Очистка нефтесодержащих сточных вод

3.6 Фильтры

      Метод фильтрования приобретает все большее  значение в связи с повышением требований к качеству очищенной  воды. Фильтрование применяют после  очистки сточных вод в отстойниках  или после биологической очистки. Процесс основан на прилипании грубодисперсных частиц нефти и нефтепродуктов к поверхности фильтрующего материала. Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные, зернистые или мембранные.

Фильтрование через различные сетки и ткани обычно применяют для удаления грубо дисперсных частиц. Более глубокую очистку нефтесодержащей воды можно осуществлять на каркасных фильтрах. Пленочные фильтры очищают воду на молекулярном уровне.

3.6.1 Микрофильтры

      Микрофильтры представляют собой фильтровальные аппараты, в качестве фильтрующего элемента использующие металлические сетки, ткани и полимерные материалы. Микрофильтры обычно выпускают в виде вращающихся барабанов, на которых неподвижно закреплены или прижаты к барабану фильтрующие материалы. Барабаны выпускают диаметром 1,5-3 м и устанавливают горизонтально. Очищаемая вода поступает внутрь барабана и фильтруется через фильтр наружу. Микрофильтры широко используют для осветления природных вод.

      В промышленности применяют микрофильтры различных конструкций. Процесс фильтрации происходит только за счет разности уровней воды внутри и снаружи барабана. Полотно сетки не закреплено, а лишь охватывает барабан в виде бесконечной ленты, натягиваемой с помощью натяжных роликов. Микросетки изготовляют из различных материалов: капрона, латуни, никеля, нержавеющей стали, фосфористой бронзы, нейлона и др.Характеристика задерживаемых частиц зависит от различных параметров (характеристики сточных вод и фильтра, гидродинамических параметров и др.)

3.6.2 Каркасные фильтры

      Фильтровальные  процессы на каркасных фильтрах можно  разделить на три большие группы:

–  фильтрование через пористые зернистые материалы, обладающие адгезионными свойствами (кварцевый  песок, керамзит, антрацит, пенополистирол, котельные и металлургические шлаки и др.);

–  фильтрование через волокнистые и эластичные материалы, обладающие сорбционными свойствами и высокой нефтеемкостью (нетканые синтетические материалы, пенополиуретан и др.);

–  фильтрование через пористые зернистые и волокнистые материалы для укрупнения эмульгированных частиц нефтепродуктов (коалесцирующие фильтры).

      Два первых метода близки по основным технологическим  принципам, лежащим в основе процесса изъятия нефтепродуктов из воды, и  отличаются нефтеемкостью, регенерацией фильтрующей загрузки и конструктивным оформлением. По мере насыщения загрузки нефтепродуктами их фронт перемещается в глубь слоя к его нижней границе, и концентрация нефтепродуктов в фильтрате возрастает. При этом фильтр отключается и производится регенерация загрузочного материала. Имеются конструкции фильтров с непрерывной регенерацией загрузки.

      Третий  метод принципиально отличается от рассмотренных. Период фильтроцикла, характерный для первых двух методов, завершает этап «зарядки» коалесцирующего фильтра. После этого пленка нефтепродуктов отрывается от поверхности фильтрующего слоя в виде капель с диаметром несколько миллиметров. Капли быстро всплывают и легко отделяются от воды.

До недавнего  времени в основном применяли  каркасные фильтры с засыпкой из пористых материалов.В качестве фильтрующего материала используют гравий, песок, дробленый антрацит, кварц, мрамор, керамическую крошку, хворост, древесный уголь, синтетические и полимерные материалы.

Фильтры разделяются  по скорости движения воды в них на фильтры с постоянной и переменной скоростью. При переменной скорости фильтрования (постоянной разности давления до и после фильтра) по мере увеличения объема фильтрата, т.е. продолжительности фильтрования, скорость фильтрования уменьшается. При постоянной скорости фильтрования разность давления до и после фильтра увеличивается. При фильтровании сточных вод через зернистые материалы протекают следующие процессы:

–  отложение  взвешенных веществ в виде тонкого  слоя на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование);

–  отложение  взвешенных веществ в порах фильтрующего слоя;

–  отложение  взвешенных веществ на поверхности  фильтрующего слоя и в его порах.

     Под действием сил прилипания взвешенные вещества закрепляются на зернистом  материале. В нефтяной и нефтехимической промышленности обычно применяют фильтры с зернистой загрузкой, которые по скорости фильтрования делятся на медленные, скорые и сверхскоростные. Зернистую загрузку размещают в определенном порядке и во избежание выноса ее из фильтра применяют специальные дренажные системы и поддерживающие слои.

Таблица 3. Характеристика некоторых фильтрующих материалов

      Скорость  фильтрации и качество очистки зависят от характера загрузки. Использование крупного фильтрующего материала приводит к увеличению пропускной способности фильтра и снижению качества фильтрата. Мелкий фильтрующий материал улучшает качество фильтрата, но снижает скорость движения воды в фильтре и продолжительность работы фильтра, а также вызывает перерасход промывочной воды.

