В статье приведены результаты химического анализа ливневых вод миллионного города. Показано, что кроме взвешенных веществ и нефтепродуктов ливневые воды содержат высокие концентрации тяжелых металлов и бенз(а)пирена.
Ливневые воды неканализованных автономных объектов (АЗС, станции техобслуживания и др) могут быть очищены до ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения сооружениями механического и физико-химического типа, включающими отстойник, гидроциклон, зернистый и сорбционный фильтры.
Ливневые воды селитебных территорий могут быть очищены биологическими сооружениями, дополненными нефтеловушкой, отстойником геохимическим барьером и сорбционным фильтром.
В технологии очистки вод применено инновационное техническое решение, такое как электрохимический сорбционный фильтр, эффективность работы которого увеличена за счет генерации электрического тока в теле фильтра.
Поверхностные сточные воды содержат массу токсичных химических веществ неорганического и органического происхождения, а также патогенных микроорганизмов, оказывающих губительное влияние на флору и фауну водных объектов, превращая их в непригодные для рыбохозяйственного, питьевого и культурно-бытового водопользования. Особенности состава и количественных характеристик поверхностных сточных вод обусловлены влиянием целого ряда факторов: географическим расположением местности, интенсивностью и продолжительностью выпадения атмосферных осадков по сезонам года, родом поверхностных покровов, санитарным состоянием бассейна водосбора, преимущественным направлением ветров, наличием поблизости промышленных зон и автомагистралей, транспортными нагрузками, степенью благоустройства населенного пункта, плотностью застройки, качеством применяемого на транспорте топлива, степенью использования атмосферных вод для подпитки оборотных систем водоснабжения промышленными предприятиями.
В любом населенном пункте есть автозаправочные станции, автостоянки, станции техобслуживания, автомойки, автохозяйства и другие неканализованные объекты, ливневые воды которых относятся к чрезвычайно загрязненным стокам, а хозбытовые сточные воды требуют накопления и вывоза на ближайшие очистные сооружения. Задача очистки ливневых и хозбытовых сточных вод может быть решена с помощью несложного сооружения, схема которого представлена на рисунке 1[1].
Рисунок 1. Технологическая схема очистки ливневых и хозбытовых сточных вод
1 – накопитель-усреднитель; 2 – насос; 3 – трёхпродуктовый гидроциклон; 4 – фильтр с полимерной загрузкой; 5 – электрохимический фильтр; 6 – сорбционный фильтр; 7 – гидрофобный фильтр; 8 – накопитель нефтепродуктов; 9 – иловая площадка; 10 – септик – перегниватель; 11 – отстойник; 12 – фильтрующие траншеи; 13 – система вентиляции; 14 – реагентное хозяйство; 15 – промывной насос.
Очистка ливневых и хозбытовых сточных производится следующим образом:
Ливневые и талые воды(нефтесодержащие воды) по системе ливневой канализации поступают в накопитель-усреднитель 1, в котором происходит предварительное осаждение взвешенных веществ и накопление в поверхностном слое нефтепродуктов. Насосом 2 нефтесодержащие воды прокачиваются через напорный трехпродуктовый гидроциклон 3, фильтр с полимерной загрузкой 4, электрохимический фильтр 5 и сорбционный фильтр 6. В напорном трехпродуктовом гидроциклоне 3 происходит концентрирование нефтепродуктов вблизи оси, отвод концентрата в верхней части аппарата, обезвоживание на гидрофобном фильтре 7, накопление нефтепродуктов в емкости 8. Осадок, накопленный в нижней конусной части гидроциклона 3,отводят для обезвоживания на иловые площадки 9. В фильтре, загруженном пенополиуретаном 4, происходит извлечение остаточных эмульгированных нефтепродуктов, так как пенополиуретан обладает высоким значением краевого угла смачивания порядка 150°, вследствие чего капли нефтепродуктов закрепляются на его поверхности.
