CC BY
62
ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГИЯ АЛЬНЫЕ АСП ЭНЕРГЕТИКЕ
РЕГИОН
УДК 628.316.12:665.6
ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ТЭС ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Н.К. ЛАПТЕДУЛЬЧЕ, Е.С. СЕРГЕЕВА Казанский государственный энергетический университет
Рассмотрены современные методы обезвреживания сточных вод ТЭС от нефтепродуктов. Предложена технологическая схема глубокой очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием типового оборудования.
Стремительное ухудшение экологической обстановки, истощение природных ресурсов Земли требуют повышения эффективности работы всех звеньев народного хозяйства. Решение этой проблемы возможно только путём внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий на всех уровнях производственных процессов. Для республики Татарстан, одного из мощнейших промышленных регионов РФ, особенную остроту приобретают две проблемы, одна из которых - охрана окружающей среды, а вторая - поиск
перспективных, дешевых и в то же время возобновляемых видов топлива,
обусловленная постоянным ростом цен на углеводородное топливо,
исчерпаемостью запасов угля, нефти и газа [1].
В ряду факторов, угрожающих экологической безопасности,
существенное место занимают нефть и нефтепродукты. Источником их появления в сточных водах ТЭС являются мазутные хозяйства, электротехническое оборудование, вспомогательные службы (депо, гаражи, склады и др.).
Типовая схема очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов (рис. 1) заключается в последовательном извлечении их в нефтеловушке, флотаторе и доочистке на механических фильтрах, загруженных антрацитом или песком. Степень очистки сточных вод по этой схеме составляет ^95% независимо от исходной концентрации нефтепродуктов, что не соответствует современным требованиям к качеству очистки. По современным требованиям [2] ПДК нефтепродуктов, содержащихся в сточных водах перед сбросом их в природные водоёмы, составляет не более 0,05 мг/л. Поэтому проблема поиска более эффективных в техническом и экономическом плане решений по глубокой очистке до сих пор актуальна [3].
Учитывая существенные колебания притока нефтесодержащих сточных вод ТЭС и сезонные колебания содержащихся в них нефтепродуктов, предложено заменить метод флотации, эффективность которого в значительной степени зависит от начальной концентрации нефтепродуктов, на менее энергоемкую и надежную сорбционную очистку. Сорбция является практически единственным
© Н.К. Лаптедульче, Е. С. Сергеева Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
процессом, позволяющим очищать нефтесодержащие сточные воды до любого требуемого уровня, вплоть до уровня ПДК. Это безинерционный равновесный процесс, что позволяет успешно использовать его как в условиях нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях.
Рис. 1. Типовая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов на ТЭС: 1 - приемный усреднительный бак; 2 - нефтеловушка; 3 - флотатор; 4 - механический фильтр, загруженный
антрацитом; 5 - мазутоприемник
Для сорбционной очистки воды, в частности для доочистки сточных вод от нефтепродуктов, может быть использовано множество материалов природного и искусственного происхождения. Чаще других для этой цели используют гранулированный активированный уголь (ГАУ). Исходным сырьем для его получения служат практически любые углеродсодержащие материалы: уголь, торф, древесина и др. Процесс получения высокоактивных активированных углей весьма сложен и длителен, требует затрат большого количества сырья, энергии, использования специального оборудования и высококвалифицированного труда. Поэтому стоимость таких углей достаточно высока как в нашей стране, так и за рубежом. Для снижения эксплуатационных затрат его подвергают регенерации, приводящей к вторичному загрязнению воды, что в сложившихся макроэкологических условиях нельзя назвать целесообразным. Кроме того, эффективность их использования для очистки нефтесодержащих сточных вод снижается за счет образования на внешней поверхности частиц масляной пленки, изолирующей пористую структуру ГАУ и препятствующую процессу сорбции [4]. В настоящее время актуальной стала проблема поиска сорбентов, лишенных этого недостатка. Сорбционную очистку сточных вод от нефтепродуктов можно осуществить практически с минимальными экономическими затратами, используя взамен активированного угля торф.
К достоинствам торфяных сорбентов относится и возможность утилизации отработанного материала путем сжигания, что позволяет ликвидировать вторичное загрязнение воды, неизбежное при регенерации сорбционного материала, и решить проблему поиска доступного и недорогого вида топлива [5].
Торф представляет собой сложную систему, состоящую из органической и минеральной части, а также воды. Вода и водорастворимые компоненты являются балластом, снижающим сорбционную емкость торфа [6]. Повышение сорбционной емкости торфа заключается в удалении растворимых в воде примесей путем его трехкратного кипячения в дистиллированной воде в течение 10-15 мин с последующей сушкой при 105°С до постоянного веса.
