5.Исследовательская часть:

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ СОЖ

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ СОЖ

Доля маслосодержащих вод (отработанные водосмешиваемые смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), моющие и дезинфицирующие растворы, утечка из систем смазки и маслохозяйств и пр.) в общем заводском стоке составляет 40-60 массовых процентов. В связи с этим вопросы организации пе­реработки отработанных водосмешиваемых СОЖ, выбор способа локальной очистки которых опреде­ляется количеством, составом, ценой применяемой СОЖ, возможностями завода и прочими условиями, приобретают особую актуальность.

В существующем ассортименте водосмешиваемые СОЖ представлены эмульсионными, полусин­тетическими и синтетическими средствами. Наи­большую группу из них составляют первые, приме­няемые обычно в виде 3-11 % - ных эмульсий типа масло-вода с добавлением эмульгаторов-стабилизаторов, ингибиторов коррозии, легирующих добавок, бактерицидов и пр.

В процессе многократного использования при механической обработке металлов СОЖ теряют свои технологические свойства в результате накоп­ления металлических частиц (пыли) и продуктов термического разложения масел, их окисления в процессе работы, образования смол, обеднения за счет выноса эмульсола со стружкой (полосой), по­падания в СОЖ масел, смазок и спецжидкостей из гидравлических систем, станков и станов, повыше­ния содержания солей жесткости в водной фазе (вы­паривание воды из эмульсии и внесения солей жест­кости при добавлении воды), микробиологического поражения (загнивания). Чтобы продлить срок экс­плуатации СОЖ, необходимо периодически очищать их от твердых (мелкодисперсная стружка, продукты износа инструмента и станков, пыль из воздуха) и коллоидных (продукты деструкции компонентов, масла из гидравлических и смазочных систем стан­ков, микроорганизмы и продукты их жизнедеятель­ности) примесей. Когда дальнейшее использование СОЖ становится невозможным, их следует заме­нить.

Характеристика сточных вод, содержащих СОЖ, приведена в таблице. 5.1.

Таблица 5. I Характеристика сточных вод, содержащих СОЖ

Компонент стоков	Загрязнения
	Наименование	Концентрация, мг/л
Углеводородные СОЖ (масла, керосин, дизель­ное топливо и др.)	Частицы нефтепро­дуктов размером более 40 мкм	До 3000
Эмульсии	То же размером менее 40 мкм	До 60000
Синтетические СОЖ, изготовленные на основе поверхностно-активных веществ, мыл, полиме­ров	Органические вещества	До 100
Синтетические СОЖ, изготовленные на основе растворов электролитов	Соли	До 200000

Потери СОЖ со стружкой и вследствие испа­рений обусловливают необходимость рекуперации — извлечения СОЖ из стружки и аэрозолей (тума­нов). В настоящее время на машиностроительных заводах собирается до 30 % отработанных эмульсий.

Если предположить, что стоки содержат 3 % орга­нических веществ, то для сброса в канализацию их необходимо предварительно разбавлять в тысячу и более раз, для чего требуется несколько миллионов кубометров свежей воды в год. Поскольку разбавле­ние стоков требует больших затрат, отработанные СОЖ следует обезжиривать путем их утилизации и регенерации

Обезвреживание состоит в исключении или уменьшении отрицательного влияния сброса стоков на окружающую среду. Утилизация предполагает использование - стоков, образовавшихся в одном процессе, для нужд другого. И, наконец, регенера­ция заключается в восстановлении исходных свойств воды либо растворов с целью их повторного применения в том же технологическом процессе. Такой подход предполагает разделение сточных вод по типу и концентрации загрязняющих веществ, их переработку на установках локальной очистки с по­следующим использованием в производстве.

Так, объем промывных вод в десятки раз пре­вышает объемы отработанных рабочих растворов и их смешивание для дальнейшей переработки нера­ционально. Точно также не целесообразно смешива­ние маслосодержащих стоков со стоками гальвани­ческих цехов и травильных отделений. Поэтому ор­ганизация локальной очистки стоков и переработки отработанных растворов, обеспечивающая их по­вторное использование, является важнейшей задачей машиностроительных и металлообрабатывающих производств в плане создания экологически без­вредных ресурсосберегающих технологий.

