CC BY
41С.В. Васькин, М. С. Дмитриева
Определение и анализ удельных характеристик судовых систем для очистки сточных и...
УДК 502.3; 656.6
С.В. Васькин, доцент, к.т.н. ФГБОУВО «ВГУВТ» М.С. Дмитриева, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ УДЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ И НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД
Ключевые слова: внесудовая очистка, судовые отходы, проектирование судов экологического назначения, удельные характеристики судовых систем
Процесс очистки нефтесодержащих и сточных вод может осуществляться на вне-судовых природоохранных средствах. В данной статье рассмотрены достоинства и недостатки водоочистного оборудования, расположенного на судах комплексной переработки отходов (СКПО). Даны рекомендации по использованию судовых установок очистки нефтесодержащих и сточных вод.
При эксплуатации судов образуются различного вида отходы, в том числе сточные (СВ) и нефтесодержащие воды (НВ). Согласно Приложению IV к Международной Конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78), пересмотренного резолюцией MEPC.102(48) под термином «Сточные воды» понимаются стоки и прочие отходы из всех типов туалетов и писсуаров, стоки из медицинских помещений, из помещений, в которых содержатся живые животные, а также прочие сточные воды, если они смешаны с перечисленными выше стоками. Аналогичные определения содержатся и в Правилах Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС) и Российского Речного Регистра (РРР). Термин «Нефтесодержащие воды» Правилами РРР трактуется как «смесь воды с любым содержанием нефти», а «Нефть» - как «нефть в любом виде, включая сырую, жидкое топливо, нефтяные остатки (шлам), нефтяные осадки и очищенные нефтепродукты». В Приложении I к Конвенции МАРПОЛ 73/78, а также Правилах РМРС термин «Нефтесодержащие воды» отсутствует. В этих нормативных документах содержится термин, который имеет аналогичное практическое значение - «Льяльная нефтесодержащая вода», т.е. вода, которая может содержать нефть в результате её эксплуатационных утечек или обслуживания механизмов в машинных помещениях. Любая жидкость, поступающая в льяльную систему, включая льяльные колодцы, трубопроводы льяльной системы, льяла, танки льяльных вод, рассматривается как льяльная нефтесодержащая вода [1].
Выбор способа переработки вышеперечисленных отходов (непосредственно на борту судна или путём сдачи их на внесудовые природоохранные средства) определяется типом судна и районом его эксплуатации с учетом требований к сбросу, содержащихся в нормативных документах. Как показывает практика, для судов, которые эксплуатируются на внутренних водных путях РФ, более предпочтительным является способ сдачи отходов на внесудовые природоохранные средства. К ним относят береговые очистные сооружения, суда-сборщики или суда комплексной переработки отходов (СКПО). Это объясняется как экономическими соображениями, так и жёсткими требованиями к сбросу даже обработанных в судовых установках СВ и НВ в природоохранных зонах водных объектов.
Схема приёма и переработки сточных и нефтесодержащих вод на СКПО в общем случае описывается следующим образом: поступающие с судов СВ и НВ направляются в сборные ёмкости. Затем насосами загрязнённая вода подаётся на соответствующее водоочистное оборудование. Очищенная и обеззараженная вода сливается за борт или при нахождении СКПО в границах особо охраняемых водных объектов, переда-22
ётся на береговые сооружения для более глубокой очистки. Выделенные из воды в виде осадка механические загрязнения поступают в устройство обезвоживания и потом в блок отделённых отходов [2].
Суда комплексной переработки отходов в соответствии со своим назначением оснащаются рядом специализированных устройств, оборудования и систем. К ним относятся устройства и оборудование для приёма отходов и их промежуточного накопления, установки для очистки и обеззараживания сточных вод (ООСВ), установки для очистки нефтесодержащих вод (ОНВ), инсинераторы, оборудование для обезвоживания шлама и подготовки смеси отходов к сжиганию и т.д. [2, 3].
Масса специализированного оборудования, особенно с учётом массы подлежащей очистке воды, может являться заметной частью составляющих нагрузки масс. Это необходимо учитывать при проектировании судов такого типа. Данная масса будет зависеть от среднесуточного количества принимаемых для переработки сточных и нефтесодержащих вод, а также от методов их очистки (физико-химические или биохимические), реализованных в установках ООСВ и ОНВ. Кроме того, на нагрузку масс проектируемого судна влияют производительность и тип водоочистного оборудования. Увеличение габаритных размеров специализированного оборудования ведёт к росту размеров судна и, как следствие, к росту массы его корпуса. Природоохранные системы с большим энергопотреблением требуют установки более мощных (и более тяжелых) дизель-генераторов, а также увеличения вместимости судовых топливных цистерн. Отдельного рассмотрения требует расчет вместимости сборных цистерн СКПО для приема и временного хранения сточных и нефтесодержащих вод. Вместимость таких цистерн зависит от типа и количества обслуживаемых в течение суток транспортных судов и также может составлять значительную долю в нагрузке масс судов природоохранного назначения. Так масса груза (сточно-фановых и нефтесодержащих вод) в сборных танках СКПО проекта Р164М составляет 184 т или 27...33% от водоизмещения судна в зависимости от проектной осадки.
