Организация замкнутых систем водоснабжения промышленных производств

УДК 628.3

Одним из способов сокращения объемов потребления свежей воды на предприятии и количества сбрасываемых сточных вод является создание замкнутых систем водоснабжения, заключающихся в возврате очищенной сточной воды в технологический процесс.

Ключевые слова: замкнутые системы водоснабжения, возврат очищенной сточной воды, промышленные производства.

К основным потокам образующейся на предприятии сточной воды, с некоторыми возможными вариациями, относятся: производственные, хозяйственно-бытовые и ливневые стоки.

В свою очередь, производственные сточные воды подразделяются на четыре основных типа:
1. Так называемые условно чистые сточные воды, используемые в качестве хладагента в теплообменных аппаратах, применяемых для охлаждения готовой продукции или сырья без непосредственного контакта с ними.
2. Стоки, используемые в системах гидротранспортировки сырья или готовой продукции.
3. Аналогичные по составу сточные воды второго типа, но имеющие повышенную температуру.
4. Стоки содержат вещества, используемые в производственных технологических процессах, и относятся в основном к отработанной промывочной воде, являющейся поглотителем загрязнений механического характера или растворенных веществ.

Использование очищенной сточной воды в системе замкнутого водоснабжения зависит от требований технологии основного производства. Поэтому системы замкнутого водоснабжения, используемые на предприятии, должны иметь тесную взаимосвязь с безотходными технологиями, связанными с использованием основного технологического сырья, с одновременным обеспечением максимального выхода промежуточной и готовой продукции. С учетом этого очистка образующейся сточной воды заключается в ее регенерации с целью повторного использования в технологическом процессе.

Поэтому на первой стадии проектирования замкнутых систем водопотребления следует исследовать возможность сокращения водопотребления в основных технологических процессах с одновременным получением отходов производства в твердом виде или в виде растворов с высокой концентрацией загрязняющих веществ.

Методы, используемые для регенерации отработанной воды, должны обеспечивать извлечение из них ценных веществ с целью использования в качестве товарного или же вторичного сырья, с минимально возможной затратной частью.

Вода первого типа, относящаяся к условно чистым загрязненным стокам, используется в системах оборотного водоснабжения. Сокращение потребления свежей воды в этом случае возможно при внедрении систем воздушного, воздушно-испарительного или же двухконтурного испарительного охлаждения. Это связано с тем, что в таком случае исключаются потери воды, связанные с испарением горячей воды при ее охлаждении с помощью градирен, а также ее унос в атмосферу.

Стоки второго типа, используемые для гидротранспорта, обычно подлежат повторному использованию после стадии механической очистки. Кроме того, для этой цели возможно повторное использование сточной воды с других производственных участков.

Количество отработанных промывных вод, относящихся к стокам четвертого типа, сокращается путем совершенствования технологических процессов и оборудования, позволяющих снизить объемы используемой воды, таких, например, как процесс противоточной промывки, когда вода с первых стадий поступает на последующие, что позволяет получить на конечной стадии концентрированные сточные воды и снизить потребление исходной воды.

В производственных процессах могут образовываться также высокоминерализованные растворы с высокой концентрацией солей, щелочей или кислот. Их регенерация в целях повторного использования может проводиться несколькими методами. При концентрации загрязнений более 10 г/л используются методы дистилляции, а менее - мембранной фильтрации.

В системе оборотного водоснабжения при охлаждении при помощи градирен в результате испарения и атмосферного уноса происходят потери воды, что ведет к увеличению концентрации солей.

Снижение солесодержания и умягчение воды производится при этом методами осаждения с последующей фильтрацией, а также озонированием обрабатываемой воды, что способствует дополнительно предотвращению биообрастания трубопроводов и систем охлаждения.

Повышенное солесодержание наблюдается и в промывных регенерационных водах, поступающих с установок ионного обмена.

