Интенсификация процессов флотационной очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведен сравнительный анализ эффективности работы флотационных установок при очистке нефтесодержащих сточных вод промышленных предприятий методами напорной и безнапорной флотации. Рассмотрены и определены основные параметры и принцип работы флотационных установок различной конструкции, позволяющие повысить степень очистки сточных вод от нефтепродуктов. На основании экспериментальных данных приведены графики зависимостей содержания нефтепродуктов в сточной воде после очистки их на флотационных установках при напорной и безнапорной флотации. Рассмотрены основные конструктивные характеристики электрогидродинамического устройства и определены его положительные и отрицательные влияния на интенсификацию очистки сточных вод методом флотационной очистки. Рассмотрены схема и принцип работы вихревого смесительного устройства, позволяющего повысить степень очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов и тем самым обеспечить рентабельную эксплуатацию флотационных установок. В статье, помимо существующих технологий флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод, представлены рецептуры стеклоэмалей различного назначения, позволяющие интенсифицировать эффективность работы вихревого смесительного и электрогидродинамического устройств. На основании проведенных исследований выявлено перспективное направление рецептуры безгрунтовых эмалевых покрытий, исследования в направлении которых может способствовать повышению качества очистки нефтесодержащих сточных вод методами напорной и безнапорной флотации.

ABSTRACT

A comparative analysis of working efficiency of flotation plants in the purification of oily wastes of industrial organizations by methods of pressure and free-flow flotation is provided in the article. Main parameters and a working principle of flotation plants of various constructions that help to increase the degree of purification of waste waters from oil products are considered and determined. Based on the experimental data, dependency graphs of the oil concentration in the waste water after cleaning them at flotation plants under pressure and free-flow flotation are shown. Main structural characteristics of the electro-hydrodynamical device are considered and its positive and negative impact on the intensification of wastewater treatment by the flotation method is identified. The scheme and the operating principle of the vortex mixing device that allow increasing the degree of purification of industrial waste water from petroleum items and ensuring cost-effective operation of flotation plants are under study. In the article besides existing technologies of flotation treatment of oily wastewater, vitreous formulations for various purposes are presented which allow intensifying the efficiency of vortex mixing and electro-hydrodynamic devices. Based on carried out research, a promising direction of unprimed enamel coatings formulations is revealed, studies in the direction of which can improve the quality of oily wastewater by techniques of pressure and free-flow flotation.

Поскольку в водовоздушной смеси после ЭГДУ присутствовали отдельные пузырьки воздуха диаметром более 2 · 10^-3 м, свободное всплывание которых в объеме флотатора могло создать локальные области турбулизации потока, был предусмотрен классификатор фракций воздушной эмульсии.

В качестве классификатора фракций использовался вертикальный стояк, по которому водовоздушная смесь подавалась во флотатор. При движении водовоздушной смеси сверху вниз со скоростью 0,1 м/с пузырьки воздуха диаметром менее 1 · 10^-3 м увлекались потоком и вместе с очищаемым стоком поступали во флотатор. Более крупные пузырьки всплывали на поверхность и лопались. Содержащийся в них воздух отводился в атмосферу. Среднее газонасыщение водовоздушной смеси в объеме флотации находилось в пределах φ = 0,08-0,12.

С целью большего повышения эффективности работы участка флотационной предочистки замазученных сточных вод перед классификатором газовой фракции была установлена камера с коалесцирующей загрузкой, которую обычно рекомендовано использовать перед отстаиванием или фильтрованием [1]. В крупнозернистых коалесцирующих загрузках происходят гидродинамические процессы возникновения высокоградиентных турбулентных пульсаций в межпаровом пространстве и процессы адгезии − накопления на поверхности загрузки нефтепродуктов с образованием пленки, которая затем отрывается с образованием крупных нефтяных капель, участвующих в процессах гетерокоагуляции. В качестве коалесцирующей загрузки исполь­зовались кольца Рашига диаметром 50 мм. Расчетная скорость фильтрования в камере составляла v_ф = 80-100 м/ч, высота фильтрующей загрузки − 0,8 м.

В соответствии с предложенной технологией эжектор на байпасной линии насоса и сатуратор, ранее работавшие по схеме напорной флотации, были отключены. На напорной линии насосов, перекачивающих сточные воды во флотатор, были установлены высоконапорные эжекторы.

В результате перехода со схемы напорной флотации на безнапорную схему с ЭГДУ, классификатором фракций и камерой с коалесцирующей загрузкой удалось повысить эффект очистки нефтесодержащих стоков безреагентной флотацией с 45-55 % до 65-70 % и увеличить продолжительность фильтроцикла адсорберов с активированным углем, работающих на доочистке стоков после флотаторов, с 11-12 до 22-24 суток.

Однако длительная эксплуатация предложенной в работе [1] технологии безнапорной флотационной очистки стоков от нефтепродуктов выявила ее следующие недостатки:

•      за счет недостаточно высокой турбулизации, создаваемой двумя «потоками», имеющими противоположные направления вращения, в водовоздушной смеси, поступающей на классификатор фракции, находилось значительное количество пузырьков воздуха, размер которых превышал 2,0 · 10^-3 м, что существенно снижало газонасыщение смеси после классификатора;
•      наложение электрического поля существенно уменьшало эквивалентный диаметр только пузырьков воздуха, имеющих диаметр 1,5 мм и выше, что незначительно улучшало эффект флотационной очистки стоков;
•      устройство камеры с коалесцирующей загрузкой, хотя и позволяло укрупнять частицы мазута в воде, но и способствовало также возникновению процессов слияния пузырьков воздуха, что, в свою очередь, не приво­дило к улучшению эффекта флотационной очистки.

