Оптимизация процессов очистки сточных вод
Опубликовано: 26 января 2009 г.
1729
А. Калинин
В последнее время особое внимание уделяется проблеме очистки высоконцентрированных промышленных сточных вод, однако оптимальное решение пока не найдено. Это связано с неоднородностью состава сточных вод различных предприятий. Особенно это характерно для нефтеперерабатывающей промышленности. При вводе в комплекс НПЗ производств по получению синтетических жирных кислот, существующие очистные сооружения завода не справляются с удалением большого количества органических загрязнений – не обеспечивают очистку производственных сточных вод до санитарных норм.
На примере Надворнянского НПЗ мы покажем, как проходили испытания режимов очистки производственных сточных вод по усовершенствованной технологии на промышленной установке по биологической очистке вод. Во время испытаний очистные сооружения работали при различных режимах и нагрузках, превосходящих проектные нормы. На очистные сооружения неоднократно сбрасывались залповые концентрации, в связи с чем эффективность очистки, характеризующейся ХПК, находилась в пределах 90–160 мг О2/л. Несмотря на это, на протяжении всего периода испытаний сточные воды завода очищались до требований, предъявляемых к условно-очищенным сточным водам, сбрасываемым в водный бассейн.
Известно, что при биохимической очистке нефтесодержащих стоков наиболее трудно окисляемыми являются углеводороды, содержание которых в стоках можно существенно уменьшить на стадии их физико-химической очистки.
Основой обеспечения мероприятий по повышению качества очистки стоков остается комплексная химическая обработка воды на базе различных технологий локального обезвреживания стоков и интенсификации всех стадий процессов очистки.
Осуществление процессов разделения жидких и твердых фаз (отстаивание, флотация) в загрязненной нефти осложняется высокой агрегативной и седиментационной устойчивостью систем, обусловленной во многих случаях поверхностно-активными свойствами загрязнений.
Существенным недостатком распространенных способов интенсификации процессов разделения фаз в электролитах, основанных на увеличении площади отстаивания, уменьшении струйности потока, повышении температуры процессов, добавке взвеси нейтрального реагента-осадителя, является пассивный характер влияния внешнего воздействия на процесс уменьшения раздела фаз. В связи с этим остаются актуальными способы активного влияния на качество воды, к которым относятся и реагентные методы обработки оборотных и сточных вод промышленных предприятий. Поэтому вопросы коллоидно-химического регулирования устойчивости дисперсных систем коагулянтами и флокулянтами, анализа оптимальных технологических решений получения и применения реагентов с целью ускорения раздела фаз дисперсных систем (при минимальных расходе и стоимости реагентов) остаются весьма актуальными. Для очистки воды весьма эффективно применение коагулянтов с повышенной основностью, представляющих полимерные комплексы и требующих значительно меньшего щелочного резерва очищаемой воды – гидросульфатов и гидроксохлоридов алюминия.
Эффективное применение коагулянтов сульфатов и хлоридов алюминия, осадок гидроксидов которых в 1,5 раза легче гидроксида железа, обеспечивается быстрым всплытием загрязненных примесей при концентрации коагулянтов до 90 мг/л в пересчете на А12О3. Для хлористого железа концентрация, соответствующая порогу быстрой коагуляции, превышает 200 мг/л, причем образуется более рыхлый и объемистый осадок, чем в случае применения солей алюминия.
Важнейшим технологическим параметром при очистке воды коагуляцией является доза коагулянта, которая должна обеспечить наилучшие условия для ее осуществления. Так, при использовании сульфата алюминия при рН менее 4,5 или более 8,5 в воде повышается содержание остаточного алюминия (вследствие образования основных сульфатов алюминия или алюминатов натрия). В то же время при использовании сульфата алюминия, его доза может быть уменьшена в два раза (до 50 мг/л) при повышении температуры воды с 4 до 28 °С. Доза коагулянта зависит не только от значений рН и температуры, но и количества взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ, цветности, ионного состава дисперсной среды и других физико-химических свойств воды.
