Тема 8. Технология обработки льяльной и сточной воды

8.1 Показатели качества льяльной воды согласно МАРПОЛ 73/78

Основным видом нефтесодержащей смеси машинных отделений всех судов работающих на жидком топливе являются нефтесодержащие воды.

Нефтесодержащие воды – особый вид отходов, образующийся в процессе эксплуатации судовых механизмов. Количество нефтесодержащих вод, в основном зависит от технического состояния оборудования, соблюдения правил технической эксплуатации, а их среднесуточное накопление в основном определяется мощностью главного двигателя.

Концентрация нефтепродуктов в нефтесодержащих водах колеблется в широком диапазоне от долей процента до 100 % их содержания.

В особых районах разрешается сброс за борт нефтесодержащих вод только при одновременном соблюдении следующих условий:

а) для судов вместимостью 400 рег. тонн и более, а также из льял машинно-котельных отделений танкеров:

- судно за 12 – мильной зоной, в движении;

- содержание нефти в сбросе менее 15 мг/л;

- на судне в действии фильтрующее оборудование;

-прибор контроля нефтесодержания на сбросе (сигнализатор с автоматическим, прекращающим сброс устройством) автоматическое запорное устройство, обеспечивающее прекращение сброса при превышении 15 мг/л.

б) вне особого района запрещается сброс в море нефтесодержащего балласта, нефтесодержащей смеси за исключением случаев, когда одновременно соблюдаются следующие условия:

для танкеров – танкер на расстоянии не менее 50 миль от берега, на ходу, мгновенная интенсивность сброса балласта не превышает 30 литров нефти на милю хода, общее количество сброшенного не превышает 1/30000 общего количества груза, на судне действует САЗРИУС (система автоматического замера регистрации и управления сбросом), отстойный танк и прибор контроля раздела сред «нефть-вода».

Для судов вместимостью 400 рег. тонн и больше, а также из льял машинно-котельных отделений танкеров:

- судно за 12 – мильной зоной, на ходу, наличие фильтрующего оборудования, содержание нефти в сбросе менее 15 мг/л, под контролем сигнализации с автоматическим управлением контроля сброса;

- льяльные воды МКО не смешаны с льяльными водами грузового насосного отделения;

- льяльные воды не смешиваются с остатками нефтяного груза.

8.2 Технология очистки льяльных вод

Технология очистки нефтесодержащих вод определяется требованиями, предъявляемыми к глубине очистки. Для достижения глубины очистки применяют различные технологические схемы, включающие разные способы очистки.

Методы очистки нефтесодержащих вод могут быть классифицированы по различным признакам, однако все они основаны на трёх: физический, химический и биологический.

Физический – гравитационное отстаивание. Наиболее простым способом очистки воды от содержащихся в ней нефтепродуктов является гравитационное отстаивание. Сущность метода заключается в разделении нефти и воды, основанном на разности их плотности. Механизм разрушения эмульсии можно разбить на три стадии:

- столкновение глобул нефтепродуктов, слияние их в более крупные капли, выделение в виде сплошной фазы. Скорость всплытия капли нефти V_н, м/с пропорциональна разности плотности воды и нефти, диаметру капель нефти, температуре подогрева и выражается следующей формулой:

(8.2.1)

где – плотность соответственно воды и нефтепродукта, г/см³;

– средний диаметр капелек нефтепродуктов, м;

d –ускорение свободного падения, м²/с;

x – безразмерный коэффициент сопротивления, принимается равным единице, поскольку с достаточной для практике точностью можно считать форму движущихся капелек нефти шарообразной.

Подогрев нефтеводяной смеси способствует разделению эмульсии за счёт интенсификации движения капелек нефти и их укрупнения путём слияния, а также возрастания разности плотностей воды и нефти. Последнее объясняется тем, что при подогреве плотность воды почти не изменяется, тогда как у нефтепродуктов уменьшается значительно. Оптимальная температура подогрева нефтеводяной смеси составляет 30-45 ⁰С.

Гравитационный метод эффективен для удаления основной массы нефти из смеси. Этот метод позволяет извлекать из нефтесодержащих вод практически все грубодисперсные частицы нефтепродуктов и очищать воду до концентрации в ней нефтепродуктов около 100 мг/л.

Поэтому, в большинстве установок для очистки нефтесодержащих вод в качестве первой ступени очистки используются сепараторы, работающие по принципу гравитационного разделения сред, при этом наиболее эффективным являются тонкослойные отстойники.