Переработка (разложение, утилизация и регенерация)

отработанных СОЖ

Реагентные, коагуляционные и флотацион­ные способы очистки.

Процессы очистки отработанных СОЖ тради­ционными физико-химическими способами, как правило, включают седиментационные, механиче­ские, реагентные и коагуляционные элементы.

На рисунке 5.1 приведена принципиальная схема установки очистки отработанных СОЖ методом коагуляции.

Отработанные СОЖ поступают в приемную ем­кость 1, в которой в течение нескольких часов от­стаивается. Всплывшее масло сливается в емкость 10, осевший шлам — в сборник II, а эмульсия насо­сом 2 подается в смеситель 3. Здесь СОЖ обрабаты­вается серной кислотой, поступающей из сборника 4, до достижения требуемого значения рН. Из цен­тробежного сепаратора 9 отделившаяся органиче­ская фаза направляется в сборник 10, а частично очищенная эмульсия — в реактор 8. В нем жидкость обрабатывается коагулянтом, дозируемым из емко­сти 6, и перемешивается барботируемым воздухом. Затем раствор отстаивается, органическая часть по­ступает в отстойник 7, а водная фаза после нейтра­лизации известковым молоком (до рН=7...8), дози­руемым из емкости .5, либо поступает на повторное использование, либо сбрасывается в канализацию.

В отстойнике 7 осуществляется частичная реге­нерация коагулянта путем обработки органической фазы серной кислотой из емкости 4. Органическая часть сливается в емкость 10, а раствор коагулянта откачивается в емкость 6. Из емкости 10 органиче­ская фаза направляется на утилизацию.

Рисунок 5.1. Принципиальная схема установки очистки отработанных водных СОЖ методом коагуляции.

/ - приемная емкость; 2 - насос; 3 - смеситель; 4 - сборник серной кислоты; 5 - емкость для известкового молока; 6 - емкость для коагулянта; 7 - отстойник; 8 -реактор; 9 ~ центробежный сепара­тор; 10 - сборник масла; // - сборник шлама

На рисунке 5.2 показано разложение отработанной эмульсии ЭТ-2 производится на установке типа "Нефтеловушка".

Установка состоит из прямоугольного бараба­на, разделенного на 6 секций. Секции /, //. ///, со­единенные между собой карманами, являются сборником для отработанной эмульсии, в то же время они улавливают выделившееся из эмульсии масло. В секции IV производится разрушение эмульсии хлор­ной известью. В секции V и VI, соединенные карма­нами, являются сборником воды, полученной после фильтрации. Над секцией V имеется фильтр / — прямоугольная коробка с коническим дном (ворон­кой 2) и двумя рядами латунной сетки, между кото­рыми вложен слой стеклянной ваты.

Рисунок 5.2. Схема установки типа "Нефтеловушка" для разло­жения эмульсий

Процесс разложения эмульсии заключается в сле­дующем. Отработанная эмульсия заливается в сек­цию / сборника-ловушки установки, откуда через карман заполняет секции II и Ш. В сборнике-ловушке отстоявшееся в течение 1 ч на поверхности эмульсии минеральное масло снимается черпаком в специальную емкость и отправляется на регенера­цию или сжигание. Освобожденная от плавающего масла эмульсия перекачивается насосом в секцию IV и заполняется эмульсией до 3/4 ее объема, после чего обрабатывается сухой хлорной известью в коли­честве от 1,0 до 1,5 % массы (рекомендуется при этом подогрев до 70 °С). После введения всей пор­ции извести эмульсия перемешивается с помощью циркуляционного насоса. Перемешивание ведется до наступления разрушения эмульсии, определяющего­- ся визуально. Отделившаяся от воды органическая часть (минеральное масло и ПАВ) удаляется с по­верхности воды специальным черпаком, после чего водная фаза насосом подается на фильтр, откуда фильтрат поступает в секции V и VI, затем — в канализацию. Метод разложения эмульсии с помощью хлорной извести позволяет получить содержание нефтепродуктов в сточной воде от 200 до 300 мг/л. Длительность процесса разложения 6 часов. Произ­водительность установки 0,4 м³/смену. В качестве коагулянта могут применяться отработанные тра­вильные растворы прокатных производств, содер­жащие 13-18% Н₂8О₄ и 11-17% РеЗО, (100-120 л на 1 м' эмульсии), а также растворы, полученные при обработке чугунолитейного шлака соляной кислотой. Осадком заполняют фильтры для последующей доочистки воды. При исходной концентрации нефтепродуктов 175...24 г/л в сточных водах, содержащих отработанные СОЖ, их содержание после коагуляции снижается до 36-65 мг/я, после фильтров — 0,2-0,3 мг/л. |

