Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТЕХНОЛОГИЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ОБЪЕКТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВИРОВАННОГО АЛЮМОСИЛИКАТНОГО АДСОРБЕНТА

МЕДВЕДЕВА В.М.

Санкт-Петербург 2008

Работа выполнена на кафедре «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС).

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель РФ доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор академик РЖКА АЮКАЕВ Ренат Исхакович кандидат технических наук, доцент ПОДПОРИН Александр Владимирович технических на

Ведущая организация: ОАО ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ «ЛЕНГИПРОТРАНС»

Защита состоится «01» июля 2008 г. в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.223.06 при Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул. д. 4, ауд. 206, тел/факс (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан ___________________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Дерюгин В.В. общая характеристика работы

1. Основное содержание работы

Актуальность темы. Сохранение биосферы Земли в условиях растущего антропогенного воздействия на экологические системы - одна из острейших глобальных проблем современности. Значительную долю в загрязнение рек, озер, морей и других поверхностных водных объектов вносят сточные воды. Неблагополучная ситуация с очисткой сточных вод в большинстве субъектов Российской Федерации обусловлена недостаточно эффективной работой очистных сооружений.

Железнодорожный транспорт, являясь одним из основных перевозчиков грузов и пассажиров, оказывает негативное воздействие на окружающую среду, в том числе по загрязнению вредными веществами поверхностных водных объектов. Несмотря на ежегодное сокращение общего объема сброса сточных вод, структурные подразделения ОАО «РЖД» осуществляют сброс неочищенных и недостаточно очищенных стоков в поверхностные водные объекты, в результате чего происходит загрязнение окружающей среды вредными примесями.

Анализ работы существующих на предприятиях железнодорожного транспорта очистных сооружений показывает, что многие из них в настоящее время предприятиях железнодорожного транспорта анияузовов вагоновх в моечных машинах, системах охлаждения компрессоров, наружной обмне в полной мере отвечают современным нормативным требованиям природоохранных органов к качеству очищенной воды. Добиться снижения объема сброса загрязнений в поверхностные водные объекты возможно лишь за счет внедрения современных передовых технологий очистки при реконструкции и строительстве локальных канализационных очистных сооружений предприятий.

В данной работе предложена новая технология очистки загрязненных сточных вод предприятий железнодорожного транспорта от нефтепродуктов методом фильтрования через активированный алюмосиликатный адсорбент, изготовленный на основе каолиновой или кембрийской глины.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка новой технологии доочистки производственных сточных вод структурных подразделений ОАО «РЖД» от нефтепродуктов, до норм, установленных территориальными природоохранными органами, с повторным использованием очищенной воды для технологических нужд предприятия.

В соответствие с поставленной целью сформулированы следующие основные задачи работы:

- обосновать и сформулировать основные физико-химические представления о механизме сорбционной очистки нефтесодержащего стока на активированном алюмосиликатном адсорбенте;

- на основании полученных экспериментальных данных по фильтрованию сточных вод через адсорбент обосновать соответствие процесса очистки нефтесодержащего стока на активированном алюмосиликатном адсорбенте общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред;

- разработать эффективный способ восстановления сорбционной активности фильтрующей загрузки из активированного алюмосиликатного адсорбента; фильтрование сточный вода адсорбент

- подготовить методику технологического регламента работы сорбционных фильтров;

- рассчитать технологические характеристики производственного многостадийного процесса очистки нефтесодержащих сточных вод локомотивного депо, произвести его апробацию в производственных условиях и определить эффективность разработанной технологии.

Научная новизна работы:

- обоснована физико-химическая сущность процесса сорбционной очистки нефтесодержащего стока на активированном алюмосиликатном адсорбенте;

- на основании экспериментальных данных обосновано соответствие процесса очистки нефтесодержащих сточных вод на активированном алюмосиликатном адсорбенте общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред;

- разработана методика расчета физических и технологических параметров процесса сорбционной очистки нефтесодержащего стока;

- определен наиболее эффективный способ регенерации фильтрующей загрузки из активированного алюмосиликатного адсорбента;

- по результатам проведенных исследований в работе даны практические рекомендации по применению активированного алюмосиликатного адсорбента для очистки нефтесодержащих стоков.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Достоверность приведенных в диссертации научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании известных теоретических разработок, физически достоверных математических моделей, соответствующих экспериментальных результатах, полученных автором и другими исследователями, а также данных производственных испытаний.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Благодаря созданию и промышленному освоению активированного алюмосиликатного адсорбента, способного восстанавливать свою сорбционную активность посредством предложенной технологии регенерации, осуществляемой непосредственно в фильтровальном сооружении, появилась новая возможность создания малоотходных систем водопользования в структурных подразделениях ОАО «РЖД». Активированный алюмосиликатный адсорбент способен выполнять свои функции в течение нескольких лет при периодической его промывке и активации.

