Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОКОВ

Яблокова М.А. 1 Зайцев Н.С. 1 Хасаев Р.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»
Выполнен аналитический обзор существующих конструкций локальных сооружений для очистки ливневых стоков. Показано, что эффективность очистных сооружений может быть существенно (до 98–99?%) повышена при использовании на второй или третьей стадии очистки коалесцентных сепараторов с блоками перфорированных полимерных пластин волнистого профиля. Исследования выявили проблему быстрого забивания зазоров между олеофильными пластинами налипающими агрегатами нефтепродуктов и твердых взвесей. Выявлено, что острота проблемы может быть значительно снижена путем установки в первом (по ходу движения сточной воды) блоке пластин из олеофобного материала или с нанесением олеофобного покрытия. Пластины в первом блоке следует располагать с наклоном под углом 45–60 градусов к горизонтали для интенсификации процесса удаления загрязнений. Зазор между пластинами в первом блоке рекомендуется выставлять максимальным, равным 18 мм. В последующем по ходу движения очищаемой сточной воды в 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.
поверхностные стоки
дождевые
ливневые
талые сточные воды
локальные очистные сооружения
очистка от взвешенных веществ и нефтепродуктов
тонкослойные отстойники
олеофильные пластины из полимерных материалов
коалесцентные сепараторы с волнообразными пластинами
1. Рекомендации по организации систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока селитебных территорий, площадок предприятий и определению выпуска его в водные объекты. М.: ФАУ Федеральный центр нормирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве, 2015. 146 с.
2. Свод правил СП 32.13330.2012 Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85. [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200094155 (дата обращения: 21.05.2019).
3. Духопельникова Н.Р. Поверхностные сточные воды, система отведения и их очистка в крупных городах // Alfabuild. 2018. № 1 (3). С. 7–14.
4. Основные положения схемы водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга на период до 2025 г. с учетом перспективы до 2030 г. по разделу «Водоснабжение». Приложение № 1 к постановлению правительства Санкт-Петербурга № 989 от 11 декабря 2013 г. [Электронный ресурс]. URL: https://www.gov.spb.ru/law/?d&nd=822402702&nh=1 (дата обращения: 21.05.2019).
5. Фельдштейн Е.Г. Совершенствование систем очистки поверхностного стока предприятий первой группы на примере автотранспортных предприятий: автореф. дис. … канд. техн. наук. Волгоград, 2014. 24 с.
6. Овдиенко Е.Н. и др. Проблемы усовершенствования очистки ливневых сточных вод, образующихся на территории промышленных предприятий // Современные наукоёмкие технологии. 2007. № 8. С. 95–96.
7. Типовые схемы комплектации локальных очистных сооружений (ЛОС). Официальный сайт ООО «Эко-Экспресс-Сервис». [Электронный ресурс]. URL: http://ecoexp.ru/page/40 (дата обращения: 21.05.2019).
8. Очистные сооружения поверхностного стока КОС. Официальный сайт ООО группы компаний «Полихим» [Электронный ресурс]. URL: http://www.polihim.info/products/livnevye-ochistnye-soorujenya/livnevye-ochistnye-sooruzheniya-kos/ (дата обращения: 21.05.2019).
9. Очистные сооружения поверхностных сточных вод. Официальный сайт ООО «Витэко». [Электронный ресурс]. URL: http://www.veksa.ru/articles/podbor/typical-sol (дата обращения: 21.05.2019).
10. Широбокова Ю.Н. Принципиальная схема очистки ливневых сточных вод в условиях водоотведения микрорайона Северный города Майкопа // Современные научные исследования и разработки. 2016. № 7 (7). С. 254–256.
11. Установка для очистки дождевых сточных вод «Свирь». [Электронный ресурс]. URL: http://gpkit.ru/newsite/catalog_stoki_svir.html (дата обращения: 21.05.2019).
12. Валдай-Дождь. Установка для очистки поверхностных сточных вод в утепленном модуле. Официальный сайт ООО «Эко-системы». [Электронный ресурс]. URL: http://eco-systema.com/productions/system/valday-dojd/?utm_source=yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=valday_dojd&type=search&source=none&block=premium&position=3&utm_term (дата обращения: 21.05.2019).
13. Векса. Очистные сооружения ливневых стоков. Модели и характеристики. Официальный сайт ГК Аргель. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vo-da.ru/liven/veksa?yclid=7600020459018790048 (дата обращения: 21.05.2019).
14. Седлухо Ю.П. Очистка нефтесодержащих технологических стоков коалесцирующими фильтрами. Минск: Технопринт, 2012. 183 с.
15. Иваненко А.Ю., Яблокова М.А., Петров С.И. Моделирование процесса выделения эмульгированных нефтепродуктов из воды в аппарате с олеофильными пластинами синусоидального профиля // Теоретические основы химической технологии (ТОХТ). 2010. Т. 44. № 5. С. 588–600.
16. Яблокова М.А., Иваненко А.Ю., Турыгин В.Ю. Очистка подтоварных вод нефтеприисков с целью повторной закачки в нефтеносные пласты для поддержания внутрипластового давления // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2012. № 14 (40). С. 78–84.
17. Яблокова М.А., Бугров В.В., Хасаев Р.А. Современные технологии и оборудование для обезвреживания отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2014. № 25 (51). С. 62–67.
18. Патент 2252232 РФ, МПК C08L23/12, B01D17/02. Полипропиленовый композиционный материал для разделителя эмульсий / Бурлов В.В., Крыжановский В.К., Абрамова Н.К. // Заявл. 20.10.2003, № 2003131377 / 04; опубл. 20.05.2005. Бюл. № 14.

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].

jblok1.tif

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.

jblok2.tif

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.

jblok3.tif

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.


Библиографическая ссылка

Яблокова М.А., Зайцев Н.С., Хасаев Р.А. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И АГРЕГАТОВ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОКОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 7. – С. 110-113;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37598 (дата обращения: 18.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074