Извлечение нефтепродуктов из сточных вод природными сорбентами Арктики
- Авторы: Вялкова Е.И.1
-
Учреждения:
- Тюменский индустриальный университет
- Выпуск: Том 12, № 4 (2022)
- Страницы: 25-33
- Раздел: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/108791
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2022.04.04
- ID: 108791
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Нефтегазодобыча в Ямало-Ненецком и Ханты-Мансийском автономных округах оказывает неблагоприятное влияние на экологическое состояние Арктики. С целью предупреждения загрязнения северных водных объектов нефтепродуктами рассматриваются местные природные материалы (торф, мох и ягель) в качестве сорбентов. Построены изотермы сорбции при разной исходной концентрации загрязняющего вещества (250,50 и 0,5 мг/дм3); определены закономерности изменения интенсивности сорбции нефтепродуктов. Проводилась модификация сорбентов микроволновым излучением, которая оказала заметный положительный эффект на образцы ягеля. На основании данных лабораторного эксперимента были рассчитаны конструктивные параметры фильтрующих кассет. Эффективность и дешевизна позволяют предположить экономическую целесообразность использования данных материалов в технологиях очистки сточных вод.
Ключевые слова
Полный текст
Согласно Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности до 2035 года [1], территория Арктики обеспечивает добычу более 80 % природного газа и 17 % российской нефти. Например, только на Арктическом шельфе открыто 26 месторождений нефти и газа, из которых 7 подготовлены к разработке [2]. Наибольший вклад в производство жидких углеводородов вносят нефтегазодобывающие предприятия, большинство из которых сосредоточены на севере региона в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре (ХМАО) и Ямало-Ненецком автономном округе (ЯНАО) [3].
В процессе антропогенного воздействия и изменения климатических условий возникают неблагоприятные экологические последствия. Отмечается, что в районах добычи нефти, природного газа и других полезных ископаемых источники водоснабжения более загрязнены в результате активного промышленного использования территории и, как следствие, техногенного поступления нефти и нефтепродуктов в окружающую среду [4–9]. В табл. 1 приведены примеры содержания нефтепродуктов в сточных водах некоторых нефтепромысловых предприятий и объектов инфраструктуры [6–8]. В табл. 2 сведены данные по состоянию поверхностных источников воды на территориях нефтедобычи Тюменского севера [9]. Пространственный анализ загрязнений показал, что наибольшая площадь ареалов, где водные объекты содержат нефтепродукты, сосредоточена на территориях ХМАО и ЯНАО. Превышение ПДК тесно связано с размещением основных месторождений и трубопроводов углеводородного сырья. Это происходит по нескольким причинам, одна из которых – поступление в реки загрязнений в составе неочищенных или плохо очищенных сточных вод. В связи с этим в числе основных решаемых задач стоит минимизация сбросов в водные объекты загрязняющих веществ при осуществлении хозяйственной и иной деятельности [1].
Таблица 1. Концентрация нефтепродуктов в сточных водах
Концентрация нефтепродуктов в исходной воде, мг/дм3 | Виды сточных вод и их источники | |||
Нефтепро-мысловые сточные воды | Дождевые сточные воды нефтебаз | Производ-ственные сточные воды нефтебаз | Хозяйственно-бытовые сточные воды вахтовых поселков | |
Общие, в т.ч.: | - | 20-1000 | 400-15000 | до 10 |
- плавающие | До 10000 | - | 350 -14700 | - |
-эмульгированные | 500-600 | - | 50-300 | - |
- растворенные | До 10 | - | 5-20 | - |
Таблица 2. Среднегодовые концентрации нефтепродуктов в воде западносибирских рек на гидрохимических постах наблюдений в 2016–2017 гг.