Использование активированного алюмосиликатного адсорбента позволяет модернизировать действующую либо создать новую технологическую схему очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты, что приведет к значительному снижению затрат на очистку.

Результаты исследований были реализованы при доочистке нефтесодержащих стоков активированным алюмосиликатным адсорбентом в локомотивном депо «Ульяновск-центр» Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РДЖ». После внедрения новой технологии доочистки нефтесодержащих сточных вод значительно улучшилось качество очищенных сточных вод, а также сократились эксплуатационные затраты предприятия, включающие оплату используемой на производственные нужды воды и сброс в горканализацию загрязненных производственных стоков.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и были одобрены на научно-технических конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов в Российском государственном открытом техническом университете путей сообщения («Безопасность как фактор устойчивого развития региона» г. Ижевск, 2007 г.) и на 65-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургской архитектурно-строительной академии (секция водоотведение и экология) 5-6 февраля 2008 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 статей, в том числе 1 в ВСТ №8 за 2007 год.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы текста, включая 15 рисунков, 24 таблицы, 3 приложения на 37 страницах. Список литературы содержит 124 наименования.

2. Основные положения диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и определены основные направления исследований.

В первой главе диссертации проведен анализ состояния существующих на предприятиях железнодорожного транспорта систем очистки сточных вод, доказывающий необходимость внедрения технологий доочистки, позволяющих снижать загрязнение окружающей среды. Проведен анализ современных технологий очистки стоков от нефтепродуктов. В соответствии с литературными данными при очистке и доочистке нефтесодержащих стоков используются:

- сорбционные методы очистки, при осуществлении которых в качестве сорбентов используются различные материалы естественного происхождения и модифицированные, в т.ч. стекловолокно, активированный уголь, мезопористый ископаемый уголь (МИУ-С), торф, зола, мелкий кокс, силикагель, вермикулит, гидрофобизированный перлит, зауглероженный вермикулит, базальтовая вата модифицированная;

- мембранный метод доочистки нефтесодержащих сточных вод;

- биохимический метод очистки (использование специализированных бактериальных культур) сочетающих фильтрацию и биоокисление;

Указанные методы имеют ряд недостатков, которые не позволяют рекомендовать их для применения на железнодорожных предприятиях. Так, мембранные методы образуют экологически опасные отходы, которые требуют утилизации, кроме того мембраны весьма чувствительны к присутствию взвеси и коллоидных веществ и при их наличии в очищаемой воде быстро выходят из строя; биохимические методы недостаточно эффективны при удалении больших концентраций нефтезагрязнений; в сорбционных методах используются дорогие вещества для регенерации, к тому же известно, что большинство используемых адсорбентов практически не регенерируются и их приходится утилизировать вместе с сорбированными нефтепродуктами.

Однако в последнее время, был создан ряд адсорбентов длительного действия, способных восстанавливать свою сорбционную активность посредством регенерации, осуществляемой в фильтровальном сооружении. К таким адсорбентам относится активированный алюмосиликатный адсорбент (ААА), полученный на основе природного глинистого минерала с активирующей добавкой. Основным технологическим приемом использования ААА при очистке сточных вод является фильтрование.

Значительный вклад в развитие теории фильтрования внесли многие ученые, такие как Аюкаев Р.И., Айвес К., Веницианов Е.В., Деб К., Журба М.Г., Ильин Ю.А., Клячко В.А., Кульский Л.А., Мельцер В.З., Мацкрле В., Минц Д.М., Петров Е.Г., Шуберт С.А. и др. Особо следует отметить работы Веницианова Е.В., в которых дальнейшее развитие получила теория динамики сорбции из жидких сред, позволяющая с единых позиций рассматривать диффузионные, ионообменные и фильтрационные процессы.

Поскольку при фильтрации сточных вод, содержащих нефтепродукты, в слое адсорбента в различной степени происходят указанные процессы, необходимо было обосновать соответствие процесса очистки нефтесодержащего стока фильтрованием через сорбент ААА общим закономерностям динамики сорбции из жидких сред.

Во второй главе представлены результаты исследований по определению эффективности и динамики процесса очистки нефтесодержащего стока при фильтровании его через адсорбент, изготовленный из природной глины с добавкой доломита в количестве 15% от массы глины. Исследования проводились на коротком слое адсорбента по методике Е.В. Веницианова и Е.Г. Петрова, на реальных сточных водах локомотивного депо, прошедших предварительную очистку во флотационных сооружениях и содержащих в своем составе различные концентрации нефтепродуктов. Скорость фильтрования стока в экспериментах назначалась от 3 до 5 м/ч.