Далее вода подаётся в электрохимический фильтр 5 [2] в направлении сверху вниз сквозь три слоя гранулированных разнородных материалов, разделенных сетками для того, чтобы не было перемешивания слоев при обратной промывке. Верхний слой представляет собой смесь гранул алюминия и железа в соотношении 30:70% ….70:30%. Средний слой представляет собой минеральный зернистый фильтрующий материал, например, кварцевый песок, карбонаты, горелые породы. Нижний слой представляет собой углеродсодержащий электропроводный материал, например, активированный уголь марки ДАК, БАУ, СКД, АГ-2, АГ-3, F300, F-400 и продукты переработки тяжелых нефтяных остатков в виде электропроводных микросфер. При пропускании воды сверху вниз в теле электрохимического фильтра образуется электрохимический источник тока, одним из электродов которого является металл, другим – углеродсодержащий материал. Электроды разделены диэлектрическим материалом. Под действием тока электрохимического источника растворяется металлический алюминиево-железный электрод. В воду вводятся ионы металлов, которые при пропускании в средний слой диэлектрического зернистого фильтрующего минерала гидролизуются, образуя коагулянт. За счет контактной коагуляции происходит извлечение из воды остаточных загрязнителей (нефтепродуктов и взвешенных веществ). Далее вода фильтруется в нижнем слое. Углеродсодержащий положительный электрод, обладая сорбционными свойствами, частично извлекает из воды растворенные компоненты нефтепродуктов. Соотношение высот трех слоев сверху вниз равно: 1:(7…10):(10…2). Окончательная очистка воды происходит в сорбционном фильтре 6, после которого содержание нефтепродуктов гарантировано снижается до ПДК, равного 0,05 мг/л.
Хозбытовые сточные воды очищаются последовательно в септике-перегниватели 10 в течение 3 суток, отстойнике 11, в который подается обеззараживающий реагент посредством системы 14. Далее вода поступает в перфорированные трубы фильтрующих траншей 12, в которых происходит биологическая доочистка стоков. Стоки в фильтрующие траншеи подаются в пульсирующем режиме с помощью сифона. Воздух поступает через вентиляционную систему 13. Перегородки в септике-перегнивателе 10 и отстойнике 11 предотвращают попадание тяжелых и легких загрязняющих веществ в фильтрующие траншеи 12. С целью уменьшения количества сооружений промывка фильтров 4 и 5 осуществляется насосом 15 очищенной хозбытовой водой из отстойника 11. Осадок из отстойника 11 подают на иловые площадки 9.
Проводили очистку ливневой воды с территории АЗС по описанному выше способу. Исходное содержание нефтепродуктов составляло 120 мг\л. Изменяли соотношение гранулированных металлов в электрохимическом фильтре.
Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Содержание нефтепродуктов на выходе электрохимического фильтра в зависимости от соотношения масс гранулированных металлов
| Масса алюминия % | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| Масса железа % | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 |
| Концентрация нефтепродуктов на выходе фильтра, мг/л | 0,9 | 0,5 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 1,0 |
Из таблицы 1 следует, что оптимальным значением является отношение масс аммония и железа в интервале 30:70 – 70:30.
Результаты опытно-промышленных испытаний очистных сооружений на ливневой воде с территории АЗС приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Эффект очистки ливневых вод по ступеням очистных сооружений
| Точка отбора проб | Концентрация загрязнений, мг/л | ||
| Взвешенные вещества | Нефтепродукты | ХПК | |
| Исходная | 1590-1885 | 86-144 | 132-193 |
| Отстойник | 480-570 | 40-72 | 65-97 |
| Гидроциклон | 96-114 | 8-14 | 13-19 |
| Электрохимический фильтр | 4,2-5,3 | 0,16-0,20 | 5-7 |
| Сорбционный фильтр | 1,8-2,6 | 0,03-0,04 | 4-5 |
Из приведенных результатов следует, что качество очищенных вод соответствует ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения.
Очищенная ливневая вода может использоваться как поливомоечная либо для подпитки оборотных систем водоснабжения любого предприятия, в том числе автомоек. Избыточная вода подаётся в поглощающие фильтрующие траншеи.
