Дипломная работа: Биохимическая очистка сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика систем очистки сточных вод НПЗ

1.2 Методы очистки сточных вод НПЗ

1.3 Биохимическая очистка сточных вод

1.3.1 Сооружения биологической очистки сточных вод НПЗ

1.3.2 Классификация биологических методов очистки

1.3.3 Закономерности биохимического окисления

органических веществ

1.4 Деструкция нефтепродуктов в процессе биологической

очистки сточных вод

1.5 Интенсификация процессов биологической очистки

1.6 Системы аэрации сточных вод

2. Разработка технологической схемы очистки

2.1 Описание технологической схемы

2.2 Контроль производства

2.3 Анализ эффективности работы очистных сооружений и возможные пути изменения технологического режима для улучшения качества очистки сточных вод

3. Расчёт материального баланса

4. Проектирование промышленного аппарата

4.1 Расчёт аэротенка-вытеснителя I ступени

4.2 Расчёт системы аэрации

4.3 Расчёт вспомогательного оборудования (насосы, газодувки)

5. Технико-экономические расчеты

5.1 Характеристика объекта и технико-экономическое обоснование целесообразности замены существующей системы аэрации

5.2 Расчёт производственной мощности

5.3 Расчёт инвестиционных затрат на реконструкцию оборудования

5.4 Расчёт изменения годовых эксплуатационных затрат

5.5 Расчёт основных технико-экономических показателей проекта

5.6 Выводы по разделу

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Краткая характеристика объекта

6.2 Анализ условий труда

6.3 Анализ опасных и вредных факторов

6.4 Мероприятия по обеспечению безопасности работы на очистных сооружениях

6.5 Расчёт заземляющего устройства

Заключение

Введение

Пермский край является одним из основных индустриальных центров России. Экономика области индустриального типа, включает в себя более 500 крупных и средних предприятий различных отраслей. Ведущими отраслями Пермского края являются машиностроение, химия и нефтехимия, топливная промышленность, лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность.

Сточные воды предприятий нефтепереработки и нефтехимии высокотоксичны и при существующих объемах водоотведения представляют собой серьезную экологическую опасность. Очистка этих стоков до параметров, предусмотренных действующими в настоящее время нормативными требованиями, традиционными способами практически невозможна. Кроме того, в некоторых случаях высокая загрязненность воды, использующейся в технологических процессах, приводит к значительным экономическим потерям, часто необратимым.

Это создает предпосылки для более высокой эффективности работы биологических очистных сооружений на предприятиях, что зачастую не соответствует действительности, так как изношено инженерное оборудование. В связи с этим является необходимым реконструкция некоторых узлов на станциях биологической очистки.

Модернизация аэробной очистки в аэротенках может идти несколькими путями: увеличение дозы активного ила в аэротенке, за счёт размещения в нем кассет биозагрузки, совершенствование гидродинамического режима аэротенков, а также совершенствование систем аэрации сточных вод.

Критерием оптимальности при выборе способа модернизации аэротенка является минимум затрат при обеспечении требуемого качества очищенной воды.

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика систем очистки сточных вод НПЗ

В зависимости от качества исходной нефти, глубины ее переработки, применяемых катализаторов, а также номенклатуры получаемых товарных продуктов нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) условно можно отнести к заводам следующих профилей [19]:

1. Топливного с неглубокой переработкой нефти. На таких заводах предусматривается выпуск автомобильных бензинов, авиационных керосинов, мазута (как котельного топлива), битумов, дизельного топлива, в отдельных случаях парафина, серы, иногда ароматических углеводородов (бензол, ксилол и др.).

2. Топливного с глубокой переработкой нефти. Номенклатура основных товарных продуктов такая же, как и у заводов первого профиля, но значительная часть мазута направляется на вторичные процессы термической переработки (крекинг, коксование, алкилирование) для получения высококачественных бензинов, нефтяного кокса и других продуктов.

3. Топливно-масляного с неглубокой переработкой нефти. Основные товарные продукты такие же, как и у заводов первого профиля, но имеются технологические установки, использующие часть мазута для получения технических масел.

4. Топливно-масляного с глубокой переработкой нефти. Номенклатура основных товарных продуктов такая же, как и у заводов второго профиля, но имеются установки для производства масел.

5. Топливно-нефтехимического с глубокой переработкой нефти и получением из промежуточного исходного сырья (жидкие и газообразные фракции нефти) нефтехимических продуктов: этилена, полиэтилена, полипропилена, бутиловых спиртов и др.

В состав нефтеперерабатывающего завода независимо от его профиля входят следующие основные установки: электрообессоливаюшая (ЭЛОУ) для подготовки нефти с целью ее обезвоживания и обессоливания; комбинированная или атмосферно-вакуумная трубчатые установки (АВТ), предназначенные для прямой перегонки нефти на фракции, отличающиеся температурой кипения; щелочной очистки нефтепродуктов от непредельных углеводородов, смолистых и других веществ; гидроочистки дизельного топлива; производства битума; получения серы, а в ряде случаев парафина и ароматических углеводородов.

Количество воды в системе оборотного водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов превышает количество сточных вод в 10—20 раз (меньшее значение характерно для НПЗ с глубокой переработкой нефти).

В оборотных водах допускается содержание: 25—30 мг/л нефтепродуктов, 25 мг/л взвешенных веществ, 500 мг/л сульфатов (в пополняющей воде 130 мг/л), 300 мг/л хлоридов (в пополняющей воде 50 мг/л), 25 мг О₂ /л БПКполн (в пополняющей воде 10 мг/л); карбонатная временная жесткость не должна превышать 5 мг-экв/л (в пополняющей воде 2,5 мг-экв/л).

На нефтеперерабатывающих заводах предусматриваются две основные системы производственной канализации:

I система— для отведения и очистки нефтесодержащих нейтральных производственных и производственно-ливневых сточных вод. В этом случае в единую канализационную сеть поступают соответствующие сточные воды большинства технологических установок: от конденсаторов смешения и скрубберов (кроме барометрических конденсаторов на атмосферно-вакуумных трубчатках), от дренажных устройств аппаратов, насосов и резервуаров (исключая сырьевые), от охлаждения сальников насосов, от промывки нефтепродуктов (при условии малых концентраций щелочи в воде), от смыва полов, а также ливневые воды с площадок установок и резервуарных парков. Сточные воды первой системы канализации после очистки, как правило, используются для производственного водоснабжения (пополнение системы оборотного водоснабжения и для отдельных водопотребителей). Общее солесодержание этих вод не превышает 2 тыс. мг/л;

II система — для отведения и очистки производственных сточных вод, содержащих нефть, нефтепродукты и нефтяные эмульсии, соли, реагенты и другие органические и неорганические вещества. Вторая система канализации в зависимости от вида и концентрации загрязняющих веществ включает следующие самостоятельные сети:

— нефтесолесодержащих вод от установок по подготовке нефти, подтоварных вод сырьевых парков, сливных эстакад, промывочно-пропарочных станций;

— концентрированных сернисто-щелочных вод (растворы от защелачивания нефтепродуктов, сернисто-щелочные конденсаты);

— сточных вод производства синтетических жирных кислот (СЖК), содержащих парафин, органические кислоты и другие вещества;

— сточных вод нефтехимических производств (например, производств этилена, пропилена, бутиловых спиртов), загрязненных растворенными органическими веществами;

— сточных вод, содержащих тетраэтилсвинец от этилосмесительных установок и других объектов, где используется этилированный бензин;

— кислых сточных вод, загрязненных минеральными кислотами и солями.

Отдельные сети могут отсутствовать, если, например, на заводе нет производств, сбрасывающих соответствующие виды сточных вод, или предусмотрен их объединенный отвод.

Сточные воды второй системы канализации, содержащие соли, после очистки, как правило, сбрасываются в водоем. Не исключаются частные случаи использования этих стоков, а при соответствующих обоснованиях — их обессоливание и возврат в производство.

На отечественных и зарубежных нефтеперерабатывающих заводах общепринятая схема включает три стадии очистки:

1) механическая — очистка от грубодисперсных примесей (твердых и жидких);

2) физико-химическая — очистка от коллоидных частиц, обезвреживание сернисто-щелочных вод и стоков ЭЛОУ;

3) биологическая — очистка от растворенных примесей.

Кроме того, производится доочистка биологически очищенных сточных вод.

Для очистки сточных вод I системы в настоящее время на отечественных предприятиях используют две схемы [19].

Первая схема включает очистку сточных вод в нефтеловушках, прудах, флотаторах песчаных фильтрах и т.д. Очищенная вода используется, для подпитки оборотных систем.

Вторая более перспективная схема, кроме сооружений механической и физико-химической очистки, включает сооружения биологической очистки, а в некоторых случаях — установки доочистки сточных вод.

В состав сооружений очистки сточных вод II системы входят установка механической очистки, физико-химической очистки сернисто-щелочных стоков, а также двухступенчатой биологической очистки. Кроме того, могут использоваться установки деминерализации воды, а также ее доочистки от взвешенных и растворенных органических примесей.

Рис.1. Схемы организации очистки сточных вод на НПЗ

На рис. 1 приведены схемы организации очистки сточных под канализации I и канализации II на отечественных НПЗ.

Сточные воды первой и второй систем канализации проходят очистку на отдельных очистных сооружениях, так как различаются по составу и концентрации загрязнений. Очищенные сточные воды первой системы, как правило, используются для подпитки оборотных систем водоснабжения завода. Очищенные сточные воды второй канализационной системы не могут быть использованы в оборотном цикле вследствие повышенного содержания солей (порядка 5— 6 г/л), поэтому после соответствующей очистки сбрасываются в водоем.

Схемы очистки сточных вод первой и второй канализационных систем аналогичны. В песколовках выделяются крупнодисперсные нефтепродукты и тяжелые механические примеси, песок. При увеличенном расходе сточных вод, превышающем расчетный, излишек воды автоматически перепускается через ливнесброс в аварийный амбар. Аварийный амбар, как правило, представляет собой земляные емкости с забетонированными откосами, рассчитываемые на суммарный объем дождевых вод с канализуемой территории при повторяемости дождя один раз в год продолжительностью 20 мин. Объем аварийных амбаров не должен превышать 20 тыс. м³ . Необходимо предусматривать удаление осадка и всплывших нефтепродуктов из аварийного амбара. Отстоявшаяся в амбаре вода в течение 3—4-х суток должна быть перепущена в очистные сооружения.

После песколовок сточные воды направляются в нефтеловушки, объем которых равен 2-часовому расходу поступающей воды. В нефтеловушках выделяются мелкодиспергированные нефтепродукты и тяжелые взвеси гидравлической крупностью 0,8 мм/с. Затем сточные воды направляются в радиальные отстойники для дополнительного отстаивания. Объем отстойников рассчитывают на 6-часовой приток сточных вод.

После узла механической очистки концентрация нефтепродуктов в воде снижается до 50—70 мг/л, что превышает величину (25 мг/л), при которой эти воды могут подаваться в сооружения биологической очистки, поэтому в схемах предусмотрена физико-химическая очистка. Для нее, в соответствии с отраслевыми нормами, применяют напорную флотацию с коагуляцией.

Напорные флотационные установки работают с 50%-й рециркуляцией очищенного потока. В качестве коагулянта, как правило, используют сульфат алюминия: 50 мг/л для сточных вод первой системы и 50—100 мг/л для второй. В последнее время на некоторых заводах начинают применять полиэлектролиты, в частности полиакриламид (ПАА), —1 — 1,5 мг/л.

После физико-химической очистки в сточных водах первой канализационной системы остаточное содержание нефтепродуктов составляет около 25 мг/л; БПК₅ , этих вод колеблется в пределах 60—150 мг О₂ /л, ХПК - 150-400 мг О₂ /л. Ранее эти воды подавали на дополнение оборотной воды, что приводило к биологическому обрастанию систем оборотного водоснабжения, одной из причин которого была биологическая неустойчивость очищенной воды. Кроме того, в исходных водах первой канализационной системы некоторых заводов содержание сульфидов значительно превышало предельно допустимое (20 мг/л) Поэтому схему дополнили биохимической очисткой.

В сточных водах второй канализационной системы после флотации содержание нефтепродуктов снижается до 20—30 мг/л, БПК₅ этих вод в среднем составляет 160 мг О₂ /л ХПК - 400 мг О₂ /л.

Биохимическую очистку сточных вод первой канализационной системы осуществляют в одноступенчатых аэротенках, затем иловую смесь разделяют во вторичных отстойниках. Продолжительность аэрации в аэротенке рекомендуется принимать равной 6 ч при дозе ила 2—4 г/л. Циркуляционный ил, расход которого составляет 50 % от расхода сточных вод, направляют в регенератор, занимающий 30 % объема аэротенка. Вторичный отстойник рассчитывают на 3-часовое отстаивание иловой смеси. Как показывают обследования очистных сооружений НПЗ, после биохимической очистки БПК₅ снижается в среднем на 70—75 %; концентрация нефтепродуктов уменьшается до 10 мг/л, концентрация взвешенных веществ — до 25 мг/л; рН составляет 7—8,5.

Для обеспечения качества очищенного стока, требуемого для пополнения оборотных систем, биохимически очищенные стоки первой канализационной системы, в соответствии с отраслевыми нормами ВНТП 25-79, должны подвергаться фильтрации на зернистых фильтрах. В этом случае качество подготовленной воды будет следующим:

Сточные воды второй канализационной системы проходят биохимическую очистку как отдельно, так и в смеси с бытовыми сточными водами заводского поселка, прошедшими механическую очистку. Биохимическую очистку осуществляют по одноступенчатой и двухступенчатой схемам.

При двухступенчатой схеме допускается подача сточных вод с более высоким содержанием сульфидов и более высоким БПК. Расчетная продолжительность аэрации в аэротенках при одноступенчатой аэрации должна составлять 6 ч, и последующее отстаивание иловой смеси должно продолжаться в течение 3 ч. При двухступенчатой очистке продолжительность аэрации в каждой ступени должна быть соответственно 3,5 и 8 ч, а продолжительность отстаивания во вторичном и третичном отстойниках — 1,5 и 3 ч. Так как на нефтеперерабатывающих заводах в результате совершенствования технологии количество сточных вод сокращается, действительная продолжительность пребывания воды в аэротенках двух ступеней некоторых очистных сооружений составляет 20—30 ч. Этот резерв объемов в ряде случаев используется для биохимической очистки сточных вод первой системы.

