Интенсификация процессов сорбционной очистки нефтесодержащих сточных вод с использованием гидротермодинамических эффектов кавитации

Важность этой работы в общей постановке задач исследования обусловлена необходимостью совершенствования систем кондиционирования технических и сточных вод на базе новых наукоёмких технологий с целью повышения экономичности, надежности и безопасности существующих энергетических систем и комплексов. В то же время проблема, решаемая настоящим исследованием, является частью проблемы энергоресурсосбережения, или энергоэффективности производств, актуальной в силу известных факторов [1]:

• •    кризисного состояния российской экономики в целом и топливно-энергетического комплекса в частности;

• •    неоправданно высокого уровня удельных затрат энергии и других материальных ресурсов на единицу внутреннего валового продукта;

• •    объективной потребности в значительном реформировании российской экономики на базе научно обоснованной энергоресурсосберегающей политики.

Практически существуют два альтернативных пути ресурсной и, что не менее важно, экологической эффективности жизнедеятельности:

– реконструкция существующих технологических процессов на принципах построения малоотходных производств и безотходных комплексов;

• –    интенсификация производства полезного продукта при одновременном снижении потребления энергетических и материальных ресурсов в результате использования новых наукоемких технологий [1].

При непрерывном увеличении водопользования и загрязнения водоемов промышленными и бытовыми отходами острее становится проблема интенсификации очистки вод и сохранения гидросферы. В настоящее время кондиционирование сточных вод в большинстве своём осуществляется на морально и физически изношенном оборудовании с использованием традиционных технологий и методов механической и физико-химической обработки. С возрастанием водопотребления все большее значение приобретают задачи комплексного и рационального использования водных ресурсов, повышения качества и эффективности очистки и обеззараживания сточных вод, применения инновационного оборудования, современных материалов, технологий и механизмов [2, 3].

Одним из путей решения проблемы повышения эффективного водопользования является переход на оборотное водоснабжение [4, 5]. Это возможно только при наличии локального очистного оборудования [6, 7]. Лишь на единичных очистных сооружениях сток направляют на доочистку с использованием современных способов очистки и обеззараживания (озонирование, ультрафильтрация, обработка ультрафиолетовым излучением, электрохимическая обработка и др.) [8]. Каждый из перечисленных способов наряду с положительными сторонами – 269 – имеет и специфические недостатки, что заставляет искать новые пути развития экономически рациональных, ресурсо- и энергосберегающих методов и технологий очистки сточных вод.

Возникающие проблемы энергоресурсосбережения и экобезопасности в системах водоподготовки в энергетических комплексах могут быть решены с использованием эффектов кавитации [914]. Однако вопросы изменения физико-химических свойств воды (реологических, структурных и др.) и их влияния (на макроуровне) на ход и результат технологических процессов очистки промышленных стоков на современном этапе изучены недостаточно.

В этой связи возникает много вопросов, определяющих актуальность данной работы: о нахождении устойчивых режимов обработки воды, о влиянии кавитационного воздействия на физико-химические характеристики и релаксацию полученных свойств, о механизмах разрушения загрязнителей стоков при кавитационном воздействии, ответы на которые должны быть найдены в процессе всесторонних исследований.

Существующие технологии связаны с тремя основными процессами: катализом с интенсивным перемешиванием; диспергированием (механическим, химическим и биологическим); воздействием полей повышенных давлений и температур. От трети до половины всех энергетических затрат в различных технологиях идет на механическое диспергирование. Весьма сильную диспергацию дает химический способ – растворение. Наиболее распространенными растворителями являются вода и водные растворы щелочей и кислот. Перспективно применение активированной воды. Вода является либо дисперсной фазой, либо дисперсионной средой в большинстве технологических процессов [1].

В настоящее время фундаментальные и прикладные вопросы исследований кавитации в современных объектах техносферы являются приоритетными для обеспечения их безопасности. Гидродинамика кавитационных потоков, отличающаяся наличием парогазовых включений (отдельных пузырей, пузырьковых кластеров и облаков, суперкавитационных полостей) имеет ряд особенностей, существенно затрудняющих ее изучение, моделирование и в конечном итоге управление.

