Техника улучшения качества природных вод

Введение

Курсовой проект выполнен на основании задания на проектирование, в котором приведены исходные данные и вопросы, требующие разработки при проектировании.

Исходные данные:

– краткая характеристика объекта водоснабжения (число и состав водопотребителей, хозяйственно-производственная направленность);

– расположение потребителей воды на генеральном плане с отметками рельефа местности;

– планировка населенного пункта;

– требования, предъявляемые потребителями к качеству воды;

– данные об источниках водоснабжения, которые получают в результате гидрологических и топографических изысканий;

– природно-климатические условия;

– дополнительные данные, обусловленные местными факторами.

Разработка водопроводных очистных сооружений проведена в определенной последовательности. Первоначально определена полная производительность станции с учетом количества воды, идущего на собственные нужды станции (промывка фильтров, удаление осадка из отстойников и осветлителей со слоем взвешенного осадка). На основании показателей качества воды и полученной производительности станции водообработки производится выбор состава очистных сооружений. Следующим этапом является определение необходимых реагентов. При употреблении сжатого воздуха для ускорения растворения следует запроектировать воздуходувную станцию. После этого выбрано обеззараживание воды и рассчитаны необходимые сооружения. По окончании расчета реагентного хозяйства построена высотная схема очистных сооружений, затем высчитаны основные сооружения и компонованы станции водоочистки. В заключении приведен технико-экономический расчет.

1. Определение расчетной производительности

При определении расчетной производительности очистной станции, кроме заданной пропускной способности надо учитывать расход воды на собственные нужды станции, которые согласно п. 6.6 СНиП 2.04.02* [2] составляет 10–14% полезной производительности (Q_пол) для станции без повторного использования промывных вод.

Расчетная производительность очистной станции Q_расч, м³/сут, определяется по зависимости:

Q_расч = Q_пол

Где Q_пол – полезная производительность станции, м³/сут;

– коэффициент, учитывающий собственные нужды очистной станции.

Q_расч = = 7410 м³/сут.

Для удобства расчетов переводим Q_расч, м³/сут q_час, м³/ч q_сек, л/сек.

Q_расч = 7410 / 24 = 308.75 (м³/час);

q_час = 308,75 / 3600 = 0,0857 (м³/сек);

q_сек = 0.0857 * 1000 = 85.76 (л/сек).

2. Выбор метода и схемы очистки воды

2.1 Выбор метода очистки

Метод улучшения качества воды (УКВ), состав сооружений, расчетные дозы реагентов определяются сравнением качества питьевой воды [1], местными условиями и расчетной производительностью станции (п. 6.2 [2]).

Для получения воды питьевого качества могут использоваться методы, получившие положительное гигиеническое заключение Минздрава РФ [2].

Для определения метода очистки воды заполним таблицу 1.

Таблица 1 – Анализ качества подлежащей обработке воды

По результатам анализа таблицы 1 исходную воду следует подвергнуть реагентному осветлению и обесцвечиванию, а также необходимо провести обеззараживание.

2.2 Технологическая схема обработки воды

Технологическая схема включает основные сооружения, обеспечивающие получение воды заданного качества и вспомогательные, предназначенные для контроля и создания оптимальных условий эксплуатации выбранных сооружений. Выбор основных сооружений ВОС выполняется по таблице 15 [2], в зависимости от расчетной производительности, мутности и цветности воды.

Таблица 2

Для извлечения из воды крупных плавающих примесей следует использовать барабанные сетки. При содержании в обрабатываемой воде планктона свыше 1000 кг/мл следует устанавливать микрофильтры.

В проекте рекомендуется принимать универсальный реагентную схему осветления воды, включающую: смеситель → осветлители с взвешенным осадком или отстойники (горизонтальные, вертикальные) → скорые фильтры, блок-схема которой приведена на рисунке 1.

2.3 Высотная схема очистной станции

Высотная схема позволяет установить соотношение между уровнями воды во всех основных сооружениях очистной станции и определить необходимый напор насосной станции первого подъема (НС‑1). Движение воды по сооружениям станции предусматривается самотечное, а технологических стоков – самотечно-напорное. При выборе месторасположения сооружений и станции в целом необходимо максимально использовать естественный уклон местности.

Составление высотной схемы начинают с резервуара чистой воды (РВЧ), расположенного на территории ВОС, отметка воды в котором принимается ± 0,5 м относительно поверхности земли (см. задание). Отметки остальных сооружений определяют последовательным суммированием отметки волы в предыдущем сооружении и потерь напора в самих сооружениях и соединительных коммуникациях, ориентировочные значения которых принимаются по рекомендациям п. 6.219 [2] и затем уточняются расчетом.

Таблица 2 – Ориентировочные потери напора в сооружениях и коммуникациях

Высотная схема приводится в РПЗ проекта, на листе формата А4 или выносится на ватман (по заданию руководителя) и представлена на рисунке 2.

1 – подача исходной воды от НС-I; 2 – смеситель гидравлического типа; 3 – осветлитель с взвешенным осадком; 4 – скорый фильтр; 5 – резервуар чистой воды; 6 – ввод реагентов; 7 – подача воды потребителям.

ПЗ – отметка поверхности земли (см. задание).

Рисунок 2 – Высотная схема водопроводной очистной станции (выполнена в относительных отметках).

3. Расчет установок реагентного хозяйства

Для осветления воды на ВОС предусматривается предварительная обработка воды коагулянтом и в зимнее время добавление флокулянта.