Исходя из сказанного выше, для установления величины соответствующей составляющей нагрузки масс, представляется целесообразным изучение связи массога-баритных и энергоёмкостных характеристик судовых установок ООСВ и ОНВ с их производительностью. Необходимо учитывать и метод очистки, который используется в рассматриваемом оборудовании. Установление сборных цистерн необходимой вместимости на СКПО может быть получено методами имитационного моделирования.
В судовых установках и на береговых очистных сооружениях применяются практически одни и те же методы и технологии для очистки нефтесодержащих и сточных вод. При этом судовое водоочистное оборудование обладает особенностями, связанными с требованиями классификационных обществ к конструкции и материалам, а также спецификой норм проектирования такого оборудования. Поэтому при изучении характеристик должны рассматриваться только установки ООСВ и ОНВ, предназначенные для работы в судовых условиях и имеющие соответствующие сертификаты того или иного классификационного общества.
Производительность СКПО по перерабатываемым отходам будет зависеть от района эксплуатации таких судов, который характеризуется интенсивностью судоходства, а также типом и размерами эксплуатирующихся в нём судов. Очевидно, что с учетом многочисленности и разнообразия внутренних водных путей на территории РФ эта производительность может варьироваться в очень широких пределах.
Для очистки нефтесодержащих вод в судовых установках используются механические и физико-химические методы. В судовых установках для очистки и обеззараживания сточных вод удаление грубодисперсных взвесей в очищаемой воде осуществляется при помощи механических методов. Снижения содержания в этих водах растворенной органики, характеризуемой такими показателями как химическое потребление кислорода (ХПК) и биохимическое потребление кислорода (БПК), добиваются
С.В. Васькин, М. С. Дмитриева
Определение и анализ удельных характеристик судовых систем для очистки сточных и...
использованием как физико-химических, так и биохимических (биологических) методов. Рассмотрим особенности, присущие указанным методам.
Физико-химическая очистка стоков осуществляется с помощью физических (осаждение, фильтрация, адсорбция, флотация) и химических (нейтрализация, окисление, озонирование) процессов. Установки, основанные на физико-химическом методе очистки сточных вод, имеют следующие достоинства:
- возможность быстрого запуска/остановки, что позволяет отключать установку при нахождении судна в районах, где сброс необработанных сточных вод не запрещается;
- высокая производительность ввиду кратковременности процесса очистки и, как следствие, хорошие массогабаритные показатели;
- слабая зависимость показателей очистки от солёности и температуры стоков, содержания химических веществ и дисперсности взвешенных веществ;
- способность полной автоматизации процесса очистки и обеззараживания;
- возможность регулирования качества очистки;
- возможность обработки не только сточных, но и хозяйственно-бытовых вод.
Указанным установкам присущи следующие недостатки:
- степень снижения загрязнения сточных вод взвешенными веществами и органикой, выраженная через БПК, ниже, чем в установках биологического действия;
- количество шлама, образующегося при физико-химической обработке стоков, достигает 5 ... 10 % количества обрабатываемых сточных вод, что требует решения вопроса о сборе и утилизации или сбросе шлама;
- необходимость сложных систем автоматики [4, 5].
Примером оборудования для физико-химической очистки сточных вод служат установки «СТОК», «ЭОС» (Россия); BЮCON (Греция); «Нептуматик» (Швеция) и др.
В установках, работающих на основе биохимических методов очистки, в результате жизнедеятельности различных микроорганизмов загрязнения разлагаются до неорганических соединений (азот, аммиак, двуокись углерода, вода и др.). Основу данной установки составляет бак, который разделён на три герметизированных отделения: аэрационное, отстойное и дезинфекционное. Сточные воды поступают в аэраци-онное отделение, где они подвергаются воздействию аэробных бактерий. Их деятельность поддерживается благодаря атмосферному кислороду при прокачке воздуха через аэрационное отделение. Затем вода направляется в отстойное отделение, в котором полученный в результате воздействия бактерий ил выпадает в осадок. Очищенная вода попадает в дезинфекционное отделение и хлорируется, при этом погибают оставшиеся в воде бактерии. Ил в отстойном отделении всё время накапливается. Раз в 2...3 месяца ил удаляют. В судовых установках биохимический процесс очистки интенсифицирован за счёт поддержания высокой активности микроорганизмов, в том числе путём выращивания в аэрационных танках активного ила [6].
