Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Изобретение относится к области технологии обработки сточных вод, загрязненных примесями органических веществ, преимущественно нефтепродуктами, жирами, поверхностно-активными веществами, механическими примесями, и может быть использовано в автохозяйствах, на предприятиях пищевой, кожевенно-меховой, целлюлозно-бумажной промышленности, а также для очистки балластных и сточных вод нефтеналивного, водного и железнодорожного транспорта.

Возрастание объемов производства с увеличением выбросов и неизбежных отходов с одновременным ужесточением требований и норм по охране окружающей среды остро ставит необходимость решения проблемы очистки, регенерации и утилизации рабочих сред. Причем, это могут быть стоки как промышленных технических, так и бытовых вод с превышением норм ПДК, сбрасывать которые без предварительной очистки запрещено.

Поскольку используемые рабочие среды, продукты жизнедеятельности (отходы) являются дисперсными многофазными системами (средами), то разработка технических средств для их разделения является актуальной задачей.

Известно устройство для очистки сточных вод от нефтепродуктов, содержащее трубопровод сточной воды, соединенный с приемным колодцем, питающим через всасывающую трубу с фильтром перекачивающий центробежный насос, имеющий на всасывающем патрубке эжектор, соединенный трубой с атмосферным воздухом, а напорный патрубок этого насоса соединен с сатуратором для растворения вводимого в воду воздуха, выходной патрубок сатуратора соединен с открытой флотационной камерой, снабженной скребковым механизмом и пеносборником для удаления всплывшей пены флотируемых частиц и донным выпуском очищенной воды (Караваев И.И., Резник Н.Ф. Флотационная очистка сточных вод промывочно-пропарочных станций и депо. - М.: Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение Министерства путей сообщения, 1961. - С. 4-12).

Недостатком данного устройства является сравнительно большая длительность растворения воздуха в воде и обусловленная этим необходимость введения в цепь аппаратов по обработке сточных вод специального напорного резервуара, работающего под давлением.

Известна установка для очистки нефтесодержащих сточных вод, включающая приемный колодец, подающий насос, блок предочистки, последовательно соединенные с ним камеру флотационной очистки с пеносборником и скребковым механизмом для удаления пены, камеру фильтрации - блок сорбционных фильтров и устройство для отвода воды (РФ Патент №2079437, C02F 1/40, 1997 г.).

Однако указанная установка не обеспечивает эффективной очистки стоков, поскольку не удаляет растворенные нефтепродукты.

Известно устройство для очистки сточных вод от нефтепродуктов, содержащее трубопровод сточной воды, соединенный с приемным колодцем, питающим через всасывающую трубу перекачивающий насос, напорная труба которого связана с эжектором, насосом и сатуратором, открытую флотационную камеру, снабженную скребковым механизмом и пеносборником для удаления всплывшей пены флотируемых частиц и донным выпуском очищенной воды (РФ Патент №2155716, C02F 1/24, 1998 г.).

Однако из-за возможности появления гидроударов и «завоздушивания» трубопроводов, а также необходимости согласования работы перекачивающего насоса и насоса-сатуратора может существенно снижаться надежность работы всего устройства в целом.

Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является флотационно-фильтрационная установка, содержащая накопитель, всасывающий трубопровод, насосный агрегат, эжектор, камеру флотации со скребковым механизмом, лотком, переливной трубой и систему фильтрации, при этом эжектор имеет два штуцера, один из которых служит для ввода раствора реагента, а другой - для подсоса атмосферного воздуха (РФ Патент №2543735, C02F 1/24, 2006 г.).

Однако указанная установка не обеспечивает удаление растворенных нефтепродуктов, а высокие рабочие давления 0,5-5,5 МПа, необходимые для функционирования, ужесточают требования по ее надежности и безопасности.

