свойств компостируемых ОНСВ;

- метод интерпретации компостируемой массы в виде цифровых матриц состояния;

- конструктивное оформление сооружений биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод с использованием функциональных технологических зон и системы комбинированной механо-пневматической аэрации компостов;

- математическая модель, установившая математическую зависимость между составом компостной смеси и скоростью окисления нефтепродуктов;

технологический регламент процесса компостирования на основе комбинированной аэрации в условиях специализированных комплексов биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложений и списка литературы (186 наименований). Объем диссертации составляет 148 страниц, включая 17 таблиц, 25 рисунков, 9 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, основные положения научной новизны и практической значимости.

В первой главе произведен обзор существующих методов и сооружений обработки нефтесодержащих сточных вод. Проанализированы состав п свойства различных видов осадков нефтесодержащих сточных вод с учетом генезиса их образования. Приведен анализ существующих методов биотермической обработки осадков сточных вод и способов интенсификации процесса.

Выявлено, что существующие методы интенсификации компостирования, в основном, распространяются на обработку осадков городских сточных вод, содержащих легкоразлагаемую органику белковой природы.

Применительно к осадкам нефтесодержащих сточных вод, в составе которых присутствуют трудноразлагаемые и токсичные для компостной микрофлоры соединения, используются в основном полевые методы. Это приводит к увеличению продолжительности процесса и отторжению значительных земельных площадей.

Использование традиционных наполнителей для компостирования, таких как отходы деревообработки, растительные остатки, твердые бытовые отходы затруднено в условиях НПЗ. Необходим поиск малотоксичных отходов вспомогательных производств НПЗ, пригодных к совместному использованию с традиционными добавками и наполнителями смесей компостируемых осадков.

Компостирование в традиционных схемах обработки осадков городских сточных вод осуществляется в штабелях относительно небольшой высоты (до 3 м) с использованием механического перемешивания ковшом мобильной техники (экскаваторы, погрузчики и др.) и принудительной низконапорной аэрации от вентиляторов.

В последние годы дефицит земельных участков, особенно характерный для очистных сооружений НПЗ, привел к необходимости минимизации площадей под компостные площадки и формирование компостов в виде высоконагружаемых кавальеров высотой до 7-8 м и более. Применение аэрации с использованием мобильных перемешивающих устройств при такой высоте, а также использование для этих целей низконапорных устройств пневматической аэрации являются неэффективным.

На основании изученной литературы сделаны выводы о необходимости разработки интенсивной технологии и конструктивного оформления сооружений биотермического компостирования осадков нефтесодержащих сточных вод применительно к условиям водопроводно-канализационного хозяйства НПЗ.

В данной главе сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе даны теоретические представления о характере биотермического процесса осадков в аэробных условиях, основанные на последовательной смене температурных фаз: быстрого роста температур, высоких температур и медленного

падения температур. На границах этих фаз выявлены области торможения биодеструкции из-за конкурентной борьбы мезофильных и термофильных групп микроорганизмов. Для ликвидации этих областей предлагается метод дробного компостирования, заключающийся в последовательном переносе компостируемого осадка по мере наступления соответствующих фаз в соответствующие функциональные зоны: инокуляции, кавальерной биодеструкции, дозревания и продувке компоста с использованием комбинирования механической и пневматической аэрации.

В основе технологии компостирования ОНСВ лежат процессы биодеструкции органического вещества в компостных штабелях и кавальерах, кинетика которых может быть описана известным уравнением Михаэлиса-Ментен (рис. 1)

Ь

У = К.,

где У,„ах - максимальная скорость процесса окисления, достигаемая при полном насыщении фермента субстратом, мг/кг-сут;

і - концентрация органического вещества в компостной смеси, мг/кг; Кі- коэффициент полунасыщения фермента субстрата, мг/кг.

(1)

Ц мг/л

Рис. 1 График зависимости величины скорости окисления органических веществ V от их концентрации /. по уравнению Михаэлиса-Ментен

В начальный момент компостирования концентрация органических веществ компостной смеси I высока {1»К,\ и процесс окисления идет с постоянной

скоростью У=№." ~ У„,ах=сош-1. В этом случае компостируемую смесь можно в первом приближении представить в виде химического реактора-смесителя, степень окисления (трансформации) продукта в котором описывается формулой

= 1--!— (2)

£„ 1+ КГ-Т

где /.„, соответственно концентрация продукта на входе и выходе из реактора мг/кг;

Т - продолжительность обработки в реакторе, сут;

Ку — константа скорости окисления нефтепродуктов, сут"1.

На завершающем этапе компостирования наблюдается существенное снижение концентрации органических веществ компостной смеси I < К/~ К[). Скорость

процесса биодеструкции в этом случае снижается прямо пропорционально уменьшению концентрации органических веществ У=К Ъ'вых. Компостную смесь на завершающем этапе компостирования можно представить в виде химического реактора-вытеснителя, степень окисления продукта в котором описывается по формуле

7=\-Ьа- = \-е-к'т (3)

В качестве модели, описывающей процесс биодеструкции органического вещества на протяжении процесса компостирования ОНСВ, принята модель реактора смешанного типа. Для описания кинетики процесса трансформации вещества в реакторах смешенного типа в соответствии с рекомендациями Евилевича М.А. в уравнении (2) вводится показатель степени п. учитывающий изменение порядка уравнения скорости процесса биодеструкции при изменении концентрации органического вещества А

Г= 1-—= 1-----(4)

К, (\ + кг-ту

Для обоснования технологии аэрации рассмотрены теоретические основы процесса фильтрации воздуха через слой ОНСВ. В результате термогенеза при компостировании мы имеем деформируемую пористую среду. В качестве статистических характеристик фильтрующей среды выступают объем пустот в единице объема пористой среды (пористость), удельная поверхность стенок поровых каналах, средняя скорость движения среды в порах. Пористость и удельная поверхность статистически определяют геометрическую структуру пористой среды.

В качестве основных характеристик, определяющих фильтрационные свойства среды при пропуске через нее воздуха, используются воздухопроницаемость (7, кг/(м2-ч), и коэффициент воздухопроницаемости /<"„„, кг/(м2-ч-Па). Воздухонепроницаемость определяется как отношение массы профильтрованного воздуха М (кг) к площади фильтрующей поверхности 5 (м2) и продолжительности процесса фильтрации ДТ (ч).

М

(5)

5-Д Т

Значение коэффициента воздухопроницаемости определяется как отношение величины воздухопроницаемости к перепаду давления ДР, Па

*„=— (6) АР

Численные значения воздухопроницаемости и коэффициента воздухопроницаемости определяются опытным путем по стандартной методике.

