Репозиторій ЧДТУ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., 
професор 
   _________Геннадій СТОЛЯРЕНКО 
                                                                       «____»  _________________2021р. 
 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ ТА АПАРАТУРНОГО 
ОФОРМЛЕННЯ УТИЛІЗАЦІЇ ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ З 
ВИКОРИСТАННЯМ КАВІТАЦІЙНИХ МЕТОДІВ  
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник Виконавець роботи 
д.т.н., доцент магістрант 
  
________Віталій ВЯЗОВИК  __________ Людмила БАСЕНКО     
 
  
  
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
Черкаси 2021 
 
 
ВСТУП 
 
Стічні та рідкофазні відходи, що утворюються хімічними, 
нафтохімічними та коксохімічними підприємствами, зазвичай забруднені 
компонентами реакційних середовищ. Склад таких вод і відходів 
визначається фізико-хімічною сутністю технологічних процесів, в яких вони 
утворюються. Наявність у стічних водах ароматичних сполук, які зазвичай 
погано піддаються біологічному розкладанню, призводить до низької 
ефективності традиційної біологічної очистки стічних вод. Скидання 
недостатньо очищених стічних вод у природні водойми призводить до 
накопичення шкідливих органічних сполук, що негативно впливає на 
природні екосистеми, зумовлює необхідність більш складних технологічних 
процесів очищення вод для їх використання як у побутових, так і в різних 
галузях промисловості. 
Аналіз інформаційних джерел та проведені мною дослідження дають 
підстави вважати, що значний практичний інтерес в очищенні стічних вод від 
ароматичних сполук становить використання кавітаційних методів. Вони 
дають змогу вносити енергію в очищене середовище в так званому 
концентрованому вигляді, тобто передбачають внесення значної кількості 
енергії в локальні зони цього середовища. Внаслідок збудження кавітації та 
супутніх явищ відбуваються зміни фізико-хімічних властивостей 
компонентів рідкофазного середовища і, як наслідок, їх хімічні перетворення.   
 Мета кваліфікаційної роботи магістра - полягає у розробленні  
технологічної схеми та апаратурного оформлення  і ефективного та 
енергоощадного методу очищення стічних вод від органічних сполук.  
Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання: 
– обґрунтувати вибір методу кавітаційного очищення стічних вод від 
органічних сполук;  
– вивчити закономірності розкладу бензену у кавітаційних полях при 
адіабатичних та ізотермічних умовах;  
– дослідити вплив тривалості оброблення стічних вод на ефективність їх 
очищення;  
– встановити принципову можливість ініціювання реакції розкладу 
ароматичних сполук після змішування кавітаційно оброблених і 
необроблених стічних вод;   
– дослідити закономірності розкладу толуену в кавітаційних полях;  
– дослідити принципову можливість ініціювання реакції розкладу бензену з 
використанням гіпохлоритних стічних вод;  
– здійснити апробацію визначених раціональних умов здійснення процесу 
кавітаційного очищення на органовмісних стічних водах;  
– розробити технологічну схему процесу кавітаційного очищення 
органовмісних стічних вод від ароматичних сполук;  
– виконати матеріальні, енергетичні та узагальнені техніко-економічні 
розрахунки розробленого технологічного процесу.  
Об’єкт дослідження – процес кавітаційного очищення стічних вод від 
органічних сполук  
Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності процесів, що 
відбуваються під час кавітаційного оброблення водного середовища, яке 
містить ароматичні сполуки, зокрема, бензен і толуен, їх вплив на 
ефективність очищення органовмісних стічних вод.  
                                 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 1 АНАЛІЗ ТА ОГЛЯД  ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ 
 
          1.1. Загальна характеристика органічних відходів  
 
З розвитком промисловості все частіше постає питання очищення 
промислових стічних вод та утилізації відходів. Промислові стічні води 
зазвичай забруднені компонентами реакційних середовищ, а їх склад 
залежить від галузі, в якій вони утворюються. Забруднення природних вод 
відбувається внаслідок потрапляння в стічні води шкідливих домішок 
неорганічних (кислоти, мінеральні солі, луги тощо) та органічних (нафта та 
нафтопродукти, поверхнево-активні речовини, мийні засоби, пестициди 
тощо) [1-3] . Крім того, стічні води, що містять розчинні органічні речовини 
(особливо ароматичні) або суспензії органічного походження, сприяють 
зниженню вмісту кисню в природних водоймах, викликаючи кисневу 
недостатність і евтрофікацію. Органічні суспензії замулюють водойми і 
затримують або повністю припиняють діяльність мікроорганізмів, які беруть 
участь у самоочищенні [4]. 
Кількість хімічних забруднювачів води постійно зростає і зараз досягає 
близько тисячі видів. Шкідливий вплив багатьох з них має пролонговану дію, 
тобто їх дія проявляється в наступних поколіннях живих істот і полягає в 
появі шкідливих мутацій, генетичних порушень тощо. Крім хімічного, існує 
також фізичне забруднення води, пов’язане зі зміною її органолептичних 
властивостей [5]. 
Промислові стічні води без попередньої очистки негативно впливають 
на очисні споруди, які втрачають свою ефективність щодо біологічного 
очищення води. Тому виникає необхідність попередньої очистки стічних вод. 
Проблема посилюється тим, що хлор широко використовується в існуючих 
технологіях очищення води, що призводить до утворення у воді значної 
кількості високотоксичних хлорорганічних сполук, які мають кумулятивну та 
канцерогенну дію. Нині однією з найбільш перспективних є очищення 
стічних вод гіпохлоритом натрію [10-13]. 
Однак застосування реаґентних методів не забезпечує, як правило, 
належного очищення стічних вод і супроводжується утворенням побічних 
продуктів. У зв'язку з цим виникає потреба в застосовуванні специфічних 
методів очищення стічних вод, які б дали змогу не тільки ефективно 
очищувати стічні води, але й відрізнялись високими технологічністю та 
низькими енерговитратами. Одним з основних напрямків науково-технічного 
прогресу, зокрема стосовно очищення стічних вод, є створення 
маловідходних і безвідходних технологічних процесів [10, 11].  
 
          1.2. Генезис стічних вод, що містять органічні ароматичні сполуки  
 
Стічні води, що містять ароматичні сполуки, утворюються при 
виробництві олефінів на НПЗ. Як приклад візьмемо Кременчуцький НПЗ 
(КНЗ) Олефіни отримують шляхом піролізу вуглеводнів. На КНЗ 
впроваджено технологію на основі піролізу рідкофазних нафтопродуктів - 
бензинових фракцій або дизельного палива. Хімічні реакції, що відбуваються 
під час термічного розкладання вуглеводневої сировини, поділяють на дві 
стадії. На першому етапі відбуваються первинні реакції поділу (крекінгу) 
молекул парафінових і нафтенових вуглеводнів з утворенням парафінів і 
олефінів з меншою молекулярною масою, ніж вихідні вуглеводні. 
Продуктами первинних реакцій є метан, етилен, етан, пропілен, пропан, 
водень та інші вуглеводні. 
На другому етапі відбуваються вторинні реакції (подальший розпад 
олефінів, гідрування олефінів з утворенням вторинних парафінів, 
дегідрування олефінів), зокрема, з утворенням ароматичних сполук. Вони 
утворюються на пізніх стадіях крекінгу вуглеводнів, коли в зоні реакції 
зростає концентрація нижчих олефінів. Бензол утворюється при взаємодії 
1,3-бутадієну з етиленом, а толуол утворюється при приєднанні до 1,3-
бутадієну радикала металу з подальшою взаємодією продукту з етиленом. 
Однак через меншу термічну стабільність, ніж бензол, толуол частково 
руйнується з утворенням бензолу.   
Газоподібні продукти піролізу після попереднього охолодження до 
температури 95…110  С надходять у колону водного промивання, де 
охолоджуються до температури 38…45  С. При цьому відбувається 
конденсація технологічної пари і важкої бензинової фракції. Головними 
компонентами рідких продуктів піролізу є ароматичні сполуки, передусім 
бензен, та алкени. Промивна вода збирається в кубі колони, де відбувається 
грубе відділення води від бензину. Надалі бензинова фракція з нерозділеною 
частиною промивної води надходить для повнішого розділення у 
гравітаційний сепаратор. Саме під час конденсації важчих вуглеводнів у 
промивній тарільчастій колоні й відбувається рівноважне насичення 
промивної води ароматичними та іншими органічними сполуками.  
Вміст ароматичних сполук у бензиновій фракції, що утворюється 
внаслідок конденсації у промивній колоні за масового співвідношення 
бензен:толуен дорівнює близько 6,5:1 [12].  
У разі використання для отримання олефінів газоподібної сировини 
загальний вихід рідкофазних продуктів є меншим, ніж у разі бензину чи 
дизпалива, але вони також містять бензен та толуен.  
Усереднений склад стічної води олефінового виробництва 
Кременчуського нафтопереробного заводу наведено у таблиці 1.1 [11].  
 
 
 
 
 
 
 
 
       Таблиця 1.1 – Склад стічної води технологічного походження 
олефінового  виробництва на КНЗ  
 
Найменування показника  Регламентовані значення показників з допустимими 
відхиленнями  
Об’ємна витрата, м3/добу рН  5896 від 6,5 до 8,5 
БСК20, мг/дм3 не більше 1776 не 
3 більше 1600 не 
БСК5, мг/дм  
більше 3500  
ХСК, мг/дм3  
Масова концентрація, мг/дм3:  не більше 197 не 
- завислих речовин  більше 770 не 
- сухого залишку  більше 350 не 
більше 60 не 
- в т. ч. хлорид-іонів  
більше 21 не 
- формальдегіду  більше 25 не 
- нафтопродуктів  більше 5  
- амінів  
- фенолів  
 