3.1 Определение дозы реагентов для обработки воды

Необходимая доза коагулянта определяется по таблице 16 [2] в зависимости от мутности воды в паводковый и меженный периоды. В качестве коагулянта применяется сернокислый алюминий – Al₂(SO₄)₃x 18 H₃O.

Так как мутность воды М = 150 мг/м³, то доза коагулянта по мутности:

Д_к = 35 мг/л.

Определяем дозу коагулянта по цветности:

Д_к = = = 38.

Так как в исследуемой воде присутствует и цветность, и мутность, то выбираем наибольшую дозу коагулянта – 38 мг/л (по цветности).

Необходимая доза подщелачивающих реагентов определяется в зависимости от принятой дозы коагулянта по п. 6.19 [2]:

Д_щ = К_щ х (Д_к / е_к – Щ_О) + 1,

где Д_щ – доза извести, мг/л;

К_щ – Коэффициент, равный для извести (по СаО) – 28;

Д_к – доза коагулянта, мг/л;

е_к – эквивалентная масса коагулянта (безводного) в мг/мг-экв., принимается для Al₂(SO₄)₃ – 57;

Щ_о – щелочность воды (карбонатная жесткость воды), мг-экв/л.

Д_щ = 28 (38 / 57 – 3,49) + 1 = – 78,05

Так как получился отрицательный результат, то подщелачивание не требуется.

Уточненная мутность воды С_и, мг/л, подлежащей осветлению с учетом ее реагентной обработки (с коагулянтом и известью вносятся дополнительные взвешенные вещества за счет недостаточной чистоты применяемых реагентов), определяется по п. 6.64 [2].

С_и = М + К_к х Д_к + 0,25Ц + В_и,

где М – количество взвешенных веществ в исходной воде, г/м³; принимается равным мутности воды;

К_к – коэффициент, принимаемый для очищенного сернокислого алюминия – 0,5, для неочищенного коагулянта – 1,2.

В_и – количество нерастворенных веществ, вводимых с известью, г/м³. Не требуется.

С_и = 140 + 0,5 х 38 + 0,25 х 90 = 181,5 (мг/л);

3.2 Хозяйство приготовления раствора коагулянта

Коагулянт подается в обрабатываемую воду в виде раствора определенной концентрации, для чего в реагентном хозяйстве предусматриваются растворные (затворные), расходные баки и дозирующие устройства. Расчет растворных и расходных баков заключается в определении их емкости, подборе воздуходувок и диаметра воздуховодов [2].

Объем растворного бака W_р, м³:

W_p = (q_расч х nx Д_к) / (10000 х х b_p),

где q_расч – расчетная часовая производительность ВОС, м³/ч;

n – время полного цикла приготовления раствора коагулянта принимается по п. 6.22 [2] равной 10 часам;

Д_к – максимальная доза коагулянта;

– объемная масса раствора коагулянта в растворном баке, %, принимаем 24% (для гранулированного коагулянта).

W_p = = 48.8 (м³).

Количество растворных баков надлежит принимать с учетом объема разовой поставки, способа доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также времени растворения (п. 6.22 [2]). Растворных баков должно быть не менее трех.

Конструктивно, растворные баки в нижней части следует проектировать с наклонными стенками под углом к горизонтали для неочищенного и – для очищенного коагулянта. Для опорожнения баков предусматриваются трубопроводы диаметром не менее 150 мм. При применении кускового коагулянта в баках устанавливаются съемные колосниковые решетки с прозорами 10–15 мм (п. 6.24).

Для ускорения процесса растворения рекомендуется использовать воду, подогретую до С. Схема растворного бака представлена на рисунке 3.

Объем растворного бака W_расх, м³ определяют по формуле:

W_расх = (b_pxW_p) / b,

где b – концентрация раствора коагулянта в расходном баке до 12%.

W_расх = (0,24 * 48.8) / 0,12 = 97.6 (м³).

1 – колосниковая решетка; 2 – коагулянт; 3, 4 – верхняя и нижняя распределительная система для подачи сжатого воздуха; 5 – поплавок; 6 – подача воды для растворения коагулянта (подогретой до С); 7 – подача сжатого воздуха; 8 – отбор раствора коагулянта; 9 – сброс осадка.

Рисунок 3 – Схема растворного бака

Количество расходных баков должно быть не менее двух (п. 6.2 [2]). Днища расходных баков имеют уклон не менее 0,01 к сбросному трубопроводу диаметром не менее 100 мм. При применении неочищенного коагулянта забор раствора следует выполнять из верхнего слоя шлангом с поплавком.

Внутренняя поверхность баков (растворных и расходных) покрывается кислостойкими материалами (п. 6.27 [2]). Принимаем растворные и расходные баки кубической формы в плане, глубиной 0,6 – 0,25 м и определяем площади F_р и F_расх, м.

Ускорение растворения коагулянта и перемешивание его в баках обеспечивается подачей сжатого воздуха с интенсивностью: для растворения _р = 8 – 10 л/с*м², для перемешивания в расходных баках _расх = 3 – 5 л/с*м² п. 6.23 [2], для чего в реагентном хозяйстве устанавливаются воздуходувки.