Возрастающие требования к качеству сточных вод, сбрасываемых в рыбохозяйственные водоемы, диктуют необходимость дополнительной очистки биохимически очищенных сточных вод. Наибольшее распространение для этой цели получили биологические пруды, рассчитываемые на продолжительность пребывания в них воды от нескольких суток до года. На некоторых заводах перед подачей воды в пруды предусматривают двухступенчатую схему доочистки: микрофильтр — песчаный фильтр. Микрофильтр служит для выделения выносимых из отстойников биохимической очистки хлопьев активного ила, которые, попадая на песчаный фильтр, сокращают фильтроцикл.

После биологических (буферных) прудов очищенные воды сбрасывают в водоем. Концентрация контролируемых загрязнений в выпускаемых водах по заводам колеблется в значительных пределах: 2— 15 мг/л взвешенных, 0,5—

Задержанные на нефтеулавливающих сооружениях нефтепродукты сначала направляют в приемные, а затем перекачивают в разделочные резервуары. Из последних нефть, освобожденную от воды, подают на переработку.

Нефтешлам удаляют из сооружений различными способами. Выбор способа зависит от размеров сооружения и высоты его расположения. Обычно для удаления осадка применяют гидроэлеваторы, насосы, установленные стационарно или на передвижной платформе, или осадок удаляют под гидростатическим напором по самотечному коллектору.

Песок, задержанный в песколовках, в соответствии с отраслевыми нормами ВНТП 25—79, рекомендуется также направлять в шламона-копитель. Однако на ряде заводов песок, удаляемый гидроэлеваторами, подают в песковые бункеры, а затем вывозят на свалку. Нефтешлам из шламоуплотнителя подается на установку сжигания, в состав которой входят сооружения для его усреднения, уплотнения и обезвоживания. Нефтешлам сжигают в печах различных конструкций: камерных, циклонных, вращающихся, с кипящим слоем.

Применяемая на НПЗ схема сооружений очистки сточных вод, хотя и обеспечивает требуемую степень очистки, однако, как показывают результаты эксплуатации, наладки и исследований, имеет существенные недостатки, которые усложняют эксплуатацию, удорожают строительство и являются причиной загрязнения окружающей среды.

Основной недостаток очистных станций НПЗ — это большие объемы сооружений, что обусловливает значительную открытую поверхность воды, на которой накапливается задержанная нефть. Другой недостаток эксплуатируемых схем очистных сооружений НПЗ заключается в отсутствии устройств для замера расходов сточных вод и осадков, что значительно затрудняет поддержание наиболее оптимального режима оборудования очистных сооружений.

Учитывая, что НПЗ являются крупными объектами водопотребления и одновременно сбрасывают большой объем сточных вод в городские или районные системы канализации, можно сказать, что перспективным направлением совершенствования систем очистки сточных вод является разработка так называемых бессточных систем водоснабжения и канализации.

Определяющими условиями, обеспечивающими работу НПЗ без сброса сточных вод в водоем, являются: максимальное сокращение количества образующихся сточных вод, их разделение в зависимости от специфики загрязнений и локальная очистка, а также глубокая доочистка и повторное их использование. Усредненный состав сточных вод НПЗ, сгруппированных в две системы канализации, приведен в таблице.

Таблица 1. Характеристика сточных вод НПЗ, прошедших механическую и физико-химическую очистку

Сточные воды второй системы канализации содержат значительно больше солей, чем стоки первой системы, и не могут использоваться для подпитки оборотных систем даже после биохимической очистки, несмотря на то, что за последние 10 лет загрязненность стоков второй системы солями снизилась в 5—10 раз, что объясняется предварительной подготовкой нефти на промыслах.

1.2 Методы очистки сточных вод НПЗ

Механическая очистка

Механическая очистка является одним из основных и самым распространенным методом обработки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. Механическую очистку осуществляют в песколовках, отстойниках, гидроциклонах, центрифугах, флотаторах и фильтрах [11].

Физико-химическая очистка

Физико-химические методы применяют для очистки нефтесодержащих сточных вод от коллоидных и растворённых загрязнений, количество которых в воде после сооружений механической очистки остаётся практически неизменным. Нефтяные эмульсии, составляющие некоторую часть (примерно 1-5%) общего загрязнения сточных вод НПЗ нефтепродуктами, образуются вследствие стабилизации капелек нефти в воде поверхностно-активными веществами (нафтеновые и жирные кислоты, смолы, асфальтены и т.д.), а также электролитами. Эти нефтяные загрязнения не улавливаются на сооружениях механической очистки и могут быть выделены из воды только физико-химическими методами.

Так содержание нефтепродуктов в воде, прошедшей нефтеловушки и отстойники дополнительного отстаивания, колеблется в пределах 15 – 200 мг/л для первой системы и 25 – 400 мг/л для второй, составляя в среднем соответственно 100 – 150 мг/л. Вода с таким содержанием нефтепродуктов не может быть возвращена в производство или подана на сооружения биологической очистки, поэтому требуется её дополнительная очистка.

Известно большое число методов и сооружений физико-химической очистки, которые применяются или могут применяться в схемах очистки общего стока НПЗ, а также в схемах обработки локальных сточных вод технологических установок. Наиболее часто применяются такие методы как коагуляция, электрокоагуляция, флокуляция и сорбция.

Биохимическая очистка

Биохимическая очистка является одним из основных методов очистки сточных вод НПЗ как перед сбросом в водоём, так и перед повторным использованием в системах оборотного водоснабжения. Биохимические методы основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов [21]. Интенсивность и последовательность окисления микроорганизмами того или иного вещества зависят от многих факторов, но решающее влияние на эти процессы оказывает химическое строение вещества. Наименее доступными источниками углерода являются вещества, не содержащие атомов кислорода, - углеводороды. Тем не менее, углеводороды в отсутствии в достаточном количестве других легко разлагаемых источников питания также расщепляются микроорганизмами активного ила. Микроорганизмы способны использовать углеводороды разных классов простого и сложного строения. По-видимому, практически все углеводороды, входящие в состав нефти, могут являться объектом микробиологического воздействия [11].

1.3 Биохимическая очистка сточных вод

1.3.1 Сооружения биологической очистки сточных вод НПЗ

Основными сооружениями биохимической очистки на отечественных НПЗ служат аэротенки и вторичные отстойники. Как правило, на очистных сооружениях НПЗ применяют аэротенки с рассредоточенным впуском сточных вод и аэротенки —смесители. Обычные аэротенки— вытеснители — чаще всего применяют на второй ступени очистки [3].

Биологические фильтры практически не нашли применения для очистки нефтесодержащих сточных вод на отечественных предприятиях, так как опыт их эксплуатации на одном из НПЗ показал, что эффект очистки в них значительно ниже, чем в аэротенках. В настоящее время биологические фильтры используют только на двух нефтеперерабатывающих заводах как вторую ступень очистки. Биологические пруды на отечественных заводах применяют только в качестве сооружений для доочистки биохимически очищенных сточных вод НПЗ [11].

Аэротенки

Аэротенк представляет собой аппарат с постоянно протекающей сточной водой, во всей толще которой развиваются аэробные микроорганизмы, потребляющие субстрат, т.е. "загрязнение" этой сточной воды.

Биологическая очистка сточных вод в аэротенках происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Сточная вода непрерывно перемешивается и аэрируется до насыщения кислородом воздуха. Активный ил представляет собой суспензию микроорганизмов, способную к флокуляции.

Механизм изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами может быть представлено тремя этапами [1]:

1 этап – массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки. Скорость протекания этого процесса определяется законами молекулярной и конвективной диффузии веществ и зависит от гидродинамических условий в аэротенке. Оптимальные условия для подведения загрязнений и кислорода создаются посредством эффективного и постоянного перемешивания содержимого аэротенка. Первый этап протекает быстрее последующего процесса биохимического окисления загрязнений.

2 этап – диффузия через полупроницаемые мембраны в клетке или самого вещества или продуктов распада этого вещества. Большая часть вещества поступает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика, который образует комплекс, диффундирующий через мембрану.

3 этап – метаболизм органического вещества с выделением энергии и образованием нового клеточного вещества. Превращение органических соединений носит ферментативный характер.

Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений. Активный ил в контакте с загрязнённой жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития [1]:

1. Лаг-фазу I, или фазу адаптации ила к составу сточной воды. Прироста биомассы практически не происхдит.

2. Фазу экспоненциального роста II, в которой избыток питательных веществ и отсутствие продуктов обмена способствуют максимальной скорости размножения клеток.

3. Фазу замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатками питания и накоплением продуктов метаболизма.

4. Фазу нулевого роста IV, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.

5. Фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления) V, в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.

Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму их работы:

I) аэротенки идеального вытеснения;

2) аэротенки идеального смешения;

3) аэротенки промежуточного типа

Гидродинамический режим работы аэротенков оказывает принципиальное влияние на условия культивирования микроорганизмов а следовательно, на эффективность и экономичность биологической очистки сточных вод.

Конструкции аэротенков могут быть различными и зависят от системы аэрации, способа распределения потоков сточных вод и возвратного ила и т.д. Имеются также конструкции аэротенков, совмещенных с отстойниками и фильтрами, с регенерацией активного ила и без нее.

Существует также классификация аэротенков по величине "нагрузки" на активный ил: высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), обычные и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации).

Большое значение в конструкции аэротенков имеет система аэрации. Применяются аэротенки с пневматической, пневмомеханической, механической и эжекционной системами аэрации.

Аэрационные системы предназначены для подачи и распределения кислорода или воздуха в аэротенке, а также поддержания активного ила во взвешенном состоянии.

Аэротенки-смесители (аэротенки полного смешения) характеризуются равномерной подачей по длине сооружения исходной воды и активного ила и равномерным отводом иловой смеси. Полное смешение в них сточных вод с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления, поэтому аэротенки-смесители более приспособлены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК_полное до 1000 мг/л) при резких колебаниях их расхода, состава и количества загрязнений.

Рис.2. Аэротенк-смеситель

Аэротенки-вытеснители. В отличие от аэротенков других типов (аэротенков-смесителей и аэротенков промежуточного типа), аэротенки-вытеснители представляют собой сооружения, в которых очищаемая сточная вода постепенно перемещается от места впуска к месту ее выпуска. При этом практически не происходит активного перемешивания поступающей сточной воды с ранее поступившей. Процессы, протекающие в этих сооружениях, характеризуются переменной скоростью реакции, поскольку концентрация органических загрязнений уменьшается по ходу движения воды. Аэротенки-вытеснители весьма чувствительны к изменению концентрации органических веществ в поступающей воде, особенно к залповым поступлениям со сточными водами токсических веществ, поэтому такие сооружения рекомендуется применять для очистки городских и близких по составу к бытовым промышленных сточных вод.

Рис.3. Аэротенк-вытеснитель

При отсутствии резких колебаний расхода сточных вод и содержания токсических веществ вместо аэротенков-смесителей предпочтительнее применять аэротенки-вытеснителн, которые отличаются меньшим объемом и простотой конструкции.

Разновидностью аэротенков-вытеснителей является секционированный аэротенк, в котором для предотвращения возвратного движения воды коридоры сооружения разделены поперечными перегородками на пять-шесть последовательно проточных секций (ячеек). Секционирование оказывается целесообразным при длине коридоров в аэротенках менее 60—80 м.

Коридорный аэротенк работает практически как вытеснитель при отношении расстояния от впуска очищаемой воды до конца последнего коридора к ширине коридора не менее 50 : 1. При ширине коридора 6 или 9 м минимальное расстояние от впуска сточной воды до конца последнего коридора должно составлять соответственно 300 и 450 м.

При использовании аэротенков с коридорами меньшей длины наблюдается процесс значительного осевого смешения, которое искажает эффект вытеснения. Для недопущения продольного перемешивания и приближения процесса к режиму вытеснения в этом случае необходимо предусматривать секционирование аэротенков. Секционирование может быть осуществлено путем установки в коридорах аэротенков легких вертикальных перегородок с отверстиями в нижней части. Скорость движения иловой смеси в отверстиях перегородок принимается равной не менее 0,2 м/с.

Для исключения отрицательного влияния залповых поступлений концентрированных сточных вод первая секция аэротенка должна иметь больший объем. Конструктивно такая секция оформляется как аэротенк-смеситель, что достигается рассредоточенным впуском в нее сточных вод. Расстояние между выпусками следует принимать не менее ширины коридора. Размер выпускных отверстий в распределительных лотках должен быть рассчитан на пропуск 50 % расхода стоков, поступающих в секцию. Конструкция аэротенков-вытеснителей (в том числе и секционированных) должна обеспечивать работу по схеме с регенерацией активного ила Регенерация ила принимается равной 25-50 % объема сооружений

Известные конструкции секционированного аэротенка с последовательным перетеканием очищаемой воды имеют недостатки, которые препятствуют их широкому использованию. Основной недостаток - неудовлетворительные условия адаптации активного ила в связи с различными режимами работы ячеек.

Аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды занимают промежуточное положение между смесителями и вытеснителями; их применяют для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.

Рис. 4. Аэротенк с рассредоточенным впуском сточной жидкости

Аэротенки можно компоновать с отдельно стоящими вторичными отстойниками или объединять в блок при прямоугольной форме обоих сооружений в плане. Наиболее компактны комбинированные сооружения — аэротенки-отстойники. За рубежом этот тип сооружения круглой в плане формы с механическими аэраторами получил название аэроакселатора. Совмещение аэротенка с отстойником позволяет увеличить рециркуляцию иловой смеси без применения специальных насосных станций, улучшить кислородный режим в отстойнике и повысить дозу ила до 3—5 г/л, соответственно увеличив окислительную мощность сооружения.

Разновидность аэротенка-отстойника — аэроакселатор, предложенный НИКТИ ГХ, представляет собой круглое в плане сооружение. Осветленные сточные воды поступают в нижнюю часть зоны аэрации, куда пневматическим или пневмомеханическим способом подается воздух, что обеспечивает процесс биохимического окисления, а также создает циркуляционное движение жидкости в этой зоне и подсос иловой смеси из циркуляционной зоны отстойника. Из зоны аэрации иловая смесь через затопленные регулируемые переливные окна поступает в воздухоотделитель и далее в циркуляционную зону отстойника. Значительная часть иловой смеси через щель возвращается в зону аэрации, а отводимые очищенные сточные воды через слой взвешенного осадка поступают в отстойную зону.

Вторичные отстойники

Вторичные отстойники являются составной частью сооружений биологической очистки, располагаются в технологической схеме непосредственно после биоокислителей и служат для отделения активного ила от биологически очищенной воды, выходящей из аэротенков, или для задержания биологической пленки, поступающей с водой из биофильтров.

Эффективность работы вторичных отстойников определяет конечный эффект очистки воды от взвешенных веществ [22].