Отбор проб фильтрата производили через каждые 30 минут. Определялись такие показатели, как концентрация нефтепродуктов и рН. Содержание нефтепродуктов в исследуемой пробе определялось на анализаторе нефтепродуктов АН-2, величина рН измерялась иономером И-500. Степень очистки стока во времени оценивалась уровнем проскоковой концентрации нефтепродуктов в фильтрате - и, мг/л, который определялся отношением Сф /Сисх, где Сф - концентрация нефтепродуктов в фильтрате, мг/л, Сисх - концентрация нефтепродуктов в исходной воде, поступающей на фильтрацию мг/л.

Испытания алюмосиликатного адсорбента на коротком слое, показали достаточно высокую эффективность извлечения нефтепродуктов, причем скорость продвижения фронта концентраций невысока, что указывает на достаточно высокую емкость поглощения загрязнения адсорбентом.

Результаты фильтрования представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Результаты опытных испытаний очистки нефтесодержащего стока фильтрованием через короткий слой активированного алюмосиликатного адсорбента

Вид адсорбента	Объем воды от начала фильтрования, л	Концентрация нефтепродуктов в исходном стоке, мг/л
		8,7	15,3	23,9
		Скорость фильтрования, м/ч
		3	4	5	3	4	5	3	4	5
		Уровень проскоковой концентрации нефтепродуктов в фильтрате U = Cф / Cи
Активированный алюмосиликатный Кембрийская глина + доломит15% весовых от массы глины	1,92	0,05	0,05	0,06	0,06	0,07	0,08	0,06	0,07	0,08
	3,84	0,10	0,11	0,12	0,12	0,14	0,14	0,12	0,12	0,13
	5,76	0,16	0,16	0,18	0,19	0,21	0,24	0,21	0,20	0,22
	7,68	0,28	0,29	0,29	0,32	0,32	0,34	0,31	0,31	0,33
	9,60	0,42	0,43	0,44	0,48	0,50	0,54	0,48	0,48	0,47
	11,52	0,53	0,54	0,56	0,61	0,68	0,72	0,59	0,59	0,69
	13,44	0,61	0,62	0,63	0,66	0,73	0,77	0,66	0,66	0,78
	15,36	0,68	0,70	0,72	0,74	0,76	0,80	0,76	0,76	0,82
№№ опытов	1	2	3	4	5	6	7	8	9

Таблица 2. Результаты опытных испытаний очистки нефтесодержащего стока фильтрованием через короткий слой активированного алюмосиликатного адсорбента

Вид адсорбента	Объем воды от начала фильтрования, л	Концентрация нефтепродуктов в исходном стоке, мг/л
		11,2	19,5	30,7
		Скорость фильтрования, м/ч
		3	4	5	3	4	5	3	4	5
		Уровень проскоковой концентрации нефтепродуктов в фильтрате U = Cф /Cи
Активированный алюмосиликатный Кембрийская глина + доломит 15% весовых от массы глины	1,92	0,07	0,08	0,08	0,07	0,07	0,08	0,09	0,09	0,10
	3,84	0,10	0,12	0,13	0,13	0,14	0,15	0,13	0,14	0,14
	5,76	0,18	0,21	0,24	0,21	0,25	0,28	0,19	0,22	0,25
	7,68	0,29	0,33	0,37	0,34	0,40	0,43	0,30	0,35	0,37
	9,60	0,45	0,49	0,51	0,46	0,49	0,52	0,44	0,46	0,49
	11,52	0,58	0,61	0,65	0,62	0,65	0,69	0,62	0,62	0,66
	13,44	0,67	0,70	0,74	0,71	0,79	0,79	0,70	0,73	0,76
№№ опытов	10	11	12	13	14	15	16	17	18

В третьей главе описана физико-химическая сущность процесса, представлены теоретическое обоснование процесса и расчет параметров сорбционного извлечения нефтепродуктов из сточных вод.

При изготовлении активированного алюмосиликатного адсорбента вследствие природной ионообменной способности каолинита (либо кембрийской глины) и «дефектности» его кристаллической структуры происходит замещение части трехвалентного алюминия на катионы магния и кальция, входящих в состав активатора (магнезита или доломита), а также заполнение «вакансий» в узлах кристаллической решетки и в межслоевом пространстве каолинита вышеуказанными катионами.