Наименование водного объекта | Р. Обь | Р. Иртыш | Р. Пур | Р. Таз | Р. Собь
|
Концентрация нефтепродуктов, мг/дм3 | 0,005-0,079 | 0,01-0,692 | 0,039-0,133 | 0,039-0,093 | 0,136-0,161 |
Превышение ПДК=0,05 мг/дм3 | 1,58 | 13,84 | 2,66 | 1,86 | 3,22 |
Современные технологические схемы обработки сточных вод предусматривают в своем составе сооружения, в которых собираются и удаляются всплывающие загрязнения, например песколовки-нефтеловушки, отстойники, флотаторы, гидроциклоны и др. [6, 7]. Одним из самых распространенных способов доочистки воды от остаточных нефтепродуктов является сорбция, которая применяется в сооружениях, таких как сорбционные фильтры и сорбционные колонны. Основными технологическими параметрами фильтров с зернистыми загрузками являются скорость фильтрования, высота слоя фильтрующего материала, крупность фракций материала, а также форма зерна материала, его пористость и неоднородность [10]. Самым распространенным и наиболее эффективным загрузочным материалом таких сооружений считаются активированные угли, которые для Тюменского региона весьма дороги из-за отсутствия рядом месторождений. Перспективные сорбционные материалы для очистки сточных вод должны обладать не только высокими сорбционными свойствами, но и быть нетоксичными, способными к регенерации и легко утилизироваться, а также иметь низкую стоимость и доступную сырьевую базу. Эти требования заставляют исследователей обращаться и к другим сорбентам природного происхождения [11].
Основным недостатком природных материалов как сорбентов является их слабо выраженная сорбционная способность, на которую также негативно влияет их повышенная гидрофильность. Снижения водопоглощения и повышения сорбционной активности возможно добиться путем различных модификаций [12–14]. Наиболее популярные способы модификации и активации сорбентов, следующие: термообработка (разные способы нагрева или сжигания) или обработка горячим паром [15, 16]; обработка растворами солей, щелочей или кислот, может быть в сочетании с термообработкой [14]; методы физико-химического воздействия на сорбент или смесь сорбента и сорбата [13]. В последнее время все чаще обращаются к методам физического воздействия, таким как микроволны, ультразвук и др. [17–20]. Главные критерии при выборе способов модификации – эффективность, экономичность, безопасность и технологичность. В табл. 3 представлены наилучшие результаты по исследованию некоторых сорбентов природного происхождения на извлечение из воды нефтепродуктов [13–16, 21, 22, 24].
Таблица 3. Извлечение природными сорбентами нефтепродуктов
Сорбент | Модификация | Условия обработки | Результаты и эффекты |
Торф | Промывка, сушка | Т=20 оС
| Извлечение растворенных нефтепродуктов из воды 0,36 г/г при исходной концентрации 250 мг/дм3 |
Торф | Нагрев микроволнами | W60-900 Вт, 12–60 мин | Нефтеемкость увеличивается и составляет 2,5–2,73 г/г. |
Сосновые опилки | Нагрев микроволнами | W600 Вт, 2 мин | Увеличение сорбционной емкости по растворенным нефтепродуктам в 3,7–4 раза |
Опилки ясеня | Обработка кислотой | 30 мин в 3 % HNO | Увеличение нефтеемкости на 43 % до 5,93 г/г |
Ветки тополя | Измельчение | Крупность не более 2 мм | Сорбция растворенных нефтепродуктов 0,17 мг/г при исходной концентрации 10 мг/дм3 |
Рисовая шелуха | Сжигание | Т=500–800 оС
| Удаление нефтепродуктов из воды на 78–98 % |
Рисовая солома | Нагрев | Т=140 оС, 10 мин | Извлечение дизельного топлива из морской воды возрастает в 1,32 раза |
Природные сорбенты могут использоваться для удаления из сточных вод и других видов загрязнений. Например, измельченные ветки городских деревьев, сосновые опилки, а также модифицированная кора неплохо сорбируют ионы меди [24, 25]. Отмечается способность мхов аккумулировать различные металлы, и это свойство может быть использовано в очистных сооружениях промышленного поверхностного стока [26]. Предварительно модифицированный торф способен удалять из воды ионы марганца, свинца, хрома и меди [14]. Аналитические описания сорбционных свойств природных сорбентов были приведены в ранее опубликованных работах [13, 14, 24, 27], которые использовались за основу в данной исследовательской работе.
