автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование очистки нефтесодержащих производственных сточных вод

На правах рукописи

ГРИШИН Лев Борисович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 05.23.04 -Водоснабжение, канализация, строительные

системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2009

003464411

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Пензенский государственный ун верситет архитектуры и строительства»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессо

Андреев С.Ю.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Пономарев В.Г.

кандидат технических наук, доцент Ладайкина И.Г.

Ведущая организация - ГОУ ВПО «Петрозаводский государствен -

ный университет»

Защита состоится 3 апреля 2009 г. в 10.00 часов на заседании дис сертационного совета ДМ 212.184.02 в ГОУ ВПО «Пензенский государствен ный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г.Пенза, ул. Г.Титова, 28, ПТУ АС, 1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "Л 2009 г.

Совет направляет Вам для ознакомления данный автореферат и просит Ваши отзывы и замечания в 2-х экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу: 440028, г.Пенза, ул. Г.Титова, 28, ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» , диссертационный совет ДМ 212.184.02.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время значительное внимание при выполнении мероприятий экологического характера обращается на актуальную проблему глубокой очистки нефтесодержащих нейтральных производственных и производственно-ливневых сточных вод, которые после прохождения очистных сооружений могут использоваться для пополнения систем оборотного водоснабжения.

Одним из наиболее эффективных методов очистки промышленных неф-тесодержащих стоков является метод флотации, который реализуется с использованием аппаратов и установок различных конструкций. Существенным фактором, влияющим на степень флотационной очистки сточных вод, является способ приготовления газожидкостной смеси, подаваемой во флотатор. Разработка смесителей нового типа, создающих водовоздушную смесь требуемого дисперсного состава, позволяет экономично и эффективно осуществлять процесс флотации. В качестве таких смесителей могут быть использованы компактные вихревые смесительные устройства (ВСУ), простые в эксплуатации и не требующие значительных затрат при изготовлении.

Увеличение степени очистки воды от взвешенных веществ и нефтепродуктов на флотационных установках позволяет существенно улучшить условия работы фильтров доочистки, обеспечивающих глубокое изъятие из воды загрязняющих компонентов. Снижение эксплуатационных затрат при обслуживании фильтров доочистки также является актуальной проблемой, связанной с экономической эффективностью работы станций очистки промстоков. В связи с этим значительный интерес представляют исследования зернистых фильтров с намывным слоем сорбента, позволяющих одновременно удалять из воды как взвешенные вещества, так и нефтепродукты.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках «Программы социально-экономического развития Пензенской области на 2002-2010 г.г.»..

Цель работы. Целью диссертации является разработка и исследование вихревых смесительных устройств (ВСУ), обеспечивающих повышение эффективности процесса флотации, а также создание энерго- и реагентосберегающих

технологий глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием ВСУ, флотационных установок и зернисто-намывных фильтров.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

- теоретическое исследование путей повышения эффективности флотационной очистки нефтесодержащих стоков;

- теоретическое обоснование возможности получения высокодиспергиро-ванных водовоздушных смесей в вихревых смесительных устройствах (ВСУ) с эмалевыми похрытиями;

- экспериментальные исследования влияния параметров обработки водо-воздушной смеси в ВСУ с эмалевыми покрытиями на ее дисперсный состав, эффективность работы флотаторов и экономию реагентов;

- экспериментальные исследования каркасно-засылных фильтров с намывным слоем сорбента для доочистки сточных вод;

- разработка новой технологии глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод промпредприятий с использованием ВСУ, флотаторов и зернисто-намывных фильтров доочистки;

- разработка рекомендаций к расчету и проектированию устройств, входящих в предлагаемую технологическую схему глубокой очистки нейтральных нефтесодержащих сточных вод промпредприятий.

Научная новизна работы состоит:

- в теоретическом и экспериментальном обосновании реагентосберегаю-щего способа интенсификации безнапорной флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с применением вихревых смесительных устройств;

- в определении степени влияния конструктивных и технологических характеристик ВСУ на процесс реагентной флотационной очистки нейтральных промышленных стоков от нефтепродуктов;

- в получении математических моделей, устанавливающих зависимости между гидродинамическими характеристиками и конструктивными параметрами ВСУ, а также эффективности удаления го стоков нефтесодержащих примесей для системы «ВСУ-флотагор» от доз реагентов и степени газонасыщения флотационного объема;

- в теоретическом и экспериментальном обосновании создания технологии глубокой очистки нефтесодержащих стоков с использованием каркасно-засыпных фильтров с намывным слоем сорбента, флотаторов и вихревых смесительных устройств.

Практическая значимость работы:

- предложен и апробирован в промышленных условиях новый реагентос-берегающий способ повышения эффективности безнапорной флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием ВСУ;

- разработаны конструкции ВСУ, а тахже рекомендации к расчету и проектированию устройств, входящих в предлагаемую технологическую схему глубокой очистки промышленных стоков от нефтепродуктов;

- предложена к реализации в промышленных условиях технологическая схема глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием кар-касно-засыпных фильтров с намывным слоем сорбента, флотаторов и ВСУ, позволяющая осуществить подготовку воды для подпитки систем оборотного водоснабжения с низкими эксплуатационными затратами.

Практическая реализация.

Разработанная технолога* энерго- и реагентосберегающей флотацноккой очистки нефтесодержащих сточных вод с их последующей доочисткой на фильтрах внедрена на очистной станции промышленной канализации ОАО «Пенздшельмаш» производительностью 500 м3/сут. Подтвержденный годовой эффект от внедрения составил более 420 тыс. руб. в ценах 2008 г.

Апробация работы и публикации.

По материалам диссертации опубликованы 10 работ, в том числе 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК. Получено положительное решение по заявке ка патент № 200713540/15 (038699) от 24.09.2007 «Способ перемешивания жидкости». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 8 региональных, всероссийских и международных конференциях в г.г. Пензе, Казани, Тюмени в 2006-2008 г.г.

Методы исследований. В диссертации проводились теоретические и экспе-ментальные исследования, включающие работу с моделями и натурными уста-

новками, а также использовались стандартные методы математического моде лирования и проведения химических анализов.

Достоверность полученных результатов оценена с помощью современных математических методов обработки экспериментов. При постановке экспериментов использобэны общепринятые методики, оборудование и приборы. Экспериментальные данные, полученные на моделях, соответствуют результатам, полученным на промышленных установках.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование использования вихревых смесительных устройств (ВСУ) для интенсификации физико-химической очистки нефтесодержа-щих сточных вод методом безнапорной флотации;

- результаты экспериментальных исследований процессов реагентной флотационной очистки промышленных стоков от нефтепродуктов с включением в технологическую схему вихревых смесительных устройств;

- математическая модель, адекватно описывающая зависимость радиальных скоростей движения водовоздушной смеси в стволе ВСУ, определяющих степень диспергирования воздушных пузырьков, от расходных и геометрических характеристик ВСУ;

- математическая зависимость эффективности флотационной очистки сточных вод по нефтепродуктам от доз коагулянта и степени газонасыщения флотационного объема при использовании ВСУ для приготовления диспергированной водовоздушной смеси;

- экспериментальные данные по доочистке нефтесодержащих сточных вод на каркасно-засыпных фильтрах с использованием порошкообразных угольных сорбентов;

- экономически эффективная технология глубокой очистки промышленных нефтесодержащих стоков с применением каркасно-засыпных фильтров с намывным слоем сорбента, многокамерных флотаторов и ВСУ;

- рекомендации к проектированию и расчету устройств, входящих в предлагаемую технологическую схему глубокой очистки нейтральных нефтесодержащих сточных вод промышленных предприятий.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, включает _1_ таблицу, 57 рисунков и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 114 наименований и одного приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность 7«мы диссертационной работы. Определены цель работы, научная новизна, практическая значимость, данные о внедрении, полученном экономическом эффекте и апробации результатов работы.

В первой главе приведен аналитический современных технологий, применяемых для очистки нефтесодержащих сточных вод промышленных предприятий. Рассмотрены источники образования, состав и свойства нейтральных нефтесодержащих производственных стоков, а также методы, схемы и оборудование для удаления из них нефтепродуктов.

Отмечается, что для глубокой очистки нефтесодержащих нейтральных сточных вод промышленных предприятий одной из наиболее эффективных является технология с использованием флотаторов и зернистых фильтров с намывным слоем сорбента, при этом продолжительность фильтроциклов и количество регенераций фильтров во многом определяется эффективностью работы флотационных устройств.

