Лабораторна робота 4 вивчення методів очистки води від нафтопродуктів

Вступ

Мета даної лабораторної роботи полягає в вивченні методів очистки води від нафтопродуктів та набуття практичних навиків проведення аналізу води на вміст нафтопродуктів.

Основні положення

Виробнича діяльність нафтогазового комплексу неминуче пов’язана з техногенним впливом на довкілля, в тому числі і на природні води. Головною причиною забруднення поверхневих вод в процесі нафтогазовидобутку і транспортування є аварії промислових і магістральних трубопроводів, а також фільтрація нафти і стічних вод з нафтових і шламових амбарів. Вагомий внесок в забруднення водного середовища вносять стічні води нафтопереробних заводів завдяки їх високій потужності і різноманітному асортименту нафтопродуктів. Технологічні води нафтопереробки містять нафту і нафтопродукти, феноли, мінеральні солі тощо. Токсичність нафти залежить від її хімічного складу і в першу чергу від кількості нафтових кислот. Найбільша токсичність належить розчиненій та емульгованій у воді нафті. Токсичність виникає вже при її концентрації у водному середовищі більше 1 мг/л, а якщо концентрація постійно перевищує 0,05 мг/л, то це призводить до виникнення значних порушень біологічної рівноваги водоймищ, що впливає на функції організмів. Встановлена на даний час ГДК нафти у воді складає 0,3 мг/л, а високосірчистої – 0,1 мг/л.

Великі збитки, які завдають природному водному середовищу виробничі процеси нафтогазової промисловості, призвели до необхідності створення зворотного водопостачання на нафтопереробних і нафтогазовидобувних підприємствах. Технологія підготовки вод для зворотного водопостачання залежить від багатьох природних і техногенних факторів.

Проте вона повинна включати ряд послідовних операцій:

• очистку води від завислих частинок і нафти механічними та фізико-хімічними методами;

• стабілізаційну і бактерицидну обробку;

• регулювання нафтовитіснюючих властивостей.

Таким чином, одним із головних процесів, який зменшує екологічне навантаження на природне водне середовище технологічних процесів нафтогазовидобутку і нафтогазопереробки як при зворотному водопостачанні, так і при його відсутності є процеси очистки води від нафтопродуктів.

На даний час існує багато методів очистки води від нафтопродуктів, які базуються на різних фізико-хімічних принципах.

Розглянемо процеси очистки води від нафтопродуктів на прикладі функціонування очисних споруд на нафтопереробних заводах, які відносяться до промислових підприємств з використанням значних об’ємів води. Сучасні НПЗ використовують для виробничих процесів сотні мільйонів кубічних метрів води на рік в системах зворотного водопостачання. Крім зворотної води на заводі для виробничих потреб використовують технічну свіжу воду, передбачається розхід води на протипожежні заходи та господарські потреби.

На сучасних нафтопереробних підприємствах розхід зворотної води на 1 т переробленої нафти в залежності від профілю виробництва складає 5,5-10 м³ та свіжої води - 0,3-1,3 м³, а на нафтохімічних заводах – 18-37 м³ та 1,6-2,8 м³ відповідно. При цьому зворотне водопостачання в галузі становить приблизно 90,5 % від загального об’єму водоспоживання. В залежності від характеру виробництва зворотні води поділяються на чотири системи з відповідними вимогами до якості води, усереднені значення параметрів якої наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 – Вимоги до якості технічної зворотної та свіжої води

Показники	Значення показників
	зворотної води	свіжої води
Температура, 0С	 25	 25
Нафтопроукти, мг/л	 25	-
Завислі речовини, мг/л	 25	в паводок
Запах, балл	 3	100
Жорсткість, мг-екв/л:
тимчасова	 5	 2,5
постійна	 15	3,3
Вміст солей, мг/л	 2000	 500
-	 300	 50
	 500	 130
БПКповн, мг/л	 25	 10
рН	7 - 8,5	7 - 8,5

Для забезпечення необхідної якості зворотна вода піддається відповідній очистці різними методами, головними з яких є: відстоювання нафтопродуктів і механічних домішок в нафтовідділювачах, фільтрування, фізико-хімічна обробка (інгібірування, хлорування, підкислення) та мікробіологічна очистка.