Кроме того, необходимо отметить, что отсутствие реагентной обработки стоков не дает возможности для достижения высокого эффекта флотационной очистки практически при любом способе насыщения воды воздухом. Исследованиями отечественных и зарубежных авторов [8; 9; 10; 11] установлено, что при использовании рециркуляционной схемы в установках безнапорной флотации качество очистки не сильно зависит от исходной концентрации загрязняющих веществ в очищаемой воде и остаточное содержание примесей всегда меньше, чем при использовании прямоточной схемы (рисунок 8).

Рисунок 8. Зависимость остаточной концентрации нефтепродуктов в очищенной воде от исходной концентрации [5]

Коэффициент рециркуляции, выражающий соотношение рециркуляционного и основного расходов воды, не должен быть слишком большим, чтобы не допустить значительных расходов электроэнергии при работе насосов, так как величина рециркуляции практически не влияет на производительность флотатора. Однако, с другой стороны, коэффициент рециркуляции при использовании технологии безнапорной флотации не должен быть менее 30 %, в противном случае при смешении рециркуляционного и основного потоков газосодержание в общем потоке окажется ниже 5 % и степень очистки уменьшится [5; 7].

Как уже отмечалось, степень диспергирования пузырьков наряду с газонасыщением является одним из важнейших факторов успешного осуществления процесса флотации. Эксперименты, проведенные автором [2; 3], показали, что повышение дисперсности пузырьков воздуха в двухфазных потоках, обрабатываемых в вихревых аппаратах, может быть обеспечено за счет увеличения смоченного периметра проходного сечения аппарата при его неизменной площади [2; 3]. Конструктивно это достигается установкой в стволе вихревого смесительного устройства (ВСУ) соосно расположенного стержня или трубки меньшего диаметра (рисунок 9). Диспергирование пузырьков в стволе ВСУ может быть значительно интенсифицировано за счет покрытия его внутренней поверхности, а также наружной поверхности центрального стержня силикатными эмалями, что позволит с движущимся двухфазным потоком «вода − воздух» в пристеночной области создавать высокие значения касательных напряжений, приводящие к эффективному диспергированию пузырьков воздуха.

Эмалевое покрытие представляет собой нанесенное на металлическое изделие легкоплавкое стекло, полученное оплавлением шихты сырьевых материалов, главным образом, оксидов кремния, бора, натрия, калия, алюминия, кальция, титана и др. Большинство стеклоэмалевых покрытий обладают диэлектрическими свойствами.

В настоящее время созданы рецептуры стеклоэмалей различного назначения. Одним из перспективных направлений в эмалировании является разработка и применение составов безгрунтовых эмалевых покрытий, которые наносятся обычно в два слоя непосредственно на стальную поверхность без промежуточного грунтового слоя.

Рисунок 9. Схема вихревого смесительного устройства (ВСУ) с эмалевым покрытием

1 − подающий трубопровод; 2 − входная камера; 3 − ствол (вихревая камера); 4 − отводящий трубопровод; 5 − выходная камера; 6 − центральный стержень (трубка); 7 − эмалевое покрытие

Значительный интерес в практике использования ВСУ представляет однослойное покрытие аппаратов эмалью марки МК-5, обладающее высокой коррозионной стойкостью и малыми гидравлическими сопротивлениями [4].

Для создания высокотурбулентного режима перемешивания в стволе вихревого смесительного устройства должна быть максимально использована энергия подающего насоса. Поэтому установка струйного эжектора перед вихревым устройством с электрообработкой смеси является недостаточно рациональным решением, так как эжектор такого типа использует для подсоса воздуха из атмосферы значительную часть энергии потока жидкости. Представляет интерес использование для первичного смешения воды с воздухом смесительного устройства (ВСУ первой ступени), работающего по принципу вихревого эжектора, потребляющего количество энергии на порядок меньше струйного; при этом подачу воздуха можно осуществлять в центральную зону данного вихревого смесительного эжектирующего устройства при помощи компрессора низкого давления и малой производительности (напри­мер, мембранного компрессора).

Таким образом, анализируя вышеперечисленные схемы флотационной очистки промышленных сточных вод, можно сделать вывод, что конструктивная переработка и исследование вихревых смесительных устройств позволит увеличить эффективность очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов за счет образования водовоздушных пузырьков нужного диаметра, создающих большие касательные напряжения на границе «пузырек воздуха − жидкость». Интенсификация и внедрение таких технологий позволит повысить эффективность работы флотаторов, а также может способствовать созданию энерго- и реагентосберегающей технологии глубокой очистки нефтесодержащих стоков на основе использования методов безнапорной флотации, механического фильтрования и сорбции.

Данные технологии в настоящее время являются весьма актуальными, так как вопрос очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов является важной научно-технической задачей многих отраслей производства.