Применяемый в настоящее время на многих очистных сооружениях метод напорной флотации наряду с преимуществами имеет ряд существенных недостатков, в частности, большую чувствительность к изменению расходов очищаемой воды, а также серьезные ограничения по количеству подаваемого в систему воздуха. Оптимальное сочетание концентрации газовой фазы и размеров воздушных пузырьков в обрабатываемой воде при изменении в широких пределах производительности очистной станции может дать метод безнапорной реагентной флотации с использованием вихревых смесителей водовоздушного потока, установленных на рециркуляционной линии флотаторов.

В первой главе также дана формулировка цели работы и задач исследований, решаемых в настоящей диссертации.

Во второй главе рассмотрены теоретические исследования процессов безнапорной флотации. Показано, что на эффективность извлечения из воды нефтепродуктов определяющее влияние оказывают объемная концентрация газа С„ соотношение размеров частиц и пузырьков воздуха (г, /г„), а также направление потока очищаемой воды по отношению к направлению движения пузырьков воздуха во флотаторе. Установлено, что для обеспечения высокой эффективности извлечения из воды нефтепродуктов процесс безнапорной флотационной очистки экономически целесообразно проводить при относительных объемных концентрациях газовой фазы от 0,05 до 0,15 в многокамерных флотаторах с организацией движения частиц нефтепродуктов и пузырьков воздуха в одном направлении для каждой флотокамеры.

Теоретически обосновано использование вихревых трубчатых смесителей с центральными стержневыми (трубчатыми) телами обтекания и эмалевыми покрытиями проточных частей, позволяющих с относительно небольшими энергозатратами получить водовоздушные смеси с требуемыми соотношениями размеров пузырьков воздуха и частиц нефтепродуктов, необходимыми для осуществления эффективной флотационной очистки.

Предложен новый способ получения высокодиспергированной водовоз-душной смеси с использованием вихревых смесительных устройств (ВСУ) первой и второй ступеней, установленных на напорной линии рециркуляционного насоса флотационной установки.

Схема узла диспергирования водовоздушной смеси с использованием ВСУ показана на рис. 1. Процесс смешения возвратной воды и сжатого воздуха осуществляется в вихревом смесительном устройстве (ВСУ) первой ступени, работающим по принципу вихрезого эжектора с тангенциальной подачей воды во входную камеру 1 и вводом воздуха через центральный патрубок 4, установленный на крышке входной камеры ВСУ. Конструктивные параметры ВСУ первой ступени определяются по расчетам, применяемым для определения размеров вихревых эжекторов.

Водовоздушная смесь из ВСУ первой ступени поступает во входную камеру 5 вихревого смесительного устройства (ВСУ) второй ступени и далее направляется в кольцевой зазор устройства, образующегося между центральным

стержнем 6 и стенкой вихревой камеры 7 для интенсивного диспергирования воздушных пузырьков. Поверхность вихревого смесительного устройства (стержня и вихревой камеры) покрывается силикатной стеклоэмалью МК-5, позволяющей уменьшить потери удельной энергии при движении потока в кольцевом пространстве ствола ВСУ.

СкстзО воздух от компрессоре

Рис. 1 Схема узла диспергирования водовоздушной смеси:

1, 3 - входная и гыходнэя камеры вихревого смеси- СшОчнОЯ б0$0 СИ тельного устрой- рециркуляционного етва (ВСУ) первой ступени; 2 - камера смешенкя;4 -патрубок подачи сжатою воздуха; 5, 8 - входная и выходная камеры эмалированного ВСУ второй ступени; 6 - тело обтекания (стержень); 7 - ствол (вихревая камера)

1

2

□

У

/

г?

гШ=1-

Водобоздушноя ►смесо но фяототор

Нахождение конструктивных и технологических параметров ВСУ второй ступени осуществляется с использованием гидравлического расчета. Уравнение баланса удельной энергии водовоздушного потока для сечений 1-1 и 2-2 относительно уровня 0-0 (рис. 2) выглядит следующим образом:

.Ли*

А 2 л р, 2 р/

(1)

где р! и р; — давление в потоке водовоздушной смеси в сечениях 1-1 и 2-2, Па; и*» 1>ох~ скорости потока в подающем и отводящем трубопроводах, м/с; й* - высота ствола (вихревой камеры), м; рс —плотность гидросмеси, кг/м3;^-ускорение свободного падения, м/с2; до - потери давления в стволе, входной и выходной камерах, Па.

Рис. 2 Аксонометрическая схема вихревого смесительного устройства (ВСУ) второй ступени с траекториями . _ _ движения элемен-

Ра-вдта траектория '

д»гаоя« т.А на ¡-том «влсе ТЗрВОГС ОиЬема

водовоздупгаой смеси на различ-^ ных участках

\ ствола: 1 - по-

у"0*. дающий трубо-

провод; 2 - входная камера; 3 -ствол (вихревая камера); 4 - центральный стержень; 5 - выходная камера; 6 - отводящий трубопровод

В результате преобразований получена формула для определения давления в начальном сечении ВСУ второй ступени

Р1=Р2+

X-

I

(я-<0

+ к-А1-В1 -С,

Р&

(2)

где X - коэффициент гидравлического трения; £>с и с/с- соответственно внутренний диаметр ствола и диаметр центрального стержня; к - количество витков спиральной траектории, проходимой потоком водовоздушной смеси в стволе ВСУ второй ступени; А], В1 и С| - коэффициенты, характеризующие влияние гидродинамических и геометрических характеристик кольцевого пространства (проточной части) ствола ВСУ на величину местных сопротивлений при движении потока; и, - осредненная по высоте ствола относительная скорость поступательно-вращательного движения элементарного объема А1У водовоздушной смеси в кольцевом пространстве внутри ствола ВСУ, м/с, определяемая на

1-том витке спиральной траектории движения элементарного объема ЬЛУ (см. рис. 2) по соотношению:

- (3)

* эта,

где иа - средняя продольная (осевая) скорость движения водовоздушного потока в кольцевом пространстве ствола, м/с; иг1 - средняя радиальная скорость движения на /-том витке спирали, м/с; а, - угол падения спиральной траектории на ¿-том витке, град.

Теоретический анализ показал, что расчетное значение коэффициента гидравлического трения для эмалированного ствола смесителя в 1,5-1,6 раза меньше, чем для обычного стального ствола, не покрытого эмалью, что, прежде всего, влияет на увеличение длины спиральной траектории элементарного объема ДЖ за счет более плавного убывания радиальной скорости у, при движении потока от начального до конечного участков ствола.

Получена формула для определения расчетным путем среднего диаметра воздушных пузырьков в диспергированной гидросмеси

^0,43[^|'6.(СЧГ> (4)

где а—коэффициент натяжения на поверхности газ-жидкость, а =0,072 н/м;

й-градиент скорости, являющейся функцией относительной скорости движения водовоздушного потока в стволе ВСУ, с"1; ус - вязкость гидросмеси, м2/с.

Разработан метод расчета для нахождения технологических и конструктивных параметров работы ВСУ второй ступени с эмалированной проточной поверхностью, обеспечивающих необходимую степень диспергирования воздушных пузырьков при заданных реологических характеристиках гидросмеси.

Даны рекомендации по определению требуемых характеристик рециркуляционных насосов, а также компрессорного оборудования, используемого для подачи сжатого воздуха в ВСУ первой ступени.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по установлению соотношений между гидродинамическими характеристиками ВСУ и степенью диспергирования водовоздушной смеси. Исследования проводились на лабораторной установке, которая состояла из приемного бака, двух высокона-

порных насосов с пологой характеристикой Р-Н (О до 5 м3/ч, Н до 60 м), мембранного компрессора для подачи сжатого воздуха (рра5 до 6-105 Па), узла ВСУ, бака для измерения расхода воды объемным методом и стенда с дифманомет-рами, присоединенными к трубкам Пито-Прандгля для измерения напоров, создаваемых радиальными скоростями потока в стволе ВСУ. Расход воздуха, подаваемого компрессором в ВСУ первой ступени регулировался трехходовым краном и измерялся при помощи расходомера.

Диаметры входной и выходной камер ВСУ первой ступени были равны 100 мм, диаметр и длина ствола составляли соответственно 25 и 50 мм. В центре верхней крышки входной камеры ВСУ первой ступени устанавливался патрубок ¿у=10 мм для подвода сжатого воздуха от компрессора. Исследования данного ВСУ касались только определения в его корпусе величин потерь давления жидкости.