Для снижения солесодержания применяются электрохимические методы очистки. При этом производится предварительное удаление взвешенной фазы с помощью методов отстаивания или же напорной флотации.

Полученная вода разделяется на два потока и направляется на обработку электродиализом. Половина воды помещается в камеру обессоливания, а вторая - в камеру концентрирования, куда в процессе химической очистки производится перенос ионов натрия и хлора, пока солесодержание в отделении обессоливания не достигнет установленных технологией норм, а в камере концентрирования не дойдет до шести, или восьми процентов. Полученный концентрированный рассол может быть использован в качестве первой порции промывочного регенерационного раствора, а обессоленная часть смешивается со свежей водой и может быть использован для дальнейшей промывки ионообменного фильтра.

Экономия водопотребления за счет повторного использования воды

Экономия водных ресурсов может быть достигнута и в процессе последовательного использования воды.

Например, в процессах обогащения минерального сырья может быть применена оборотная вода, поступающая из охладительных систем:
- она предварительно смешивается со свежей водой и затем распределяется на несколько этапов этого технологического процесса;
- первая часть воды используется для промывки сырья и удаления шлама, а вторая часть используется в процессе флотационного обогащения и последующей фильтрации;
- фильтрационная вода возвращается на стадию флотации;
- при этом часть воды периодически выводится из процесса за счет увеличения концентрации ионов кальция, способствующих отложению нерастворимых солевых осадков, и после очистки вновь возвращается в систему использования воды.

Кроме того, перед повторным использованием вода проходит стадию механической очистки для отделения взвешенной фазы шламовых частиц.

Стадии подготовки воды для использования в замкнутом цикле водоснабжения на примере очистки стоков нефтеперерабатывающих производств

Так как организация замкнутого водоснабжения связана с особенностями технологических процессов основного производства, то регенерация воды для повторного использования должна учитывать особенности входящих в нее примесей, образующихся на разных стадиях производства.

Стоки нефтехимического производства, в состав которых входят в основном органические вещества, классифицируются в зависимости от соотношения показателей ХПК и БПК:
1. К первой группе, в которой ХПК превышает БПК в полтора раза, принадлежат сточные воды с небольшим содержанием веществ токсического действия.
2. Во вторую группу, где ХПК превышает уровень БПК в 1,6 раз, входят воды выраженного токсического действия, содержащие бензол, толуол, ксилол, фенол, пиридин и поверхностно-активные вещества.
3. В третью группу, где соотношение ХПК/БПК составляет от 2,2, входят сточные воды, содержащие высокотоксичные вещества, относящиеся к стокам производства изобутилена и формальдегида.

Для первых двух групп сточных вод оптимальной будет технологическая схема очистки, состоящая из стадий:
- механическая;
- физико-химическая;
- биологическая очистка с последующей стадией озонирования для удаления инертных к биологическому окислению органических веществ.

Сточные воды с высокотоксичными загрязнениями требуют стадии фильтрации на активированном угле. Перед обработкой сточные воды подразделяются на отдельные потоки, в зависимости от концентрации содержащихся в них основных загрязняющих веществ:

1. На первой стадии с использованием методов механической очистки производится удаление минеральных примесей и нефтяных капель, имеющих размеры до 200 микрон.
2. На второй стадии, физико-химической очистки, удаляются загрязняющие вещества, находящие в коллоидном состоянии, а также углеводороды в состоянии устойчивой эмульсии (соединения серы; ионы аммония; некоторые углеводороды ароматического ряда).
3. На третьей стадии, к которой относится биологическая очистка, удаляются легко окисляемые биохимическим путем загрязняющие вещества (химические соединения, содержащие кислород; кислоты; альдегиды и фенолы, а также растворители; соединения серы).
4. Для использования в некоторых технологических процессах замкнутых и оборотных систем водоснабжения требуется также стадия доочистки или третичной очистки сточной воды. На этой стадии происходит в основном удаление фосфатов и фенолов, снижение содержания соединений на основе ароматических углеводородов, а также снижение ХПК.