На Карагандинском металлургическом комбинате и Череповецком металлургическом заводе работают установка разложения эмульсии с приме­нением флотационных машин (рисунок 5.3). Из-за от­сутствия кислотозащитньгх емкостей и камер флотомашин в качестве реагента используется только известковое молоко. Отработанная эмульсия, пен­ный продукт из отстойников и флотаторов эмульси­онной системы, промывные эмульсионные стоки ус­редняются в баке / и насосом 2 подаются в контакт­ные чаны 3, куда из бака 4 подается известковое мо­локо 5 %-ной концентрации (2,5-3 г/л СаО при со­держании в эмульсии 12-25 г/л эмульгированных масел). Смесь самотеком поступает в шестикамерную флотационную машину 5 емкостью 2,1 м³, где происходит разделение эмульсии на масло и во­ду посредством вращательного движения импелле­ров и аэрации. Пенный продукт (масло) удаляется с помощью лопасткового пекогона в бак б, где от­стаивается при температуре 40-60 °С, и масло отка­чивается в бак 7, а вода возвращается в бак /. Очи­щенная вода (рН=8-12) из флотомашины поступает в бак-флотатор, где дополнительно очищается от масла с помощью диспергаторов, в которые подает­ся воздух под давлением 0,4 МПа, затем поступает в отстойники и в бак очищенной воды. Очищенная вода используется для нейтрализации кислых стоков травильного отделения. На выходе из флотомашин в воде содержится до 0,2 г/л нефтепродуктов, а после нейтрализации (с учетом разбавления кислых вод 1:1) — не более 20 мг/л.

Рисунок. 5.3. Схема установки для разложения и очистки эмульсионных стоков на КарМК:

ИМ - известковое молоко; ППС - пенный продукт циркулирую­щей системы; ОЗ - отработанная эмульсия, ЯЭС - промывные эмульсионные стоки цеха; ПВ - подпенная вода; ПП - пенный продукт, М - масло; КР - кислый реагент; ОВ - очищенная вода после нейтрализации

В последнее время находят применение универ­сальные установки разложения эмульсий незави­симо от типа их эмульгатора (см. приложения).

Отработанная эмульсия с ионогенными эмуль­гаторами подается в реактор-отстойник, где отстаи­вается в течение 3 часов, смешивается с серной ки­слотой до рН=7 и подается в сепаратор, где отделя­ется 80-90% диспергированного масла, а затем по­ступает на реагентную напорную флотацию. Для этого ее вводят в ресивер, куда одновременно пода­ют сжатый воздух и сернокислый алюминий. Для нейтрализации подкисленной воды добавляется едкий натр. Насыщенная воздухом эмульсия подается во флотатор, где всплывающая пена (хлопья коагу­лянта с выделенным маслом) отстаивается, уплотня­ется в отдельном сборнике и обрабатывается серной кислотой.

Эмульсии, стабилизированные неионогенными эмульгаторами, разрушаются в реакторе-отстойнике при подкислении серной кислотой до рН=2 с после­дующим нагреванием до 100˚С или обработкой сернокислым алюминием в кислой среде. Эмульсии, стабилизированные одновременно ионогенными и неионогенными эмульгаторами, могут разрушаться по первой или второй схеме, а иногда комбиниро­ванным способом.