Водовоздушная смесь, полученная в ВСУ первой ступени через входной патрубок ¿0=25 мм, поступала во входную камеру ВСУ второй ступени внутренним диаметром £>=100 мм и высотой Ь-25 мм, где поток приобретал вращательное движение. Далее смесь поступала в кольцевое пространство между стволом и центральным стержнем. Внутренний (условный) диаметр ствола Д, был равен 32 мм, диаметр стержня йс в различных сериях экспериментов изменялся от 10 до 25 мм.

В ходе проведения первого этапа лабораторных испытаний исследовались закономерности изменения окружных (радиальных) скоростей движения потока однофазной жидкости (чистой воды) в кольцевом пространстве ствола ВСУ второй ступени при различных диаметрах центрального стержня. На данном этапе исследования осуществлялись при различных высотах ствола Н (0,5 м, 1 м, 1,5 м и 2 м) с эмалевым покрытием проточной части и без него.

В качестве параметра, отражающего конструктивные характеристики проточной части ствола ВСУ второй ступени использовалась величина В, представляющая собой отношение четырех гидравлических радиусов к диаметру ствола

Обработка опытных данных позволила получить следующую математическую зависимость для определения радиальной скорости потока на входе в ствол В СУ второй ступени:

Для определения величин углов падения спиральной траектории потока и радиальных скоростей на конечных участках ствола ВСУ (а* и о„) были построены графики о¿=&Н) и VnrflH), где H - высота ствола ВСУ при различных значениях скоростей о. и параметра В для эмалированных и неэмалированных покрытий проточной части.

Программа второго этапа исследований предусматривала подачу сжатого воздуха от компрессора в корпус ВСУ первой ступени, его смешение с потоком жидкости и дальнейшее диспергирование водовоздушной смеси в стволе ВСУ второй ступени. Начальное давление потока на входе в ВСУ второй ступени составляло /?н=(3,0-^6,0)-105 Па. Расходы двухфазной гидросмеси изменялись от 0,7-Ю'3 м3/с до 1,710~3 м3/с. Потери давления в ВСУ первой ступени при увеличении расходов двухфазной гидросмеси варьировались от 0.08105 до 0,3-105 Па с почти линейной зависимостью от пропускаемого расхода.

В ходе экспериментов в мерный цилиндр емкостью 1 л отбирались пробы полученной диспергированной смеси и замерялись средние скорости всплыва-ния массы пузырьков воздуха о„ при различной степени газонасыщения проб ip и интенсивности обработки двухфазного потока в ВСУ второй ступени. Скорость v„ определялась по скорости поднятия границы раздела водовоздушной смеси и чистой воды при отстаивании пробы в цилиндре.

Значение скорости всплытия одиночного пузырька воздуха »„„ при известной величине коллективной скорости всплытия юп вычислялось по формуле В.В. Кафарова, а средний радиус пузырька гв для найденного значения v„„ определялся по формуле Стокса.

Эксперименты показали, что использование ВСУ первой и второй ступеней для создания обработки водовоздушной смеси позволяет получить диспер-

v^oY-K

где Кг - геометрический коэффициент:

(6)

(7)

гированные пузырьки воздуха в широком диапазоне средних диаметров (от SS мкм до 550 мкм) при коэффициенте газонасыщения смеси до 0,22.Использова-ние эмалированного покрытия центрального стержня и ствола ВСУ второй ступени позволило получать диспергированные пузырьки воздуха со средними диаметрами на 10-20% меньшими по сравнению с пузырьками, полученными при пропуске водовоздушной смеси через неэмалированную проточную часть ствола ВСУ при меньших (на 10-15%) потерях давления за счет более высоких радиальных скоростей потока.

Для получения диспергированных пузырьков воздуха со средними диаметрами до 100 мкм наиболее рациональными, с точки зрения энергозатрат, являются режимы обработки, при которых обеспечиваются потери давления в стволе ВСУ второй ступени от 3.5-105 Па до 4,5-Ю5 Па, величины радиальных скоростей потока на входе в ствол не менее 8,5 м/с и на выходе из ствола не менее 1,5 м/с. Конструктивные параметры ствола ВСУ должны соответствовать области значений коэффициента В в пределах от 0,22 до 0,375.

Диаграммы средних значений величин d„ в потоке водовоздушной смеси после ВСУ второй ступени при dc=20 мм (В=0,375) показаны на рис. 3.

^ (кш,- ® dn,M

200

100

О 0,5 1,0 1,5 2,0

Н,м

1,0 1,5 2,0 Н,М

Рис. 3 Диаграммы средних диаметров диспергированных пузырьков воздуха в двухфазной гидросмеси после ВСУ второй степени: а) с неэмапнрозанной проточной частью; б) с эмалированной проточной частью при диаметре центрального стержня <¿¿=20 мм (В =0,375): • при б"1,7'10'}м /с; Ш -прие=1,2-ИГэм7с;0 - 0=0,7-10'3 м3/с

Таким образом, экспериментальным путем были определены интервалы изменения величин потерь давления, радиальных скоростей и углов падения траекторий потока жидкости в стволе ВСУ, позволяющие расчетным путем определить параметры обработки водовоздушной смеси в ВСУ с целью получения пузырьков воздуха необходимого дисперсного состава.

В главе четыре приведены экспериментальные исследования флотационной очистки и сорбциониой доочистки нефтесодержащих сточных вод. Объектом лабораторных исследований являлись производственные сточные воды ОАО «Пенздизельмаш», поступающие после нефтеловушки на станцию флотационной очистки. Производственные стоки характеризовались следующим составом: нефтепродукты -12-31 мг/л; взвешенные вещества - 28-55 мг/л; рН -6,8-7,1.

В качестве коагулята в экспериментах по флотационной очистке стоков использовался полиоксихлсрид алюминия (ПОХА) с содержанием активной части 18 %, применяющийся на производственных флотаторах в качестве основного реагента. Для улучшения эффекта удаления загрязнений после ввода коагулянта в сточную воду добавлялся хатионный органический флокулянт К-555 с дозами Ц», - 4-5 мг/л.

Экспериментальная флотационная установка состояла из флотационной колонны общей высотой 2,2 м, сатуратора емкостью 0,017 м3, вихревых смесительных устройств (ВСУ) первой и второй ступеней (высотой ствола 1,2 м), приемного бака, центробежного насоса, компрессора, насосов-дозаторов коагулянта и флокулянта. В состав установки также входили трубопроводы, контрольно-измерительная и запорная арматура, вспомогательные емкости.

Раствор коагулянта подавался насосом-дозатором в трубопровод перед устройствами для приготовления водовоздушной смеси. Водовоздушная смесь, полученная в сатураторе или ВСУ непосредственно перед флотационной колонной смешивалась с раствором флокулянта К-555. Флотационный объем колонны при диаметре 0,15 м составлял 0,035 м3, время флотации - 20 мин.

Анализ экспериментальных данных показал, что вихревые смесительные устройства за счет обеспечения более высокого газонасыщения водовоздушной смеси по сравнению с сатуратором позволяют улучшить в среднем на 5-7 %

эффективность флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ. Для обеспечения не флотаторе эффекта очистки по нефтепродуктам, равного 90 %, использование водовоздушной смеси, приготовленной в ВСУ, позволяет сократить более чем в 2 раза (до 18-20 мг/л) требуемые дозы коагулянта по сравнению с технологией напорной флотации.

Графики зависимостей остаточных концентраций нефтепродуктов б сточных водах от доз коагулянта после флотационной очистки в течение 20 мин с использованием водовоздушной смеси с газонасыщением 8-12%, приготовленной в ВСУ, показаны на рис. 4.

Обработка экспериментальных данных позволила получить следующую математическую зависимость остаточного содержания нефтепродуктов в стоках после 20-ти минутной флотационной очистки с использованием ВСУ от доз коагулянта ПОХА и степени газонасыщения стока

С„=2,11-С„„0-78-е^°'''", (8)

где С„ни С„- концентрации нефтепродуктов в стоке до и после флотационной очистки, мг/л; Ок - дозы коагулянта, Лж=10-40 мг/л; ср - степень газонасыщения флотационного объема, ф =8-12 %.