Для очистки води від нафтопродуктів та завислих речовин встановлюються нафтовідділювачі різного об’єму в залежності від системи зворотного водопостачання та пропускної здатності 450-900 л/с, які обладнані устаткуванням для збору та відведення вловлених нафтопродуктів та осаду.

Для забезпечення необхідної якості зворотна вода піддається відповідній очистці різними методами, головними з яких є: відстоювання нафтопродуктів і механічних домішок в нафтовідділювачах, фільтрування, фізико-хімічна обробка (інгібірування, хлорування, підкислення) та мікробіологічна очистка.

Для очистки води від нафтопродуктів та завислих речовин встановлюються нафтовідділювачі різного об’єму в залежності від системи зворотного водопостачання та пропускної здатності 450-900 л/с, які обладнані устаткуванням для збору та відведення вловлених нафтопродуктів та осаду.

Потім вода відфільтровується на напорних фільтрах за допомогою зернистих та сітчастих фільтрів (розміри отворів сітки 200-250 мкм). Можуть використовуватись гідрофільні та гідрофобні фільтри різної конструкції, принцип дії яких оснований на молекулярно-поверхневих ефектах. Ефект очистки води від нафти гідрофобними апаратами перевищує 95 %. Після фільтрування зворотну воду піддають стабілізаційній обробці, яка забезпечує захист теплообмінної апаратури та трубопроводів від корозії, карбонатних відкладів та біологічних наростів.

В блоці стабілізації мають бути передбачені такі процеси: інгібірування, хлорування, застосування купоросу, підкислювання. Інгібітори застосовують для зменшення корозії та процесу утворення накипу в апаратах та трубопроводах. Дія їх полягає в утворенні на металічній поверхні плівки, яка перешкоджає контакту агресивних компонентів, що містяться у воді, з металом. Хлорування та використання купоросу передбачається для боротьби з біонаростами трубопроводів. Хлорування здійснюється на протязі всього року, введення купоросу - тільки влітку.

Підкислювання зворотної води (сірчаною або соляною кислотою) проводять для переводу карбонатної жорсткості в некарбонатну.

Забрудненість стічних вод нафтопереробних заводів залежить від складу нафти, яка переробляється, профілю заводу, стану технологічного обладнання, кваліфікації обслуговування та експлуатації. Для відведення та очистки стічних виробничих вод на НПЗ існує дві системи каналізації.

Перша система каналізації потрібна для відведення та очистки виробничо-дощових нейтральних стічних вод, забруднених головним чином нафтопродуктами та механічними домішками. Загальний вміст солей очищених стічних вод першої системи каналізації повинен не перевищувати 2000 мг/л. Для забезпечення якості води, необхідної для технологічних цілей, стічні води першї системи проходять комплекс механічної, фізико-хімічної та одноступеневої біологічн очистки з подальшою доочисткою води фільтруванням. Друга система каналізації необхідна для відведення та очистки емульсійних та хімічно забруднених стічних вод, що містять нафтопродукти, реагенти, сірчисті сполуки, луги, солі та інші органічні та неорганічні речовини. В залежності від джерела утворення, виду та ступеня забрудненості стічні води другої системи каналізації відводяться самостійними мережами. Характеристика виробничих стічних вод нафтопереробних заводів наведена в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 – Характеристика виробничих стічних вод нафтопереробних заводів

Показники	Значення показників стічних вод до очистки в системах каналізації
	І	ІІ
ХПК, мг/л	400 - 850	600 - 800
БПКповн, мг/л	250 - 550	300 - 600
Нафтопродукти, мг/л	1000 - 2500	3000 - 5000
Феноли, мг/л	3 - 15	2 - 4
Завислі речовини, мг/л	200 - 350	600 - 800
Амонійний азот, мг/л	15 - 35	15 - 25
ПАР, мг/л	5 - 20	60 - 100
Сухий залишок, мг/л	1000 - 1500	3000 - 10000
Хлориди, мг/л	150 - 250	2100 - 7000
Сульфати, мг/л	200 - 400	150 - 300
рН	7,5 - 8,5	7,5 - 8,0

