Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблема предотвращения загрязнения водоемов нпв при эксплуатации судов и их СЭУ 11
1.1 Анализ проблемы предотвращения загрязнения нефтесодержащей подсланевой водой внутренних водных путей при эксплуатации судов и их СЭУ 11
1.2 Анализ образования нефтесодержащей подсланевой воды при эксплуатации судов и их СЭУ 17
1.3 Анализ современных природоохранных требований по предотвращению загрязнения нефтесодержащей подсланевой водой внутренних водных путей 20
1.4 Анализ существующих технических средств и исследований в области очистки НПВ 26
1.5 Выводы по главе. Задачи исследования 35
ГЛАВА 2 Разработка технологии очистки НПВ от нефтепродуктов 38
2.1 Исследование свойств нефтесодержащей подсланевой воды 38
2.2 Анализ существующих способов очистки нефтесодержащей подсланевой воды 41
2.3 Теоретические основы обоснования и разработки технологии очистки НПВ 51
2.4 Выводы по главе 57
ГЛАВА 3 Исследование процесса очистки НПВ адсорбцией 58
3.1 Исследование особенностей процесса очистки НПВ адсорбцией 58
3.2 Разработка методики исследования процесса глубокой очистки НПВ адсорбцией 63
3.3 Экспериментальные исследования процесса очистки 67
нефтесодержащей подсланевой воды адсорбцией 67
3.4 Разработка алгоритма расчета адсорбционных фильтров 73
3.5 Выводы по главе 81
ГЛАВА 4 Исследование процесса очистки НПВ озонированием 82
4.1 Применение озона для очистки воды 82
4.2 Теоретические исследования особенностей процесса очистки подсланевой воды озонированием 86
4.3 Экспериментальные исследования очистки НПВ от 100
эмульгированных нефтепродуктов озонированием 100
4.4 Анализ результатов экспериментальных исследований процесса очистки озонированием 105
4.5 Выводы по главе 107
ГЛАВА 5 Разработка комплекса специализированных судов и их сэу для очистки подсланевой воды 109
5.1 Разработка матрицы комплекса специализированных судов 110
5.3 Разработка комплекса специализированных судов и их СЭУ 122
5.4 Организация применения комплекса специализированных судов 137
5.5 Выводы по главе 142
Заключение 144
Список условных обозначений 145
Список литературы 146
- Анализ образования нефтесодержащей подсланевой воды при эксплуатации судов и их СЭУ
- Теоретические основы обоснования и разработки технологии очистки НПВ
- Разработка методики исследования процесса глубокой очистки НПВ адсорбцией
- Теоретические исследования особенностей процесса очистки подсланевой воды озонированием
Анализ образования нефтесодержащей подсланевой воды при эксплуатации судов и их СЭУ
К настоящему моменту времени уже накоплен определенный опыт по созданию и эксплуатации технических средств для очистки нефтесодержащей под-сланевой воды – судовых установок, а также технических средств, обеспечивающих внесудовую очистку НПВ, например, плавучих очистных станций [30, 50, 54, 55]. Упомянутый опыт включает в себя также теоретические исследования в данной области.
Основным теоретическим исследованиям проблемы предотвращения загрязнения водоемов подсланевой водой посвящены работы Зубрилова С.П., Курникова А.С., Мизгирева Д.С., Решняка В.И., Растрыгина Н.В., Косовского В.И., Нунупарова С.Н., и некоторых других авторов, в том числе, работавших в области очистки воды, прежде всего - Кульского А.Л. и его школы.
Проблеме выбора и обоснования технологии очистки НПВ посвящены работы Решняка В.И. [73, 74, 75, 76, 77, 78, 80, 83, 84, 85] в этих работах разработаны теоретические основы технологии очистки НПВ, однако эти исследований были ориентированы на создание технологии, обеспечивающей очистку 10 мг/л. Для обеспечения более глубокой очистки в условиях меняющихся требований (см. разд. 1.1 и 1.2) необходимо развитие и продолжение упомянутых исследований.