Современное состояние развивающихся методов численного моделирования кавитационных процессов не позволяет в ряде случаев обеспечить приемлемый уровень их описания даже при использовании наиболее современных моделей и суперкомпьютерных мощностей. Это связано с чрезвычайной сложностью, многомасштабностью и многообразием физических процессов, протекающих при кавитации.

Использование гидродинамических и теплофизических эффектов кавитации (кавитационной технологии) [1] способствует механотермолизу структуры воды с появлением свободных водородных связей, диспергации и гомогенизации с образованием устойчивых эмульсий, суспензий и смесей, имеющим перспективу для усовершенствования и интенсификации технологических процессов в различных отраслях производства. В области изменения свойств воды установлено, что в результате гидродинамической обработки ее физические характеристики существенно изменяются и сохраняются достаточно длительное время (до 7–10 суток), что позволяет использовать модифицированную воду в различных технологических процессах.

Наблюдается быстрое кислородонасыщение в воздушной среде, объясняемое наличием кроме диффузионного (за счет высокой степени сжатия парогазового содержимого кавитаци- онного микропузырька), также кинетического механизма насыщения воды кислородом, приводящего к ощутимой неравновесности процесса его растворения.

При непрерывном увеличении водопотребления и загрязнения водоемов промышленными и бытовыми отходами острее ставится проблема интенсификации очистки вод и сохранения гидросферы. Это связано с тем, что возрастание объёмов сточных вод влечет за собой необходимость увеличения площадей, занимаемых очистными сооружениями, что не всегда возможно в условиях урбанизированных территорий. Поэтому перед предприятиями и городскими службами стоит задача использования инновационного оборудования, с использованием современных материалов, технологий и оборудования. Проведенные ранее исследования по применению кавитационной технологии в различных процессах показали ряд положительных результатов [15–22].

Например, одной из основных проблем низкой эффективности применяемых на автомоечных станциях очистных комплексов является неправильный подбор технологической схемы очистки сточных (оборотных) вод [7]. При проектировании или монтаже готовой очистной системы необходимо учитывать не только мощность, производительность станции, качественные и количественные показатели загрязненности стока, но и систему обеззараживания повторно используемой воды в оборотном водоснабжении.

Сточная вода, поступающая в оборотную систему водоочистки, содержит большое количество нефтепродуктов, поверхностно-активных веществ, взвесей. Для приведения стока к нормативным показателям оборотного водоснабжения автомоечного комплекса используются традиционные методы механической и физико-химической обработки стока [23–30]. От эффективности работы очистного оборудования в значительной мере зависит объем и качество работы автомоечной станции, расходы сырья и энергии. При подборе существующей технологической схемы не учитывается биозагрязнение. Между тем эффективность работы систем оборотного водоснабжения значительно снижается в процессе эксплуатации вследствие образования различного рода отложений и обрастаний в теплообменных аппаратах, в трубопроводах и резервуарах чистой воды (РЧВ). Помимо этого ряд случаев отказа оборудования обусловлен образованием биопленки [5] и веществ, выделяемых в процессе метаболизма обрастателей. Микроорганизмы, прикрепившиеся к стенкам трубопроводов, образуют достаточно толстый слой, обладающий высокой прочностью на разрыв, вследствие чего увеличивается площадь твердой поверхности, создаваемой самими обрастателями. Это приводит к тому, что последующие клетки могут оседать и прикрепляться к ранее поселившимся клеткам. Таким образом, на поверхности появляются обрастатели второго, третьего и более высоких порядков. Прогрессирующая колонизация поверхности формирует на ней сообщества со сложной многоярусной структурой, вследствие чего возрастает пространственная гетерогенность и, соответственно, число потенциальных экологических ниш. Негативное влияние биообрастаний достаточно полно рассмотрено в [5, 11, 31].

Актуальность исследований, направленных на решение вопроса компоновки технологической схемы и подбора оборудования для очистки сточных вод нефтегазовых месторождений, обусловлена необходимостью повторного использования очищенных стоков для поддержания пластового давления при разработке нефтяных и газовых скважин.