Для технологических схем биологической очистки сточных вод в аэротенках вторичные отстойники в какой-то степени определяют также объем аэрационных сооружений, зависящий от концентрации возвратного ила и степени его рециркуляции, способности отстойников эффективно разделять высококонцентрированные иловые смеси.

Иловая смесь, поступающая из аэротенков во вторичные отстойники, представляет собой гетерогенную (многофазную) систему, в которой дисперсионной средой служит биологически очищенная сточная вода, а основным компонентом дисперсной фазы являются хлопки активного ила, сформированные в виде сложной трехуровневой клеточной структуры, окруженной экзоклеточным веществом биополимерного состава.

Важнейшим свойством иловой смеси как дисперсной системы является ее агрегативная неустойчивость, которая выражается в изменении диаметра хлопков активного ила в пределах 20-300 мкм в зависимости от интенсивности турбулентного перемешивания.

При снижении интенсивности турбулентного перемешивания и последующем отстаивании иловой смеси в результате биофлокуляции происходит агрегирование хлопков активного ила в хлопья размером 1-5 мм, которые осаждаются под воздействием силы тяжести.

Осаждение хлопьев активного ила (при его концентрации в иловой смеси более 0,5-1 г/л) происходит с образованием видимой границы раздела фаз между осветляемой водой и илом.

Гидродинамический режим работы вторичных отстойников формируется в результате совокупного воздействия следующих гидродинамических условий:

• режим впуска иловой смеси в сооружение, оцениваемый скоростью ее входа и определяющий интенсивность взаимодействия входящего потока с потоками оседающего ила и осветляемой воды;

• процесс сбора осветленной воды, определяемый в основном скоростью подхода воды к сборному лотку и его удаленностью от уровня осевшего ила;

• режим отсоса осевшего ила, определяемый скоростью входа ила в сосуны илососа, уровнем стояния ила и удаленностью сосунов от сборного лотка.

Вторичные отстойники бывают вертикальными, горизонтальными и радиальными. Для очистных станций пропускной способности до 20000 м³ /сут применяются вертикальные вторичные отстойники, для очистных станция средней и большой пропускной способности (более 15000 м³ /сут) — горизонтальные и радиальные.

1.3.2 Классификация биологических методов очистки

Биологические методы очистки применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.). Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания. Контактируя с органическими веществами микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углевода, нитрит-, сульфатионы и др. Органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Разрушение органических веществ с помощью микроорганизмов называют биохимическим окислением [13].

Все применяемые методы очистки сточных вод от органических загрязнений и неокисленных минеральных соединений с помощью микроорганизмов разделяются на анаэробные и аэробные.

Анаэробные микробиологические процессы осуществляются при минерализации как растворенных органических веществ, так и твердой фазы сточных вод. Анаэробные процессы протекают в замедленном темпе, идут без доступа кислорода, используются, главным образом, для сбраживания осадков. Аэробный метод очистки основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20—40°С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и количество микроорганизмов меняется. Аэробные процессы очистки применяются преимущественно для минерализации органических веществ, растворенных в жидкой фазе сточных вод. Некоторые органические вещества легко поддаются биологическому окислению, а некоторые окисляются очень трудно или не окисляются совсем. Для установления возможности подачи промышленных сточных вод на биологические очистные сооружения устанавливаются максимальные концентрации органических веществ которые не влияют на процессы биологического окисления и на работу очистных сооружении.

Доступность какого-либо вещества биологическому окислению может быть оценена величиной биохимического показателя, под которым понимают отношение величин полного БПК (БПК_полн ) и ХПК. Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчёта и эксплуатации промышленных биологических сооружений для очистки сточных вод. При величине биохимического показателя равном или более 0,5, вещества поддаются биохимическому окислению. Величина биохимического показателя колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий показатель (0,05 – 0,3), бытовые сточные воды – свыше 0,5.

1.3.3 Закономерности биохимического окисления органических веществ

Действующим началом при биологической очистке сточных вод в искусственно созданных сооружениях является активный ил, представляющий собой частицы органических веществ, населённые различными группами микроорганизмов – аэробов и факультативных анаэробов. Аэрация воды способствует созданию оптимальных условий для их жизнедеятельности и интенсификации процессов окисления органических веществ. Кроме того, перемешивание воздухом способствует поддержанию активного ила во взвешенном состоянии.

Микроорганизмы активного ила

Активный ил является структурированной коллоидной системой, обладающей высокой сорбционной способностью, а также средой обитания многих микроорганизмов воды и почвы. Состав активного ила определяется природой органических примесей, а поэтому может меняться качественно и количественно. Живые организмы представлены в активном иле скоплениями бактерий, простейшими организмами, одиночными бактериями, червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами и реже водорослями, личинками насекомых, рачков и другими. Несмотря на существенные различия сточных вод, элементарный химический состав активных илов достаточно близок. Например, химический состав активного ила системы очистки коксохимического производства отвечает бруттоформуле C₉₇ H₁₉₉ O₅₃ N₂₈ S₂ ; предприятий азотных удобрений – C₉₀ H₁₆₇ O₅₂ N₂₄ S₂ ; городских сточных вод – C₅₄ H₂₁₂ O₈₂ N₈ S₇ [10]. В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, термофилов и мезофиллов, галофилов и галофобов. В активном иле и биоплёнке встречаются представители четырёх видов простейших организмов: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые инфузории (Flagellata), реснитчатые инфузории (Ciliata) и сосущий инфузории (Suctoria). Простейшие микроорганизмы присутствуют в воде рек, озёр, океанов, в сточных водах, почве, пыли, на очистных сооружениях. Они принимают активное участие в минерализации органических веществ при очистке природных и сточных вод как в естественных, так и в искусственно созданных условиях. Простейшие поглощают большое количество бактерий, тем самым поддерживают их оптимальное количество в иле. Эти микроорганизмы способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод. В активном иле в определённых соотношениях содержатся все названные группы бактерий, но в зависимости от состава сточных вод преобладает одна из групп, а другие ей сопутствуют. Только основная группа бактерий участвует в процессе очистке сточных вод, а сопутствующие группы подготавливают среду для существования микроорганизмов этой основной группы, обеспечивая её питательными веществами, и утилизируют продукты окисления. Кроме простейших в активном иле присутствуют более крупные, сложнее организованные животные – коловратки и круглые черви. Многочисленные наблюдения за населением активного ила позволили выделить ряд организмов, по наличию и активности которых можно судить о ходе очистки и состоянии сооружения. Присутствие большого количества мелких амёб, сосущих инфузорий указывает на перегрузку активного ила органическими веществами, а также на недостаток кислорода. При очистке в аэротенках производственных сточных вод, загрязнённых углеводородами, наблюдается нарушение процесса очистки, вызванное вспуханием активного ила. Показателем качества активного ила является быстрота его осаждения в отсутствии аэрации. Способность ила осаждаться характеризуется величиной илового индекса. За иловый индекс принимается объём в миллилитрах 1 г ила через 30 минут отстаивания. Плотный ил имеет иловый индекс 40 – 60 мл/г, при иловом индексе 200 – 300 мл/г возникает вспухание. Такой ил плохо осаждается во вторичном отстойнике и выносится с очищенной водой.

Закономерности распада органических веществ

Прежде чем начнётся процесс биохимического окисления органических веществ, содержащихся в сточных водах, они должны проникнуть внутрь клетки микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за счёт конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток – диффузией через полупроницаемы цитоплазматические мембраны, возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне её.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы возвращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы, как правило, заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии. Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и сложный комплекс химических превращений. В клетках в строгой последовательности протекает большое количество реакций с высокой скоростью. Скорость реакций и их последовательность зависит от наличия ферментов, которые выполняют роль катализаторов. Особенностью ферментов является то, что каждый из них воздействует только на определённое химическое соединение и катализирует одно из многих превращений, которым подвергается данное химическое соединение. При изменение состава и концентрации веществ меняется и состав ферментов. Таким образом, каждую реакцию катализирует один соответствующий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Скорость образования и распада ферментов зависит от условий роста микроорганизмов и определяется скоростью поступления в клетку веществ, ингибирующих и активирующих биохимические процессы. Клетки каждого вида микроорганизмов имеют определённый набор ферментов. Некоторые из них независимо от субстрата постоянно присутствуют в клетках микроорганизмов. Такие ферменты называются конститутивными. Другие ферменты синтезируются в клетках вследствие каких-либо изменений в окружающей среде. Например, изменения состава или концентрации загрязнений сточных вод. Эти ферменты позволяют в период приспособления микроорганизмов к изменению среды, поэтому называются адаптивными. Сроки адаптации различны и продолжаются от нескольких часов до десятков и сотен дней [10]. Если в сточных вода содержится несколько веществ, то процесс окисления будет зависеть от количества и структуры всех растворённых органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материала. Порядок окисления веществ будет сказываться на продолжительности очистки сточных вод. Для разрушения сложной смеси органических веществ необходимо 80 – 100 различных ферментов. Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематично можно представить в следующем виде:

(1)

(2)

где C_x H_y O_z N – все органические вещества сточных вод, C₅ H₇ NO₂ – среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий.

Реакция (1) соответствует окислению вещества на энергетические потребности клетки, реакция (2) – на синтез клеточного вещества. Затраты кислорода на эти реакции составляют БПК_полн сточной воды. Если процесс окисления проводится дальше, то начинается превращение клеточного вещества:

(3)

(4)

Общий расход кислорода на четыре реакции приблизительно вдвое больше, чем на реакции (1) и (2).

Как видно из уравнений реакций, химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии.

Влияние различных факторов на скорость биохимического окисления

Скорость биохимического окисления зависит от концентрации органического вещества и равномерности поступления загрязнений на очистку. Основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация органического вещества, содержание кислорода в сточной воде, температура и величина рН, содержание биогенных элементов, а также тяжёлых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и быстрому обновлению поверхности раздела, увеличивает скорость поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам и тем самым увеличивает скорость очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от илового индекса. Чем меньше иловый индекс, тем большую дозу активного ила необходимо подавать на очистные сооружения. Рекомендуется поддерживаться следующие соотношения.

Иловый индекс, мл/г00000

Доза ила, г/л ,3,5,5

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более вынослив к колебаниям температуры и величины рН. Установлено, что с повышением температуры сточной воды скорость биохимической реакции возрастает. Однако на практике её поддерживают в пределах 20 – 30°С, поскольку дальнейшее повышение температуры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс акклиматизации микроорганизмов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила. С изменением температуры сточной воды изменяется растворимость кислорода. При увеличении температуры сточной воды растворимость кислорода уменьшается, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется проводить более интенсивную аэрацию.

Абсорбция и потребление кислорода

Для окисления органических веществ микроорганизмами необходим растворённый в воде кислород. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые по возможности равномерно распределяются в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам. Таким образом, в ходе очистки протекает два процесса – абсорбция кислорода сточной водой и потребление его микроорганизмами.

Рис. 5. Схема переноса кислорода от пузырьков газа к микроорганизмам:

А – пузырёк газа, Б – скопление микроорганизмов, 1 – пограничный диффузионный слой со стороны газа, 2 – поверхность раздела, 3 – пограничный диффузионный слой со стороны жидкости, 4 – перенос кислорода от пузырька к микроорганизмам, 5 - пограничный диффузионный слой со стороны жидкости у микроорганизмов, 6 – переход кислорода внутрь клеток, 7 – реакция между молекулами кислорода и ферментами.

Количество абсорбированного кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

,

где М – количество абсорбированного кислорода, кг/с; β_v – объёмный коэффициент массоотдачи, 1/с; V – объём сточной воды, м³ ; С_р , С – равновесная концентрация и концентрация кислорода в основной массе жидкости, кг/м³ .

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбированного кислорода может быть увеличено за счёт роста коэффициента массоотдачи или движущей силы.

Наиболее надёжный путь увеличения поступления кислорода в сточную воду – это увеличение объёмного коэффициента массоотдачи. Известно, что этот коэффициент представляет собой произведение действительного коэффициента массоотдачи β_ж на удельную поверхность контакта фаз – а: . Увеличивая интенсивность дробления газового потока, то есть уменьшая размеры газовых пузырьков и увеличивая газосодержание потока сточной воды в сооружении, можно значительно увеличить удельную поверхность контакта фаз и тем самым повысить поступление кислорода в сточную воду.

Физические свойства сточной жидкости оказывают заметное влияние на процесс абсорбции кислорода. Вязкость и поверхностное натяжение влияют на размер пузырьков газа, изменяя тем самым поверхность массообмена.

Скорость потребления микроорганизмами кислорода не может превышать скорость абсорбции, в противном случае ухудшается обмен веществ и снижается скорость окисления загрязнений.

Биогенные элементы

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо наличие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu и др. среди этих элементов основными являются N, P и K, содержание которых при биохимической очистке необходимо нормировать.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнений и способствует образованию труднооседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является основной причиной вспухания активного ила, плохого оседания и выноса его из очистных сооружений, замедленного роста ила и снижение интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках. Азот – в форме NH₄ ⁺ , а фосфор в виде солей фосфорных кислот.

Количество биогенных элементов зависит от состава сточных вод и должно устанавливаться экспериментально. Для ориентировочных подсчётов можно воспользоваться следующим соотношением БПК_п : N : P = 100 : 50 : 1. Такое соотношение правильно применять только в течение первых трёх суток. Большая продолжительность очистки приводит к низкому выходу активного ила и требует меньших количеств азота и фосфора.

При недостатке азота, фосфора и калия в сточную воду вносят различные азотные, фосфорные и калиевые соли. При совместной очистке промышленных и бытовых сточных вод добавлять биогенные элементы не нужно, так как в бытовых стоках содержится азот, фосфор и калий в достаточных количествах.

1.4 Деструкция нефтепродуктов в процессе биологической очистки сточных вод

Нефть и нефтепродукты — наиболее распространенные загрязняющие вещества, присутствующие в сточных водах. Нефтепродукты представляют собой сложную смесь различных углеводородов (низко- и высокомолекулярных, предельных и непредельных, алифатических, ароматических, алициклических), а также неуглеводородных соединений серо-, кислород-, азотсодержащих и высокомолекулярных смолоасфальтеновых веществ с включенными в них тяжелыми металлами. Углеводороды составляют от 50 до 98 % от общей массы сырой нефти. Остальная, иногда довольно большая часть, приходится на неуглеводородные соединения, которые могут быть более токсичны и опасны для активного ила, чем углеводороды. Кроме того, нефть содержит до 10 % воды и минеральные соли: NaCl, MgCl₂ , CaCl₂ [2].