В качестве природных сорбентов были рассмотрены торф, мох и ягель, взятые на территории Ямало-Ненецкого автономного округа в Приуральском районе Арктической зоны России. Основные данные приведены в табл. 4.
Таблица 4. Данные по образцам Арктических природных материалов
Внешний вид образца | Название | Место взятия | Описание материала |
Торф | Месторождение вдоль берега реки Щучье, в 15 км от села Белоярск. Координаты GPS: 66.824494, 68.296897 | Торф имеет особую рыхлую волокнистую структуру, состоящую из растительного слоя. Влажный, серовато-бурого цвета. Обладает природным земельным запахом, без техногенных примесей | |
Мох | В районе села Аксарка, по дороге Аксарка-Салехард на 21 км, в тундре. Координаты GPS: 66.462440, 67.521224 | Листья арктического мха имеют нитевидную структуру и растут по спирали вокруг стебля. Цвет растения изменяется от болотного до светло-зеленого; мох насыщен влагой и обладает растительным запахом | |
Ягель | Лишайник из рода кладония, или «олений мох»; его небольшие ветвистые кустики напоминают кораллы. Цвет ягеля изменяется от бурого до светло-серого, сухое растение обладает слабым растительным запахом |
Образцы природных сорбентов тщательно промывались и высушивались до постоянного веса при температуре 20 оС. Исследование процессов сорбции проводилось для трех значений начальной концентрации нефтепродуктов (0,5, 50 и 250 мг/дм3) в модельном растворе. Вдинамических условиях при заданной скорости фильтрования (от 0,2 до 0,5 см/с) определялась остаточная концентрация вещества (мг/дм3) и рассчитывалась сорбционная емкость (мг/г). Далее анализировалась интенсивность процесса извлечения нефтепродуктов, характеризуемая коэффициентом Генри (Г) в зависимости Ср=Г∙Сs (Ср – сорбционная емкость, мг/г, Сs– остаточная концентрация загрязнения, мг/дм3) для прямолинейного интервала изотермы сорбции.
Измерение массовой концентрации нефтепродуктов в пробах воды осуществлялось флуориметрическим методом с использованием прибора «Флюорат-02-3М» согласно методике ПНД Ф 14.1:2:4.128-98. Модификация сорбентов осуществлялась методом физического воздействия: микроволновое облучение в бытовой СВЧ-печи при мощности W=600 Вт и частоте 2,45 Гц в течение 1 мин.
Построенные по результатам эксперимента изотермы сорбции нефтепродуктов торфом (рис.1) имеют прямолинейный характер. Отмечено пропорциональное изменение коэффициента Генри в уравнениях: чем выше исходное содержание загрязнения в воде, тем интенсивнее протекает процесс сорбции.
Рис. 1. Изотермы сорбции нефтепродуктов торфом из водных растворов при исходной концентрации, мг/дм3: а – С0=250; б – С0=50; в – С0= 0,5
В результате подтвердилась способность исследуемого торфа извлекать из воды нефтепродукты [14, 27], при этом чем выше исходная концентрация загрязнения в воде, тем выше эффективность очистки. Предварительная обработка образцов торфа микроволновым облучением повышает сорбционную емкость всего на 3–5 %.
Изотермы сорбции нефтепродуктов мхом и ягелем для различной начальной концентрации загрязняющего вещества представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Изотермы сорбции нефтепродуктов мхом из водных растворов при исходной концентрации, мг/дм3: а – С0=250; б – С0=50; в – С0= 0,5
Рис. 3. Изотермы сорбции нефтепродуктов ягелем из водных растворов при исходной концентрации, мг/дм3: а – С0=250; б – С0=50; в – С0= 0,5
Все виды растительных сорбентов отлично сорбируют нефтепродукты в условиях высокой исходной концентрации (250 мг/дм3), и гораздо хуже в случае средних (50 мг/дм3) и особенно низких значений (0,5 мг/дм3). На рис. 4 показано изменение интенсивности процесса сорбции торфом, мхом и ягелем в зависимости от начальной концентрации вещества.