Требуемые объемы возвратных пластовых вод достаточно велики. Ориентировочный расход воды для добычи одной тонны нефти составляет в среднем 1,6–2,5 м3 – при законтурном заводнении и 10–15 м3 – при площадном заводнении.

Воды, закачиваемые в пласт, требуют особой подготовки, а так как на 40–50 % это сточные воды различного происхождения, то необходимо разработать технологическую схему очистки с высокой эффективностью удаления таких полютантов, как нефтепродукты, взвешенные вещества, железо общее, соли кальция, магния, калия (карбонаты, гидрокарбонаты сульфаты), микроорганизмы [8].

Частицы водорослей, ила, соединения железа, содержащиеся в нагнетаемой воде, соли жесткости закупоривают поровые каналы продуктивного пласта, снижая приемистость нагнетательных скважин. Присутствующие же в закачиваемой воде микроорганизмы могут образовать нежелательные соединения. Так, сульфатвосстанавливающие бактерии в процессе жизнедеятельности вырабатывают сероводород в количестве до 100 мг/л. В последующем этот коррозионно-активный газ подвергает разрушению трубопроводы, аппараты и оборудование. Кроме того, данные бактерии провоцируют выделение карбоната кальция и сульфида железа, которые, в свою очередь, образуют минеральные отложения в трубопроводах, сооружениях, оборудовании.

Согласно ОСТ 39-225-88 «Вода для заводнения нефтяных пластов. Требования к качеству» вода, предназначенная для закачки в пласты, должна содержать не более 2 мг/л взвешенных твердых частиц с крупностью 15 мкм, 0,3 мг/л железа, 0,5 мг/л нефтепродуктов с крупностью эмульгированных частиц не более 5 мкм, 0,05 мг/л растворенного кислорода.

Существующие технологические схемы подготовки сточных вод, закачиваемых в пласт, предусматривают:

• 1)    осветление мутных вод коагулированием;

• 2)    декарбонизацию;

• 3)    обезжелезивание;

• 4)    ингибирование.

Для подготовки сточных вод на нефтегазовых месторождениях используют схемы открытого и закрытого типа.

Техника эксперимента

Принципиальная схема установки очистки пластовых сточных вод открытого типа приведена на рис. 1. Отделенная при подготовке нефти вода сбрасывается по водоводу в песколовку 1 для удаления механических примесей. Далее вода, содержащая нефть, поступает в нефтеловушку 2 , где за счет низкой скорости движения смеси капельки нефти успевают всплыть и откуда она периодически откачивается насосом 3 на установку комплексной подготовки нефти (УКПН). Далее вода с остаточным содержанием нефти (диаметр капель 70...80 мкм) самотеком поступает в два параллельно соединенных отстойника 4 , в которых скорость воды не превышает 8 мм/с, в результате чего в ней всплывают практически все оставшиеся капельки нефти. Из отстойников вода самотеком поступает в приемную камеру 5 , из которой забирается насосом 6 и через попеременно работающие фильтры 7 подается в емкость очищенной воды 8 . Затем эта вода насосом 9 откачивается на канализационную насосную станцию (КНС). По мере загряз- – 272 –

Рис. 1. Схема установки очистки пластовых вод открытого типа: 1 – песколовка; 2 – нефтеловушка; 3, 6, 9, 10 – насосы; 4 – пруд-отстойник; 5 – приёмная камера; 7 – фильтр; 8 – емкость чистой воды; 11 – накопитель; I – загрязнённая вода; II – мехпримеси; III – нефть на УКПН; IV – вода на КНС нения фильтры отключают и ставят на промывку чистой водой из емкости 8 с помощью насоса 10. Загрязненную после промывки воду сбрасывают в накопитель 11.