Для полусинтетических СОЖ коагуляционные и флотационные способы очистки малоэффективны, а для синтетических СОЖ — неэффективны вообще. Объясняется это наличием водорастворимых соеди­нений, не поддающихся коагуляции или флотации.

Рассмотренные способы целесообразны для очистки только эмульсионных водных СОЖ. При­менение их требует специального оборудования для приема, приготовления и дозированной подачи ки­слоты и коагулянтов.

Перспективным способом разделения коллоид­но-дисперсных систем является электрокоагуля­ция. На рисунке 5.4 приведена принципиальная схема установки обезвреживания отработанных водных СОЖ этим способом.

Процесс разделения происходит в колонном электрокоагуляторе 2 при смешении исходной СОЖ с потоком электролита (чистая техническая вода), подаваемым насосом 7 из сборника 6. В нижней час­ти электрокоагулятора электролит предварительно насыщается гидрооксидом металла растворимых электродов. При этом происходит коалесценция час­тиц эмульгированного масла. Выделяющиеся при электролизе воды пузырьки водорода оказывают флотационный эффект, способствуя ускорению раз­деления фаз. Очищенная вода из аппарата 2 собира­ется в сборнике 5. Для снижения концентрации во-дородно-воздушной смеси в верхнюю часть элек­трокоагулятора подается воздух, объем которого оп­ределяется пределами взрывоопасных концентраций водорода: нижний — 4, верхний —74 % об. Кроме того, подача воздуха интенсифицирует процесс уда­ления пены в циклон 3. Выделенные загрязнения на­капливаются в сборнике шлама 4. Степень очистки зависит от условий проведения процесса, и обычно она колеблется в диапазоне 80-95 % от потенциала. Так, при переработке отработанной СОЖ Укринол-1 с концентрацией органической фазы 4,4-1,1 % (масс, доля), достигалась степень разделения 83— 99,9 %.

Рисунок 5.4. Принципиальная схема установки очистки отработанных водных СОЖ электрокоагуляиней:

/ - приемная емкость; 2 - электрокоагулятор; 3 - циклон; 4 -сборник шлама; 5 - сборник очищенной воды; 6 - сборник элек­тролита; 7 - насос; 8 - сборник масла

К преимуществам способа следует отнести его универсальность, надежность эксплуатации, ком­пактность, возможность полной автоматизации про­цесса и утилизации разделенных фаз.

Шламы, образовавшиеся в процессе электрохи­мического разрушения, могут быть использованы для смазки форм при производстве железобетонных изделий либо в качестве топлива.

Электрокоагуляционный способ с успехом мо­жет использоваться для отделения масла от эмуль­сий, загрязненных сложными примесями, в частно­сти, хромосодержащими стоками.

Применяемые электрокоагуляторы прямоуголь­ного типа с горизонтальным движением воды не обеспечивают высокого эффекта очистки при обра­ботке высококонцентрированных (более 1,2 %) эмульсии из-за быстрой пассивации электродов, не­полного использования выделяющихся газов для флотации продуктов разложения, образования большого количества осадка и недостаточно полно­го удаления его механическими способами.

Установлена возможность утилизации синтети­ческих СОЖ после очистки промстоков с целью дальнейшей эксплуатации, в то время как реагентный метод приводит к разрушению структуры ис­ходной СОЖ. При электрообработке отмечено мо­нотонное повышение рН в некотором интервале, что имеет специальное значение для защиты СОЖ от микробиологического разрушения бактериальной и грибковой микрофлорой.

Для очистки сточных вод от органических за­грязнений, в частности от ПАВ, широко применяют­ся способы окисления.

Наиболее распространено применение озона. Благодаря большой окислительной способности озона, разру­шение органических веществ, находящихся в отра­ботанной СОЖ, происходит при нормальной темпе­ратуре. В процессе озонирования одновременно происходит окисление примесей, дезодорация и обеззараживание сточной воды.

