УДК 628.35 ОБРАБОТКА ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД

267
УДК 628.35
ОБРАБОТКА ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА1
Чертес К.Л. *, Гвоздева Н.В., Пыстин В.Н., Назаров В.Д.,
Быков Д.Е. Штеренберг А.М.
Самарский государственный технический университет, г. Самара
e-mail: * [email protected]
Аннотация. Предлагается новая технология биохимической обработки углеводородсодержащих осадков с использованием окислительной мощности полигона твердых бытовых отходов. Исследованы показатели, характеризующие фильтрационную
способность массива твердых бытовых отходов с позиции принудительного нагнетания
в него жидких углеводородсодержащих осадков. В качестве показателей выбраны характеристики природных грунтов, которые имеют физико-механическое сродство со
свалочными грунтами различной степени разложения. Результаты исследований позволили разработать регламент и аппаратурно-технологическое оформление обработки
углеводородсодержащих осадков в условиях крупнотоннажного массива твердых бытовых отходов.
Ключевые слова: обработка биохимическая, осадки углеводородсодержащие,
полигон, массив отходов, характеристики фильтрационные
В процессе обработки сточных вод нефтегазового комплекса образуются
крупнотоннажные отходы – углеводородсодержащие осадки (УВСО), которые, в
настоящее время, размещаются в шламонакопителях с нарушением требований
охраны окружающей среды.
Перспективным способом утилизации УВСО является биохимическая
обработка совместно с твердыми бытовыми отходами (ТБО) с использованием
окислительной мощности полигонов захоронения отходов [1 - 4].
Технология заключается в нагнетании жидких УВСО в толщу свалочного
тела через систему перфорированных нагнетательных скважин с аэрацией массива и последующим разложением нефтепродуктов.
При нагнетании происходит фильтрация воды и жидких углеводородов в
вертикальном и горизонтальном направлениях. Постепенно в толще образуется
конгломерат из УВСО и ТБО. Скорость фильтрации зависит от начального давления, развиваемого в устье нагнетательной скважины, а также от сопротивления
свалочного грунта.
Рабочая вместимость полигона по УВСО определяется набором фильтрационных, биогенных и окислительных характеристик свалочного грунта, необходимых для поддержания жизнедеятельности компостной микрофлоры.
Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете при
финансовой поддержке в форме гранта для аспирантов СамГТУ
1
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
268
В качестве фильтрационных характеристик использованы пористость
(П, %), влажность (W, %), предельное водонасыщение (Впр, %), коэффициент
фильтрации (Кф, %) свалочных грунтов. В качестве биогенных и окислительных
характеристик свалочных грунтов различной степени разложения: соотношение
углерода к азоту (С:N), баланс биогенных элементов (N×Р×К-комплекс), окислительная мощность ТБО (ОМ, кг О 2/(т×сут) и концентрация компостной микрофлоры (Скомп).
Для их определения из толщи свалочного тела с использованием пошагового бурения отбирались монолиты ненарушенной структуры, которые анализировались в аккредитованной лаборатории по известным методикам.
Результаты лабораторных исследований представлены в виде матриц состояния свалочного массива. В табл. 1, в качестве примера, представлена фильтрационная матрица полигона ТБО г. Тольятти.
Таблица 1. Коэффициент фильтрации (м/сут) полигона ТБО г. Тольятти
шурф
1
абс. отм.
70,00
69,00
68,00
67,00
66,00
65,00
горизонт
-0,50
-1,00
-1,50
-2,00
-3,00
-4,00
0,79
0,63
0,59
0,50
0,49
64,00
-5,00
63,00
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0,68
0,56
0,53
0,58
0,76
0,70
0,59
0,55
0,52
0,71
0,67
0,56
0,55
0,54
0,53
0,60
0,57
0,54
0,41
0,52
0,47
0,49
0,74
0,70
0,57
0,54
0,41
0,64
0,55
0,54
0,54
0,56
0,54
0,46
0,52
0,55
0,54
0,42
0,60
0,54
0,59
0,44
0,49
0,44
0,58
0,42
0,47
0,49
0,46
0,41
0,45
0,48
0,57
-6,00
0,32
0,48
0,47
0,43
0,40
0,49
0,49
0,49
0,49
0,34
0,50
0,46
62,00
-7,00
0,23
0,27
0,22
0,26
0,24
0,35
0,28
0,30
0,28
0,38
0,34
0,26
61,00
-9,00
0,24
0,37
0,37
0,24
0,38
0,34
0,23
0,26
0,32
0,33
0,35
0,35
Из всего многообразия физико-механических свойств, описывающих состояние свалочных грунтов, наиболее значимыми являются пористость и коэффициент фильтрации. Указанные показатели являются основой для теоретического
обоснования технологии нагнетания осадков в толщу полигона.