Технический результат изобретения - повышение качества очистки загрязненных сточных вод с одновременным повышением безопасности обслуживания установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для очистки сточных вод от нефтепродуктов, содержащем накопитель с исходной средой, связанный трубопроводом с всасывающим патрубком насоса, эжектор с двумя штуцерами, один из которых служит для ввода реагента, а другой - для подсоса атмосферного воздуха, камеру флотации, в верхней части которой выполнен лоток для сбора пены, связанный переливной трубой с резервуаром, и систему фильтрации, согласно изобретению камера флотации выполнена в виде цилиндрического стакана, внутри его коаксиально закреплена на перфорированных перегородках обечайка, под нижним торцом которой жестко установлена наклонная перегородка из высокопористого ячеистого металла с лиофобным покрытием с размером пор 30 мкм, образуя полость для сбора осадка и полость частично очищенной воды, сливаемой через выходной патрубок, напорный патрубок насоса трубопроводом с краном связан с эжектором, камера смешения которого соединена с источником подачи воздуха и с трубопроводом для подсоса реагента из емкости, выход эжектора трубопроводом соединен с патрубком подачи смеси в обечайку над жестко закрепленной внутри нее горизонтальной перегородкой, выполненной из высокопористого ячеистого металла с лиофобным покрытием и размером пор 30 мкм, над которой размещен поплавок из ферромагнитного высокопористого металла, с наружной стороны обечайки выше патрубка подачи установлены кольцевые магниты, охваченные концентратором магнитного поля на высоту не менее диаметра обечайки, к выходному патрубку через обратный клапан и кран подключен дополнительный центробежный насос, напорная линия которого подсоединена трубопроводом к системе фильтрации, состоящей из фильтра с коалесцирующими свойствами, один выход которого связан с сорбционным фильтром, а другой выход через запорный кран и обратный клапан связан с входом дополнительного эжектора, с выхода которого жидкая среда поступает в полость сбора осадка над наклонной перегородкой камеры флотации, на корпусе фильтра с коалесцирующими свойствами установлены кольцевые магниты.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для очистки сточных вод от нефтепродуктов (общий вид в разрезе);

фиг. 2 - фильтр с коалесцирующими свойствами (разрез по А-А фиг. 1).

Устройство содержит накопитель 1 с исходной жидкой средой, связанный трубопроводом 2 с насосом 3, эжектор 4 со штуцером 5 для ввода реагента и штуцером 6 для подсоса атмосферного воздуха с обратным клапаном 7, камеру флотации 8 (выполненную в виде цилиндрического стакана), в верхней части которой имеется лоток 9, связанный переливной трубой 10 с резервуаром 11. Реагент поступает из емкости 12. Внутри камеры 8 коаксиально закреплена на перфорированных перегородках 13 обечайка 14, под нижним торцом 15 которой жестко установлена наклонная перегородка 16 из высокопористого ячеистого металла (ТУ 1733-011-03847211-97) с лиофобным покрытием с размером пор 30 мкм, образуя полость 17 для сбора осадка и полость 18 частично очищенной воды, сливаемой через выходной патрубок 19.

Напорный патрубок насоса 3 трубопроводом 20 с краном 21 связан с эжектором 4, камера смешения которого соединена с источником подачи атмосферного воздуха через штуцер 6 и обратный клапан 7, а также трубопроводом 22 с краном 23 для подсоса реагента из емкости 12. Выход эжектора 4 трубопроводом 24 соединен с патрубком 25 подачи смеси в обечайку 14 над жестко закрепленной внутри нее горизонтальной перегородкой 26, выполненной из высокопористого ячеистого металла, идентичного материалу наклонной перегородки 16 (ТУ 1733-011-03847211-97) с лиофобным покрытием и размером пор 30 мкм, над которой размещен поплавок 27 из ферромагнитного высокопористого металла. С наружной стороны обечайки 14 выше патрубка 25 подачи смеси установлены кольцевые магниты 28, охваченные концентратором 29 магнитного поля на высоту не менее диаметра обечайки 14, обеспечивающим взаимодействие вихревого слоя жидкой смеси с магнитными полями. К выходному патрубку 19 камеры флотации 8 через обратный клапан 30 и кран 31 подключен дополнительный центробежный насос 32, напорная линия 33 которого трубопроводом 34 с краном 35 подключена к системе фильтрации, состоящей из фильтра 36 с коалесцирующими свойствами и сорбционного фильтра 37. Один выход фильтра 36 с коалесцирующими свойствами трубопроводом 38 с краном 39 связан с сорбционным фильтром 37, а другой выход через кран 40 трубопроводом 41 с обратным клапаном 42 подсоединен к дополнительному эжектору 43, с выхода которого жидкая среда через кран 44 и патрубок 45 поступает в камеру флотации 8 в полость 17 сбора осадка.