Для населенных пунктов, особенно крупных, задача отведения и очистки ливневых вод решается сложнее. Для отведения ливневых вод населенный пункт целесообразно разделить на отдельные водосборные площади, в переделах которых система ливневой канализации может быть самотечной, а очистные сооружения могут иметь реальные размеры. К очистным сооружениям должны быть предъявлены не только требования достижения ПДК по всем показателям, но и минимальный объем работ по обслуживанию. Этим требованиям могут отвечать только биологические сооружения, функциональные возможности которых необходимо расширить устройствами физико-химической очистки.
Очистные сооружения ливневой канализации селитибных территорий, как правило, проектируются для извлечения из воды взвешенных веществ и нефтепродуктов. Очевидно, что автомобильный транспорт должен внести определенный вклад в состав ливневых стоков, вследствие чего необходимо уточнить перечень загрязняющих веществ. С этой целью был проведен отбор проб ливневых вод во всех районах города Уфы. Концентрация загрязняющих веществ, годовой объем ливневых вод и расчетная плата за сброс загрязняющих веществ в водные объекты приведены в таблице 3 и 4.
Таблица 3 – Концентрация и масса загрязняющих веществ в ливневых водах г. Уфы
| Район города | Ленинский | Октябрьский | Кировский | Демский | Советский | Орджоникидзевский | Калининский | |||||||
| Расход ливневых вод, м3 /год | 4,96х106 | 9,53х106 | 9,23х106 | 3,95х106 | 1,13х106 | 10,22х106 | 13,68х106 | |||||||
| Загрязняющее вещество | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год | Концентрация, мг/л | Масса, т/год |
| Нефтепродукты | 55,90 | 277,3 | 5,2 | 49,6 | 15,8 | 145,8 | 2,0 | 7,9 | 7,2 | 8,14 | 4,7 | 48,0 | 6,6 | 90,3 |
| Fe | 7,98 | 39,6 | 5,10 | 48,6 | 4,80 | 44,3 | 1,80 | 7,11 | 3,60 | 4,07 | 1,60 | 16,35 | 3,30 | 45,14 |
| Cu | 0,18 | 0,89 | 0,13 | 1,24 | 0,09 | 0,83 | 0,06 | 0,24 | 0,10 | 0,11 | 0,07 | 0,71 | 0,24 | 3,28 |
| Zn | 0,97 | 4,81 | 0,82 | 7,81 | 0,58 | 5,35 | 0,20 | 0,79 | 0,49 | 0,55 | 0,18 | 1,84 | 0,40 | 5,47 |
| Ni | 0,16 | 0,79 | 0,13 | 1,24 | 0,17 | 1,57 | 0,11 | 0,43 | 0,12 | 0,13 | 0,07 | 0,71 | 0,17 | 2,33 |
| Mn | 2,37 | 11,75 | 1,29 | 12,3 | 2,18 | 20,1 | 0,85 | 3,36 | 1,60 | 1,81 | 0,58 | 5,93 | 1,70 | 23,26 |
| Аммоний | 1,50 | 7,44 | отсутствие | отсутствие | 1,50 | 13,8 | 5,10 | 20,1 | 1,00 | 1,13 | 3,00 | 30,66 | 2,60 | 35,57 |
| Бенз(а) пирен | 24х10-6 | 119х10-6 | 24х10-6 | 228х10-6 | 14х10-6 | 129х10-6 | 13х10-6 | 51х10-6 | 11х10-6 | 12х10-6 | 14х10-6 | 143х10-6 | 33х10-6 | 451х10-6 |
Из приведенных в таблице результатов анализа проб ливневых вод следует неожиданный вывод о том, что на первом месте по загрязненности оказался административный Ленинский район, а за ним следуют промышленные Калининский и Орджоникидзевский районы.
