Аппаратурное оформление технологических схем с внедрением узла кавитационной обработки воды

Предлагаемые современные технические решения должны отвечать ряду требований, а именно быть энергоресурсосберегающими, экологически безопасными, экономически целесообразными и вместе с тем высокоэффективными.

Внедряемая технология очистки сточных вод, образующихся на предприятиях ТЭК, содержащих нефтепродукты и биоорганизмы, в основе которой лежит кавитационное воздействие, отвечает указанным требованиям. Кроме того, очищенная по данной технологии вода по физикохимическому составу соответствует российским государственным стандартам и стандартам Европейского союза к технической воде.

Кавитационный реактор может быть включён в любой из этапов типовых технологических схем очистки. На рис. 3.18-3.20 представлены апробированные принципиальные схемы очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием кавитационной установки. Схема очистки нефтесодержащих сточных вод фильтрацией с доочисткой в кавитационном роторном реакторе представлена на рис. 3.20.

Рис. 3.18. Схема очистки нефтесодержащих сточных вод с доочисткой в кавитационном роторном реакторе

Технологическая схема включает: коагуляционное осаждение и фильтрование примесей на первой ступени; кавитационную обработку осветленного стока на второй ступени; осаждение продуктов разложения и адсорбированных инермедиатов на третьей ступени очистки.

Ступени обработки стоков, включающие физико-химическую очистку, подмешивание, отстаивание, реализуются традиционными способами, в зависимости от состава и расхода очищаемой воды.

Основной ступенью очистки в данной схеме является внедрение технологии очистки на базе эффектов кавитации для разложения трудно окисляемых веществ.

Согласно литературным данным, в условиях гидродинамической кавитации можно условно выделить три зоны, где происходят химические реакции окисления:

• • термодеструкция летучих соединений и образование ОЯ-радикалов на границе раздела жидкость-газ;
• • термодеструкция летучих соединений и образование (977-радикалов в газовой среде образовавшегося пузырька;
• • зона в объеме жидкости, куда диффундирует небольшое количество (977-радикалов, температура при этом на несколько порядков ниже температуры внутри пузырька.

Предлагаемый способ очистки можно существенно интенсифицировать путём добавления небольшого количества окислителя в зону кавитации для инициирования радикально-цепных реакций окисления субстратов и активирования молекул воды. В качестве окислителя может применяться пероксид водорода, озон, двухвалентное железо и др.

Согласно проведенным исследованиям полное удаление всех загрязнителей требует значительных затрат энергии, а также ведет к интенсивному абразивному износу оборудования от взвешенных веществ. Поэтому предлагается провести начальное осветление стока физико-химическими методами для отделения от неэмульгированных нефтепродуктов и крупных взвешенных веществ.

Технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод с примесями ПАВ и НПАВ представлена на рис. 3.19. Данная схема работает следующим образом: сточная вода сначала попадает в отстойник со встроенной песколовкой 7, где отделяется от крупных взвесей и неэмульгированных нефтепродуктов, затем проходит через скорый фильтр 2, где очищается от мелкодисперсных взвесей, предварительно очищенная вода попадает в резервуар с кавитирующей установкой 5, где очищается от эмульгированных нефтепродуктов, а пена, образующаяся при перемешивании среды, снимается пеносъёмником и аккумулируется в ёмкости для моющего концентрата 3 и снова поступает на мойку, вода же транспортируется в резервуар чистой воды 6 для дальнейшего использования.

Глубокая очистка сточных вод необходима перед использованием их в системах повторного и оборотного водоснабжения промышленных предприятий, преимущественное использование эти воды находят в системах охлаждающего оборотного водоснабжения, а также в ряде технологических операций, где требования к воде примерно соответствуют показателям качества вод открытых водоисточников, в некоторых случаях эти требования могут быть менее жесткие, чем к качеству воды перед сбросом в водоёмы.

В промышленном масштабе реализовано несколько технологических схем процессов кондиционирования вод с использованием эффектов кавитации. Одна разработана в США и получила название CAV-OX-процесс [49]. Данная технология используется для очистки грунтовых вод с низкими концентрациями органических примесей. В этой технологии задействованы: гидродинамическая кавитация, УФ-излучение и пероксид водорода как реагент для окисления органических веществ. На рис. 3.20 показана принципиальная схема устройств для реализации СА F-OX-процесса [48-50].

Рис. 3.19. Схема очистки нефтесодержащих сточных вод с примесями ПАВ и НПАВ с доочисткой в кавитаторе лопастного типа: 1 - отстойник со встроенной песколовкой; 2 - скорый фильтр; 3 - емкость моющего концентрата;

4 - насос; 5 - емкость с кавитирующей установкой; 6- резервуар чистой воды

Протекающий по данной схеме С А V-ОХ- процесс может применяться в двух модификациях: использование только кавитационного модуля и использование комбинации кавитационного модуля и УФ-реактора. В данной схеме используется высоконапорный проточно-кавитационный реактор.

Сравнение эффективности окисления предлагаемого метода произведено с флотационным методом очистки, так как это наиболее распространенный способ, которым очищают воду от органических веществ в локальных оборотных системах водоснабжения. Флотационный метод очистки обеспечивает, помимо удаления взвесей, растворенных и коллоидных загрязнений, также снижение значений ВПК и ХПК, удаление летучих компонентов и растворение в воде кислорода воздуха.

Основным недостатком флотационных установок является непостоянность процесса очистки. Так, эффективность процесса может колебаться в довольно широких пределах: от 20 до 90 %. Извлечение диспергированных, коллоидных или растворенных примесей воды происходит в результате их прилипания к пузырькам газа, образующимся в жидкости. Агрегаты пузырьков воздуха с примесями всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной воде.