Лабораторная установка по исследованию глубокой до-очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием сорбции состояла из фильтровальной колонны высотой 2,5 м. приемного и расходного баков, центробежного насоса, насоса-

Сьш'/д

5.0

4,0

1.0

\ \

\ ч. \

ч \ N ч

> ч. ч \ \ \ Ч И

N N. N

/ 1

л л доза-тора и бака угольной Рис. 4 Графики зависимостей остаточных концентраций С„ нефтепродуктов в стоках от доз коагу- пульпы. Фильтр был принят

лянта О, после флотации водовоздушной смесью, при- каркасно-засыпным с общей

готовленной в ВСУ при начальных концентрациях:

I - Сои" 15 мг/л; 2 - С.-ЗО мг/л высотой загрузки 1,8 м. В

--при ©=8%; - при аг12 % -

качестве загрузки был испо-

льзован гравий крупностью 20-40 мм и кварцевый песок крупностью 0,8-1,5 мм. Высота слоя песка составляла 0,9 м.

В трубопровод, соединяющий расходный бак и фильтровальную колонну с помощью насоса дозировалась угольная пульпа. В качестве сорбента использовался порошкообразный активированный уголь (ПАУ) марки КАД-М. Дозирование угля осуществлялось как периодически (в течение 10-15 мин каждый час), так и постоянно с дозами от 5 до 20 мг/л.

В экспериментах время защитного действия фильтра Тг по нефтепродуктам определялось от начала фильтрования до момента проскока в фильтрат концентраций углеводородов, превышающих 0,2 мг/л (ПДК для использования в оборотной системе водоснабжения ОАО «Пенздизельмаш»), Диаграммы зависимостей времени защитного действия фильтра по нефтепродуктам показаны на рис. 5.

Ка основании экспериментальных исследований рекомендовано периодическое введение (в течение 10-15 мин каждый час) порошкообразного активированного угля марки КАД-М с дозой 10-12 мг/л при скорости фильтрования через каркасно-засыпную загрузку до 1,5 м/ч.

Тз, Ч,--Рекомендуемые режимы дозирования позволяют обеспечить технологически рациональные значения (67 часов) времени защитного действия загрузки (Гэ) по нефтепродуктам, при котором обеспечивается приблизительно равенство значе-5 10 15 20 Дс, мг/л ний Т3 как по нефтепродуктам, так и Рис. 5 Диаграммы времени защитного действия по взвешенным веществам а целях фильтра по нефтепродуктам при различных дозах и режимах ввода сорбента: • периодическое действие; i - постоянное действие

Пятая глава посвящена производственным испытаниям технологии глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием ВСУ, флотаторов и зернисто-намывных фильтров. Практическое внедрение разработанной

сокращения расходов промывной воды.

технологии было осуществлено на станции очистки производственных сточных вод ОАО «Пензидельмаш» г. Пензы производительностью 500 м3/сут. Из нефтеловушек стоки поступали в накопитель очистной станции, откуда насосом равномерно в течение 20 часов перекачивались на два многокамерных флотатора глубиной 2,0 м конструкции ЦНИИ МПС производительностью 12,5 м3/ч каждый. Очистка на каждой флотационной установке осуществлялась методом напорной флотации с рециркуляцией 50% очищенной воды, которая насыщалась воздухом через эжектор, установленный на байпасной линии насоса. Растворение воздуха осуществлялось в сатураторе объемом 0,6 м3 при давлении (3,5-4)-105 Па.

Подача коагулянта (полиоксихлорида алюминия) с дозами 38-45 мг/л производилась насосом-дозатором во всасывающей трубопровод подающего насоса, а подача флокулянта К-555 с дозами 5 мг/л - насосом- дозатором в гидроциклонный смеситель флотатора. Очищенный на флотационной установке сток самотеком поступал на фильтр с зернистой загрузкой го дробленого керамзита для удаления взвешенных веществ и собирался в резервуаре. Далее осветленная вода перекачивалась на напорные фильтры с активированным углем, где осуществлялась ее глубокая доочисткз от нефтепродуктов.

Эффект флотационной очистки стоков от нефтепродуктов был недостаточно высоким вследствие низкого газонасыщения (3-4 %) водовоздушной смеси, поступающей во флотационные камеры из сатуратора. Увеличение до 5 % относительного объема воздуха, поступающего в эжектор, приводило к срыву нормального режима работы рециркуляционного насоса.

Фильтр с керамзитовой загрузкой недостаточно эффективно удерживал взвешенные вещества, что приводило к их проскоку на фильтры с активированным углем и снижало их сорбционную емкость. При регенерации сорбцион-ных фильтров имел место вынос активированного угля вместе с отработанным паром и горячей водой (до 0,1-0,12 м3 с одного фильтра при каждой регенерации).

Для устранения вышеуказанных недостатков была сделана реконструкция очистной станции и внедрена схема (рис. 6), предусматривающая смешение 50%-ного рециркуляционного потока воды с воздухом, подаваемым компрессо-

ром 5 производительностью 1,5 м /ч в ВСУ первой ступени 6 и последующее диспергирование водовоздушной смеси в ВСУ второй ступени 7 с эмалевым ,¡2' ,13

.12 0

/

О

о7

4Г

/

43

/

ш

1

в оборотную

систему

водоснабжения

Рис. 6 Схема очистки производственных сточных вод ОАО «Пегадюельмаш» после реконструкции: 1 - подающий насос; 2 - гидрощшзонный смеситель; 3 - флотатор; 4 - водоприемный лоток; 5 - компрессор; 6, 7 - ВСУ первой и второй ступеней; 8 -рециркуляционный нзсос; 9 — каркасно-засыпной фильтр; 10 -промежуточный бак; 11 - насос подачи очищенной воды; 12,12- насосы-дозаторы коагулянта и флокулянта; 13 - насос-дозатор угольной пульпы

покрытием. Полученная водовоздушная смесь с гозокасыщением 20-24% под остаточным напором (без дросселирования) поступала в рабочие камеры флотатора 3. Предварительно очищенный сток из лотка 4 самотеком поступал на каркасно-засыпной фильтр (КЗФ) 9 с гравийно-песчаной загрузкой общей высотой 1,6 м. В трубопровод, соединяющий флотатор и КЗФ с помощью насоса-дозатора 13 подавалась угольная пульпа с дозой 10 мг/л. Подача угольной суспензии осуществлялась ежечасно в течение 10-15 мин. В качестве порошкообразного сорбента для приготовления пульпы использовался активированный уголь марки КАД-М. На фильтре 9 осуществлялась глубокая очистка воды как от взвешенных веществ, так и от нефтепродуктов при скорости фильтрования 1,5 м/ч. Результаты сравнительных испытаний ранее существующей и новой

технологий очистки производственных сточных вод ОАО «Пенздизельмаш» приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты сравнительных испытаний технологий очистки промышленных сточных вод

Показатели

Режим Концентра- Газона- Дозы Концентра- Дозы Концентра- Концентрация

работы ция загряз- сыще- коагу- ция загряз- ПАУ ция загряз- загрязнений

станции входе кие лянта, нений на мг/л нений на выходе из

очистки во флотатор флота- мг/л выходе из на выходе сорбционного

произво нефтепрод. цион- флотатора из фильтра с фильтра

дствен- взвесь ного нефтепрод. ДК нефтепрод..

ных мг/л объема, взвесь нефтепрод.. взвесь

сточ- % мг/л взвесь

ных вод мг/л

мг/л

1 2 3 4 5 6 7 8

До ре-

конст- 1*38 1,2-1,5 38-42 3.2-4.0 - 2.8-3.7 0.15-0.4

рукции 32-56 17,5-19 4-6 2,2-3,0

После 7,8-8,2

рекон- 19-34 18-20 3.0-3.8 10 - 0.15-02

струк- 34-55 15-17 1,5-2,5

ции

Примечание: ПАУ - порошкообразный активированный уголь; ДК - дробленый керамзит.

Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии очистки нефтесодержащих сточных вод на очистной станции ОАО «Пенздизельмаш» за счет сокращения расходов коагулянта и затрат на регенерацию фильтров до-очистки составил более 420 тыс. руб. в ценах 2008 г.. В пятой главе также рассмотрена методика расчета ВСУ и даны рекомендации по подбору насосного и компрессорного оборудования.

Основные выводы

1. На основе теоретического анализа литературных источников показано, что эффективность удаления нефтепродуктов из промышленных сточных вод методом флотации с применением реагентов в значительной мере определяется степенью дисперсности водовоздушной смеси и величиной ее газонасыщения.

