Дождевые и талые стоки, которые ранее считались условно чистыми и без очистки сбрасывались в поверхностные источники или на рельеф местности, загрязнены эмульгированными нефтепродуктами (до 120 мг/л), твердыми взвешенными веществами (до 2000 мг/л) и органическими соединениями (БПКполн достигает 30 мг/л). Таким образом, необходима их очистка перед сбросом в водоемы [1]. В Казанском государственном архитектурно-строительном университете (КГАСУ) для этого разработана установка очистки поверхностных стоков [1] технологическая схема которой приведена на рис. 1.
В состав установки очистки поверхностных стоков входят: аппарат типа «блок гидроциклон – отстойник» 1, фильтровальная станция 2 и блок глубокой очистки поверхностных стоков от нефтепродуктов 3. Очищенные в БГО поверхностные стоки под избыточным давлением поступают в фильтровальную станцию 2, состоящую из нескольких скорых напорных фильтров с двухслойной загрузкой из антрацита и кварцевого песка или из сверхскоростных фильтров, загруженных кварцевым песком. Очищенные от взвешенных веществ и основной массы нефтепродуктов в фильтровальной станции 2 поверхностные стоки поступают в блок 3, в котором осуществляется их глубокая очистка от нефтепродуктов. В состав блока 3 входят либо напорные адсорбционные фильтры, загруженные активированным древесным углем, либо мембранные разделители [2].
Одним из аппаратов, входящих в ее состав, является батарея напорных двухпродуктовых цилиндроконических гидроциклонов конструкции КГАСУ, работающих с противодавлением на сливах. Основной задачей гидроциклонов является очистка поверхностных стоков от взвешенных веществ. Как показали предварительные исследования, эффект очистки дождевых сточных вод от взвешенных веществ в напорных гидроциклонах, работающих с противодавлением на сливах, достигает 55–70 % [1]. В то же время поверхностные стоки загрязнены также нефтепродуктами. Целью данных исследований являлось выяснение воздействия гидроциклонной обработки на процесс очистки поверхностных стоков от эмульгированных нефтепродуктов.
Рис. 1. Технологическая схема установки очистки поверхностных стоков. –К2–поверхностные сточные воды; –К3–очищенные поверхностные стоки; –К4–загрязненные промывные стоки; –К5–отвод уловленных нефтепродуктов; –К6–отвод осадка
Известно, что стабильность эмульсий типа «нефть в воде» (Н/В) обеспечивается не только изначальными размерами частиц нефтепродуктов, но также их полидисперсностью. Кроме того, на поверхности этих частиц образуются защитные оболочки, обладающие достаточно высокой механической прочностью, что препятствует укрупнению капель нефтепродуктов, а значит, и расслоению эмульсий типа Н/В [3].
В ходе исследований, которые проводились КГАСУ на нефтепромыслах Республики Татарстан, было установлено, что при обработке нефтепромысловых сточных вод (НСВ), образующихся в процессе подготовки и переработки нефти, в напорных гидроциклонах происходит не только расслоение эмульсий типа Н/В, но также разрушаются оболочки вокруг капель нефтепродуктов, осуществляется их укрупнение (коалесценция), увеличивается монодисперсность нефтяных эмульсий [3, 5]. Таким образом, напорные гидроциклоны могут работать как гидродинамические каплеобразователи, значительно интенсифицирующие процесс последующей очистки НСВ методом отстаивания [3, 5].
Для исследования влияния гидроциклонной обработки поверхностных стоков на процесс их последующей очистки отстаиванием использована установка ЭГУ-150 (см. рис. 2).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 – емкость для исходной воды; 2 – насос; 3 – успокоительная емкость; 4 – гидроциклон; 5 – напорная емкость верхнего слива; 6 – напорная емкость нижнего слива; 7 – трубопровод верхнего слива; 8 – трубопровод нижнего слива; 9 – манометр; 10 – пробоотборник; 11 – подача воды на очистку; 12 – подача нефтепродуктов; 13– подача суспензии; 14– пробоотборное устройство; 15 – цилиндр для отстаивания; 16 – подача исходной воды в цилиндр для отстаивания; 17 – дренаж
Из емкости 1 вода насосом 2 подается по трубопроводу 11 на обработку в гидроциклон 3. Во всасывающий трубопровод насоса 2 по трубопроводу 12 насосом-дозатором подаются нефтепродукты, а по трубопроводу 13 – суспензия (взвешенные вещества). Перемешивание нефтепродуктов и взвешенных веществ с водой осуществляется в рабочем колесе центробежного насоса 2. Емкость 3 предназначена для стабилизации потока жидкости, поступающей в гидроциклон 4 [3]. Она оборудована манометром М-1 и пробоотборником ПР-1. Емкости верхнего слива 5 и емкость нижнего слива 6 служат для создания противодавления на сливах гидроциклонов. Они снабжены пробоотборниками ПР-2 и ПР-3, а также манометрами М-2 и М-3 [1,3]. Пробоотборные устройства 14 представляют собой цилиндрические напорные емкости, снабженные отсекательными вентилями и воздушными кранами. Конструкцией устройства 14 предусмотрено предотвращение изменения крупности частиц нефтепродуктов при их свободном изливе из емкостей 3 и 5 [3].
