Применение электрокоагуляции в очистке сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»



I

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Шамсутдинова Зухра Разифовна, Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань

E-mail: zuhrush92@mail.ru

Каратаев Оскар Робиндарович, Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань

E-mail: oskar_karataev@mail.ru

Аннотация. В работе исследуется проблема очистки сточных вод электрохимическими методами, и предлагаются пути ее усовершенствования. Рассматривается электрокоагуляция в процессе очистки сточных вод предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Ключевые слова: сточные воды, очистка, электрохимические методы очистки, электрокоагуляция, промышленные предприятия.

В основе электрохимических методов очистки сточных вод лежит электролиз веществ, то есть химические превращения с использованием электрической энергии. Они возможны в растворах электролитов,

электропроводность которых обусловлена присутствием ионов, способных передвигаться под воздействием электрического поля.

На скорость электрохимической реакции влияют состав сточных вод, их температура, гидродинамические условия, материал электродов, наличие примесей, отлагающихся на электроде и другие причины.

Электрохимическая коагуляция является одним из основных методов очистки нефтесодержащих сточных вод. При электрокоагуляции гидроокиси металлов получают в результате растворения анода и дальнейшего гидролиза перешедших в раствор ионов металлов. Образующиеся при этом гидроокиси обладают повышенной активностью и сорбционной способностью, что обеспечивает эффективную коагуляцию дисперсных примесей с участием продуктов электролиза. Образовавшиеся хлопьевидные структуры флотируются на поверхность жидкости пузырьками образовавшегося при электролизе газа или

840

о

Щ SCIENCE TIME Щ

выносятся из электрокоагуляционного аппарата потоком обрабатываемой сточной воды с последующим отстаиванием или фильтрованием [1].

Механизм электрокоагуляции последовательно включает в себя следующие операции: электрофоретическое концентрирование, то есть направленное

движение заряженных частиц примесей и концентрирование их у поверхности электродов; растворение электрода и образование гидроокисей металлов; поляризационная коагуляция дисперсных частиц; упаковка первичных агрегатов по мере накопления частиц гидроокисей и флокуляционная; флотация образовавшихся агрегатов пузырьками газов.

Эффективность электрокоагуляции зависит от материала электродов, анодной плотности тока, состава и скорости движения обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве. Серьезной помехой электрокоагуляции является образование на электродах окисных пленок -анодная пассивация.

Для очистки нефтесодержащих сточных вод аноды изготовляются из алюминия или железа. Расход электроэнергии N для анодного растворения металла зависит от плотности j (рис.1) и расстояния между электродами [2].

N, кВт-ч

25 20 15 10

5

0 80 160 240 j, А/м2

Рис. 1 Расход электроэнергии N при анодном растворении 1 кг алюминия (1) и 1 кг железа (2) в зависимости от плотности тока j

Как видно из рис.1, с уменьшением расстояния расход электроэнергии снижается. Обычно плотность тока принимают до 200 - 300 А/м , расстояние между электродами 10 - 20 мм, скорость движения воды между электродами должна быть не менее 0,03 - 0,05 м/с. Теоретический расход электроэнергии при рекомендуемом напряжении 3 - 12 В составляет, Вт*ч: при растворении 1 г железа 2,9, при растворении 1 г алюминия 12. Растворение в воде 1 г железа эквивалентно введению в сточную воду 3,58 г сернокислого железа Fe2(SO4)3, а

841

о

Щ SCIENCE TIME Щ

растворение 1 г алюминия - 6,33 г сернокислого алюминия Al2(SO4)3.

Электрокоагуляционная очистка воды производится в электролизерах в основном с вертикальным расположением электродов, выполняемых чаще всего в виде блока прямоугольных пластин толщиной 5 - 10 мм. Соединение электродов, осуществляется по монополярной схеме (рис.2). Возможно соединение их по биполярной и комбинированным схемам. При отсутствии источников постоянного тока питание электролизеров осуществляется выпрямленным током, для чего в составе установки предусматриваются выпускаемые промышленностью выпрямители. С целью обеспечения безопасности работающего персонала на одну электролитическую ячейку не должно подаваться напряжение более 36 В [3].

о

о

Рис. 2 Устройство электролизера для электрохимической коагуляцией: 1 - вода; 2 - электроды

По характеру потоков воды в электролизерах они могут быть однопоточные, многопоточные и смешанные с горизонтальным или вертикальным направлением движения жидкости. Конструктивные варианты электрокоагуляционных установок различны. Промышленная

электрокоагуляционная установка для очистки нефтесодержащих сточных вод представлена на рис.3 [4].

Основной элемент электрокоагулятора — электродная камера со сменным набором стальных или алюминиевых (дюралюминиевых) электродов чередующейся полярности, в зазорах между которыми (шириной 5-20 мм) протекает обрабатываемая вода со скоростью не менее 0,5 м/с. Как и в

842

о

Щ SCIENCE TIME Щ

электролизерах, в электрокоагуляторах электроды могут располагаться горизонтально или вертикально с зазором 10-16 мм, что зависит от условий размещения и монтажа, а также от расходов обрабатываемой воды. В электрокоагуляторах с меньшими плотностями электрического тока в связи с незначительным пенообразованием можно принимать ширину межэлектродных каналов менее 15 мм, и при обосновании не предусматривать устройств для удаления пены. При больших плотностях электрического тока ширина межэлектродных каналов должна принимается не менее 15-20 мм. Для удаления скоплений пены в каналах предусматриваются различные устройства, в частности, продувка сжатым воздухом [5].