Таблица 4 – Расчетная плата за ненормативное качество ливневых вод в г. Уфе, сбрасываемых в водные объекты
| Загрязняющее вещество | Сумма масс, т/год | Ставка платы за 1 т в пределах лимитов, руб. | Плата за сброс, млн. руб/год. |
| Нефтепродукты | 627,0 | 30856 | 19,35 |
| Fe | 205,2 | 308538 | 63,25 |
| Cu | 7,3 | 1542694 | 11,26 |
| Zn | 26,6 | 154269 | 4,10 |
| Ni | 7,2 | 154269 | 1,11 |
| Mn | 78,5 | 154269 | 12,11 |
| Аммоний | 108,7 | 30856 | 3,35 |
| Бенз(а)пирен | 1133х10-6 | 154269310 | 0,17 |
| Итого: |
|
| 114,7 |
Из результатов таблицы следуют два вывода. Во-первых, приоритетными загрязняющими вещества оказались тяжелые металлы. Плата за сброс тяжелых металлов в 4,7 раза больше, чем за нефтепродукты. Во-вторых, существенный вклад в загрязнение водных объектов вносит бенза(а)пирен, который является приоритетным загрязняющим веществом в источниках водоснабжения и определяет возможность обеззараживания питьевых вод хлорированием в технологии водоподготовки.
Нами предлагается строительство комплексных биологических сооружений для очистки ливневых и талых вод [3]. Технологическая схема представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Сооружения для очистки ливневых и талых вод
1 – подводящий лоток; 2 – решетки; 3 – коалесцирующий фильтр; 4 – водоем с приямком; 5 – водоем с геохимическим барьером; 6 – водоем с высшей водной растительностью; 7 – сорбционный фильтр; 8 – отводящий лоток; 9 – скиммер; 10 – накопитель нефтепродуктов; 11 – геохимический барьер; 12 – водозаборное устройство; 13 – насос; 14 – промывное устройство; 15 – дренажная система; 16 – иловые площадки; 17 – дренажный насос; 18 – алюминиевая сетка; 19 – медная сетка.
Сооружения работают следующим образом:
Ливневая нефтесодержащая вода подается с помощью лотка 1 на механические сороудерживающие решетки 2, а затем коалесцирующий фильтр 3, загруженный гранулами полистирола. В коалесцирующем фильтре происходит укрупнение мелких капель нефти с целью их дальнейшего извлечения в водоеме.
Далее вода поступает в водоем с приямком 4, в котором происходит осаждение твердых взвешенных веществ и всплытие капель нефтепродуктов. В водоеме происходит очистка воды природными механизмами самоочищения с помощью микроорганизмов. Нефтепродукты с поверхности удаляются скиммером 9, из которого подаются в накопитель 10.
Предварительно очищенная вода, содержащая, как правило, ионы тяжелых металлов, подается самотеком через водослив в водоем 5 с геохимическим барьером . Геохимический барьер 11 представляет собой зернистый фильтр, загруженный гранулированной карбонатной породой – CaCO3.
Карбонатная порода за счет подщелачивания воды способствует образованию гидроксидов металлов и их извлечению из воды при фильтровании. Излив через кромку водослива способствует обогащению воды кислородом, что способствует дальнейшей очистке воды биологическими сооружениями, а также способствует окислению металлов с повышением их валентности, что ускоряет процесс гидролиза металлов и осаждения гидроксидов при фильтровании.
Далее вода проходит доочистку в водоеме с высшей водной растительностью 6. В качестве растительности используется хаотично расположенные камыш для активного поглощения фенола, марганца, цинка, меди, рогоз широкополистный для поглощения нефтепродуктов, тростник и элодея для связывания биогенов.
Доочистка воды от органических растворенных веществ, в том числе от нефтепродуктов до ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения, происходит в сорбционном фильтре 7, загруженном активированным углем АГ-3.
Для увеличения эффекта очистки воды в теле фильтра расположен электрохимический источник тока. Электрохимический источник тока образован за счет горизонтального размещения алюминиевой и медной сеток внутри активированного угля. Создаваемое при этом электрической поле поляризует гранулы активированного угля, что увеличивает сорбционную активность угля.