Процесс фильтрации воздуха через слои компостных смесей при аэрации штабелей и кавальеров высотой более 2 м происходит в режиме развитого турбулентного движения с квадратичным законом сопротивления.

Для случая развитого турбулентного движения воздухопроницаемость компостной смеси может быть вычислена по формуле

где Кр - коэффициент расхода воздуха, кг/м2.

Величина коэффициента воздухопроницаемости при этом может быть вычислена по формуле

^ = (8) "" Ы РН

В третьей главе представлены методика и результаты лабораторных исследований по биотермической обработке ОНСВ с использованием многофункциональных добавок, а также исследование аэрационных характеристик компостных смесей на основе теоретических представлений, изложенных в главе 2. Объектами лабораторных исследований выступили осадки сточных вод НПЗ, добавки на основе отходов водного хозяйства НПЗ, а также компостные смеси на их основе, в частности:

- нефтесодержащие осадки (НСО) сооружений механической очистки ОАО «КНПЗ» (основной компонент, подвергаемый биотермической обработке);

- избыточный активный ил (ИАИ) станции аэрации углеводородсодержащих стоков ОАО «КНПЗ» - носитель нефтеразрушающей компостной микрофлоры;

- осадок (шлам) оборотного водоснабжения (ШОВ), отобранный из бассейна градирен блока №2 ОАО «КНПЗ» - дополнительная к ИАИ инокулирующая добавка (носитель тионовых бактерий, способствующих деструкции токсичных сернистых соединений в НСО);

- отходы деревообработки - порообразующий наполнитель.

- осадок водоподготовки (ОХВО) ТЭЦ ОАО «КНПЗ» - корректор реакции среды и дополнительная к отходам деревообработки порообразующая добавка;

- компосты из вышеуказанных компонентов, отобранные из промышленных штабелей на стадиях инокуляции, кавальерной биодеструкции и дозревания.

Виды компонентов компостных смесей и их объемные соотношения с добавками и наполнителями обоснованы условиями рационального протекания биотермической реакции. Компонентный состав образцов компостных смесей в лабораторном эксперименте по окислению углеводородов представлен в таблице 1.

Таблица 1

Состав исследуемых компостных смесей (лабораторный эксперимент)

№ образца Состав смссп, % масс

НСО ИАИ шов ОХВО Опилки

1 30±3 10±1 — — 60±5

2 29.7±3 9,9±1 1±0,5 59.4±5

3 29.2±3 9,8±1 2.5±0,5 — 58.5±5

4 28.5±3 9,5±1 5,0±0,5 — 57±5

5 29.7±3 9.9±1 1±0,5 30±3 29.4±3

6 29,2±3 9,8±1 2,5±0,5 30±3 28,5±3

7 28.5±3 9,5±1 5,0±0,5 30±3 27±3

Экспериментальные образцы для изучения процесса окисления нефтепродуктов размещали в лотках послойно, с последующим перемешиванием при помощи шпателя до однородного состояния. Затем каждый образец смеси помещался в установку термостатирования (рис. 2), где в течение всего процесса компостирования в нем поддерживался расчетный уровень температуры (20-60±2°С). Продолжительность термостатирования и температура были приняты, исходя из теоретических представлений о постадийном компостировании, как время, за которое процесс компостирования пройдет фазу роста температур с размножением мезофилов и выйдет на фазу высоких температур с размножением термофильных бактерий и гибелью патогенных организмов.

Рис. 2 Схема и общий установки термостатирования. 1 -счетчик; 2 - нагревательная плита; 3 - плита охлаждения; 4 - образец; 5,6-термостаты; 7 - подача воды; 8 - электросеть; 9, 10 - термометры

Продолжительность компостирования Т, сут

Рис. 3 Степень окисления углеводородов в лабораторных образцах шламовых смесей

(Тнаруж =20-60±2°С)

1 - 7 - номера исследуемых проб (читать совместно с таблицей I)

Результаты исследований представлены на рисунке 3.

0,9 | 0,8 I 07

| 0,Б

| 0,5

| 0,4

1 0,3

и

5 0,2 О

£ 0,1 ш

5 О

5 О 10

по

биологическому окислению

нефтепродуктов

Исследования по лабораторному компостированию ОНСВ с определением аэрационных характеристик компостов и распада нефтепродуктов в них проводились на установках, схема и общий вид которых представлены на рисунке 4.

Установка для определения воздухопроницаемости, коэффициента расхода воздуха и коэффициента воздухопроницаемое™ включала лабораторный биореактор в виде цилиндрической емкости диаметром 300 мм и высотой 1.5 м. В емкость последовательно закладывались экспериментальные образцы компостов на основе ОНСВ, массой 15± I кг, отобранные из промышленных штабелей на разных температурно-временных фазах. Аэрация образцов осуществлялась при помощи компрессора напором до 5 кПа. Тем самым моделировались аэродинамические условия идентичные высоконагружаемым штабелям.

Рис. 4 Схема и общий вид лабораторной установки по компостированию ОНСВ 1 - биореактор; 2 - образец компостной смеси; 3 - расходомер; 4 - компрессор; 5 -автотрансформатор; 6-дифференциальный манометр.

Параметры продувки определялись расходомером и манометром. Коэффициент воздухопроницаемости компостов на различных стадиях биодеструкции определялся по известной методике. Среднее значение коэффициента расхода воздуха Кр, используемое при дальнейших расчетах системы высоконапорной аэрации для штабеля инокуляции, кавальера биодеструкции, бурта дозревания составило соответственно 0,00063, 0,000483, 0,000349 кг/м2.

Результаты изменения воздухопроницаемости от перепада давления в компостных образцах представлены на рисунке 5.

С, кг/м2ч

лР,Па

Рис. 5 Экспериментальная зависимость воздухопроницаемости компостируемого

материала от потерь давления 1 - Штабель инокуляции; 2 - Высоконагружаемый кавальер; 3 - Бурт дозревания

Лабораторные исследования по интенсивному компостированию ОНСВ показали целесообразность совместной биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод, а также шламов химводоочистки - корректоров реакции среды, избыточного активного ила - носителя основной нефтеразрушающей микрофлоры, а также шламов оборотного водоснабжения, как инокулирующей добавки, содержащей тионовые бактерии. Совместное использование добавок вспомогательных производств НПЗ для биотермической обработки нефтесодержащих осадков способствовало увеличению степени разложения нефтепродуктов за счет синергического эффекта коррекции рН и конверсии сернистых соединений, ингибирующих жизнедеятельность компостной микрофлоры.

Рекомендуемые массовые соотношения компонентов смеси составили: Компостируемый материал (НСО): Нефтеразрушающая добавка (ИАИ):Наполнитель -3:1:6. Рациональный диапазон доз ШОВ, используемых в качестве инокулирующей добавки при компостировании нефтесодержащих осадков находился в пределах от 2,5 до 5% от исходной массы смеси. Это позволило снизить содержание органического углерода в 1,5^1 раза по сравнению с контрольным образцом.