Зная пористость свалочного грунта, можно рассчитать рабочую вместимость полигона по приему осадков. Изучив фильтрационные характеристики образцов, отобранных из различных горизонтов свалочного тела, можно произвести
расчет и конструктивно-технологическое оформление системы нагнетания осадков в толщу и последующей принудительной аэрации свалочного тела.
В отличие от природных грунтов (галечников, песков, супесей, мергелей и
др.), техногенный свалочный грунт имеет неоднородные во времени и пространству значения пористости и коэффициента фильтрации. Практически во всех
горизонтах свалочного грунта постоянно протекают процессы разложения орга-
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
269
ники, газовыделения, фильтратообразования, химического взаимодействия. Эти
процессы приводят к трансформации скелета свалочного грунта с постоянным
продуцированием новых пор и капилляров и «схлопыванием» старых микрополостей. Динамические нагрузки со стороны уплотнительной техники, а также давление наращиваемых ярусов отходов усиливают процессы порообразования в толще.
После установления фильтрационных характеристик массива ТБО был выполнен расчет процесса нагнетания осадков. Рассмотрим идеальный случай распространения закачиваемого в тело полигона осадка влажностью 97 - 98 %. Предположим, что:
– тело полигона имеет бесконечно большие размеры;
– скважины пробурены на всю мощность (глубину) полигона;
– частицы осадка имеют пренебрежимо малые размеры по сравнению с размерами поровых каналов;
– фильтрация осадка происходит по всей глубине скважины.
Нагнетание в скважину происходит одномерным потоком, в котором параметры являются функцией только одной пространственной координаты, направленной по линии тока. К одномерным потокам в данном случае может относиться
плоскорадиальный отток от вертикальной скважины.
На рис. 1 пунктиром показан статистический уровень влаги в теле полигона. При закачке ОСВ в пласт вблизи поверхности скважины давление увеличивается, установится динамический режим. Разность между статистическим и динамическим уровнем ∆H.
Рис. 1. Нагнетательная скважина
Плоскорадиальный поток наблюдается при оттоке от совершенной скважины радиуса Rс, расположенной в центре ограниченного горизонтального цилин-
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
270
дрического пласта отходов мощностью h и радиусом Rk. Если на внешней границе
пласта отходов, совпадающей с краем контура насыщения, давление равно pk, а в
скважине постоянное давление pc, пласт однороден по пористости и проницаемости, фильтрация происходит по закону Дарси, то объемный дебит скважины нагнетания ОСВ (отток жидкости) определяется по формуле Дюпюи (1):
2 πκh ( p c − p k )
Q=
μ
Rc
,
(1)
ln
Rk
где k – коэффициент проницаемости;
μ – динамический коэффициент вязкости
Скорость фильтрации на расстоянии r определится следующим образом:
Q
Q
κ ( pr− pk )
w= =
=
(2)
F 2 πrh μ
r .
r ln
Rk
Рассмотрим интерференцию двух одинаковых скважин, расположенных на
расстоянии b друг от друга (рис. 2).
Рис. 2. Интерференция скважин
На рис. 2 кривая 1 изображает изменение давления в теле полигона в зависимости от расстояния от скважины 1, кривая 2 – в зависимости от расстояния от
скважины 2. Точка B соответствует давлению в середине интервала создаваемому
потоком осадков от скважины 1 и 2. По принципу суперпозиции полей суммарное
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
271
давление в середине интервала будет равно удвоенному значению давления в точке B и соответствовать точке С. Кривая 3 изображает результат суперпозиции давления создаваемого двумя скважинами.
Определим поток создаваемой скважиной 1, через цилиндрическую поверхность с радиусом Rc и радиусом b/2. Для определенности примем расстояние
b/2 таким, чтобы в точке B давление составляло 5 % от давления скважины pc.