2. Для экономии реагентов и создания мелкодиспергированной водовоздушной смеси с высоким газонасыщением (более 20 %) предложен и теории-

чески обоснован новый способ безнапорной флотации, предусматривающий использование вихревых смесительных устройств (ВСУ) с эмалевым покрытием, установленных на рециркуляционной линии флотатора. Получены расчетные формулы для нахождения технологических и конструктивных параметров ВСУ первой и второй ступеней, обеспечивающих требуемую степень диспергирования водовоздушных пузырьков при заданных реологических характеристиках гидросмеси.

3. Экспериментально доказано, что использование стеклсэмали для покрытия проточной части ВСУ второй ступени позволяет получать диспергированные пузырьки воздуха с диаметрами на 10 - 20 % меньшими по сравнению с пузырьками, полученными при пропуске водовоздушной смеси через неэмалированную проточную часть ВСУ за счет более высоких радиальных скоростей потока при меньших на потерях давления. Получены математические зависимости, адекватно описывающие закономернгости изменения радиальных скоростей движения водовоздушной смеси на входных участках ствола ВСУ второй ступени при различных расходных характеристиках потока и геометрических параметрах проточной части ВСУ.

4. Для создания высокодиспергированной водовоздушной смеси со средним диаметром пузырьков воздуха до 100 мкм наиболее рациональными, с точки зрения энергозатрат, являются режимы обработки, при которых обеспечиваются потери давления в эмалированном ВСУ второй ступени от 3,5-105 до 4,5-105 Па, а также радиальные скорости потока гидросмеси на входе и выходе из ствола ВСУ соответственно не менее 8,5 и 1,5 м/с. При конструировании проточной части ВСУ, отношение четырех гидравлических радиусов кольцевой проточной части ствола к его диаметру должно быть в пределах от 0,22 до 0,375.

5. Установлено, что применение ВСУ за счет более высокого газонасыщения водовоздушной смеси позволяет улучшить эффективность флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов на 5 -7 % и от взвешенных веществ на 10-12 % при меньших дозах коагулянта по сравнению с технологией напорной флотации. Получена математическая зависимость эффективности удаления из сточных вод нефтепродуктов в системе «ВСУ-флотатор» от доз

коагулянта и степени газонасыщения флотационного объема. Разработаны рекомендации по расчету вихревых смесительных устройств, а также насосного и компрессорного оборудования, входящего в состав флотационной установки.

6. Экспериментально доказаш высокая эффективность технологической схемы глубокой очистки нефтесодержащих нейтральных промышленных сточных вод, включающей флотатор с ВСУ и каркасно-засыпной фильтр с намывным слоем сорбента. Определены наиболее рациональные режимы фильтрования и ввода порошкообразного сорбента при доочистке сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ на зернисто-намывном фильтре.

7. Предложенная технология глубокого удаления нефтепродуктов из сточных вод внедрена на станции очистки промстоков ОАО «Пенздизельмаш» г. Пензы производительностью 500 м3/сут. Промышленное внедрение новой технологии позволило сократить дозы коагулянта при флотационной очистке более, чем в 2 раза и существенно уменьшить эксплуатационные затраты на до-очистку сточных вод за счет отказа от сорбционных фильтров с гранулированным активированным углем. Годовой экономический эффект от внедрения составил более 420 тыс. руб. (в ценах 2008 г.).

Основные положения и результаты диссертадионной работы изложены в следующих публикациях*:

1. Гришин, Л.Б. Реагентосберегающая технология очистки сточных вод локальных объектов / Б.М.Гришин, СЛО.Авдреев, М.В. Бикунова, Л.Б. Гришин // Экология и безопасность жизнедеятельности: Сб. материалов VI Международной научно-практической конференции. - Пенза. МНИЦ, 2006. - С. 85-86.

2. Гришин, Л.Б. Основные направления интенсификации процессов коагуляции природных и сточных вод / Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, Л.Б. Гришин C.B. Ишев П Окружающая среда и здоровье: Сб. статей III Всероссийской научно-практической конференции,- Пенза, МНИЦ ПГСХ, 2006. - С. 57-61.

3. Гришин, Л.Б. . Оценка эффективности работы новых конструкций гидродинамических устройств в различных схемах очистки сточных вод / Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, C.B. Максимова, Л.Б. Гришин, C.B. Ишев // Вода: проблемы и решения: Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Тюмень, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, 2007. - С. 76-80.

4. Гришин, Л.Б. Новая технология получения тонкодисперсных водовоздушных смесей и опыт ее использования при флотационной очистке сточных вод / С.Ю. Андреев, A.M. Исаева, Л.Б. Гришин, Е.А.Савицкий // - Пенза, ПГУАС, АОНН «Приволжский дом знаний», 2007. - С. 211-213.

5. Гришин, Л.Б. Использование крупнозернистых коалесцирующих загрузок для интенсификации процессов очистки нефтесодержащих сточных вод / С.Ю. Андреев, Б.М.Гришин, Т.В.Алексеева, Л.Б. Гришин // Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы: Сб. статей V Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, МНИЦ ПГСХА, 2007. - С. 13-14.

6. Гришин, Л.Б. Очистка нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ методами напорной и безнапорной флотации / Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, Т.В. Алексеева, Е.А. Савицкий, Л.Б. Гришин // Региональная архитектура и строительство. - Пенза, ПГУАС, 2007.-№2(3).-С. 59-66.

7. Гришин, Л.Б. Исследование работы вихревых смесительных устройств, применяемых в схемах флотационной очистки нефтесодержащих стоков / Л.Б. Гришин II Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: Сб. статей VIII Международной научно-практической конференции. -Пенза, Пенз. гос. ун-т архитект. и строит., АОНН «Приволжский дом знаний», 2008. -С. 86-88.

8. Гришин, Л.Б. Исследование вихревых смесительных устройств с эмалевыми покрытиями для интенсификации работы флотационных установок / С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, М.В. Бикунова, Л.Б. Гришин // Известия вузов. Строительство - 2008. - № 11-12-. - С. 43-49.

9. Гришин Л.Б. Опыт использования вихревых гидродинамических устройств для интенсификации флотационной очистки сточных вод / Л.Б. Гришин // Тез. докладов 60-й юбилейной республиканской научной конференции, - Казань. Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2008. - С. 161.

10. Гришин, Л.Б. Совершенствование конструкции вихревых смесительных устройств, используемых для интенсификации работы флотационных установок / С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, М.В. Бикунова, Л.Б. Гришин, C.B. Максимова // Вода. Проблемы и решения: Сб. докладов региональной научно-технической конференции. -Тюмень, ТюмГАСУ, 2008. - С. 93-99.

* Примечание. Жирным шрифтом выделены работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Совершенствование очистки нефтссодержащнх производственных сточных под Гришин Лео Борисович

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

Подписано к печати_Формат 60x84 1/16_

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

Издательство Пензенского государственного университета архитектуры и строительства Отпечатано о цехе оперативной полиграфии ПГУАС 44028, г.Пенза, ул.Г.Титова, 28.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ.

1.1 Источники образования, состав и свойства нефтесодержащих промышленных сточных вод.

1.2 Методы, схемы и оборудование для очистки нефтесодержащих сточных

1.2.1 Современные методы и схемы очистки нефтесодержащих сточных вод промпредприятий.

1.2.2 Основное оборудование, используемое для очистки нефтесодержащих стоков. Анализ работы флотационных установок, применяемых в реагентных и безреагентных схемах очистки.

1.2.3 Интенсификация процессов флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Обоснование аппаратурного оформления предлагаемой техноло

---гии глубокой очистки промышленных~сточных вод от нефтепродуктов.

Выводы.

Цель л задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ФЛОТАЦИИ И ПРЕДПОСЫЛКИ К РАСЧЕТУ ВИХРЕВЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ.

2.1 Теоретические основы очистки сточных вод от нефтепродуктов методами напорной и безнапорной флотации.

2.2 Диспергирование пузырьков воздуха в турбулентном потоке газожидкостной смеси, движущейся в стволе вихревого гидродинамического устройства.

2.3 Теоретические предпосылки к расчету вихревых гидродинамических устройств, работающих в схемах безнапорной флотации.

Выводы.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ СМЕСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ДИСПЕРГИРОВАННЫХ ВОДОВОЗ-ДУШНЫХ СМЕСЕЙ.

3.1 Объект исследований, программа и методика проведения лабораторных испытаний.

3.1.1 Объект исследований.

3.1.2 Описание установки для проведения лабораторных исследований.

3.1.3 Программы и методики проведения лабораторных исследований установки диспергирования водовоздушной смеси.