Скорость и эффективность трансформации нефтепродуктов на сооружениях биологической очистки, прежде всего, связана с аэробностью условий. Сброшенные в канализацию нефтепродукты, практически не изменяясь в анаэробных условиях этих систем, поступают на очистные сооружения. Эффективность разложения нефтепродуктов на сооружениях биологической очистки зависит от:

· химического состава нефти, ее свойств (прежде всего: летучести, плотности, растворимости основных составляющих компонентов) и поступающей в аэротенки концентрации нефтепродуктов;

· наличия баланса между поступлением нефтепродуктов и их эффективной деструкцией;

· физико-химических условий в аэротенках (температуры, рН, содержания растворенного кислорода в иловой смеси);

· сбалансированного состава сточных вод, обеспечивающих полноценное питание активного ила (минимальные необходимые количества углеродсодержащей органики, азота и фосфора в пропорции 100 : 3 : 0,5);

· технологического режима очистки (дозы, возраста ила, удельных нагрузок на активный ил, окислительной мощности аэротенков);

· свойств активного ила (процентного содержания углеводородокисляющих бактерий в общей биомассе активного ила, адаптационных свойств, ферментативной активности).

В аэротенках нефтепродукты подвергаются испарению, хемоокислению, биотрансформации, биосорбции на активном иле и ферментативной деструкции. Изменения состава нефти в аэробных условиях аэротенков происходят чрезвычайно быстро. Повышенная температура и интенсивное перемешивание активного ила, а также непрерывная подача воздуха в аэротенки катализируют процесс биодеструкции нефтепродуктов.

В аэротенках нефтепродукты фракционируют на:

- поверхностную пленку, которая быстро исчезает благодаря перемешиванию иловой смеси;

- два вида водонефтяных эмульсий: механическую и, более стойкую — химическую с включением поверхностно-активных веществ (мыла, детергенты, сода и т.п.), которые увеличивают поверхностное натяжение и повышают стойкость нефтепродуктов к биодеградации;

- комки и агрегаты, оседающие на стенках, трубах, аэрационных элементах.

При продолжительном поступлении нефтепродуктов на очистные сооружения и нарастании нагрузок на ил биоценоз может полностью разрушиться, а нефтепродукты в виде комков и агрегатов, иногда в виде пленки толщиной в несколько миллиметров, накапливаются на стенках аэротенков, вторичных отстойников. Биодеградация и вымывание таких пленок, комков чрезвычайно медленный процесс (до нескольких лет). Тяжелые фракции нефтепродуктов накапливаются в активном иле. Комочки нефтепродуктов включаются в активный ил и могут даже использоваться организмами ила в качестве опоры. Накопленные в активном иле агрегаты нефтепродуктов с избыточным илом попадают в осадки [4].

Для удовлетворительной биодеструкции углеводородов в аэротенках необходимо поддерживать оптимальные условия жизнеобеспечения активного ила. При нарушении стабильности основных физико-химических параметров действие шоковых нагрузок на активный ил усиливается. Необходимая температура для успешного разложения нефтепродуктов не менее 6-10 °С, понижение температуры приводит к снижению удельной скорости окисления загрязняющих веществ, а повышение сверх оптимальной — к снижению растворимости кислорода в иловой смеси, усилению чувствительности активного ила к токсическому действию нефти. Оптимальной принята температура от 18 до 32 °С (Берне, Кордонье, 1997). Повышение температуры сточных вод до максимальных значений оптимума благоприятно в связи с интенсификацией удаления летучих фракций нефти в первичных отстойниках, в результате чего снижается токсическое действие нефтепродуктов (попадающих в дальнейшем в аэротенки) на активный ил. Оптимум рН находится в пределах 6,8-7,8, подкисление сточных вод наиболее неблагоприятно, так как токсичность нефтепродуктов повышается, и процесс их биотрансформации тормозится.

Рис. 6. Трансформация и фракционирование нефтепродуктов на сооружениях с аэротенками

1.5 Интенсификация процессов биологической очистки

Необходимость реконструкции и расширения очистных сооружений возникает при несоответствии получаемого эффекта очистки сточных вод требуемому при сбросе их в естественные водоемы или использовании в хозяйственных целях.

Основными причинами ухудшения работы действующих очистных сооружений являются: превышение их проектной производительности по расходу очищаемых сточных вод ("перегрузка по расходу"); превышение производительности сооружений по количеству загрязнений, подлежащих удалению ("перегрузка по загрязнениям"); изменение состава и концентраций загрязняющих веществ [15].

Повышение производительности и эффективности действующих очистных сооружений может быть достигнуто несколькими путями: строительством дополнительных сооружений по всей технологической линии очистки сточных вод и обработки осадков; расширением одного или нескольких элементов технологической линии, обеспечивающим улучшение работы других сооружений и всего комплекса в целом; интенсификацией технологических процессов очистки сточных вод на существующих очистных сооружениях (предварительная аэрация сточных вод, биокоагуляция загрязнений, увеличение доз активного ила в аэротенках, повышение интенсивности аэрации); переоборудованием отдельных сооружений в более производительные, обеспечивающие более высокий эффект удаления загрязнений в сравнении с применяемыми.

Выбор каждого из указанных путей повышения производительности и эффективности работы очистных сооружений должен быть сделан с учетом конкретной ситуации и технико-экономических соображений.

Интенсификация работы аэротенка

Увеличение дозы активного ила в зоне аэрации является одним из наиболее важных направлений интенсификации биохимической очистки сточных вод в аэротенках. При повышении дозы с 1—2 до 25—30 г/л пропорционально возрастает окислительная мощность аэротенка с 0,5—1 до 12—14,5 кг БПК/(м³ -сут). Однако для системы аэротенк — вторичный отстойник существует предельная концентрация активного ила, превышение которой ведет к дестабилизации работы системы и ухудшению качества очистки. "Узким местом" в этой системе является вторичный отстойник, для которого оптимальная доза ила составляет 1,5—2 г/л [16].

Увеличить дозу активного ила в аэротенке можно разными путями. Наиболее простой из них — введение отдельной регенерации активного ила. Это достигается возвратом на стадию регенерации уплотненного во вторичном отстойнике активного ила. Его доза в регенераторе может достигать 7—8, а в рабочей зоне аэротенка – 1,5—2,5 г/л. Дальнейшее увеличение дозы активного ила вынуждает применять двухступенчатое гравитационное илоотделение, модифицировать вторичные отстойники тонкослойными модулями или применять такие более мощные сооружения, как флотаторы, осветлители со взвешенным слоем, фильтры.

Другим путем увеличении дозы активного ила является создание аэротенков с фильтрационным разделением иловой смеси. В рабочей зоне такого сооружения поддерживается доза активного ила до 25 г/л. Однако перед подачей очищенной сточной жидкости во вторичный отстойник она пропускается через специальные фильтровальные перегородки сетчатого или пористого типа. При этом во вторичные отстойники поступает не более 3—4 г/л взвешенных веществ [15].

Дозу ила в аэротенке можно увеличить, добавив в нее инертный носитель биомассы. Этот прием заключается в размещении в секциях аэротенка биологически инертного материала в качестве носителя прикрепленной биомассы. Это позволит не только добиться соответствия составов вследствие процессов автоселекции комплекса субстрат — активный ил, но и снизить потребление электроэнергии в результате отказа от рециркуляции, регенерации и некоторого снижения интенсивности аэрации. Также прикрепленный биоценоз позволит облегчить проблему вспухающего активного ила при резких колебаниях состава сточной жидкости и проблему наращивания необходимой концентрации активного ила на слабоконцентрированной сточной воде.

Использование кислорода в аэротенках также позволяет значительно интенсифицировать их работу. Наибольший опыт в разработке и эксплуатации аэротенков, работающих на чистом кислороде или кислородообогащенном воздухе, накоплен в США. Такие аэротенки, получили в практике очистки сточных вод название окситенки.

Совершенствование гидродинамического режима аэротенков также позволяет интенсифицировать их работу. Была разработана конструкция аэротенка с неравномерно рассредоточенной подачей жидкости (АНР), сочетающего преимущества аэротенка-смесителя и аэротенка-вытеснителя. Подача сточной жидкости в аэротенк типа АНР осуществляется по длине сооружения через затворы-водосливы, обеспечивающие регулирование расхода пропорционально концентрации активного ила в зоне аэрации.

Эффектность работы действующих коридорных аэротенков можно повысить путем разделения объёма коридора на секции (камеры, ячейки). В кротенке такой конструкции происходит полное перемешивание жидкости в каждой камере, однако отсутствует ее перемешивание между камерами. При последовательном движении жидкости от камеры к камере через отверстия в придонной части перегородок создается гидравлический режим, аналогичный гидравлическому режиму в идеал ном вытеснителе. Этот прием позволяет использовать одновременно два технологических режима очистки: смешение и вытеснение. Такая схема обусловливает высокие стабильность и качество очистки сточных вод. Кроме того, в каждой зоне благодаря процессам автоселекции развивается адаптированный биоценоз активного ила, что также способствует стабилизации процесса очистки.

Совершенствование систем аэрации сточных вод позволяет в значительной мере интенсифицировать процессы биологической очистки, снизить эксплуатационные расходы и затраты электроэнергии.

Большинство станций аэрации оснащено пневматическими аэраторами, из которых наиболее эффективны мелкопузырчатые. Мелкопузырчатая аэрация обеспечивает эффективность насыщения жидкости кислородом в пределах 2—3,3 кг/кВт-ч электроэнергии, средне- и крупнопузырчатая — 1,4—1,8 кг/кВт-ч. Совершенствование мелкопузырчатой аэрации идет по пути создания устойчивых к засорению, а также легко извлекаемых и заменяемых или регенерируемых фильтросов.

Перспективным является применение тканевых аэраторов трубчатой, тарельчатой, коробчатой и других форм. Во ВНИИ ВОДГЕО установлено, что при одинаковом качестве диспергированного воздуха тканевые фильтросы примерно в 6 раз дешевле керамических и их регенерация осуществляется путем обычной стирки в растворе детергентов.

В среднепузырчатых аэрационных системах перспективным является создание клапанных аэраторов.

Совершенствование механических аэраторов в основном направлено на разработку надежных редукторов, жестких и прочных валов и рабочих колес, мало подверженных загрязнению.

Перспективным направлением является применение пневмомеханической аэрации, использующей одновременно механическую энергию вращающегося ротора и подачу сжатого воздуха. Степень использования кислорода в таких системах достигает 20-25%, что в 2-2,5 раза выше, чем при пневматической аэрации [7].

Таким образом, из изложенного выше видно, что работу аэротеиков можно интенсифицировать в результате повышения концентрации активной биомассы в зоне аэрации, а также совершенствования конструкции всего сооружения в целом и отдельных его элементов.

1.6 Системы аэрации сточных вод

Под системами аэрации следует понимать комплекс сооружений, устройств и оборудования, обеспечивающих подачу и распределение воздуха (кислорода) в аэротенке, поддержание активного ила во взвешенном состоянии и создание благоприятных гидродинамических условий работы аэротенков, а также отдувку образующихся в результате метаболизма газов, избыток которых может тормозить (ингибировать) процесс биохимической очистки сточных вод [12]. В зависимости от способа подачи и распределения кислородсодержащего газа в аэротенках все применяемые в настоящее время аэраторы можно классифицировать следующим образом: 1) пневматические; 2) механические; 3) пневмомеханические; 4) струйные.

Пневматическая система аэрации. Пневматические аэраторы подразделяют на типы в зависимости от крупности получаемых пузырьков: мелкопузырчатые (d = 1—4 мм), среднепузырчатые (d = 5—10 мм) и крупнопузырчатые (d >10 мм). К мелкопузырчатым относятся, например, аэраторы форсуночного и ударного типа, а также керамические, тканевые и пластиковые аэраторы; к среднепузырчатым — перфорированные трубы, щелевые и другие устройства; к крупнопузырчатым — открытые трубы, сопла и т.п. Примерная классификация пневматических аэраторов приведена на рис.7. При массовом всплывании пузырьков в воде различают следующие гидродинамические режимы: барботажный, барботажно-струйный, струйный и режим подвижной пены. Исследования показали, что мелкопузырчатые аэраторы работают в барботажном режиме, а среднепузырчатые — в барботажно-струйном. В аэротенках-вытеснителях широкое применение получили пористые аэраторы — фильтросные пластины, а также перфорированные трубы. Сжатый воздух подается к каналу, расположенному по всей длине дна аэротенка. Этот канал перекрывается фильтросами. Фильтросы обычно размещают на дне аэротенка с одной стороны (односторонняя аэрация), с двух сторон или равномерно через некоторое расстояние по всему дну. Средний размер пор отечественных фильтросов составляет 100 мкм. Затраты энергии — 1,15—1,40 кВт * ч на 1 кг удаленной примеси (по БПК₅ ).

Рис. 7. Классификация пневматических аэраторов

За рубежом распространены, наряду с фильтросными плитами, дисковые пористые диффузоры, пористые трубы и др.

Основным недостатком пористых мелкопузырчатых аэраторов является их засорение пылью, поступающей с воздухом. Содержание пыли в воздухе не должно превышать 0,05 мг/м³ . Перерывы в аэрации приводят к фильтрованию жидкости через пористые аэраторы и забиванию их частицами активного ила. Среднепузырчатые аэраторы — перфорированные трубы (d = 6 + 10 мм) — менее эффективны, но и меньше засоряются.

Для предотвращения осаждения активного ила в аэротенке минимальные донные скорости воды должны быть в пределах 15—30 см/с.

Условия эффективной работы пневматических аэраторов

Эффективность работы пневматических аэраторов зависит от состава сточных вод, характера процесса очистки, а также от качества их строительства и уровня эксплуатации. Среди факторов, которые влияют на работу пневматических аэраторов и могут быть учтены ещё на стадии проектирования, в первую очередь следует отметить расположение аэраторов в плане, глубину их погружения и удельные нагрузки по воздуху (интенсивность аэрации). Расположение аэраторов в плане. Ширина и форма аэрационной полосы в аэротенке влияют на формирование гидродинамической структуры потока и в значительной степени определяют эффективность процесса массопередачи [12]. На рис. 8 представлены различные варианты расположения аэраторов.

Рис. 8. Различные варианты расположения пневматических аэраторов в аэротенках: а – ж – продольное; з – поперечное; и – диагональное; к – н – поперечно-продольное; о – продольно-диагональное; п – сплошное.

Механическая и пневмомеханическая системы аэрации. При механической системе аэрации перемешивание иловой смеси и воздуха осуществляется механическими устройствами, например вращающимися мешалками, щетками, турбинками и т.п.

Механические аэраторы подразделяются на аэраторы малого и глубокого погружения. В первом случае кислород вовлекается в поверхностную зону жидкости, а затем перемешивается со всем объемом воды за счет энергии аэратора, во втором — обеспечивается активное насыщение кислородом придонных слоев сточной воды, которые интенсивно перемешиваются со всем объемом воды.