Принципиальная схема очистки отработанных СОЖ озонированием представлена на рисунке 5.5. Сжа­тый в компрессоре 1 воздух через редуктор 2 пода­ется в основной элемент установки — озонатор 4, выполненный в виде 3-камерного стеклянного сосу­да. Центральная и периферийная камеры заполнены серной кислотой 50 % масс. В этих камерах расположены два титановых электрода, к которым подво­дится пульсирующий ток от силовой установки 5 с напряжением 10 кВ. В межэлектродном пространст­ве в результате электрического разряда образуется озон. Озонированный воздух поступает в дрексель 7, где барботирует через слой отработанной эмульсии. Дифференциальный манометр 3 и газовый счетчик 6 служат для замера расхода потоков.

Рисунок 5.5. Принципиальная схема установки очистки отработанных СОЖ озонированием:

1 - компрессор воздушный; 2 - редуктор; 5 - дифференциальный манометр; 4 - озонатор; 5 - силовая установка; 6 - счетчик газо­вый, 7-дрексель

Поскольку полного окисления органических соединений дос­тичь не удалось, можно предположить, что в них со­держатся кислоты, которые в разбавленных раство­рах плохо окисляются даже озоном.

Анализ результатов исследований свидетельствует, что озонирование в процессе обезвреживания отработанных водных СОЖ целесообразно только для их доочистки (после коагуляции, флотации, электрокоагуляции).

На металлообрабатывающих и машинострои­тельных заводах получил определенное распростра­нение биохимический способ - аэробная очистка, проводимая в аэротенках или биофильтрах. Аэроб­ный биохимический распад веществ осуществляется с помощью микроорганизмов, нуждающихся в сво­бодном кислороде воздуха, либо в кислороде, рас­творенном в воде.

Осуществление этого способа предъявляет оп­ределенные требования к перерабатываемым СОЖ, в первую очередь в отношении ядовитых веществ и солей тяжелых металлов. Превышение допустимых концентраций токсогенов ведет к гибели микробных клеток и к выводу из строя очистных сооружений.Допустимая концентрация достигается путем раз­бавления общезаводским стоком. Для поддержания оптимальных условий очистки необходимо доведе­ние рН стоков до величины 6,8—7,2 достигаемое, как правило, нейтрализацией стока известковым моло­ком. Содержание взвешенных веществ не должно превышать 150 г/м³. Последние удаляются в отстой­никах или гидроциклонах

Для создания протоплазмы клетке нужны био­генные элементы — углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий и различные микроэлементы. Многие из них бактериальная клетка может почерп­нуть из органических загрязнений сточных вод, а недостающие биогенные элементы (чаще всего азот и фосфор) добавляются в очищенную воду в виде солей. Высокая эффективность аэробной очистки объясняется большим количеством микроорганиз­мов, скоростью их размножения и активностью.

В аэротенках отработанная СОЖ перемешива­ется воздухом (кислородом), а комплекс развиваю­щихся микроорганизмов образует оседающие хло­пья — активный ил. В биофильтрах аэрируемые стоки фильтруются через загрузку щебня, поверх­ность которого обрастает биологической пленкой — микроорганизмами. Биологическую очистку в есте­ственных условиях (пруды, поля орошения) приме­няют крайне редко.

Преимущества аэротенков: меньшая по сравне­нию с биофильтрами площадь, небольшие капитало­вложения, возможность подачи концентрированных стоков с высокой токсичностью и контроля за со­держанием растворенного кислорода, рН и темпера­турой среды.

Недостатки: громоздкость, сложность в эксплуатации и использовании избыточного ак­тивного ила, высокие эксплуатационные расходы. Основное преимущество биофильтров — простота эксплуатации. Их использование целесообразно при небольшом количестве слабозагрязиенных стоков. Главный показатель качества очистки — биологиче­ское и химическое потребление кислорода. БПК₂₀ должно быть равно 2-3 г О₂/м³, а отношение ВПК и ХПК — больше 0,75. Индекс 20 означает количество суток, после которых определяется показатель.

Несмотря на то, что биологическая очистка яв­ляется универсальным способом удаления раство­ренных органический веществ, обеспечивающим высокое качество воды, ее применение обуславлива­ется технико-экономическими факторами и целесо­образно лишь при определенной производительно­сти по перерабатываемым стокам.