Регенерация геохимического барьера 11осуществляется обратной промывкой. Вода забирается устройством 12 из водоема промывным насосом 13, подается под давлением в промывное устройство 14. Фильтрующий материал геохимического барьера промывается обратным током воды, а промывная вода поступает в отстойную зону водоема 5. Взвешенные вещества осаждаются, поступают в приямок с дренажной системой 15, с помощью которой осадок удаляется под гидростатическим давлением на иловые площадки 16. Вода, отделившаяся на иловых площадках 16, дренажными насосами перекачивается «в голову» сооружений после решеток.
Эффект очистки ливневых вод по ступеням очистки приведен в таблице 5.
Таблица 5 – Эффект очистки ливневых вод биологическими сооружениями
|
|
| Концентрация, мг\л |
| ||
| Загрязняющее вещество | Исходная | Выход отстойника | Выход геохимического барьера | Выход сооружений | ПДК рх |
| Взвешенные вещества | 2000 | 780 | 36 | 4,0 | — |
| Нефтепродукты | 56 | 22 | 2,3 | 0,05 | 0,05 |
| Железо | 8 | 8 | 0,15 | 0,07 | 0,1 |
| Медь | 0,25 | 0,25 | 0,018 | 0,001 | 0,001 |
| Цинк | 1,0 | 1,0 | 0,02 | 0,006 | 0,01 |
| Никель | 0,2 | 0,2 | 0,01 | 0,004 | 0,01 |
| Марганец | 2,4 | 2,4 | 0,27 | 0,05 | 0,1 |
| Аммоний | 5,0 | 3,0 | 1,8 | 0,4 | 0,5 |
| Бенз(а)пирен | 30х10-6 | 30х10-6 | 30х10-6 | 5х10-6 | 5х10-6 |
Из таблицы следует, что концентрация загрязняющих веществ в очищенной ливневой воде соответствует ПДКрх.
Преимуществом предложенного решения являются:
- надежность работы сооружений вследствие использования природных механизмов самоочищения воды биологическими методами;
- эксплуатация сооружений не требует присутствия обслуживающего персонала;
- сооружения самотечны, не требуют затраты электроэнергии на перекачку воды по ступеням очистки за исключением режима промывки фильтров;
- сооружения являются элементом ландшафтного дизайна;
- в сооружениях отсутствуют дорогостоящие изделия, конструкции, материалы, реагенты.
Выводы
1. Установлено, что ливневые воды селитебных территорий, кроме взвешенных веществ и нефтепродуктов, содержат значительные концентрации тяжелых металлов и бенз(а)пирена.
2. Показано, что ливневые воды неканализованных автономных объектов (АЗС, станции техобслуживания и др.) могут быть очищены до ПДКрх сооружениями механического и физико-химического типа, включающими отстойник, гидроциклон, зернистый и сорбционный фильтры.
3. Ливневые воды селитебных территорий целесообразно очищать сооружениями биологического типа, дополненными нефтеловушками, отстойником, геохимическим барьером, сорбционным электрохимическим фильтром. Качество очищенных вод соответствует ПДКрх. Сооружения не требуют постоянного надзор в процессе эксплуатации.
Сведения об авторах
Назаров Владимир Дмитриевич – доктор технических наук, профессор Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)
Назаров Максим Владимирович – кандидат технических наук, директор ООО «МИП УГНТУ АКВИТА»
Сафарова Валентина Исаевна – доктор химических наук , профессор, начальник Государственного бюджетного учреждения Республики Башкортостан Управление государственного аналитического контроля (ГБУ РБ УГАК)
Сафаров А.М. – к.т.н., доцент УГНТУ
Валеева А.А. – аспирант УГНТУ
Библиографический список
- Патент РФ на изобретение № 2156740. Способ очистки нефтесодержащих сточных вод //Назаров В.Д. / Опуб. 27.09.2000. Бюл № 27.
- Назаров В.Д., Зенцов В.Н., Назаров М.В. Водоснабжение в нефтедобыче: учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. – Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2010 – 447 с.
- Патент РФ на полезную модель № 88012. Комплексное сооружение для биологической очистки сточных вод. //Назаров В.Д., Назаров М.В., Вадулина Н.В., Ирназарова Л.Р./ Опуб. 27.10.2009. Бюл.№ 30