По конструктивным особенностям механические аэраторы подразделяются на аэраторы с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Глубинные аэраторы с принудительной подачей воздуха называются пневмомеханическими.

Струйные аэраторы. Принцип действия струйных или гидравлических аэраторов заключается в использовании энергии движущейся жидкости для создания развитой поверхности газожидкостного контакта.

Возможны два различных метода использования кинетической энергии струи рабочей жидкости: аэрация свободнопадающей струёй и напорное истечение через насадки (сопла), перемещённые в камеру эжекции.

Аэрация сточных вод в сооружениях биологической очистки (аэротенках, биотенках, затопленных аэрофильтрах) требует больших затрат электроэнергии, составляющих до 50% общих эксплуатационных расходов. Значительное снижение этих затрат дают современные системы мелкопузырчатой аэрации, отличающейся большой эффективностью массопередачи кислорода из аэрирующего воздуха в воду. К таким системам относится аэрационное оборудование фирмы "Креал", эффективность которого втрое выше аэраторов из перфорированных труб.

Аэраторы изготовляются из химически стойких полимерных материалов по запатентованной технологии. Их выпуск освоен в 1994 году. К настоящему времени 200.000 аэраторов эксплуатируются на десятках очистных сооружениях, обеспечивая эффективную очистку сточных вод при минимальных затратах электроэнергии.

Рис. 9. Аэрирующий модуль.

Аэрационное оборудование представляет собой аэрирующие модули, состоящие из труб ПНД (d=110-160 мм), на которых через пластмассовые тройники попарно крепятся аэраторы. Ширина модуля - 1,1 м; шаг между аэраторами - 0,2-1,4 м. Модули размещаются в несколько рядов с интервалом до 1,1 м, образуя широкую аэрируемою полосу, отвечающую ширине аэрируемого сооружения, что позволяет поддерживать активный ил во взвешенном состоянии даже при низкой интенсивности аэрации (2 м³ /^м2 час). Изменение шага между аэраторами позволяет изменять интенсивность аэрации в широком диапазоне, обеспечивая оптимальный кислородный режим.

Наиболее перспективным направлением в совершенствовании аэрационных систем является создание мембранных элементов, которые практически не подвержены биообрастанию и в процессе эксплуатации ведет к значительной экономии электроэнергии [5].

Одним из примеров таких аэраторов являются мембранные элементы ПОЛИАТР, на основе гибкой пластичной мембраны собственной разработки. Эта мембрана с успехом выдерживала многолетние нагрузки в составе системы аэрации аэротенков и с успехом переносила периодические отключения подачи воздуха. Технологические паузы аэрации не уменьшали срок службы аэратора, а наоборот, помогали избавляться от внешних биообрастаний. Это свойство с успехом стали использовать в больших и малых очистных установках на базе SBR – аэротенков (sequencing batch reactor – аэробные реакторы с циклично прерываемой активностью), где подача воздуха в аэраторы прекращается и возобновляется в короткие промежутки времени. Применение данной технологии позволило разработать очень эффективные системы биологической очистки.

Элемент представляет собой пластмассовую трубную арматуру с рукавным пластичным плёночным полимерным материалом. По всей площади полимерной плёнки нанесены микроскопические прорези. При подаче давления, плёнка расправляется, стряхивая с себя бионаросты, прорези начинают приоткрываться, выпуская в толщу воды миллионы крошечных пузырьков воздуха. При отключении подачи воздуха, все прорези закрываются, плёнка сморщивается, доступа воды внутрь аэратора не происходит.

Конструкция и принцип действия пластинчатых аэраторов AEROSTRIP

Важнейшей частью аэратора является натянутая на металлическое основание перфорированная полиуретановая пленка. Без подачи воздуха пленка плотно прижата к основанию, поры при этом закрыты. При подаче воздуха мембрана искривляется и расширяется (т.к. поры открыты только во время подачи воздуха, возможные отложения удаляются регулярным отключением подачи воздуха, при котором поверхность мембраны уменьшается и внешний слой отделяется). Под давлением воздуха открывается сначала часть пор, и с растущим давлением количество открытых пор увеличивается. Наблюдается возникновение мелких воздушных пузырей, которые медленно поднимаются осциллирующим движением. Так как турбулентность в воде не возникает, эти пузыри пребывают в аэротенке чрезвычайно долго.

Аэрационные системы FORTEX

Экономичное и, в то же время, достаточное обеспечение кислородом протекающих в активационных станциях очистки сточных вод биологических и других процессов требует точных знаний методов определения размеров аэрационных систем, оптимального распределения аэрационных элементов в аэротенках и подбора оборудования, а также систем управления при постоянно изменяющихся условиях эксплуатации аэротенка.

Аэрационные элементы FORTEX предназначены для перемешивания и аэрации вод в активационных и деаэрационных бассейнах станций очистки сточных вод или аэрации других жидкостей, для аэрации оборудования для разведения рыбы, прудов и водоемов, а также для пневматической флотации.

Мелкопузырчатые аэраторы ФОРТЭКС снабжены резиновой мембраной, которая изготовлена из ЕПДМ - каучука (этилен - пропилен - димер). При определенном давлении воздуха мембрана выпучивается таким образом, что в ней раскрываются отверстия, и начинает проходить воздух в форме мелких пузырьков. Над входным отверстием воздуха мембрана не имеет перфорации и служит в качестве обратного клапана для перекрытия впускного отверстия при прекращении подачи воздуха, чем препятствует проникновению воды в воздуховод. Контрольный клапан впуска воздуха обеспечивает одинаковое сопротивление и распределение воздуха по элементам также в случае длинных воздухораспределителей, препятствует местному падению давления и поддерживает систему в работоспособном состоянии даже в случае механического повреждения. Для закрепления элементов на магистральной аэрационной линии применяются разъемные крепления. Преимуществом элементов являются высокие окислительная мощность и использование кислорода, экономичность, низкие потери давления, простая конструкция элемента, возможность простой и быстрой замены мембраны или целого элемента, высокая устойчивость к засорению.

Средне пузырчатые элементы АМЕ - Р, АМЕ - S предназначены для перемешивания и аэрации вод в деаэрационных бассейнах станций очистки сточных вод, в резервуарах аэробной стабилизации ила, селекторах, песколовках или для аэрации других жидкостей, для аэрации оборудования для разведения рыбы, прудов и водоемов.

Мелкопузырчатые аэрационные элементы ФОРТЭКС производятся трех основных типов:

· Дисковый (АМЕ - 260)

· Пластинчатый (АМЕ -D)

· Трубчатый (АМЕ - Т 750 и АМЕ - Т 370)

Рис. 10. Аэрационные элементы Фортекс

Таблица 2. Технические параметры аэраторов Фортекс

АМЕ – Т 750, АМЕ – Т 370. Мелкопузырчатый трубчатый аэрационный элемент состоит из резиновой перфорированной мембраны, прикрепленной к несущей трубке диаметром 63 мм. На обоих концах мембрана закреплена зажимными лентами. Трубчатый элемент снабжен отверстием подвода воздуха и у него существенно упрощен способ крепления к аэрационной линии. Трубчатые аэрационные элементы применяются в случаях высокой и экстремальной плотности размещения аэрационных элементов, при специфических формах отстойников и на съемных (извлекаемых) аэрационных решетках. Для специального применения возможно изготовление этого типа аэраторов из нержавеющей стали, чтобы элемент не содержал пластиковых частей.

На основе обзора литературы можно выделить следующие цели дипломной работы:

- Разработать технологическую схему очистки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия;

- Рассчитать основной аппарат – аэротенк-вытеснитель, способный обеспечить необходимую степень очистки сточных вод нефтеперерабатывающего завода с проектной производительностью 60 тыс. м³ /сутки;

- Совершенствование системы аэрации сточных вод в аэротенке I ступени очистных сооружений ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез", путём замены старых фильтросных труб на новые мембранные мелкопузырчатые аэраторы.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

- Тщательно изучить теоретические основы технологии биохимической очистки сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий;

- Проанализировать имеющуюся технологическую схему очистки сточных вод на предприятии ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез";

- Выбрать один из путей повышения эффективности очистки сточных вод в аэротенке;

- Показать технологическую и технико-экономическую целесообразность замены существующей системы аэрации;

- Разработать мероприятия по обеспечению безопасности работы на биологических очистных сооружениях нефтеперерабатывающего завода.

2. Разработка технологической схемы очистки

2.1 Описание технологической схемы

Технологическая схема очистки сточных вод с промышленной площадки ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез" осуществляется на локальных очистных сооружниях и включает следующие стадии [18]:

• механическую очистку стоков от нерастворённых грубодисперсных минеральных примесей и нефтепродуктов;

• физико-химическую очистку стоков от мелкодисперсных минеральных примесей, эмульгированных нефтепродуктов;

• очистку стоков от тонкодисперсных нефтепродуктов, растворимых органических веществ биохимическим окислением с помощью микроорганизмов активного ила;

• возврат очищенных сточных вод на повторное использование в систему производственного водоснабжения и для подпитки оборотных систем водоснабжения;

• складирование нефтесодержащих отходов с последующей переработкой на установке КХД;

• механическое обезвоживание избыточного активного ила;

• отведение очищенных сточных вод в систему канализации.

Механическая очистка

Механическая очистка предназначена для предварительной очистки сточных вод от грубодисперсных минеральных примесей и нефтепродуктов, откачку сточной жидкости на последующую очистку, сбора уловленного обводнённого нефтепродукта на нефтеловушках с последующей разделкой в разделочных резервуарах.

Сточные воды II системы поступают самотеком по двум вводам на механическую очистку и проходят через решётки, где из потока извлекают крупные плавающие примеси бумага, ветошь, этикетки, пленка).

Далее сточные воды следуют через песколовки, которые применяют для задерживания из сточных вод грубых минеральных загрязнений.

Рис. 11. Песколовка с круговым движением рабочего потока

Песколовка с круговым движением рабочего потока (рис 11) представляет собой круглый резервуар 1 с коническим днищем 3. внутри резервуара расположен цилиндр с усечённым конусом 2, которые с корпусом песколовки образуют кольцевой лоток 5, имеющий в нижней части щелевое отверстие 6 для отвода осадка.

Нефтесодержащие сточные воды поступают к песколовке по открытому лотку и направляются затем в кольцевой лоток песколовки по тангенциальному вводу. Для поддержания в песколовке постоянного уровня на выходе из неё установлен водослив с широким порогом 8. Всплывающие нефтепродукты задерживаются в лотке полупогружённой перегородкой 9, расположенной перед водосливом. Далее через специальное отверстие 10 они направляются в центральную часть песколовки. Накопившиеся нефтепродукты удаляются из песколовки через погружную воронку 4. Выделенный песок удаляется из песколовки гидроэлеватором 7.

При увеличенном расходе сточных вод, превышающем расчетный, излишек воды перепускается через камеру ливнесброса в аварийный амбар. Отстоявшаяся в амбаре вода в течение 3-4 суток перепускается в нефтеловушки. Донный осадок из большого аварийного амбара удаляется по мере накопления.

После песколовок сточные воды направляются по распределительным лоткам в нефтеловушки, объем которых равен 2-х часовому расходу поступающей сточной воды. В нефтеловушке выделяются мелкодиспергированные нефтепродукты и тяжелые взвеси гидравлической крупностью более 0,8 мм/с.

Нефтеловушки представляют собой горизонтальный отстойник (рис 12), разделённый продольными перегородками 10 на самостоятельно работающие секции 11. Число секций назначается в зависимости от расхода сточных вод.

Рис. 12. Секция типовой горизонтальной нефтеловушки

Для распределения рабочего потока воды в секции нефтеловушки служит щелевая перегородка 4. Имеются нефтеловушки, в которых распределение потока осуществляется через стояки труб, оканчивающиеся раструбами 3. Очищенная вода из секции удаляется в водосборный лоток 9 через водослив 8. Для задерживания нефтепродуктов перед водосливом устанавливают полупогружённую перегородку 7. Задержанные нефтепродукты отводятся из секции щелевыми поворотными трубами 5. Тяжёлый осадок, выпавший на дно секции скребковым транспортёром 6 сгребается в приямок 1. Этот же скребковый транспортёр используют для транспортирования плавающей нефти к нефтесборным трубам. Осадок удаляют из приямков гидроэлеваторами 2.

Сбор уловленного обводненного нефтепродукта на нефтеловушках осуществляется с помощью нефтесборных труб в подземный резервуар.

Готовый нефтепродукт с обводненностью не более 1 % откачивают насосами на повторное использование на установку ЭЛОУ. Сбор и разделка нефтепродукта ведется постоянно. Масса уловленного на нефтеловушках нефтепродукта составляет от 1,0 до 2,5 тысяч тонн в месяц.

Удаление донных отложений с нефтеловушек и песколовок производится на песковые площадки. Отстоенная вода с песковых площадок через выпускные колодцы дренируется в большой аварийный амбар.

Чистка нефтеловушек от донного осадка осуществляется один раз в год.

Для обеспечения более глубокой очистки от свободных нефтеродуктов вода после нефтеловушек проходит сооружения дополнительного отстаивания. В качестве таких сооружений применяют пруды-отстойники (рис. 13).

Рис. 13. Схема .двухсекционного пруда дополнительного отстаивания:

1 – нефтесборная труба; 2 – отводящая труба; 3 – подводящая труба.

Исходная вода из распределительной чаши по трубопроводу d=120 мм поступает в нижнюю часть водораспределительного устройства отстойника. Водораспределительное устройство состоит из центрального кольцевого подводящего и распределительного канала, образованного опорой и подводящей трубой, и водораспределительных лопаток.

Осветлённая вода отводится из отстойника через кольцевой зубчатый водослив в сборный кольцевой лоток, из которого очищенная вода по трубопроводу направляется в последующие сооружения. Всплывшие нефтепродукты удаляются радиальным скребком, подгоняющим их к поворотной нефтесборной трубе.

Осадок накапливается на дне отстойника и скребками сдвигается в иловый приямок, расположенный в центре отстойника. Осадок их приямка под гидростатическим напором направляется в иловый колодец по трубопровод с задвижкой, оборудованной электроприводом.

Физико-химическая очистка

После узла механической очистки концентрация нефтепродуктов в сточной воде снижается до 90 мг/л, что превышает величину, при которой эти стоки могут подаваться в сооружения биологической очистки. Для снижения концентрации нефтепродуктов в указанных стоках предусмотрена физико-химическая очистка – импеллерная флотация с флокулянтом Zetag-89.

Сточные воды насосами НПС подаются на сооружения МХО "ВЕМКО" в отделение решеток для удаления грубых механических примесей и предварительного сбора нефтепродукта.

