По своим физическим и химическим свойствам вода как самая аномальная из всех природных жидкостей способствует образованию на земле большого круговорота тепла, влаги и вещества, в котором воде принадлежит роль вечно живой движущей и транспортной силы.
Вода (Н20) — это химическое соединение, состоящее из 11,11% водорода и 88,89 % (по массе) кислорода. Чистая вода представляет собой бесцветную жидкость без запаха и вкуса. Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. В ней содержатся растворенные вещества во взвешенном состоянии, твердые частицы песка, глины, остатки растений и животных, а также всевозможные микроорганизмы.
Насосные и компрессорные станции (НС и КС) магистральных газонефтепроиодов почти всегда находятся вдали от крупных городов и промышленных центров.Поэтому довольно часто приходится проектировать водопроводную систему для промышленного объекта и жилого поселка, расположенного рядом с ним. В качестве примера на рис. 2.1 представлена схема компрессорной станции и рабочего поселка, расположенного на значительном расстоянии от ближайшего населенного пункта и имеющего индивидуальную водопроводно-канализационную систему. Водоснабжение может производиться из поверхностных или подземных источников.
Расчетный расход воды определяют с учетом числа жителей рабочего поселка и норм потребления. Нормой хозяйственно-питьевого потребления воды в населенных местах называется количество воды (в л), потребляемой в сутки одним жителем на хозяйственно-питьевые нужды. Она зависит от степени благоустройства зданий, климатических и других местных условий (табл. 2.4).
При расчете объема водонапорной башни следует стремиться к ее минимальным размерам. С этой целью расчет НС второго подъема стремятся как можно ближе приблизить к графику потребления воды. Работа НС второго подъема представлена на рис. 2.7 линией 3. Если рассматривать график по часам, то с 23 до 4 ч вода наполняет водонапорную башню, а с 4 до 6 ч она НС второго подъема забирается в водопроводную сеть и т. д. В то же время большая неравномерность в расходах между станциями первого и второго подъема вызывает увеличение объема чистой воды. Для расчетов НС и регулирующих емкостей удобнее использовать интегральные графики. Метод расчета по этим графикам описан в специальной литературе. При окончательном выборе объема резервуаров чистой воды и водонапорных башен, пропускной способности НС первого и второго подъема решаются на основании технико-экономического расчета.
При проектировании НС не удается добиться такого положения, при котором потребление воды промышленным предприятием и рабочим поселком соответствовало бы пропускной способности НС. Плавно регулировать пропускную способность НС довольно сложно, а ступенчатое регулирование (включение или выключение дополнительных насосов) не дает желаемого результата. Поэтому для регулирования потребления воды и пропускной способности НС устанавливают водонапорные башни, которые выполняют функции не только регулировки, но и хранения противопожарного запаса воды в первые минуты его возникновения.
Канализацию можно подразделить на внутреннюю и наружную. Внутренняя канализация служит для приема сточных вод в местах их образования и транспортировки до наружной канализации. Наружная канализация предназначена для транспортировки сточных вод на очистные сооружения, которые служат для обезвреживания сточных вод, выпуска очищенных сточных вод в водоем без нарушения его экологического состояния.
Основой проектирования канализационной сети является генеральный план канализируемого объекта — рабочего поселка, насосной или компрессорной станции, нефтебазы. Границы канализируемой территории населенного пункта определяют в пределах застройки или генеральным планом при проектировании. Границы канализируемой территории промышленного предприятия определяют в пределах отдельных объектов.
Различные формы поперечного сечения труб представлены на рис. 3.4.Все виды канализационных труб можно разделить на три группы: круглые, у которых высота сечения равна ширине; вытянутые, у которых высота больше ширины; сжатые, у которых высота меньше ширины.
Наружную дождевую и производственно-дождевую канализационные сети устраивают открытого, закрытого и смешанного типов. На нефтебазах первой и второй категорий канализационная сеть должна быть закрытой, а на -нефтебазах третьей категории — открытого и смешанного типов. Открытые лотки для сточных вод на площадках железнодорожных эстакад должны иметь уклон к выпуску не менее 0,005. Выпуски из лотка необходимо устраивать через каждые 50 м.
Очистные сооружения нефтебазы обычно работают по двухступенчатой схеме очистки. В настоящее время иногда применяют и трехступенчатые схемы.Первая ступень — гравитационное отделение, состоящее из буферных резервуаров, резервуаров-отстойников и нефтеловушек.
Первые работы в этой области принадлежат И. Ньютону.Основным, в определенной степени переломным, моментом развития теории в рассматриваемой области является классическая работа Д. Г. Стокса об обтекании шара, которая в значительной степени была подготовлена предшествующими исследованиями в области гидравлики и гидродинамики.