Відповідно до чинних нормативних документів [12] щодо вимог до 
складу та властивостей стічних вод, які скидаються до систем 
централізованого водовідведення, не повинні: містити речовин, що 
перешкоджають біологічному очищенню стічних вод, токсичних забруднень; 
мати температуру вище 40 С; мати хімічне споживання кисню (далі – ХСК) 
вище біохімічного споживання кисню за 5 діб (далі – БСК5) більше, ніж у 2,5 
раз. Температура стічної води після часткової десорбції з неї органічних 
сполук не перевищує 50 0С. Разом з іншими стічними водами її подають у 
типові біологічні очисні споруди.  
Стічні води нафтохімічних виробництв містять значну кількість 
органічних домішок (нафта і нафтопродукти, ароматичні вуглеводні, феноли 
тощо). Вони характеризуються підвищеним хімічним споживанням кисню 
(ХСК), токсичністю внаслідок наявності ПАР і органічних сполук [13]. 
Зокрема це стосується бензену і толуену як представників гомологічного 
ряду ароматичних вуглеводнів, що містяться у стічних водах нафтохімічних 
та хімічних виробництв. Бензен використовують для одержання барвників та 
лікарських засобів, синтетичного волокна, фенолу, нітробензену тощо. 
Найпростішим гомологом бензену є толуен, який використовують для 
виробництва барвників, вибухових речовин, сахарину тощо. Його 
розчинність у воді 1,79 г/дм3 (за 25 °C) [46]. Бензен дуже погано піддається 
анаеробній біодеградації [14]. 
Тому перед скиданням такої води на загальні очисні споруди необхідна 
їх попередня обробка на місцевих об’єктах [15]. Скидання цих вод у 
природні водойми без попереднього очищення є основною причиною 
забруднення вод, що призводить до різкого погіршення їх гідрохімічного 
режиму, а отже, і умов існування гідробіонтів (водних організмів). Останнє 
спричиняє погіршення процесу самоочищення водойм. Погіршення якості 
води ускладнює її використання та різко збільшує витрати на її підготовку 
для побутових та промислових потреб. Крім того, зі стічними водами 
втрачаються цінні речовини, утилізація яких дала б значну економічну 
вигоду [16]. 
У зв’язку з тим, що вода все більше залучається у виробництво, 
необхідно розробити комплекс організаційно-технічних заходів щодо захисту 
природних водойм від забруднення та виснаження, використання нових 
методів очищення стічних вод та використання економічного маловідходного 
виробництва товарів та продукти [17 ]. Відповідно до вимог нормативних 
документів, стічні води, що скидаються в системи централізованого 
водовідведення, не повинні містити: горючих домішок, які можуть 
утворювати вибухонебезпечні суміші; речовини, що не підлягають 
біологічному руйнуванню; мають температуру вище 40 0С; мають HSC вище 
BSC5 більш ніж у 2,5 рази; мають БСК, що перевищує зазначені в проекті 
КОС Калуш та ін. Для досягнення цих вимог на підприємстві необхідно 
побудувати локальні очисні споруди (ЛОС). Крім того, підприємство 
здійснює технологічні процеси, які включені до «Переліку виробничих 
процесів, під час яких споживач повинен мати локальні очисні споруди для 
попереднього очищення стічних вод перед їх скиданням у систему 
централізованого водовідведення та очищення»; зокрема: п. 1. 
«Нафтопереробка, хімічний та органічний синтез, фармацевтичне 
виробництво»; п. 11. «Виробничі процеси, під час яких використовуються 
або утворюються такі речовини: нафтопродукти, ароматичні вуглеводні, 
леткі органічні сполуки (толуол, бензол тощо)». 
Через це виникає потреба очищення промислових стоків у ЛОС 
ефективними методами, що будуть задовольняти екологічним, економічним 
вимогам та буде відповідати вимогам до якості технічної води.  
 
          1.3. Вимоги до якості води  
 
Необхідний ступінь очищення стічних вод перед їх скиданням у 
водойми визначається за загальносанітарними, органолептичними та 
санітарно-токсикологічними показниками шкідливості. Ці показники 
включають допустиме максимальне значення БСК, кількість розчинного 
кисню, активну реакцію рН, температуру стічної води, колір і запах, зважені 
домішки та допустимий вміст шкідливих речовин у воді водойми. 
Санітарні показники шкідливості: BSC20, розчинний кисень, активна 
реакція pH. До органолептичних показників належать температура води, 
колір, запах тощо. До санітарно-токсикологічних показників належать 
показники забруднення стічних вод, які можуть бути небезпечними для 
здоров’я населення. При використанні як нормативів забруднюючих речовин, 
ГДК тощо враховують «Правила застосування ГДК при спільному 
надходженні у водойму кількох шкідливих речовин, що характеризуються 
однаковими показниками шкідливості» [12]. 
 
      1.4. Критичний аналіз існуючих методів очищення стічних вод   
від органічних сполук   
  
1.4.1. Методи очищення органовмісних стічних вод  
Для очищення стічних вод промислових підприємств застосовують такі 
методи:  
• механічні (проціджування, відстоювання, центрифугування, фільтрування);   
• хімічні методи (нейтралізація, коагуляція, флокуляція);   
• фізико–хімічні методи (флотація, сорбція, екстракція, евапорація) ;   
• електрохімічні методи (електрокоагуляція, електрофлотація);   
• комбіновані методи.   
Технологія очищення у значній мірі залежить від складу промислових 
стічних вод. Очищення від органічних домішок здійснюють регенеративними 
(екстракція, ректифікація, адсорбція, іонна флотація, іонний обмін) та 
деструктивними методами (біологічне очищення, адсорбція, рідкофазне та 
паро-фазне окиснення, озонування, хлорування тощо) [12-17]. Основним  
фактором під час вибору методу оброблення води  є фазовий  стан речовини 
[17].   
Вибір методу очищення води, типи і розміри очисних споруд залежать 
від складу, властивостей і витрати промислових стічних вод, площі території  
підприємства та інших факторів, а також вимог до якості очищеної води [18].  
 
       1.4.2. Регенеративні методи очищення стічних вод від органічних 
речовин.  
Перспективним методом очищення стоків від органічних домішок є 
адсорбція активованим вугіллям з попереднім хлоруванням.Сорбційна 
установка складається, як правило, з декількох паралельно з’єднаних секцій, 
у кожну з яких входить кілька послідовно з'єднаних фільтрів. Конструкція 
вугільних апаратів зазвичай така ж, як і освітлювальних фільтрах з водяною 
промивкою [19].  
На практиці застосовують одно- і багатоступінчасті установки сорбційного 
очищення. Останні використовують для видалення з води розчинних 
органічних речовин, зокрема, хлорпохідних, наприклад, хлораміни. Тому 
амонійний Нітроген попередньо перед сорбцією окиснюють гіпохлоритом 
натрію або хлором [20].  
Сорбційні методи очищення з використанням мікропористих сорбентів 
забезпечують кінцевий вміст шкідливих речовин в стоках на рівні ГДК. 
Ефективність адсорбційного очищення досягає 90-99%. 
Активовані вугілля, які використовують для очищення природних і 
стічних вод, повинні бути великопористими, щоб їх поверхня була доступна 
для складних молекул;мати невелику утримуючу здатність для регенерації 
адсорбованих компонентів; добре змочуватися і погано стиратися; мати 
певний гранулометричний склад, а також мати мінімальну каталітичну 
активність щодо різних реакцій; витримувати відносно велику кількість 
регенерацій [21].  
Використання іонітів для очищення стічних вод від органічних 
домішокможливе лише у разі відсутності в стічній воді катіонів жорсткості і 
Феруму. Тому перша стадія процесу – іоннообмінне зм’якшення води на Na- 
або Н-катіонітовому фільтрі. Іоннообмінне вилучення аніонів органічних 
кислот зістічних вод ефективне за низького вмісту в воді сульфатів і 
багатовалентних аніонів [22]. Для поглинання органічних сполук 
застосовують сильно кислотні катіоніти, наприклад катіоніт КУ-2 в Н-формі. 
Регенерацію катіоніту здійснюють 5% розчином аміаку в суміші води (20 %) 
і метилового або етилового спирту (80 %). Після аміачної регенерації 
катіоніту 10 % хлоридною кислотою переводять в робочу Н-форму. Підігрів 
розчину до 35–40 °Сзначно прискорює процес регенерації [23].  
Стічні води багатьох виробництв містять у невеликих концентраціях 
леткі органічні сполуки, часто – високотоксичні. Під час продування газів 
через такі стічні води, пари летких компонентів розчину переходять у газову 
фазу і видаляються з розчину. Відхідні гази, що містять токсичні пари, 
нейтралізують хімічними, каталітичними або адсорбційними методами. 
Віддувають леткі сполуки з стічних вод повітрям або інертними газами[23]. 
Видалення летких речовин зі стічних вод без аерації відбувається повільно, 
ступінь очищення не перевищує 50…60 %. Одним з основних недоліків 
цього методу є неминуче забруднення атмосфери [23].  
Метод екстракції використовується для очищення стічних вод від 
шкідливих органічних забруднювачів (наприклад, ароматичних, фенольних, 
органічних кислот). Екстракція заснована на розподілі суміші речовин на 
складові частини за допомогою розчинника, в якому вони мають різну 
розчинність [24]. Цей метод слід застосовувати, коли вартість видаленого 
компонента вища за вартість очищення, або якщо інші методи непридатні 
[24]. 
До переваг процесів екстракції можна віднести дуже високу швидкість 
процесу, можливість використання при високих початкових концентраціях 
компонента, що екстрагується. Висока вартість екстрагентів обмежує 
використання цього методу [24]. 
Очищення промислових стічних вод флотацією є одним з найбільш 
перспективних методів видалення нерозчинних і разом з ними летких 
домішок. Внаслідок утворення агломератів домішок з бульбашками 
тонкодисперсного повітря у воді вони виносяться на поверхню розчину. Для 
підвищення ефективності флотаційного очищення передбачено використання 
біофлокулянтів, коагулянтів або флотаційних реагентів-збірників [25]. 
Під час флотаційної сепарації сланцевих смол вміст ароматичних 
речовин і фенолів у стічних водах знижується в середньому на 40%. 
Продуктивність напірних флотаційних установок сягає 1000-2000 м3/год. 
Незначний час перебування стічних вод в апаратах зумовлює незначні 
експлуатаційні витрати [25].  
Поряд з певними перевагами регенеративні методи очищення стічних 
вод від органічних сполук, зокрема ароматичних, мають ряд недоліків. Це 
пов’язано з тим, що, по-перше, органічні домішки складаються з сполук 
різних класів. Регенеративні методи здебільшого характеризуються низькою 
селективністю, тому після регенерації утворюється суміш органічних сполук, 
переробка якої потребує організації додаткових технологічних операцій. По-
друге, під час реалізації регенеративних методів відбувається десорбція 
деяких водонерозчинних або летких органічних сполук, що зумовлює 
необхідність організації очищення газоподібних викидів. Тому регенеративні 
методи вимагають додаткових витрат на будівництво та експлуатацію секцій 
поділу органічних сполук або очищення газоподібних викидів.  
 
        1.4.3. Електрохімічні методи очищення промислових стічних вод  
Електрохімічні методи дають змогу вилучати зі стічних вод цінні 
компоненти за відносно простої технологічної схеми очищення без 
використання хімічних реагентів у періодичному або безперервному 
режимах [26]. Електрохімічне очищення полягає в частковому або повному 
розкладанні забруднюючих речовин, зокрема, їх окисненні до СО2. Органічні 
забруднювачі під час електрохімічного окиснення або безпосередньо 
окиснюються на аноді або побічно окиснюється анодно утвореними 
окисниками, такими як Cl2 або NaClO, О3, гідроксил-радикали і Н2О2. Для 
прямого анодного окиснення високого значення окисного потенціалу не 
потрібно. Забрудники спочатку сорбуються на поверхні аноду і потім 
руйнуються за механізмом електронотранспортних реакцій [27].  
Встановлено позитивнийвплив ультразвуку на електрохімічне 
оброблення промислових стічних вод [28]. Створення умов для перебігу 
звукохімічної реакції під час процесу оброблення стоків забезпечує 
анігіляцію забруднень напряму внаслідок їх термічного розпаду або збільшує 
вихід гідроксильних радикалів у процесах окислення [28].   
Для очищення промислових стічних вод від нафтопродуктів, масел, 
жирів, полімерів, емульгованих домішок ззастосовують 
електрокоагуляційним методом [29]. Його доцільно використовувати в 
автономних умовах та на виробництвах невеликої потужності, де 
утворюються невеликі об’єми стічних вод .  
Основний недолік цих методів – велика витрата електроенергії.  
 