Нами были проведены исследования по определению свойств торфа, а именно: гранулометрического состава, количества балластных примесей,
насыпной плотности, зольности, влагоемкости и плавучести. Исследовался образец сорбента из месторождения Сосновое (Татарстан).
Влажность природного торфа определяли по ГОСТ 23314-91 косвенным весовым методом, заключающимся в измерении потери массы торфа при сушке в
воздух промывная вода
стандартных условиях (температуре 105°С и атмосферном давлении). По результатам измерений влажность составила порядка 67,05 %.
Снижение содержания балластных примесей, входящих в состав торфа, определялось по изменению величины ХПК (химической потребности в кислороде) водных вытяжек, полученных путем кипячения торфа в дистиллированной воде. Величину ХПК усредненных образцов определяли по методу Кубеля. Она составила 219,6 мг/л.
Гранулометрический состав торфа определяли рассевом пробы отмытого от балластных примесей и высушенного торфа на стандартных ситах с размером ячеек 1,4; 1,0; 0,5; 0,09 мм. Обнаружено, что основная фракция торфа с размером частиц до 1,4 мм составляет 68,59 % от первоначальной массы, остальные фракции - 31,41 %. На долю пылевидной фракции с размером частиц меньше 0,09 мм приходится 3,97 % (табл. 1).
Таблица 1
Размеры зерен, мм Масса, г Процент от первоначальной массы Насыпная плотность, г/см3 Средний расчетный диаметр зерна, мм
первоначальная масса m=60,5 г
>1,4 41,5 68,59 0,505 1,4
1,0*1,4 2,8 4,63 0,24 1,2
0,5-1,0 5,2 8,59 0,255 0,75
0,09-0,5 8 13,22 0,3 0,295
<0,09 2,4 3,97 0,36 0,09
Зольность торфа определяли, в соответствии с ГОСТ 11022-95, ускоренным озолением в лабораторных условиях, путем медленного сжигания навески и прокаливания остатка до достижения им постоянной массы при температуре 800 -830°С в условиях неограниченного доступа воздуха. Зольность торфа, как горючего материала, составила 2,33 %. В сравнение, зольность угля Кузнецкого бассейна составляет 15 %, у мазута — 0,05-1,15 %, у горючих сланцев — 54,2 % [7].
Влагоемкость определяли по величине поглощения воды навеской сухого сорбента в течение 3 часов. Она составила 13,74 %.
О плавучести сорбента судили по разнице массы торфа до погружения в воду и его массы, оставшейся на плаву, при продолжительности эксперимента 12, 24, 36, 48, 96 часов. Этот показатель 0 позволяет сделать вывод о гидрофобности сорбента 0, так как гидрофобные тела, как правило, являются олеофильными.
Показатель гидрофобности 0 в зависимости от времени представлен в табл. 2.
Таблица 2
Время 0 часов 12 часов 24 часа 36 часов 48 часов 96 часов
0 100% 93,05% 76,5% 68,95% 53,9% 28,9%
Для оценки важнейшей теплотехнической характеристики торфа как топлива был произведен расчет теплоты сгорания. Низшую теплоту сгорания топлива на рабочую массу определяли по формуле Менделеева:
Q^ = 339,13 • Ср +1256 • Нр -108,86(Ор - Sр )- 25,12(9Нр + Wр ),
где С=58%; Лр=2,33%; Н=6%; Wp=67,05%; N=1,1%; Ог=34,7%; S/=0,2%.
Q н = 5080,7 кДж/кг.
По полученным данным можно сделать ряд выводов:
1. Природный торф содержит значительное (до 67,05%) количество влаги и балластных (растворимых в воде) примесей, удаление которых позволит повысить его сорбционную емкость.
2. Модифицированный путём водной вымочки торф обладает хорошей прочностью к истиранию, о чем свидетельствует достаточно однородный гранулометрический состав измельченного образца и практическое отсутствие мелкодисперсных частиц, что особенно важно при использовании сорбционных свойств торфа в режиме фильтрования.
3. Низкая зольность исследованного образца подтверждает высокую эффективность торфа как горючего материала с низким содержанием негорючих компонентов, что благоприятствует утилизации пропитанного поглощённой нефтью и нефтепродуктами торфа путём сжигания.
4. Низкие значения влагоемкости свидетельствуют о том, что сухой торф является олеофилом, обладающим высокой степенью сродства к нефти и нефтепродуктам, и может долго оставаться на плаву.
5. Полученные результаты расчета низшей теплоты сгорания позволяют достаточно наглядно оценить экономию топлива при использовании на стадии утилизации отработанного торфа.
Далее были проведены исследования возможности сорбционной очистки низкоконцентрированных сточных вод от нефтепродуктов. Исследовались высушенные образцы торфа и образцы торфа водной влажности. Для сравнения сорбционных свойств торфа с известными сорбентами все эксперименты проводились в одинаковых условиях с активированным углем марки АГ-2 (ГОСТ 23998-80).