Установки, работающие на принципе биохимической очистки, имеют следующие достоинства:
- обеспечивают высокую степень очистки от взвешенных веществ и значительное снижение БПК. Это позволяет использовать установки в районах, где требования к показателям очистки наиболее высокие;
- имеют блочную конструкцию, что облегчает монтаж установки на судне;
- достигается высокая степень разложения органических веществ в стоках, поэтому не требуется частого удаления шлама ввиду малого количества его образования после очистки сточных вод;
- процесс очистки полностью автоматизирован. Со стороны обслуживающего персонала необходимо только обеспечение контроля за состоянием активного ила.
Недостатки, присущие этим установкам, следующие:
- необходимость равномерной подачи сточных вод на установку с целью получения паспортных показателей очистки, При перегрузке происходит развитие в актив-
ном иле микрофлоры бактерий, что приводит к вспуханию ила, а при недостатке стоков наблюдается гибель микроорганизмов и, как следствие, нарушение работы установки;
- длительность процесса очистки. Поскольку время биологической очистки составляет 24 ч, то объём установки не может быть меньше суточного образования сточных вод По этой причине в таких установках полной обработке подвергаются, как правило, сточные воды, а хозяйственно-бытовые воды - только обеззараживанию;
- процесс очистки восприимчив к изменениям солёности и температуры стоков, содержанию химических веществ и дисперсности взвешенных веществ. Повышение солёности воды (свыше 20 г/л) может привести к нарушению процесса биохимической очистки. Изменение температуры стоков на 10° С замедляет (при понижении) или интенсифицирует (при повышении) процесс разложения загрязнений в 2.3 раза. Такие вещества как жир, минеральные масла и другие нефтепродукты, ПАВ, ядовитые и моющие вещества могут привести к нарушению работы установки или даже к гибели активного ила;
- невозможность быстрого ввода установки в действие. При вынужденном выводе её из эксплуатации в последующем требуется 7.12 суток для выращивания активного ила и получения устойчивых показателей очистки [4, 5].
К оборудованию для биохимической очистки относятся установки «Био-Ком-пакт», «Кареа», «Кларимар» (Германия); «СТП», «Юнекс-Био» (Финляндия); «SWCM» (Китай) и др.
Для установления зависимостей массы, размеров и мощности от производительности судового оборудования для обработки СВ и НВ были собраны и проанализированы характеристики 82 установок ОНВ и 164 ООСВ, имеющих сертификаты РМРС и РРР. Собранные данные по некоторым установками содержали не полную информацию. Поэтому было решено использовать только характеристики тех установок, информация по которым была наиболее полной.
На рисунках 1-3 представлены удельные массогабаритные и энергоёмкостные характеристики различных установок очистки сточных и нефтесодержащих вод, как отечественного, так и зарубежного производства, в зависимости от производительности. Из рисунков видно, что анализируемые данные подчиняются следующей зависимости: с уменьшением производительности отношение массы / мощности / объёма установки к объёму очищаемых в сутки СВ или НВ растёт.
Все данные, представленные на рисунках 1-3, были аппроксимированы степенной функцией вида:
у = ах , (1)
где у - удельная характеристика установки, х - её производительность, а и Ь - коэффициенты аппроксимации.
Аппроксимация была выполнена методом наименьших квадратов [7]. Коэффициенты корреляции регрессионных зависимостей находятся в пределах 0,82-0,95. Это указывает на тесную связь рассматриваемых удельных характеристик с производительностью [8] и то, что предложенная зависимость (у = ахЬ) хорошо описывает собранные данные.
С.В. Васькин, М.С. Дмитриева
Определение и анализ удельных характеристик судовых систем для очистки сточных и.
в)
0,4
0,3
0 50 100 150 200 250
О, м3/сут
а)
50 100 150 200 250
О, м3/сут б)
О 50 100 150 200 250
О, м3/сут
в)
Рис. 1. Зависимость удельной массы (а), мощности (б) и объёма (в) установок для очистки нефтесодержащих вод от их пропускной способности
О 40 80 120 150
Ог м^/сут
в)
Рис. 2. Зависимость удельной массы (а), мощности (б) и объёма (в) установок для физико-химической очистки сточных вод от их пропускной способности
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:
1. С увеличением производительности судовых установок ОНВ и ООСВ их удельные массогабаритные характеристики и удельная мощность уменьшаются.