        1.4.4. Методи очищення, що ґрунтуються на фазовому розподілі 
компонентів.  
Багато органічні речовини з водою утворюють сумісні киплячі або 
азеотропні суміші, температура кипіння яких нижча за температуру кипіння 
води, що дає можливість використовувати метод перегонки азеотропних 
сумішей для очищення стічних вод при відносно низьких витратах енергії. 
Умови застосування азеотропної перегонки: значна різниця в температурах 
кипіння азеотропної суміші та води, високий вміст органічної складової в 
суміші, що значно перевищує розчинність цього органічного компонента у 
воді. Як правило, азеотропна перегонка використовується для локального 
очищення промислових стічних вод, якщо вартість продукту, що 
переганявся, не менше вартості перегонки. Описаний спосіб випробуваний 
для відгонки зі стічних вод дихлоретану, ефірів, фенолів, акрилонітрилу, 
бутилацетату, діізопропілового ефіру, хлорбензолу, аліфатичних та 
ароматичних амінів. 
Спосіб циркуляції пари набув поширення для очищення стічних вод 
коксохімічних заводів, термічних заводів з переробки твердого палива, 
виробництва синтетичних фенолів. 
 
        1.4.5. Мембранні методи  
Мембранний метод очищення стічних вод заснований на властивостях 
пористих тіл пропускати переважно лише одну речовину. Методи 
мембранної сепарації, які використовуються в технології очищення води, 
умовно поділяють на діаліз, електродіаліз, мікрофільтрацію, 
ультрафільтрацію, зворотний осмос. 
У технології очищення стічних вод від розчинених і тонкодисперсних 
домішок найчастіше використовують зворотний осмос, ультрафільтрацію та 
електродіаліз. Зворотний осмос використовується для опріснення води в 
системах водопідготовки, локальних системах очищення стічних вод з 
низькими витратами для концентрації та відділення цінних компонентів, а 
також для очищення природних і стічних вод. В основі цих методів лежить 
явище осмосу - перехід розчинника в розчин через мембрану під дією 
прикладеного тиску. 
1.4.6. Деструктивні методи очищення промислових стічних вод від  
органічних домішок   
Спосіб очищення стічних вод активним мулом – поширений метод 
очищення стічних вод від шкідливих речовин, який реалізують в аеротенках, 
де очищення стічних вод відбувається за допомогою вільно плаваючого 
активного мулу – біоценозу мікроорганізмів, основну роль в якому 
відіграють бактерії. Здатність мулу до утворення пластівців залежить від 
виду бактерій, їх віку, складу середовища, температури, pH та інших 
факторів [71]. 
У процесі біологічного очищення стічних вод бактерії активного мулу 
використовують органічні речовини для отримання енергії та синтезу 
бактеріальної маси власних клітин. Вважається, що біологічне очищення 
стічних вод активним мулом відбувається у дві фази. На першій фазі 
(біосорбція) забруднювачі стічних вод агломеруються і сорбуються активним 
мулом швидше, ніж їх окислення. З часом швидкість сорбції та окислення 
вирівнюється, вміст сорбованих активним мулом забруднюючих речовин 
досягає максимальних значень; стічні води очищаються від більшості 
забруднень. На другій фазі (регенерації) швидкість окислення перевищує 
швидкість сорбції, припиняється внутрішньоклітинне ферментативне 
окислення органічних забруднювачів і відновлюється здатність мулу 
видаляти та окислювати органічні забруднення стічних вод. 
Основним шляхом підвищення окисної здатності аеротенків є 
збільшення концентрації мулу в аеротенку, який потребує кисню для 
процесу, та розділення шламової суміші у вторинних відстійниках [30]. 
У разі очищення стічних вод озоном, який є алотропною модифікацією 
кисню, і яки належить до сильних окисників. Його застосовують у 
газоподібному вигляді. За температури 0 °С і тиску 0,1 МПа розчинність 
озону у волі складає 0,68 г/дм3. Молекула озону О3 дуже нестійка й легко 
дисоціює на атом Оксигену та молекулу кисню. Швидкість дисоціації озону 
зростає зі збільшенням значення рН, температури й ступеня мінералізації 
води.   
Основними причинами, що стримують і ускладнюють широке 
використання озону для очищення стічних вод, є його відносно висока 
вартість, що визначається низькою якістю озонаторів і низьким 
використанням озону (50-70%) в існуючих конструкціях змішувачів. 
Покращення очищення стічних вод озоном досягається шляхом створення 
високопродуктивних і економічних генераторів озону, що працюють на 
високих частотах, та інтенсифікації масообміну контактних фаз, за 
допомогою каталізаторів, фотохімічного або радіохімічного впливу, 
поєднання озонування з ультрафіолетовим випромінюванням та ін. 
Використання озону знезараження води також пов'язане зі значними 
витратами електроенергії, необхідної для її отримання [31]. 
Серед хімічних методів знезараження стічних вод найбільш поширеною 
в даний час є технологія хлорування. Широке впровадження цієї технології 
пов’язане насамперед з її відносною простотою та низькими 
експлуатаційними витратами. Для дезінфекції стічних вод використовуються 
як газоподібний хлор Cl2, так і гіпохлорит натрію NaCIO або оксид хлору 
(IV) ClO2. Широке використання газоподібного хлору та гіпохлориту натрію 
пояснюється їх доступністю та низькою вартістю. Обробка стічних вод 
хлором або гіпохлоритом натрію забезпечує високу економічну ефективність 
процесу. Проте збільшення забруднення води органічними сполуками та 
зваженими речовинами значно зменшує дію хлору та його похідних, що 
призводить до необхідності значного (у кілька разів) збільшення доз 
реагентів. Крім того, цей метод вимагає введення додаткових заходів 
безпеки, що призводить до збільшення вартості процесу [31].  
Поширеним методом хлорування є очищення стічних вод хлорним 
вапном за вмісту активного хлору 32-35 % [31].  
У наш час очищення стічних вод електролітичним гіпохлоритом натрію 
застосовують для оброблення невеликих об’ємів стічних вод (до 1000 
м3/добу) на станціях, віддалених від місць виробництва хлору. 
Електрохімічний спосіб отримання NaClO ґрунтується на взаємодії хлору з 
NaОН, які утворюються у бездіафрагмовому електролізері під час 
електролізу розчину натрію хлориду. Поряд із бактерицидною активністю 
розчини електролітичного натрію гіпохлориту стійкіші від розчинів інших 
гіпохлоритів, у тому числі й хлорного вапна. Водні розчини NaClO не містять 
зависів і не потребують освітлення.  
Очищення біологічно очищених стічних вод також може здійснюватися 
методом їх прямого електролізу. Під дією постійного електричного струму з 
хлоридів у стічних водах утворюється активний хлор [31]. 
Автори роботи [32] досліджували утилізацію стічних вод розчинами 
NaClO за допомогою ультразвукового випромінювання. Наявність 
розчинених органічних речовин, а також їх висока концентрація в стічних 
водах знижують ефективність хлорування. Ультразвук покращує 
диспергування хлорвмісних препаратів у стоках води, зокрема гіпохлориту 
натрію, що прискорює процеси хімічної та біологічної очистки. 
Кожен із перерахованих вище методів має ряд недоліків: необхідність 
використання дорогих або дефіцитних хімічних реагентів, велика тривалість 
процесу, недостатня ефективність, висока енергоємність, низька 
продуктивність процесів, вони екологічно небезпечні. Тому виникає потреба 
в інтенсифікації очищення стічних вод промислових підприємств. 
Відомо, що швидкість реакції між гіпохлоритом і органовмісними 
стоками займає тривалий час. Підвищення швидкості реакції між 
гіпохлоритом натрію з органічними компонентами можна досягти 
традиційним способом - підвищенням температури процесу. Однак, 
враховуючи великі обсяги стічних вод, як органовмісних, так і 
гіпохлоритних, і відповідно високі витрати енергії, необхідні для 
інтенсифікації процесу, цей метод на сьогоднішній день неприйнятний. Тому 
одним із шляхів інтенсифікації, перш за все, розпаду іонів гіпохлориту з 
виділенням атомарного кисню, а отже, взаємодії гіпохлориту натрію з 
органічними компонентами, як показали попередні дослідження, є 
кавітаційна обробка реакційного середовища [ 32].  
Великий інтерес представляє вплив ультразвуку на реакцію між NaClO 
та стічними водами, що містять арен. У роботі [32] зазначається, що 
ультразвук покращує диспергування хлорвмісних препаратів, зокрема NaClO, 
у водних стоках, що прискорює процеси хімічної та біологічної очистки. 
Кавітаційний метод очищення за допомогою гідродинамічної кавітації 
досліджувався авторами [33]. Як окислювачі використовують хлорне вапно, 
газоподібний хлор та його сполуки, озон і молекулярний кисень, перекис 
водню тощо. Поєднання кавітаційної та реагентної обробки сприяє значному 
прискоренню окислювально-відновних реакцій та покращенню якості 
очищеної води. Дослідження використання гідродинамічної кавітаційної 
обробки при реагентному очищенні стічних вод від токсичних 
забруднюючих речовин дають змогу знизити вартість реагентів, спростити 
типові технологічні схеми очищення води [34]. 
 
        1.5. Акустична кавітація як метод очищення стічних вод   
Кавітація – явище утворення в рідині порожнин (кавітаційних 
бульбашок, каверн), заповнених пароповітряною сумішшю, їх пульсацій, 
росту та сплескування (колапсу) з дуже великими густинами енергії – від 103 
до 1021 Вт/м3 [35-39]. За способом збудження кавітації ці процеси можна 
умовно розділити на періодичного впливу (акустична кавітація), 
одноразового впливу (гідродинамічна кавітація, труби Вентурі, лазерна 
кавітація, механічний (гідравлічний) удар тощо) і змішаний вплив 
(гідродинамічні сирени і свистки, роторні апарати) [40-42].  
Акустична кавітація – процес, який відбувається під впливом 
періодичного змінного тиску. Частота пульсацій тиску в рідині – від десятків 
Гц до десятків МГц [42]. У кожному частотному діапазоні використовують 
специфічний перетворювач електричних коливань в акустичні. На низьких 
частотах (10-5000 Гц) використовують електромагнітні чи механічні 
перетворювачі. ускладнюється використання резонансних явищ системи 
випромінювач-рідина, що зумовлює низьку ефективність внесення енергії у 
рідкофазне середовище .  
На більш високих ультразвукових частотах використовують 
п'єзоелектричні випромінювачі. Завдяки малій довжині хвилі в цьому 
частотному діапазоні можливе фокусування ультразвуку й отримання 
потужних УЗ-полів .  
Гідродинамічна та акустична кавітація є важливими методами 
інтенсифікації гідромеханічних, тепло- та масообмінних процесів: очищення 
та знезараження стічних вод [43]; дезінфекція [44]; обробка поверхні деталей 
[45]; очищення дифузійних соків і підвищення реакційної здатності вапняних 
молочних суспензій [46]; зниження в'язкості нафти [47] та епоксидних смол 
[48]; розпушування вугільних пластів [49]; отримання наноматеріалів - 
кластерів наноалмазів з розмірами кристалів (1…3) · 10-8 м [50], 
наночастинок кальциту, нових матеріалів типу графену та фулерену з водної 
суспензії вуглецевмісних матеріалів [51] тощо. 
Загальним для акустичних методів утворення кавітації є її збудження та 
розвиток в одній, так званій, кавітаційній області. Таким чином, вплив на 
об’єм газорідинного середовища здійснюється багаторазово, що призводить 
до поступової зміни її властивостей, що, у свою чергу, призводить до зміни 
характеру кавітаційного ефекту [52,53]. 
 