Работы Курникова А.С. [45, 46, 47, 48, 49] посвящены исследованию процесса активированных окислительных технологий (АОТ) для очистки сточной и другого качества воды, а также разработаны теоретические основы проектирования комплекса санитарно-экологических систем судов речного флота, созданы методики проектирования этих систем с использованием АОТ и с учетом переходных процессов.
В работах Нунупарова С.Н. [57] рассматриваются источники загрязнения морской среды в результате судоходства. Оцениваются эксплуатационные и аварийные сбросы нефти и других загрязняющих веществ с судов. Поясняются основные национальные и международные нормативные требования, и конвенционные положения по предотвращению загрязнения моря с судов. Даются описания и методы использования: наиболее эффективных судовых и портовых технических средств для предотвращения вредных сбросов в море; средств локализации сбора и рассеивания с поверхности моря плавающих загрязнений; средств очистки судовых нефтесодержащих емкостей; береговых и плавучих сооружений для приема с судов отходов. Излагается опыт организации работ, техническое обеспечение и особенности операций по ликвидации крупных разливов нефти в открытом море.
В работах Зубрилова С.П. [32, 33, 34] рассмотрены проблемы очистки сточных и нефтесодержащих вод, рассмотрены современные подходы к оснащению морских и речных судов установками по очистке питьевой, сточной и нефтесо-держащей воды. Представлено также, что обеспечение питьевой водой Санкт-Петербурга за последние 5–8 лет улучшилось, однако качество питьевой воды требует дальнейшего улучшения. Попытки приготовления «физиологически полноценной питьевой воды» путем корректировки состава микроэлементов в водопроводной воде различными минеральными добавками, выпущенными в продажу рядом фирм, нельзя назвать научно обоснованными. Сертификаты Минздрава РФ на них отсутствуют. Производству не только безопасной, но и полезной воды должна предшествовать длительная работа с хозяйствующими субъектами — загрязнителями р. Невы. Необходимо продолжить поиск альтернативных хлору обеззараживающих средств в целях исключения загрязнения питьевой воды хло-рорганическими соединениями, вредными для здоровья населения.
В середине 60-х годов 20 века в Ленинградском институте водного транспорта (ЛИВТе) и Центральном технико-конструктивном бюро Минречфлота (ЦТКБ) велась работа по созданию судовой установки для очистки НПВ, которая в дальнейшем применялась на судах различного класса и назначения [73, 81, 95, 96, 97]. Технология очистки НПВ в представленной установке ЛИВТ-ЦТКБ включала абсорбцию, седиментацию и адсорбцию, обеспечивая очистку НПВ от нефтепродуктов до 10 мг/л и менее [73].
Подача НПВ в установку осуществлялась из вакуумного бака 1, куда вода поступала за счет вакуума из емкости для накопления НПВ. Из вакуумного бака 1 НПВ поступала в прямоточный отстойник 2, в котором осуществлялась очистка абсорбцией и седиментацией и далее в адсорбционный фильтр 4.
В то время кроме установки ЛИВТ-ЦТКБ на судах можно было встретить установку Turbulo [73, 83, 84]. Технология очистки в Turbulo ограничивалась одним способом очистки - седиментацией, что в свою очередь не обеспечивало очистку НПВ до требуемой концентрации нефтепродуктов в очищенной воде (10 мг/л), так как седиментация не позволяет очистить НПВ от эмульгированных нефтепродуктов. На рисунке 1.7 представлена принципиальная схема судовой установки Turbulo.
Теоретические основы обоснования и разработки технологии очистки НПВ
Очистка НВ флотацией В зависимости от соотношения размеров пузырьков воздуха и частиц нефтепродуктов могут образовываться различные их комплексы. Эффективность очистки нефтесодержащей воды флотацией в основном зависит от вероятности контакта пузырьков воздуха с частицами нефтепродуктов, общей площади поверхности воздушных пузырьков и скорости движения пузырьков воздуха [83]. По способу подачи воздуха и образования пузырьков различают – механическую, пневматическую, напорную и электрохимическую флотацию. Наиболее эффективной является напорная флотация, где воздух предварительно растворяется в воде под высоким давлением, а затем при более низком давлении выделяется в объеме очищаемой воды в виде пузырьков [83, 84]. Применение флотации на специализированных судах влечет усложнение конструкции дополнительным оборудованием, которое в процессе эксплуатации необходимо регулярно обслуживать.
