Биологическая очистка сточных вод предприятий нефтедобычи

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

 

 

 

 

 

 

 

 

Биологическая очистка сточных вод предприятий нефтедобычи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2014 г

 

 

 

 

Введение

 

Проблема охраны окружающей природной среды приобретает особую остроту в связи с загрязнением водоемов и почв в результате освоения в широких масштабах нефтегазовых ресурсов. Нефтяная отрасль по глубине и многообразию негативных воздействий на окружающую среду превосходит все другие отрасли, так как её развитие приводит к увеличению антропогенной нагрузки на экосистему, загрязнению биосферы и ухудшению здоровья населения.  Наиболее ощутимо эти воздействия проявляются в условиях старения объектов добычи, подготовки, переработки и транспорта углеводородного сырья из-за технологических и аварийных выбросов продукции.

В условиях все возрастающего загрязнения природных вод разнообразными веществами требуется разработка, и применение таких мер, приемов и методов, которые бы обеспечили достижение биологически полноценной по качеству пресной воды.

Ущерб, причиненный окружающей среде нефтедобывающем предприятием, в общем случае можно разделить на два основных вида: 1) кратковременный, обусловленный выбросами и сбросами загрязняющих веществ; 2) долговременный, вызванный аварийными ситуациями, а также постоянными выбросами и сбросами загрязняющих веществ с превышением предельно допустимых норм.

Нефть и нефтепродукты, находящиеся в водных бассейнах, пагубно действуют на все звенья биологической цепи. Некоторые из фракций, содержащихся в нефти, весьма токсичны, причем их токсичность возрастает по мере увеличения концентраций этих фракций при поглощении или растворении их в водной системе.  Нефть эмульгируется, образующиеся эмульсии с разным содержанием нефти могут быть токсичны, и физически воздействовать на организмы, вызывая удушье.

Таким образом, продолжающееся загрязнение водных ресурсов нефтью и нефтепродуктами,  не полная разработанность методов глубокой очистки и доочистки производственных стоков и природных водоемов от разнообразных углеводородов ставит задачу поиска путей обеспечивающих восстановление естественных качеств воды. Наиболее приемлемыми способами на современном этапе работ являются создание ресурсосберегающих биотехнологий, основанных на управляемом применении различных таксономических групп активных в окисление нефти аборигенных  микроорганизмов водных экосистем.

Биологическая очистка нефтезагрязненных вод

 

На сегодняшний день, в сфере природоохранных работ активно осваиваются новые способы устранения различных видов загрязнения путем биологической очистки. Нефть и нефтепродукты - один из самых распространенных загрязнителей окружающей среды. При сбросе масло- и нефтепродуктов в водоем, на поверхности зеркала воды образуется пленка или капельная эмульсия нефтепродуктов. Нефтяное пятно препятствует обмену кислородом воздуха, что наносит большой вред экологии водоемов.

На каждом предприятии должны быть локальные очистные сооружения, которые сокращают сбросы нефтепродуктов в водоемы.

Технология очистки нефтесодержащих сточных вод зависит от требований к очищенной воде от жиров, масел, нефтепродуктов.

В основном на предприятиях нефтепереработки для очистки стоков используются механическая и химическая очистки, однако на выходе они все еще содержат достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки. Для более тщательного удаления нефтепродуктов из воды применяются методы биологической очистки. Разберемся в особенностях.

Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления - H2O, CO2, NO3-, SO42- и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.

Для правильного использования микроорганизмов при биологической очистке необходимо знать физиологию микроорганизмов, т.е. физиологию процесса питания, дыхания, роста и их развития.

На эффективность очистки биологическими методами влияют следующие факторы:

1.Температура

Температура напрямую влияет на жизнеспособность бактерий. Роль температуры связана, в частности, с температурной зависимостью растворимости кислорода в воде. Как правило, оптимальные температуры для аэробных процессов 20…30 градусов, превышение этих порогов вызывает гибель микроораганизмов, что снижает эффективность очистки.

2.Величина рН.

Оптимальная рН = 6,5…7,5; для каждого типа бактерий данные значения свои, некоторым необходима кислая среда, кому-то щелочная.

3.Содержание биогенов.

Биогенные элементы N и Р необходимы бактериальной клетке как «строительный» (N) и энергетический (Р) материал, без них жизнеспособность качественно снижается.

4.Уровень питания .

Это величина суточной нагрузки по загрязнениям в пересчёте на 1 м3 очистного сооружения, ,приходящаяся на 1г части биомассы.

5.Токсичные вещества.

Несмотря на то, что бактерии питаются именно токсинами, превышение их концентрации в очищаемой воде могут привести к задержанию роста и развития организмов, а так же к гибели их. Поэтому на очистных сооружениях должна действовать система контроля за превышением ПДК загрязнителей в воде.

Очистные сооружения биологической очистки можно разделить на два основных типа:

-сооружения, в которых  очистка происходит в условиях, близких к естественным;

-сооружения, в которых  очистка происходит в искусственно  созданных условиях.

К первому типу относятся сооружения, в которых происходит фильтрование очищаемых сточных вод через почву (поля орошения и поля фильтрации) и сооружения, представляющие собой водоемы (биологические пруды) с проточной водой. В таких сооружениях дыхание микроорганизмов кислородом происходит за счет непосредственного поглощения его из воздуха. В сооружениях второго типа микроорганизмы дышат кислородом главным образом за счет диффундирования его через поверхность воды (реаэрация) или за счет механической аэрации.