2 ОПИС УСТАНОВОК, МЕТОДИК ВИКОНАННЯ 
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА АНАЛІЗІВ  
 
     2.1. Характеристика вихідних реаґентів та матеріалів  
 
У дослідженнях використовували імітати стічних вод та реальні 
усереднені за складом стічні води, що утворюються під час технологічного 
процесу піролізу нафтопродуктів у виробництві олефінів на 
Кременчугському нафтопереробному заводі. Стічні виробничі води містять 
сполуки ароматичного ряду – головно бензен та толуен, а також лінійні 
насичені (алкани) та ненасичені (алкени) сполуки. Оскільки вимагається 
очищення таких стічних вод на локальних очисних спорудах, головною 
метою досліджень, як зазначено у розділі 1, було їх знешкодження 
кавітаційним методом.   
Імітації стічних вод готували шляхом інтенсивного перемішування на 
магнітній мішалці дистильованої води з 5-кратним надлишком (відносно їх 
розчинності) ароматичної сполуки (бензолу або толуолу) у воді при заданій 
температурі. Експериментально встановлено, що рівновага в системі «вода – 
ароматична сполука» досягається до 20 хвилин. Таким чином, максимальна 
розчинність у воді (моль / м3) дорівнює: - бензолу: 303 К - 8,37; 313 К - 7,26; 
323 К - 6,63; толуол: 283 К - 4,02; 293 К - 5,32; 303 К - 6,3. Отриману водно-
органічну фазу відокремлювали від органічної (надлишок ароматичної 
сполуки) у ділильній воронці. Концентрацію бензолу або толуолу у водному 
середовищі визначали спектрофотометрично. 
Стічні води піролізної секції Кременчуцького НПЗ відбиралися зі 
скидної лінії для очисних споруд. 
Загальний вміст органічних сполук у водних організмах (імітованих і 
реальних стічних водах) виражали величиною ХСК.   
Дослідження кавітаційного знешкодження стічних вод проводили також 
із застосуванням розчину NaClO, який є відходом виробництва каустичної 
соди і хлору. Концентрація NaClO дорівнювала 36…38 г/дм3; рН 11,2…11,5.   
Для визначення корозійної агресивності стічних вод олефінового 
виробництва та виробництва хлору й каустичної соди використовували 
низьковуглецеву сталь 3 «ДСТУ 2651:2005 Сталь вуглецева звичайної 
якості».   
 
2.2.  Опис лабораторних установок та методик дослідження кавітаційного 
знешкодження ароматичних сполук  
 
Дослідження кавітаційного знешкодження (розкладу) ароматичних 
сполук проводили на установках, які відрізняються принципом збудження 
кавітації та потужністю, а саме, за допомогою ультразвукового 
випромінювача та гідродинамічного струменевого кавітатора.   
 
2.2.1. Опис лабораторної установки та методики досліджень 
кавітаційного розкладу ароматичних сполук під впливом акустичних  
випромінювань ультразвукового діапазону  
 
Дослідження розкладу бензену або толуену під дією акустичних 
випромінювань ультразвукового (УЗ) діапазону, які породжують кавітаційні 
явища, здійснювали на установці, наведеній на рисунку 2.1.  
Установка складалась з таких елементів: реакційної ємності 1 (кювета 
або колба із штуцерами для електродів 2 для потенціометричних 
вимірювань); рНметра-потенціометра рН-643М (3); магнітострикційного УЗ-
випромінювача “Ultrasonic Dеsintegrator UD-20” (4) з блоком живлення 5; 
ультратермостата UTU-4 6 з виносною ванною для термостатування 
реакційного середовища 7 (у ній розміщували кювету або колбу 1); магнітної 
мішалки, на яку встановлювали термостатну ванну 7 з реакційною ємністю 1; 
системи сонохімічного аналізу, до складу якої входили гідрофон 9, АЦП 10 
та портативний комп’ютер 11. Для потенціометричних вимірювань 
використовували електродні системи: – електроди для pH-метрії: – 
вимірювальний (ЭСЛ-43-07) і порівняння (хлоридсрібний ЭВЛ-1); електроди 
для редокс-потенціометрії – вимірювальний (платиновий ЭВП-1) і 
порівняння – хлоридсрібний ЭВЛ-1М). Температуру в реакційній ємності 1  
визначали ртутним термометром з ціною поділки 0,2 0С  
 
 
 
        1 – реакційна колба; 2 – електроди; 3 – рН-метр;  4 – магнітострикційний 
випромінювач UD-20; 5 – блок живлення;   6 – ультратермостат; 7 – 
термостатна ванна; 8 – магнітна мішалка; 9 – гідрофон; 10 – аналогово-
цифровий перетворювач (АЦП); 11 – портативний комп’ютер  
 
Рисунок 2.1 - Схема установки для дослідження кавітаційного 
знешкодження ароматичних сполук:  
 
Потужність генератора УЗ-коливань змінювали дискретно у діапазоні 
8,0…12,5 Вт (відповідна питома потужність кавітаційного оброблення 
дорівнювала (кВт/м3) 53,3; 61,3; 68; 73,3; 83,3. Частота випромінювання 
магнітострикційного УЗ-випромінювача була фіксованою – 22 кГц.   
Дослідження процесу кавітаційного або кавітаційно-реаґентного розкладу 
бензену або толуену здійснювали впродовж часу, необхідного для 
досягнення гранично допустимої концентрації (ГДК) бензену або толуену, у 
таких режимах:   
– стаціонарному (збудження кавітації протягом не менше 30 хв. за сталих 
частоти УЗ-коливань і питомої потужності УЗ-випромінювача);   
– ініціювання процесу (збудження кавітаційного поля впродовж 5…15 
хв. з подальшою експозицією реакційного середовища ще не менше 30 хв.);  
– періодичному – процес здійснювали у циклічному режимі «збудження 
кавітації – експозиція – збудження кавітації – експозиція… – ».  
Дослідження проводили також за різних гідродинамічних умов: у режимі 
турбулентного перемішування і без перемішування (ламінарний режим).  
Впродовж досліду з реакційної ємності 1 періодично відібрали проби 
водного середовища для спектрофотометричного визначення концентрації 
ароматичних сполук, а також величини ХСК. На початкових стадіях процесу 
(впродовж 30 хв.) проби відбирали кожних 5 хв. Значення ОВП системи 
фіксували через 1…5 хв.  
У разі проведення досліджень з використанням розчину натрію 
гіпохлориту як окисника певний його об’єм вносили за постійного 
перемішування до досліджуваного середовища.   
 
       2.2.2. Опис лабораторної установки та методики досліджень 
кавітаційного розкладу ароматичних сполук у гідродинамічному 
струменевому кавітаторі   
 
Ефективність кавітаційного знешкодження ароматичних сполук, яке 
було встановлено під дією УЗ-випромінювання, перевіряли на установці з 
кавітатором гідродинамічного типу (рисунок 2.2), потужність якої була 
значно більшою ніж УЗвипромінювача – 1,1 кВт. Головним елементом цієї 
установки був гідродинамічний струменевий кавітатор оригінальної 
конструкції .   
 
 
    1 – циркуляційна ємність; 2 – мішалка; 3 – контур охолодження; 4 – насос;   
5 – байпас; 6 – манометр; 7 – робочий орган (кавітувальний елемент);  8 – 
корпус кавітатора; 9 – манометр; 10 – компресор; 11 – контрольний  
термометр; 12 – гідрофон; 13 – ПК  
 
Рисунок 2.2 - Схема установки зі струменевим кавітатором 
гідродинамічного типу:  
 
Він складався з циліндричного вертикального корпуса 8 діаметром 120 
мм і об’ємом 8 дм3, виконаного з прозорого поліметилметакрилату, що 
необхідно для візуальних спостережень та фотофіксації явища кавітації. У 
нижню частину кавітатора вмонтовано кавітувальний елемент 7, виконаний 
як система сопел, розташованих під кутом близько 1100. Імітат стічної води, 
що містив бензен, відцентровим насосом 4 із циркуляційної ємності 1 
подавали у гідродинамічний кавітатор. Тиск на вході у кавітатор, а 
відповідно і кількість енергії, яка вносилась у зону кавітації, регулювали 
байпасом 5 із системою кранів, встановлених на головній та байпасній 5 
лініях. Для усереднення складу водної фази циркуляційна ємність 1 оснащена 
лопатевою мішалкою 2. Ізотермічність процесу забезпечували контуром 
охолодження 3, розміщеним у ємності 1.  
Для інтенсифікації збудження кавітації у водне середовище перед 
відцентровим насосом 4 компресором 10 через реометр 9 із заданою 
витратою (1…3 % об.) вводили повітря. За такого введення повітря 
інтенсивність розчинення компонентів повітря, передусім кисню, є 
найвищою.   
Для оцінювання кавітаційних процесів, які відбуваються у кавітаторі 8, 
використовували систему сонохімічного аналізу, до складу якої входили 
гідрофон 12. комутований через АЦП з портативним комп’ютером 13.  
У резервуарі 1 приготували імітацію стічної води, що містить бензол і 
піддалася кавітації. Для цього її заповнили вимірюваним об’ємом води і 
ввімкнули насос 4; систему кранів потоку рідини регулювали так, щоб тиск 
на вході в кавітатор не перевищував 0,2 МПа, при якому кавітація не 
збуджується. Потім у нижню частину циркуляційного бака 1 вводили об’єм 
бензолу, щоб відповідати його максимальній розчинності у воді при 
кімнатній температурі. Циркуляцію водно-органічного середовища з 
одночасним перемішуванням у циркуляційному баку 1 здійснювали до 
досягнення в середовищі постійної концентрації бензолу, що періодично 
визначали спектрофотометрично. Після досягнення постійної концентрації 
бензолу встановлюють заданий тиск рідини на вході в кавітатор. Повітря із 
заданою швидкістю потоку у водному середовищі подавалося через штуцер, 
розташований перед насосом 4. 
Періодично з циркуляційного резервуара відбирали проби водно-органічного 
середовища для аналізу на вміст бензолу. 
2.2.3. Опис лабораторної установки та методика дослідження корозійної  
активності  стічних вод  нафтопереробного заводу 
 
Корозійну активність органовмісних та гіпохлоритних стічних вод, що 
утворюються при виробництві олефінів, а також хлору та їдкої солі на 
Кременчуцькому НПЗ, досліджували за корозійної стійкості 
низьковуглецевої сталі V 3 методом електрохімічної імпедансної 
спектроскопії (ЕІС). Дослідження проводили в лабораторній установці, що 
складалася з електрохімічної комірки з арматурою, до якої приєднали 
досліджуваний зразок St 3, насичений електрод порівняння Ag/AgCl і 
платиновий допоміжний електрод, а також потенціостат Gill AC (ACM 
Instruments). Спектри імпедансу зразків сталі знімали при вільному 
потенціалі корозії. Частоту прикладеного струму змінювали у межах від 1 
kHz до 0,1 Hz; амплітуда сигналу становила 30 mV; площа робочої поверхні 
сталевих зразків дорівнювала 1,0 см2. Корозивними середовищами слугували 
водні розчини гексану, який розглядали як імітат олефінових стоків, (10 
мг/дм3) та NaClO (40 мг/дм3). Його отримували внаслідок інтенсивного 
перемішування води з надлишком гексану («ч») з подальшим розділенням 
водної та органічної фаз. Розчин NaClO із заданою концентрацією 
отримували розведенням водою товарного продукту (ТУУ 6-05761620.022-
2000). Контрольним корозивним середовищам служила водопровідна вода. 
Тривалість експозиції зразків сталі у вказаних середовищах – 3 год.  
 