Механічна очистка. Споруди механічної очистки кожної системи каналізації необхідні для первинної очистки стічних вод від нафтопродуктів та механічних домішок. До споруд механічної очистки належать решітки, пісколовки, нафтопастки, радіальні відстійники. Решітки необхідні для затримання крупних частинок мінерального та органічного походження і захисту від забивання обладнання очисних споруд подальшої очистки. Пісколовки видаляють з стічних вод пісок та інші мінеральні домішки з розміром частинок більше 0,2 мм. Нафтопастки очищають стічні води від основної маси нафти та нафтопродуктів. У радіальних відстійниках відбувається усереднення складу нафтовмісних вод та додаткова очистка від нафтопродуктів та механічних домішок перед наступними спорудами фізико-хімічної та біологічної очистки.

Фізико-хімічна очистка. На діючих нафтопереробних та нафтохімічних підприємствах фізико-хімічна очистка нафтовмісних стічних вод першої та другої системи каналізації здійснюється на установках напорної флотації. Установки флотації розташовані після споруд механічної очистки і є завершальним етапом очистки першої системи каналізації або перед подачою стічних вод на біологічні очисні споруди. Установки напорної флотації призначені для повного видалення з стічних вод нерозчинених органічних забруднень (нафти та нафтопродуктів), завислих частинок, колоїдних органічних забруднень і часткового видалення розчинених органічних сполук.

Метод напорної флотації полягає в розчиненні в стічній воді повітря під тиском з подальшим виділенням його при зниженні тиску у вигляді дрібних бульбашок, які піднімають частинки нафти, нафтопродуктів та інших домішок на поверхню води. Після фізико-хімічної очистки вміст нафтопродуктів становить приблизно 25 мг/л.

Біологічна очистка. Після механічної та фізико-хімічної очистки стічні води не можуть скидатися у водоймища через високу концентрацію нафтопродуктів. Найбільш ефективним і поширеним методом глибокої очистки стічних вод від розчинених органічних забруднень є біологічний метод. Даний метод застосовується при забрудненості води нафтопродуктами не більше 25мг/л.

В процесі очистки вод постійно проводиться їх аналіз згідно параметрів, зазначених в таблиці 4.1. В ході виконання даної лабораторної роботи визначається тільки вміст нафтопродуктів у воді. Існує декілька методів аналізу води на вміст нафтопродуктів. Дана лабораторна робота базується на використанні спектрофотометричного методу визначення сумарного вмісту нафтопродуктів у воді.

Принцип методу. Метод оснований на зміненні оптичної густини нафти та нафтопродуктів у гексані в ультрафіолетовій області спектру (довжина хвилі 315 мкм), при використанні фотоелектроколориметру, який має у комплекті ртутну газорозрядну лампу СВД-120Л. Чутливість методу - 0,1 мг/л. Межа застосування методу - до 200 мг/л нафтопродуктів у воді. Тривалість аналізу одної проби стічних вод на вміст нафтопродуктів на фотоколориметрі ФЭК-56 становить 25-35 хвилин (тривалість екстракції 20-30 хвилин, тривалість визначення оптичної густини – 2-3 хвилини). Для проведення спектрофотометричного аналізу екстрактів, одержаних після екстракції нафтопродуктів з стічних вод НПЗ гексаном, може застосовуватся також лабораторний ультрафіолетовий аналізатор ЛУА-65 ПС.

При проведенні спектрофотометричного методу для визначення нафтопродуктів у стічних водах НПЗ розрахунок проводиться з використанням калібровочних кривих. При цьому обов’язковою умовою є використання для розрахунку калібровочної кривої, побудованої на основі нафтопродукту, який присутній в стічній воді, що підлягає аналізу, тобто для кожного заводу і для кожного стоку повинна бути своя калібровочна крива.