Очистка нефтесодержащей подсланевой воды от эмульгированных нефтепродуктов может быть обеспечена разными способами. Одним из наиболее распространенных способов является адсорбция [24, 73, 81, 83, 84]. Адсорбция является достаточно традиционным, известным и широко используемым способом очистки. Процесс очистки адсорбцией основан на поглощении частиц нефтепродуктов сорбирующей поверхностью адсорбционного материала рисунок 2.7.
Эффективность очистки адсорбцией зависит от физической природы вещества примесей и сорбента, от площади поглощающей поверхности, скорости движения очищаемой воды и начальной концентрации загрязняющих веществ [82, 83]. При правильно подобранном адсорбенте и правильно выбранных значениях технологических параметров процесса очистки адсорбция может обеспечить требуемую очистку воды от загрязняющих веществ.
Как правило, адсорбция осуществляется в адсорбционных фильтрах, которые являются достаточно простыми по конструкции устройствами. В адсорбционных фильтрах осуществляется очистка в, так называемых, динамических условиях, хотя известны попытки применения стационарных условий очистки нефте-содержащей подсланевой воды адсорбцией [82]. Каждый из этих способов организации процесса очистки адсорбцией имеет свои достоинства и недостатки, анализ которых для каждого конкретного случая очистных устройств, должен помочь сделать правильный выбор. Более подробно процесс очистки НВ адсорбцией описан в главе 3 настоящей диссертации. Адсорбция широко применяется на судах, предназначенных для глубокой очистки НПВ [11, 82, 98]. В случае правильной организации процесса очистки НПВ адсорбцией, происходит полное удаление нефтепродуктов, независимо от их начальной концентрации.
Окисление. Поскольку нефтепродукты являются органическими веществами, то для глубокой очистки нефтесодержащей воды можно использовать окисление [42, 76, 77, 82]. Процесс очистки нефтесодержащей воды окислением представляет собой химическую реакцию окисления нефтепродуктов, например, озоном. Окисление нефтепродуктов осуществляется до их полного превращения в углекислый газ и воду или до появления промежуточных продуктов этой реакции, которые начинают интенсивно коагулировать (образовывать хлопьевидную массу) [42].
При организации эффективной работы процесса очистки окислением нефте-содержащей воды, необходимо учитывать в каком состоянии находятся нефтепродукты в НПВ.
Способы получения озона обеспечивают образование озоно- воздушной смеси, которая далее подается в объем очищаемой воды [42, 82]. Подача осуществляется двумя способами: 1) при диспергировании озоно-воздушной смеси в воде и 2) при ее растворении в объеме очищаемой воды под давлением. Опыт использования озонирования для очистки нефтесодержащей подсланевой воды показал, что очень быстро после подачи озоно-воздушной смеси и соответственно начала реакции окисления начинает наблюдаться процесс хлопьеобразования [42, 82, 94, 105]. Этот эффект позволил предложить следующую организацию процесса очистки нефтесодержащей подсланевой воды при окислении озоном [76, 77, 82].
Реакцию окисления нефтепродуктов озоно-воздушной смесью целесообразнее заканчивать после появления хлопьевидной массы, которые далее окислять нет необходимости, а удалить их из объема очищаемой нефтесодержащей под-сланевой воды другим способом- фильтрованием [76]. Такая комбинация (очистка озоном и фильтрование) обеспечивают высокую эффективность очистки и экономичность глубокой очистки НПВ. Более подробно процесс очистки НПВ озонированием описан в главе четыре настоящей диссертационной работы.
Коагуляция и коалесценция – являются процессами не очистки, а обработки НПВ, которые обеспечивают изменение некоторых свойств загрязнений воды, как сложной дисперсно-фазовой системы, например, укрупнение дисперсных частиц загрязняющих веществ [82,110]. Коагуляция протекает в объеме очищаемой воды, а коалесценция на какой-либо поверхности, которая называется коалесцирующей [40, 82].