2.3.  Опис методик аналізів 
 
2.3.1. Методика спектрофотометричного визначення концентрацій 
бензену, толуену та натрію гіпохлориту  
 
Визначення концентрації сполук ароматичного ряду (бензену та 
толуену) та натрію гіпохлориту у водних середовищах (імітатах, реальних 
виробничих стічних водах та реакційних середовищах впродовж 
дослідження) проводили методом UV/Viz-спектроскопії на двопроменевому 
спектрофотометрі SPECORD M40 (UVVIS) Carl Zeiss JENA з використанням 
кварцових кювет товщиною 10 мм у діапазоні довжин хвиль 200…900 нм 
(середовище порівняння – дистильована вода). Попередньо будували 
градуювальник графік залежності оптичної густини певного водного 
середовища від вмісту органічної сполуки (бензену або толуену) або NaClO 
за довжин хвиль, що відповідають максимуму поглинання, нм: бензену – 255; 
толуену – 261; натрію гіпохлориту – 292.  Калібрувальні розчини готували 
розведенням попередньо насичених водних розчинів бензену або толуену та 
товарного концентрованого розчину натрію гіпохлориту дистильованою 
водою.  
Фотометрування реакційного середовища у видимій оптичній області 
проводили за допомогою фотометра фотоелектричного КФК-3 у діапазоні 
320…900 нм (кювети – кварцові товщиною 10…30 мм; середовище 
порівняння – дистильована вода).   
Вміст органічних сполук також визначали за величиною ХСК.  
 
2.3.2. Визначення величини хімічного споживання кисню  
 
Величину хімічного споживання кисню (ХСК) визначали за ДСТУ ISO 
6060: 2003.Метод ґрунтується на окисненні органічної частини водної фази 
сильним окисником – калію біхроматом у кислотному середовищі.  
 
2.3.3. Визначення вмісту натрію гіпохлориту  
 
Вміст натрію гіпохлориту в реакційному середовищі визначали 
йодометрично за МВВ №296-95. Метод полягає в окисненні натрію 
гіпохлоритом калію йодиду до йоду, кількість якого, що є еквівалентною 
вмісту NaClO, визначали титруванням розчином натрію тіосульфату.   
2.3.4. Методика виконання сонохімічного аналізу  
 
Ефективність кавітаційного окиснення ароматичних сполук залежить від 
характеру розвитку кавітаційних явищ у досліджуваних середовищах. Вони, 
очевидно, залежать від способу збудження кавітації (акустичний 
(ультразвуковий) чи гідродинамічний) та від складу середовища. Для 
порівняння розвитку кавітаційних полів у 2-х реакційних системах (воді та 
імітаті стічних вод, який містив бензен) виконували методом сонохімічного 
аналізу. Для цього впродовж збудження кавітації за допомогою сферичного 
гідрофону типу 8105 (діапазон частот, які фіксуються – 0.1 Гц…160 кГц; 
чутливість – -205 дБ на 1В/мкПа; характеристики направленості: на 100 кГц  
рівно направленість є не меншою 2700. в осьовій площині та 3600.  – у 
радіальній), який через аналогово-цифровий перетворювач був комутований 
з персональним комп’ютером, фіксували головні характеристики звукових 
сигналів – їх осцилограми та спектри частот. Аналіз та графічну 
інтерпретацію отриманих сигналів здійснювали з використанням стандартної 
спеціалізованої програми для запису та редагування аудіофайлів «Adobe 
Audition 1.5» [135].  
 
2.3.5.  Методики оброблення результатів досліджень  
 
Регресійний аналіз отриманих експериментальних залежностей 
проводили за допомогою стандартних програм Microsoft Office Excel 2007. 
На його основі визначено значення надійності апроксимації (R2). 
Імпедансні залежності, отримані під час дослідження корозійної 
активності імітацій органовмісних та гіпохлоритових стічних вод ВАТ 
«Карпатнафтохім», моделювали за допомогою еквівалентної електричної 
схеми та програми EIS Spectrum Analyzer [136]. Еквівалентна електрична 
схема включає опір електроліту (Re), опір передачі заряду металу (Rct) і 
двошарову ємність на металі, представлену постійним фазовим елементом 
(Qdl). 
Методом графічного диференціювання визначено кінетичні 
характеристики процесу розкладання бензолу (толуолу) у кавітаційних полях 
(порядок реакції та константа швидкості). 
 
 
 
3 КОНСТРУКЦІЯ ОСНОВНОГО АПАРАТУ 
 
На основі результатів, отриманих під час експериментальних досліджень 
напруженості кавітаційних полів у генераторах різних типів, процесів 
кавітаційно-флотаційного відокремлення водних середовищ, а також аналізу 
джерел інформації розроблено конструкцію ГДСК. (діаметр сопла, кількість 
сопел, кут атаки струменів) параметри, щоб забезпечити оптимальні умови 
протікання технологічних процесів у кавітаційних полях навіть при зміні 
температури і, відповідно, реологічних властивостей цих середовищ. 
Позитивною особливістю розробленої конструкції ГДСК є можливість 
контролю ефективності процесу кавітаційно-флотаційної сепарації 
безпосередньо під час його виконання, що забезпечує безперервність і 
гнучкість процесу. Запропоновано технологічні схеми процесів: кавітаційно-
флотаційного збагачення сірчаної руди; кавітаційно-флотаційне відділення 
суспензії, що утворюється при регенерації відпрацьованого абсорбційного 
розчину при виробництві пігментованого оксиду титану (IV); розчинення 
лангбеїнітової руди і флотація нерозчинного залишку.  
 
3.1. Гідродинамічний струменевий кавітатор 
 
Істотним недоліком більшості конструкцій кавітаторів є неможливість 
забезпечити оптимальні умови для протікання різних технологічних процесів 
(фізико-хімічних, тепломасообмінних) безпосередньо під час кавітаційної 
обробки водних неоднорідних середовищ. Розроблена конструкція ГДСК, в 
якій впровадження нових елементів (гідрофон, мікропроцесор, реверсивний 
двигун, навісні та зворотно-поступальні механізми) дозволяє змінювати 
просторове розташування кавітуючих елементів (форсунок) і автоматично 
регулювати кут між осями сусідніх насадок і форсунками. поздовжня вісь 
оптимальні умови для перебігу технологічних процесів у кавітаційних полях 
навіть при зміні температури і, відповідно, реологічних властивостей 
(в'язкості, густини тощо) водних неоднорідних середовищ, в яких ці поля 
утворюються. Позитивною особливістю розробленої конструкції ГДСК є 
можливість контролю ефективності кавітаційної обробки безпосередньо під 
час виконання певного технологічного процесу, що забезпечує його 
безперервність і гнучкість. 
Принципова схема конструкції ГДСК (поздовжній розріз), розроблена під 
час експериментальних досліджень розвитку кавітаційних полів у водних 
неоднорідних середовищах, наведена на рисунку 3.1. 
ГДСК складається з циліндричного корпусу 13 з трубами подачі 4 і 
відведенням 16 водного середовища. Усередині корпусу 13 змонтований 
шарнірний механізм 10, до якого за допомогою кріплень 11 прикріплені 
патрубки 12 зі шлангами 6, а також зворотно-поступальний механізм 8. 
Шарнірний механізм 10 кріпиться до зворотно-поступального механізму 
через рухомий 9 і нерухомий 14. горіхи. Нерухома гайка 14 оснащена 
опорним підшипником 15 для з'єднання з зворотно-поступальним 
механізмом 8, виконаним у вигляді вала з різьбовим перетином. Поступальне 
переміщення рухомої гайки 9 досягається за допомогою напрямних 7, які 
проходять через отвори, зроблені в рухомій гайці 9 і закріплені на корпусі 
кавітатора 13 і нерухомій гайці 14. Ущільнення водної неоднорідної 
середовища до патрубків 12 кавітатора. оснащений колектором 5 і шлангами 
6. Для приведення в дію зворотно-поступального механізму 8 оснащений 
муфтою 2 і реверсивним двигуном 1. Приведення в дію реверсивного 
двигуна 1 в автоматичному режимі досягається мікропроцесором 18, 
підключеним до гідрофону, встановленого в Корпус кавітатора 13. 
 
1 – реверсивнийдвигун; 2 – муфта; 3 – ущільнення; 4 – патрубокподачі; 5 
– колектор; 6 – шланг; 7 – направляюча; 8 – зворотно-поступальниймеханізм; 
9 – рухомагайка; 10 – шарнірниймеханізм; 11 – кріпленнясопла; 12 – сопло; 
13 – корпус; 14 – нерухомагайка; 15 – опорнийпідшипник; 16 – 
патрубоквідведення; 17 – гідрофон; 18 – мікропроцесор 
 
Рисунок - 3.1. Принципова схема конструкції ГДСК (поздовжній переріз) 
 
GDSK працює так. Водне гетерогенне середовище, яке піддається 
катіонному обробці, надходить під тиском по трубі подачі 4 до 
колектора 5, а разом з нею за допомогою шлангів 6 до патрубка 12. На 
виході з кожної форсунки 12 подається струм з високою кінетичною 
енергією. сформований. Під час зникнення струменів на деякій ділянці 
всередині сопел 12 збуджується кавітація середовища і всередині 
корпусу 13 утворюється область кавітації. За рахунок потоку ця область 
розширюється вздовж осі кавітації на весь корпус 13. Складові хімічних 
процесів, масо- і теплообмін, теплоутворення. Кут між осями сопел 12 і 
поздовжньою віссю корпусу 13 кавітатора змінюється за рахунок 
реверсивного двигуна 1, вал якого через муфту 2 з'єднаний з зворотно-
поступальним механізмом 8. механізм 8. При цьому У випадку 
переміщення елементів шарнірного механізму 10, до яких кріпляться 
насадки 12, і, наприклад, зміна кута між їх осями і віссю кавітатора. 
Після обробки в кавітаційному полі водне неоднорідне середовище через 
нагнітальний патрубок 16 скидається з кавітатора. 
Для автоматичного регулювання кута між осями сопел 12 і віссю корпусу 
кавітатора 13 гідрофоном 17 фіксують величину акустичного сигналу 
сформованого кавітаційного поля. Сигнал перетворюється мікропроцесором 
18, який приводить в рух реверсивний двигун 1.Реверсивний двигун 1 за 
допомогою зворотно-поступального 8 і шарнірного 10 механізмів змінює 
просторове розташування сопел 12 доти, доки не буде досягнут 
 
 
4 ТЕХНОЛОГІЧНІ СХЕМИ ОЧИЩЕННЯ ВІД ОРГАНІЧНИХ 
ВІДХОДІВ З ВИКОРИСТАННЯМ КАВІТАЦІЙНИХ МЕТОДІВ  
 
На підставі результатів, отриманих під час експериментальних 
досліджень розкладання бензолу в кавітаційних полях, створених як 
ультразвуковими випромінювачами, так і гідродинамічними струминними 
кавітаторами, а також аналізу джерел інформації сформульовано 
технологічні концепції та декілька варіантів технологічних схем очисних 
складів стічних вод. 
Основні технологічні концепції кавітаційного очищення стічних вод 
від ароматичних сполук включають: 1) використання енергії, що виділяється 
при кавітації, лише для ініціювання процесу (не постійне кавітаційне 
очищення стічних вод до досягнення нормативних показників для 
ароматичних сполук, а лише протягом певного часу); 2) використання 
«хімічної енергії» кавітаційно-активованої частини (основного потоку) 
стічної води для здійснення процесу очищення від ароматичних сполук 
усього її обсягу (досягається розподілом потоку стічної води на основний, 
кавітаційно-активований та обхідні, які далі змішуються); 3) утилізація 
олефінових стічних вод, що містять ароматичні сполуки, за допомогою 
суміжних стічних вод (використання некондиційного низькоконцентрованого 
розчину гіпохлориту натрію як окислювача, утвореного за технологією 
каустичної соди та хлору).  
 