Обработка экспериментальных данных позволила получить для математической модели, описывающей окисление углеводородов (формула 6) значение показателя степени и. Во всех случаях показатель степени имел значение »=2,02 и формула (4) принимает вид

7 = 1-----(9)

Г (1 + КуТ)2т

Величина константы скорости окисления нефтепродуктов /С, в зависимости от состава компостной смеси изменяется в пределах от 0,0037 до 0,02 сут" .

В четвертой главе представлены методика и результаты промышленных испытаний по интенсивному биотермическому компостированию ОНСВ с

последовательным переносом компостируемого материала в функциональные зоны выделенных температурных фаз, а также использованием методов механической и пневматической аэрации и их сочетанием на основе теоретических представлений, изложенных в главе 2 к результатов лабораторных исследований (глава 3).

В ходе промышленных испытаний основные технологические показатели принимались в соответствии с данными, полученными в лабораторном эксперименте. Отличительной особенностью являлось использование больших масс компостируемого материала, что дало возможность контроля разложения нефтепродуктов с использованием температурно-временной характеристики, как наиболее характерному и показательному параметру компостирования.

Промышленные исследования проводились на комплексе биотермической обработки осадков ОАО «Самаранефтегаз» (май - август 2011 г), запроектированном и построенном на Миханловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз» на территории Самарской области. Осадки, обрабатываемые на нем, имели сродство с ОСНВ нефтеперерабатывающих предприятий по компонентному составу, содержанию и соотношению биогенных элементов, микрофлоры - редуцента и инокулятора, реакции среды и порообразующей способности. На территории комплекса в границах площадки с твердым покрытием были сформированы 2 группы штабелей:

- группа 1 в составе 9 штабелей для исследования рациональных доз и компонентного состава исходной компостной смеси;

- группа 2 в составе 3 штабелей для исследования рационального режима перемешивания и аэрации смеси в процессе компостирования.

Компонентный состав исследуемых компостных смесей в штабелях формировался на основе лабораторного эксперимента и представлен в таблицах 2 и 3.

Отличительной особенностью компостов второй группы, формируемых на стадии промышленных испытаний выступили условия формирования, перемешивания и аэрации смеси, а также размеры штабелей (до 8 м). Для аэрации были использовано комбинирование механических и пневматических методов.

Таблица 2

Состав исследуемых компостных смесей (группа 1)_

№ Состав смеси, % масс Условия перемешивания

Нефте-содержащие осадки Смесь ПАП и агроиромо тходов Смесь дол. муки II отходов деревообраб откн Смесь шламов граднрен и осадков ВОС

1 зо±з 10±1 59,9±5 0,1 Гомогенизация с использованием грейфера; непрерывная аэрация от воздуходувки

2 29,9±3 9,9±1 59,7±5 0,5 -«-

3 29,7+3 9,9±1 59,4±5 1,0 -«-

4 29,5±3 9,9±1 59,1±5 1,5 -«-

5 29,4±3 9,8±1 58,8±5 2,0 -«-

6 29,2±3 9,8±1 58,5±5 2,5 -«-

7 28,5±3 9,5±1 57±5 5,0 -«-

8 27,7±3 9,3±1 55,5±5 7,5 -«-

9 27±3 9±1 54±5 ю.о -«-

В образце №1 второй группы аэрация в штабелях инокуляции осуществлялась непрерывно в течение 1-2 недель. Параметры аэрации для штабелей инокуляции составили: удельный расход воздуха (воздухопроницаемость) 0=0,97 кг/(м2-ч), перепад

давления АР=4800 Па при высоте продувки 3 метра. После начала термогенеза производилось перемещение компостируемого материала из инокулирующих штабелей в высоконагружаемый кавальер биодеструкции. Аэрация в кавальере биодеструкции осуществлялась периодически по 2 часа в течение 5-6 недель. Параметры аэрации компостной смеси в кавальере биодеструкции составили: удельный расход воздуха (воздухопроницаемость) С=0,87 кг/(м2-ч), перепад давления ЛР=6400 Па при высоте продувки 4 метра (продувалась нижняя часть до высоты 4 метра, верхняя часть аэрировалась путем механического перемешивания). Затем компостная смесь перемещалась в бурт дозревания, где аэрации не производилось. В образце №2 аэрация осуществлялась только путем механического перемешивания. В третьем образце второй группы аэрации не производилось, доступ воздуха осуществлялся исключительно естественным путем. Температурно-временные характеристики исследуемых промышленных штабелей второй группы компостируемых смесей представлены на рисунке 6.

Таблица 3

Состав исследуемых компостных смесей (группа 2)_

№ Состав смеси, % Условия перемешивания

Нефте-содержащие осадки И АН и агроп ромотходы Порообразующне, ннокулирующие и корректирующие добавки

1 30+5 10±1 60+5 Гомогенизация с использованием грейфера; непрерывная аэрация от воздуходувки в зоне инокуляции

2 30+5 10±1 60+5 Гомогенизация и периодическая аэрация с использованием грейфера

3 30+5 10±1 60+5 Послойная укладка без гомогенизации

о -----—--

о 10 20 30 40 50 60 70 80

Продолжительность наблюдения, сут

Рис. 6 Температурно-временная характеристика штабелей №№1-3 компостируемого

материала группы 2 (таблица 3) 1 - Гомогенизация с использованием грейфера; непрерывная аэрация от воздуходувки 2 - Гомогенизация и периодическая аэрация с использованием грейфера 3 - Послойная укладка без гомогенизации 1 - фаза быстрого роста температур: 1а - первая переходная область; II - фаза высоких температур: На - вторая переходная область: III - фаза медленного падения температур

< ___!

Л

_—1

ІІяґ

I-

10

20

ЗО

40

50

ВО

/О

Продолжительность компостирования Т, сут Рис. 7 Степень окисления углеводородов в штабелях №№1-3 компостируемого материала группы 2 в зависимости от условий аэрации (таблица 3) 1, 2, 3 - то же. что на рис. 6

Установлено, что диктующим критерием процесса биообработки выступает температурно-временная характеристика, а также ее взаимосвязь с распадом нефтепродуктов (см. рис. 7) и накоплением гумуса в компосте (рис. 8). Зная характер изменения температур по времени, можно управлять ходом процесса, регулируя подачу воздуха, интенсивность перемешивания, степень увлажнения, дополнительное внесение многофункциональных добавок. По соответствующим анализам определялись основные технологические тестовые показатели компостных штабелей №1-3 второй группы, по которым определялась эффективность окисления осадков в зависимости от условий аэрации (табл. 4).