Для исследования сорбционной очистки использовались сточные воды с исходным содержанием нефтепродуктов 5,56 мг/л.
Методика определения сорбционной емкости заключалась в следующем. Подготовленные образцы торфа выдерживали в сточной воде, загрязненной нефтепродуктами, в течение 5 сек, 30 сек, 1, 5, 10, 15, 20, 25 мин. Анализ содержания нефтепродуктов в сточной воде до и после обработки сорбентом осуществляли методом ИК-спектрометрии на приборе АН-1. Количество поглощенных торфом нефтепродуктов определяли весовым методом. Полученные результаты исследования показаны на рис. 2.
Как видно из представленных данных, сорбционные свойства торфа, как водной влажности, так и сухого, проявляются при времени контакта сорбента с водонефтяной эмульсией, начиная с 30 сек. Максимальное снижение содержания нефтепродуктов в сточной воде наблюдается при времени контакта торфа 1520 мин, что соответствует состоянию адсорбционного равновесия. Причем, в начале эксперимента у образцов торфа водной влажности нефтепоглотительная способность несколько ниже, чем у сухих образцов, однако к наступлению равновесия данные образцы показывают лучшие сорбционные свойства, чем сухие. Для сухих образцов торфа они составили 0,51 мг/л, а для влажного —
0,55 мг/л. Активированный уголь в проведенной серии экспериментов обнаружил лучшие результаты по сравнению с торфом: содержание нефтепродуктов составило 2,95 мг/л, время равновесия наступило к 10 мин контакта с водонефтяной эмульсией. Однако этот факт не является препятствием для
практического применения торфа, так как его доступность и низкая стоимость, по сравнению с активированным углем, позволяет отказаться от регенерации, являющейся фактически вторичным загрязнением водной среды, и
утилизировать отработанный сорбент экологически чистым термическим методом.
0.6
1 0,5
СВ
£
£ 0,4 :=
О
се
« <и
о»
2
= 0,2
о
5
1§ 0,1
Г
• юрф сухой н»1>Ф влажный
10 20 Время, мин
а)
30
б)
Рис. 2. Сорбционные свойства: а) торфа (месторождение сосновое РТ); б) активированного угля - по отношению к нефтепродуктам
С учетом полученных нами данных существующую типовую схему очистки сточных вод ТЭС от нефтепродуктов можно без существенной реконструкции модернизировать следующим образом (рис. 3). После нефтеловушки 2 сточные воды направляются на сорбционный фильтр 4 с толстостенными взаимозаменяемыми патронными фильтр-пакетами, заполненными торфом, минуя флотатор 3. Флотатор же остается в резерве на случай ремонта или аварийной ситуации. Отработанные фильтрующие элементы направляют на утилизацию сжиганием.
Рис. 3. Предлагаемая схема очистки сточных вод от нефтепродуктов: 1 - приемный
усреднительный бак; 2 - нефтеловушка; 3 - флотатор; 4 - сорбционный фильтр, загруженный
торфом; 5 - мазутоприемник
Предложенная технологическая схема позволяет с минимальными затратами на существующем типовом оборудовании глубоко очищать сточные воды ТЭС от нефтепродуктов, снизить стоимость очистки за счёт исключения из технологической схемы флотатора и необходимости очистки промывных вод от регенерации механических фильтров. Использование на заключительной стадии очистки торфа позволяет решить вопрос об утилизации отработанных фильтров путем сжигания и одновременно проблему поиска доступного сырья в связи с истощениями запасов углеводородного топлива.
Summary
The modern methods of neutralization of waste water HPS from petroleum are considered. The technological circuit of deep clearing of waste water from petroleum with use of the typical equipment is offered.
Литература
1. Игонин Е.И., Штейнберг А.Э. О состоянии и ходе строительства сооружений по очистке сточных вод в республике Татарстан // Энергосбережение в республике Татарстан. - 2003. - № 3-4. - С. 77-81.
2. Беспамятнов Р.П., Кротов Ю.А. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - Л.: Химия, 1985.
3. Повышение экологической безопасности ТЭС / А.И.Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов и др.: Учеб. пособие. - М.: МЭИ, 2001.
4. Балтрейнас П., Вайшис В. Исследование поглощения нефтепродуктов биосорбентами // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. - № 1. -С. 37-39.
5. Косов В.И., Испирян С.Р. Использование торфа для очистки вод, загрязнённых нефтемаслопродуктами // Вода и экология. - 2001. - № 4. - С.41-47.
6. Лиштван И.И., Король Н.Т. Основные свойства торфа и методы их определения. - Минск: Наука и техника, 1975.
7. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982.
Поступила 06.06.2007
