Очистка сточных вод нефтехимического комплекса электрохимическими методами

Рисунок 86 - Электрохимический фильтр для очистки сточных вод Устройство работает следующим образом. В электрохимический фильтр для очистки сточных вод, включающий корпус 1, очищаемая вода подается через входной патрубок 2 в верхнюю часть электрохимического фильтра. Между электроотрицательными 3 и электроположительными 4 электродами образуется ЭДС и начинается процесс переноса электрического тока через загрузку фильтра 5. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к катоду, а отрицательно заряженные ионы - к аноду. На электродах 3 и 4 происходит переход от ионной проводимости в растворе к электронной проводимости в проводниках. В приэлектродном пространстве происходят окислительно-восстановительные процессы. Кроме того, происходит образование гидроксида алюминия электрохимическим путем, за счет чего происходит интенсивное хлопьеобразование труднорастворимых соединений на поверхности фильтрующего материала. Фильтрующий материал 5 – силицированный кальцит, не только способствует интенсивному хлопьеобразованию, но также сорбирует ионы тяжелых металлов и продукты окисления органических соединений. Далее вода проходит через весь слой фильтрующей загрузки сверху вниз к выходному патрубку 6, расположенному в нижней части электрохимического фильтра, очищаясь от загрязняющих веществ. Электроположительные электроды 4 соединены между собой проводником, как и электроотрицательные 3. Данные проводники имеют клеммы 7 для соединения с источником постоянного тока во внешней цепи, состоящей из емкостей 8 с растворами NaCl и размещенными в них электродными парами выполненными из магниевых 9 и алюминиевых 10 стержней. Электродные пары емкостей соединены между собой последовательно и выведены к клеммам соединения с проводниками электрохимического фильтра. Напряжение на клеммах фиксируется вольтметром 11.

Примеры опытов доказывают достижение поставленной задачи, т.е. при очистке сточных вод электрохимическим фильтром эффективность очистки повышается[156].

Пример 1. Проводили опыты по очистке в электрохимическом фильтре раствора красителя метиленового синего с исходной оптической плотностью 0,7 меняя напряжение на клеммах от 1,25 до 5 В, изменяя количество подключенных внешних электродных пар к клеммам. Также проводили фильтрацию этого раствора в скором фильтре с фильтрующим материалом, без электродов и получили эффективность очистки при напряжение 0 В. По данным опытов установлена зависимость эффекта очистки сточных вод от органических загрязнений в электрохимическом фильтре от напряжения на электродном блоке.

На рисунке 87 приведена полученные результаты опыта в виде зависимости эффективности очистки от органических соединений в электрохимическом фильтре от напряжения на электродах.

Рисунок 87 - Зависимость эффективности очистки от органических соединений в электрохимическом фильтре от напряжения на электродах Пример 2. Готовили растворы металлов на водопроводной воде, дозируя их в виде водорастворимых солей. Исходная концентрация растворов составила для меди, никеля и цинка 5 мг/л.

Проводили очистку исходных растворов со скоростью обработки 5 м/ч без внешнего источника тока и проводили анализ отобранных проб на выходе из электрохимического фильтра. ЭДС, генерируемая, электроположительными и электроотрицательными электродами фильтра, составила 2,3 В. Попутно проводили очистку исходных растворов со скоростью обработки 5 м/ч в скором фильтре без электродов с тем же объемом фильтрующего материала, что и в электрохимическом фильтре.

На рисунке 88 приведены полученные результаты опыта в виде диаграммы эффективности очистки сточных вод от металлов (Cu, Ni, Zn) в скором и электрохимическом фильтрах.

Рисунок 88 - Диаграмма эффективности очистки сточных вод от металлов (Cu, Ni, Zn) в скором и электрохимическом фильтрах Установлено, что на устройстве [155] очистка воды от меди, никеля, красителя метиленового синего выше, чем по устройству [154]. При очистке воды на устройстве [155] используется электроэнергия, генерируемая самим устройством.

Таким образом, технический результат достигается - эффективность очистки повысилась по цинку, никелю, меди, органическому красителю, ароматическим углеводородам (бензол), при этом генерируется электроэнергия для системы автоматизации процесса.

Размеры фильтра определяем по формулам:

где – расчетная скорость фильтрования, исходя из результатов опытов принимаемая равной м/ч;

объем фильтрующей загрузки, м3;

– размеры сечения фильтра, м.

4.5 Расчет электролизера для очистки сточных вод Электролизер для очистки сточных вод рассмотренный подробно в главе 2 (рисунок 18), входит в состав технологической схемы глубокой очистки воды от нефтепродуктов, металлов и взвешенных веществ. На рисунке 89 изображена опытная установка электролизера.

Рисунок 89 – Опытная установка электролизера Рассчитаем расходные материалы для установки электролизера при производительности устройства подготовки нефтесодержащих вод 30000 м3/месяц исходя из кратности увеличения объема загрузки и количества материалов используемых для электродов и проводников. Результаты приведены в таблице 48.

Кратность увеличения объемов расходуемых материалов для создания опытной установки электролизера с новой производительностью определяем, применив в соответствии с оптимальной скоростью обработки воды в электролизере 5 м/ч формулу:

где производительность опытного электролизера при скорости обработки воды 5 м/ч, равна 0,0135 м3/час;

– производительность электролизера, обеспечивающего обработку 30000 м3/месяц, равна 140 м3/час;

Кр.- введенный коэффициент кратности увеличения объемов расходуемых материалов при создании электролизера производительностью равной 0,0135.

Рассчитаем стоимость установки электролизера подставив данные в таблицу 52.