6,5

6,0

5,5

5,0

(С о 4,5

Ї, 4,0

3,5

3,0

*

о. О) 2,Ь

о о 2,0

1 ,Ь

1,0

0,5

0

1=

--^

1

10 20 30 40 50 60 Продолжительность наблюдения, сут

70

Рис. 8 Изменение содержания гумуса в штабелях №№1-3 компостируемого материала группы 2 (таблица 3) 1, 2, 3 - то же, что на рис. 6

Промышленный эксперимент показал, что комбинация методов аэрации (механической и высоконапорной пневматической) на различных температурных фазах.

использование дробного компостирования с переносом компоста в соответствующие технологические зоны, а также введение инокулирующих добавок (ШОВ), содержащих тионовые бактерии, позволяют обеспечить высокие значения термогенеза (с температурами выше 60°С), удалить токсичные продукты и ускорить деструкцию нефтепродуктов.

В температурно-временных характеристиках наряду с основными микробиальными фазами выделяются переходные области (см. рис. 6), которые увеличивают срок компостирования. Наличие этих областей связано с явлениями конкуренции при смене популяций микроорганизмов (сначала с мезофильной на термофильную, затем с термофильной на мезофильную). Дробное биотермическое компостирование ОНСВ позволяет снизить продолжительность их обработки за счет сокращения областей перехода между температурными фазами и подавления антагонизма конкурирующих популяций микроорганизмов при смене фаз.

Таблица 4

Тестовые технологические показатели компостных штабелей группы 2

Показатель Ед. нзм. .V штабеля

1 2 3

Продолжительность компостирования: сут. 80 во 80

В т.ч.:

- фаза нарастания темпер. сут. 15 17 22

- фаза высоких температур сут. 33 40 —

Максимальная температура °С 73±5 62±5 42±5

Снижение влажности % 27±2,5 21±2.5 17±2,5

Степень распада нефтепродуктов: % 75±5 56±5 33±5

Содержание гумуса % 6±0,5 4.5±0,5 4,0±0,5

Коли-титр 10 ю-' 10"'

Интенсивная биотермическая обработка ОНСВ позволила получить компост, обладающий свойствами грунто- и почвоподобных рекультивационных материалов. Так, содержание гумуса в готовом компосте составляет до 6±0,5% масс с приростом к исходному значению в 2-3 раза; распад нефтепродуктов - до 75%. Компост, подвергнутый термогенному воздействию с температурой более 60°С в течение 40-60 сут, практически не содержит патогенной микрофлоры (яиц гельминтов). Значение коли-титра приближается к значениям природных почвогрунтов.

В пятой главе представлена практическая реализация теоретических предположений, и полученных на их основе результатов экспериментальных исследований. Технология интенсивной биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод использована при создании комплекса биодеструкции ОАО «Самаранефтегаз». производительностью до 10 тыс. т/год компоста.

Общий вид и схема комплекса интенсивной биотермической обработки ОНСВ представлены на рисунках 9, 10.

В составе комплекса выделены площадки, на которых осуществляется обработка в соответствии с принципами дробного компостирования: карты приготовления исходной смеси и ее инокуляции, аэрации в высоконагружаемых кавальерах и дозревания. Каждая из площадок дифференцирована в соответствии с фазово-температурным режимом.

Перенос материала от площадки к площадке (дробное компостирование) производится при помощи стационарного мостового рана с грейферным ковшом.

Единовременно на площадке располагается 3 аэрируемых штабеля инокуляции высотой 4 метра, размером в плане 6 х 30 метров на основе смеси нефтезагрязненных осадков и биодобавок и высоконагружаемый аэрируемый кавальер дозревания компостной смеси высотой 8 метров размером в плане 30 х 55 метров.

Рис. 9 Общий вид комплекса биотермической обработки осадков ОАО «Самаранефтегаз»

В штабелях инокуляции происходит первоначальный процесс неполного окисления органики с непрерывной аэрацией в течение 7-14 суток с достижением температур более 60°С. Затем компостная смесь перемещается в высоконагружаемый кавальер. Здесь происходит биодеструкции углеводородов с разложением до 60-65%, а аэрация осуществляется в периодическом режиме. Учитывая большую высоту кавальера (до 8 м), а также неоднородность аэрационной структуры в соответствии с выделенными областями была запроектирована комбинированная технология его аэрации. В зоне потенциального анаэробиоза (до 4 м от основания) продувка осуществляется с использованием пневматической системы аэрации. Верхняя часть кавальера (зона аэробиоза) аэрируется путем перемешивания мостовым грейферным устройством.

Под штабелями и кавальерами устроены продольные аэрационные каналы, в которых располагаются перфорированные воздуховоды. Воздух подается от воздуходувок «Lutos» с максимальным расходом 1900 м'/час, напором 27000 Па.

После обработки в кавальере компост переносится в бурт дозревания, где происходит окончательное разложение нефтепродуктов до 70-75% и накопление гумуса. Из бурта производится отгрузка компостного рекультивационного материала потребителю.

Предложенная технология и конструктивное оформление комплекса были награждены дипломом 11 степени (с присуждением серебряной медали) на конкурсе «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка» Петербургской технической ярмарки, 201 1г.

Еще одним примером практической реализацией теоретических положений и результатов экспериментальных исследований настоящей работы выступил комплекс совместной обработки и утилизации осадков иефтесодержагцих сточных вод, разработанный при участии автора в составе проектной документации «Ликвидация ируда очистки сточных вод ОАО «Куйбышевский НПЗ».

Нефтесодержащие осадки (НСО) после обработки на установке обезвоживания «Alfa-Laval» складируются на площадке полигона. Аналогично доставляются и складируются наполнители (осадки химводоочистки (ОХВО), отходы деревообработки и др.), добавки биогенных элементов - шлам оборотного водоснабжения (ШОВ) и носители нефтеразрушаюгцей поликультуры (избыточный активный ил (ПАИ) станции биологической очистки сточных вод).

і ;

і і

і

Рис. 10 Схема комплекса биотермической обработки осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз» 1 - Участок приготовления компостной смеси; 2 - Штабеля инокуляции; 3 - высоконагружаемый кавальер аэрации; 4 - бурт дозревания;5 - мостовой кран с грейферным ковшом: 6 - -воздуходувные устройства

Процессы первичного накопления компонентов исходной смеси, ее штабелирование и инокуляция функционально объединены в границах участка существующей площадки компостирования. Осадки и добавки разгружаются на соответствующие участки в границах функциональной зоны первичного размещения. Вместимость участков временного хранения рассчитана на прием и временное промежуточное накопление следующих объемов исходных компонентов: нефтяные осадки (включая нефтешламы и нефтезагрязненные грунты) - 100 м'; осадки химводоочистки - 20 шламы оборотного водоснабжения - 20 м"'; агропромышленные отходы и порообразующие добавки - 200 м~\

Компостная смесь формируются из компонентов на соответствующих участках зоны первичного размещения и перемещается на территорию зоны инокуляции размером, где формируется в штабеля.