В искусственных условиях биологическую очистку применяют в аэротенках, биофильтрах и аэрофильтрах. В этих условиях процесс очистки происходит более интенсивно, так как создаются лучшие условия для развития активной жизнедеятельности микроорганизмов.

Биохимическая очистка производственных сточных вод нефтеперерабатывающих заводов производится в аэрофильтрах (биофильтры), аэротенках и биологических прудах.

Биофильтры — искусственные сооружения биологической очистки представляют собой круглые или прямоугольные сооружения из железобетона или кирпича, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов; отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и др.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары длиной 30-100 м и более, шириной 3-10 м и глубиной 3-5 м. Очистка сточных вод в аэротенках происходит под воздействием скоплений микроорганизмов (активного ила). Для нормальной их жизнедеятельности в аэротенки подают воздух и питательные вещества. Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

Биологические пруды представляют собой искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы. Эти сооружения можно использовать и для глубокой очистки (доочистки) сточных вод, прошедших биологическую обработку. Существуют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Глубина прудов с естественной аэрацией обычно не превышает 1 м. Для искусственной аэрации используют либо механические аэраторы, либо пропускают (барботируют) воздух через слой воды. Глубина прудов с искусственной аэрацией обычно не превышает 3 м. Как правило, пруды с искусственной аэрацией объединяют в несколько параллельных каскадов.

В окислительных процессах, протекающих в биологических прудах, существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема.

Сточные воды, обработанные в биологических прудах, рекомендуется дополнительно очищать в отстойных секциях. Для глубокой очистки стоков воду из прудов необходимо пропускать через песчаные фильтры.

После очистки остается использованный и избыточный активный ил (масса бактериальноактивного вещества). Ему можно найти свое применение.

Результаты исследования состава ила очистных сооружений нефтепереработки и их сравнение с анализами почвы показали, что в результате микробиологической деятельности из углеводородов нефти образуется гумусоподобное вещество с высоким содержанием веществ питания растений и микроэлементов. Наличие в иле большого количества органических веществ (50-90%), сходных по составу с почвенным гумусом представляет собой главную ценность избыточного активного ила.

Гумус является эффективным сорбентом загрязняющих веществ – тяжелых металлов, радионуклидов, органических соединений. Связывая их, гумус препятствует их миграции с почвенно-грунтовыми водами, снижает уровень биологического поглощения. Эти данные позволяют считать ил биологической очистки нефтесодержащих сточных вод высокоэффективным органическим удобрением. Сдерживающим фактором является наличие высоких содержаний бенз(а)пирена (130-600 мг/кг), которое заметно превышает ПДК почв (0,02 мг/кг). Это существенно сужает возможности использования ила биологической очистки нефтесодержащих сточных вод.

На основании полученных аналитических данных рассчитан класс опасности ила и показано, что ил является малоопасным веществом 4-го класса опасности. Однако проверка фитотоксичности показала, что ил не фитотоксичен. На основании изучения ила предложен и технологически проработан экологически безопасный и экономически эффективный способ утилизации ила очистных сооружений нефтепереработки с одновременной рекультивацией нарушенного участка земли в промзоне нефтеперерабатывающего предприятия. При этом создается плодородный почвенный слой с высокой биологической активностью, предполагающий внесение высоких доз ила – 350-400т/га по сухому веществу.

Применение ила в промзоне предприятия позволяет использовать его высокие удобрительные свойства и нивелировать отрицательное влияние бенз(а)пирена, которое проявилось бы в случае использования его в агросистемах.

Преимущества биологической очистки:

1.Возможностью удалять  из сточных вод разнообразные  органические и некоторые неорганические  соединения, находящиеся в воде  в растворенном, коллоидном и  нерастворенном состоянии, в том  числе и токсичные.

2.Простотой аппаратурного  оформления.

3.Относительно невысокими  эксплуатационными затратами.

К недостаткам метода относятся:

1.Высокие капитальные  затраты на строительство очистных  сооружений большой площади.

2.Необходимость строгого  соблюдения технологического режима  очистки, постоянного контроля за  концентрацией загрязнителей в  поступающей в аэротенк воде.

3.Токсичное действие на  микроорганизмы ряда органических  и неорганических соединений, приводящее  к гибели и снижению эффективности  очистки.

4. Степень очистки составляет 70-80% и требуются дополнительные  способы обезвреживания нефтепродуктов  в стоках.

 

 

Микроорганизмы для биологической очистки

В настоящее время, существует широкий класс гетеротрофных микроорганизмов, включенных в состав бактериальных препаратов, однако, каждый вид или отдельный комплекс микробных ценозов отличается своей индивидуальностью по отношению к тем или иным углеводородам нефти. Например, монобактериальные препараты характеризуются более узкой специфичностью по отношению к отдельным углеводородам, более узким интервалом рН, оптимальным для активности микроорганизмов, а также интервалом солености, температуры, концентрации углеводородов. Следовательно, к применению бактериальных препаратов, полученных на основе монокультур, выделенных из природных штаммов в тех или иных регионах, следует подходить осторожно. В разложении нефти принимает участие целый микробиоценоз с характерной структурой трофических связей и энергетического обмена, участвующий в разложении углеводородов на разных этапах специализированными эколого-трофическими группами. Поэтому внедрение монокультуры может привести только к кажущемуся эффекту. Кроме того, подавление монокультурой местного микробиоценоза может негативно сказаться на всей водной и почвенной экосистемах и нанести им больший вред, чем нефтяное загрязнение. Полибактериальные препараты имеют более широкие адаптационные и экологические возможности для использования в процессе очистки.