Для того чтобы коагулирование протекало быстро и во всем объеме очищаемой воды, рекомендуется проводить интенсивное смешение реагентов при мокром (в течение 1–2 мин) и сухом (не более 3 мин) дозировании реагентов. При этом режим смешения должен быть таким, чтобы первоначально образовывалось как можно большее количество мелких агрегатов, на поверхности которых хемосорбировались бы заряженные полиядерные гидрокомплексы алюминия, обладающие высокой активностью к очищаемым примесям. Практически это осуществляется обработкой коагулянтом части объема очищаемой воды, который затем быстро смешивается с остальным объемом (раздельное коагулирование). Для уменьшения расходов сульфата алюминия (до 20–30 %) рекомендуется концентрированное коагулирование, при котором увеличивают начальную частичную концентрацию коагулянта при соотношении объемов обработанной и необработанной воды 1:1,5. Возможны и другие способы применения коагулянтов и флокулянтов.
В результате применения катионных флокулянтов сокращается расход основного коагулянта (сернокислого алюминия), уменьшается количество образующего шлама и исключается расход щелочи. Катионные флокулянты эффективны и в процессах флотационной очистки сточных вод без коагулянтов.
Возможности глубокой физико-химической очистки воды от продуктов переработки нефти ограничены как фазоводисперсионным состоянием коллоидов, так и существованием водорастворимой формы загрязнений.
Для существующих очистных сооружений более перспективны направления, не требующие технологического переустройства узлов действующих сооружений и дополнительных материальных затрат.
Практическое решение задач по формированию состава микрофлоры активного ила с заданными биохимическими свойствами целесообразно осуществлять на основе системного и научно обоснованного подхода к управлению технологическими режимами биохимической очистки стоков.
Оптимизация процессов биохимической очистки смешанных стоков на примере Надворнянского НПЗ
Залповые сбросы дали возможность испытать эффективность включенных в технологическую схему очистных сооружений дополнительных узлов. К неблагоприятным условиям в начальный период испытаний относились и резкие (от 0 до
Совершенствование технологии подготовки стоков перед подачей их на биологическую очистку
С целью улучшения работы существующих очистных сооружений исследовались пути совершенствования технологии на станции подготовки сточных вод перед подачей их в аэротенки. В ходе работы оказалось, что содержание нефтепродуктов в сточных водах значительно превышает ПДК для очистных сооружений и воды водоемов. В анализируемых пробах сточных вод (в летний период) полностью отсутствовал кислород, а содержание нефтепродуктов составляло от 37 до 80 мг/л. Для того же, чтобы сточные воды могли подаваться на биологическую очистку, в них необходимо присутствие кислорода, а содержание нефтепродуктов не должно превышать 25 мг/л.
Первоначально сточные воды подвергали искусственной аэрации с целью выяснения эффективности предварительного насыщения кислородом воздуха. В мерные цилиндры объемом 500 мл заливали 200 мл сточных вод и аэрировали в течение 30 мин аквариумными аэраторами. В ходе эксперимента измерялись концентрация растворенного в воде кислорода и температура (до и после аэрации).
Обычно концентрация растворенного кислорода в общем стоке после аэрации составляет всего лишь 3,5 мг/л. Сточные воды производства синтетических жирных кислот (СЖК) очень плохо насыщались кислородом, и поэтому присутствие их в общем стоке не позволило достичь необходимой концентрации кислорода.
Для оценки влияния сточных вод производства СЖК на интенсивность растворения кислорода в общем стоке завода была составлена смесь из основных сточных вод с процентным содержанием стоков от производства СЖК. Проведено два варианта опытов. В первом варианте основных стоков присутствовали только нефтесодержащие, во втором – добавляли 1,5 % нормативно-чистых сточных вод завода. Аэрация выполнялась вышеописанным методом.