В результате процессов коагуляции и коалесценции концентрация загрязняющих веществ не меняется, а меняется размер частиц, находящихся в ней.
Процесс коагуляции частиц нефтепродуктов обеспечивается добавлением к НПВ веществ - коагулянтов, которые растворяются в воде и меняют соотношение сил, которые действуют на поверхности очищаемой воды, эти частицы начинают притягиваться друг к другу [82].
Увеличение размеров частиц нефтепродуктов обеспечивает более эффективную очистку седиментацией, флотацией, так как более крупные частицы легче выделяются из объема очищаемой воды [81, 82].
Разработка методики исследования процесса глубокой очистки НПВ адсорбцией
При разных значениях адсорбционной способности загрузки фильтра а1 = 300 мг/г, а2 =200 мг/г, а3 =100 мг/г, но при постоянных значениях начальной концентрации нефтепродуктов в очищаемой воде Со = 10 мг/л и скорости движения очищаемой воды V =0,5 м/мин. за определенный промежуток времени выходные кривые приняли вид, показанный на рисунке 3.9(б). 1. В соответствии с разработанной методикой эксперимента был разработан, собран и отлажен лабораторный стенд для экспериментального исследования адсорбционных фильтров. 2. Результаты измерений, выполненных при экспериментальном исследовании, позволили получить выходные кривые и определить скорость движения выходной кривой. 3. По результатам экспериментальных исследований была составлена зависимость, отражающая изменение концентрации нефтепродуктов в очищаемой воде на выходе из адсорбционных фильтров в зависимости от подачи очищаемой воды на фильтры, начальной концентрации нефтепродуктов и адсорбционной способности сорбента. 4. Полученная зависимость позволила выполнить моделирование работы адсорбционных фильтров для разных условий их применения (разных условий организации процесса очистки.
Расчет адсорбционных фильтров предполагает определение таких основных технологических параметров фильтров, как диаметр фильтра D и общую высоту фильтрующей загрузки H [80]. Эти параметры являются основными, от которых зависит эффективность работы фильтров при заданных заказчиком исходных данных по производительности процесса очистки НПВ в очистном комплексе, а также степени очистки.
Диаметр фильтра D определяется в соответствии с зависимостями w где Q – установленная заказчиком производительность очистного комплек са; F – площадь поперечного сечения фильтра; w– рекомендуемая скорость движения очищаемой воды в фильтре.
Скорость движения очищаемой воды определяется по результатам эксперимента. Например, для исследованной в настоящей работе адсорбционной загрузки можно принимать скорость, полученную в результате эксперимента. Скорость движения очищаемой воды в фильтре может быть также определена с помощью, полученной в настоящей работе зависимости (3.1).
Обеспечение установленной заказчиком производительности очистного комплекса – Q, может привести к получению в результате расчета значительной величины диаметра фильтра, которое может быть больше рекомендуемых.
Анализ существующих установок и плавучих очистных сооружений показывает, в качестве рекомендуемых значений диаметра фильтров Dрек следует принять следующий ряд значений диаметра фильтра: 200; 300; 600 мм [80, 82]. При расчетном значении диаметра фильтра D больше, чем рекомендуемое Dрек его значение, то есть D Dрек, необходимо предусмотреть параллельное включение фильтров, что позволяет разделить поток очищаемой воды на 2 или 3 параллельных потока и тем самым уменьшить в 2 или 3 раза производительность очистки по каждой из них, а соответственно уменьшить и диаметр фильтра (рисунок 3.10).
Максимальное количество параллельных линий рекомендуется принимать не больше трех (рисунок 3.11), что вытекает из опыта эксплуатации подобных очистных сооружений [80, 82].