В результате такого целенаправленного модифицирования и активирования глинистого сырья при изготовлении адсорбента получается макропористый гранулированный материал, который обеспечивает при фильтровании воды через зернистый слой создание слабощелочной среды и положительного электрокинетического потенциала на поверхности зерен. Предпосылкой для образования щелочной среды являются оксиды магния и кальция, образующиеся в структуре адсорбента в результате обжига гранулята, содержащего доломит (t = 800-900оС). Оксиды магния и кальция образуют в воде гидроксиды, повышая таким образом водородный показатель (рН) за счет избытка анионов ОН-.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и опытно-производственных условиях, позволяют установить, что извлечение нефтепродуктов из сточных вод при фильтровании их через алюмосиликатный адсорбент, модифицированный соединениями кальция и магния, является многостадийным процессом, протекающим по нижеследующей схеме:

- массоперенос частиц взвеси и нефтепродуктов, а также обменных ионов к поверхности зерен адсорбента;

- внутренняя диффузия обменных ионов щелочноземельных металлов из глубины к поверхности зерен адсорбента;

- гидролиз ионов щелочноземельных металлов с образованием слабощелочной среды;

- поверхностная коагуляция эмульгированных нефтепродуктов в слабощелочной среде в межзерновом объеме и на границе раздела «поверхность зерна - жидкость»;

- физическая адсорбция растворенных и эмульгированных нефтепродуктов;

- образование и рост коллоидной структуры взвеси, эмульсии и гидроксидов в межзерновом поровом пространстве и устьях мезо- и макропор адсорбента.

Можно сделать некоторые упрощающие предположения:

- осадок формируется в смешанной форме - гидроксидов с сорбированными нефтепродуктами и нефтепродуктами, адсорбированными на поверхности сорбента, а также за счет когезии к ранее задержанным частицам;

- химическая реакция образования гидроксидов и формирования органо-минеральных комплексов происходит быстро, т.е. характерное время этой реакции значительно меньше, чем массоперенос частиц загрязнений за счет диффузии;

- диффузия ионов происходит значительно быстрее, чем диффузия нефтепродуктов. Коэффициент диффузии по формуле Эйнштейна обратно пропорционален молекулярному весу диффундирующих частиц. Молекулярный вес нефтепродуктов значительно больше, чем объясняется их малая подвижность по сравнению с подвижностью ионов.

Кроме того, в модели кинетики массопереноса следует учесть диффузию ионов магния к поверхности зерна, т.е. внутреннюю диффузию.

Таким образом, процесс очистки воды осуществляется за счет внешней диффузии частиц нефтепродуктов к поверхности зерен и внутренней диффузии ионов магния в порах гранулы к ее поверхности, т.е. динамика очистки протекает в смешанно-диффузионной области кинетики сорбции.

Математическая модель динамики сорбции в смешанно-диффузионной области представляется в виде системы уравнений:



где с(x, t) - концентрация загрязняющего вещества в фильтруемой воде; a(x,t) - усредненная (измеряемая) концентрация сорбированной фазы загрязняющего вещества; a(S)(r,x,t) - локальная концентрация в зерне; - внешнедиффузионный коэффициент; D - коэффициент внутренней диффузии; v - линейная скорость потока воды (на пустое сечение); m - порозность слоя фильтра; r - внутренняя координата в зерне сорбента (0 ? r ? d/2); d - средний диаметр зерна; х - координата вдоль фильтра (толщина фильтра l); t - время.

Рис. 1. Изотерма адсорбции нефтепродуктов на сорбенте ААА. на сорбенте ААА в равновесных концентрациях ар - ср, которая была получена при сорбции нефтепродуктов из ограниченного объема раствора навеской сорбента при перемешивании до достижения равновесия.

В данной системе уравнение (1) описывает связь локальной концентрации в зерне a(S)(r,x,t) с усредненной a(x,t), (2) - уравнение внутренней диффузии, уравнение (3) - описывает баланс сорбируемого вещества, (4) - граничное условие для уравнения (2) на поверхности зерна, являющееся уравнением внешнедиффузионной кинетической стадии, (5) - условие в центре зерна. При фронтальной динамике сорбции (фильтрование сверху вниз или снизу вверх) на чистой загрузке краевые условия задаются в виде с(0,t)=С0, a(S)(r,x,0)= a(x,0)=0.

В уравнение (4) входит изотерма a = f(c), которую определяют экспериментально. На рис.1 представлена изотерма сорбции нефтепродуктов

Следовательно, процесс извлечения нефтепродуктов из стока, в рассматриваемом диапазоне концентраций протекает практически по линейной изотерме. В уравнении (4) следует положить:

= a(S)(d/2, x, t) = c(x, t)/Г

Рис. 2. Наложение экспериментальных данных по извлечению нефтепродуктов на теоретические кривые при Н=7:

? - опыт №1; ^- опыт №5; х - опыт №9.

и использовать решение для смешанно-диффузионной динамики сорбции при линейной изотерме сорбции, полученное численными методами (Веницианов, Махалов, 1973). Оно представляется семейством кривых lgU - lgT, где U и T - безразмерные переменные (см. рис. 2). Каждое семейство построено при фиксированном значение критерия Био Н.