На корпусе фильтра 36 с коалесцирующими свойствами установлены кольцевые магниты 46. Патрубок выхода сорбционного фильтра 37 снабжен краном 47 для слива чистой воды. Трубопровод 38 для подачи жидкой среды для очистки на сорбционном фильтре 37 снабжен краном 48 для слива концентрата нефтепродуктов и мех. примесей и отбора проб. Поплавок 27 выполнен из ферромагнитного высокопористого ячеистого металла по ТУ 1733-011-03847211-97. Штуцер подсоса воздуха дополнительного эжектора 43 имеет кран 49 и обратный клапан 50 для предотвращения утечек жидкой среды при отключенном дополнительном насосе 32. Полость 17 для сбора осадка флотационной камеры 8 в нижней части снабжена патрубком с краном 51 для слива.

Картриджи 52 фильтра 36 с коалесцирующими свойствами (фиг. 2) выполнены из полимера пространственно-глобулярной структуры (ПГС-полимера) и армированы пенометаллом 53 с ферромагнитными свойствами (ТУ 1733-011-03847211-97). В зазоре 54 между внутренней поверхностью корпуса фильтра 36 и пенометаллом 53 установлены спиральные направляющие 55 для закрутки потока с целью увеличения времени экспозиции в магнитном поле при фильтрации среды с микрозагрязнениями. Так, если время экспозиции небольшого объема среды при скорости потока V и шаге винтовой линии L будет L/V, то при закрутке потока путь, проходимый выделенным объемом, будет существенно больше, а именно - L/sin b, а время L/(sin bV), где b угол подъема винтовой линии (Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия. 1989. - С. 224). Сорбционный фильтр 37 также выполнен из ПГС-полимера.

Для удаления из очищаемой жидкой среды капелек нефтепродуктов используются пористые перегородки 16, 26 с лиофобными свойствами. Используются при этом металлические сетки из цветного металла с фторопластовым покрытием, выпускаемые ООО «Элион-2» для разделительных перегородок фильтров (Каталог продукции. Фильтры и фильтроэлементы для очистки авиационного топлива. - М.: 2009 г. - СП). При этом создание особого рельефа, как, например, при использовании высокопористых ячеистых металлов из медно-никелевого сплава с покрытием из фтор-полимера, обеспечивает появление суперлеофобных свойств у разделительных поверхностей. Это достигается за счет того, что под каплей жидкости на поверхности сохраняются крошечные воздушные карманы, препятствующие растеканию. Суперлеофобность характерна для материалов с резким изменением кривизны поверхности. Для таких структур получены значения контактных углов смачивания более 150 град. (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, 2008, т. LII, №3. С. 60-62). Наклонная пористая перегородка 16 не пропускает частички нефтепродуктов больше характерных размеров ячейки пор 30 мкм.

Концентратор 29 магнитного поля (выполнен по ТУ 4859-001-4682222-2001) преобразует фоновые магнитные поля вихревой природы в направленный энергетический поток напряженностью 0,06 А/м и частотой 0,8 МГц (указанные значения напряженности магнитного поля и частоты обусловлены его конструкцией и не варьируются).

Использование в качестве реагента магнитных наночастиц гематита железа в жидкой среде для очистки загрязненных нефтепродуктами сточных вод объясняется тем, что эмульсионные оболочки капелек отличаются повышенной адсорбирующей способностью при наличии ферромагнитных частиц. При этом эмульсионные капли нефти приобретают магнитный момент во внешнем магнитном поле и могут быть отделены от воды (Баткин И.С., Смирнов Ю.Г. Моделирование воздействия супер-магнитных частиц на промысловые эмульсии. // Физико-математическое моделирование систем: Материалы VII международного семинара. Воронеж, 26-27 ноября 2010 г., Воронеж: ВГТУ, 2011, ч. 2 - С. 155-162.). Поэтому оксиды железа, применяемые в качестве реагента и носителя наночастиц, подаваемые из емкости 12 при эжектировании потоком жидкой среды в камеру смешения эжектора 4, при одновременной подаче воздуха обеспечивают образование эмульсионной среды с указанными ранее свойствами.