Общее количество сжатого воздуха, Q_воз, л/с:

Q_воз = Q_воз^р + Q_воз^расх

Количество сжатого воздуха, необходимое для растворения коагулянта, Q_воз^р, л/с, определяем по формуле:

Q_воз^р = _р х F_р

Количество сжатого воздуха, необходимое для перемешивания коагулянта, Q_воз^расх, л/с, определяем по формуле:

Q_воз^расх = _расх х F_расх

Распределение воздуха следует производить с использованием дырчатых труб из кислотостойких материалов (полиэтилен). Расчет распределительной системы заключается в подборе диаметров воздуховодов по расходу и скорости движения воздуха в трубах; подборе их перфорации. Скорость движения воздуха в трубах принимается V_ВОЗ = 10–15 м/с. Скорость выхода воздуха из отверстий 20–30 м/с; диаметр отверстий 3–4 мм. Отверстия направлены вниз.

3.3 Выбор дозирующих устройств

Дозирование раствора коагулянта на ВОС предусматривается дозатором. Количество дозаторов принимается в зависимости от числа точек ввода и производительности дозатора, но не менее двух (один резервный).

Подбор насоса-дозатора выполняется по таблице 6 в зависимости от расчетной его производительности, q_Н-Д, м³/ч, определяемой по формуле:

q_Н-Д = (Q_РАСЧ х Д_К) / (Р_С х 24 х 1000),

где Р_С – содержание безводного продукта в товарном коагулянте в%. Принимается по паспорту коагулянта, для предварительных расчетов 33,5%.

q_Н-Д = (308.75 x 38) / (0.335 x 24 x 1000) = 1.46 (м³/ч)

Таблица 6 – Характеристика насосов-дозаторов типа НД

Реагенты следует вводить одновременно с вводом коагулянта в смеситель или трубопровод перед ним (п. 6.19 [2]).

3.4 Приготовление известкового молока

В качестве подщелачивающего реагента на станции осветления воды чаще всего применяется известь Са (ОН)₂. Ввиду низкой растворимости извести, на станции готовится известковое молоко концентрацией до 5%, для чего в реагентном хозяйстве устанавливается сатуратор.

Расчет сатуратора заключается в определении его производительности и габаритных размеров.

Производительность сатуратора q_САТ, м³/ч определяется по формуле:

q_САТ = q_СаО / С_СаО,

где q_СаО – количество вводимого СаО, г;

С_СаО – содержание СаО в насыщенном растворе, г/м³, принимается для предварительных расчетов 15%.

3.5 Расчет складских помещений реагентного хозяйства

На ВОС применяется сухое и мокрое складирование. Сухое складирование надлежит производить в закрытых складах, примыкающих к помещению, где устанавливаются баки для приготовления раствора коагулянта.

При мокром хранении коагулянта емкость баков и их количество определяется согласно п. 6.205, 6.206 [2].

Сухое складирование реагентов. Площадь склада для коагулянтаF_КОАГ, в м² определяем по формуле:

F_КОАГ = (Q_РАСЧ х Д_К х Т х α) / (10000 х G_О х Р_С х h_К),

где Т – продолжительность хранения коагулянта на складе, сут., Т=15–30 дней (п. 6.202 [2]);

α – коэффициент для учета дополнительной площадки для проходов на складе, равный 1,15;

G_О – объемная масса коагулянта при загрузке склада навалом 1,1 т/м³;

h_К – допустимая высота слоя коагулянта на складе, h_К=2 м (п. 6.204 [2]);

Р_С – содержание безводного продукта в коагулянте, для неочищенного Al₂(SO₄)₃, Р_С=33,5%.

F_КОАГ = (308.75 х 38 х 30 х 1,15) / (10000 х 1,1 х 0,335 х 2) = 404771.25/ 7370 = 54.92 (м²)

Площадь склада для извести F_ИЗВ в м² определяется по формуле:

F_ИЗВ = (Q_РАСЧ х Д_ИЗВ х Т х α) / (10000 х G_О^ИЗВ х Р_С^ИЗВ х h_К^ИЗВ),

Д_ИЗВ – максимальная доза для подщелачивания воды, г/м³;

G_О^ИЗВ – объемная масса извести при загрузке 1 т/м³;

Р_С^ИЗВ – содержание безводного продукта в товарной извести, 15%;

h_К^ИЗВ – допустимая высота слоя извести в м, h_К^ИЗВ=1,5 м (п. 6.204 [2]).

Т.к. подщелачивание не требуется, то склад для извести не нужен.

4. Обеззараживание воды

Обеззараживание воды на станции осветления предусматривается хлором, который поставляется в стальных баллонах вместимостью до 100 кг жидкого хлора.

Расчет хлораторной установки заключается в определении доз активного хлора Д_Сl, мг/л; точекввода хлора и их количества; подборе дозирующих устройств (хлораторов).

Принимается обеззараживание воды двойным хлорированием: первичное Д_Сl^I=5–8 мг/л (хлор вводится в нижнюю часть смесителя) и вторичное Д_Сl^II= 2–3 мг/л (хлор вводится в трубопровод перед резервуаром чистой воды). Хлорагенты вводятся в воду за 1–3 мин до ввода коагулянта (п. 6.18 [2]).

Необходимый расход хлораQ_Сl, кг/сут (кг/ч) определяется как сумма расходов для первичного Q_Сl^I, кг/сут и вторичногоQ_Сl^II, кг/сут хлорирования:

Q_Сl = Q_Сl^I + Q_Сl^II,

Q_Сl^I = (Q_РАСЧ + Д_Сl^I) / 1000,

Q_Сl^II = (Q_РАСЧ + Д_Сl^II) / 1000.