Таблица 52 – Стоимость установки электролизера провод ванный кальцит Таким образом, полная стоимость установки электролизера производительностью м3/месяц (42 м3/час) составит 2147220 рублей.

4.6 Технико-экономическое обоснование Расчет платежей за сброс загрязнений в водные объекты задерживаемых установленным электролизером для очистки сточных вод в годовом объеме сточных вод приведен в таблице 50.

Нормативы платы за сброс загрязнений в поверхностные водоемы рыбохозяйственного назначения производится в соответствии с Приказом от 13 апреля 2009г. № 87 приведены в таблице 53.

Таблица 53 – Расчет стоимости внедрения усовершенствованной технологии очистки нефтесодержащих сточных вод нефтехимического предприятия.

Электрохимический трехсеци- шт.

онный флотатор Электролизер сточных вод УФ-лампы Pro Pond UV тонной конструкции) го хозяйства ский фильтр Из таблицы 53 следует, что ориентировочный расчет стоимости внедрения усовершенствованной технологической схемы составляет 19,2 млн. руб.

В таблице 54 определен ущерб от сброса в поверхностные водоемы рыбохозяйственного назначения недостаточно очищенных сточных вод нефтехимического предприятия в соответствии с Приказом от 13 апреля 2009г. № 87.

Таблица 54 - Ущерб от сброса в поверхностный водоем недостаточно очищенных нефтесодержащих вод Органический краситель Ароматические Как видно из таблицы 54 суммарный ущерб составил 3982642 руб./год.

В таблице 55 приведен расчет ущерба от сброса в поверхностный водоем вод, очищенных по разработанной технологии.

Таблица 55 - Ущерб от сброса в поверхностный водоем вод, очищенных по разработанной технологии Ароматиче- роды бензол Как видно из таблицы 55, плата (ущерб) за сброс загрязнений в составе вод очищенных по разработанной технологии равен 177922 руб./год.

Рассчитаем экономический эффект от уменьшения ущерба водным объектам:

Экономический эффект за год определим используя формулу:

где Ey — годовая экономия либо результаты, которые достигаются в результате конкретной деятельности;

Enc — нормативный коэффициент эффективности; постоянная величина, которая зависит от конкретной сферы деятельности; нормативный коэффициент эффективности — величина, обратная сроку окупаемости капиталовложений равному: 19200000/3982642=4,82;

C — затраты на конкретную деятельность, для которой подсчитывается экономический эффект.

Тогда при расчетном расходе сбрасываемых сточных вод в поверхностный водоем 1 тыс.

м /сут. экономический эффект составит:

ЕЕу= (3982642-177922) Выводы.

1. Разработан мембранный электролизер, работающий на принципе электрохимического источника тока. С помощью электролизера достигнуто уменьшение концентрации взвешенных веществ осаждением в католите и анолите.

2. Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от тяжелых металлов фильтрованием воды в мембранном электролизере. Эффект очистки сточных вод от цинка составляет 99,9, от меди (90-98)%, от никеля (42-87)%. Установлена возможность безреагентной очистки сточных вод от органических трудноокисляемых веществ (бензол, метиленовый синий). При скорости фильтрования 1-5 м/ч эффект очистки составил 90 и 84 % соответственно.

Установлено что, удельная энергия, вырабатываемая электролизером, существенно увеличивается с увеличением минерализации раствора и уменьшением скорости обработки воды. Получено уравнение двухфакторной линейной регрессии, описывающее вариацию силы тока в электролизере, что позволяет рассчитать ожидаемую эффективность очистки сточных вод от ароматических углеводородов (бензол), металлов (цинк, никель, медь) и органических загрязнений (краситель - метиленовый синий). Погрешность модели не превышает 7 %.

3. Составлены математические модели, описывающие характеристики процесса электрофлотации с использованием алюминиевого, медного, графитового и коксопекового катодов, применение которых позволит прогнозировать конечную эффективность очистки воды в зависимости от уровня минерализации воды и величины подаваемого напряжения.

4. С увеличением минерализации на латунном, медном и графитовом электродах уменьшаются энергозатраты. Установлена зависимость эффективности очистки пресных и высокоминерализованных вод (Патенты РФ на полезные модели № 134526, №136429) электрофлотацией от скорости барботажа и материала электродов, при этом наибольшую эффективность очистки воды в электрофлотаторе дает применение коксопекового катода для пресных вод и медного катода для высокоминерализованных вод. Предложен способ очистки сточных вод электрофлотацией с использованием возобновляемых электрохимических источников тока (Патент РФ на полезную модель №120416).

5. Разработана технология очистки нефтесодержащих вод, включающая электролизер, электрофлотатор и электрохимический фильтр с применением возобновляемых источников энергии.

6. Определен ущерб от сброса недостаточно очищенных нефтесодержащих вод в водные объекты. Экономический эффект при расчетном расходе сбрасываемых сточных вод 1 тыс.

м3/сутки составил 2,98 млн. руб./год.

ЛИТЕРАТУРА

1. Филиппов В.Н. Совершенствование систем очистки сточных вод предприятий нефтепереработки и нефтехимии Республики Башкортостан. – М.: Химия, 2009. – 260 с.

2. Ведомственные указания по проектированию производственного водоснабжения, канализации и очистки сточных вод предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Изд. МНХП СССР, 1986. - с.88.

3. Методика (основные положения) определение экономической эффективности от использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в водопроводно-канализационном хозяйстве / АКХ им. Памфилова. – М.: 1979.

4. Экология водоемов Башкирии / М.Г. Баянов. Уфа: Гилем, 1998. 209 с.