Проектирование технологической линии очистки ливневых сточных вод предприятия ООО «ВМЗ», г. Ижевск, удмуртская республика

РЕФЕРАТ
К курсовому проекту на тему «проектирование технологической линии очистки ливневых сточных вод предприятия ООО «ВМЗ», г. Ижевск, удмуртская республика» состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части.
Объем пояснительной записки 64 страницы, выполненных на листах формата А4, в том числе 11 рисунков, 13 таблиц и 32 литературных источника.
В расчетно-пояснительной записке представлен обзор организованных на предприятии процессов и их влияние на окружающую среду, рассмотрены характеристики сточных вод, формирующихся в процессе производства продукции и методы их очистки. На основании этой информации выбрана современная технологическая схема, соответствующая требованиям актуальных нормативно-правовых актов. Предложенная схема включает: ливненакопитель, вертикальный отстойник, напорный фильтр и напорный сорбционный фильтр, заполненный модифицированным цеолитом и установку УФ-обеззараживания. Такое решение снизит антропогенную нагрузку на водоёмы города Ижевска без значительного расширения территории предприятия.
Ключевые слова: сточные воды, ливнёвые воды, очистные сооружения, материальный баланс, отстойник, фильтрация.
ШТАМПЫ ЗАПОЛНИТЬ
СОДЕРЖАНИЕ
Введение3
1 Обоснование проекта и постановка задачи4
1.1 Общие сведения о предприятии4
1.2 Климатические характеристики района расположения предприятия5
1.3 Характеристика ливнёвых вод предприятия6
2 Выбор и обоснование технологической схемы13
2.1 Обзор используемых технологических линий13
2.2 Подбор оборудования для очистки ливнёвых вод предприятия23
2.2.1 Усреднители23
2.2.2 Сооружения для отстаивания взвешенных веществ24
2.2.3 Фильтры28
2.2.4 Адсорбционные аппараты и адсорбенты34
2.3 Выбор технологических решений для ООО «ВМЗ»39
3 Описание технологической схемы очистки сточных вод 41
4 Расчет материального баланса47
5 Расчет вертикального отстойника55
Заключение59
Список использованных источников61
Введение
Водоемы в черте города являются неотъемлемой частью городской инфраструктуры, они могут выполнять рекреационную, декоративную, пожарную функцию, использоваться горожанами для спортивных занятий и рыболовства, а также иметь природоохранное назначение. Вместе с тем, городские водоёмы постоянно подвергаются значительной антропогенной нагрузке вследствие близости к урбанизированной территории и промышленным площадкам и интенсивного водопользования.
Симптомами продолжительного антропогенного воздействия являются ухудшение качества воды, заиливание, гибель гидробионтов. Подобные изменения обусловлены поступлением поверхностного стока, промышленных сточных вод, загрязнённых осадков, содержащих различные поллютанты, вызывающие болезни и гибель гидробионтов, цветение, размножение патогенных организмов, помутнение воды и изменение её органолептических характеристик. В конечном счете, водоём утрачивает свои функции и как природный объект, и как объект городской инфраструктуры, а в некоторых случаях становится угрозой для здоровья населения.
По этой причине сбор и очистка ливнёвых сточных вод является важной природоохранной мерой. При этом статистика показывает, что не во всех городах страны организован сбор ливнёвых сточных вод и отвод их в канализацию как, например, в Ижевске. Это, в свою очередь, негативно отражается на качестве воды в реках и водохранилище города [1]. Поэтому целью данного курсового проекта является создание проекта технологической линии очистки ливнёвых вод предприятия ООО «ВМЗ», которая бы позволила достичь концентраций веществ, установленных проектом нормативов ПДС для предприятия.

1 Обоснование проекта и постановка задачи
1.1 Общие сведения о предприятии
Компания ООО «ВМЗ» зарегистрирована 28.09.2018 г. в г. Ижевск, республика Удмуртия, по адресу ул. Буммашевская д. 11а Литер А2 (рисунок 1). ОГРН организации ‒ 1181832021557, ИНН ‒ 1840083043, КПП ‒ 184001001. В настоящий момент организация занимается производством инструментов, оправок для крепления инструмента, делительных головок и других специальных приспособлений для станков, различных металлических изделий, а также осуществляет механическую обработку металлических изделий. Таким образом, предприятие относится к станкоинструментальной отрасли машиностроительной промышленности [2].