Графическая обработка результатов технологических испытаний на коротких слоях адсорбента должна дать ответ на вопрос об адекватности процесса очистки воды от нефтепродуктов модели смешанной диффузии при линейной изотерме. Одновременно производят параметризацию модели, т.е. находят конкретные значения параметров модели (1)-(5).

При этом используется решение представленное в виде семейства теоретических кривых:

,

где U=C/C0 - безразмерная концентрация сорбируемого компонента в растворе;

- безразмерная длина слоя адсорбента;

- безразмерная продолжительность сорбционного процесса;

- критерий, характеризующий относительный вклад внешнедиффузионного и внутридиффузионного массопереноса (критерий Био).

Критерий Н характеризует относительный вклад двух стадий кинетики - внешней и внутренней. При Н ? 1 влиянием внутридиффузионной стадии можно пренебречь и лимитирующей стадией является внешняя диффузия; при Н ? 100, напротив лимитирующей стадией является внутренняя диффузия.

При 1 < H < 100 сорбционный процесс протекает в области смешанно-диффузионной кинетики, при этом необходимо учитывать обе кинетические стадии (внутренняя и внешняя диффузия).

Теоретические кривые построены в безразмерных билогарифмических координатах U - T, безразмерная длина Х является параметром каждой выходной кривой, а совокупность выходных кривых строится при фиксированном значении Н.

Экспериментальные кривые также строятся в билогарифмических координатах. Далее подбирают соответствующий набор теоретических кривых (параметр Н) и соответствующую выходную кривую (длина Х). Билогарифмические координаты обладают важной особенностью: соответствующие сомножители в выражении для безразмерных переменных при логарифмировании становятся слагаемыми, т.е. соответствующие кривые имеют одну форму и совмещаются сдвигом по оси ординат.

Из результатов наложения экспериментальных точек uэ = f(t),
следует, что на пучке теоретических кривых при Н=7 экспериментальные точки для безразмерных длин Х=1,0 и Х=1,3 достаточно удовлетворительно накладываются на теоретические кривые.

Данное обстоятельство убедительно показывает адекватность процесса очистки нефтесодержащих смешанно-диффузионной модели динамики сорбции и при расчете параметров фильтрации используем это совмещение.

Расчет параметров технологического процесса производится по формулам, следующим из выражений для Х, Т и Н:

, ,

где l - толщина фильтра (см.), соответствующая ей безразмерная длина теоретической кривой - Х, t и T - соответствующие друг другу размерный момент времени и безразмерное время (соответствующие одной и той же проскоковой концентрации u и U).

Алгоритм расчета параметров производственного фильтра включает следующие этапы:

1. Проведение технологического эксперимента на коротких слоях сорбента с целью получения представительной выходной кривой от «проскокового» значения до значений, близких к С0. Из этого условия выбираются параметры опытов (vэ, dэ, lэ).

2. Полученную экспериментальную кривую представляют в билогарифмических координатах lgc/C0 - lgt. Путем перебора находят семейство теоретических кривых при том значении критерия Био Н, когда достигается наилучшее совпадение экспериментальных точек uэ и теоретических кривых U = U(X,T) в билогарифмических координатах.

3. При этом устанавливается соответствие теоретических и экспериментальных параметров lэ - Х, tэ - T. Используя формулы (7), находят параметры модели:

,,

4. Используя установленную ранее (Петров, 1988) зависимость

= b0 v0,9 d-0,6

Вычисляется параметр b0, что позволяет далее рассчитать значения коэффициента , а также Нр и Хр при технологических условиях lр, vр и dр:

;

5. Используя теоретическую кривую при значениях Нр, Хр, соответствующих технологическим условиям, определяют продолжительность фильтроцикла по формуле:



где Тр соответствует требуемому уровню проскока загрязняющего вещества Uр.

Для проведенной серии лабораторных экспериментов получены следующие значения параметров при адсорбции нефтепродуктов.

Опыт 1. Толщина слоя фильтра lэ = 25 см, скорость фильтрации vэ = 5 м/час. Соответствие времен: время фильтрации tэ = 300 мин., соответствующее ему безразмерное время - Т = 0,9 (см. рис. 2). Безразмерная длина Х = 1.

Используя формулы (7), получим:

с-1 ; ; см2/с.

Для расчета реального фильтра используются формулы (7) для нахождения времени защитного действия для реального производственного фильтра. При этом могут меняться технологические параметры: толщина фильтра l, скорость фильтрации v, зернение d. При этом меняется значение коэффициента внешней диффузии по формуле:

Технологические параметры фильтра приведены в табл. 3.