4.1. Технологічна схема кавітаційного очищення стічних вод  
олефінового виробництва з фракційним рециклом   
 
Розроблена технологічна схема (варіант І) для очищення стічних вод 
олефінового виробництва від бензену зображена на рисунку 4.1. Вона 
призначена для забезпечення показників очищених промислових стоків до 
нормативних значень, за яких дозволяється скидання стоків у систему 
комунальних очисних споруд [42].   
 
 
1 – збірна ємність; 2, 6 – насоси; 3 –теплообмінник; 4 – проміжна 
циркуляційна ємність;   5 – ежектор; 7 – кавітатор;  
(пунктиром виділено існуюче обладнання)  
 
Рисунок  4.1 -  Принципова технологічна схема кавітаційного очищення 
стічних вод  від сполук ароматичного ряду (варіант І)   
 
Слід зазначити, що згідно з [42], а також для того, щоб зменшити 
можливість корозії комунікацій, цю технологічну схему слід впроваджувати 
як локальні очисні споруди (ЛОС) безпосередньо на підприємстві, де 
утворюються ці стічні води. Тому доцільно організувати ці ЛОС як проміжну 
ділянку між виробничим процесом та міськими очисними спорудами. Бажано 
використовувати певне існуюче технологічне обладнання, наприклад збірні 
резервуари, насоси тощо. 
Стічні води подаються в збірник 1, який також відіграє роль 
усереднення, оскільки склад стічних вод, що утворюються, змінюється з 
часом. Звідти насос 2 через систему регульованих клапанів усереднює стічні 
води на два потоки - основний і перепускний. 
За результатами експериментальних досліджень розкладання бензолу 
(розділ 3) зроблено висновок, що його ефективний розпад відбувається у разі 
змішування кавітаційно очищеного середовища зі стічними водами у 
співвідношенні навіть 1: 100. Тобто очищені стічні води як Основний потік 
становить лише 1% від загального об'єму середовища. Однак, враховуючи 
великі обсяги виробництва та стічних вод, можливість зниження вмісту 
радикалів органічної природи як продуктів кавітації та окисного руйнування 
органічних сполук, особливо бензолу, для забезпечення високої ефективності 
очищення стічних вод апріорі передбачається, що вміст кавітаційно очищені 
стічні води неочищені (вихідні) повинні становити 1…10%.   
Основний потік, що складає 1…10% від потоку на вході у насос 2, 
надалі через теплообмінник 3 надходить у проміжну циркуляційну ємність 4. 
Температура стічної води на виході з установки піролізу нафтопродуктів 
становить 40…50 С. За температури 35…45 С, як показано вище (розділ 
3), швидкість кавітаційного розкладу має аномально низькі значення. 
Нагрівання стічної води  до температури близько 50 С, за якої швидкість 
розкладу бензену є високою, є недоцільним. Це зумовлене тим, що зі 
збільшенням температури можлива часткова десорбція бензену чи його 
гомологів зі стічної води. Тому в теплообміннику 3 стічні води охолоджують 
до температури 30…32 0С, за якої швидкість розкладу бензену є найвищою у 
досліджуваному діапазоні температур. Як теплоносій для охолодження 
стічних вод доцільно використовувати нафтопродукти, які надалі подають на 
стадію піролізу, де саме й утворюються органовмісні стічні води.     
З циркуляційної ємності 4 насосом 6 основний потік стічних вод під тиском  
не менше 0,45…0,5 МПа подають у струменевий гідродинамічний кавітатор 
7. Вказане значення тиску на вході у кавітатор 7 необхідне для забезпечення 
високої лінійної швидкості струменів стічних вод, внаслідок зіткнення яких 
відбувається ефективне збудження кавітації, а також для забезпечення 
всмоктування повітря ежектором 5. У кавітаторі 7 відбувається часткова 
деструкція бензену і толуену та їх глибоке окиснення. Для інтенсифікації 
збудження кавітації у потік стічних вод перед кавітатором 7 вводять 
незначну кількість (2…3% від витрати стічної води) повітря. Введення 
повітря відбувається через ежектор 5, через який проходить стічна вода, що 
всмоктується насосом 6. Для збільшення ступеня перетворення бензену 
здійснюють декілька разове оброблення стічних вод в кавітаторі 7. Для цього 
частину кавітаційно обробленої стічної води, витрата якої залежить від  
досягнутого ступеня перетворення бензену, повертають у циркуляційну 
ємність 4, а звідти – знову у кавітатор. Кавітаційно оброблену стічну воду 
подають у циркуляційну ємність через теплообмінник 3, в якому стоки 
охолоджуються до температури 30…32 0С, оскільки процес у 
гідродинамічному кавітаторі відбувається з виділенням теплоти.   
При проходженні реакційного середовища через кавітатор 7 
відбувається ініціювання окислення бензолу, яке відбувається за 
радикальним механізмом. Введення кавітаційно очищених стічних вод в 
обхідний потік (основний потік) призводить до продовження процесу 
окислення бензолу в отриманій суміші. Реакційне середовище, що 
утворилося в результаті інтенсивного перемішування основного і обвідного 
потоків за рахунок розміщення турбулентних вставок у трубопроводі, 
подається на міські очисні споруди. Процес глибокого окислення бензолу в 
трубопроводі продовжується завдяки наявності кисню, поглиненого 
рідкофазним середовищем перед кавітатором 7. Оскільки відстань від 
виробництва олефіну до міських очисних споруд становить близько 3 км, 
часу перебування достатньо. для глибокого окислення ароматичних сполук. 
Якщо відстань між ЛОС і міськими очисними спорудами незначна, то для 
інтенсифікації окислення ароматичних сполук після кавітатора 7 доцільно 
додатково забезпечити водне середовище киснем. Для цього можна 
використовувати насадку-колонку або контактну ємність з мішалкою, через 
яку потрібно пропускати певну кількість повітря. Обсяг контактного бака 
повинен забезпечувати перебування в ньому стічних вод не менше 60 
хвилин. забезпечити нормування вмісту бензолу та його гомологів у 
очищених стічних водах.  
Запропонований варіант технологічного процесу знешкодження стічних 
вод, що містять ароматичні сполуки, варто застосовувати для порівняно 
невеликих витрат стічних вод.  
 
       4.2. Технологічна схема очищення стічних вод олефінового виробництва  
застосуванням каскаду кавітаторів  
 
Технологічна схема (варіант ІІ) очищення стічних вод виробництва олефінів 
з бензолу та його гомологів наведена на рисунку 4.2. Він призначений для 
забезпечення показників очищених промислових стічних вод до нормативних 
значень, що дозволяють скидати стічні води в систему міських очисних 
споруд [42]. Усі основні етапи цієї технології (охолодження стічних вод до 
оптимальної температури, накопичення в збірному баку, кавітаційна 
обробка) подібні до таких у варіанті І. 
Ця технологія відрізняється від технології першим варіантом використанням 
каскаду реактивних струменів. З їх допомогою енергія, необхідна для 
збудження кавітації та забезпечення протікання та розвитку окисних 
процесів за участю ароматичних сполук, подається в стічні води як реакційне 
середовище періодично – в кожен наступний кавітатор. 
У порівнянні з попереднім варіантом (з фракційною циркуляцією стічних 
вод), цей варіант технологічної схеми слід використовувати у разі значно 
вищої, ніж у попередньому випадку, вартості стічних вод. 
 
1 – збірна ємність; 2, 4, 8 – насоси; 3, 7 –теплообмінники; 5, 9 – ежектори;   
6, 10 – кавітатори  
(пунктиром виділено існуюче обладнання)  
     Рисунок  4.2. Принципова технологічна схема кавітаційного очищення  
 
Стічні води подають у збірник-усереднювач 1 для зменшення коливань 
концентрації ароматичних сполук у часі. Звідти насосом 2 через систему 
регульованих засувок усереднені стічні води розділяють на два потоки – 
основний і байпасний. Як і в першому варіанті, витрата основного потоку 
становить 1…10% від загального обсягу стічних вод, а байпасного – від 90 %. 
Основний потік насосом 2 подають у теплообмінник 3, де стічні води 
охолоджують до температури 30…32 0С, за якої швидкість розкладу бензену 
є найвищим у досліджуваному діапазоні температур. Як теплоносій для 
охолодження стічних вод використовують нафтопродукти, які надалі 
надходять на стадію піролізу.     
Насосом 4 основний потік стічних вод подають у струменевий 
гідродинамічний кавітатор 6. У ньому відбувається часткова деструкція 
бензену та глибоке окиснення продуктів деструкції. Для інтенсифікації 
збудження кавітації у потік стічних вод перед кавітатором 6 вводять 
незначну кількість (2…3% від витрати стічної води) повітря.  Введення 
повітря відбувається в ежекторі 5, через який з великою швидкість проходить 
стічна вода. Щоб збільшити ступінь перетворення бензену кавітаційне 
оброблення здійснюють послідовно декілька раз за допомогою каскадної 
системи гідродинамічних кавітаторів, яка складається з двох і більше 
апаратів. Кількість гідроструменевих кавітаторів у каскаді регулюється 
відповідно до необхідного ступеня перетворення бензену та витрати стічних 
вод. Для цього, починаючи з третього ступеня каскаду, передбачено 
подавання основного потоку або безпосередньо через кавітатор, або через 
вторинний байпас. Напрям руху основного потоку стічних вод регулюють 
системою автоматичних засувок.   
Кавітаційно оброблені стічні води у теплообмінник 7, де їх температура 
зменшується до 30…32 0С, оскільки після деструкції бензену у кавітаторі 7 
стічні води нагріваються до близько 40 0С, що є недоцільним для 
ефективного проходження реакції. Оскільки у кавітаторі 6 відбувається 
втрата напору, необхідного для збудження кавітації у наступному 
гідродинамічному кавітаторі, на після кавітатора 6 реакційне середовище 
насосом 8 подають у наступний гідроструменевий кавітатор 10, де 
відбувається подальша деструкція бензену до необхідного ступеня 
перетворення. Для інтенсифікації збудження кавітації у потік стічних вод 
перед кавітатором 10 вводять незначну кількість (2…3% від витрати стічної 
води) повітря. Введення повітря відбувається в ежекторі 9, через який 
проходить стічна вода. Для зменшення кількості баластного азоту, що може 
спричинити гасіння явища кавітації у другому та наступних кавітаторах, 
після кожного попереднього ступеня (кавітатора), окрім останнього, доцільно 
стравлювати тиск у рідинному потоці, що призведе до десорбції інертного 
азоту.  
Під час проходження реакційного середовища через кавітатори 6 і 10 
відбувається ініціювання процесу окиснення бензену, що відбувається за 
радикальним механізмом. Введення у байпасний потік вихідної стічної води 
кавітаційно обробленої (основний потік) спричиняє продовження процесу 
окиснення бензену в отриманій суміші. Стосовно Кременчугського 
нафтопереробного заводу стічні води, оброблені у каскаді гідродинамічних 
кавітаторів, існуючою каналізаційною мережею подають до промислових 
очисних споруд, які розташовані на відстані близько 3 км від олефінового 
заводу.   
Для інших промислових підприємств для закінчення процесу окиснення 
ароматичних сполук суміш кавітаційно оброблених та вихідних стічних вод 
необхідно подавати у контактну ємність, в якій тривалість перебування має 
дорівнювати не менше 60 хв. Додаткове введення повітря після каскаду 
гідродинамічних кавітаторів не потрібне, оскільки його вводять перед 
кожним кавітатором.  
 