3.2 Результаты экспериментальных исследований работы вихревых смесительных устройств.

3.3 Оценка достоверности полученных экспериментальных данных. Разработка математической зависимости для определения радиальных скоростей движения водовоздушной смеси в стволе вихревого смесительного устройства.

Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ И СОРБЦИОННОЙ ДООЧИТСКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД.

4.1 Объект исследований, программа и методика проведения лабораторных экспериментов.

4.1.1 Объект исследований.

4.1.2 Интенсификация процессов флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Обоснование аппаратурного оформления предлагаемой технологии глубокой очистки промышленныхсточных вод от— нефтепродуктов.

4.1.3 Программы и методики проведения лабораторных исследований.

4.1.4 Методики химических анализов.

4.2 Результаты экспериментальных исследований флотационной очистки и глубокой доочистки нефтесодержащих стоков.

Выводы.

5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА. РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫБОРУ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВСУ.

5.1 Сравнительные производственные испытания технологий очистки производственных нефтесодержащих сточных вод.

5.2 Расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемой технологии глубокой доочистки промстоков.

5.3 Методика расчета конструктивных параметров ВСУ.

ВЫВОДЫ.

В связи с ростом промышленности в России все большую актуальность приобретают мероприятия, связанные с решением проблем охраны окружающей среды и рационального использования водных ресурсов на производстве.

Крупные предприятия теплоэнергетики и машиностроения относятся к водоемким объектам промышленности России, поэтому решение вопросов экономичного использования воды и обеспечения современных требований к качеству очистки сточных вод имеет важное значение и диктует необходимость постоянного совершенствования систем водоснабжения и водоотведения.

В области водоотведения промпредприятий одним из основных направлений научно-технического прогресса является внедрение высокопроизводительных методов и экономичных конструкций установок глубокой очистки стоков.

Значительное внимание при выполнении мероприятий экологического характера обращается на актуальную проблему очистки нефтесодержащих нейтральных производственных и производственно-ливневых сточных вод, которые после прохождения очистных сооружений могут сбрасываться в водоемы или использоваться в производственном водоснабжении, в том числе, для пополнения систем оборотного водоснабжения. Очистка таких сточных вод осуществляется механическими, физико-механическими и биологическими методами, используемыми как в качестве самостоятельных, так и в различных сочетаниях.

Одним из наиболее эффективных методов очистки промышленных нефтесодержащих стоков является метод флотации, который реализуется с использованием аппаратов и установок различных конструкций. Существенным фактором, влияющим на степень флотационной очистки сточных вод, является способ приготовления газожидкостной смеси, подаваемой во флотатор. Разработка смесителей нового типа, создающих водовоздушную смесь требуемого газонасыщения и дисперсного состава, позволяет экономично и эффективно осуществлять процесс флотации.

В качестве таких смесителей могут быть использованы компактные вихревые смесительные устройства (ВСУ), простые в эксплуатации и не требующие значительных затрат при изготовлении.

Увеличение степени очистки воды от взвешенных веществ и нефтепродуктов на флотационных установках позволяет существенно улучшить условия работы фильтров доочистки, что, в свою очередь, обеспечивает снижение уровня загрязняющих компонентов до требований, предъявляемых к воде, используемой для подпитки оборотных систем промышленного водоснабжения. Снижение эксплуатационных затрат при обслуживании фильтров доочистки также является актуальной проблемой, связанной, с экономической эффективностью работы станций очистки промстоков. В связи с этим значительный интерес представляют исследования зернистых фильтров с намывным слоем сорбента, позволяющих одновременно удалять из воды как взвешенные вещества, так и нефтепродукты.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках «Программы социально-экономического развития Пензенской области на 2062-2010 г.г.», в которой важное место отведено совершенствованию систем водоотведения промышленных предприятий. '

Целью диссертации является разработка и исследование вихревых смесительных устройств (ВСУ), обеспечивающих повышение эффективности процесса флотации, а также создание энерго-и реагентосберегающей технологии глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием ВСУ, флотационных установок и зернисто-намывных фильтров.

Научная новизна работы заключается:

- в теоретическом и экспериментальном обосновании реагентосбере-гающего способа интенсификации безнапорной флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с применением вихревых смесительных устройств;

- в определении степени влияния конструктивных и технологических характеристик ВСУ на процесс реагентной флотационной-очистки нейтральных промышленных стоков от нефтепродуктов;

- в получении математических моделей, устанавливающих зависимости между гидродинамическими характеристиками и конструктивными параметрами ВСУ, а также эффективности удаления из стоков нефтесодержащих примесей для системы «ВСУ-флотатор» от доз реагентов и степени газонасыщения флотационного объема;

- в теоретическом и экспериментальном обосновании создания технологий глубокой очистки нефтесодержащих стоков с использованием каркасно-засыпных фильтров с намывным слоем сорбента, флотаторов и вихревых смесительных устройств.

Практическая значимость диссертации.

1. Предложен и апробирован в промышленных условиях новый реагентосберегающий способ повышения эффективности безнапорной флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием ВСУ.

2. Разработаны конструкции ВСУ, а также даны рекомендации к расчету - и проектированию устройств, входящих в предлагаемую технологию безнапорной флотационной очистки промышленных стоков от нефтепродуктов.

3. Предложена к реализации в промышленных условиях технологическая схема глубокой очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием каркасно-засыпных фильтров с намывным слоем сорбента, флотаторов и ВСУ, позволяющая осуществить подготовку воды для подпитки систем оборотного водоснабжения с низкими эксплуатационными затратами.

Практическая реализация.

Разработанная энерго- и реагентосберегающая технология флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод с их последующей доочисткой на зер-нисто-намывных фильтрах внедрена на очистной станции промышленной канализации ОАО «Пенздизельмаш» производительностью 500 м3/сут. Подтвержденный годовой экономический эффект от внедрения составил более 420 тыс. руб. в ценах 2008 г.

Апробация работы и публикации.

По материалам диссертации опубликованы 10 работ, в том числе 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК. Получено положительное решение по заявке на патент № 200713540/15 (038699) от 24.09.2007 «Способ перемешивания жидкости». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 8 региональных, всероссийских и международных конференциях в г.г. Пензе, Казани, Тюмени в 2006-2008 г.г.

ВЫВОДЫ:

1. На основе теоретического анализа литературных источников показано, что эффективность удаления нефтепродуктов из промышленных сточных вод методом флотации с применением реагентов в значительной мере определяется степенью дисперсности пузырьков водовоздушной смеси и величиной ее газонасыщения.

2. Для экономии реагентов и создания мелкодиспергированной водовоздушной смеси с высоким газонасыщением (более 20 %) предложен и теоретически обоснован новый способ безнапорной флотации, предусматривающий использование вихревых смесительных устройств (ВСУ) с эмалевым покрытием, установленных на рециркуляционной линии флотатора. Получены расчетные формулы для нахождения технологических и конструктивных параметров ВСУ^первой и второй ступенейТобеспечивающих требуемую степень диспергирования воздушных пузырьков при заданных реологических характеристиках гидросмеси.

3. Экспериментально доказано, что использование стеклоэмали для покрытия проточной части ВСУ второй ступени позволяет получать

-диспергированные'пузырьки-воздуха с диаметрами на 10 - 20*% меньшими по * сравнению с пузырьками, полученными при пропуске водовоздушной смеси через неэмалированную проточную часть ВСУ за счет более высоких радиальных скоростей потока при меньших на потерях давления. Получены математические зависимости, адекватно описывающие закономерности изменения радиальных скоростей движения водовоздушной смеси на входных участках ствола ВСУ второй ступени при различных расходных характеристиках потока и геометрических параметрах проточной части ВСУ.

4. Для создания высокодиспергированной водовоздушной смеси со средним диаметром пузырьков воздуха до 100 мкм наиболее рациональными, с точки зрения энергозатрат, являются режимы обработки, при которых обеспечиваются потери давления в эмалированном ВСУ второй ступени от 3,5-105 до 4,5-105 Па, а также радиальные скорости потока гидросмеси на входе и выходе из ствола ВСУ соответственно не менее 8,5 и 1,5 м/с. При конструировании проточной части ВСУ, отношение четырех гидравлических радиусов кольцевой проточной части ствола к его диаметру должно быть в пределах от 0,22 до 0,375.