В качестве наполнителя в смесь вводят ОХВО, выполняющие функцию порообразователя и корректора реакции среды, обеспечивая значение рН исходной смеси в пределах 6.5-7,5. Затем в подготовленную смесь вводится активный ил биологических очистных сооружений. Внесение иловой смеси осуществляется поэтапно, с таким расчетом, чтобы влажность компостной массы не превышала 60%. Суммарная доза активного ила должна составлять 10±1% объема смеси.

Для обеспечения оптимальной жизнедеятельности компостной микрофлоры в исходную смесь вводят селективную инокулирующую добавку - шлам оборотного водоснабжения с дозой 2,5-5,0 % масс. Как показал промышленный эксперимент, эта доза достаточна для обеспечения конверсии токсичных сернистых соединений, попадающих в компостную смесь с НСО.

После формирования и гомогенизации инокулирующих штабелей производится их комбинированная аэрация: при помощи воздуходувок и путем многократного забора и сброса грейфером компостной смеси. После достижения в них температуры в пределах 60°С (выход на фазу высоких температур), компостная смесь грейферным ковшом переносится в зону кавальерной биодеструкции.

В кавальерах также предусмотрена комбинированная аэрация. Продолжительность пребывания смеси в кавальере составляет 2-3 месяца в соответствии с температурно-

временной характеристикой. Прекращение обработки компостной смеси в кавальере достигается после снижения температуры до 30±5 °С, то есть выходом на фазу медленного падения температур.

С наступлением фазы медленного падения температуры компостная смесь перемещается в бурте дозревания и отгрузки, который предлагается расположить на территории, расположенной рядом с ликвидируемой частью буферного пруда. Из бурта дозревания готовый компост, по мере необходимости, отгружается для использования в качестве рекультивационного материала. Возможен вариант использования части компоста из бурта дозревания, совместно с добавками, в качестве рециркуляционного наполнителя биотермической обработки новых порций ОНСВ.

Общие результаты внедрения предложенной технологии дробного компостирования с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей и комбинированной механо-пневматической аэрации на комплексе биотермической обработки осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз» представлены в таблице 5.

Таблица 5

Результаты внедрения предложенной технологии на комплексе биотермической

обработки осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз»

Показатель Ед. нзм. Состав компостируемых осадков и способ компостирования

Компостирование осадков городских сточных вод Традиционное (в одной массе) компостирование ОНСВ Дробное компостирование ОНСВ (новая технология)

Продолжительность компостирования: сут. 40 120 80

Степень конверсии органики % 94±5 72±5 91±5

Степень конверсии нефтепродуктов %. — 65±5 75і5

Содержание гумуса % 8±0,5 4±0,5 6±0,5

Максимальная температура °С 75±5 65±5 73±5

Коли-титр 10 ю-1 10

Технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии дробного биотермического компостирования проводилось в составе проектной документации «Ликвидация пруда очистки сточных вод ОАО «Куйбышевский НПЗ». Экономический расчет проводился по двум сравниваемым вариантам:

- базовому - размещение ОНСВ на полигоне захоронения;

- предлагаемому — строительство комплекса совместной обработки и утилизации осадков сточных вод.

Основные экономические показатели внедрения предлагаемой технологии и строительства комплекса совместной обработки и утилизации осадков сточных вод на ОАО «КНПЗ» приведены в таблице 6.

Таблица 6

Основные показатели экономической эффективности проекта комплекса

совместной обработки и утилизации осадков сточных вод ОАО «Куйбышевский НПЗ».

Показатели эффективности проекта Ед. изм. 2011-2030 гг.

DPP (Срок окупаемости дисконтированный) с момента пуска площадки лет 13,96

NPV (Накопленный чистый диск поток денежных средств) тыс. руб. 9 946

IRR (Внутренняя норма рентабельности проекта) % / год 11,9%

PI (Индекс доходности) ед. 0,71

Инвестиции (2011-2012 гг.) тыс. руб. 85 000

PVI (приведенный объем инвестиций) тыс. руб. 77 727

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состава и свойств осадков нефтесодержащих сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий (нефтесодержащих осадков, избыточных активных плов, шламов оборотного водоснабжения, осадков химводоочистки) в качестве компонентов исходной компостной смеси, установлено, что наиболее предпочтительным методом обработки с технологической и экономической точки зрения является их биотермическое компостирование в условиях комбинированной аэрации.

2. Показано, что кинетика процесса окисления органических веществ при компостировании осадков может быть корректно описана степенным уравнением. Экспериментально установлено, что показатель степени уравнения кинетики биоконверсии имеет значение и=2,02, а величина констант скорости процесса изменяется от К,=0,003695 сут"1 до Ку=0,020601 сут1.

3. Установлено, что при давлении воздуха в распределительной системе более АР=400 Па процесс фильтрации через слои компостных смесей проходит в режиме развитого турбулентного движения с квадратичным законом сопротивления. Среднее значение коэффициента расхода воздуха Кр для компостных смесей на стадиях инокуляции, кавальерной биодеструкции и дозревания составило соответственно 0,000630; 0,000483; 0,000349 кг/м2.

4. Разработана новая эффективная технология интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий, с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей и комбинированной механо-пневматической аэрации.

5. Производственные испытания предложенной технологии показали, что метод комбинированной аэрации, предусматривающий сочетание механического перемешивания стационарным грейферным ковшом, и продувку высоконапорными воздуходувными устройствами позволяет поддерживать в компостной смеси высокие значения термогенеза (температурой выше 60 °С) и удалить токсичные продукты метаболизма (содержание углекислоты менее 3%). Метод дробного компостирования с использованием на выделенных площадках последовательно сменяемых стадий: инокуляции, кавальерной биодеструкции и дозревания позволяет сократить время компостирования в 1,4-1,6 раз по сравнению с традиционным методом компостирования нефтеотходов.

6. В результате компостирования осадков нефтесодержащих сточных вод по предложенной технологии содержание гумуса в готовом компосте составляет до 6%, степень распада нефтепродуктов достигает величины 75%, коли-титр не менее 10 мл, наблюдается полное отсутствие яиц гельминтов.

7. Предложенная технология внедрена в проектирование сооружений биотермической обработки ОНСВ на территории полигона биодеструкции осадков при ликвидации бездействующей части буферного пруда ОАО «Куйбышевский НПЗ» и легла в основу создания комплекса обработки нефтесодержащих отходов производительностью 10 тыс. т/год на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз». Расчетный экономический эффект внедрения предлагаемой технологии и строительства комплекса совместной обработки и утилизации осадков сточных вод на ОАО «КНПЗ» в ценах 2011г. составил 9946 тыс. руб.