Таблица 3. Технологические параметры производственного фильтра «ФСД»

Параметры	«ФСД-10»
Производительность, м3/час	10
Скорость фильтрации, м/час	5
Высота фильтрующей загрузки, мм	2 х 450
Площадь сечения фильтра, м2	2
Объем емкостей фильтра, м3	2 х 1,0 = 2,0
Объем загрузки фильтра, м3	2 х 0,9 = 1,8

Материал загрузки фильтров - активированный алюмосиликатный адсорбент ААА. Объем загрузки фильтра - 0,9 м3, при плотности 1,0 т/м3 масса загрузки составляет 900 кг. Всего фильтров 2, объем загрузки по ним составит 1800 кг. Скорость фильтрации 5 м/час. Толщина слоя фильтра l = 90 см.

Будем использовать средние значения по данным опытов 1 и 9:

=0,0064 с-1; Г = 109,5.

Расчетное значение безразмерной длины X=l/v=4,1.

Обращаемся к теоретическим кривым. Для уровня проскока 0,05 (при средней концентрации на входе - 20 мг/л это соответствует проскоковой концентрации на выходе из фильтра 1 мг/л) безразмерное время фильтрации равно Тпр= 2,0. Затем перейдем к размерному времени

tпр = ТГ/ = 216/0,0064 = 33750 с = 9,4 час.

Таким будет расчетное время фильтрации с постоянной скоростью 5 м/час. При этом через фильтр, площадь сечения которого 2 м2 будет профильтровано 94 м3 загрязненной воды.

Учитывая, что за сутки в среднем проходит 57 м3 загрязненной воды, регенерацию фильтра следует проводить через 39,5 час.

Выполним расчет для производительности 57 м3 загрязненной воды. Средняя скорость фильтрования при этом среднесуточном расходе 57 м3 загрязненной воды будет равна:

 vср = 57 м3/ (24 час2 м2) = 1,2 м/час.

Используя пересчетную формулу (8), найдем

Поскольку диаметр зернения не меняется, то можно записать

(v2 =1,2 м/час) = (v1 = 5 м/час) (v2/ v1)0,9

или подставив:

(v2 =1,2 м/час) = (v1 = 5 м/час) (1,2/5)0,9 = 0,00640,28 = 0,0018 с-1.

Подсчитаем безразмерную длину

Поскольку изменилась величина кинетического коэффициента , следует пересчитать величину критерия Био Н:

Н2 = Н1(2/1),

где индекс 1 - соответствует скорости v1 = 5 м/час, а индекс 2 - скорости v2 = 1,2 м/час. Заметим, что от изменения скорости не меняется коэффициент Генри Г и коэффициент внутренней диффузии D.

Подставив в эту формулу конкретные значения, получим:

Н2 = 7(0,0018/0,0064) = 2,

Соответственно по теоретической выходной кривой для Н = 2 и для U = 0,05 находим

Тпр= 3,6

или

tпр = ТГ/ = (3,6108)/0,0018 = 216000 с = 60 час.

Таким образом, фильтроцикл составит 2,5 сут. при среднем расходе 57 м3 загрязненной воды в сутки (с исходной концентрацией 20 мг/л).

Следовательно, по технологическому регламенту промывку ААА надо проводить раз в 2,5 сут.

В четвертой главе представлены результаты исследований по выбору способа регенерации фильтрующей загрузки из активированного алюмосиликатного адсорбента. Необходимость в регенерации адсорбента вызвана тем, что в процессе фильтрования сточных вод через слой активированного алюмосиликатного адсорбента, состоящие из взвешенных частиц и органоминеральных комплексных соединений нефтепродуктов загрязнения образуют вокруг зерен адсорбента в межзерновом поровом пространстве коллоидную структуру в виде геля. В результате этого часть межзернового пространства заполняется массой сорбированных веществ и происходит закупорка устья макропор зерен адсорбента, что препятствует доставке активатора на поверхность раздела твердой и жидкой фазы. Кроме того, при фильтровании воды, адсорбционная активность адсорбента постепенно снижается, вследствие перехода в раствор некоторой части активатора, насыщающего вакансии кристаллической решетки и межслоевое пространство глинистого минерала.

Первой стадией регенерации является промывка адсорбента водой, при которой удаляются загрязнения из загрузки, накопившиеся в виде гелеобразной структуры. Промытый адсорбент может использоваться повторно для очистки стока, однако сорбционная активность его несколько снижается.

Одной из причин снижения активности адсорбента является то обстоятельство, что регенерация адсорбента только водой не обеспечивает полной отмывки поверхности зерен и особенно устьев мезо- и макропор от осадка, состоящего из смеси взвешенных веществ и нефтепродуктов, так как сила адгезионного взаимодействия коллоидной структуры осадка с поверхностью тела гранулы адсорбента достаточно велика.

Другая причина снижения сорбционных свойств адсорбента - постепенное вымывание (десорбция) активной фазы адсорбента. Наступает момент, когда защитные функции адсорбента становятся недостаточными и эффективность поверхностной коагуляции снижается, что приводит к ухудшению качества очистки. Требуется активация адсорбента, то есть восполнение унесенных вместе с фильтратом активных катионов Mg+ или других щелочноземельных металлов.