Коалесценция

В качестве второй ступени очистки нефтесодержащих вод в судовых установках чаще всего применяют коалесцирующие элементы. При отсутствии в нефтесодержащих водах нефтяных эмульсий коалесцирующими элементами можно очистить нефтесодержащие воды до значений менее 15 мг/л. Это достигается за счёт укрупнения частиц нефтепродуктов при прохождении нефтесодержащих вод через коалесцирующие элементы. Механизм процесса заключается в том, что частицы нефтепродуктов при контакте с поверхностью коалесцирующего элемента закрепляются на ней и увеличиваются в размерах, соединяясь с другими, таким же образом задержанными частицами. Частицы растут до тех пор, пока сила всплытия не оторвёт частицу от поверхности коалесцирующего элемента и не поднимет её на поверхность воды.

Наполнителями коалесцирующих элементов могут служить:

- твёрдые материалы (песок, полистирол);

- эластичные с открытыми порами (полиуретановая губка, поролон);

- волокнистые (полипропиленовые волокна).

Основными эксплуатационными характеристиками коалесцирующих элементов являются ресурс и возможность регенерации.

Флотация

В некоторых типах судовых установок для очистки нефтесодержащих вод используется флотация, основанная на извлечении из нефтесодержащих вод частиц нефтепродуктов пузырьками воздуха, всплывающими на поверхность. Эффективность флотации зависит в основном, от вероятности столкновений извлекаемых частиц с пузырьками воздуха и величины силы адгезии (прочности прилипания частиц) действующей к поверхности пузырьков. В свою очередь, эти факторы во многом зависят от способа введения воздуха в воду. По этому признаку различают пневматическую, напорную, механическую и электрохимическую флотации.

Пневматическая флотация

В пневматической флотационной установке пузырьки воздуха образуются за счёт подачи сжатого воздуха в перфорированные трубы, уложенные вдоль дна ёмкости. Данная схема применяется в большинстве плавучих очистных станций.

Напорная флотация

Сущность напорной флотации заключается в том, что на первом этапе создают перенасыщенный воздухом раствор нефтесодержащих вод, помещая затем его в ёмкость, в которой поддерживается повышенное давление. Далее вода поступает во флотатор, в котором давление обычно равно атмосферному. При снижении давления из воды выделяется растворенный в ней воздух в виде мелких пузырьков, которые выносят частицы нефтепродуктов на поверхность. Преимущество напорной флотации перед пневматической заключается в том, что частицы нефтепродуктов прикрепляются к пузырькам не только за счёт их столкновения, но и за счёт выделения пузырьков из раствора непосредственно на извлекаемых частиц их нефтепродуктов. Кроме того, при напорной флотации образуются пузырьки меньшего размера по сравнению с пневматической, а это означает, что суммарная площадь их поверхности больше и вероятность столкновения с извлекаемыми частицами нефтепродуктов выше.

Адсорбция

Для глубокой очистки воды от нефтепродуктов, в том числе находящихся в эмульгированном состоянии, применяют адсорбцию. Процесс очистки адсорбцией основан на поглощении дисперсных частиц поверхностью адсорбционного материала. Сила, с которой удерживается извлеченное из воды вещество на поверхности адсорбента, определяется разностью двух сил межмолекулярного взаимодействия молекул извлекаемого вещества с молекулами адсорбента, а также молекул извлекаемого вещества с молекулами воды.Чем сильнее связь молекул извлекаемого вещества с молекулами воды, тем слабее адсорбируется вещество из раствора.

Распространение получили адсорбционные фильтры. В качестве адсорбентов (наполнителей) применяют различные пористые материалы: зола, кокс, активированный уголь, синтетические материалы и др.

По мере загрязнения адсорбента он подлежит замене, в противном случае качество очистки снижается. Основным условием для достижения наилучших результатов при использовании адсорбционных фильтров является предварительная очистка нефтесодержащих вод от крупных частиц нефти. Адсорбционные фильтры применяются в качестве последней ступени очистки.

8.2.2. Химический

Электрохимическая очистка

Основными способами электрохимической очистки нефтесодержащих вод являются электрохимическая коагуляция и электрохимическая флотация. В электрокоагуляторе, в результате пропускания постоянного тока через очищаемую воду, происходит растворение анода и гидролиз перешедших в раствор ионов металла. Образовавшиеся при этом частицы гидроокиси металла обладают повышенной активностью и адсорбционной способностью, обеспечивая тем самым коагуляцию (укрупнение) частиц нефтепродуктов. Затем, в блоке электрофлотатора, за счёт пузырьков газа, образующихся на поверхности нерастворимых катодов, укрупненные частицы нефтепродуктов поднимаются на поверхность.

Озонирование

Озонирование представляет собой химический способ глубокой очистки нефтесодержащих вод, его используют для удаления из воды эмульгированных и растворенных нефтепродуктов. При озонировании происходит одновременно обеззараживание и обесцвечивание воды, а также её насыщение кислородом.