8. Разработан технологический регламент процесса компостирования на основе комбинированной аэрации в условиях специализированных комплексов биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зеленцов Д.В. Совершенствование аэрации компостов на основе коммунальных и промышленных отходов [Текст] / Д.В. Зеленцов, K.J1. Чертес // Материалы научно-практической конференции «Экология. Образование. Промышленность» - УГНТУ, Уфа, 2009 г. - С. 36-37.

2. Зеленцов Д.В. Совершенствование системы аэрации компостов на основе коммунальных и промышленных отходов [Текст] / Д.В. Зеленцов, К.Л. Чертес // Материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 г. - СГАСУ, Самара, 2010 г. - С. 30-31.

3. Зеленцов Д.В. Исследование аэрационных характеристик компостируемых масс при проектировании сооружений биотермического компостирования коммунальных и промышленных отходов [Текст] / Зеленцов Д.В., Чертес К.Л. // Межвузовский сборник научных трудов «Повышение энергоэффективностн в строительстве». Выпуск 6. СГАСУ, Самара, 2011 г.-С. 128-131.

4. Зеленцов Д.В. Строительство и эксплуатация комплекса интенсивной биотермической обработки нефтесодержащих отходов [Текст] / Д.В. Зеленцов, О.В. Тупицына, К.Л. Чертес // Сборник трудов 3-го Международного экологического конгресса «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортного комплекса». Том 6. ТГУ, Тольятти, 2011 г.-С. 166-171.

5. Зеленцов Д.В. Использование осадков сточных вод в качестве биопрепарата для ускорения компостирования ТБО |Текст| / Д.Е.Быков, КЛ. Чертес, В.Д.Назаров, М.В.Назаров, О.В.Тупицына, Н.В.Гвоздева, Д.В. Зеленцов // Экология и промышленность России. Февраль 2011 г.-С. 16-18.

6. Зеленцов Д.В. Комплекс биодеструкции нефтеотходов [Текст| / Д.Е.Быков, О.В.Тупицына, Н.Г.Гладышев, Д.В. Зеленцов, Н.В. Гвоздева, O.A. Самарина, А.Е. Цимбалюк, КЛ. Чертес // Экология и промышленность России. Март 2011 г. - С. 3334.

7. Зеленцов Д.В. Интенсивная биотермическая обработка нефтесодержащих отходов [Текст] / Д.В. Зеленцов, К.Л. Чертес // Ашировские чтения: сб. трудов Международной научно-практической конференции. Том 1. - СамГТУ, Самара, 2012 г. - С. 199-203.

8. Зеленцов Д.В. Обработка осадков сточных вод нефтяного комплекса [Текст] / КЛ. Чертес, Д.В. Зеленцов, H.A. Сафонова, В.Н. Пыстин, М.В. Бикунова, A.C. Малиновский // Региональная архитектура и строительство. Л"»2 (13). Пенз.ГУАС, Пенза, 2012 г. - С. 30-33.

9. Зеленцов Д.В. Проектирование и строительство комплекса переработки нефтезагрязненных грунтов ОАО «Самаранефтегаз» [Текст] / Д.В. Зеленцов // Материалы 69-н Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 г. - СГАСУ, Самара, 2012 г. - С. 131-132.

10. Зеленцов Д.В. Технология и сооружения интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод [Текст] / Д.В. Зеленцов // Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2012 г. - СГАСУ, Самара, 2012 г. - С. 123-125.

"Примечание. Жирным шрифтом выделены публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Интенсивная бнотермическая обработка осадков нефтесодержащих

сточных вод

Зеленцов Данила Владимирович

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

_Подписано к печати 18.04.12 Формат 60x84 1/16_

Бумага офсетная №2. Печать офсетная. Объем 1 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 598.

Отпечатано в типографии Самарского государственного технического университета 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус №8

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

61 12-5/2941

На правах рукописи

Зеленцов Данила Владимирович

Интенсивная биотермическая обработка осадков нефтесодержащих сточных вод

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор К.Л. Чертес

Самара 2012

Оглавление

Введение.................................................................................. 4

Глава 1 Методы и сооружения обработки нефтесодержащих сточных .... 7

1.1 Виды, состав и свойства осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий................................. 7

1.1.1 Нефтесодержащие осадки......................................... 9

1.1.2 Избыточные активные илы....................................... 10

1.1.3 Шламы оборотного водоснабжения............................. 12

1.1.4 Осадки химводоочистки........................................... 14

1.2 Анализ методов обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий.................................. 15

1.3 Выводы по главе 1............................................................. 22

Цели и задачи исследований..................................................... 24

Глава 2 Теоретические предпосылки технологии интенсивной биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод............................................................................... 25

2.1 Температурные стадии процесса аэробного компостирования осадков......................................................................... 25

2.2 Особенности технологии компостирования осадков нефтесодержащих сточных вод.............................................. 28

2.3 Теоретические основы процессов • биохимического окисления органической части осадков нефтесодержащих сточных вод..... 30

2.4 Теоретические основы процесса фильтрации воздуха через слой осадков нефтесодержащих сточных вод 39

2.5 Интерпретация компостируемой массы с использованием матриц состояния............................................................ 44

2.6 Выводы по главе 2..................................................................... 45

Глава 3 Лабораторные исследования процесса биодеструкции осадков

нефтесодержащих сточных вод и аэрационных характеристик компостных смесей на их основе........................................ 47

3.1 Объекты и методы исследований........................................ 47

3.2 Оценка достоверности полученных данных. Разработка математической модели, описывающая процесс биоконверсии углеводородов при компостировании лабораторных образцов компостных смесей ......................................................... 55

3.3 Результаты лабораторного исследования компостных смесей..... 56

3.4 Выводы по главе 3........................................................... 66

Глава 4 Промышленные испытания технологии интенсивной

биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод............................................................................... 67

4.1 Объекты и методы исследований........................................ 67

4.2 Результаты исследований состояния крупнотоннажного массива компостируемых осадков нефтесодержащих сточных вод......... 73

4.3 Выводы по главе 4............................................................ 84

Глава 5 Разработка технологии и конструктивного оформления комплекса биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод в условиях водного хозяйства .... 85

5.1 Комплекс биотермической обработки нефтесодержащих осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз»........................................................... 85

5.2 Комплекс совместной обработки и утилизации осадков сточных

вод ОАО «Куйбышевский НПЗ».......................................... 90

5.2.1 Обработка осадков нефтесодержащих сточных вод в инокулирующих штабелях........................................ 95