При выборе активатора для восстановления сорбционных свойств глинистого минерала адсорбента важным фактором является растворимость его воде с тем, чтобы активацию проводить с помощью раствора непосредственно в фильтровальном сооружении.

При поиске и выборе рационального режима регенерации ААА были исследованы две схемы:

- одностадийная: отмывка адсорбента водой и затем активация раствором кальцинированной соды;

- двухстадийная: отмывка адсорбента водой, затем обработка раствором кальцинированной соды и после этого активация раствором сульфата магния.

Активация проводилась при различных концентрациях регенерационного раствора и продолжительности обработки фильтрующей загрузки этим раствором. Перед проведением активации адсорбент промывался, а затем выгружался из фильтровальной колонки в колбу и обрабатывался регенерационным раствором. Обработка производилась по нижеследующей методике. Находившийся в колбе адсорбент заливался раствором заданной концентрации и выдерживался 6 минут при периодическом перемешивании. После завершения процесса фильтроцикл повторялся.

Были проведены и проанализированы 3 пары фильтроциклов (всего 6). Концентрация нефтепродуктов в фильтрате в процессе фильтроцикла определялась после первой, второй и третьей промывки. Для лучшей достоверности получаемых результатов в каждый промежуток времени, считая от начала фильтрования, определялись два результата измерений и принималось их среднее значение. Концентрация нефтепродуктов исходном стоке составляла 16,8 мг/л, скорость фильтрования - 3 м/ч. Толщина слоя загрузки - 30 см.

При анализе данных фильтрационных испытаний прослеживается тенденция повышения эффективности очистки от нефтепродуктов с ростом концентрации раствора Na2СО3 и при увеличении продолжительности обработки адсорбента указанным раствором до определенного момента. Улучшение эффективности очистки стока происходит при повышении концентрации раствора соды до 4% и увеличении времени контакта адсорбента с раствором активатора до 40 минут. Дальнейшее увеличение концентрации кальцинированной соды и продолжительности обработки адсорбента активатором улучшения сорбционной активности практически не обеспечивают.

При проведении регенерации по второй схеме также наблюдалось достаточно полное восстановление сорбционной активности адсорбента, но, учитывая то обстоятельство, что 2-х стадийный процесс сложнее технологически и дороже, целесообразнее использовать одностадийную схему восстановления сорбционной активности фильтрующей загрузки из активированного алюмосиликатного адсорбента.

Для полного восстановления сорбционных свойств адсорбента, периодически следует проводить его активацию путем замачивания в 4% растворе сульфата магния в течение 12 ч. Как показали результаты производственных испытаний фильтров с загрузкой из ААА и лабораторно-аналитических исследований очистки сточных вод, именно ионы магния наиболее эффективны в процессе активации, так что указанный процесс можно проводить не чаще 1 раза в квартал.

Анализ результатов по регенерации ААА показал, что предложенный способ практически полностью восстанавливает сорбционную активность адсорбента, а сам адсорбент можно считать адсорбентом длительного использования для очистки нефтесодержащих сточных вод.

В пятой главе приведены данные практического применения сорбционной технологии очистки нефтесодержащих стоков с использованием активированного алюмосиликатного адсорбента в одном из структурных подразделений ОАО «РЖД» - в локомотивном депо «Ульяновск-Центр» Куйбышевской железной дороги в г. Ульяновске, а также технико-экономическая и экологическая эффективность применения разработанной технологии очистки стоков.

Одновременно с нефтепродуктами адсорбент ААА извлекает из сточных вод содержащиеся в них ионы тяжелых металлов - железо, медь, цинк, кадмий, причем их концентрации в фильтрате ниже концентраций, разрешенных к сбросу.

Определялись следующие показатели, связанные с внедрением более эффективного и экономичного метода очистки сточных вод от нефтепродуктов:

- величина предотвращенного экологического ущерба. Оценка проводится на основе региональных показателей удельного ущерба, представляющих собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведённой массы загрязняющих веществ. Величина предотвращенного экологического ущерба составляет:

У пр = 221,114 тыс.руб./год

- величина экономической эффективности при внедрении нового метода доочистки сточных вод на основе адсорбента ААА. Учитывались стоимость реконструкции очистных сооружений, эксплуатационные затраты, экономия за счет исключения забора водопроводной воды из городской сети для системы технического водоснабжения и соответственно сброса сточных вод в канализационный коллектор. Экономический эффект при этом составит 339,0 тыс.руб./год.

Применение активированного алюмосиликатного адсорбента для очистки сточных вод дает высокий технико-экономический и экологический эффект в частности в локомотивном депо «Ульяновск-центр» Куйбышевской железной дороги он оценивается суммой в 560 тысяч руб./год.