5. Установлено, что применение ВСУ за счет более высокого газонасыщения водовоздушной смеси позволяет улучшить эффективность флотационной очистки сточных вод от нефтепродуктов на 5 -7 % и от взвешенных веществ на 10-12 % при сокращении доз коагулянта в 2 раза по сравнению с технологией напорной флотации. Получена математическая зависимость эффективности удаления из сточных вод нефтепродуктов в системе «ВСУ-флотатор» от доз коагулянта и степени газонасыщения флотационного объема. Разработаны рекомендации по расчету вихревых смесительных устройств, а также насосного и компрессорного оборудования, входящего в состав флотационной установки.

--6Экспериментально ~доказана~высокая эффективность технологической схемы глубокой очистки нефтесодержащих нейтральных промышленных сточных вод, включающей флотатор с ВСУ и каркасно-засыпной фильтр с намывным слоем сорбента. Определены наиболее рациональные режимы фильтрования и ввода порошкообразного сорбента при доочистке сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ на зернисто-намывном фильтре.

7. Предложенная технология глубокого удаления нефтепродуктов из сточных вод внедрена на станции очистки промстоков ОАО «Пенздизельмаш» г. Пензы производительностью 500 м /сут. Промышленное внедрение новой технологии позволило сократить расход коагулянта, улучшить качество флотационной очистки, а также значительно уменьшить эксплуатационные затраты на доочистку сточных вод за счет отказа от сорбционных фильтров с гранулированным активированным углем. Годовой экономический эффект от внедрения составил более 420 тыс. руб. (в ценах 2008 г.).

133

1. Аделыпин А.Б., Урмитова Н.С. Использование гидродинамических насадок с крупнозернистой загрузкой для интенсификации очистки нефтесодержащих сточных вод.-Казань. :1СГАСА, 1977.-249 с.

2. Аделыпин А.Б.Энергия потока в процесах интенсификации очистки нефтесодержащих сточных вод.Казань:КГАСА, 1996.-200 с.

3. Алексеева Т.В. Разработка технологии очистки замазученных сточных вод с использованием метода безнапорной флотации. Дисс. канд.техн. наук. — Пенза, ПГАСА, 2003.

4. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Бикунова М.В., Гришин Л.Б. Исследование вихревых смесительных устройств с эмалевыми покрытиями для интенсификации работы флотационных установок. «Известия вузов. Строительство», № 11-12- 2008. — с.

5. Аракчеев Е.П., Покровский В.Н. О выборе режимов безреагентной флотации.- Труды МЭН, 1971, вып.83, с. 161-163.

6. А.с. № 1039889 (СССР) Устройство для очистки нефтесодержащих вод. /С.И.Мороз, Д.Д.Мягкий, Б.Д. Педяш, Т.Д.Сенина, Э.Ю.Панкратова.- Опубл. в Б.И.№ 33, 1983.

7. А.с.№ 994423 (СССР). Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод./В.Н. Красновский, Ф.И.Мутин. Опубл. В Б.И.№ 95, 1983.

8. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977.

9. Бекляева З.Г. Очистка сточных вод от нефтепродуктов электрофлотацией. В кн.: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. Научно-технический реферативный сборник, № 5.-М.:ВНИИОЭНГ, 1978, с.32-35.

10. Белоглазов К.Ф. Закономерности флотационного процесса.-А.:Металлургиздат, 1947.

11. Богданов В.Ф., Евсеева О.Я., Заславский Ю.А. Флотационная водоочистка с применением струйной аэрации.-Владивосток.:Дальневосточный университет, 1991.

12. Броунштейн Б.И., Железняк А.С. Физико-химические основы жидкостной экстракции.-М.:Химия, 1966.

13. И.Вознесенский В.Н.,Лядов В.В., Кулишев А.В. Локальные очистные сооружения с нефтеулавливающими устройствами. Экология и промышленность России, 2002, № 1, с.20-22.

14. Гвоздев В.Д., Ксенофонтов Б.С. Очистка производственных сточных вод и утилизация осадка.- М .: Химия, 1988.

15. Глембоцкий В.А., Классен В.И.Флотация. М.: Недра, 1973.-384 с.

16. Годен A.M. Флотация. М.: Госгортехиздат, 1959.

17. Гришин Б.М., Андреев С.Ю., Алексеева Т.В., Савицкий Е.А., Гришин Л.Б. Очистка нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ методами напорной и безнапорной флотации. «Региональная архитектура и строительство»,— Пенза, ПГУАС, 2007 г. №2 (3). с. 59-66.

18. Гусар Ф.Г. Источники загрязнений нефтепродуктами сточных вод тепловых электростанций и методы их очистки.- В кн.: Очистка сточных вод наэлектростанциях.- М.:Энергия,-1972-.Сг16-20.---

19. Гусар Ф.Г. Технико-экономический анализ эффективности очистки от нефтепродуктов сточных вод электростанций.- Электрические станции, 1979, № 6, с.9-10.

20. Демидочкин В.В. Совершенствование систем подачи и распределения -воды с-применением труб,-покрытых-эмалью.- Автореф. дисс. канд.'техн. наук — Пенза, ПГАСА, 2000.

21. Демура М.В. Тонкослойные отстойники. Киев, Будивельник, 1982.50 с.

22. Дерягин Б.В., Прохоров А.В. Уточненная теория гомогенной конденсации и ее сравнение с опытом.-М.:ДАН СССР, 1972.

23. Дерягин Б.В., Духин С.С., Рулев Н.Н. Теоретические основы и контроль процессов флотации.-М.:Недра, 1980.

24. Дерягин Б .В., Духин С.С., Рулев Н.Н. Микрофлотация.-М.:Химия,1986.

25. Евилевич М.А., Брагинский Л.Н. Оптимизация биохимической очистки сточных вод.-Л.:Стройиздат, 1979.

26. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. — М.: Машиностроение, 1987.

27. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах.-Львов: Выщашкола, 1982.-120 с.

28. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И. Д. Методы очистки производственных сточных вод.-М.:Стройиздат, 1977.-208 с.

29. Запольских А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды.-Л.: Химия, 1987.

30. ЗО.Захаров С.А. Очистка сточных вод нефтебаз.-Экология и промышленность России, 2002, № 1, с.35-37.

31. Зельдович Я.Б. К теории возникновения новой фазы. Кавитация.-ЖЭТФ, № 11, 1942.

32. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. МЛ.: Госэнергоиздат, 1960.

33. Казанский В.Н. К вопросу об очистке замазученных вод на электростанциях.- Электрические станции, 1969, № 10, с.86.

34. Калинийчук- Е.М.Очистка сточных—вод нефтеперерабатывающихзаводов от эмульгированных нефтепродуктов электрокоагуляцией и электро-флотацией.-М.:ЦНИИТЭНефтехим, 1975, вып.4.-47 с.

35. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. Справочник проектировщика./Под ред.Самохина В.Н.-М.:Стройиздат, 1981.639 с.

36. Карабасов Ю.С., Самыгин В.Д. и др. Флотационная очистка сточных вод в реакторе сепараторе. Экология и промышленность России, 2005, №9.

37. Караваев И.Н., Резник Н.Ф. Флотационная очистка сточных вод от нефтепродуктов. М.гЦНИИТЭ нефтехим, 1966.

38. Карелин Я.А. и др. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов.-М.: Стройиздат, 1982.-183 с.

39. Карпинский Ю.И. Очистка нефтесодержащих вод морских судов в аппаратах со сложным силовым полем.-Автореф. Дисс.канд.техн. наук.-Л.ЛКИ, 1977.-25 с.

40. Карпухина Р.Н. Очистка мазутосодержщих сточных вод.-Обзоры по межотраслевой тематике. Сер. УП.-М.:ГОСИНТИ, 1969.

41. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.-М.:Химия, 1974.

42. Кафаров В.В., Глебов М.Е. Математическое моделирование основных процессов химических производств.-М.:Высшая школа, 1991.

43. Кафаров В.В. Основы массопередачи.-М.:Высшая школа, 1972.

44. Киреев В.А. Курс физической химии.-М.:Химия, 1975.

45. Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теорию флотации.-М.:Госгормехиздат, 1959.

46. Клейтон С. Эмульсии, их теория и технические применение.-М.:Иностранная литература, 1960.

47. Краснобородько И.Г., Светашова Е.С. Электрохимическая очистка сточных вод.-Л.: ЛИСИ, 1978, 899 с.

48. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод, флотация и сгущение осадков. -М.:Химия, 1992.