4.3. Технологічна схема очищення стічних вод олефінового виробництва  
з використанням стічних вод виробництва каустичної соди та хлору  
 
Технологічна схема для очищення стічних вод олефінового 
виробництва від бензену за третім варіантом  зображена на рисунок 4.3.   
Усі основні стадії цієї технології (охолодження, накопичення у збірній 
ємності, кавітаційне оброблення) є аналогічними, як у варіантах І і ІІ. Ця 
технологія відрізняється від варіантів технології І і ІІ використанням для 
ефективного окиснення бензену некондиційних розчинів натрію гіпохлориту.   
 
 
1, 5 – збірні ємності; 2, 4, 6 – насоси; 3 –теплообмінник;  7 – кавітатор  
(пунктиром виділено існуюче обладнання)  
        
       Рисунок  4.3 - Принципова технологічна схема кавітаційного очищення 
стічних вод  від сполук ароматичного ряду за допомогою гіпохлоритних 
стічних вод (варіант ІІІ)   
 
Така технологія ґрунтується на використанні протилежних 
окисновідновних властивостей олефінів та гіпохлоритів. Таку схему 
очищення стічних вод доцільно реалізувати на Кременчугському 
нафтопереробному заводі, де функціонує низка різнопланових технологічних 
процесів, зокрема, виробництво олефінів та виробництво каустичної соди і 
хлору. У цеху каустичної соди і хлору утворюються певні кількості 
некондиційних розчинів натрію гіпохлориту, які є відходами цього 
виробництва. Оскільки натрію гіпохлорит, як відомо, є сильним окисником, 
то відповідні стічні води скидати ані в природні водойми, ані на біологічні 
очисні споруди категорично забороняється, бо це призведе до значного 
ураження зазначених біоценозів. Зараз некондиційні розчини натрію 
гіпохлориту знешкоджують термічно-каталітичним способом: за 
температури 80…90 0С, яку створюють подачею гострої водяної пари у 
розчин гіпохлориту, та за присутності каталізаторів – сульфатів нікелю та 
міді. Тривалість розкладу гіпохлориту є значною – до 8-10 годин і потребує 
дуже великих енергетичних витрат у вигляді теплової енергії.   
Попередньо виконаними дослідженнями встановлено позитивний 
ефект, при додаванні натрію гіпохлориту до олефінових стічних вод, на 
процес деструкції бензену. Оскільки натрію гіпохлорит є до речовин, які 
мають додаткові властивості (ред добротно-потенціальних систем OCl-/Cl- 
дорівнює 1,49 В), а органовмісним стокам притаманні відновні властивості, 
що після їх змішування відбувається взаємодія між ними, що й спричиняє їх 
перетворення у практично нешкідливі речовини. Через використання 
некондиційних розчинів натрію гіпохлориту як реагенту-окісника дає 
посилення впливу знешкодження різних за походженням та властивостями 
стічних вод. 
Стічні води олефінового виробництва, що містять сполуки ароматичного 
ряду, подають у збірник 1, який одночасно відіграє роль усереднювача. 
Основний потік, що складає до 10% від загальної витрати стічних вод 
олефінового виробництва, насосом 2 подають у трубний простір  
теплообмінника 3, а звідти – у проміжну ємність 4. У теплообміннику 3, як і в 
попередніх варіантах, стічну воду охолоджують до температури 30…32 С. 
Як показано вище, за такої температури швидкість розкладу бензену є 
найвищою. Як теплоносій для охолодження стічних вод доцільно 
використовувати  некондиційні розчини натрію гіпохлориту з температурою 
20…25 С. Нагріваючись у теплообміннику 3 до температури близько 30 
С, гіпохлоритні стічні води після змішування зі стічними водами 
олефінового виробництва  сприятимуть перебігу розкладу бензену.  
Для інтенсифікації збудження кавітації у трубопровід подачі олефінових 
стічних вод насосом 6 зі збірної ємності 5 подають розчин натрію 
гіпохлориту. Оскільки розчин натрію гіпохлориту має лужну реакцію, то 
розклад NaClO відбувається за кисневим механізмом, тобто з виділенням 
кисню. Саме виділення кисню сприяє як збудженню кавітації, так і 
окисненню ароматичних сполук. Тому у цій технологічній схемі введення  
повітря у потік стічної води  для збудження кавітації не доцільне.   
Кавітаційно оброблені змішані органовмісні та гіпохлоритні стічні води 
після кавітатора 7, як і в попередніх варіантах, змішують з байпасним 
потоком органовмісних стічних вод і подають на комунальні очисні споруди.   
 
 
 
6 ЕКОНОМІЧНІ РОЗРАХУНКИ 
 
Скидання недостатньо очищених стічних вод у природні водойми 
призводить до накопичення шкідливих органічних сполук, що негативно 
впливає на природні екосистеми, зумовлює необхідність більш складних 
технологічних процесів очищення вод для їх використання як у побутових, 
так і в різних галузях промисловості. 
Економічна ефективність роботи базується на економії енергетичних витрат на очистку, 
можливості зменшення вмісту органічних речовин в очищених стічних водах, які скидаються в 
водойми.     
Очевидна економічна перевага, як з точки зору капітальних вкладень, так і 
експлуатаційних витрат. Кавітаційна очистка в порівнянні з іншими видами очищення, такими, як 
хімічне окислення; термічне окислення і т.д., забезпечує можливість монтування очистки за 
допомогою кавітації місце в будь-якій системі комплексного очищення стічних вод. 
В даному розділі проведено розрахунки собівартості очистки стічної 
води на експериментальній установці очистки стічних вод від органічних 
сполук а також техніко-економічний розрахунок процесу  який полягає у 
визначенні собівартості очищення рідких відходів олефінового заводу за 
електроенергією та реаґентами.  
 
6.1 Розрахунки вартості основних фондів 
 
До вартості основних фондів відносять вартість будівель та споруд і вартість обладнання. 
Результати розрахунків зведені в таблиці 6.1 і 6.2. 
 
 
 
 
Таблиця 6.1 – Розрахунки вартості будівель та споруд 
Найменування Кіл. Початкова Аморти- Сума аморти-
вартість, грн. зація, % зації, грн. 
Будівлі:     
Лабораторія очистки 1 1710238 5 85511,9 
стічних вод 
Витяжна шафа 1 62831 5 3141,55 
Всього  2 1773069  88653,45 
 
Таблиця 6.2 – Розрахунки вартості обладнання  
 
Найменуван Ціна за Монтаж Вартість з % Сума 
ня оди- (10-15% монта- аморти амортиза
ницю, від ціни) жем,  зації ції, грн. 
грн. грн. 
1 2 3 4 5 6 7 
Кавітатор 1 850 10 935 10 85 
Ультротермо
1 482 10 530,2 10 48,2 
стат 
Магнітна 
1 367 10 403,7 10 36,7 
мішалка 
Монометр 1 186 10 204,6 10 18,6 
Насос 1 558 10 613,8 10 55,8 
Гідрофон 1 350 10 385 10 35 
Монтажний 
1 3500 10 3850 10 350 
стіл 
Вентиляцій-
1 32361 10 35597,1 10 3559,71 
на система 
Всього 8   42519,4  4251,94 
 
 
  
 
6.2 Штати і фонд заробітної плати персоналу 
 
 6.2.1 Основна і додаткова заробітна плата 
 
До витрат цієї статті належать плановий фонд заробітної плати наданого 
та інженерно-технічного персоналу, який займається науково-дослідною 
К-ть одиниць 
роботою: 
                                                         Зод. =Зт +З п +З д           ,                                            (6.1) 
 
 де З т – тарифний фонд зарплати працівників (по окладам та 
розцінкам для погодинників та віддільників відповідно), грн.; 
Зп – премії з фонду зарплати (складають 20-30% від Зт),грн.; 
Зд – додаткова зарплата (оплата очередних та додаткових 
відпусток, виконання державних та громадських обов’язків складає 
10-15% від суми З т Зп), грн. 
Розрахунки штату і фонду заробітної плати представлено в таблиці 6.3 
 
Таблиця 6.3 – Розрахунки штату і фонду заробітної плати 
 
 
 
 
 
 
 
Зт=M⋅t⋅∑ Qд  ,                                         (6.2) 
 
де М – кількість місяців фактично вироблених в 
рокові, міс.; t – строк дії господарсько-договірної теми; 
∑ Qд   – сума посадових місячних окладів співробітників 
відповідно штатного регламенту. 
Науково-дослідна робота проводилась протягом двох місяців. 
Тарифний фонд зарплати за місяць складає 14800 грн. 
Тоді за два місяці: 
 
                                Зт=14800⋅2=29600 грн. 
Відрахування на премії з фонду заробітної плати приймаються 
рівними 20% від тарифного фонду заробітної плати: 
                                                         Зп=Зт⋅0,20                                   (6.3) 
 
Премії з фонду заробітної плати : 
 
 
Зп=29600⋅0,20=5920,00грн. 
 
Відрахування на додаткову заробітну плату приймаються рівними 15% 
від суми (Зт+Зп). Додаткова заробітна плата становить: 
 
                                          З      
д =    Q ⋅∑(Зт+Зп).                                          (6.4) 
                                                         100 
                                                                 
15 
                                 З      
д =    ⋅∑ (5920+29600)=5328 грн. 
                                                      100 
 
                                                 Зoд=29600+5920+5328=400848 грн. 
 
Плановий фонд заробітної плати персоналу, який займається науково- 
дослідною роботою становить 400848 грн. 
 
 
 
 
6.2.2 Відрахування на соцстрахування 
 
 
До витрат цієї статті належать витрати на відрахування на соціальне 
страхування із суми основних та додаткової заробітної плати. Норматив 
відрахувань на соціальне страхування приймається за даними базового 
підприємства або рівним 7-15% від суми основної та додаткової заробітної 
плати науково-виробничого персоналу. 
Відрахування на соцстрахування визначається за формулою: 
Bc 
Зот=Зoд⋅_ 
100 ,                                  (6.5) 
   
 де   Зод – основна та додаткова заробітна плата наукового персоналу, грн.;  
        Вс – відрахування на соцстрахування становить 7%. 
Отже, відрахування на соцстрахування становлять: 
 
 
  
З от=40848_7__ = 2859,36 грн. 
                                                                  100 
  
 6.2.3 Витрати на наукові та виробничі відрядження 
 
 
Витрати на науково-виробничі відрядження включають усі витрати на 
відрядження (добові, квартирні, транспортні тощо), пов’язані з цим 
дослідженням. Розрахунок цих витрат виконується методом прямого 
калькуляції (за переліком відряджень) або вони приймаються рівними 8-10% 
від суми основної та додаткової заробітної плати науково-виробничого 
персоналу. 
За даними дослідницької роботи приймаються витрати на відрядження 
в розмірі 10% від розміру основної та додаткової заробітної плати. 
                                                Cком=З oд⋅0,1                          .(6.6) 
 
Отже, витрати на наукові та виробничі відрядження становлять: 
 
 
                                                  Cком=400848⋅0,1=40,084,8,2грн 
 
 Накладні витрати 
 
До накладних витрат належать зарплата адміністрації та господарського 
персоналу, витрати на охорону праці, ремонт, опалення, освітлення, 
водопостачання та інші витрати. 
 