5.2.2 Обработка осадков нефтесодержащих сточных вод в высоконагружаемом кавальере биодеструкции............... 97

5.2.3 Обработка осадков нефтесодержащих сточных вод в бурте дозревания.................................................... 98

5.4 Разработка технологического регламента комплекса............... 99

5.5 Технико-экономическое обоснование предлагаемой технологии дробного биотермического компостирования........................ 105

5.6 Выводы по главе 5........................................................... 107

Общие выводы............................................................................ 108

Библиографический список............................................................ 110

Приложение А - Технологический контроль процесса компостирования

ОНСВ ОАО «КНПЗ».................................................................... 130

Приложение Б - Аналитический контроль процесса компостирования

ОНСВ ОАО «КНПЗ».................................................................... 138

Приложение В - Расчет экономической эффективности....................... 143

Приложение Г - Акт о внедрении результатов научно-исследовательских

разработок на ОАО «Куйбышевский НПЗ»........................................ 144

Приложение Д - Акт о внедрении результатов научно-исследовательских

разработок на ОАО «Новокуйбышевский НПЗ».................................. 145

Приложение Е - Акт о внедрении результатов научно-исследовательских

разработок на ООО «СП11С».......................................................... 146

Приложение Ж - Диплом II степени за разработку «Комплекс биодеструкции нефтешламовых отходов и замазученных грунтов», Петербургская техническая ярмарка, 2011г., конкурс «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая

разработка»................................................................................. 147

Приложение 3 - Заключение по результатам экспертизы патентной заявки №2010134446/05(048869) от 17.08.2010 148

ВВЕДЕНИЕ

Деятельность нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), сопровождается образованием больших объемов осадков нефтесодержащих сточных вод (ОНСВ).

В настоящее время подавляющее большинство ОНСВ размещается в накопителях, что отрицательно влияет на компоненты природной среды. Объемы ОНСВ сопоставимы с объемами осадков городских сточных вод, шламов обработки металлов, осадков стоков агропромышленного комплекса и др [59, 126].

Обработка ОНСВ требует строительства дорогостоящих сооружений их обезвоживания, деструкции токсичных углеводородов и другой легкоразлагаемой органики, минерализации и обеззараживания [66,108,111113].

Перспективным направлением обработки ОНСВ выступает биотермическое компостирование, хорошо изученное и достаточно широко применяемое для осадков городских сточных вод, твердых бытовых и агропромышленных отходов, избыточных активных илов и др. видов легкоразлагаемых органоминеральных материалов.

В отличие от осадков городских сточных вод, ОНСВ, обладают органической частью на основе широкого спектра углеводородов, в том числе и трудноразлагаемых. В связи с этим, продолжительность компостирования ОНСВ и затраты на реализацию технологий значительно выше, чем у осадков городских стоков. В подобных условиях возникает необходимость интенсификации процесса компостирования.

Существуют различные методы интенсификации биотермического компостирования осадков: путем введения биогенных добавок, адаптированных штаммов инокулирующих микроорганизмов, корректировки объемного соотношения компонентов, оптимизации состава и среды, а также различных методов аэрации. Однако информация по ним до сих пор носит

противоречивый характер. Не учтена специфика свойств большого разнообразия видов ОНСВ в разрезе реализации интенсивного биотермического компостирования в практику обработки больших объемов осадков нефтесодержащих сточных вод, обладающих повышенной плотностью и низкой воздухопроводностью. Отсутствует научно-обоснованный технологический регламент и конструктивно-технологическое оформление комплексов биотермического компостирования ОНСВ большой производительности.

Целью настоящей работы является научное обоснование и создание конструктивно-технологического оформления способа интенсивного компостирования ОНСВ с использованием механизированных комплексов биотермической обработки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Теоретически и экспериментально обоснована новая технология интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей и комбинированной механо-пневматической аэрации.

2. Экспериментально исследованы аэрационные свойства компостов на основе ОНСВ, а также установлены кинетические закономерности разложения углеводородов в процессе биотермической обработки осадков.

3. Получена математическая модель, установившая зависимость скорости окисления от состава компостной смеси.

4. Разработана методика использования цифровых матриц состояния, анализа температурно-временных характеристик и учета аэрационных свойств компоста на каждой из температурных фаз для управления процессом биотермической обработки осадков.

Практическая значимость работы и ее реализация:

1. Математическая зависимость между составом компостной смеси и скоростью окисления нефтепродуктов использована при подготовке технических решений по реконструкции существующего полигона биодеструкции осадков ОАО «Куйбышевский НПЗ» и при ликвидации бездействующей части буферного пруда ОАО «Куйбышевский НПЗ».

2. Конструктивно-технологическое оформление комплекса биодеструкции нефтеотходов с использованием полученных данной работе результатов является научно-теоретической базой создания новых и модернизации существующих объектов обращения осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий.

3. Разработан технологический регламент процесса компостирования на основе комбинированной аэрации в условиях специализированных комплексов биотермической обработки осадков нефтесодержащих сточных вод.

4. Разработанная технология интенсивной биотермической обработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий с использованием инокулирующих добавок, порообразующих наполнителей, дробного компостирования и комбинированной механо-пневматической аэрации внедрена при строительстве комплекса биотермической обработки осадков на Михайловско-Коханском месторождении ОАО «Самаранефтегаз» и при реконструкции существующего полигона биодеструкции осадков ОАО «Куйбышевский НПЗ».

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СООРУЖЕНИЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

1.1 Виды, состав и свойства осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий

Деятельность нефтеперерабатывающих предприятий сопровождается образованием многочисленных видов осадков нефтесодержащих сточных вод. Их отличает широкое разнообразие состава, механических и физико-химических свойств. В соответствии с федеральным классификатором насчитывается несколько десятков видов осадков и шламовых отходов [78]. Однако, применительно к нефтеперерабатывающему комплексу, осадки сточных вод условно - по генезису, технологиям образования, видам водоподготовки и водоотведения, а также свойствам и составу объединены в настоящей работе в четыре основных группы:

- нефтесодержащие осадки механической очистки сточных вод (НСО);

- избыточные активные илы биологической очистки нефтесодержащих сточных вод (ИАИ);

- углеводородсодержащие осадки (шламы) оборотного водоснабжения НПЗ (ШОВ);

- осадки химводоочистки котловой воды НПЗ (ОХВО).

