Очистка сточных вод от нефтепродуктов

Нефтепродукты — одни из самых опасных загрязнителей сточных вод. Даже при совсем небольшой концентрации (менее 1 мг/л) вода уже не годится для питья. Источники загрязнения многочисленны: нефтеперерабатывающие заводы, машиностроительные предприятия, автохозяйства, автозаправочные станции, ливневые стоки с автомобильных дорог.

Нефтепродукты в составе сточных вод

В промышленных стоках нефтепродукты присутствуют в трех формах:

• Свободная (пленочная) — это крупные капли, которые быстро поднимаются на поверхность и образуют пленку. Такая форма преобладает при аварийных разливах и на начальных этапах очистки.
• Эмульсия — мелкодисперсные капли размером менее 100 мкм, равномерно распределенные в толще воды. Они появляются при интенсивном перемешивании, прохождении через насосное оборудование и использовании моющих средств. Эта форма наиболее сложна для удаления, и при интенсивном перемешивании ее концентрация может достигать 100 мг/л.
• Растворенная — нефтепродукты, перешедшие в молекулярное состояние. Встречается реже и требует специальных методов очистки (сорбция, биоокисление).

Состав и уровень загрязнения зависят от источника. На машиностроительных заводах и в автохозяйствах концентрация нефтепродуктов в сточных водах может превышать ПДК в сотни раз. На нефтеперерабатывающих заводах промышленные стоки содержат не только нефтепродукты, но также фенолы, сульфиды, ПАВ, соли тяжелых металлов. Ливневые стоки с дорог и АЗС содержат бензин, дизельное топливо, моторные масла.

Основные способы отделения нефти от воды

Методы очистки воды от нефтепродуктов делятся на механические, физико-химические и химические. На практике применяют их комбинацию, обычно трехступенчатую схему:

Отстойник → Флотатор → Сорбционный фильтр

Механические методы основаны на разнице в плотности воды и нефтепродуктов, а также на гравитационном осаждении взвешенных частиц. Этот этап позволяет удалить до 50–60% загрязнений.

К физико-химическим способам относится коагуляция, флотация, коалесценция и сорбция. Они позволяют удалить мелкодисперсные и эмульгированные нефтепродукты, доводя степень очистки до 90–98%.

Химические методы (нейтрализация, окисление) используются для обезвреживания токсичных компонентов, но редко применяются для удаления основной массы нефтепродуктов.

Химические методы удаления нефтяных загрязнений

Для удаления эмульгированных нефтепродуктов и мелкодисперсных взвесей применяют реагентную обработку.

Коагуляция заключается во введении в сточные воды солей алюминия (например, сульфат алюминия или оксихлорид алюминия) или железа (хлорное железо, железный купорос). Эти реагенты нарушают стабильность коллоидных систем, нейтрализуют электрические заряды частиц и вызывают их слипание в крупные хлопья (коагулы). Эффективность коагуляции зависит от уровня pH, температуры и начальной концентрации загрязнений.

Флокуляция — дополнение коагуляции. В сточную воду добавляют высокомолекулярные соединения (полиакриламид, активированную кремниевую кислоту), которые связывают коагулы в более крупные и плотные хлопья (флокулы). Это ускоряет осаждение и повышает эффективность очистки. Комбинация коагуляции и флокуляции позволяет удалить до 80–90% эмульгированных нефтепродуктов.

На станциях технического обслуживания показано, что алюминиевые квасцы эффективны при концентрации масел до 300 мг/л, а добавление бентонита позволяет очищать сточные воды с концентрацией загрязнений до 600 мг/л. Сульфат железа хорошо работает в диапазоне концентраций 300–600 мг/л, но требует корректировки уровня pH.

Чтобы отделить образовавшиеся хлопья от воды, используют флотационные установки. Сточные воды насыщают мельчайшими пузырьками воздуха, которые прикрепляются к частицам загрязнений и поднимают их на поверхность, где формируется слой пены (флотошлам). Для устойчивых эмульсий применяют электрофлотацию, когда пузырьки образуются при электролизе воды.

Фильтрация и сорбционная доочистка воды

Для достижения жестких нормативов сброса воды (например, в водоемы рыбохозяйственного назначения, где ПДК нефтепродуктов составляет 0,05 мг/л) после первичной механической и физико-химической очистки нужна дополнительная доочистка.

Фильтрация через зернистые материалы (кварцевый песок, керамзит или пенополистирол) удаляет оставшиеся взвешенные частицы и часть эмульгированных нефтепродуктов. Это промежуточный этап перед сорбционной доочисткой.

Сорбционная доочистка — завершающий этап, обеспечивающий наивысшую степень очистки. Вода проходит через слой сорбента (активированный уголь, шунгит, оксид алюминия), который благодаря своей пористой структуре улавливает мельчайшие капли нефтепродуктов и растворенные органические вещества.

Сорбционные фильтры используют как самостоятельные установки или в составе комплексных очистных систем. Они необходимы, когда после флотации остаточная концентрация нефтепродуктов превышает допустимые нормы.