8.2.3. Биологический

Сущность биологической очистки нефтесодержащих вод заключается в том, что в ёмкостях определенной формы и размеров создаётся искусственная среда в которой поддерживается такая концентрация микроорганизмов, при которой они способны за минимально возможное время обработать определенные объёмы нефтепродуктов. Биологический метод основан на способности микроорганизмов в процессе жизнедеятельности, использовать нефтепродукты. Биологическая очистка нефтесодержащих вод осуществляется при насыщении воды кислородом воздуха, а концентрация нефтепродуктов в исходной воде недолжна, превышать 100 мг/л. Нефтепродукты окисляют определённый набор микроорганизмов, адаптированных к нефтесодержащим водам. При помощи ферментов, вырабатываемых микроорганизмами, нефтепродукты разлагаются и проникают в клетки бактерий, обеспечивая их жизнедеятельность. Отличительной особенностью установок, использующих биологический метод очистки, является способность перерабатывать нефтепродукты, находящиеся в виде эмульсии.

К недостаткам этих установок следует отнести жесткие ограничения, связанные с условиями поддержания жизнедеятельности микроорганнизмов и довольно длительный период ввода их в действие.

8.3 Судовые установки очистки нефтесодержащих вод.

Суда мирового флота укомплектованы разнообразными конструкциями оборудования для очистки нефтесодержащих вод.

Сепаратор на 15млн^-1 любая комбинация из сепаратора, фильтра или коалисцера, а так же установка, спроектированная для сброса стока с содержанием нефти не более 15млн^-1. Любое судно валовой вместимостью 400 и более должно быть оснащено сепаратором льяльных вод на 15мм^-1.

Оборудование для фильтрации нефти должно иметь одобренную конструкцию в соответствии с положением применимых резолюций ИМО (А.393(Х), МЕРС.60(33), МЕРС.107(49)) и обеспечивать такую фильтрующую способность, чтобы после прохождения через это оборудование любой нефтесодержащей смеси, сбрасываемой в море, содержание нефти в ней не превышало 15млн^-1.

Сепаратор нефтесодержащих вод «Фрам».

Принципиальная схема установки «ФРАМ» (Голландия) показана на рис. 8.3.1

Рисунок 8.3.1 – Схема установки «ФРАМ»

В схему включен отстойный сепаратор 4, два коалесцирующих фильтра патронного типа 1 и 6 и насос 9. Устанвока работает в напорном режиме (насос установлен перед первой ступенью очистки).

При включении установки в работу нефтесодержащие воды из судовой сборной цистерны подается в первый коалесцирующий фильтр 1. В этом фильтре льяльные частицы нефтепродуктов укрупняются, что способствует их лучшему отделению при последующем отстое. Степень загрязненности вставок определяется по перепаду давления, которое измеряется дифманометрами 7. Из первого коалесцирующего фильтра очищаемая вода поступает в отстойный сепаратор 4. В отстойнике расположен блок наклонных пластин 8, образующих тонкослойный отстойник, между которыми направляется поток воды. Отделенные от воды нефтепродукты поднимаются вдоль пластин вверх и собираются в коллекторе 5. Из него они направляются в верхнюю часть сепаратора.

Уровень накапливаемых нефтепродуктов контролируются поплавковым устройствам 3 с пневмоприводом. При накоплении определенного количества нефтепродуктов, соленоидный клапан 2 автоматически открывается и, через трубопровод сброса, нефтепродукты сбрасываются в шламовую цистерну. В отстойном сепараторе отделяются грубодисперсные и пленочные нефтепродукты. Рис. 8.3.1

Последней ступенью очистки в установке «ФРАМ» является коалесцирующий фильтр 6, в котором предусмотрен ручной сброс накопившихся в нем нефтепродуктов. Система управления установки обеспечивает автоматический сброс накопленных в сепараторе нефтепродуктов, а также прекращения сброса очищенной воды за борт, если концентрация нефтепродуктов в очищенной воде превысит допустимое значение 15^-1 мг/л.

Преимуществом установки «Фрам» перед другими установками, в которых сочетается два способа «очистка-отстаивание» и коалесценция, является применением коалесцирующего устройства перед отстойным сепаратором. Это позволяет более эффективно осуществлять процесс отстаивания за счет предварительного укрупнения мелких частиц нефтепродуктов в коалесцирующем устройстве. Однако, в эксплуатации это приводит к ускоренному загрязнению коалесцирующего патрона и необходимости его замены. Наличие механических примесей в судовых нефтесодержащих водах также приводит к снижению его ресурса.