Тогда С будет соответствовать давление, равное 10 % Pc, что вполне достаточно
для распределения потока закачиваемых осадков в теле полигона.
Из формулы (7) следует:
2 πκh ( p c − p k )
Q 1=
μ
Rc
;
(3)
ln
Rk
2 πκh 0,05 p c− p k
Q2 =
μ
b/ 2
.
(4)
ln
Rk
Очевидно, что из-за принципа непрерывности потока Q1 = Q2, тогда после
преобразований получим:
p c ( ln b/2−0,95 Rk −0,05 ln Rc )= p k (ln b/ 2−ln R c ) .
(5)
Таким образом, задавая начальные условия для нагнетания УВСО в толщу
отходов (трубы диаметром 0,15 м, объем закачиваемых УВСО 10 м3, напор создаваемый насосом 5*105 - 7*105 Па), можно рассчитать расстояние b между скважинами нагнетания УВСО и скорость фильтрации. Как показывают расчеты эффективное расстояние между скважинами должно лежать в диапазоне 7,5 - 15,0 м.
Тело полигона, как правило, имеет прямоугольную форму, тогда вариант сетки
скважин может быть следующим – см. рис. 3.
Рис. 3. Сетка нагнетательных скважин, расположенных на полигоне ТБО
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
272
Расчетные величины значений скорости фильтрации УВСО на расстоянии
r от нагнетательной скважины представлены на рис. 4.
1,2
Переходная зона
w, м/с
Анаэробная зона
1
Аэробная зона
0,8
0,6
0,4
0,2
r, м
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рис. 4. Скорость фильтрации УВСО в толще свалочного тела
Проведенные результаты показывают, что скорость фильтрации зависит от
свойств массива отходов (типа зоны для нагнетания УВСО). Анализ расчетных
данных показывает, что использование для нагнетания УВСО аэробной и переходной режимных зон свалочного тела является наиболее рациональным. Данные
значения были подтверждены промышленным экспериментом на участке полигона ТБО г. Тольятти [1, 2].
Участок оборудован нагнетательными скважинами. Осадки вводили в свалочный грунт при помощи вакуум-машины порциями по 7 - 10 м3. После нагнетания осадка в толще свалочного тела сформировались конгломераты, состоящие из
УВСО и свалочного грунта различной степени разложения.
Результаты исследований позволили разработать регламент и аппаратурнотехнологическое оформление обработки осадков в условиях крупнотоннажного
массива твердых бытовых отходов.
Осадки забираются из распредкамеры отстойников нефтесодержащих
сточных вод с помощью вакуум-машины и направляются на близкорасположенный полигон ТБО. Экономически целесообразным является вывоз полигоны расположенные на расстоянии не более 20 - 25 км. Предварительно производятся комплексные изыскания различных фрагментов свалочного грунта полигона для установления его фильтрационных и биохимических характеристик, определения рабочей вместимости по приему осадков и прогнозирования интенсивности их аэробной обработки. Изыскания включают пошаговое бурение свалочного тела с от_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
273
бором и анализом образцов, обработку данных и позиционирование в толще массива зон, способных выступать центрами биоразложения осадков. На полигоне
отводится участок, оборудованный сетью нагнетательных скважин. В отдельных
случаях можно использовать существующие скважины газодренажной сети полигона. Рекомендуются скважины диаметром 150 - 200 мм с перфорацией отверстиями по 15 - 20 мм шагом 0,1 - 0,2 см в нижней части. Устье скважин должно выступать над поверхностью отходов на высоту 0,5 - 1,0 м.
Через скважины осадок вводится в толщу массива, на глубины позиционированных зон разложения. После нагнетания осуществляется периодическая продувка массива передвижным компрессором. Для защиты свалочного тела в период продувки и минерализации от дополнительного поступления поверхностного
стока, рекомендуется местная изоляция поверхности специальным покрытием,
укладываемым на поверхность по временной схеме и демонтируемым в сухое и
теплое время года [2].
Периодически, из толщи отбираются конгломераты «УВСО-ТБО» для кон-троля процесса биологического разложения.