Механическая и физико-химическая подготовка стоков в системах замкнутого водоснабжения нефтеперерабатывающих производств

Механическое удаление нефтяных капель и взвешенных частиц проводится с помощью гравитационной сепарации, а также установок напорной флотации с использованием модулей тонкослойного разделения, представляющих собой пакеты параллельных пластин.

С их помощью происходит значительное уменьшение высоты всплытия нефтяных капель и значительно интенсифицируется их объединение, или коалесценция, что происходит за счет снижения числа Рейнольдса, определяющего ламинарные условия потока воды. В модулях тонкослойного разделения его значение составляет от 400 до 1600, в то время как в обычных продольных сепараторах число Рейнольдса превышает 5000. Однако применение последних типов флотационных установок более предпочтительно при высоком уровне загрязненности сточной воды.

Физико-химическая стадия очистки нефтесодержащих стоков проходит с использованием химических реагентов, коагулянтов и флокулянтов. При этом происходит удаление углеводородных эмульсий концентрацией от 30 до 150 миллиграмм на литр, коллоидных частиц и взвешенной фазы, ионов металлов и сульфидов. Также происходит снижение показателей ХПК и БПК, а также удаление веществ токсического действия, что необходимо для проведения последующей стадии биологической очистки.

В процессе коагуляции и флоккуляции под воздействием химических реагентов на основе солей железа и алюминия, и полиакриламидных высокомолекулярных соединений происходит:
- снижение концентрации углеводородов от двух до двадцати миллиграмм на литр;
- осаждение тяжелых металлов в виде мелкокристаллического осадка их гидроксидов;
- окисление и осаждение сульфидных солей.

Все эти основные загрязняющие примеси удаляются вместе с флоккулами хлопьевидного осадка путем отстаивания или с использованием флотационных систем. Чаще всего в этих целях применяются установки напорной флотации с модулями тонкослойного разделения, позволяющие с высокой производительностью и эффективностью производить фазовое разделение осадка и водной среды. Полученный в результате этих процессов шламовый осадок подвергается обезвоживанию и последующей утилизации.

Биологическая очистка стоков в системах замкнутого водоснабжения нефтеперерабатывающих производств

На стадии биологической очистки нефтесодержащих сточных вод производится удаление растворенных органических примесей, поддающихся биохимическому окислению, а также ионов аммония и веществ токсического действия.

Так как сульфидные и углеводородные примеси удаляются из сточной воды на стадии физико-химической очистки, то в ней присутствуют в основном ионы аммония, растворенные фенолы, а также растворенные примеси, характеризуемые показателями ХПК и БПК.

При проведении этой стадии очистки стоков нефтепераработки следует учитывать, что для обеспечения жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов активного ила, с помощью которых осуществляется разложение растворенной органики, необходимо наличие биогенных элементов, к которым относятся углерод, азот и фосфор. Первые два входят в состав загрязняющих веществ, а необходимое количество фосфора обеспечивается путем подпитки раствором фосфатов, или фосфорной кислоты, добавляемой из расчета 0,5 мг/л фосфора на 100 мг/л БПК.

Удаление избыточных количеств азота проходит после завершения основной стадии разложения легко окисляемых растворенных органических веществ и производится за счет проведения двух процессов, окисления ионов аммония, или нитрификации, с последующим восстановлением образующихся при этом нитритов и нитратов до молекулярного азота и его газообразных оксидов, или денитрификации. Этап нитрификации заключается в окислении ионов аммония аэробными бактериями.

В процессе аэробного окисления примерно на 97% снижаются показатели БПК и ХПК, производится полное окисление сульфидных и тиосульфатных соединений, а также выделение фенолов, цианидов и сульфоцианидов из водной среды. В переводе аммонийного азота в форму нитритов принимают участие бактерии рода нитрозомонас, а для дальнейшего ферментативного окисления в нитраты задействуются нитробактеры. Стадия нитрификации лимитируется развитием бактерий, преобразующих аммоний в нитриты. В результате окисления ионов аммония происходит снижение общей щелочности водной среды.