Для практических задач очистки сточных вод от нефтепродукта большой интерес представляет механика жидких частиц, т. е. движение жидких капель в жидкой среде.Движение жидкой капли в жидкой среде существенно отличается от движения жесткой сферы в аналогичных условиях и является значительно более сложным. Первое отличие состоит именно в том, что жидкая капля не является жесткой и в процессе движения может изменять форму. Это явление очень хорошо на-блюдается при движении воздушного пузыря в жидкой среде. На пузырь воздуха действуют подъемная сила, а также силы сопротивления жидкости и поверхностного натяжения. Последняя сила стремится придать пузырю шарообразную форму. В то же время сила сопротивления создает неравномерное по окружности давление на шар. В результате действия этой силы шарообразная форма нарушается. Чем меньше пузырьки газа, тем больше силы поверхностного натяжения и тем устойчивее его форма. Весьма небольшие пузыри почти всегда были шарообразными. У больших пузырей влияние поверхностного натяжения по сравнению с динамическим воздействием жидкости меньше, и шар сплющивается, приобретая различные неустойчивые формы. Такая форма тела приводит к колебаниям скорости его всплытия и к отклонениям траектории движения от вертикали. Возникает осцилляция (колебательное изменение формы) капель, как это схематически показано на рис. 4.5. Для характеристики размеров капель вводится понятие эквивалентного диаметра (диаметра сферы, имеющего объем, равный объему капли).
Выбор схемы канализации и состава очистных сооружений должен осуществляться в зависимости от мощности предприятия, количества образующихся сточных вод, их загрязненности и места сброса, требований контролирующих органов к качеству очистки. Если сточные воды перекачиваются для очистки на очистные сооружения соседних предприятий, то необходимо организовать сбор сточных вод и предварительную очистку в соответствии с требованиями предприятия, принимающего стоки. Если стоки выпускаются в городскую канализационную сеть, в этом случае выполняются требования к сточным водам городской очистной станции. В зависимости от требований к степени очистки сточных вод применяют ту или иную схему очистки и выбирают методы очистки.
На входе в песколовку установлены решетки для задержания крупных механических примесей. Кроме рещеток в начале и конце песколовки установлены деревянные шиберы для равномерного поступления воды и отключения песколовки. Дно песколовки выполнено под углом к центру сооружения для сбора и откачки выпавшего осадка.
Очистные сооружения промышленного предприятия рассчитывают на определенную производительность. После технологического процесса загрузненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций поступают на очистные сооружения неравномерно. Для более постоянной их подачи используют буферные резервуары. Они представляют собой обычные типовые стальные вертикальные резервуары, оборудованные водораспределительным и нефтесборным устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и др. (рис. 5.5) Поскольку нефть в воде находится в трех состояниях (легкоотделимой, трудноотделимой и растворенной), то, попав в буферный резервуар, легкоотделимая нефть в течение короткого времени всплывает на поверхность воды. Трудноотделимая нефть всплывает на поверхность значительно медленнее, а для отделения мелкодисперсной (растворенной) нефти при большой высоте резервуара необходимо затратить значительное время (более 48 ч).
Фильтры разделяются по скорости движения воды в них на фильтры с постоянной и переменной скоростью. При переменной скорости фильтрования (постоянной разности давлений до и после фильтра) по мере увеличения объема фильтрата, т. е. продолжительности фильтрования, скорость фильтрования уменьшается. При постоянной скорости фильтрования разность давлений до и после фильтра увеличивается.
Решающее влияние на рабочий эффект открытого гидроциклона оказывают физические свойства частиц (размер, форма, плотность и др.), для задержания которых он предназначен, а также геометрические размеры гидроциклона и гидравлический режим его работы. Схема простейшего гидроциклона показана на рис. 5.22. 2.
Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в создании комплекса частица— пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося ценного слоя. Процесс флотации широко применяется при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод.
Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в ¡камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица—пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.
Принципиальные схемы напорной флотации представлены на рис. 6.4.Современные схемы флотационных установок можно классифицировать на три основные группы: 1) с насыщением всего потока сточной воды воздухом; 2) с насыщением части потока сточной воды воздухом; 3) с насыщением части очищенной воды воздухом и смещением ее со сточной водой, поступающей на очистку.
Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их можно также применять для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ очистки в промышленности применяется редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества (флотореагенты-вспениватели).
Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.
Озон обладает высокой окислительной способностью и при нормальной температуре разрушает многие органические вещества, находящиеся в воде. При этом процессе возможно одновременное окисление примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание сточной воды и насыщение ее кислородом. Преимуществом этого метода является отсутствие химических реагентов при очистке сточных вод.
Сточные воды, прошедшие механическую и физикохимическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.
Преимущества биологического метода очистки — возможность удалять из сточных вод разнообразные органические соединения, в том числе токсичные, простота конструкции аппаратуры, относительно невысокая эксплуатационная стоимость. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы некоторых органических и неорганических соединений и необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.
Цель существующих законодательств и «Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами», утвержденных в 1974 г., — регулирование водных отношений для обеспечения рационального использования вод для нужд населения и народного хозяйства, охрана вод от загрязнения, засорения и истощения, предупреждение и ликвидация вредного воздействия вод, улучшение состояния водных объектов и укрепление законности в области водных отношений.
Загрязненные сточные воды, сбрасываемые в водоем, постепенно перемешиваются с водами водоема, при этом происходит снижение концентрации загрязняющих веществ в сточной воде. Этот процесс называется разбавлением сточных вод. Интенсивность процесса характеризуется кратностью разбавления.