49. Кутателадзе С.С. ,Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования.-М.:Энергия, 1966~

50. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем.-М.:Энергия, 1976.51 .Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике.-Новосибирск. :Наука,1982.

51. Лавров И.С. Практикум по коллоидной химии.М.:Высшая школа,1983.

52. Левин Л.М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей.-М.:АН СССР, 1967.

53. Левченко Д.Н., Бергштейн Н.В. и др. Эмульсии нефти с водой и методы их разрушения.-М.:Химия, 1967.-198 с.

54. ЛевичВ.Г. Физико-химическая гидродинамика.-М.:Физматгиз, 1959.

55. Липатов С.М. Физико-химия коллоидов. М., Л.: Госхимиздат, 1948.

56. Малиновский М.А. Флотационные методы обогащения полезных ископаемых. М.:ВЗПИ, 1960.

57. Мацнев А.И. Очистка сточных вод флотацией. Киев. Будивельник, 1976.-132 с.

58. Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины.- М.: Недра, 1972.-250 с.

59. Мясников И.Н., Пономарев В.Г., Ермолов Г.М. Сооружения и схемы очистки сточных вод НПЗ и НХЗ за рубежом. М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1981, -42с.

60. Мясников И.Н., Потанина В.А. и др. Очистка нефтесодержащих сточных вод с применением реагентов.- Водоснабжение и санитарная техника, 1999, № 1, с.8-9.

61. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря судами.-М.:Транспорт, 1979.

62. Патент США № 3931019, кл. В01Д 25/22, 1976.

63. Перевалов В.Г., Алексеева В.А. Очистка сточных вод нефтепромыслов.- М.:Недра, 1969.

64. Перепелкин К.Е., Матвеев B.C. Газовые эмульсии.-Л.:Химия, 1979.

65. Плаксин И.Н., Классен В.И., Бергер Г.С. О кинетических уравнениях флотационного процессаг-ТДветные металлы~1954т~№'4:

66. Пономарев В.Г., Иоакимис Э.Г., Монгайт И.Л. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов.- М.: Химия, 1985.-256 с.

67. Пономарев В.Г. Очистка производственных сточных вод от грубодиспергированных примесей. Дисс. доктора техн. наук. — М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1993 225 с.

68. Попкович Г.С., Герин Б.Н. Системы аэрации сточных вод.-М.:Стройиздат, 1986.

69. Пушкарев В.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих сточных вод.-М.:Металлургия, 1980.-200 с.

70. Ребиндер П. А. Физикохимия флотационных процессов.-М.: Металлургиздат, 1933.

71. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Избранные труды.-М.:Наука, 1978.-368 с.

72. Резник Н.Ф. Очистка от нефтепродуктов производственных и балластных вод железнодорожного и морского транспорта методом напорной флотации.-Автореф. Дисс.канд.техн.наук.-М.:НИИЖТ, 1968.-16 с.

73. Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка вод и вторичное использование продуктов.-М.:Недра, 1987.-224 с.

74. Розенцвайг А.К., Пергушев Л.П. Коалесценция концентрированных мелкодисперсных эмульсий при турбулентном перемешивании. Инженерно-физический журнал, 1981, т.40, № 6.-С.1013-1018.

75. Рулев Н.Н., Дерягин Б.В., Духин С.С. Кинетика флотации мелких частиц коллективом пузырьков.-Коллоид.журн., 1977, т.39,№ 1.

76. Рулев Н.Н. Эффективность захвата частиц пузырьком при безинерционной флотации. Коллоид.журн., 1978,т.40,№ 5.

77. Рулев Н.Н., Карасев С.В. Гидродинамическое разрушение дисперсных систем.-Химия и технология воды. 1990, т. 12. № Ю.-с 887-890.

78. Семенов Н.Н. Химическая физика. Физические основы химических превращений. М.: Знание, 1978.

79. Скирдов И.В., Пономарев В.Г. Очистка сточных вод в гидроциклонах. -М.: Стройиздат, 1975.-176 с.

80. Смирнов А.Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1982.

81. Смирнов Б.И., Розенцвайг А.К. Исследования методов очистки сточных вод с использованием гидродинамических эффектов. Труды ТатНИПИнефть, 1977. Вып.35.-с.327-334.

82. Стахов Е.А., Акульшин В.А., Петрушин Е.Д. Очистка сточных вод ТЭЦ от мазута на вертикальной флотационной установке. В кн.

83. Водоподготовка, водный режим и химконтроль на порошковых установках. Вып.б.М.: Энергия, 1978, с.175-180.

84. Стахов Е.А. Руководство по расчету и применению напорных флотационных установок для очистки мазутных сточных вод на объектах Минобороны.-М.: ЛВВИСКУ, 1981.

85. Стахов Е.А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов.-Л.:Недра, 1983.-263 с.

86. Тронов В.П., Розенцвайг А.К. Интенсификация расслоения эмульсии укрупнением диспергированной фазы в турбулентном режиме. Труды Тат НИПИ нефть, 1974.Вып.-29.-с.21-31.

87. Тронов В.П., Розенцвайг А.К. Коалесценция дисперсной фазы жидкостных эмульсий при движении в турбулентном режиме. ЖПХ, т.49, № 1, 1976.-c.231-232.- 92.-Тронов В.ПгРазрушение эмульсии при добыче нефти^М.Шедра, 1977.

88. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы.-М.:Химия, 1989.

89. Фрумкин А.Н. Физико-химические основы теории флотации.-М.:АН СССР, 1932.95.'Фукс М;А: Механика аэрозолей.-М.:АН СССР, 1955.

90. Чантурия В.А., Шафеев Р.Ш. Химия поверхностных явлений при флотации. М.: Недра, 1977.

91. Шабалин А.Р. Оборотное водоснабжение промышленных предприятий.-М.: Стройиздат, 1972.

92. Швецов В.Н. и др. Современные технологии биологической очистки нефтесодержащих сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, 2002, №3.

93. Швецова В.П., Логинова Л.П. Изыскание дешевых фильтрующих материалов для очистки нефтесодержащих сточных вод ТЭС.-Труды ВТИ. Уральский филиал. Челябинск, 1977, вып. 17, с. 167-171.

94. Шестов Р.Н. Гидроциклоны.-Л. Машиностроение, 1967.-183 с.

95. Шимкович В.В. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий (анализ зарубежного опыта).- М.: ЦНИИТЭ1. Нефтехим, 1973.-66 с.

96. Шмидт Л.И. О механизации процесса очистки сточных вод напорной флотацией.- Журнал прикладной химии, № 11, 1970.

97. Шмидт Л.И., Кносетов В.В. Исследование процесса очистки сточных вод напорной флотацией.-Водоснабжение и санитарная техника, 1972, № 1, с.16-18.

98. Юдилевич М.М. Определение содержания нефтепродуктов в производственных сточных водах.-М.:Энергия, 1972.

99. Яковлев С.В.,Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных сточных вод.-М.: Стройиздат, 1979.-320 с.

100. Alder. P. М. Heterocoagulation in shear flow. Ybid, 1981, 83. № 1 -p. 106-115.

101. Al-Shamrani A., James A., Xiao H., Destabilisation of oil-water emulsions and separation by dissolved air flotation// Water ReseafcK720027V. 36. 6.

102. Arnold S.R., Grubb T.P., Harvey P.J. Recent applications of dissolved air flotation pilot studies and full scale design// Water Science and Technology. 1995. V. 31. 3 4.

103. Charles G.E., Mason SJCoalescence of liquid drops with feat liquid interfaces.Journ of Colloid Soi, 1968, № 15, p.237-267.

104. Chiloch., Sideman S., Resnik W. Coalescence and breakup in dilute polydispersious. Canadian J. Of Chem. Endud. 1973, vol. 51, № 5. P.542 - 549.

105. Curtis A. S., Hocking L. M. Collision efficiency of equal spherical particles in shear flow. Traus. Faraday Soc. 66, № 9570. - p. 1381 - 1390.

106. Higashitani K., Ogawa R., Hosokowa G, Matsuno Y. Kinetic theory of shear coagulation for particles in a viscous fluid. Journ. Of Chem. Eng. Jap. 1982. — 15. №4.-p. 299-304.

107. Jameson G.J. Hydrophobicity and floe density in induced-air flotation for water treatment. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 1999. V. 151. 1-2.

108. Ward. J. P., Turbulent flow of unstable liquid liquid dispersion drop sizes. - A. Y. Ch. E. Journal, 1967, 13 № 2, 336.