С увеличением содержания сточных вод СЖК до 9,6 % насыщение смеси стоков поддерживается на уровне, который вполне приемлем для очистных сооружений. Присутствие стоков СЖК в количестве от 10 до 20 % насыщения поддерживается в пределах от 1 до 3,8 мг/л, что тоже обеспечивает нормальный ход процессов деструкции органических примесей в аэротенках. Дальнейшее увеличение количества сточных вод СЖК в общем стоке не позволяет насыщать кислородом сточную воду и, соответственно, угнетает процесс биологической очистки. Данные лабораторных исследований по насыщению смеси нефтесодержащих сточных вод и стоков от производства СЖК кислородом подтверждают правильность выше выбранного оптимального разбавления стоков СЖК.
Во втором варианте при добавлении 1,5 % нормативно-очищенных сточных вод завода насыщение кислородом значительно улучшается. Исходя из полученных данных, можно заключить, что в схеме биологической очистки данного вида сточных вод необходимо предусматривать возможность подачи очищенных вод в голову очистных сооружений.
После анализа возможных вариантов технологической схемы было приятно решение об устройстве ловушки с механическим аэратором на коллекторе стоков системы канализации завода перед биологической очисткой.
Как известно, искусственная аэрация благодаря равномерному распределению биомассы по объему сооружений и лучшему ее обеспечению кислородом позволяет повысить скорость окисления загрязнений в 1,5–2 раза. Для осуществления дополнительного насыщения сточных вод кислородом воздуха предназначен аэратор, который также может использоваться для аэрации природных вод, водоемов и рек со сравнительно малым течением воды.
Для удаления из сточных вод сероводорода, существенно влияющего на потребление кислорода в аэротенках, разработана система эжекторов, которая была смонтирована на напорном коллекторе подачи стоков в аэротенки. Эта система (в комплексе с аэратором поверхностно-глубинного действия) обеспечила удаление сероводорода на 80 %, что улучшило насыщение сточной воды кислородом до 70 %.
При этом следует отметить, что сточные воды системы канализации, прошедшие ловушку с механическим аэратором поверхностно-глубинного действия, смешиваются со сточными водами производства СЖК, в результате чего количество растворенного кислорода существенно уменьшается. После эжекторной системы количество растворенного кислорода в стоках увеличивается до 2,4 мг/л. С применением эжекторов на напорном коллекторенамного повысилась эффективность удаления механических примесей на первичных отстойниках. Содержание взвешенных веществ уменьшилось почти на 50 %.
После ввода ловушки с механическим аэратором поверхностно-глубинного действия содержание нефтепродуктов в нефтесодержащих сточных водах системы уменьшилось на 50 %, а содержание кислорода увеличилось от 0 до 2 мг/л.
Результаты испытаний усовершенствованной технологии в условиях очистных сооружений нефтеперерабатывающего завода
Испытания усовершенствованной системы проводились на основе действующих очистных сооружений. Сточные воды от производства СЖК направляли в пруд-накопитель. В пруду сточные воды СЖК дополнительно усредняли по загрязнениям, что исключало резкие колебания концентраций органических веществ и создавало благоприятные условия для жизнедеятельности микрофлоры активного ила.
Для дозировки стоков СЖК из пруданакопителя на приемном трубопроводе установили расходомер, при помощи которого задавали нужное количество стоков СЖК для смешивания с нефтесодержащими стоками завода. На всем протяжении испытаний придерживались 9–10-процентного содержания в смеси стоков СЖК. Усредненный и смешанный в соответствующем соотношении сток из регулирующей емкости подавали насосами на преаэратор-биокоагулятор; туда же поступала смесь избыточного активного ила со сброшенным илом из метантенков. Подача сброшенной массы в голову биологических очистных сооружений позволила на 30 % повысить содержание биогенных элементов в сточных водах. Активный ил в свою очередь способствует частичной коагуляции взвешенных веществ органических загрязнений, ввиду чего снижается ХПК стоков, поступающих в аэротенки. На протяжении всего периода испытаний ХПК стоков поддерживали в пределах 960–1000 мг О2/л, содержание нефтепродуктов составляло 40–80 мг/л, концентрация микроорганизмов находилась в пределах 1,5–2,5г/л. Иловый индекс колебался в диапазоне 120–80 см3/г. Подпитка биогенными элементами проводилась по соотношению, принятому для очистных сооружений производства синтетических жирных кислот. Период аэрации составлял 16 ч, вследствие чего производительность очистных сооружений увеличивалась до 12 000 м3/сут. Испытания проводились в два этапа. На первом этапе очистку производили по предлагаемой усовершенствованной технологии без применения водорослей, на втором – проверялась полная технологическая схема с использованием смеси активного ила и водорослей.