Q_Сl^I = (308.75+ 8) / 1000 = 0.316 (кг/сут),

Q_Сl^II = (308,75 + 3) / 1000 = 0,312 (кг/сут),

Q_Сl = 0,316 + 0,312 = 0,628 (кг/сут).

Для дозирования хлора в зависимости от необходимого его количества применяются хлораторы:

Системы Л.А. Кульского

ЛК‑10 с расходом хлора 40–800 г./ч;

ЛК‑11 с расходом хлора 0,5–4,5 кг/ч;

системы ЛОНИИ‑100 двух модификаций: 0,08–2,05 и 1,28–20 кг/ч.

При расходе хлора 0,628 кг/сут можно взять хлоратор Кульского ЛК‑11 или хлоратор системы ЛОНИИ‑100 модификации 0,08–2,05 кг/ч.

Количество хлораторов должно быть не менее двух. При количестве до двух рабочих хлораторов применяется один резервный, при более двух – два резервных. Для повышения надежности обеззараживания рекомендуется дозирование хлора проводить раздельно на каждое место ввода.

Установка хлораторов производится в специальном помещении хлораторной, где по числу хлораторов устанавливаются и промежуточные баллоны для задерживания загрязнений пред поступлением хлорного газа в хлоратор из баллонов. Съем газообразного хлора S, кг/ч, без подогрева баллонов, при температуре 18˚С, принимают 0,5–0,7 кг/ч с одного баллона, при искусственном подогреве можно эту величину увеличить до 3 кг/ч.

К каждой группе хлораторов необходимо подключить n_БАЛ, шт. баллонов соответственно

n^I_БАЛ = q_Cl^I / S,

n^II_БАЛ= q_C^II/ S,

где q_Cl^I и q_C^II- необходимый часовой расход хлора для первичного и вторичного хлорирования соответственно, кг/ч.

n^I_БАЛ = 0,356 / 0,628 = 1 (шт.)

n^II_БАЛ = 0,350 / 0,628 = 1 (шт.)

Суточная потребность в баллонах N_СУТ, шт.

N_СУТ = Q_Cl/ М,

где М – вместимость баллонов с жидким хлором, кг.

N_СУТ = 0,628 / 100 = 63 (шт.)

Месячный запас хлора N_Б, шт. хранится в расходном складе и определяется

N_Б = N_СУТ х 30.

N_Б = 63 * 30 = 1890 (шт.)

В помещении хлораторной хранятся резервные баллоны, число которых составляет не менее 50% суточной потребности. При суточной потребности в три баллона и более в хлораторной располагается промежуточный склад хлора для хранения трехсуточного запаса.

При устройстве хлораторной необходимо выполнение определенных требований по технике безопасности, предусмотренных п. 6.148 – 6.156 [2]. Для обеспечения безопасности хлораторные располагаются на первом этаже с двумя выходами наружу. В хлораторных необходима установка вентилятора, рассчитанного на 12‑кратный обмен воздуха в час. Перед хлораторной необходим тамбур, где хранятся спецодежда и противогазы, а также монтируются выключатели для вентиляции и освещения. Электроосвещение предусматривается герметичной аппаратурой.

5. Расчет вихревого смесителя

Для равномерного распределения реагентов в массе обрабатываемой воды и быстрого их перемешивания принимаем вертикальный (вихревой) смеситель гидравлического типа.

1 – корпус смесителя; 2 – отверстия сборного лотка; 3 – сборный лоток; 4 – боковой карман; 5 – подача воды в смеситель; 6 – ввод реагентов в смеситель; 7 – отводящий трубопровод; 8 – сброс в канализацию.

Рисунок 4 – Схема вихревого смесителя

Расчет вихревого смесителя заключается в определении его габаритных размеров; расчете водосборной системы (перфорация сборных лотков); в определении диаметров проводящего и отводящего трубопроводов.

5.1 Определение габаритных размеров смесителя

Смеситель принимается квадратным в плане, с прямоугольной верхней частью (успокоителем) и пирамидальной нижней. Центральный угол между наклонными стенками α=30–45˚(п. 6.45 [2]).

Количество смесителей следует принимать один при суточной производительности станции до 8000 м³/сут, и два свыше.

Площадь горизонтального сечения верхней части смесителя ƒ_В, м² определяется по зависимости:

ƒ_В = q_Ч / V_В,

где q_Ч - расчетный часовой расход станции осветления воды, м³/ч;

V_В – скорость восходящего потока на уровне водосборного лотка, принимается по [2] 28–40 мм/с (90–144 м/ч).

ƒ_В = 308.75/ 100 = 3,09 (м²)

Сторона верхней части смесителя В_В, м определяется через площадь

В_В = ƒ_В^0,5,

В_В = = 1.76 (м)

Площади нижнего сечения смесителя ƒ_Н, м² определяется по внешнему диаметру подводящего осветляемую воду трубопровода Д_Н, мм (Д_Н=В_Н).

По расчетному секундному расходу q_С, л/с и рекомендуемой п. 6.45 [2] скорости движения V_Н, м/с по [4], подбирается диаметр подающего в смеситель трубопровода Д, мм. Следует принимать стальной трубопровод.

Таблица 7 – Наружный диаметр стальных труб в мм

Подводящая труба встраивается в нижнюю пирамидальную часть смесителя и площадь нижнего сечения, ƒ_Н, м², можно вычислить по формуле:

ƒ_Н = (Д_Н)² = (В_Н)².