Схема водоподготовки открытого типа позволяет очищать технические и ливневые сточные воды в одном потоке независимо от состава, давления и газонасыщенности воды, а также совместно закачивать их в нагнетательные скважины. Обычно ее рекомендуют использовать для сточных вод с большим содержанием сероводорода и углекислого газа. Однако эффективность очистки стока по данной схеме не превышает 60 %, а экономические затраты на ее компоновку и эксплуатацию достаточно велики. Кроме того, в результате контакта с кислородом воздуха увеличивается коррозионная активность воды.

Принципиальная схема установки очистки пластовых сточных вод закрытого типа приведена на рис. 2. Отделенная от нефти в отстойнике предварительного сброса (ОПС) вода по линии сброса 1 направляется в резервуар-отстойник 2 , частично обезвоженная нефть (до 5 %), пройдя УКПН, поступает в теплоизолированные отстойники 3 . Процесс отделения воды в них ускоряется благодаря произведенному в УКПН нагреву и вводу поверхностно-активных веществ. Отделенная горячая вода поступает на прием насоса 4 и снова подается в отстойник предварительного сброса УКПН, что позволяет уменьшить расход деэмульгатора и температуру нагрева эмульсии. Из резервуара-отстойника 2 пластовая сточная вода забирается насосом 5 и подается на КНС.

Применение закрытой системы очистки позволяет интенсифицировать процесс подготовки воды с применением отстаивания и фильтрования под давлением, существенно снизить агрессивность сточной воды путем исключения ее контакта с кислородом воздуха, использовать остаточное давление, существующее в системе подготовки нефти [2, 32]. К недостаткам закрытых систем относится необходимость строительства блока для параллельной очистки поверхностных ливневых стоков.

Для интенсификации работы замкнутых систем очистки стока перед стадией фильтрования предлагается включить блок кавитационной обработки, например, построенных на конструкционных особенностях оборудования, описанных в [33, 34] с последующей доочисткой на сорбционных сооружениях. Данный метод позволяет достичь высокого степени очистки – 273 –

Рис. 2. Схема установки очистки пластовых сточных вод закрытого типа: 1 – линия сброса воды из отстойника; 2 – резервуар-отстойник; 3 – теплоизолированный отстойник; 4, 5 – насосы; I – холодная «сырая» нефть; II – обезвоженная нефть; III – горячая вода с ПАВ; IV – очищенная вода на КНС при значительном сокращении времени фильтрования, интенсифицировать процессы сорбции за счет гомогенизации смеси и ее нагрева в кавитационном реакторе, кроме эффектов, перечисленных выше [1]. Получаемые в результате цепной перекомбинации атомов водорода и кислорода продукты реакций – перекись водорода, озон, атомарный кислород – окисляют углеполимеры, входящие в состав нефтепродуктов до димономеров [4, 6], что в значительной степени ускоряет процесс сорбции, повышает степень извлечения нефтепродуктов из стока и в значительной мере снижает десорбционные явления. Очищенная сточная вода соответствует по физико-химическим и микробиологическим показателям технической воде для повторного использования как в виде возвратной пластовой, так и в виде производственно-технической.

Обсуждение результатов экспериментов

Среди методов, связанных с удалением загрязнений из сточных вод различного назначения, сорбционная очистка является одним из наиболее эффективных способов. Многие авторы обосновывают возможность использования отходов природных и синтетических полимерных материалов в качестве сорбентов для очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов. Ряд нефтеемких сорбентов может быть создан на базе технических остатков производства ваты, низкосортной технической ваты, отходов текстильного производств [32, 35]. В качестве активной загрузки в данном исследовании выбран сорбент «Унисорб-БИО». Основные характеристики данного сорбента даны в табл. 1. Сорбент, выбранный в качестве активной загрузки, представляет особый интерес с точки зрения компоновки минеральных комплексов и нефтеокисляющих культур микроорганизмов, закрепленных в порах препаратов. Одним из главных преимуществ исследуемого сорбента является то, что он не просто аккумулирует в себе нефтепродукты как другие сорбенты, а подвергает их разложению под воздействием иммобилизованной микрофлоры. Данный сорбент относится к классу биосорбентов. Гранулы биосорбентов имеют микропористую, мезопористую и слоистую чешуйчатую макропористую структуру, поверхность покрыта гидрофобной углеродной пленкой. Исследуемый сорбент «Унисорб-БИО» негорюч, невзрывоопасен, с длительным эксплуатационным сроком (до 3 лет), биорегенерируемый, утилизируемый по IV классу опасности. С целью выявления наиболее эффективного кавитационного режима обработки сточной воды и определения оптимальных режимов работы сорбционной установки проведены экспериментальные исследования и оценен результат по – 274 –