В ході виконання лабораторної роботи необхідно визначати вміст нафтопродуктів у пробі води згідно варіанту роботи.

Порядок виконання роботи

Для виконання даної лабораторної роботи необхідні такі матеріали та апаратура:

• фотоелектроколориметр ФЕК-56;

• мірні воронки ємкістю 0,5 і 1,0 л;

• хімічні воронки;

• хімічні стакани;

• мірні циліндри емкістю 0,2-1,0 л;

• мірні колби емкістю 50, 100, 200 мл;

• гексан марки "х.ч.";

• соляна кислота марки "х.ч." густиною 1,19 г/см³;

• стандартний розчин нафтопродукту в гексані;

• нафтопродукт.

  1. Підготувати розчин нафтопродуктів у воді згідно варіанту роботи.

  2. Підготовити пробу для аналізу.

Пробу стічної води помістити в роздільну воронку, необхідної ємкості і підкислити соляною кислотою густиною 1,19 г/см³ так, щоб рН води стало менше 5. Пляшку, в якій знаходилася проба змити 10-15 мл гексану, який потім перенести до роздільної воронки. Вміст воронки збовтати на протязі 1-2 хв. і дати розшаруватися. Нижню водну фазу злити в склянку, де була проба, а екстракти – в маленьку мірну воронку.

Екстракцію гексаном порціями по 15мл провести 2-3 рази до повного вилучення нафтопродуктів (до одержання безколірного екстраку). З мірної воронки злити воду (якщо вона є), а екстракти профільтрувати через подвійний фільтр "жовта стрічка" в мірну колбу ємкістю 50 мл.

Об’єм з’єднаних екстрактів довести в мірній колбі до 50 мл чистим гексаном. При проведенні аналізу необхідно увагу приділити наступному: крани у воронках повинні бути ретельно закриті, при цьому не дозволяється застосування мастила, тому що це може призвести до помилки у визначеннях.

3. Визначити виіст нафтопродуктів.

На фотоелектроколориметрі визначити оптичну густину одержаного екстракту з проби води (ртутна лампа СВД-120А, кювета 10 мм, світлофільтр № 1). Нульову точку фотоелектроколориметра встановити по гексану. Оптична густина екстракту повинна знаходитися в межах 0,2-0,7. Якщо оптична густина більше 0,7 провести відповідне розведення (див. таблицю) чистим гексаном.

Визначити вміст нафтопродуктів по калібровочній кривій для даного типу води. Вміст нафтопродуктів у воді розрахувати за формулою 4.1:

(4.1)

де Х – сумарний вміст нафти і нафтопродуктів у воді, яка підлягає аналізу, мг/л; а – вміст нафтопродукту, який визначений по калібровочній кривій, мг; V – об’єм води, взятої для аналізу, мл; V₁ – об’єм екстракту з мірної колби ємкістю 50мл, який взятий для розведення, мл; V₂ – об’єм мірної колби, яка взята для розведення екстракту, мл.

Якщо екстракт не був розведений, розрахунок провести за формулою 4.2:

(4.2)

Допустима різниця між результатами двох паралельних визначень - 10%.

Варіантність роботи

Для виконання даної лабораторної роботи студентам видаються проби води з відповідним вмістом нафтопродуктів, який необхідно визначити.

Контрольні питання

1. В чому полягає екологічна небезпека забруднення води нафтопродуктами?

2. Які існують джерела забруднення вод нафтою та нафтопродуктами?

3. Які застосовуються на практиці методи очистки води від нафтопродуктів?

4. В чому полягає перевага зворотного водопостачання нафтопереробних підприємств?

5. Які існують технологічні операції підготовки води для зворотного водопостачання?

6. В чому полягає принцип спектрофотометричного методу аналізу води на вміст нафтопродуктів?

7. Як проводиться підготовка проби води для проведення аналізу спектрофотометричним методом?