Недостатки способа: невозможность утилиза­ции компонентов СОЖ и громоздкость оборудова­ния. Поэтому биологические очистные сооружения (БОС) строятся по региональному принципу для об­служивания нескольких предприятий. Производи­тельность типовых БОС 0,9-280 тыс.м³/сутки.

Термические способы обезвреживания

Из термических способов, используемых при переработке СОЖ, наибольшее распространение по­лучили огневое обезвреживание и упаривание. Разновидностью термических способов являют­ся холодильные способы, которые включают стадии охлаждения, кристаллизации водной фазы, сепара­цию и промывку кристаллов с последующим плав­лением и получением чистой воды.

Самым распространенным способом утилиза­ции является сжигание с целью получения тепловой энергии.

Способ огневого обезвреживания основан на сжигании обводненных мазутов с влажностью до 30 %. При исследовании механизма сжигания водно-мазутных эмульсий в неподвижном воздухе при 600 °С установлено, что капля, бурно вскипая, уве­личивается в объеме, а затем разрывается на части.

Однако этот способ имеет ряд недостатков: его нельзя применять для эмульсий, содержащих хлор, фосфор и т. п., вслед­ствие загрязнения атмосферы. Наличие серы в со­ставе органической части СОЖ не является препят­ствием для сжигания, так как в процентном отноше­нии ее в эмульсии меньше, чем в используемых ма­зутах. Химический анализ дымовых газов на полно­ту сгорания и присутствие токсогенов показал впол­не удовлетворительные результаты.

Для нормальной работы котельного агрегата важно, чтобы испаряющая эмульсия не попадала на экранные поверхности, так как вследствие образова­ния слоя смолистых загрязнений ухудшаются усло­вия теплообмена.

Установка для сжигания отработанных эмуль­сий Укринол-1 в топках котлов машиностроитель­ных заводов представлена на рис. 5.6. Отработанная эмульсия из сборника-усреднителя 1 насосом 2 направляется в промежуточную емкость 3 с паровым подогревом. С помощью насоса 6 можно осуществить интенсивное перемешивание эмульсии и предварительный подог­рев до 90-95°С. Через фильтры грубой 4 и тонкой 5 очистки, теплообменник 7 (где она нагревается до 120-130°С) и газомазутные форсунки насосом б она подается в топку котла. Работу узла сжигания можно осуществить на различных видах топлива: газооб­разном, жидком либо комбинированном. Надежное сжигание смеси СОЖ — мазут достигалось при со­отношении компонентов 1:3. Количество перераба­тываемой эмульсии ограничено, так как при увели­чении влогосодержания понижается температура точки росы отходящих дымовых газов и возрастает их коррозионная агрессивность. Производитель­ность котлоагрегатов типа ДКВР 10/13 при работе на мазуте указанным способом до 150 л/ч, а при ра­боте на газообразном топливе — до 400 л/ч эмуль­сии.

Рисунок 5.6. Установка для термической утилизации отработанных эмульсий.

Основной недостаток всех способов огневого обезвреживания — безвозвратная потеря воды, и в связи с этим максимальная производительность по обезвреживаемым стокам 5-7 м³/ч.

При сжигании топлива образуются окислы азо­та, загрязняющие атмосферу. Способы сокращения этих выбросов различны: рециркуляция дымовых га­зов в ядро горения, двухступенчатое сжигание с по­ниженным избытком воздуха, применение специ­альных конструкций горелочных устройств и ввод в топочную камеру водяного пара, воды.

Сжигание отработанных водных СОЖ в топках котлоагрегатов дает такой же эффект. Проведенные исследования сжигания в энергетическом котле водомазутной смеси, приго­товленной из сточных вод, содержащих нефтепро­дукты, свидетельствуют о снижении выбросов в ат­мосферу окислов азота на 40—55 %; сажи и бензопирена — на 70-80 %. Таким образом, огневые спосо­бы способствуют повышению безотходное произ­водства и утилизации вторичных тепловых ресурсов.

С целью повторного использования водной и органической частей эмульсии процесс переработки последней ведут способом упаривания в выпарных аппаратах различных конструкций.