Рис. 4. Изменение интенсивности процесса сорбции нефтепродуктов из модельно водного раствора в зависимости от исходной концентрации
Микроволновая обработка дает положительный эффект для образцов ягеля: сорбционная емкость может быть увеличена на 11–15 %. Для образцов мха модификация микроволнами не существенна – сорбционная емкость возрастает всего на 1–3 %.
С целью практического применения результатов исследований расчетным методом определялись конструктивные размеры съемных фильтрующих кассет с загрузкой из изучаемых сорбентов. Кассета представляет собой квадратное в плане устройство на деревяном каркасе с обшивкой из фильтрующей ткани (например холщевой), и внутри заполненное торфом или другим материалом. Кассета может вставляться в специальный железобетонный колодец как съемный фильтрующий элемент.
Ранее была получена эмпирическая зависимость для определения высоты фильтрующего слоя (Hk) в реальной установке для очистки нефтесодержащих сточных вод при использовании сорбентов растительного происхождения [14]:
, (1)
где – скорость фильтрования, находится в пределах от 0,2 до 0,5 см/с; Кзап –коэффициент запаса, равный 1,5-2,0; – коэффициент массопереноса, определяется по формуле
. (2)
Коэффициент массопереноса b (с-1) определяется в каждом отдельном случае по величине «мгновенного проскока» Смгн (мг/дм3) и времени tпр (с) при прочих равных условиях.
Технологические параметры исследуемых образцов, необходимые для определения конструктивных параметров фильтрующих кассет, представлены в табл. 5.
Таблица 5. Технологические параметры природныхсорбентов
Вид сорбента | С0/Свых, мг/дм3 | Смгн, мг/дм3 | tпр, с | , с-1 | , см/с | Hk, см |
Образцы сорбентов без обработки | ||||||
Торф | 10/0,05 | 3,51 | 10 | 0,1047 | 0,5 | 54,5 |
Мох | 10/0,05 | 3,68 | 11 | 0,0909 | 0,5 | 62,8 |
Ягель | 10/0,05 | 4,01 | 13 | 0,0703 | 0,5 | 81,1 |
Образцы сорбентов с обработкой в микроволновой печи | ||||||
Торф | 10/0,05 | 3,22 | 9 | 0,1259 | 0,5 | 45,3 |
Мох | 10/0,05 | 3,46 | 10 | 0,1061 | 0,5 | 53,7 |
Ягель | 10/0,05 | 3,31 | 11 | 0,1005 | 0,5 | 56,7 |
Полезная площадь фильтрующей кассеты F (м2) определяется по формуле
, (3)
где Q – суточный расход сточных вод, м3/сут; – скорость фильтрации, принимается от 10 до 20 м/ч; N – количество рабочих установок; коэффициент запаса Кз=1,4.
Например, при расчетной скорости фильтрования 18 м/ч и расходе 200 м3/сут необходимая площадь одной фильтрующей кассеты с загрузкой из природного сорбента (при общем количестве рабочих установок –2) составит 0,324 м2 с размерами в плане 0,6×0,6 м. Высота кассеты принимается в зависимости от вида загрузки (табл.5). В среднем, при неизменной входной концентрации такая кассета сможет прослужить от 3 до 7 сут, далее ее необходимо заменить на новую. Отработанную кассету, насыщенную нефтепродуктами, высушивают и используют как топливный брикет.
Выводы
Природные материалы Арктической зоны Ямало-Ненецкого автономного округа (торф, мох и ягель) являются потенциальными сорбентами для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты. Проведенный эксперимент на модельных растворах позволил получить изотермы сорбции и их характеристики для нескольких значений начальной концентрации нефтепродуктов. Исследования показали, что при максимальной концентрации загрязнения (250 мг/л) достигаются наилучшие результаты для всех образцов: скорость сорбции в 1,9–3 раза выше, чем при исходной средней и низкой концентрации(50 и 0,5 мг/дм3). Это подтверждает известный факт – чем выше концентрация загрязнения в воде, тем легче ее можно снизить сорбцией, в том числе и с использованием торфа, мха или ягеля.