Создание переменного магнитного поля с помощью сборки постоянных кольцевых магнитов 28, при наложении высокочастотного магнитного поля от концентратора 29 интенсифицирует процессы разделения (А.А. Ревина, С.А. Бусев, В.Г. Калашников, В.Г. Лебедев. Спектрофотометрические исследования влияния действия фоновых излучений на обратномицелярные растворы природного антиоксиданта флавоноида, кверцитина. Электромагнитные волны и электронные системы, №8, 2012, т. 17. - С. 63-66). Возможность использования магнитной обработки для разрушения водонефтяных эмульсий определяется тем, что под действием магнитного поля изменяется форма коллоидных частиц из-за наличия двойного электрического слоя, а также возникает анизотропия диффузии и вязкости самой воды. При этом интенсифицируются процессы коагуляции частиц масла и частиц. Так при магнитной обработке нефтесодержащей воды в магнитном поле с величиной магнитной индукции до 200 мТл и времени обработки до 10 с происходит интенсивная коагуляция частиц масла и металла. Масло собирается в виде крупных глобул (средний размер до 150 мкм). (Лесин В.И. Физико-химический механизм разрушения водонефтяных эмульсий под действием магнитного поля // Материалы VII Всероссийского симпозиума «Актуальные проблемы теории адсорбции, модификации поверхности и разделения веществ», Отделение общей и технической химии РАН, 22-26 апреля 2002 г. - М.: Клязьма. - С. 102).

Наличие закрепленной пористой перегородки 26 способствует созданию устойчивого закрученного вихря с разряжением в его центре и давлением по периферии, что приводит к эффективному пенообразованию и отделению с пузырьками воздуха «захваченных» капелек нефтепродуктов и частиц загрязнений. (А.П. Меркулов. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: 1966. - С. 70). Учитывая при этом, что в нижней части вихря происходит интенсивное торможение насыщенной воздухом жидкой среды, приводящее к кавитации растворенного воздуха с образованием большого объема мелкодисперсных пузырьков, что и обуславливает удаление большей части микрофракций нефтепродуктов и их окисление.

Кольцевые магниты 46, установленные на корпусе фильтра 36 с коалесцирующими свойствами, способствуют увеличению коагуляции капелек нефтепродуктов.

Размещение поплавка 27 из ферромагнитного высокопористого металла над перегородкой 26 позволяет значительно увеличить магнитное поле на величину магнитной проницаемости (Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1975 г. - С. 160-163).

Устройство для очистки сточных вод от нефтепродуктов работает следующим образом.

Технологический процесс очистки можно представить в виде следующих стадий:

I. Очистка жидкой среды при функционировании устройства (продолжительность стадии определяется по уменьшению производительности, при ее снижении на 15% проводятся стадии регенерации);

II. Регенерация полости 17 сбора осадка (продолжительность стадии 10 мин);

III. Регенерация сорбционного фильтра 37 (продолжительность стадии 15 мин).

Для удобства описания работы устройства положение запорных кранов характерное для каждой стадии приведено в таблице 1.