ƒ_Н = 0,378² = 0,14 (м²)

Полная высота смесителя Н, м включает

Н = h_Н + h_В

Высота нижней (пирамидальной) части смесителя h_Н, м определяется

h_Н = 0,5 х (В_В – В_Н) х ctg (α/2),

h_Н = 0,5 х (1,76 – 0,378) х 2,605 = 1,8 (м)

тогда можно определить объем пирамидальной части смесителя W_Н, м³

W_Н = 0,33 х h_Н х (ƒ_В + ƒ_Н).

W_Н = 0,33 х 1.8 х (3,09 + 0,14) = 1.92 (м³)

Полный объем смесителя W, м³ определяется из гидравлической зависимости:

W = (q_Ч х t) / 60,

где t– продолжительность смешения реагентов с осветляемой водой, принимается 1,5–2,0 мин.

W = (308,75 х 1,5) / 60 = 7.72 (м³)

Объем верхней части смесителя W_Н, м³

W_В = W– W_Н.

W_В = 7.72 – 1.92 = 5.8 (м³)

Высота верхней части смесителя h_В, м составляет

h_В = W_В / ƒ_В.

h_В = 5.8 / 3.09 = 1.87 (м)

5.2 Расчет сборной системы смесителя

Сбор воды производится в верхней части смесителя сборным лотком через затопленные отверстия. Вода, протекающая по лотку двумя потоками, собирается в боковой сборный карман и по отводному трубопроводу отводится на дальнейшую очистку.

Площадь живого сечения сборного лотка ω_Л, м² вычисляется

ω_Л = q_Л / (V_Л х 3600),

где q_Л – расчетный расход каждого потока воды, м³/ч,

V_Л – скорость движения воды в периферийном сбросном лотке, принимается по рекомендации п. 6.45 [2] равной 0,4–0,6 м/с.

q_Л = 0,5 х q_Ч;

q_Л = 0,5 х 308,75 = 154.375 (м³/ч)

ω_Л = 154,375 / (0,6 х 3600) = 0.071 (м²)

Расчетная высота слоя воды h_Л,м при принятой b_Л = 0,27 м, будет

h_Л = ω_Л / b_Л.

h_Л = 0,071 / 0,27 = 0,26 (м)

Сборный лоток выполняется с уклоном дна в сторону бокового кармана не менее 0,02. Размеры сборного бокового кармана принимаются конструктивно с учетом того, что в нижней части его размещают отводящую трубу.

Диаметр отводящей трубы Д_ОТВ, м определяется по q_С л/с и скорости движения воды в трубопроводе V_ОТВ=0,6–1,0 м/с (п. 6.49 [2]) по формуле (или по [4])

Д_ОТВ = м/с

Д_ОТВ = = 1,11 (м)

6. Расчет коридорного осветлителя

Коридорный осветлитель, как и отстойник, предназначен для предварительного выделения коагулированных взвешенных веществ из воды.

Расчет осветлителей выполняется с учетом годовых колебаний качества воды для двух периодов (п. 6.78 [2]):

– минимальной мутности осветляемой воды при минимальном расходе (в зимний период);

– максимальной мутности воды и максимальном расходе (в летний период).

Расчет осветлителя включает определение его габаритныхразмеров; расчет подводящих и отводящихсистем; системы принудительного отводаосадкавзонушламонакопления; шламоотводящей системы.

Минимальное количество осветлителей принимают два, причем площадь одного не должна превышать 100–150 м². При числе осветлителей менее 6‑ти следует предусматривать один резервный.

6.1 Определение размеров осветлителя

Площадь одного осветлителя включает в себя площадь двух коридоров осветления и расположенного между ними осадкоуплотнителя.

Площадь осветлителя F, м², определяется по формуле:

F = F_ОСВ + F_ОТД,

где F_ОСВ, F_ОТД - площади зоны осветления и отделения осадка соответственно, м², определяются п. 6.78 [2]

F_ОСВ = (К_Р.В х q_Ч) / (3,6 х V_ОСВ),

F_ОТД = q_Ч х (1 – К_Р.В) / (3,6 х V_ОСВ),

где К_{Р. В-}коэффициент распределения воды между зонами осветления и отделения осадка, определяется по таблице 8 для зимы и лета;

V_ОСВ – скорость восходящего потока в зоне осветления в мм/с, принимается по таблице 8 для зимы и лета.

Таблица 8. Расчетные параметры коридорного осветлителя

Так как мутность воды, поступающей в осветлитель имеет 150 мг/л, то скорость восходящего потока в зоне осветления равна 1, о мм/с, а коэффициент распределения воды – 0,75.

F_ОСВ = (0,75 х 308,75) / (3,6 х 1) = 64.32 (м²)

F_ОТД = 308,75 х (1 – 0,75) / (3,6 х 1) = 21.44 (м²)

F = 64.32 + 21.44 = 85.76 (м²)

Площадь каждого из двух коридоров осветления ƒ_К, м²

ƒ_К = F_ОСВ / (n х 2),

где n– количество рабочих осветлителей, шт., (следует согласовывать с типовыми проектами ВОС).

Так как площадь одного осветлителя не должна превышать 100 – 150 м², то принимаем 1 осветлитель.

ƒ_К = 64.32 / (1 х 2) = 32.16 (м²)

Площадь осадкоуплотнителя ƒ_О.У, м²

ƒ_О.У = F_ОТД / n.