Удаление механических примесей осуществляется при помощи ручных граблей в специальный поддон. По мере накопления уловленный мусор складируется в стационарные бункеры с их последующим вывозом в шламонакопитель. Чистка решеток производится периодически (но не реже 1 раза в 2 часа) в зависимости от количества поступающих загрязнений. При этом не допускается перепад уровня до и после решеток более 15 см.

Сбор нефтепродукта с поверхности лотка происходит через щелевое заборное устройство, после чего нефтепродукт при помощи центробежного насоса транспортируется по линии в емкости.

Далее стоки поступают в отделение гидроциклонов, где за счет центробежной силы и силы тяжести происходит удаление из стоков нефтепродукта и взвешенных веществ.

Удаление нефтепродукта осуществляется через большой и малый нефтесборные карманы периодически, в зависимости от степени его накопления. Для более качественного удаления нефтепродуктов (особенно тяжелых) необходимо уменьшить высоту перегородки нефтесборного кармана путем открытия-закрытия поворотной заслонки. Посредством включения в работу скребкового механизма (не реже 4-х раз в смену) происходит интенсификация удаления нефтепродукта.

Удаление взвешенных веществ производится из конусной части безнапорного гидроциклона при помощи гидроэлеватора (водоструйный насос). Донный осадок удаляется на напорные гидроциклоны и бункеры песка. Обезвоженный песок вывозится и складируется в шламонакопителе.

Стоки после безнапорных гидроциклонов поступают в сепараторы для последующего извлечения механических примесей и нефтепродукта.

Нефтепродукт собирается в верхней части сепаратора по мере накопления на поверхности, переливается в нефтесборный карман, и поступает в ёмкости с последующей откачкой в резервуарный парк.

Донный осадок скапливается в нижней (конусной) части сепаратора. Его удаление осуществляется в ёмкости под гидростатическим давлением с последующей откачкой насосами в 2-х секционный отстойник.

В лоток осветлённых стоков после сепаратора осуществляется подача флокулянта для более эффективного процесса флотации.

Принцип работы депуратора, предназначенного для извлечения из сточной воды механических примесей, нефтепродукта и их эмульсий, заключается в вовлечении загрязнений в пенный слой (импеллерная флотация). Данные загрязнения с образующимся пенным слоем (флотопена) поступают в пеносборные карманы. Для более эффективного удаления флотопены используют скребковые механизмы. Флотопена с пеносборных карманов поступает в ёмкости и насосами откачивается в 2-х секционный отстойник. Отстоявшаяся вода дренируется в "голову" сооружений МХО "Вемко". Сбор нефтепродукта с 2-х секционного отстойника осуществляется в тёплый период времени в резервуарный парк или на установку КХД для последующей переработки. Очищенные стоки после депураторов поступают на сооружения БХО.

Биохимическая очистка стоков – сооружения БХО

Участок БХО предназначен для биохимической очистки сточных вод, для распада и минерализации органических веществ, находящихся в коллоидном и растворённом состоянии.

Существуют три варианта работы I системы сооружений БХО: I вариант предусматривает работу сооружения в зимний период времени, II и III вариант в летнее-осенний период времени.

I Вариант

Рис. 14. Схема работы сооружений БХО в зимний период

Промышленные сточные воды II системы канализации, предварительно прошедшие механо-химическую очистку на участке "Вемко" поступают по трубопроводу в приёмную камеру II системы. Из приёмной камеры стоки поступают по лотку в двухсекционный смеситель. Смеситель представляет собой заглублённый прямоугольный резервуар, состоящий из трёх секций. Каждая секция разделена на три коридора. В каждый коридор по перфорированному трубопроводу подаётся воздух для усреднения и перемешивания стоков. Так же в смеситель подаются биогенные добавки для активного ила. Из смесителя по лотку сточные воды поступают в распределительный канал перед аэротенком.

Аэротенк – прямоугольный резервуар открытого типа, состоящий из трёх секций, каждая секция которого разбита на три коридора. Первый коридор является регенератором. Второй и третий – это рабочие зоны аэротенка. Конструкция аэротенка предусматривает возможность работы с 33%, 66% регенерацией активного ила, так и без неё.

Для жизнедеятельности микроорганизмов в аэротенк подаётся воздух из воздуходувной станции в количестве 16,7 м³ /сек. по трубопроводу и распределяется по отдельным стоякам. Иловая смесь из каждой секции, переливаясь через водослив, поступает по трубопроводу в камеру гашения напора, а затем в распределительную чашу вторичных отстойников.

Вторичный отстойник – заглубленный открытый цилиндрически резервуар. Он служит для задержания активного ила, поступающего вместе с очищенной водой из аэротенка. Сбор осветлённой воды в отстойнике осуществляется через водосливы сборного кольцевого лотка, затем вода поступает в выпускной карман отстойника и далее в приёмную камеру II системы в отсек сбора очищенных стоков. Активный ил, осевший на дне отстойника под гидростатическим давлением непрерывно удаляется при помощи илососа в иловую камеру, которая оборудована щитовыми заборами. Из иловых камер активный ил поступает в приёмную камеру, откуда возвращается на повторное использование через колодцы в первые коридоры каждой секции аэротенка.

Очищенная вода из приёмной камеры подаётся на флотацию. Схемой предусмотрено введение воды и воздуха через эжекторы, которые установлены на перемычках между напорными и всасывающими трубопроводами. Насыщение стоков воздухом происходит при давлении 4,2 – 4,8 кгс/см² в сатураторе ёмкостью 100 м³ . Насыщенная воздухом сточная вода поступает в центральную часть в распределительное устройство флотаторов. Из сатуратора насыщенная воздухом вода поступает на флотаторы. Флотатор служит для удаления окисленного активного ила из очищенных стоков. Выделившиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с налипшими частицами загрязнений на поверхность флотатора, в результате чего образуется пенообразный слой. Пена удаляется скребковым механизмом. Очищенная вода по водосборному кольцевому лотку флотатора самотёком переливается в приёмную камеру стоков. Из этой камеры вода подаётся на пруд-регулятор № 2, затем через перемычку поступает в пруд-регулятор № 1, где происходит дополнительный отстой очищенной воды. Из пруда-регулятора № 1 вода подаётся на подпитку в оборотную систему водоснабжения предприятия.

II Вариант

Рис. 15. Схемы работы сооружений БХО в летнее-осенний период

2.2 Контроль производства

Контроль за работой очистных сооружений состоит из аналитического контроля и контроля за работой систем и оборудования сооружений.

Для лабораторного аналитического контроля за работой очистных сооружений выделены отдельные помещения. Лаборантами проводятся химические и гидробиологические анализы воды и осадка. Лаборатория полностью укомплектована необходимым инвентарем, оборудованием, мебелью, лабораторными приборами, посудой и реактивами. Технологический контроль за биологической очисткой сточной воды позволяет своевременно предпринять меры по ликвидации негативного фактора и поддержанию необходимого качества очистки [18].

Таблица 3 Технологический контроль производства. Возможные неполадки и аварийные ситуации. Причины и способы устранения

Таблица 4 Основные нарушения режима работы аэротенков и пути их устранения

2.3 Анализ эффективности работы очистных сооружений и возможные пути изменения технологического режима для улучшения качества очистки сточных вод

Комплекс очистных сооружений цеха № 17 Управления водоснабжения, канализации и очистки сточных вод ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез" предназначен для приема производственных и хозбытовых сточных вод с нефтеперерабатывающей площадки, их очистки и отвода сточных вод на городские биологические очистные сооружения и частичного возврата очищенных сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения.

Таблица 5 Качество поступающих и очищенных стоков очистных сооружений цеха №17 УВК и ОСВ за 2007 год

В настоящее время качество очищаемых стоков на очистных сооружениях цеха №17 УВК и ОСВ не отвечает требованиям, предъявляемым к ним на сбросе в поверхностный водоём, поэтому избыточное количество очищенных стоков после БХО в объёме 14 тыс. м³ /сутки направляется на доочистку на городские биологические очистные сооружения (БОС) перед сбросом в р. Кама. Направление стоков на БОС обусловлено недостаточной степенью очистки и прежде всего по содержанию нефтепродуктов, взвешенных веществ и БПКполн.

В целях повышения качества очистки стоков предлагается осуществить реконструкцию очистных сооружений с доведением показателей стоков до требований, предъявляемых к ним для повторного использования в оборотном водоснабжении, до требований, предъявляемых на сбросе избыточного количества очищенных стоков после БХО в р. Кама, то есть минуя городские биологические очистные сооружения.

Одним из основных недостатков работы очистных сооружений является наличие устаревшей системы аэрации. Керамические трубы, через которые осуществляется подача и распределение воздуха за длительное время эксплуатации закальматировались, потеряли свою прочность и ломаются при монтаже и демонтаже. Аэрация через отверстия в трубах уже не позволяет получать мелкие пузырьки воздуха, что и является причиной снижения концентрации растворенного кислорода.

Песок выносится из песколовок в последующие сооружения и в первую очередь в первичные отстойники, откуда в составе сырого осадка перекачивается в аэротенки I ступени и оседает в "застойных" зонах. Наличие застойных зон обусловлено пристенной системой аэрации аэротенков. В этих зонах вместе с песком оседает и гниет ил. В результате чего, качество очистки воды снижается.

В связи с этим предлагается замена существующих фильтросных труб на более эффективные аэраторы мембранного типа – "ФОРТЕКС АМЕ – Т 370". Специально перфорированная мембрана из синтетического каучука работает как обратный клапан, что предотвращает обрастание пор биоплёнкой. Данные аэраторы обеспечат более эффективную очистку сточных вод при минимальных затратах электроэнергии.

Сборка системы аэрации проводится без дополнительных муфт, простым свинчиванием аэраторов между собой и последующей фиксацией, что позволяет произвести реконструкцию системы аэрации в предельно короткие сроки.

Преимуществом данных аэрационных элементов является:

· Высокая окислительная мощность;

· Высокая доля используемого кислорода;

· Низкие потери давления;

· Простая конструкция элементов;

· Возможность простой и быстрой замены мембраны или целого элемента;

· Высокая устойчивость к засорению;

· Экономия электроэнергии.

Рис. 16. Сравнение старой и новой систем аэрации

1 – фильтросные трубы;

2 – мембранные аэраторы ФОРТЕКС.

3. Расчёт материального баланса

Материальный баланс составлен по содержанию БПКполн, нефтепродуктов и взвешенных веществ в воде и концентрации активного ила согласно схемы изображенной на рисунке 17.

Расчет сделан исходя из следующих данных:

Производительность000 м³ /сут;

БПКполн на входе0,0 мгО₂ /л;

Концентрация нефтепродуктов на входе9,0 мг/л

Концентрация взвешенных веществ на входе2,0 мг/л;

Концентрация ила на входе,1 мг/л

Прирост активного ила,74 мг/л

Эффективность работы отстойников%

Рис. 17. Схема материального баланса очистки сточных вод нефтеперерабатывающего завода производительностью 60 тыс. м³ /сутки

Представим табличный вариант расчёта материального баланса.

Таблица 6 Материальный баланс песколовок

Таблица 7 Материальный баланс нефтеловушек

Таблица 8 Материальный баланс флотационной установки

Таблица 9 Материальный баланс аэротенка

Таблица 10 Материальный баланс вторичных отстойников

4. Проектирование промышленного аппарата

4.1 Расчёт аэротенка-вытеснителя I ступени

Исходные данные. Расчётный расход производственных сточных вод нефтеперерабатывающего завода (система II) qw = 2500 м3/ч; суточный расход Q = 60000 м3/сут; БПКполн поступающей сточной воды Len = 85,4 мг/л; БПКполн очищенной сточной воды Lex = 6 мг/л; концентрация взвешенных веществ в поступающей сточной воде Свв = 46 мг/л.

Расчёт:

Поскольку значение Len <150 мг/л к расчёту принимаем аэротенк-вытеснитель без регенератора. Для вторичного отстаивания предусматриваем радиальные отстойники с илососами.

Для сточных вод нефтеперерабатывающего завода назначаем константы:

- максимальная скорость окисления ρmax = 59 мгБПК/(гч);

- константа, характеризующая свойства загрязнений К1 = 24 мгБПК/л;

- константа, характеризующая влияние кислорода К0 = 1,66 мгО2/л;

- коэффициент ингибирования φ=0,158 л/г;

- зольность ила S=0,3.

Дозу активного ила в аэротенке принимаем равной первоначально аi = 3 г/л, значение илового индекса Ji = 90 см3/г, концентрацию растворённого кислорода Со = 2,5 мг/л.

Рассчитываем степень рециркуляции активного ила:

Рассчитываем БПК_полн поступающей в аэротенк сточной воды с учётом разбавления рециркуляционным расходом:

Определяем период аэрации:

Рассчитаем нагрузку на активный ил, подставляя в формулу значения L_mix и t.

мг/(г*сут)

Таблица 11 Значение илового индекса

По таблице 6 с помощью интерполяции находим иловый индекс, который соответствует рассчитанной нагрузке на активный ил:

Принятое значение илового индекса отличается от табличного на величину:

%

Считаем эту погрешность вполне допустимой.

Определяем объём аэротенка с учётом циркуляционного расхода:

Подбираем типовой проект аэротенка-вытеснителя № 902-2-193 со следующими характеристиками:

* число секций nat = 3;

* число коридоров ncor = 3;

* рабочая глубина Hat = 4,4 м;

* ширина коридора bcor= 4,5 м.

Длина секции аэротенка:

м (4.7)

Общий размер аэротенка 40 х 41 м.

Рассчитываем прирост активного ила:

4.2 Расчёт системы аэрации

Принимаем глубину погружения аэраторов:

Находим растворимость кислорода при температуре воды 20°С: С_Т =9,02 мг/л. Рассчитаем растворимость кислорода в воде:

мг/л

Для аэрации принимаем мелкопузырчатый трубчатый мембранный аэратор, состоящий из резиновой перфорированной мембраны, прикреплённой к несущей трубке.

Находим значение коэффициента, учитывающего тип аэратора: К1 = 1,47. Интерполяцией находим коэффициент, зависимый от глубины погружения аэратора:

Коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, равен:

Рассчитаем удельный расход воздуха qair:

Определяем интенсивность аэрации:

Определяем общий расход воздуха:

4.3 Расчёт вспомогательного оборудования (насосы, газодувки)

Расчёт насоса [9].

Выбор трубопровода. Примем скорость воды равную 2 м/с.

,

где Q – расход воды, м³ /секунду. (4.14)

Определяем потери на местное сопротивление:

т.е. режим течения турбулентный.