6.2.4 Визначення потреби в електроенергії  
 
Визначення потреби в електроенергії  проводиться окремо по 
конкретному виду обладнання. Вартість однієї кВт/год електроенергії 
визначається на основі діючих прейскурантів – тарифів на електроенергію в 
залежності від регіону. 
 
Потреба в силовій електроенергії визначається за формулою: 
 
                                                   Есил  = N⋅Т⋅K⋅Kф ,                                         (6.7) 
  
 де N – потужність використованого обладнання, кВт ; 
  Т – час роботи обладнання, год/рік; 
   К – коефіцієнт навантаження на обладнання за потужністю,    
К=0,7; Кф – коефіцієнт, який враховує косинус фі,  
    Кф=0,95. 
Тоді: 
 
Есил=  3⋅112⋅0,7⋅0,95 = 223,44 кВт/год 
 
 
Розрахунок проведений на період виконання НДР – 2- місяця. Потреба 
в електроенергії для освітлення визначається за формулою: 
Т⋅S⋅a⋅1,02⋅1,05 
E =
осв 1000 ,                            (6.8) 
 
де Т – період штучного освітлення, год.; S – площа освітлення, м2; 
а – потужність світильників на 1 м2 поверхні, Вт; 1,02 - коефіцієнт , який 
враховує втрати в мережах; 1,05 - коефіцієнт чергового освітлення. 
110⋅  
48⋅6⋅1,02⋅1,05=33,93 Вт/год або 0,03393 кВт/год 
     Eосв=
                 1000 
 
Загальні потреби в електроенергії визначаються за формулою: 
 
                                                          E=Е сил +E осв                                    (6.9) 
 
                                                    E=0,03393+223,44=223,47 кВт/год. 
 
Ціна за 1 кВт/год складає 4,70 грн. 
                                           Цe=Ц і⋅E=4,70⋅223,47=1 050,309грн. 
 
6.2.5 Витрати на опалення розраховуються в залежності від площі 
лабораторії та вартості ціни за 1 м2 опалюваної площі. 
 
                                                               Bo=Ц⋅S ,                                           (6.10) 
 
 де S – площа лабораторії, м2; 
            Ц – оплата за 1 м2 площі в сезон опалення. 
 Науково-дослідна робота виконувалась протягом 2 місяців. Один місяць з 
цього періоду припадає на сезон опалення. 
 
                                                      Bo=48⋅46,50=2232 грн. 
 
Витрати на опалення становлять 1514,4 грн. Ремонт обладнання 
проводився власними силами. 
Загальні накладні витрати для проведення даної науково-дослідної 
роботи складають: 
                                                    Bн = Ц е+ Вo+100 ,                                  (6.11) 
 
                                                Bн=1050,309+2232+100=3382,309грн. 
6.2.6 Послуги сторонніх організацій 
 
До складу витрат за цією статтею входять витрати на сторонні послуги: 
насамперед використання комп’ютерної техніки для обробки та розрахунку 
експериментальних даних, виготовлення та дослідження окремих зразків, 
оплата робіт і послуг науково-дослідного підприємства, випробувальних 
установок та полігонів. Вартість цієї статті наведена в таблиці 6.4. 
 
Таблиця 6.4 – Витрати на послуги сторонніх організацій 
 
До цієї статі відносять патентно-ліцензійний пошук необхідного 
матеріалу з сучасних методів інтенсифікації очищення стічних вод від іонів важких 
металів природними сорбентами. Сюди віднесемо витрати на пошук літератури у 
бібліотеках міста та витрати на роботу в мережі Інтернет.  
Розрахувавши витрати на проведення експерементальні досліди ,  
можно  зробити техніко-економічний розрахунок процесу  який полягає у 
визначенні собівартості очищення рідких відходів олефінового заводу за 
електроенергією та реаґентами.  
 
6.3 Техніко-економічний розрахунок процесу   
 
Визначаємо витрату електроенергії, необхідної для кавітаційного 
оброблення рідких відходів олефінового виробництва за першим варіантом 
технологічного процесу. Відповідно до регламенту виробництва 
Кременчугського нафтопереробного завода об’ємна витрата органовмісних 
стоків на добу становить: 5896 м3/добу, а отже об’ємна витрата органовмісних 
стічних вод на годину за умови безперервного виробництва становить 246 м3/год.  
На підставі результатів досліджень співвідношення між кавітаційно 
обробленими стічними водами і необробленими приймаємо 1:9 (10% від 
загальної об’ємної витрати стічних вод). Отже, витрата стічних вод, які подають 
на кавітаційну обробку у гідродинамічний струменевий кавітатор, становить: 
24,6 м3/год (приймаємо 25 м3/год). Питома витрата енергії за тиску на вході у 
кавітатор 0,39 МПа становить 48,8 кВт/м3. Відповідно питома витрата енергії на 
годину за тиску на вході у кавітатор 0,39 МПа становитиме: 
 
25 м3/год х 48,8 кВт/м3 = 1220 кВт/год. 
 
Питома витрата електроенергії на оброблення стічних вод після змішування 
кавітаційно оброблених та вихідних (без оброблення) дорівнює:  
1220 кВт/год : 246 м3/год = 4,96 кВт/м3 або 119,04 кВт/добу. 
 
Вартість електричної енергії (за тарифу Кременчугского  філіала « ПАТ 
Полтаваобленерго» відпускає електроенергією Кременчугському 
нафтопереробному заводу , станом на 30.10.2021 р.  год.) дорівнювала 1,78 
грн./кВт : 
119,04 кВт/добу х год. = 211,89 грн/добу. 1,78 грн./кВт 
 
 Визначимо плату за скидання неочищених стічних вод у довкілля.  
Базовий розмір платежу – 120 грн./т (за ХСК). Розрахунок виконуємо за 
різницею між значеннями ХСК (3500 гО2/м
3) і БСК5 (1600 гО2/м
3), тобто з 
урахуванням тієї кількості органічних сполук, яка не піддається біодеградації, а 
саме :  
3500 – 1600 =  1900 мгО /дм3
2  (1,9 кгО 3
2/м ) 
 
Добовий скид за надмірним значенням ХСК складає : 
  
1,9 кгО 3 
2/м х  5896 м3/добу  = 11202,4 кгО2/добу або 11,202 тО2/добу. 
 
Добова плата за скидання у природні водойми недостатньо очищених 
стічних вод, навіть без урахування категорії водойми, чисельності населення 
міста тощо, дорівнюватиме : 
 
11,202 тО2/добу х 120 грн./т = 1344,24 грн/добу. 
 
Економія коштів за рахунок того, що добову плату за скидання викидів у 
довкілля не здійснюють, дорівнює (без врахування амортизаційних відрахувань 
вартості обладнання) : 
 
1344,24 грн/добу – 211,89 грн/добу = 1132,35 грн./добу. 
 
Виконані узагальнені розрахунки підтверджують високу економічну 
ефективність запропонованої технології для очищення стічних вод виробництва 
олефінів. У разі використання як окисника рідких відходів суміжного 
виробництва, а саме, натрію гіпохлориту, економічна ефективність процесу 
очищення ще істотно збільшиться як за рахунок збільшення швидкості процесу, 
але й за рахунок того, що відпаде необхідність очищати гіпохлоритні стічні води.  
Зараз за існуючою схемою гіпохлоритні стічні води знешкоджують 
термічним розкладом натрію гіпохлориту за температури понад 80 0С і за 
присутності каталізаторів – солей Купруму та Нікелю.   
Окрім того, під час розрахунку економічної ефективності 
запропонованого процесу не враховано втрати за рахунок корозії обладнання 
та комунікацій, а також збільшення ефективності функціонування 
комунальних очисних споруд, куди скидають вказані промислові стічні води, 
завдяки тому, що навантаження на них за органічними сполуками істотно 
зменшиться.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВИСНОВКИ 
Нафтопереробні заводи виробляють багато органічних відходів, які 
підлягають переробці. Стічні води, що містять органічні сполуки, особливо 
ароматичні, викликають зміни в природних і штучних водних екосистемах, 
негативно впливаючи на здоров’я людини. Щоб зменшити негативний вплив 
таких середовищ перед скиданням в каналізаційну мережу, їх необхідно 
очистити відповідно до вимог чинних нормативних актів на місцевих 
очисних спорудах. 
  У кваліфікаційній роботі магістра надано аналіз джерел інформації про 
методи очищення стічних вод, що містять ароматичні сполуки, зокрема 
бензол і толуол. 
Обгрунтовано використання кавітації як методу інтенсифікації 
знешкодження органічних, у тому числі й ароматичних сполук 
Серед різних за фізико-хімічними основами методів очищення стічних 
вод найбільший практичний інтерес викликають деструктивні окисні, які 
дають змогу забезпечити мінералізацію органічних домішок, тобто 
окиснення до СО2 і води.  
Ефективність деструктивних окисних методів істотно зростає у разі 
введення у реакційну систему дискретно-імпульсної енергії у вигляді 
акустичних коливань, які спричиняють явище кавітації. Поєднання таких 
методів відповідає сучасним концепціям.  
Запропоновано декілька технологічних схем для нафтопереробного 
виробництва очищення від органічних відходів 
Для досягнення необхідного ступеня очищення стічних вод від 
ароматичних сполук за їх порівняно незначної витрати доцільно 
застосовувати фракційний рецикл кавітаційно обробленої частини 
органовмісних стічних вод з одночасним їх насиченням киснем повітря.  
У разі значної витрати органовмісних стічних вод їх очищення доцільно 
здійснювати із застосуванням каскаду гідродинамічних кавітаторів з 
проміжним введенням повітря до потоку стічних вод перед кожним 
кавітатором.    
Для знешкодження ароматичних сполук в органовмісних стічних водах 
доцільно використовувати гіпохлоритні стічні води, що утворюються на  
Кременчутському нафтопереробному заводі у суміжному технологічному 
процесі – виробництві кальцинованої соди та хлору.  
Гіпохлоритні стоки Кременчутського нафтопереробного завода навіть за 
відносно низьких концентрацій натрію гіпохлориту є значно більш 
корозивно активніші, ніж водогінна вода.   
Додавання до гіпохлоритних стоків імітанту органовмісних стічних вод 
знижує їх корозійну агресивність до рівня водопровідної води імовірно 
внаслідок відновлення натрію гіпохлориту органічними сполуками з 
утворенням продуктів, яким притаманні хороші адсорбційні властивості.     
Зменшення корозійної активності гіпохлоритних стічних вод можна 
забезпечити їх змішуванням зі стічними водами, які містять органічні 
сполуки, зокрема, ароматичні.  
Для прискорення зниження агресивності гіпохлоритних стічних вод 
доцільно інтенсифікувати взаємодію гіпохлориту натрію з органічними 
сполуками, зокрема каталітичним або акустичним (кавітаційне очищення) 
методами.   
Економія коштів за рахунок того, що добову плату за скидання викидів 
у довкілля не здійснюють, дорівнює 1132,35 грн./добу (373,675 тис. грн. на 
рік за ефективного фонду робочого часу 330 днів на рік).