Значение пресной воды как ценного природного сырья постоянно возрастает. В то же время научные исследования последних лет показывают, что природные пресные водоемы подвергаются всё более и более сильному загрязнению поверхностными (ливневыми и талыми) сточными водами с городских территорий. Причем состав загрязнений таких стоков определяется уже не столько природными, сколько антропогенными факторами.
Цель исследования: анализ процессов и агрегатов, используемых для очистки поверхностных стоков, а также совершенствование применяемого оборудования.
Материалы и методы исследования
Примерный состав поверхностного стока для различных участков водосборных поверхностей селитебных территорий приведен в [1, 2]. Концентрации загрязняющих веществ в дождевом и талом стоке Санкт-Петербурга для районов с различной застройкой и различной степенью благоустройства (по данным ГУП «Водоканал») приведены в работах [3, 4]. В зонах жилой застройки дождевые стоки содержат от 400 до 1000 мг/л взвешенных веществ и от 7 до 15 мг/л нефтепродуктов. В талых стоках концентрации взвешенных веществ достигают 1300–1700 мг/л, нефтепродуктов 12–16 мг/л.
Вблизи автомобильных магистралей и промышленных зон загрязненность дождевых стоков взвешенными веществами составляет 800–1400 мг/л, нефтепродуктами 15–20 мг/л. Особенно сильно загрязнены талые воды, стекающие с таких территорий. Они содержат до 3000 мг/л взвесей и до 30 мг/л нефтепродуктов [3].
Рис. 1. Установка для обезвреживания ливневых стоков с расположением ступеней очистки в отдельных емкостях
Наиболее сложными для очистки являются поверхностные сточные воды автотранспортных предприятий и автозаправочных станций. Загрязненность ливневых и сточных вод с их территорий настолько высока [5, 6], что без очистки на специальных локальных очистных сооружениях они не могут быть сброшены даже в городскую ливневую канализацию.
Рис. 2. Установка для обезвреживания ливневых стоков с расположением ступеней очистки в одной ёмкости, состоящей из отдельных отсеков
Большинство локальных установок для обезвреживания ливневых и близких к ним по составу производственных стоков используют многостадийный принцип очистки [7–9]. Ступени очистки могут располагаться в отдельных емкостях [7, 8, 10] (рис. 1) или компоноваться последовательно в одной большой емкости, состоящей из нескольких отсеков [9–11] (рис. 2). Емкости могут располагаться под землей [12, 13] или на поверхности в специальных отапливаемых помещениях [8, 11].
Первой стадией очистки обычно является гравитационное отделение примесей в песколовках и отстойниках. Как правило, предпочтение отдается песколовкам, позволяющим отделять от воды песок без примесей органических взвешенных веществ [9, 12]. Впоследствии такой «чистый» песок легче утилизировать, поскольку в нем не идут процессы гниения и брожения примесей органических веществ, и он пригоден для использования в качестве строительного материала.
Освобожденная от песка и других тяжелых включений сточная вода поступает в тонкослойный отстойник, где удаляется основная масса дисперсных взвешенных веществ меньшей плотности и нефтепродуктов. На следующем этапе очистки обычно применяется механическая фильтрация. Осветленная вода поступает на фильтр с зернистой загрузкой (кварцевый песок, антрацит, керамзит, полимерная крошка и др.), где удаляются остаточные взвеси и эмульгированные нефтепродукты.
Затем вода проходит фильтр-адсорбер, где происходит финишная сорбционная очистка от растворенных органических веществ и нефтепродуктов на таких материалах, как активированный уголь, алюмосиликаты, мегасорб, сипрон, синтенит и др.
Полученный фильтрат поступает на установку обеззараживания. Обеззараживание может проводиться озонированием, хлорированием, УФ-облучением.
Очищенная и обеззараженная до норм сброса в водоёмы вода отводится под остаточным давлением в сборные колодцы, из которых откачивается в водоем погружными дренажными насосами.
На наш взгляд, если очищенные ливневые стоки сбрасываются в полноводные водоёмы или водотоки, обеспечивающие разбавление вредных примесей стоков до допустимых концентраций, или поступают на доочистку на городские очистные сооружения, то необязательно использовать в установках локальной очистки дорогостоящие методы адсорбции и ионного обмена. При очистке поверхностных вод основное внимание следует уделять удалению взвешенных веществ и эмульгированных нефтепродуктов.
В последние годы для безреагентного укрупнения эмульгированных нефтепродуктов с целью их последующей эффективной сепарации применяют коалесценцию мельчайших капелек нефтепродуктов на олеофильной загрузке из полимерных материалов, в частности полипропилена. Загрузка может быть зернистой [14] или блочной – в виде блока полимерных пластин: плоских или волнистых [15–17]. При наличии в технологической цепочке коалесцентного сепаратора нефтепродуктов увеличивается длительность фильтроцикла устанавливаемых за ним зернистых фильтров и/или адсорберов.
Тонкослойные отстойники с плоскими пластинами из специальных олеофильных полимерных материалов удаляют эмульгированные нефтепродукты из воды гораздо эффективнее, чем отстойники с плоскими пластинами из других материалов (сказывается влияние коалесценции и адгезии). Однако производительность любого тонкослойного отстойника лимитирована необходимостью поддерживать ламинарный режим в каналах между плоскими пластинами, поэтому пропускная способность их невелика. Кроме того, в поверхностных сточных водах капли нефтепродуктов, имеющие плотность менее плотности воды, часто образуют агломераты с взвешенными частицами более высокой плотности. Подобные агломераты имеют плавучесть, близкую к нулевой, и отделить их от воды обычным отстаиванием практически невозможно.