Надо отметить, что осадки ХВО и ШОВ также можно отнести к нефтесодержащим из-за вторичного загрязнения нефтепродуктами. За длительный срок эксплуатации огромного количества трубопроводов, транспортирующих нефть и нефтепродукты по территории НПЗ, произошло и происходит большое количество утечек нефтесодержащих жидкостей в окружающую среду. Часть из них через аварийные участки труб попадает в трубопроводы, транспортирующие ШОВ и ОХВО. Объемы образования и накопления основных групп осадков представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Объемы образования ОНСВ на нефтеперерабатывающих заводах Самарской области, поступающих на объекты размещения [104-106,124]

Виды осадка Годовое поступление, м3/год

ОАО КНПЗ ОАО НкНПЗ ОАО СНЗ Всего

нсо 2518 4654 2543 9715

ИАИ 728 2730 805 4263

ШОВ 32 34 33 99

ОХВО 1596 1500 1019 4115

В настоящее время утилизация подавляющего большинства осадков, входящих в вышеперечисленные группы, сдерживается по техническим и экономическим причинам. В связи с этим, ОНСВ направляются на объекты размещения: иловые площадки, шламонакопители, буферные пруды, полигоны и др. В таблице 1.2 представлены объемы ОНСВ, находящихся на объектах размещения на территории Самарской области.

Таблица 1.2

Сведения по основным крупнотоннажным объектам размещения ОНСВ и

объемам их накопления [86]

Наименование объекта Год ввода Годовой прием, т/год Накоп -лено*, тыс.т Основной размещаемый вид осадка

Буферный пруд ОАО «КНПЗ» 1958 3246 515,9 НСО

Шламонакопители БОВ №2-5 ОАО «КНПЗ» 1969 32 6,73 шов

Шламонакопитель №3 ТЭЦ ОАО «КНПЗ» 2007 1596 0,58 ОХВО

Накопительный пруд ОАО «НкНПЗ» 1988 4654 496,5 нсо

Аварийный пруд ОАО «НкНПЗ» 1982 1500 8,00 ОХВО

Буферный пруд ОАО «СНПЗ» 1972 3595 424,6 нсо

Иловые карты ОАО «СНПЗ» 1968 805 6,00 ИАИ

* Представлены ориентировочные средневзвешенные значения за расчетный срок эксплуатации объектов размещения отходов, а также путем анализа отчетных материалов предприятий (форма 2-ТП - отходы за 1998 - 2011 гг.).

1.1.1 Нефтесодержащие осадки

Нефтесодержащие осадки (НСО) сточных вод выступают в качестве наиболее крупнотоннажных отходов нефтеперерабатывающих предприятий, размещаемых, в настоящее время, в окружающей среде. Они образуются в процессе эксплуатации систем водоснабжения и канализации, практически во всех структурных подразделениях нефтеперерабатывающих заводов. Причиной их происхождения являются [81]:

- сбросы нефти и нефтепродуктов со сточными водами с технологических установок, в том числе при проведении ремонтных работ и зачистке аппаратов;

- дренирование осаждаемой смеси воды и шламов с товарных и промежуточных резервуаров;

- зачистка резервуаров хранения нефти и нефтепродуктов перед их ремонтом;

- отвод осадков с сооружений механической очистки;

- отвод пены с установок напорной флотации;

- зачистка систем канализации;

зачистка загрязненных нефтепродуктами территорий с использованием гидравлических методов.

Образующиеся НСО представляют собой смесь устойчивой эмульсии нефтепродуктов в воде и механических примесей в виде мелкодисперсного песка и глинистых компонентов. Состав НСО существенно различается (табл. 1.3).

Как видно из табл. 1.3 НСО имеют пониженные значения рН (менее 6) и содержат токсичные сернистые соединения [36,115].

НСО направляются на размещение в специально обустроенных сооружениях: шламонакопителях, аварийных прудах, полигонах и т.д. (см. табл. 1.2).

Таблица 1.3

Отдельные показатели состава осадков сточных вод НПЗ [81]

Источники образования Осадки Осадки Пеношлам Осадки

радиальных радиальных флотаторов первичных

нефтеловушек отстойников-усреднителей сооружений отстойников БХО

Минеральная часть 12,5-15,7 14,5-15,5 13,8-16,2 10,2-11,4

(мехпримеси), %

Вода, % 36,3-43,5 43,9-48,5 67,6-71,1 65,2-67,7

Нефтепродукты, % 44,5-48 37-40,6 15,1-16,2 22,1-23,6

Реакция среды, рН 5,1-5,6 5,2-5,5 6,0-6,1 5,9-6,5

Сернистые соединения (по 2,3-5,3 1,5-2,3 0,35-0,45 0,52-0,61

элементарной Б), %

НСО являются метастабильными системами с непрерывным протеканием физико-химических и микробиологических процессов, замедленных во времени. При решении проблемы их обработки и утилизации необходимо учитывать высокую устойчивость нефтяных эмульсий и сложный процесс формирования состава.

1.1.2 Избыточные активные илы

Избыточные активные илы (ИАИ) образуются в процессе биохимической очистки нефтесодержащих сточных вод и также являются специфическим видом осадков. Они выступают в качестве основного крупнотоннажного отхода очистных сооружений, содержащего аэробную нефтеразрушающую микрофлору [104-106,123,124,149,152].

Объемы и основные характеристки ИАИ, образующихся в настоящее время на очистных сооружениях трех крупных НПЗ Самарской области (Куйбышевском, Новокуйбышевском и Сызранском), представлены в таблице 1.4. [104-106]

Таблица 1.4.

Объемы образования и основные характеристики ИАИ КОС НПЗ

Наименование показателя Ед.изм. Значение

ОАО «КНПЗ» ОАО «НкНПЗ» ОАО «СНПЗ»

Объем м /год 728 2730 805

- влажность % 97,5-99,5 98,2-99,5 97,8-99,5

- плотность кг/м3 1,05 1,05 1,04

- Общее содержание нефтепродуктов мг/кг до 1000 до 1000 до 1000

-рН 6,5-7,5 6,5-7,5 6,5-7,5

Сорг % от массы сухого вещества 65-82 65-85 65-85

Н,бщ 2,4-7,5 2,5-7,5 2,5-7,5

Р()бщ 2,8-11 3,0-11 3,0-11

Кобщ 0,2-0,7 0,25-0,7 0,2-0,7

-омч Кл/кг До 10ш До 10ш До 101и

Имеется опыт использования ИАИ в качестве биоструктурирующей добавки для переработки нефтезагрязненных грунтов на нефтяных месторождениях, а также для обработки нефтешламов в толщах накопителей и на полигонах биодеструкции. Практическое применение ИАИ для переработки осадков сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий затруднено в связи со сложными требованиями к качеству ИАИ, используемому в качестве микробиологической культуры. Так, возраст ила должен быть не более 2 сут., влажность — не более 99,5%, иловый индекс -не более 100, общая дегидрогеназная активность по формазану не менее 400 мг/л [100,121].

На практике очень затруднительно обеспечить благоприятные условиях жизнедеятельности нефтеразрушающей микрофло