Расчет поперечного сечения фильтра и диаметра необходимо осуществлять по следующему алгоритму (рисунок 3.12). Исходными данными расчета являются: Q -заданная заказчиком производительность очистного комплекса, w- рекомендуемая скорость движения очищаемой воды в фильтре принимается по результатам экспериментального исследования работы фильтра или из анализа данных, полученных при построении выходных кривых по зависимости (3.5). Если в результате расчета по зависимостям (3.4) расчетное значение диаметра фильтра больше рекомендуемых значений диаметра D Dрек, то тогда принимается парал 76 лельная схема подключения и расчет повторяется снова для новых значений Q, равных Q . Расчет повторяется до того момента, пока расчетное значение диаметра фильтра не удовлетворит условию D Dрек. Если диаметр фильтра не превышает диаметра рекомендуемого (DDрек), тогда принимается окончательное значение диаметра фильтра равное ближайшему большему значению (Dрек).
Такое решение не снижает эффективность работы фильтра с точки зрения скорости движения очищаемой воды, так как увеличении диаметра фильтра означает снижение скорости, что, в свою очередь, означает лучшие условия организации процесса очистки в адсорбционном фильтре.
Определение высоты, фильтрующей загрузки Н осуществляется по алгоритму, который представлен на рисунке 3.14.
Общая высота адсорбционного слоя определяется с помощью выходных кривых, которые могут быть получены экспериментально или с помощью зависимости (3.8) (рисунок 3.8). Экспериментальное определение предполагает получение выходных кривых по методике, которая описана в разделе 3.2. Эксперимен 77 тально общая высота адсорбционной загрузки определяется с учетом заданных зак заказчиком времени эффективной работы фильтра I эф-р . Общая высота адсорбционной загрузки как показано на рисунке 3.13, зависит от значения эффективного времени работы адсорбционных фильтров [80]. Кривая 1 соответствует режиму работы фильтра с высотой hb кривая 2 соответствует работе фильтра с высотой ІІ2, при этом \\j
Расчетные значения общей высоты фильтрующей загрузки может принимать такие значения, когда с точки зрения конструкции фильтра и/или удобства его эксплуатации не целесообразно располагать весь адсорбционный слой в одном фильтре. Тогда адсорбционная загрузка размещается в нескольких фильтрах соединенных последовательно [28]. Для решения вопроса о количестве адсорбционных фильтров расчетное значение общей высоты адсорбционной загрузки сравнивается с рекомендуемым значением hрек рекомендуемые значения высоты адсорбционной загрузки hрек в одном фильтре приведены в таблице 3.1.
Теоретические исследования особенностей процесса очистки подсланевой воды озонированием
Основной целью экспериментальных исследований была проверка эффективности очистки НПВ от нефтепродуктов озонированием при получении озона от ультрафиолетового излучателя [42, 76]. Кроме того, как было сказано выше, необходимо было подтвердить наличие (или отсутствие) явления коагуляции в процессе очистки НПВ озонированием. Эксперимент определения эффективности процесса очистки НПВ озонированием позволяет в целом оценить возможность применения разработанного способа и устройства получения озона в очистных комплексах специализированных судов для очистки НПВ. Наличие явления коагуляции или его отсутствие необходимо для разработки технологии очистки НПВ. Наличие процесса коагуляции требует дополнительного применения фильтров для удаления скоагулированой массы [73, 80, 81].
Первая задача решалась при пропускании озоно-воздушной смеси через объем очищаемой воды. Пропускание озоно-воздушной смеси должно осуществляться путем ее диспергирования (распыления) при использовании пористых материалов. Озоно-воздушная смесь подается из зоны работы ультрафиолетового излучателя в объем очищаемой воды специальным компрессором по системе подачи (рисунок 4.15) [42].
Изменение концентрации нефтепродуктов во времени регистрируется путем отбора проб очищаемой воды и последующего анализа этих проб.
Экспериментальные исследования проводились на специально приготовленной нефтесодержащей воде [1, 12]. Основным условием к качеству такой воды являлось отсутствие нефтепродуктов в виде слоя или пленки. Процесс приготовления нефтесодержащей воды для проведения экспериментальных исследований должен исключать наличие нефтепродуктов в виде слоя или пленки. Указанное условие обеспечивается при интенсивном перемешивании воды и нефтепродуктов, отстое, при котором выделяется из объема приготовленной воды «пленочная» составляющая и осуществляется разделение приготовленной воды на две части, одна из которых содержит только эмульгированные нефтепродукты. Окончательное приготовление необходимого для проведения эксперимента объема очищаемой воды обеспечивается дополнительным разбавлением полученного объема воды чистой водой. При этом осуществляется отбор проб и измерение исходной концентрации нефтепродуктов (рисунок 4.16).