Модификация исследуемых материалов микроволновым облучением незначительно улучшает сорбционные свойства торфа (на 3–5 %) и мха (на 1–3 %). Микроволновая обработка ягеля повышает сорбционную емкость на 11–15 %. Этот способ дополнительной обработки ягеля позволит сократить высоту слоя загрузки фильтрующих сооружений или увеличить срок их службы.
В результате эксперимента получены параметры, необходимые для моделирования фильтрующих кассет с загрузкой из торфа, мха или ягеля. Расчётным способом определены конструктивные размеры сооружений очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты в концентрации не более 10 мг/л. Данные фильтры можно применять на стадии доочистки хозяйственно-бытовых сточных вод вахтовых поселков или на стадии основной очистки поверхностного стока с площадок нефтяных месторождений, нефтебаз и других профильных предприятий.
Об авторах
Елена Игоревна Вялкова
Тюменский индустриальный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: vyalkova-e@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2232-1107
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры инженерных систем и сооружений
Россия, 625000, г.Тюмень, ул.Володарского, 38Список литературы
- Указ Президента Российской Федерации №645 «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности до 2035 года» [Электронный ресурс]. 2020. Режим доступа: http://www.kremlin.ru/acts/bank/45972 (дата обращения: 06.02.2022).
- Дмитриевский А.Н., Еремин Н.А., Шабалин Н.А., Кондратюк А.Т., Еремин А.Н. Состояние и перспектива традиционного и интеллектуального освоения углеводородных ресурсов Арктического шельфа России. [Электронный ресурс]. 2017. Режим доступа: https://magazine.neftegaz.ru/articles/rynok/538351-sostoyanie-i-perspektivy-osvoeniya-uglevodorodnykh-resursov-arkticheskogo-shelfa-rossii/ (дата обращения: 06.02.2022).
- Тюменская область - Википедия[Электронный ресурс]. 2020. Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/Тюменская_область (дата обращения: 06.02.2022).
- Доклад об экологической ситуации в Ямало-Ненецком автономном округе в 2020 году [Электронный ресурс]. 2021. Режим доступа:https://dprr.yanao.ru/documents/active/115140/ (дата обращения: 06.02.2022).
- Доклад об экологической ситуации в Ханты-Мансийском автономном округе – Югре в 2020 год [Электронный ресурс]. 2021. Режим доступа:https://prirodnadzor.admhmao.ru/doklady-i-otchyety/doklad-ob-ekologicheskoy-situatsii-v-khanty-mansiyskom-avtonomnom-okruge-yugre/5856244/2020-god/ (дата обращения: 06.02.2022).
- Адельшин А.А., Адельшин А.Б., Гришин Б.М.,Бикунова М.В.,СафроновМ.А. Очистка сточных вод нефтепромыслов с применением высокопроизводительных блочно-модульных установок: монография. Пенза: ПГУАС, 2015. 136 с.
- Стахов Е. А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов. Л.: Недра, 1983.263 с.
- Вялкова Е.И., Максимова С.В., Землянова М.В., Воротникова А.В. Проектирование систем водоотведения вахтовых поселков при нефтегазовых месторождениях Западной Сибири. Тюмень: ТИУ, 2020. 187 с.
- Мезенцева О.В., Волковская Н.П., Захарова В.П., Гурьянова В.В. Загрязнение западносибирских рек нефтепродуктами за период 2000–2017 гг. // Успехи современного естествознания. 2018. № 12–1. С. 175–181.
- Дзюбо В.В. О фильтрующих материалах и параметрах работы водоочистных фильтров // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2019. Т. 21. № 1. С. 177–187.
- Привалова Н.М., Двадненко М.В., Некрасова А.А., Попова О.С. Привалов Д.М. Очистка нефтесодержащих сточных вод с помощью природных и искусственных сорбентов // Научный журнал КубГАУ. 2015. № 113 (09). С. 10.