      К конструкциям зернистых фильтров предъявляются  следующие основные требования:

– фильтрация должна идти в направлении убывающей  крупности загрузки с целью предотвращения образования малопроницаемых и трудноразрушаемых при промывке пленок осадка на поверхности загрузки;

– необходима интенсивная  промывка загрузки, обеспечивающая максимальное удаление загрязняющих веществ из загрузки;

– фильтры должны обладать малой чувствительностью к колебаниям качества воды и расхода;

– фильтрующих  материал должен обладать высокой прочностью и химической стойкостью, а также  минимальной стоимостью при прочих равных физико-химических свойствах. Открытые фильтры применяют одно-, двух- и многослойные.

3.6.3 Открытые фильтры

      Открытый  фильтр представляет собой обычно прямоугольный (в плане) резервуар, загруженный  фильтрующим слоем зернистого материала  и поддерживающими слоями, под  которыми размещена дренажная система, предназначенная для отвода фильтрованной воды и равномерного распределения промывочной воды. В верхней части фильтра укреплены желоба для подачи чистой и отвода грязной воды. Фильтр снабжен регуляторами расхода воды, расходомерами и другим оборудованием. Высота слоя воды над загрузкой фильтра обычно составляет 2 м. В нижней части фильтра (при направлении фильтрации сверху вниз) расположены трубы для отвода очищенной воды.

      Регенерацию загрузки осуществляют горячей водой  с интенсивностью 6-8 л/(м^2.с). Промывочную воду выпускают на очистные сооружения. Сроки промывки определяются качеством фильтрата. Если невозможно промыть загрузку фильтра, ее необходимо заменить новой. Старую загрузку регенерируют (прокаливают), промывают и просеивают, после чего ее снова можно применять.

      Вода, прошедшая через фильтр, должна быть прозрачной, а концентрация нефтепродуктов в ней не должна превышать 10-15 мг/л.

3.6.4 Фильтры с плавающей загрузкой

      С появлением новых фильтрующих материалов изменяется и технология фильтрационной очистки воды от нефтепродуктов. Перспективным является использование плавающих загрузок из различных полимерных материалов, обладающих достаточной механической прочностью, химической стойкостью, высокой пористостью и необходимыми поверхностными свойствами. К числу таких материалов относится полистирол различных марок, в том числе и пенополистирол.

      Принципиально механизм процесса задержания нефтепродуктов фильтрами с плавающей гранулированной  загрузкой не отличается от механизма  фильтрования эмульсий через песчаные фильтры.Разработаны различные аппараты для вспенивания полистирола с помощью горячей воды, пара, горячего воздуха. В основном фильтры с плавающей полистирольной загрузкой рекомендуются для очистки природных и доочистки сточных вод. Однако в связи с высокой адгезионной способностью по отношению к нефтепродуктам их применяют и для разделения водонефтяных эмульсий. Плавающая загрузка позволяет значительно увеличить скорость фильтрования, снизить начальное содержание примесей и упростить регенерацию фильтра.

3.6.5 Фильтры с эластичной загрузкой

      Для очистки нефтесодержащих сточных  вод разработана новая технология с использованием эластичных полимерных материалов, в частности, эластичного  пенополиуретана. Этот материал имеет  открытоячеистую структуру со средним  размером пор 0,8-1,2 мм и кажущуюся плотность 25-60 кг/м³. Эластичный пенополиуретан характеризуется высокой пористостью, механической прочностью, химической стойкостью, гидрофобными свойствами, что обеспечивает значительную поглощающую способность по нефтепродуктам.

      Технология  работы фильтров следующая. Сточная  вода по трубопроводу поступает в  емкость фильтра, заполненную измельченным пенополиуретаном размером 15-20 мм. Пройдя через слой загрузки, сточные воды освобождаются от нефтепродуктов и  механических примесей и через сетчатое днище отводятся по трубопроводу из установки. В процессе фильтрования загрузка насыщается нефтепродуктами и периодически цепным ковшовым элеватором подается на отжимные барабаны для регенерации. Отрегенерированная загрузка вновь поступает в емкость фильтра, а отжатые загрязнения по сборному желобу отводятся в разделочную емкость.Такие фильтры целесообразно применять после предварительной очистки стоков в песколовках и нефтеловушках. Очищенную воду можно использовать в техническом водоснабжении промышленных предприятий.Общим недостатком всех рассмотренных фильтров (кроме пенополиуретановых) является то, что в результате их регенерации образуются высокоэмульгированные и весьма стойкие эмульсии, существенно затрудняющие утилизацию выделенных нефтепродуктов.   

3.7 Мембранный метод

      Исследование  процессов разделения с использованием молекулярных сит позволило выделить мембранный метод, как наиболее перспективный  для тонкой очистки. Этот метод, характеризуется  высокой четкостью разделения смесей веществ. Полупроницаемая мембрана - перегородка, обладающая свойством пропускать преимущественно определенные компоненты жидких или газообразных смесей. Широко мембранный метод используют для обработки воды и водных растворов, очистки сточных вод, очистки и концентрации растворов.