Вторая задача экспериментальных исследований решалась путем визуального наблюдения за процессом озонирования. Для возможности такого визуального наблюдения для опытов использовалась прозрачная емкость.
Для осуществления экспериментальных исследований по вышеописанной методике был разработан, собран и отлажен стенд, принципиальная схема которого показана на рисунке 4.17.
В разработанном лабораторном стенде применяется озонообразующая бактерицидная лампа ультрафиолетового излучения типа ДБК-9, смонтированная в облучателе ОУФБ-04 [42].
Лабораторный стенд состоит из закрытого резервуара-1, в котором происходит озонирование очищаемой воды, генератора озона-2, выполненного в виде ультрафиолетовых ламп, распылителя озоно-воздушной смеси с вертикальной трубкой-4, верхний конец которой выступает над уровнем воды, блока управления-5, компрессора -6 для подачи атмосферного воздуха в резервуар-1, управляемых клапанов-7 запорно-регулируемых трубопроводов-8, предохранительного клапана-9, датчика уровня-10.
Проведенный эксперимент по обработке НПВ озоно-воздушной смесью состоял из следующих этапов: 1. подготовка высококонцентрированной нефтесодержащей воды; 2. обработка НПВ ультрафиолетовым облучателем; 3. обработка результатов измерения концентрации нефтепродуктов в отобранных пробах. Подготовка экспериментальной жидкости (высококонцентрированной нефтесодержащей воды) достаточной сложный процесс, включающий в себя определенное количество последовательных действий, связанных с приобретением ингредиентов необходимых для этого процесса [1]. В целом подготовка включает в себя все те мероприятия описные ранее в главе 3 (Исследование процесса очистки НПВ адсорбцией) настоящей диссертационной работе. Весь процесс подготовки экспериментальной жидкости и в частности эксперимент проходили в лаборатории ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова.
Экспериментальная жидкость была заранее подготовлена в емкости, из которой далее очищаемая вода, насыщенная тонкоэмульгированными нефтепродуктами, по трубопроводу 8 подается в резервуар 1. Уровень воды в емкости 1 регулируется блоком управления 5, который в зависимости от сигнала с датчика 10, подает команды на управляемые клапаны 7 трубопроводов подачи и слива воды 8. Одновременно с подачей нефтесодержащей воды в резервуар 1 через распылитель 4, находящийся в нижней части резервуара, поступает озоно-воздушная смесь. Озон в надводной зоне емкости образуется с помощью генераторов озона (ультрафиолетовых ламп) 2 из атмосферного воздуха, подаваемого в резервуар компрессором 6. Давление озоно-воздушной смеси, образующейся в верхней части емкости 1, регулируется предохранительным клапаном 9. Очищенная вода отводится по трубопроводу 8.
Проведенный эксперимент по обработке НПВ озоно-воздушной смесью состоял из следующих этапов: 1-подготовка высококонцентрированной нефтесодержащей воды; 2-обработка НПВ ультрафиолетовым облучателем; 3-обработка результатов измерения концентрации нефтепродуктов в отобранных пробах. Анализ результатов отобранных проб перед началом эксперимента показал, что рабочая жидкость насыщенна нефтепродуктами и находится в диапазоне (30 105 40) 10 мг/л. Количество отобранных проб позволяет с достаточным утверждением показать, как меняется концентрация нефтепродуктов в рабочей жидкости и показать эффективность работы установки. Некоторое количество проб были взяты перед началом эксперимента, последующий отбор происходил с интервалом 15 мин. Отобранное количество проб позволяют графически отобразить зависимость изменения концентрации нефтепродуктов в очищаемой воде под действием озоно-воздушной смеси, за определенный промежуток времени (рисунок 4.18).