ƒ_О.У = 21.44 / 1 = 21.44 (м²)

Ширину коридора осветлителя принимаем в соответствии с размерами балок, тогда длина коридора

ℓ_К = ƒ_К / 2,6.

ℓ_К = 32,16 / 2,6 = 12.36 (м)

Ширина осадкоуплотнителя выше окон для приема осадка b_{О. У,} м определяется:

b_О.У = ƒ_О.У / ℓ_К.

b_О.У = 21.44 / 12.36 = 1,73 (м)

6.2 Расчет водосборных желобов

Вода из каждой зоны осветления собирается желобами прямоугольного сечения (п. 6.84 [2]), расположенными в верхней части зоны, по боковым стенкам коридоров (по два желоба на каждый коридор).

Расход воды на каждый желоб q_Ж, м³/ч составляет

q_Ж = К_Р.В (q_Ч / n) / (n_К х n_Ж),

где n_К – количество коридоров в осветлителе, 2 шт.;

n_Ж – количество желобов в одном коридоре, 2 шт.

q_Ж = 0,75 х (308,75 / 1) / (2х2) = 57.89 (м³/ч)

Площадь сечения желоба ƒ_Ж, м²

ƒ_Ж = q_Ж / V_Ж,

где V_Ж – скорость движения воды в желобах, принимается 0,5–0,6 м/с [2].

V_Ж = 0,5 * 3600 = 1800 (м/ч)

ƒ_Ж = 57.89 / 1800 = 0,0322 (м²)

Задаваясь высотой желоба h_Ж = 0,04–0,06 м (п. 6.84 [2]), определяем его ширину

b_Ж = ƒ_Ж / h_Ж, м.

b_Ж = 0,03 / 0,05 = 0,64 (м)

Желоба предусматриваются с треугольными водосливами, расстояние между осями которых принимается 100–150 мм.

6.3 Расчет осадкоприемных окон

Избыточное количество взвешенного осадка поступает в осадкоуплотнитель через осадкоприемные окна.

Площадь осадкоприемных окон ƒ_ОК, м² рассчитывается по общему расходу воды поступающей с избыточным осадком в осадкоуплотнитель.

q_ОС = (1 – К_Р.В) х q_РАСЧ,

где q_РАСЧ – расчетный расход на один осветлитель, м³/ч;

q_РАСЧ = q_Ч / n,

q_РАСЧ = 308,75 / 1 = 308,75 (м³/ч)

q_ОС = (1 – 0,75) х 308,75 = 77.18 (м²)

С каждой стороны в осадклуплотнитель будет поступать q_ОК, м³/ч,

q_ОК = q_ОС / 2.

q_ОК = 77.18 / 2 = 38.59 (м³/ч)

Площадь окон с каждой стороны осадкоуплотнителя ƒ_ОК, м²

ƒ_ОК= q_ОК / V_ОК,

где V_ОК – скорость движения воды с осадком в окнах, принимается равной с 10–15 мм/с (36–54 м/ч) в соответствии с п. 6.83 [2].

ƒ_ОК= 38.59 / 50 = 0,77 (м²)

Высота окон h_ОК = 0,2 м, тогда общая их длина с каждой стороны осадкоуплотнителя

ℓ_ОК = ƒ_ОК / 0,2 м.

ℓ_ОК = 0,77 / 0,2 = 3.85 (м)

Устраиваем с каждой стороны по 10 окон, с расстоянием между ними 0,4–0,5 м.

6.4 Определение высоты осветлителя

Высота осветлителя считается от центра водораспределительного коллектора до верхней кромки водосборных желобов Н_ОСВ, м

Н_ОСВ = (b_К – 2 х b_Ж) / 2 х tg 0,5 α,

где α – центральный угол, образованный прямыми, проведенными от оси водораспределительного коллектора к верхним точкам кромок водосборных желобов, должен быть не более 30˚.

Н_ОСВ = (2.6 – 2 х 0,64) / 2 х 0,2679 = 1,98 (м)

Высота пирамидальной части осветлителя h_ПИР, м

h_ПИР = (b_К – а) / 2 tg 0,5 α₁,

где а – ширина коридора по низу, м, принимается 0,4 м;

α₁ - центральный угол наклона стенок коридора к горизонтали, α₁ = 60–70˚.

h_ПИР = (2,6 – 0,4) / 2 х 0,6249 = 1,76 (м)

Высота вертикальных стенокh_ВЕРТ, м осветлителя в пределах взвешенного слоя должна быть не менее 1–1,5 м.

h_ВЕРТ = Н_ОСВ - h_ЗАЩ - h_ОК - h_ПИР,

где h_ЗАЩ - высота защитного слоя над перепускными окнами; принимается 1,5 м для мутных и 2 м для цветных вод.

h_ВЕРТ = 1.98 – 2 – 0,2 – 1,76 = 1,9 (м)

Если h_ВЕРТ не вошла в пределы 1–1,5 м, надо изменить высоту осветлителя Н_ОСВ, изменив угол α.

Общая высота зоны взвешенного осадка h_{В. О}, м, должна находиться в пределах 2–2,5 м и определяется из соотношения:

h_В.О = h_ВЕРТ + 0,5 х h_ПИР.

h_В.О = 1,9 + 0,5 х 1,76 = 2,78 (м)

6.5 Расчет осадкоуплотнителя

Расчет заключается в определении необходимого объема осадкоуплотнителя W, м³, продолжительности уплотнения осадка Т, ч и расчете шламоотводящих труб.