Процессы денитрификации проходят в результате жизнедеятельности организмов, относящихся к анаэробам и являющихся гетеротрофными микроорганизмами:
- в качестве питательных веществ они используют органические субстраты, а для реакций окисления применяют кислород, входящий в состав нитратных ионов;
- так как наличие кислорода, растворенного в воде, тормозит их развитие, то реакции денитрификации проводятся либо в аноксидной зоне, или денитрификаторах, или же при прекращении процесса аэрации обрабатываемой воды.

В том случае, если в сточных водах нефтеперерабатывающего производства может наблюдаться недостаток растворенных органических веществ, используемых анаэробными бактериями в качестве питательного субстрата, то в таком случае в них добавляется этиловый, или метиловый спирт. В последнем случае реакции денитрификации проходят в отдельных емкостях, называемых денитрификаторами.

Доочистка стоков в системах замкнутого водоснабжения нефтеперерабатывающих производств

В процессе третичной очистки сточной воды после стадии биологического окисления производится ее подготовка для использования в технологических процессах и обеспечении систем замкнутого водоснабжения. Это также связано с тем, что требования к степени очистки воды являются по большей части менее строгими, чем требуются для стоков, сбрасываемых в природную среду. Кроме того, использование воды в рециклинге позволяет сократить объемы общего водопотребления в системе водоснабжения нефтеперерабатывающего производства.

Как правило, в эту стадию входит: удаление остаточных концентраций взвешенной фазы, а также стадии адсорбции растворенной органикии дезинфекции обработанной воды.

Доочистка нефтесодержащих сточных вод методами адсорбции на активированном угле имеет высокую эффективность в связи с тем, что на его поверхности может быть осаждено от 0,2 до 0,4 кг органических веществ на один килограмм фильтрационной загрузки. При этом из воды идет извлечение органических веществ, не удаляемых путем биологического окисления, что характерно для растворенных примесей органического характера, присутствующих в сточной воде нефтеперерабатывающих производств.

Дезинфекция стоков для их последующего использования в замкнутых циклах водоснабжения проводится с помощью методов окисления.

Для обработки нефтесодержащих сточных вод в этом случае оптимально применение метода озонирования. Озон, как сильный окислитель, разрушает не только микробную среду и удаляет из сточной воды содержащиеся в ней патогенные микроорганизмы, но и способствует ее очистке от остаточных концентраций фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, мышьяка, поверхностно-активных веществ, цианидов, ароматических углеводородов и пестицидов. Кроме того, при обработке озоном она насыщается кислородом, что позволяет не только использовать очищенную сточную воду в системах замкнутого и оборотного водоснабжения, но и сбрасывать в природную среду.

Использование готовых установок очистки для рециклинга сточной воды нефтеперерабатывающих производств

Сегодня на рынке предлагаются готовые решения, которые могут обеспечить внедрение на предприятии замкнутых циклов использования воды. Примером таких решений могут служить установки компании Nijhuis Industries.

На стадии механической очистки при гравитационной сепарации сточной воды с целью удаления крупноразмерных капель нефти используются тонкослойные разделители различного типа.

К ним относятся установки фазового разделения типа «вода-масло» поперечного тока (серии CFS), обратного тока (серии CCS), модули (серии PPA, или CPI).

Пластинчатые модули (серии PPA) могут быть использованы для модернизации существующих отстойников.

Разделители (серии CFS) используются в основном для очистки сточных вод, в которых содержится большое количество загрязнений минерального характера и является, по существу, разделителем трехфазного типа, поэтому часто применяется для обработки балластных вод.

Для очищения сточных вод, получаемых в процессах переработки нефти, используются разделители обратного тока (серии CCS), которые могут быть преобразованы в установки напорной флотации.