Изучение пористо-фильтрационных характеристик массива ТБО позволяет
совершенствовать технологию обработки осадков с использованием максимально
возможного объема рабочей вместимости полигона. Наличие в отдельных фрагментах свалочных тел широкого спектра микроорганизмов-редуцентов, а также
благоприятные фильтрационные характеристики (коэффициенты пористости,
фильтрации и водонасыщения) способствуют переводу полигонов ТБО в многократно используемые биохимические реакторы комплексной обработки осадков
сточных вод.
Литература
1. Чертес К.Л., Михайлов Е.В., Тупицына О.В., Малиновский А.С. Утилизация осадков сточных вод на объектах размещения отходов // Экология и промышленность России. 2008. № 5. С. 36 - 40.
2. Чертес К.Л., Штеренберг А.М., Назаров М.В., Тупицына О.В., Михайлов Е.В., Быков Д.Е. Размещение осадков сточных вод в толще полигона твердых
бытовых отходов // Экология и промышленность России. 2009. № 1. С. 39 - 41.
3. Быков Д.Е., Чертес К.Л., Назаров В.Д., Назаров М.В., Тупицына О.В.,
Гвоздева Н.В., Зеленцов Д.В. Использование осадков сточных вод в качестве биопрепарата для ускорения компостирования ТБО // Экология и промышленность
России. 2011. № 2. С. 16 - 18.
4. Патент № 2406578 RU. МПК B09B3/00. Способ утилизации твердых бытовых отходов и полигон для их размещения / Назаров В.Д., Назаров М.В., Минигазимов И.Н, Чертес К.Л., Быков Д.Е., Хангильдин Р.И. Заявл. 18.08.09; опубл.
20.12.10.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
267
UDC 628.35
SEWAGE SLUDGE TREATMENT IN OIL AND GAS INDUSTRY
K.L. Chertes. 1, D.V. Zelentsov, M.I. Balzannikov, S.Yu. Andreev, B.M. Grishin
Samara State Technical University, Samara, Russia
e-mail: 1 [email protected]
Abstract. A new technology of biochemical treatment of hydrocarbon precipitation
using the oxidative capacity of solid waste landfill is suggested. The filtration capacity values of
solid waste landfill with forced injection of liquid hydrocarbon precipitation are investigated.
As the values natural soils characteristics were chosen as having physical and mechanical
affinity with the landfill soils that have varying degrees of decomposition. The research results
allowed to develop regulations and hardware technological design for hydrocarbon
precipitation processing of a large capacity solid waste landfill.
Keywords: sewage, biochemical treatment, hydrocarbon precipitation, range, solid
waste landfill, solid waste array, filtration characteristics
References
1. Chertes K.L., Mikhailov E.V., Tupitsyna O.V., Malinovskii A.S. Utilizatsiya
osadkov stochnykh vod na ob"ektakh razmeshcheniya otkhodov (Improvement of the
technology of sewage sediments processing in conditions of waste products accommodation object), Ekologiya i promyshlennost' Rossii, 2008, Issue 5, pp. 36 - 40.
2. Chertes K.L., Shterenberg A.M., Nazarov M.V., Tupitsyna O.V.,
Mikhailov E.V., Bykov D.E. Razmeshchenie osadkov stochnykh vod v tolshche
poligona tverdykh bytovykh otkhodov (Accommodation of sewage sediments in the
stratum of solid household waste products' range), Ekologiya i promyshlennost' Rossii,
2009. Issue 1, pp. 39 - 41.
3. Bykov D.E., Chertes K.L., Nazarov V.D., Nazarov M.V., Tupitsyna O.V.,
Gvozdeva N.V., Zelentsov D.V. Ispol'zovanie osadkov stochnykh vod v kachestve biopreparata dlya uskoreniya kompostirovaniya TBO (Using sewage sludge as a biological
product to accelerate solid household waste composting), Ekologiya i promyshlennost'
Rossii, 2011. № 2. С. 16 - 18.
4. Patent № 2406578 RU. IPC B09B3/00. Method of solid household refuses
reclamation and polygon for their placement / Nazarov V.D., Nazarov M.V., Minigazimov I.N, Chertes K.L., Bykov D.E., Khangil'din R.I. Appl. 18.08.09; publ. 20.12.10.
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru
268
_____________________________________________________________________________
 Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», 2012, № 4
http://www.ogbus.ru