Проведенные нами исследования показали возможность эффективного отделения эмульгированных нефтепродуктов от воды в коалесцентном сепараторе с олеофильными полимерными пластинами волнистого профиля. В таких аппаратах применяются компактные модульные пакеты (рис. 3) гофрированных пластин из полипропилена специального запатентованного состава [18]. Расстояние между пластинами обычно составляет от 6 до 18 мм.
Рис. 3. Установка для очистки ливневых стоков с коалесцентным сепаратором, состоящим из нескольких блоков пластин волнистого профиля
Вода, содержащая нефтепродукты, протекает по каналу между пластинами, следуя форме синусоидального зазора. Капли нефтепродуктов всплывают, касаются нижней поверхности пластин и удерживаются ими за счет действия сил адгезии. По мере того, как захватывается все большее и большее количество капелек нефти, они коалесцируют и постепенно образуют пленку. Под действием скоростного напора потока жидкости пленка мигрирует по поверхности пластин до отверстий для выхода нефти, проходит в вышележащий канал и впоследствии собирается на поверхности воды. Отверстия для выхода нефтепродуктов располагаются равномерно по ширине и длине пластин вертикальными рядами, что обеспечивает скоалесцировавшим каплям доступ к поверхности жидкости в сепараторе. Такая конструкция создает условия для эффективного захвата нефтепродуктов и быстрой их транспортировки к поверхности.
Верхняя сторона пластин предназначена для удаления мелких твердых частиц. Кроме отверстий для прохода нефти, размещенных в верхних точках пластин, в углублениях пластин имеются отверстия для удаления твердых взвесей. Взвешенные вещества, не уловленные в песколовке и тонкослойном отстойнике, попадают в пакет пластин вместе с частично очищенной сточной водой, осаждаются на верхних сторонах пластин, смещаются потоком к отверстиям для удаления твердых взвесей и уходят в нижнюю шламосборную часть аппарата.
Результаты исследования и их обсуждение
Опытно-промышленные испытания сепараторов-коалесценторов выявили проблему быстрого забивания зазоров между олеофильными пластинами агрегатами нефтепродуктов с твердыми взвесями. Это объясняется налипанием нефтепродуктов на олеофильные пластины. Как показали наши исследования, острота проблемы может быть значительно снижена путем установки в первом по ходу движения сточной воды блоке (при высокой концентрации загрязнений) пластин из олеофобного материала, либо путем нанесения на пластины олеофобного покрытия.
Пластины в первом блоке должны быть расположены с наклоном под углом 45–60 градусов к горизонтали для интенсификации процесса удаления загрязнений. Зазор между пластинами в первом блоке мы рекомендуем выставлять максимальным, равным 18–20 мм. В последующем по ходу движения очищаемой сточной воды блоке зазор между пластинами может быть уменьшен до 10–12 мм. В третьем блоке, через который проходит вода с остаточной концентрацией нефтепродуктов, пластины могут быть выполнены из олеофильного материала, а зазор между ними может быть уменьшен до 6 мм.
Расчеты и эксперименты показывают, что описанная система блоков сепарационных пластин позволяет очистить воду до остаточных концентраций взвесей и нефтепродуктов 5–10 мг/л, что вполне достаточно для обеспечения длительной штатной работы зернистого фильтра или фильтра-адсорбера, используемого на последнем, заключительном этапе очистки поверхностных вод.
Выводы
1. Большинство локальных установок для обезвреживания ливневых и близких к ним по составу производственных стоков используют многостадийный принцип очистки. Первой стадией очистки обычно является гравитационное отделение грубодисперсных примесей в песколовках. Освобожденная от песка и других тяжелых включений (стекла, окалины, шлаков и т.п.) сточная вода поступает в тонкослойный отстойник, где удаляется основная масса дисперсных взвешенных веществ меньшей плотности и часть нефтепродуктов. На следующем этапе очистки обычно применяется фильтр с зернистой загрузкой либо фильтр-адсорбер, где происходит финишная сорбционная очистка от растворенных загрязнений. Недостатком описанных установок является низкая пропускная способность и недостаточная эффективность блока тонкослойного осаждения.
2. Проведенные нами исследования показали возможность повышения эффективности очистки поверхностных стоков путем замены блока тонкослойного отстаивания тремя последовательно установленными блоками профилированных листов волнистого профиля с отверстиями в выступах и впадинах. Во избежание быстрого забивания каналов в первом по ходу движения сточной воды блоке (при высокой концентрации загрязнений) в нем рекомендуется устанавливать листы из олеофобного материала, либо с нанесением олеофобного покрытия. Пластины в первом блоке должны быть расположены с наклоном под углом 45–60 градусов к горизонтали для интенсификации процесса удаления загрязнений.
3. Зазор между пластинами в первом блоке рекомендуется выставлять максимальным, равным 18–20 мм. В последующем по ходу движения очищаемой сточной воды блоке зазор между пластинами может быть уменьшен до 10–12 мм. В третьем блоке, через который проходит вода с остаточной концентрацией нефтепродуктов, пластины могут быть выполнены из олеофильного материала, а зазор между ними может быть уменьшен до 6 мм.
4. Описанная система блоков сепарационных пластин позволяет очистить воду до остаточных концентраций взвесей и нефтепродуктов 5–10 мг/л, что вполне достаточно для обеспечения длительной штатной работы зернистого фильтра или фильтра-адсорбера, используемого на последнем, заключительном этапе очистки поверхностных вод.