Таблица 1. Характеристика сорбента

Показатель, единицы измерения	Унисорб-БИО
Насыпная плотность, кг/м3	18–25
Размер хлопьев (крошки), мм	3–10
Сорбционная емкость по нефти, кг нефти / кг препарата	30/60
Снижение межфазного натяжения (вода – нефть), эрг/ см2	2,5–3,5
Доля переработанной микроорганизмами нефти после 7 – 14 сут:
а) биодеструктивная активность в аэробных условиях, %
при более 10 ºС	50–70
при 0 ... 10 ºС	25–40
б) биодеструктивная активность в анаэробных условиях, %
при более 10 ºС	20–35
при 0 ... 10 ºС	10–15
Уменьшение активности после трех лет хранения, %	30 – 40

Таблица 2. Результаты эксперимента

s s s ч л о Исходная концентрация нефтепродуктов в модельной воде, мг/л Условия сорбции Режим кавитационной обработки (скорость вращения кавитатора, время воздействия) Конечная концентрация (интенсифицированная сорбция/сорбция без интенсификации), мг/л Эффект очистки, % (интенсифицированная сорбция/сорбция без интенсификации) 1 10 Нормальные условия (20 ± 2 ºС) 9000 об/мин, 90 с 0,12 / 1,9 98,8 / 81 2 15 0,08 / 3,27 99,5 / 78,2 3 20 0,08 / 4,34 99,6 / 78,3 4 10 Нагрев до 40 ± 2 ºС 5000 об/мин, 60 с 0,06 / 1,4 99,4 / 86 5 15 0,09 / 2,2 99,4 / 85,3 6 20 0,28 / 3,84 98,6 / 80,8 7 10 Охлаждение до 0,14 ºС 9000 об/мин, 90 с 2,3 / 8,75 77 / 12,45 остаточному содержанию нефтепродуктов с применением ИК-спектрометрии в соответствии с ГОСТ Р 51797-2001, ПНДФ 14.1:2:4.168-2000, ФР.1.31.2008.04409, МУК 4.1.1013-01.

В ходе исследований было проведено 7 линий эксперимента с модельной и натурной водой, имеющей разную исходную концентрацию нефтепродуктов (от 10–20 мг/л). Выбран режим динамической сорбции при различных температурах и разных режимах гидротермодина-мического воздействия. В ходе эксперимента отслеживалась концентрация эмульгированных нефтепродуктов инфильтратов (табл. 2).

Таким образом, по результатам экспериментального исследования можно сделать вывод о том, что оптимальный режим динамической сорбции с условием интенсификации гидротер-модинамической обработки сточной нефтесодержащей воды определен именно параметрами работы кавитационной установки с числом вращения ротора 9000 об/мин и временем обработ- – 275 –

Рис. 3. Эффективность сорбционной очистки нефтесодержащих сточных вод при различных режимах динамической сорбции ки 90 с. При этом важным выводом является то, что температурные характеристики сточной жидкости практически не снижают эффект сорбционной очистки при кавитационной активации, тогда как исследуемый сорбент без интенсификации показывает низкую эффективность, при повышении температуры стока показатели эффективности значительно ухудшаются, а при экстремальном понижении температуры сорбент становится неприемлемым (рис. 3).

Выводы

Результаты исследования свидетельствуют о целесообразности введения узла кавитационной обработки сточной нефтесодержащей воды перед блоком сорбционных фильтров, целью интенсификации процесса динамической сорбции и повышения эффективности очистки с последующей компоновкой оборотной системы водопользования при подготовке пластовой и технической воды в закрытых циклах.