- Rafeah W., Luqman A. Ch., Thomas Sh. Y. Ch., Zainab N., Mohsen M.N. Oil removal from aqueous state by natural fibrous sorbent: An overview // Separation and Purification Technology. 2013. n 113. pp. 51–63.
- Малышкина Е.С., Вялкова Е.И., Осипова Е.Ю. Использование природных сорбентов в процессе очистки воды от нефтепродуктов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2019. Т. 21. № 1. С. 188–200.
- Большаков А.А., Вялкова Е.И. Природные минералы Тюменской области: свойства и перспективы использования в процессах очистки воды: монография. С.-Петербург: ООО «Недра», 2005.128 с.
- Faizal A.M.,Kutty S.R.M.,Ezechi E.H. Removal of Oil from Water by Column Adsorption Method Using Microwave Incinerated Rice Husk Ash (MIRHA) //InCIEC 2014. 2015, Pp. 963–971.
- Taufik S.H., Ahmad S.A., Zakaria N.N., Shaharuddin N.A., Azmi A.A., Khalid F.E.,Merican F., Convey P.,Zulkharnain A., Abdul Khalil K. Rice Straw as a Natural Sorbent in a Filter System as an Approach to Bioremediate Diesel Pollution// Water. 2021.V.13(23). doi: 10.3390/w13233317.
- Bakhia T.,Khamizov R.K.,Bavizhev M.D.,Konov M.A. The effect of microwave treatment of clinoptilolite on its ion-exchange kinetic properties// Sorpt. Chromatogr. Process. 2016.V.16.Pp.803–812.
- Бердоносов С.С. Микроволновая химия // Соросовский образовательный журнал. 2001.Т.7. №1. С.32–38.
- Vialkova E., Obukhova V., Belova L. Microwave irradiation in technologies of wastewater and wastewater sludge treatment: a review // Water. 2021.V.13(13). doi: 10.3390/w13131784.
- Staicu V., Luntraru C.,Calinescu I.,Chisega-Negrila C.G.,Vinatoru M., Neagu M.,Gavrila A.I., Popa I. Ultrasonic or Microwave Cascade Treatment of Medicinal Plant Waste // Sustainability. 2021.V.13.doi: 10.3390/su132212849.
- Bannova E.A.,Kitaeva N.K.,Merkov S.M.,Muchkina M.V.,Zaloznaya E.P.,Martynov P.N. Study of a method for obtaining a hydrophobic sorbent based on modified peat//Sorpt. Chromatogr. Process. 2013. 13. Pp. 60-68.
- Данилов О.С., Михеев В.А., Москаленко В.А. Исследование влияния электромагнитного микроволнового излучения на твердые горючие ископаемые. 2011.Т.13. №1 (5). С.1264–1267.
- Денисова Т.Р., Шайхиев И.Г., Сиппель И.Я. Увеличение нефтеемкости опилок ясеня обработкой растворами кислот // Вестник технологического университета. 2017. Т. 18. № 17. С. 233–235.
- Воронов А.А., Максимова С.В., Осипова Е.Ю. Очистка талых вод урбанизированных территорий с использованием фитосорбентов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т.23(2). С.105–117. doi: 10.31675/1607-1859-2021-23-2-105-117
- Микова Н.М., Скворцова Г.П., Мазурова Е.В., Чесноков Н.В. Влияние сшивающего эффекта на свойства сорбентов, получаемых из коры осины и лиственницы // Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 10. С. 1333–1343. doi: 10.1134/S0044461819100128.
- Урлих Д.В., Тимофеева С.С., Брюхтов М.Н. Возможности использования листостебельных мхов в очистке сточных вод // Вестник ИрГТУ. 2013. №12 (83). С.136–139.
- Сергеева Е.С., Лаптедульче Н.К. Разработка подходов к моделированию процессов очистки нефтесодержащих вод в динамических условиях природными сорбентами // Энергосбережение и энергоотведение. 2009. №4(60). С. 9–11.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)