Общий вид стеклянных цилиндров, предназначенных для отстаивания эмульсий типа Н/В, представлен на рис. 3. Его геометрические размеры приняты по рекомендациям методики, изложенной в работе [4]. Один из цилиндров 15 предназначен для воды, не обработанной в гидроциклоне, а второй – для эмульсии типа Н/В из верхнего слива гидроциклона. Регулирование давления на входе в гидроциклон осуществляется с помощью запорно-регулирующей арматуры по показаниям манометра М-1, а противодавление на сливах гидроциклона – по показаниям манометров М-2 и М-3.
Рис. 3. Цилиндр для отстаивания эмульсий типа «нефть в воде»
Под действием сил центробежного поля, возникающего за счет тангенциального ввода поверхностных стоков в напорный гидроциклон, нефтепродукты, как более легкая фаза, концентрируются в осевой части гидроциклона и выносятся восходящим аксиальным потоком через его верхнее сливное отверстие. Таким образом, концентрация нефтепродуктов в воде из верхнего слива гидроциклона будет значительно выше, чем в поверхностных стоках, поступающих на очистку [3, 5].
Исследования по оценке влияния гидроциклонной обработки на процесс последующего отстаивания проводились следующим образом. Включался насос 2, и поверхностные стоки, загрязненные нефтепродуктами и взвешенными веществами, по трубопроводу 11 подавались в напорный гидроциклон 4 типа ГЦ-80-I. Устанавливалось давление на входе в гидроциклон, равное 0,6 МПа и противодавление на сливах гидроциклона – 0,4 МПа. Через 15 мин после включения ЭГУ-150, когда движение жидкости в системе стало установившимся [3], одновременно отбирались пробы из пробоотборников ПР-1 и ПР-2. Концентрация нефтепродуктов в пробах (Сисх) определялась по методике, изложенной в работе [3], путем фотоколориметрирования раствора, который получен при экстракции из воды нефтепродуктов с помощью четыреххлористого углерода. Максимальная погрешность этого метода не превышает 2,5 % [2]. Одновременно с отбором проб из пробоотборников ПР-1 и ПР-2 отсекались объемы воды, находящиеся в пробоотборных устройствах 14, после чего заполнялись цилиндры 15 до отметки «А». Через 5 минут с помощью нижнего сливного патрубка 15 начинали сливать воду в канализацию. Слив воды из цилиндров осуществлялся до отметки «В», что соответствует высоте отстаивания, равной H = 500 мм. При сливе воды из цилиндров 15 под струю вытекающей жидкости с интервалом 1–5 секунд подставлялись колбы, в которые отбирались пробы воды, в которых также определялась концентрация нефтепродуктов (
). После отбора проб остатки эмульсии из цилиндров 15 сливались в канализацию, цилиндры промывались четыреххлористым углеродом, а затем водопроводной водой [2].
Эффективность отстаивания, Эотс, %, определялась по формуле [3, 4]
.
Описанная выше процедура повторяется для интервалов времени t = 10, 20, 30, 45 и 60 мин. В результате проведенных исследований были получены графики зависимости Эотс = f(t) для исходных поверхностных стоков и обработанных в напорных гидроциклонах. Графики зависимости Эотс = f(t) для гидроциклона типа ГЦ-80-I диаметром 80 мм представлены на рис. 4. На рис. 5 представлены подробные зависимости, полученные при испытании гидроциклона типа ГЦ-40-I диаметром 40 мм, на рис. 6 – при испытании гидроциклона типа ГЦ-100-I диаметром 100 мм.
Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:
а) при концентрации нефтепродуктов в поверхностных стоках, поступающих на очистку, равной 118–123 мг/л, их содержание в воде из верхнего слива гидроциклонов достигает 162–181 мг/л;
б) зависимости Эотс = f(t) для поверхностных стоков, не обработанных в гидроциклонах, совпадают достаточно хорошо, что говорит о стабильности эмульсий типа Н/В, которые применялись в ходе данных исследований;
Рис. 4. Результаты исследований процессов отстаивания при использовании гидроциклона типа ГЦ-80-I: 1 – исходная вода; 2 – вода с верхнего слива гидроциклона
Рис. 5. Результаты исследований процессов отстаивания при использовании гидроциклона типа ГЦ-40-I
Рис. 6. Результаты исследований процессов отстаивания при использовании гидроциклона типа ГЦ-100-I
в) обработка поверхностных стоков в напорных гидроциклонах повышает эффективность их последующей очистки методом отстаивания;
г) увеличение диаметра напорных гидроциклонов, применяемых для обработки поверхностных стоков, снижает эффективность разрушения эмульсий типа Н/В методом отстаивания.
Таким образом, благоприятное влияние гидроциклонной обработки поверхностных стоков на процесс их последующей очистки от нефтепродуктов методов отстаивания можно считать доказанным. Необходимо продолжить изучение этих процессов, используя седиментационный анализ [3, 4], что позволит улучшить механизмы отчистки поверхностных стоков от нефтепродуктов и взвешенных веществ в установках типа «блок гидроциклон-отстойник».