ω – скорость потока, м/с; ρ – плотность воды, кг/м³ ; μ – динамическая вязкость, м∙с/кг.

Примем абсолютную шероховатость равной

м,

тогда относительная шероховатость:

Коэффициент трения равен:

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений:

Для всасывающей линии

1. Вход в трубу (принимаем с острыми краями):

2. Прямоточные вентили:

3. Отводы:

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Потерянный напор во всасывающей линии:

Для нагнетательной линии

1. Отводы под углом 120:

2. Отводы под углом 90:

3. Нормальные вентили:

4. Выход из трубы:

Потерянный напор в нагнетательной линии:

Общие потери насоса

Выбор насоса

Находим потребный напор насоса

Такой напор при заданной производительности обеспечивается многоступенчатым центробежным насосом.

Определяем полезную мощность насоса:

Устанавливаем, что заданной подаче и напору более всего соответствует насос марки ЦНС 300-540.

Выбор газодувки

Расход воздуха для обеспечения достаточной аэрации равен 7776 м³ /час. Исходя из этого подбираем газодувку ТВ-600-1,1 с типом электродвигателя А3-315М-2 и максимальной мощностью 200 кВт.

5. Технико-экономические расчеты

5.1 Характеристика объекта и технико-экономическое обоснование целесообразности замены существующей системы аэрации

Темой работы является совершенствование биологических очистных сооружений нефтеперерабатывающего завода производительностью 60 тыс. м³ /сут. В ходе работы выполнен расчёт основных технологических параметров процесса очистки. На основании технологического расчёта определены размеры и конструкции аппаратов, подобрано необходимое оборудование.

Основным аппаратом на станции биологической очистки является аэротенк-вытеснитель. Для снижения БПК в сточной воде с 300 до 8 мгБПК/л, целесообразно применять трёхсекционный трёхкоридорный аэротенк с 33%-ной регенерацией.

В России наиболее распространённым типом мелкопузырчатого аэратора являются фильтросные пластины и трубы, изготовляемые из пористого стекловидного материала. Основным их недостатком является то, что при снятии давления воздуха в эти элементы аэрации заходит сточная вода, забивая поры при следующей подаче давления. Затем биомасса начинает размножаться, полностью забивая поры. Элемент аэрации теряет до 70% своей эффективности. Срок службы таких элементов аэрации составляет не более 3-х – 5-ти лет, и это с ежегодными прочистками и дорогостоящими ремонтами.

В данной работе предлагается использование более эффективных аэраторов мембранного типа – "ФОРТЕКС АМЕ – Т 370". Мембранные элементы являются наиболее подходящими для систем с прерывистой подачей воздуха, например, для систем одновременной нитрификации и денитрификации. Специально перфорированная мембрана из синтетического каучука работает как обратный клапан, что предотвращает обрастание пор биоплёнкой. В последнее время мембранные элементы применяются и в аэрационных системах с постоянной подачей воздуха. Данные аэраторы обеспечат более эффективную очистку сточных вод при минимальных затратах электроэнергии. Сборка системы аэрации проводится без дополнительных муфт, простым свинчиванием аэраторов между собой и последующей фиксацией, что позволяет произвести реконструкцию системы аэрации в предельно короткие сроки.

Преимуществом данных аэрационных элементов является:

· Высокая окислительная мощность;

· Высокая доля используемого кислорода;

· Низкие потери давления;

· Простая конструкция элементов;

· Возможность простой и быстрой замены мембраны или целого элемента;

· Высокая устойчивость к засорению;

· Экономия электроэнергии.

5.2 Расчёт производственной мощности

Производственная мощность установки (М) определяется по её суточной производительности и времени работы и рассчитывается по формуле:

,

где Q – суточная производительность установки (Q = 60000 м³ /сут),

Т – эффективный фонд времени работы оборудования. Установка работает непрерывно в течение календарного года (Т_эф = 365 суток).

.

5.3 Расчёт инвестиционных затрат на реконструкцию оборудования

Модернизация существующего аэротенка по проекту предусматривает демонтаж аэрационной системы и монтаж мембранной системы аэрации "ФОРТЕКС АМЕ – Т 370".

Единовременные затраты на реконструкцию складываются из:

К_инв = К_дем + К_нов + К_дост + К_монт + К_неучт , где

К_дем – затраты на демонтаж выбывающих узлов;

К_нов – стоимость вновь устанавливаемых узлов;

К_дост – затраты на доставку нового оборудования и материалов;

К_монт – затраты на строительно-монтажные работы;

К_неуч – неучтённые затраты.

Демонтаж выбывающих узлов может быть выполнен за две смены 3-мя рабочими. Принимаем оплату труда равной 100 руб./чел.∙ч.

К_дем = ЗП_раб +К_пр

где, ЗП_раб = ТС ∙ n_см ∙ n_чел ∙ ч;

К_пр – стоимость привлекаемых механизмов (100% от оплаты труда с учётом ЕСН);

К_дем = 2 смены ∙ 3 чел. ∙ 8 ч ∙100 руб ∙ 1,26 ∙ 2 = 12096 руб. (с учётом ЕСН).

Стоимость вновь устанавливаемых элементов определяется их количеством и ценой за единицу.

Плотность элементов в аэротенке – 1,8 шт/м² ;

Площадь аэротенка – 2160 м² ;

Количество элементов = 1,8 ∙ 2160 = 3888 шт.

Стоимость одного элемента – 1,18 тыс. руб.

К_нов = 3888 шт. ∙ 1,18 тыс. руб. = 4.587,84 тыс. руб.

Затраты на монтаж новых узлов определяем прямым счётом. Они складываются из затрат на оплату труда и на оплату за использование специализированной техники. Монтаж может быть произведён бригадой рабочих из 4-х человек в течение 5-ти смен. Принимаем оплату труда равной 100 руб./чел.∙ч.

К_монт = ЗП_раб

где, ЗП_раб = ТС ∙ n_см ∙ n_чел ∙ ч;

К_пр – стоимость привлечённых механизмов (100% от оплаты труда с учётом ЕСН).

ЗП_раб = 5 смен∙4 чел. ∙8ч∙100 руб. ∙1,26=20160 руб. (с учётом ЕСН).

К_монт = 20160 + 20160 =40320 руб.

Таблица 12 Капитальные затраты на вновь устанавливаемые элементы

Таблица 13 Смета капитальных затрат на модернизацию аэрационной системы

По экспертной оценке стоимость аэротенка составляет 24 млн. руб. Принимаем стоимость старой аэрационной системы в размере 5% от стоимости аэротенка.

ОФ_выв = 1200 тыс. руб.

В результате модернизации стоимость оборудования возрастёт на:

тыс. руб.

5.4 Расчёт изменения годовых эксплуатационных затрат

Замена аэрационной системы ведёт к изменению годовых эксплуатационных затрат по статьям: "Энергия на технологические цели", в связи с уменьшением расхода воздуха и следовательно изменением мощности воздуходувок; "Содержание, эксплуатация и ремонт оборудования", в связи с изменением его стоимости.

5.4.1 Расчёт изменения затрат на электроэнергию

Новая система аэрации позволяет снизить затраты на электроэнергию. В связи с тем, что при использовании мембранных аэраторов вместо перфорированных труб снижается расход воздуха с 10070 м³ /ч до 7776 м³ /ч, возможно уменьшение мощности воздуходувок.

Расход воздуха на элемент – 2,0 м³ /ч

Количество элементов – 3888 шт.

Общий расход воздуха составит: Q = 2,0 м³ /ч ∙ 3888 шт. = 7776 м³ /ч

В случае использования в качестве аэрационных элементов перфорированные трубы, расход электроэнергии составит:

, где

М – мощность воздуходувки ТВ-600-1,1, М = 200 кВт;

n – количество работающих воздуходувок, n = 3;

Т_раб – время работы оборудования, час, Т_раб = 8760 ч;

К_с – коэффициент спроса, принимаем К_с = 1,0;

η_дв – КПД двигателя, η_дв = 0,94;

η_сети – КПД электросети, η_сети = 0,98.

.

Примем стоимость электроэнергии 1,64 руб/кВт∙ч. Тогда расходы на электроэнергию составят:

руб.

Рассчитаем количество электроэнергии, которое потребуется при использовании мембранных аэраторов "ФОРТЕКС АМЕ –Т 370", с учётом того, что будет снижена мощность воздуходувок.

, где

М – мощность воздуходувки ТВ-600-1,1, М = 55 кВт;

n – количество работающих воздуходувок, n = 3;

Т_раб – время работы оборудования, час, Т_раб = 8760 ч;

К_с – коэффициент спроса, принимаем К_с = 1,0;

η_дв – КПД двигателя, η_дв = 0,94;

η_сети – КПД электросети, η_сети = 0,98.

.

Примем стоимость электроэнергии 1,64 руб/кВт∙ч. Тогда расходы на электроэнергию составят:

руб.

руб.

5.4.2 Расчёт изменения затрат на эксплуатацию, содержание и ремонт оборудования

Изменение затрат на содержание, эксплуатацию и ремонт оборудования при изменении его стоимости на 3886,944 тыс. руб. представлено в таблице.

Таблица 14 Смета изменения затрат на содержание, эксплуатацию и ремонт системы аэрации

* - Срок службы сооружений принимаем равным 25 лет, тогда норма амортизации составит: N_a = 100/25 = 4%.

Таблица 15 Сводная таблица изменения годовых эксплуатационных затрат

5.5 Расчёт основных технико-экономических показателей проекта

5.5.1 Прирост прибыли

Прирост прибыли равен годовой экономии на эксплуатационных затратах:

тыс. руб.

5.5.2 Прирост чистой прибыли

Чистая прибыль – прибыль, остающаяся у предприятия после уплаты налогов:

, где

24% - налоги.

= 2.526,04 – 606,24 = 1.919,8 тыс. руб.

5.5.3 Ожидаемый экономический эффект

Экономический эффект от реализации проекта – Э определим по формуле:

, где

- прирост чистой прибыли, тыс. руб.;

- депозитная процентная ставка, принимаем = 15%;

- единовременные затраты на реконструкцию, тыс. руб.

Э = 1.919,8 – 0,15 ∙ 6.118,848 = 1.001,9 тыс. руб.

5.5.4 Срок окупаемости капитальных затрат

;

- единовременные затраты на реконструкцию, тыс. руб.;

- прирост чистой прибыли, тыс. руб..

Таблица 16 Основные технико-экономические показатели

5.6 Выводы по разделу

1. Определены инвестиционные затраты на замену аэрационного оборудования аэротенка первой ступени, которые составляют около 6,2 млн. руб.

2. Показано, что годовые эксплуатационные затраты после реконструкции уменьшатся на 2.602 тыс. руб., за счёт снижения затрат на электроэнергию, в связи с уменьшением мощности газодувки.

3. Прирост годовой суммы чистой прибыли предприятия составит около 2 млн. руб.

4. Инвестиционные издержки на замену системы аэрации аэротенка первой ступени окупятся за 3 года.

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Краткая характеристика объекта

Комплекс очистных сооружений нефтеперерабатывающих предприятий предназначен для приема производственных и хозбытовых сточных вод с нефтеперерабатывающей площадки, их очистки и отвода сточных вод в природные водоёмы и частичного возврата очищенных сточных вод для подпитки систем оборотного водоснабжения.

Кроме того, предусмотрен сбор ловушечного нефтепродукта, его обезвоживание и возврат на повторное использование, складирование нефтешлама и его последующая переработка.

На биохимических очистных сооружениях по очистке промышленных стоков нефтеперерабатывающих производств должны соблюдаться общие правила по технике безопасности, распространённые на все установки нефтеперерабатывающих производств, а также инструкции, утверждённые МНХП. Нарушение правил эксплуатации канализационных систем, объектов для перекачки, обработки сточных вод, осадков, а также технологического режима может привести к авариям – взрывам, пожарам, отравлениям.

Сточные воды, поступающие на БХО, имеют различные загрязнения с выделением газов – сероводород, метан, пары нефтепродуктов и другие токсичные примеси, способные вызвать взрыв, пожар и отравление. Вредность сточных вод определяется содержанием в них биологических загрязнений, способных вызвать различные заболевания у человека.

В связи с этим необходимо провести работу по анализу условий труда на очистных сооружениях нефтеперерабатывающего предприятия, оценить влияние опасных и вредных факторов, характерных для данного производства и на основе полученной информации разработать мероприятия по обеспечению безопасности труда рабочих на данном производстве.

6.2 Анализ условий труда

Условия труда — совокупность факторов производственной среды и трудового процесса, оказывающих влияние на работоспособность и здоровье работника [14].

Сочетание различных факторов, формируемых в производственной среде, определяет условия труда работающих на производстве. Они оказывают влияние на здоровье и работоспособность человека.

Под гигиеническими нормативами условий труда понимают уровни вредных производственных факторов, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа не должны вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья работающего и его потомства. Условия труда с этими нормативами или при полном отсутствии вредных и опасных производственных факторов называют безопасными условиями труда.

В соответствии с гигиеническими критериями оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса, изданных Госкомсанэ-пиднадзором России (Р2.2.013—94) условия труда оцениваются по четырем классам.

1-й класс — оптимальные условия труда, выполняя профессиональные обязанности, при которых работающие сохраняют свое здоровье, имеют предпосылки для поддержания высокого уровня работоспособности.

2-й класс — допустимые условия труда характеризуются значениями факторов, не превышающими установленных гигиеническими нормами, а функциональное состояние организма от их воздействия восстанавливается к началу следующей смены, не оказывая неблагоприятного воздействия на работающего и его потомство.

3-й класс — вредные условия труда. Этим классом характеризуются рабочие места, на которых производственные факторы превышают гигиенические нормы.

4-й класс — опасные (экстремальные) условия труда. Уровни производственных факторов этого класса таковы, что их воздействие на протяжении рабочей смены или ее части создает угрозу для жизни и/или высокий риск возникновения тяжелых форм острых профессиональных заболеваний.

Условия труда на нефтеперерабатывающем предприятии относятся к третьему классу опасности – вредные.

6.3 Анализ опасных и вредных факторов

В соответствии со стандартом безопасности труда опасные и вредные производственные факторы в зависимости от природы возникновения делят на 4 группы: физические, химические, биологические, психофизиологические [8].

Физические факторы:

o движущиеся машины и механизмы, подвижные элементы машин и оборудования, передвигающиеся изделия, заготовки, материалы;

o запыленность и загазованность воздушной среды;

o отклонение от нормы параметров микроклимата;

o повышенный уровень шума, ультразвука, инфразвука;

o повышенный уровень вибрации;

o электрический ток и статическое электричество;

o электромагнитное излучение, повышенный уровень магнитной и электрической составляющих;

o ионизирующее излучение;

o недостатки освещения, его пульсация, повышенное инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

Химические факторы:

o общетоксические;

o раздражающие;

o сенсибилизирующие;

o канцерогенные;

o мутагенные, влияющие на репродуктивную функцию человека.