Основные выводы и рекомендации

1. На основе использования активированного алюмосиликатного адсорбента ААА, разработанного Е.Г.Петровым, предложен и обоснован метод сорбционного фильтрования для очистки и доочистки сточных вод железнодорожных предприятий от нефтепродуктов, содержащихся в стоках.

2. На основе исследования физико-химического механизма очистки сточных вод от нефтепродуктов на адсорбенте ААА обосновано использование математической модели динамики сорбции в области смешанно-диффузионной кинетики при линейной изотерме.

3. Использован метод технологического моделирования в лабораторных условиях на коротких слоях адсорбента для расчета параметров модели (коэффициентов внешней и внутренней диффузии и коэффициента Генри в уравнениях изотермы). Полученную в динамических условиях выходную кривую совмещали с теоретической кривой для определенного значения критерия Био Н, при котором достигается наилучшее совпадение теоретической и экспериментальной кривых.

4. С помощью полученных ранее Е.Г.Петровым зависимости параметров сорбции ( и Н) от условий сорбции (скорости l, зернения d и длины слоя l) разработана методика технологического регламента работы сорбционных фильтров в производственных условиях.

5. Выполнен расчет фильтроцикла с использованием полученных при лабораторных исследованиях параметров сорбции. Показано, что в течение 2,5 суток фильтр может работать без отмывки, обеспечивая требуемый территориальными природоохранными органами уровень очистки сточных вод от нефтепродуктов. Наряду с очисткой сточных вод от нефтепродуктов сорбент ААА обеспечивает высокий уровень очистки от тяжелых металлов.

6. Разработана эффективная схема регенерации активированного алюмосиликатного адсорбента непосредственно в фильтровальном сооружении. Исследования показали, что в процессе сорбции загрязнений происходит уменьшение содержания ионов кальция и магния в сорбенте, которое восполняется при регенерации путем обработки слоя адсорбента раствором кальцинированной соды и периодически (1 раз в квартал) раствором сульфата магния. При этом практически полностью восстанавливается сорбционная емкость.

7. Разработанная технология может быть рекомендована для внедрения на предприятиях железнодорожного транспорта. Данный метод позволяет осуществлять малоотходную (за счет повторного использования очищенных сточных вод) технологию очистки.

8. Применение активированного алюмосиликатного адсорбента для очистки и доочистки сточных вод дает высокий технико-экономический и экологический эффект. В частности, в локомотивном депо «Ульяновск-центр» Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РДЖ» он оценивается экономией эксплуатационных затрат и предотвращенного экологического ущерба в сумме около 560 тысяч рублей в год.

Основные положения диссертации были опубликованы в следующих работах

1. Медведева В.М. Экологические методы охраны окружающей среды в условиях платного природопользования. «Экологическая безопасность транспортных магистралей». Вторая всероссийская научно-практическая конференция (13-16 апреля 1998 г. в рамках «Дней защиты от экологической опасности» в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 11.06.1996 г.). Тезисы докладов - Москва, МПС России - МИИТ, 1998. С. 24-25.

2. Медведева В.М. Экономический эффект экологической группы Московско-Курского отделения Московской железной дороги на базе аккредитованной лаборатории. «Экологическая безопасность транспортных магистралей» Третья всероссийская научно-практическая конференция. 7-9 апреля 1999 г. Тезисы докладов. Москва, МПС России - МИИТ, 1999. С. 70-71.

3. Москалев Н.В., Медведева В.М., Зубрев Н.И. Методические рекомендации о порядке составления статистической отчетности по охране окружающей среды и природопользованию на предприятиях железнодорожного транспорта. Методическое пособие для студентов ВУЗов и инженеров экологов предприятий. Москва. 2003 г. с. 24-50, С. 51-65, 80-83, 89-93.

4. Медведева В.М. Статистическая отчетность в природоохранной деятельности. Совещание руководителей природоохранных подразделений железных дорог по обмену опытом обеспечения экологической безопасности в условиях структурной реформы. (г. Иркутск, 8-10 октября 2003 г.). Тезисы докладов. - Москва, ВНИИЖТ, 2003 г. С. 62.

5. Медведева В.М. Очистка нефтезагрязненных сточных вод в структурных подразделениях ОАО «РЖД». Вторая Научно-практическая конференция «Безопасность как фактор устойчивого развития региона». 1-2 марта 2007 г. Ижевск. Сборник научных трудов - Москва. РГОТУПС. 2007 г. С.83.

6. Медведева В.М. Сорбционная очистка сточных вод предприятий железнодорожного транспорта/ Водоснабжение и санитарная техника. 2007, № 8, стр. 25-27.

Размещено на Allbest.ru

...