Аноды и катоды выполняются в виде пластин из алюминия, его сплавов, не содержащих медь, или стали. Подключение пластин к источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом случае все электроды действуют как монополярные, во втором — промежуточные пластины работают биполярно. Последовательное же подключение позволяет работать при меньших значениях электрического тока. Наряду с пластинчатыми иногда используют засыпные электроды из стальной стружки. Несмотря на некоторые _ преимущества (большая поверхность, низкая стоимость), засыпные электроды применяются редко, поскольку они засоряются гидроксидами металлов и плохо регенерируются. Выбор материала для электродов зависит от технологических особенностей процессов очистки.

Рис. 3 Электрокоагуляционная установка для очистки нефтесодержащих вод: 1 -трубопровод подачи сточных вод; 2 - резервуар электрокоагулятора; 3 - пакет плоских стальных электродов; 4 - отстойник; 5 - выпуск очищенных вод; 6 -выпрямитель электрического тока; 7 - выпуск сточных вод

843

о

Щ SCIENCE TIME Щ

С целью интенсификации процесса электрокоагуляции может использоваться конструкция виброэлектрокоагулятора. Применение вибрационных колебаний среднего диапазона частот практически исключает пассивацию электродов, снимает диффузионные ограничения во всем рабочем объеме, облегчает удаление газов и образующихся осадков, выгружаемых периодически через специальный клапан без остановки аппарата.

Эксплуатационные работы включают: усреднение по расходам и качеству воды, поступающей в электрокоагулятор; корректировку качества воды (очистка от грубодисперсных примесей, корректировка рН и солевого состава); поддержание расчетного режима рециркуляции воды в контуре электрокоагулятора, если это предусмотрено схемой обработки; контроль значений и поддержание на нужном уровне электрических параметров — силы тока, напряжения; соблюдение режима переполюсовок электродов для депассивации и способа равномерного растворения всех электродов; очистку межэлектродного пространства от отложений и пены; удаление образующейся при электролизе пены; своевременную замену электродов; контроль за состоянием газовой среды и обеспечение эффективной работы системы вентиляции; правильное содержание сооружений для последующей очистки воды (отстойники, флотаторы, фильтры) [6].

При электрокоагуляции образуется очень рыхлый, плохо уплотняющийся осадок. Для его обезвоживания применяют отстаивание, центрефугирование, флотацию, термическую сушку. Электрохимические методы, и в том числе электрокоагуляция, имеют следующие преимущества: не требуют применения реагентов, не увеличивают солесодержание воды, упрощают технологические схемы очистки, улучшают условия эксплуатации, позволяют сравнительно просто решать вопросы автоматизации. Наряду с этим электрокоагуляция не лишена и существенных недостатков. К их числу относятся сравнительно большая потребность в электроэнергии, значительный расход листового металла, образование на поверхности электродов окисных пленок, засорение пространства между электродами продуктами электрокоагуляции. Образование отложений на электродах в результате электродах в результате электрофоретического концентрирования дисперсной фазы и гидроокисей приводит к снижению скорости и эффективности электрокоагуляции [7].

Для уменьшения вредных последствий этого явления предусматривают барботаж воздуха через межэлектродное пространство, устройство вращающихся щеток, вращающихся дисковых электродов и пр. Для борьбы с пассивацией электродов осуществляется их переплюсовка, добавка в жидкость анионов, вытесняющих кислород из пассивирующих соединений и образующих растворимые соединения, например, Cl.

844

о

Щ SCIENCE TIME Щ

С целью интенсификации процесса очистки воды с применением электролизеров предложены следующие сочетания электролизеров с другими:

- электролизер-отстойник;

- гальванокоагулятор-электролизер;

- электролизер-флотатор.

Эффективность очистки воды и электролизере-отстойнике по взвешенным веществам составляет 95,5 %, а по нефтепродуктам - 83 %, в электролизере-флотаторе по нефтепродуктам - 95,5 %.

Литература:

1. Воловник Г.И., Коробко М.И. Электрохимическая очистка воды. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002.

2. Каратаев О. Р., Новиков В. Ф., Шамсутдинова З. Р. Проблема аналитического контроля и экологической безопасности водоснабжения // Вестник Казанского технологического университета 2013, С. 52-54.

3. Мосин О.В. Технологический расчет установок электрофлотации воды // ° Журнал С.О.К., №1/2014

4. Ерусалимская Л.Ф., Смепченко А.В. / Сравнение эффективности обеззараживания воды электролизом и хлорированием // Гигиена и санитария. 1989, №11, с. 73-75.

5. Смола В. И. Поглощение двуокиси серы природными цеолитами. - М.: Полиграф сервис, 2009, 319с.

6. Назаров В. Д., Гурвич Л. М., Русакович А. А. Водоснабжение в нефтедобыче: Учебное пособие. Уфа. ООО «Виртуал», 2003. 163с.

7. Вахидова И.М., Шайхиев И.Г., Гильманов Р.З., Вахидов Р.М., Мусин Р.З./

Очистка сточных вод производства калиевой соли 4,6 динитробензофуроксана окислением // Вестник Казанского технологического университета. 2013. №2 19. С. 49-52.

845