На стадии I - очистки жидкой среды при функционировании устройства - жидкая среда из накопителя 1 по трубопроводу 2 насосом 3 при открытом кране 21 через эжектор 4 тангенциально подается в обечайку 14 камеры флотации 8, при открытом кране 23 подсоса реагента из емкости 12 по трубопроводу 22. Вихревой водовоздушный слой подвергается интенсивной магнитной обработке, обеспечивающейся воздействием наложенных переменных полей от кольцевых магнитов 28 с низкочастотной составляющей и высокочастотной составляющей от концентратора магнитного поля 29, а также наведенных полей, возникающих при вращении поплавка 27 из магнитного высокопористого ячеистого металла и ферромагнитных закрученных наночастиц реагента. Среда эффективно диспергируется при кавитации и через пористую перегородку 26 из пенометалла поступает в нижнюю часть объема камеры флотации 8, а флотошлам с нефтепродуктами всплывает и накапливается в лотке 9. Водная дисперсная среда с мелкими коллоидными частицами собирается в полости для сбора осадка 17, проходит через лиофобную наклонную пористую перегородку 16, заполняет полость 18 для частично очищенной воды, откуда через выходной патрубок 19, обратный клапан 30 и открытый кран 31 подается на вход дополнительного центробежного насоса 32 и далее в систему фильтрации - фильтры 36 и 37 при открытых кранах 35, 39, 40, 44, 47 и закрытых кранах 48, 49, 51. При этом на фильтре 36 с коалесцирующими свойствами обеспечивается постоянный вынос скоагулированных частиц через эжектор 43 при закрытом кране 49 в полость 17 сбора осадка камеры флотации 8. Усиление коагуляции обеспечивается воздействием сборок кольцевых магнитов 46. Жидкая среда с фильтра 36 с коалесцирующими свойствами подвергается очистке от растворенных нефтепродуктов на сорбционном фильтре 37, выполненном из ПГС-полимера. При снижении производительности устройства при очистке среды на 15-18% производится регенерация полости 17 сбора осадка и регенерация сорбционного фильтра 37, то есть стадии II и III соответственно.

На стадии II - регенерации полости 17 сбора осадка (проводится при открытых кранах 21, 23, 31, 35, 40, 44, 49, 51 и закрытых кранах 39, 47, 48) весь поток жидкой среды поступает от центробежного насоса 32 на дополнительный эжектор 43 через трубопроводы 34 и 41. В камере смешения эжектора 43 при открытом кране 49 жидкая среда дополнительно эффективно диспергируется и через кран 44 и патрубок 45 поступает водовоздушная среда, которая хорошо отмывает загрязнения с поверхности наклонной перегородки 16, которые с потоком жидкой среды по трубопроводу через открытый кран 51 могут смываться и в дальнейшем утилизироваться в специальных емкостях или сливаться в отстойники для промышленных вод.

На стадии III - регенерации сорбционного фильтра 37 краны 21, 23, 31, 35, 40, 44, 47, 48 открыты, а краны 39, 49 и 51 закрыты. Производится обратная и прямая промывка известным способом - при подключении насоса с резервуаром для промывочной жидкости (на фиг. 1 не показаны) к патрубкам с кранами 47 и 48.

Пример.

Для проверки эффективности работы предлагаемого устройства подвергались очистке сточные воды в объеме 50 л после зачистки резервуаров для нефтепродуктов. Оценка качества функционирования флотационной камеры 8, а также фильтров 36 с коалесцирующими свойствами и сорбционного фильтра 37 проводилась при отборе проб после перечисленных элементов с измерением содержания нефтепродуктов и мехпримесей, при этом оценивалось воздействие магнитных составляющих (сборок магнитов 46 на фильтре 36 и 28 на обечайке 14 с концентратором магнитного поля 29, а также ферромагнитного поплавка 27 и магнитных наночастиц гематита при подаче из резервуара 12) на эффективность разделения. Исходное содержание нефтепродуктов на входе в разработанное устройство было 37,4 мг/л, содержание мехпримесей 215 мг/л. Для анализа использовался анализатор жидкости «Флюорат-02». Содержание мехпримесей определялось с помощью «Автоматического туобидиметра для воды ТВ-346». Результаты измерений представлены в таблице №2.

Анализ результатов (№1 - с учетом действия магнитных составляющих и №2 - без учета их действия) показывает, что наличие магнитных составляющих существенно сказывается на эффективности разделения как от нефтепродуктов, так и от механических примесей. После небольшого разведения стоков до концентрации 0,030 мг/л они могут быть «сброшены» в открытые водоемы.

Таким образом, использование многоступенчатой очистки сточных вод от нефтепродуктов при отделении основной части эмульгированных загрязнителей во флотационной камере и последующем разделении на фильтрах из ПГС-полимера, обладающих коалесцирующими и сорбирующими свойствами, при магнитной обработке водовоздушной дисперсной среды позволяет очистить сточные воды до уровня нормативных требований.