Рабочий объем осадкоуплотнителя W, м³ при одной трубе

W = ℓ_КОР х [b_О.У х h_ВЕРТ + (0,5 х h_ПИР х b_О.У / 2)].

W = 12.36 х [1,73 х 1,9 + (0,5 х 1,76 х 1,73 / 2)] = 41.38 (м³)

Время накопления осадка Т, ч

Т = W х δ_СР / q_ОС,

где q_ОС - количество взвешенных веществ, поступающих в осадкоуплотнитель, кг/ч

q_ОС = 1000 кг/ч

Средняя концентрация взвешенных веществ принимается 24 кг/м³

Т = 41.38 х 24 / 1000 = 0.99 (ч)

Дырчатые трубы для удаления осадка (шлама) располагаются по продольной оси дна, где сходятся наклонные стенки осадкоуплотнителя.

Диаметр шламоотводящих труб d_Ш, мм рассчитывается из условия отведения накопившегося осадка не более, чем за t =15–20 мин, при скорости осадка в конце трубы V_Ш не менее 1 м/с и в отверстиях V_Ш^ОТВ не более 3 м/с. (п. 6.87 [2]).

Через каждую шламовую трубу должен обеспечиваться пропуск расхода q_ОС¹, м³/ч за расчетное время

q_ОС¹ = W / (n_ОС х t) → k/c → м³/c

где n_ОС - количество осадкоотводящих труб, шт., принимается 1 или 2 в зависимости от ширины осадконакопителя.

q_ОС¹ = 41.38 / (1 х 0,25) = 165.52 (м³/ч)0,0459 м³/с

По расходу q_ОС¹ и скорости в трубе, по таблицам [4], подбирается d_Ш, мм, причем диаметр шламоотводящих труб должен быть не менее 150 мм.

Площадь отверстий шламовой трубы ƒ_ОШ, м²

ƒ_ОШ = q_ОС¹ / V_Ш^ОТВ

ƒ_ОШ = 0,0459 / 3 = 0,015 (м²)

Принимаем диаметр отверстий d_Ш^ОТВ не менее 20 мм, определяем площадь одного отверстия ƒ_ОШ¹_, м² и количество отверстийn_ОШ, шт.

n_ОШ = ƒ_ОШ / ƒ_ОШ^1.

Шаг отверстий ℓ₂ = ℓ_К / n_ОШ, м не должен быть более 0,5 м.

7. Расчет скорого фильтра

Для получения воды питьевого качества, отвечающей требованиям [1], на ВОС предусматриваются скорые фильтры (СФ) открытого типа с зернистой загрузкой и скоростью фильтрования V_Ф = 5–12 м/ч (рисунок 6).

Расчет фильтра выполняется в соответствии с указаниями [2]. Заключается в определении габаритных размеров фильтра, их количества; расчете верхней (сборных желобов) и нижней дренажной (сборно-распределительной) систем; вычислении потерь напора в фильтре при промывке.

Фильтры рассчитываются на работу при нормальном и форсированном (часть фильтров находится в ремонте при промывке) режимах. При количестве фильтров до 20, возможен вывод на ремонт только одного фильтра.

При производительности ВОС более 1600 м³/сут, количество фильтров N, шт. должно быть не менее 4‑х; при Q_РАСЧболее 8000–10000 м³/сут количество фильтров определяется расчетом п. 6.99 [2].

Тип и основные технические характеристики фильтра выбирают по [2, таблице 21] и заносят в таблицу 11.

Таблица 11 – Характеристика выбранного фильтра

Фильтрующая загрузка в скорых фильтрах располагается на поддерживающемслое, в котором укладывается распределительная система большого сопротивления. Крупность фракций и высота поддерживающих слоев принимается по таблице 12 (п. 6.104 [2]).Общая высота поддерживающего слоя обычно не превышает 500 мм, с крупностью зерен в верхнем слое 5–2 мм.

Таблица 12 – Конструкция поддерживающего слоя

Для зернистой загрузки скорых фильтров используются кварцевый песок, дробленый керамзит и другие материалы, обеспечивающие технологический процесс и обладающие химической стойкостью и механической прочностью.

7.1 Определение размеров фильтра

Общая площадь фильтрации F_Ф, м²вычисляется по формуле (п. 6.98 [2])

F_Ф = Q_РАСЧ / (Т_СТ х V_Ф – 3,6 х n х ω х t₁ – nxt₂xV_Ф),

где Т_СТ - продолжительность работы станции в течение суток, ч, принимаем круглосуточную работу ВОС т.е. Т_СТ =24 ч;

V_Ф - расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме, м/ч, принимается (таблица 11);

n– число промывок каждого фильтра в сутки (п. 6.97);

ω – интенсивность промывки, л/(с х м²);

t₁ – принятая продолжительность промывки, ч;

t₂ – время простоя фильтра при промывке, принимается в соответствии с п. 6.98 [2] 0,33 ч.

Интенсивность промывки ω, л/(с х м²) и ее продолжительностьt_1, ч принимается по таблице 13 в соответствии с выбранным типом фильтра.

Таблица 13 – Параметры промывки скорого фильтра

F_Ф = 7410 / (24 х 6 – 3,6 х 2 х 12,5 х 0,1 – 2 х 0,33 х 6) = 55,71 (м²)

Площадь одного фильтра, ƒ, м² определяется

ƒ = F_Ф / N.