Данные, полученные во время испытаний, показали, что избранный режим разбавления стоков позволяет существенно улучшить показатели очищенной воды. Улучшились и седиментационные свойства активного ила. Иловый индекс снизился с 180–300 до 110–180 см3/г; ил не вспухал, лучше осаждался; вынос не превышал 20–25 мг/л. Зольность снизилась с 36 до 27 %. Однако количество нефтепродуктов в очищенной воде составило 14 мг/л, а в отдельных случаях (во время испытаний) этот показатель достигал 20 мг/л и более, что превышает установленные нормы. Кроме нефтепродуктов остался завышенным и ряд других показателей.
В этих же условиях была опробована технология очистки сточных вод завода при помощи смеси активного ила и водорослей. Разведение нужного количества культуры водорослей осуществляли в одном из регенераторов 2-й ступени на очищенной воде на протяжении 16 дней. Закачку очищенной воды в регенератор в качестве питательной среды осуществляли при помощи центробежного насоса, установленного возле третичных отстойников очищенных сооружений. Подачу суспензии в аэротенки начинали в том случае, если в поле зрения микро скопа встречалось 60–80 клеток водорослей. Дозировку водорослей в рабочий аэротенк осуществляли по прежней схеме подачи ила из регенератора. Вокруг аэротенков и регенераторов было установлено освещение для обеспечения условий круглосуточного роста водорослей. Под действием аэрации водоросли постоянно находились во взвешенном состоянии и контактировали с окружающей средой. Ввиду временного снижения цеха СЖК и соответственного уменьшения количества и концентрации кислых стоков в начале второго этапа испытаний появилась возможность постепенно нагружать смесь активного ила и водорослей. В первые сутки испытаний концентрация водорослей в очищенной жидкости после аэротенков снизилась, конечное ХПК было высоким – 200–240 мг О2/л. На восьмой день испытаний процесс очистки значительно улучшился, ХПК очищенной воды достигало 80–100 мг О2/л. Активный ил улучшил свои седиментационные свойства и способность к хлопьеобразованию.
Из приведенных данных видно, что очистка сточных вод нефтеперерабатывающего завода смесью активного ила и водорослей удовлетворительна по всем показателям. Повышенные концентрации растворенного кислорода до 2,5–3,5 мг/л увеличили кислородную способность активного ила. Адаптированный активный ил в аэротенках характеризовался хлопьями средней величины, темно-коричневого цвета с зеленоватым оттенком и хорошо выраженными седиментационными свойствами. При постановке пробы на оседаемость основная масса ила опускалась на дно в течение 15 мин. На протяжении полуторамесячных испытаний был создан адаптированный, выносливый к резким колебаниям загрязненности в сточных водах комплекс микроорганизмов, способный очистить воды завода до требуемых норм.
Результаты производственных испытаний по очистке высококонцентриро ванных сточных вод подтвердили полученные ранее данные об оптимальном соотношении стоков СЖК и нефтесодержащих сточных вод (соответственно 9–10 и 91–90 %) при совместной их очистке. Полученные данные по очистке смесью активного ила и водорослей позволяют оценивать технологические показатели смешанного ила как хорошие.
Комплекс микроорганизмов и водорослей, адаптированный к высококонцентрированным сточным водам нефтеперерабатывающего завода, характеризуется высокой седиментационной и окислительной способность. Процессы окисления органических загрязнений не сопровождаются существенными изменениями реакции среды, которая находится в пределах практически нейтральных значений. Потребление аммонийного азота водорослями значительно улучшает показатели очищенной воды.