Биологические факторы — это макро- и микроорганизмы, воздействие которых на работающих вызывает травмы или заболевания.

Психофизиологические факторы:

o физические перегрузки (статические, динамические, гиподинамия);

o нервно-психические перегрузки (умственное перенапряжение, перенапряжение анализаторов, эмоциональные перегрузки, монотонность труда).

Промышленные сточные воды загрязнены нефтью и нефтепродуктами, сероводородом, фенолом и другими летучими органическими соединениями, выделяющимися из промышленных сточных вод в виде газов и паров, которые легко воспламеняются, взрывоопасны и оказывают вредное воздействие на человека.

Нефть и нефтепродукты

В нефтяной промышленности имеют место случаи промышленных отравлений нефтяными парами и газами при их вдыхании или попадании нефтепродуктов в желудочно-кишечный тракт.

Вдыхание паров нефтей и нефтепродуктов оказывает наркотическое действие и приводит к различным видам отравлений. К функциональным и нервным расстройствам.

Нефть и нефтепродукты взрыво-пожароопасны, оказывают вредное действие на кожу и слизистые оболочки.

Наиболее опасным нефтепродуктом является бензин, обладающий высокой испаряемостью при обычной температуре. ПДК паров топливного бензина в воздухе – 100 мг/м³ , бензина-растворителя – 300 мг/м³ .

Сероводород

Физические свойства: бесцветный газ с запахом тухлых яиц, тяжелее воздуха, скапливается в низких местах, является сильным ядом, действующим на нервную систему, вызывает смерть от остановки дыхания. Общий характер действия на организм: при слабой концентрации действует раздражающе на слизистые оболочки, нервную систему; при большой концентрации приводит к параличу нервных центров. ПДК сероводорода – 10 мг/м³ .

Фенол

Физические свойства: белый бесцветный кристалл с интенсивным запахом карболки. Общий характер действия на организм: головокружение, раздражение дыхательных путей, расстройство пищеварения, сопровождаемое тошнотой, рвотой. Фенол раздражающе действует на кожу, вызывая ожоги. ПДК фенола – 300 мг/м³ .

Активный ил

Активный ил представляет собой хлопьевидное образование, являющееся колониями большого количества микроорганизмов.

Активный ил опасен в инфекционном отношении, так как в нём среди различных микроорганизмов находится большое количество болезнетворныз.

Попадающие в организм человека или животных болезнетворные микроорганизмы могут вызывать различные инфекционные заболевания (зооантропонозы): сибирскую язву, туберкулез, бруцеллез, туляремию, сап, рожу свиней и др.

К инфекционным относят и пиогенные (гнойничковые) заболевания, которые вызывают патогенные микроорганизмы, проникающие через ссадины и порезы кожного покрова рук.

Инфекционные кишечные заболевания вызывают возбудители острых кишечных заболеваний - дизентерии, холеры, брюшного тифа, патитов и др.

6.4. Мероприятия по обеспечению безопасности работы на очистных сооружениях

6.4.1 Средства индивидуальной защиты

С целью предупреждения влияния опасных и вредных производственных факторов обслуживающий персонал (оператор) обеспечивается спецодеждой, спецобувью и другими средствами индивидуальной защиты, молоком, мылом в соответствии с установленными нормами.

Находясь на смене, оператор всегда имеет при себе каску и противогаз и пользуется им в загазованной среде.

При эксплуатации оборудования очистных сооружений необходимо применять средства защиты рук - комбинированные рукавицы.

Осмотр и ремонтные работы в колодцах (канализационных, кабельных), в смотровых узлах управления проводятся в шланговых противогазах по наряду-допуску на газоопасные работы.

Работы, связанные с опасностью падения с высоты, а также работы с использованием шланговых противогазов (в колодцах, емкостях, аппаратах и других загазованных местах) проводятся с применением предохранительного пояса. При работе на высоте – каска. Оператор следит за чистотой и исправностью спецодежды, спецобуви и других средств защиты.

6.4.2 Требования по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности

По пожароопасности объекты относятся к категории "Д", т.к. сооружения представляют собой набор железобетонных ёмкостей, заполненных сточными водами, производственные помещения (здания насосных, воздуходувных и т.п.) выполнены из несгораемых элементов.

В производственных помещениях, в насосных и на территории очистных сооружений, около колодцев, лотков запрещается курить и применять открытый огонь (костры, факелы, зажженные спички, свечи, керосиновые фонари и другие источники) для отогревания замерзших узлов и освещения емкостей с огнеопасными продуктами, траншей, колодцев, приямков и т.п. Курить на территории цеха разрешается только в специально оборудованных местах, отмеченных соответствующим указательным знаком или табличкой "Место для курения".

Отогревать замерзшие коммуникации, узлы и аппараты разрешается только паром или горячей водой.

В качестве аварийного освещения, а также при работе в газоопасных зонах (колодцах, смотровых узлах управления, траншеях, лотках) применяются светильники во взрывозащищенном исполнении не более 12 В.

Запрещается проводить огневые работы на расстоянии менее 20 м от колодцев и менее 50 м от резервуаров.

Запрещается:

- загромождать и загрязнять эвакуационные выходы из помещений, с территорий, подъезды и подходы к средствам пожаротушения, связи и сигнализации;

- использовать противопожарный инвентарь и оборудование, а также аварийные и газоспасательные средства для других нужд, не связанных с их прямым назначением.

Обо всех замеченных в зоне обслуживания или в других местах установки нарушениях правил пожарной безопасности оператор должен немедленно указать об этом нарушителю и сообщить диспетчеру цеха, руководству участка, цеха.

Способы и средства пожаротушения.

Объекты цеха обеспечены первичными средствами пожаротушения:

· Огнетушитель ОП-5 (ОПУ-5) – порошковые предназначены для тушения всех классов пожаров: горючих газов, ЛВЖ, ГЖ, твёрдых веществ и материалов, установок под напряжением до 1000 вольт при температуре от -35 до +50ºС.

· Огнетушитель ОУ-2, ОУ-5 – углекислотный предназначен для тушения различных веществ, электроустановок под напряжением до 1000 В.

· Песок – для механического сбивания плёнки и изоляции горящего материала от воздуха.

· Асбополотно, войлок (кошма) – для тушения малых очагов горения путём накрытия очага с целью прекращения к нему доступа воздуха.

6.4.3 Инструкция по охране труда для оператора очистных сооружений. Общие требования безопасности

К работе в должности оператора очистных сооружений допускаются рабочие в возрасте не моложе 18 лет, прошедшие медицинскую комиссию, обучение и инструктаж по технике безопасности.

До назначения на самостоятельную работу оператор должен закончить обучение и пройти проверку знаний в комиссии по правилам электробезопасности с присвоением ему первой группы.

Оператор очистных сооружений должен знать: правила эксплуатации очистных сооружений; техническую схему очистки воды; устройство и принцип работы оборудования; назначение и места установки арматуры, оборудования; правила оказания 1-й медицинской помощи при несчастных случаях;

Оператор несет ответственность за:

-надежную и безаварийную работу очистных сооружений, сохранность оборудования, инструментов, приборов;

-выполнение правил технической эксплуатации, правил техники безопасности и противопожарной безопасности;

-содержание очистных сооружений и своего рабочего места в надлежащем санитарном состоянии;

-соблюдение и выполнение правил внутреннего трудового распорядка.

Оператор обязан: вести правильный режим очистных сооружений; не реже 1-го раза в час производить обход и осмотр всего оборудования очистных сооружений; производить замеры и записывать в журнале результаты анализов и показаний.

В период своего дежурства оператор очистных сооружений имеет право требовать от руководства: обеспечения участка очистных сооружений КИП, инструментом, приспособлениями, инвентарем, оперативными журналами и другими средствами, необходимыми для нормальной и безопасной работы; требовать от руководства участка своевременного устранения дефектов оборудования, возникающих в процессе работы; ставить в известность руководство предприятия о всех нарушениях нормальной работы установки в любое время суток; обеспечением спец. одеждой и защитными средствами согласно существующих норм.

Требования безопасности во время работы.

Оператор очистных сооружений во время работы следит за : исправностью перекрытий сооружений, проходов, ограждений, крышек колодцев; исправностью и наличием приспособлений, инструментов, защитных средств, необходимых при обслуживании очистных сооружений; равномерным распределением по отдельным секциям сточной воды и воздуха, в случае нарушения равномерности самостоятельно (или с помощью мастера) отрегулировать подачу воды и воздуха путем открытия или прикрытия соответствующего регулирующего механизма (задвижки, шибера); концентрацией активного ила в аэротенках; качеством поступающих стоков (при наличии масляных пятен, обильной пены срочно информировать мастера); чистотой и смазкой механических частей аэротенков; чистотой лотков, бортов впускных и выпускных водосливов по ходу движения сточных вод от решетки до выпуска; чистотой территории (выкашивать растительность, расчищать тропинки).

Рабочим местом оператора очистных сооружений является все помещение, в котором расположено оборудование и коммуникации, необходимые для очистки сточных вод, также прилегающая территория.

Требования безопасности в аварийных ситуациях

В случае возникновения загорания в помещении очистных сооружений принять меры к его ликвидации первичными средствами пожаротушения, вызвать пожарную охрану, поставить в известность руководство.

При тяжелых механических травмах пострадавшего положить в безопасное место, придать ему удобное и спокойное положение и вызвать скорую медицинскую помощь (поставить в известность руководителя работ).

При поражении электрическим током в первую очередь освободить пострадавшего от действия электрического тока. Если пострадавший потерял сознание, но дышит, его необходимо уложить в удобную позу, расстегнуть ворот, дать свежий воздух. Если дыхание отсутствует, пульс не прощупывается, пострадавшему нужно немедленно начать делать искусственное дыхание, желательно по методу "рот в рот" до прибытия врача.

Меры безопасности по окончании работы.

Привести в порядок рабочее место, сделать необходимые записи в сменный журнал,

Внести запись о неполадках при работе оборудования

Принять душ.

6.4.4 Обеспечение электробезопасности

Основные причины поражения электрическим током:

• случайное соприкосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением;

• появление напряжения на металлических частях электрооборудования — корпусах, кожухах и т.п. — в результате повреждения изоляции и других причин;

• появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки;

• возникновение шагового напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.

Основные меры защиты от поражения током:

• обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения;

• защитное разделение сети;

• устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, двойной изоляцией, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и др.;

• применение специальных защитных средств — переносных приборов и приспособлений;

• организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Защитой от напряжения, появившегося на корпусах электроустановок в результате нарушения изоляции, являются защитное заземление, зануление и защитное отключение.

6.5 Расчёт заземляющего устройства

Для практических работников, безусловно, представляет интерес методика расчета заземляющих устройств, как одного из множества средств электробезопасности для промышленных предприятий.

Защитное заземление применяется в сетях переменного тока с изолированной нейтралью с напряжением до 1000В и заключается в соединении нетоковедущих металлических частей электроустановок с землей. Заземление подключают к электроприемнику посредством заземляющего проводника, поэтому при конструировании оборудования и приборов, питающихся от сетей переменного тока, должны предусматриваться болты, клеммы или винты для заземления. Основным элементом защитного заземления является заземляющее устройство. Работники различных специальностей должны знать расчет заземляющих устройств.

Методика расчета заземляющих устройств. Для расчета заземляющего устройства необходимы следующие данные:

• сопротивление заземляющего устройства (R₃ ), требуемого по правилам устройства электроустановок (ПУЭ);

• удельное сопротивление грунта (r);

• длина, диаметр и глубина расположения и грунте искусственных заземлителей;

• повышающий коэффициент (к_п ).

В соответствии с ПУЭ R₃ должно быть не более 4 Ом. Для мощности источников электроэнергии до 100 кВА R₃ < 10 Ом, а при токах замыкания на землю более 500 A, R₃ < 0,5 Ом.

Удельное сопротивление грунта (r) зависит от характера грунта и его влажности. Исходные данные: заземлители размещены по контуру в три ряда; сопротивление заземляющего устройства R₃ = 4 Ом; размеры одиночного заземлителя (трубы) = 2,5 м; d_нар = 50 см; расстояние между трубами а = 2,5 м; глубина заложения труб h = 0,8 м; размер соединительной полосы связи 25x4 мм; грунт — чернозем; повышающий коэффициент k_п = 1,5. Расчет 1 . Определяют расчетное сопротивление грунта: для чернозема r_расч = 2 * 10⁴ Ом*см,

2. Определяют сопротивление растеканию тока одиночного трубчатого вертикального заземлителя:

3. Ориентировочное число заземлителей (труб) без учёта коэффициента использования

4. По таблице определяют коэффициент использования для трубы .

5. Число труб в грунтовом заземлителе с учётом коэффициента использования

.

6. Уточняют коэффициент использования для 58 труб:

7. Сопротивление растеканию всех труб

.

8. Длина полосы связи, объединяющей трубы в один групповой заземлитель,

.

9. Определяют сопротивление растеканию тока одиночной полосы связи:

.

10. По таблице находят коэффициент использования полосы связи:

.

11. Сопротивление растеканию тока полосы связи, объединяющей все трубы, с учётом коэффициента использования полосы связи:

.

12. Общее сопротивление заземляющего устройства:

,

что удовлетворяет поставленному условию: 3,84<4 Ом.

Таким образом, в данном разделе проанализированы условия труда и сделана оценка опасных и вредных факторов, характерных для данного производства. На основе полученной информации разработаны мероприятия, которые способны обеспечить безопасность труда рабочих на данном производстве.

Заключение

В соответствии с утвержденным заданием на проектирование комплекса очистных сооружений сточных вод нефтеперерабатывающего завода разработан проект реконструкции сооружений биологической очистки ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез" производительностью 60000 м³ /сутки.

В качестве основного технологического решения предусматривается реконструкция имеющейся системы аэрации, путём замены устаревшего оборудования (фильтросных труб) новыми мембранными мелкопузырчатыми аэраторами.

Данное технологическое решение позволит повысить качество очищаемых стоков, в основном по такому показателю, как БПК_полн , снизить расход воздуха на аэрацию активного ила, а также приведёт к экономии электроэнергии.

В работе показана технико-экономическая целесообразность внедрения данного проекта. Срок окупаемости проекта составляет 3 года.

В разделе по охране труда и организации производства проанализированы опасные и вредные производственные факторы. Приведена инструкция по безопасному ведению работ, включающая условия допуска к работе ИТР и рабочих и требования к применению средств индивидуальной защиты работников.