Кроме того, для разделения сильно загрязненных стоков могут быть использованы системы напорной флотации (серий GD), обладающие высокой площадью поверхности разделения фаз.

На стадии физико-химической очистки нефтесодержащих сточных вод предлагается использовать методы реагентного разделения, где в качестве установки для перемешивания коагулянтов и флоккулянтов с водой, а также камеры хлопьеобразования используются трубные флоккуляторы (серии PFR).

Разделение сформированного в результате процессов коагуляции и флоккуляции осадка производится путем скомпонованных с трубными флоккуляторами установок напорной флотации, с поперечным или обратным течением потока воды (серии PPF, NPF, IPF), применяющим принцип тонкослойного разделения фаз.

Решения для рециклинга сточной воды нефтеперерабатывающих производств

Для биологической очистки стоков с большими концентрациями загрязнений по показателю БПК могут быть использованы методы аэробного окисления, применяемые в зависимости от исходных показателей подаваемой на эту стадию обработки сточной воды.

Для очистки нефтесодержащих сточных вод используются в основном прямоточные реакторы аэробного окисления с последующим осветлением путем отстаивания или с использованием мембранных технологий.

Последняя модификация позволяет проводить глубокие стадии биологического окисления, за счет того, что бактерии и микроорганизмы активного ила имеют более высокий возраст, что способствует развитию тех видов, что лимитируются в обычных условиях.

Кроме того, при соответствующих условиях ввода в эксплуатацию или же введении адаптированной затравки с помощью технологии биологического окисления подвергаются деструкции и такие трудно поддающиеся разложению вещества, как фенолы и ароматические соединения.

Следует отметить, что реакторы серии MBR с мембранным модулем позволяют с большей степени эффективности проводить осветление воды, обработанной на стадии аэробной биологической очистки. При этом дозирование соединений фосфора и прочих, необходимых для ферментации микроэлементов, проводится в предварительную селекторную емкость, с помощью специальных станций дозирования, которые используются также для дозирования и приготовления рабочих растворов неорганических веществ. Следует отметить, что рабочие растворы флоккулянтов готовятся с помощью станций приготовления флоккулянтов.

Подготовка воды для повторного использования в различных технологических процессах, где требуется высокая степень ее очистки, заключается в стадии фильтрации на гранулированной загрузке из кварцевого песка, где происходит удаление взвешенной фазы, для чего используются песчаные фильтры (NSF).

Для удаления органики из сточнойводы применяется стадия фильтрации на угольных фильтрах (CarboPure) с дополнительной аэрацией, где, помимо адсорбции, окисляемые биологическим путем растворенные органические вещества разлагаются с помощью закрепленных на поверхности активированного угля бактерий и микроорганизмов активного ила.

Следующей стадией является обеззараживание с применением озонаторов нового поколения, отличающихся компактными размерами и высокой производительностью. При озонировании стоков нефтеперерабатывающего производства, как уже указывалось, происходит окисление остаточных количеств органических веществ, инертных к биологическому окислению, а также осуществляется процесс обеззараживания.

Отработанные технологии очистки сточной воды, адаптированные применительно к определенной отрасли промышленности, в частности переработки нефти, позволяют обеспечить организацию систем замкнутого водоснабжения и значительно сократить объемы отводимой с промышленного объекта сточной воды.

Organization of closed water supply systems of industrial enterprises

One of the ways to reduce fresh water consumption at the enterprise and the amount of discharged wastewater is the creation of closed water systems, which consists in the return of treated wastewater to the process.

Keywords: closed water system, the return of treated wastewater, and industrial production.

Ivanov Sergey Borisovich, candidate of bbiological sciences, engineer treatment facilities, LLC «Nomitek».

Dorofeeva Olga Ivanovna, leading specialist. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Журнал «Вода Magazine», №9 (121), 2017 г.