Рис. 3. 20. Схема очистки нефтесодержащих сточных вод с примесями ПАВ и НПАВ с доочисткой в кавитационном модуле с УФ-реактором

Существенное влияние на эффективность флотации оказывает соотношение размеров частицы и газового пузырька, которое определяет эффективность их столкновения и последующего притяжения. Для каждого размера пузырька существует критический размер частицы. Столкновение частиц меньшего размера с пузырьком не происходит. Так, например наименьший размер частиц галенита, которые могут соприкоснуться с пузырьком воздуха диаметром 1,5ТО⁶ нм, составляет ЗОТО³ нм. При этом очень мелкие частицы движутся точно по линиям тока жидкости, обтекающей всплывающий пузырек. Поэтому столкновение частицы с пузырьком может произойти только тогда, когда частица проходит вблизи пузырька на расстоянии одного радиуса частицы [68]. В общем случае извлечение очень мелких частиц флотацией можно улучшить, повышая дисперсность и частоту генерации пузырьков воздуха. Время флотации устанавливают обычно по опытным данным, но в основном это время составляет ~ 30 минут [68], причем в воде, очищенной данным методом, остаются промежуточные продукты окисления углеводородов, не поддающиеся дальнейшему разрушению и являющиеся более опасными, чем исходные вещества.

Процесс озонирования осуществляют в флотационных камерах, в которых вода смешивается с воздухом. По данным литературных источников, для очистки 1 м³ требуется 0,05-0,08 кВт электроэнергии.

Преимуществом данного способа очистки можно считать простоту исполнения данного способа и то, что этот метод является безреагентным, т. е. в воду не вносятся дополнительные реагенты. К недостаткам следует отнести:

• • затруднительно провести расчет оптимальных технологических параметров, оптимальный технологический режим чаще всего устанавливают опытным путём;
• • оптимальный удельный расход воздуха в несколько раз превышает то количество воздуха, которое необходимо для создания условий всплывания агрегатов пузырьков с твёрдыми частицами;
• • большой избыток воздуха может привести к тому, что пузырьки будут накапливаться под слоем выделенного шлама и толщина верхнего шламовоздушного слоя, увеличиваясь, может достичь области гидравлических возмущений, создаваемой впускными устройствами. Это ухудшает эффект флотации, поскольку пузырьки и частицы выносятся с осветленной водой;
• • низкий коэффициент очистки;
• • образование при окислении высокомолекулярных соединений промежуточных токсичных веществ (повышение индекса токсичности);
• • высокую чувствительность к нарушениям технологических параметров флотации.

Предлагаемый способ кондиционирования позволит добиться более высокой степени очистки воды, достигающей 100 %, для проведения очистки 1 м³ предлагаемым способом необходимо затратить 0,016 кВт электроэнергии и обеспечить более выгодный режим энергопотребления.

Конструкция данного кавитационного реактора рассчитывалась на производительность 5 м³/ч. Рециркуляционный расход составляет 20 % от общего объема, подаваемого на установку. Для оптимальной работы генератора гидродинамических колебаний ёмкость должна быть круглой либо для простоты встраивания данной технологии в уже существующие установки квадратной.

С конструктивной точки зрения целесообразным представляется частичная реконструкция существующих технологических схем кондиционирования сточных вод. Предлагаемое конструктивное решение возможно применять после стадии флотационной очистки, что позволит интенсифицировать процесс очистки сточных вод от высоких содержаний нефтепродуктов и взвешенных веществ и получить необходимую степень очистки сточных вод для оборотного водоснабжения либо полностью исключит платежи предприятия за превышение пределов установленных лимитов на сброс сточных вод, а также значительно улучшит показатели природоохранной деятельности, если используется открытая система водоснабжения.

Производственные испытания показали высокую эффективность при очистке растворов, загрязненных нефтепродуктами и взвешенными веществами (табл. 3.10).

Таблица 3.10

Результаты обработки сточных вод по существующей схеме и рекомендуемой схеме очистки сточных вод

Выявлены основные преимущества использования кавитации по сравнению с напорными флотаторами:

• • насыщение жидкости пузырьками практически не зависит от наличия в ней взвешенных веществ.
• • возможность очистки различных стоков с различным качественноколичественным содержанием загрязняющих веществ;
• • возможность использования при модернизации существующего оборудования. Разработанное устройство встраивается во флотационные камеры существующих сооружений без изменения их конструкции;
• • возможность автоматизировать процесс очистки;
• • снижение эксплуатационных экономических затрат.

Для обоснования возможности использования очищенной воды в оборотном водоснабжении предприятий энергетического комплекса и установлении экологической безопасности внедряемого метода кондиционирования был проведен анализ биотестирования на Dafnia и Chlorella.

Методика биотестирования на Dafnia основана на установлении различий между количеством погибших дафний в анализируемой пробе (опыт) и культивационной воде (контроль).

Критерием острой летальной токсичности является гибель 50 % и более дафний в опыте за 96 ч биотестирования. Методика биотестирования на Chlorella основана на установлении различия между интенсивностью роста клеток водорослей в анализируемой пробе (опыт) и культуральной среде (контроль). Критерием токсического действия является снижение на 50 % и более численности клеток водорослей в опыте по сравнению с контролем за 72 ч биотестирования (условно «острая токсичность») и 7 сут. (условно «хроническая токсичность»).

Таблица 3.11

Сравнение токсичности при очистке стока традиционным и предлагаемым методом

Токсичность обработанной воды снижается в 63 раза, что свидетельствует о полном разложении кремнийорганических масел до низкомолекулярных нетоксичных веществ. Общее снижение токсичности составляет 93 %, в то время как в традиционной схеме с флотатором оно составляет 40% (табл. 3.11).