Определение концентрации нефтепродуктов в воде

Чтобы подобрать оборудование для очистки воды от нефти и контролировать его работу, нужно знать начальную и конечную концентрацию нефтепродуктов в воде. Анализ проводят по утвержденным методикам в аккредитованных лабораториях. Основные способы:

• флуориметрический — ультрафиолетовое излучение вызывает свечение ароматических углеводородов, по интенсивности флуоресценции определяют концентрацию нефтепродуктов;
• гравиметрический — нефтепродукты извлекают с помощью растворителя, затем растворитель выпаривают и взвешивают сухой остаток. Метод применяется при высоких концентрациях нефтепродуктов;
• ИК-спектрофотометрия — измеряют поглощение инфракрасного излучения углеводородными связями. Это основной метод для контроля ПДК очищенных сточных вод;
• газовая хроматография — смесь углеводородов разделяют на отдельные компоненты и количественно определяют их содержание.

Пробы отбирают специальными пробоотборниками, которые позволяют взять воду с нужной глубины, не захватывая поверхностную пленку. Для оценки работы очистных сооружений пробы берут до и после каждой стадии очистки, а также на выходе из системы — в точке сброса. Отбирают их в соответствии с ГОСТ 31942-2012, который регулирует консервацию и транспортировку образцов.

Оборудование для очистки нефтесодержащих стоков

Очистные сооружения для обработки нефтесодержащих примесей строят по модульному принципу под конкретный состав стоков и требуемую степень очистки. Обычно это несколько последовательных ступеней.

Тонкослойные отстойники (нефтеловушки) — первая ступень. Удаляют свободные нефтепродукты и крупные взвеси. Эффективность их работы достигает 80–85%. Они выпускаются в горизонтальном или вертикальном исполнении и изготавливаются из стеклопластика, устойчивого к коррозии.

Флотаторы — основное оборудование для удаления эмульгированных нефтепродуктов. Напорные флотаторы (например, Flotomax-S) обеспечивают эффективность 90–98%. Для сложных стоков применяют электрофлотаторы.

Реагентное хозяйство — узлы приготовления и дозирования коагулянтов и флокулянтов. Они необходимы, когда сточные воды содержат стойкие эмульсии или нужно повысить эффективность флотации.

Сорбционные фильтры выполняют финишную доочистку. Они заполняются активированным углем или другими сорбентами, что позволяет снизить остаточные загрязнения до уровня 0,05–0,1 мг/л. Часто такие фильтры входят в состав комплексных установок, например, Векса-С для ливневых стоков).

Установки биологической доочистки (например, Argel BIO) применяются, если после физико-химической очистки остается растворенная органика. Биоокисление позволяет снизить ХПК и БПК до нормативных значений.

Подбор метода очистки под состав загрязнений

Чтобы выбрать схему очистки, перед началом проектирования оценивают:

• В каком виде нефтепродукты. Если они плавают на поверхности (свободные), достаточно механической очистки — отстойника или нефтемаслоуловителя. Если загрязнения мелкие, смешаны с водой (эмульгированные) или растворены, нужны более глубокие методы: флотация, сорбция;
• Какая концентрация и куда сливать воду. Для сброса в городскую канализацию нормативы мягче (обычно 5 мг/л). Если вода попадает в водоем, особенно рыбохозяйственный, нормы строже (0,05 мг/л). Чем жестче норматив, тем больше ступеней очистки нужно;
• Что еще есть в стоках, кроме нефти. Часто там бывают взвеси, моющие вещества (ПАВ), тяжелые металлы, кислоты. Это влияет на выбор реагентов и может потребовать дополнительных ступеней (нейтрализация, ионный обмен);
• Как равномерно поступают стоки. Если расход и состав меняются резко (например, на АЗС, СТО, ливневках), нужны усреднители и оборудование с запасом по производительности.

В итоге схему очистки собирают из нескольких ступеней, подбирая их под конкретные условия. Типовой вариант:

Механическое отделение → Физико-химическая обработка → Доочистка

Для сложных стоков (нефтепереработка, химические производства) добавляют реагенты и биологическую доочистку.

FAQ

• Как удалить нефтепродукты из воды?

Для удаления нефтепродуктов используют комбинацию методов: механическое отстаивание (нефтемаслоуловители), коалесценцию, флотацию, сорбцию. Выбор зависит от формы загрязнений (свободная, эмульгированная, растворенная) и требуемой степени очистки.

• Какие методы очистки считаются эффективными?

Наиболее эффективны физико-химические методы: флотация (удаляет до 90–98% эмульгированных нефтепродуктов) и сорбция на активированном угле (доочистка до 0,05–0,1 мг/л). Для свободных нефтепродуктов эффективны тонкослойные модули.

• Чем отличается механическая очистка от химической?

Механическая очистка использует физические процессы — гравитационное отстаивание, фильтрацию, коалесценцию. Химическая (реагентная) основана на добавлении коагулянтов и флокулянтов, которые вызывают слипание и осаждение загрязнений. На практике эти методы комбинируют.

• Как определяется концентрация нефтепродуктов?

Пробы отбирают специальными пробоотборниками с заданной глубины, исключая захват поверхностной пленки, в соответствии с ГОСТ 31942-2012. Для анализа используют флуориметрический, гравиметрический, ИК-спектрофотометрический и газохроматографический методы. Выбор метода зависит от требуемой точности и диапазона концентраций.

• Какое оборудование применяется для очистки?

Для механической очистки — тонкослойные отстойники-нефтеловушки, коалесцентные модули. Для физико-химической — флотаторы (напорные, электрофлотаторы), реагентное хозяйство, сорбционные фильтры. Для доочистки — установки биологической очистки.