2. Установки физико-химической очистки сточных вод имеют лучшие удельные характеристики, чем аналогичные установки для биохимической очистки.
3. Функции, полученные в результате обработки исходных данных и связывающие удельные показатели установок с их производительностью, характеризуются достаточно высокими коэффициентами корреляции (0,82...0,95), что свидетельствует о наличии статистической зависимости между рассматриваемыми параметрами.
На основании анализа принципа действия, конструкции и характеристик судовых систем ООСВ можно дать следующие рекомендации:
- для обработки судовых сточных вод СКПО предпочтительно оснащать установками физико-химической очистки. Эти установки имеют лучшие удельные показатели по сравнению с оборудованием, в основе которого лежат биохимические методы (в 5.6 раз по массе и габаритам и в 2.3 раза по затратам энергии на 1 м3 обрабатываемых стоков). Как уже отмечалось, установки физико-химической очистки быстро
С.В. Васькин, М.С. Дмитриева
Определение и анализ удельных характеристик судовых систем для очистки сточных и.
вводятся в работу, допускают длительные перерывы в работе, а изменение температуры сточных вод практически не сказывается на степени очистки. К недостаткам данных установок относят более низкую по сравнению с биохимическими установками степень очистки [4, 5], повышенную сложность и стоимость оборудования, а также необходимость более тщательного контроля над его технологическими параметрами;
Рис. 3. Зависимость удельной массы (а), мощности (б) и объёма (в) установок для биохимической очистки сточных вод от их пропускной способности
- установки, основанные на биохимических методах очистки сточных вод, целесообразно применять в случае необходимости обработки больших объемов стоков, измеряемых десятками и сотнями кубометров в сутки и характеризующихся равномерным поступлением их на СКПО. Такие объёмы стоков характерны для участков водных путей, где эксплуатируется большое количество судов, в том числе транзитный пассажирский и туристический флот. Поскольку процесс биохимического окисления протекает достаточно интенсивно при температуре очищаемой воды около 25.30° С [3, 4], то соответствующими установками рекомендуется оборудовать СКПО, дислоцирующиеся в бассейнах водных путей, расположенных в южных регионах страны.
Список литературы:
[1] Международная Конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ-73/78), Книги I и II, - СПб.: АО «ЦНИИМФ», 2017 г. - 824 с. International Convention for Prevention of Pollution from Ships (MARPOL-73/78)
[2] Давыдова С.В. Проектирование судов экологического назначения. Ч. 2. Общее устройство и специализированное оборудование судов экологического назначения : учеб. пособие для студ. Оч. и заоч. обуч./ С.В. Давыдова, Е.П. Роннов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ». -2012. - 76 с.
[3] Зубрилов С.П. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов /Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. - Л.: Судостроение. - 1989. - 256 с.
[4] Кошелев И.Ф. и др. Справочник судового механика по теплотехнике. - 1987.
[5] Зенин Г.С., Богатых А.С. Выбор типа установки для обработки сточных вод. Судостроение. N 7. 1987 С. 14-16)
[6] Taylor D.A. Introduction to marine engineering. - Elsevier, 1996.
[7] Wolberg J. Data analysis using the method of least squares: extracting the most information from experiments. - Springer Science & Business Media, 2006.
[8] Bassett E.E. Statistics: Problems and solutions. - World Scientific, 2000.
DETERMINATION AND ANALYSIS OF SPECIFIC CHARACTERISTICS OF SHIP SYSTEMS FOR WASTEWATER AND OILY WATER TREATMENT
S. V. Vaskin, M.S. Dmitrieva
Keywords: out-of-ship treatment, ship wastes, ship design for ecological purpose, specific characteristics of ship systems
The process of oil-containing and wastewater treatment can be carried on out-of-ship environmental protection facilities. This article discusses the advantages and disadvantages of water treatment equipment, located on the ships integrated waste. Recommendations on the use of oil-containing and wastewater treatment plants are given.
Статья поступила в редакцию 29.06.2018 г.
УДК 629.564.3
А.Л. Гусев, ведущий инженер научно-исследовательской лаборатории №4 «Техника освоения океана» ФГБОУВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ» ЕА. Першин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «КНИТУ-КАИ» 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10
О РАСЧЁТЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ КОСЫ
Ключевые слова: сейсмическая коса, буксировка, динамика движения
Рассматривается динамика движения сейсмической косы при различных условиях эксплуатации (маневрирование судна, качка, течения, управляющие воздействия).
Морская подводная съёмка с помощью плавающих сейсмических кос - это один из распространённых способов исследования сейсмической активности в Мировом
29