N = 0,5 = 0,5= 4

ƒ = 55,72 / 4 = 13,93 (м²)

По величине ƒ, м² определяются размеры фильтра (ширина b, м и длина а, м), которые согласовываются с соответствующим типовым проектом ВОС. Фильтры проектируются прямоугольными (квадратными) в плане.

b = 13.93 / 4 = 3.48 (м)

При площади фильтра менее40 м² принимают конструкцию фильтров с боковым карманом, при большей площади – рекомендуется проектировать фильтры с центральным распределительным карманом.

7.2 Расчет дренажной распределительной системы

В проектируемом фильтре проектируется трубчатая распределительная (дренажная) система большого сопротивления с выходом воды в поддерживающие слои. Предназначена для равномерного распределения промывной воды по площади фильтрующей загрузки при промывке и равномерного сбора профильтрованной воды. Выполняется система из стальных или полиэтиленовыхтруб.

1 – центральная распределительная труба (коллектор); 2 – дырчатые ответвления; 3 – отверстия распределительной системы.

Рисунок 7 – Схема дренажной распределительной системы

Дренажная системасостоит из центрального распределительного коллектора и дырчатыхответвлений. Расчет системы заключается в подборедиаметров распределительных труб и расчете их перфорации.

Рассчитывается система на пропуск воды, необходимой для промывки одного фильтра q_ПР, л/с

q_ПР = ƒ х ω, → м³/с,

q_ПР =13,93 х 12,5 = 174,13 (л/с)0,174 м³/с

Диаметр центрального коллектора Д_КОЛ, мм определяется

Д_КОЛ =

где V_К - скорость движения воды в коллекторе, м/с принимается 1,0–1,5 м/с;

Д_КОЛ = = 1,77 (м)

По таблице 7 выписываем соответствующий наружный диаметр коллектора Д_КОЛ^Н, мм, тогда длинаодногоответвленияℓ_ОТ, м будет

ℓ_ОТ = 0,5 х (b– Д_КОЛ^Н).

ℓ_ОТ = 0,5 х (3,48 – 1,77) = 0,86 (м)

Площадь фильтра, приходящаяся на одно ответвление ƒ_ОТВ, м² определяется

ƒ_ОТВ = 0,5 х (b– Д_КОЛ^Н) х m,

где m– расстояние между ответвлениями, м принимается по п. 6.105 [2] в пределах 0,25–0,35 м.

ƒ_ОТВ = 0,5 х (3,48 – 1,77) х 0,3 = 0,26 (м)

Количество ответвлений N_ОТВ, шт. составляет

N_ОТВ = F_Ф / ƒ_ОТВ,

N_ОТВ = 55,72 / 0,26 = 214 (шт.)

Полученная величина округляется до четного целого числа т. к. ответвления располагаются с двух сторон центрального коллектора.

Расход промывной воды, поступающей в фильтр через одно ответвление q_ОТВ, л/с составляет

q_ОТВ = ƒ_ОТВ х ω.

q_ОТВ = 0,26 х 12,5 = 3,25

Скорость движения в ответвлениях, по рекомендации п. 6.106 [2], не должна превышатьV_ОТВ = 1,5–2,0 м/с. По скорости V_ОТВ, м/с и расходу q_ОТВ, л/с по [4] подбираем соответствующий диаметр ответвлений d_ОТВ, мм.

Перфорация дренажной системы рассчитывается с соблюдением рекомендаций п. 6.105 [2]:

– диаметр отверстий d_О, мм (принимаются 10–12 мм);

– общая площадь отверстий должна составлять 0,25–0,50% от F_Ф, м²;

– отверстия располагаются в нижней части ответвлений в два ряда в шахматном порядке под углом 45˚ к вертикали.

Общая площадь всех отверстий ∑ƒ_О, м² составляет

∑ƒ_О = (0,5 – 0,25) х F_Ф / 100

∑ƒ_О = (0,5 – 0,25) х 55,72 / 100 = 0,14 (м²)

Задавшись d_О, мм, определяется площадь одного отверстия ƒ_О, м², общее количество отверстийN_О = ∑ƒ_О / ƒ_О, шт. и количество отверстий, приходящееся на одно ответвлениеN_О¹ = N_О / N_ОТВ, шт.

Правильность выполнения расчетов контролируется определением расстояния между двумя отверстиями на ответвлениях, которое должно быть в пределах 150–200 мм и проверкой соотношений перфорации.

Список литературы

1 СанПиН 2.1.4.1074 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. // Российская газета. – 2001 – 11 – 14 – с. 11–15

2 СНиП 2.04.02–84 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Р. – М.: ГУП ЦПП Госстрой России, 2000

3 Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды: Примеры и расчеты. – М.: Стройиздат, 1971.

4 Пурас Г.Н., Пономаренко М.И., Иванова М.Т. и др. Системы водоснабжения и водоотведения сельских поселений. Водоснабжение/ Справочное пособие. Часть II. Гидравлический расчет водопроводных труб – Новочеркасск, НГМА. 2003.

5 Николадзе Г.И., Сомов М.А. Водоснабжение. – М.: Стройиздат, 1995.

6 Смагин В.Н., Небольсина К.А., Белякова В.М. Курсовое и дипломное проектирование по сельскохозяйственному водоснабжению. – М.: Агропромиздат. – 1990.