Рисунок 1.1 ‒ Расположение предприятия ООО «ВМЗ»
1.2 Климатические характеристики района расположения предприятия
Рассматриваемое предприятие расположено в северной части города Ижевска. Климат региона умеренно континентальный с коротким тёплым летом и продолжительной холодной зимой. Среднегодовое количество осадков ‒ 512 мм, больше всего осадков выпадает в августе, меньше всего ‒ в феврале (таблица 1.1). Среднегодовая температура 3 °C, самый тёплый месяц ‒ июль, самый холодный ‒ январь (таблица 1.2).Снег в районе выпадает с октября до мая, снежный покров сохраняется 166 дней в году, его наибольшая высота наблюдается в марте (в среднем 62 см, максимальная 113 см). Характеристика частоты погодных явлений представлена в таблице 3. Среднегодовая влажность воздуха ‒ 76%, наибольшая наблюдается в ноябре 85%, наименьшая в мае ‒ 61%. Среднегодовая скорость ветра ‒ 3,6 м/с, характеризуетсяотносительной стабильностью: с октября по май держится в пределах 3,8-3,9 м/с, с июня по сентябрь снижается с 2,6 до 3,3 м/с. [3].
Таблица 1.1 ‒ Характеристика осадков в Ижевске [3]
Месяц Норма, ммМесячный минимум Месячный максимум
январь 30 6 (1995) 68 (1976)
февраль 21 3(1984) 74(1966)
март 22 0.0 (1987) 101 (1961)
апрель 26 2 (2008) 65 (1970)
май 48 9 (1979) 132 (2001)
июнь 62 4(1973) 149 (2005)
июль 59 9 (1988) 175 (2004)
август 67 4(1996) 237 (1984)
сентябрь 55 3(1992) 123 (1973)
октябрь 52 2(1987) 126 (1989)
ноябрь 40 6 (2005) 88 (1972)
декабрь 30 2 (1966) 80 (1967)
год 512 333 (1996) 717 (1984)
Таблица 1.2 ‒ Характеристика температур в Ижевске [3]
Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Средний минимум -16,1 -15,5 -9,2 -0,6 5,9 11,3 13,4 11,1 6,2 0,4 -7,8 -14
Средняя -12,4 -11,7 -5 3,7 11,7 17 18,9 16 10,2 3,4 -5,1 -10,6
Средний максимум -8,9 -7,7 -0,7 8,8 18,2 23,2 25,1 21,9 15,2 6,9 -2,4 -7,6
Таблица 1.3 ‒ Погодные явления в Ижевске, дней в году [3]
Явление янвфевмарапрмай июниюлавгсен октноя дек год
дождь 4 3 5 12 18 18 16 18 19 18 9 6 146
снег 27 23 18 7 2 0,1 0 0 1 11 23 27 139
туман 2 2 3 3 2 4 8 6 4 5 4 3 46
гроза 0 0 0 0,4 4 10 12 6 1 0,1 0 0 34
метель 14 13 8 1 0 0 0 0 0 0,3 4 11 51
гололёд 2 1 1 0,2 0 0 0 0 0 1 3 4 12
изморозь 8 6 3 0,2 0 0 0 0 0 1 4 7 29
1.3 Характеристика ливнёвых вод предприятия
В зависимости от вида загрязнений выделяют следующие основные категории сточных вод машиностроительных предприятий:
I – чистые, от охлаждения основного технологического оборудования; их количество от 50% до 80% от суммарного водопотребления предприятия; это воды компрессорной, котельной, электрических, литейных печей;
II – загрязненные механическими примесями и маслами, в количестве от 10 % до 15 % от суммарного водоиспользования; это стоки от промывки изделий в механо-сборочном, кузнечно-прессовом, сварочном и других производствах;
III – химически загрязненные сточные воды гальванических производств в количестве от 5% до 10% общего водопотребления;
IV – отработавшие смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) или эмульсии, они составляют около 1 % от общего потребления воды;
V – шламосодержащие сточные воды вентиляционных систем от 10% до 20% от общего водопотребления; образуются при мокрой очистке вентиляционных систем, от грануляции шлака в литейном производстве;
VI – поверхностно-дождевые стоки с территории предприятий [4].
Поверхностно-дождевые стоки формируются в результате выпадения твёрдых и жидких осадков на почву, техногенные покрытия, крыши зданий, автомобильную технику. В результате этого образуются значительные объёмы воды, загрязнённой различными веществами: взвешенными минеральными и органическими веществами, нефтепродуктами в различном коллоидном состоянии, соединениями азота (преимущественно аммонием), фосфатами, ионами железа, синтетическими поверхностно-активные веществами, тяжелыми металлами (цинк, свинец, медь, кадмий, хром, никель). Такие загрязнённые стоки вносят от 15 до 60 % поллютантов в водоём и выступают основным источником загрязнения поверхностных водоёмов в черте города.
Источниками загрязнителей выступают верхние горизонты урбанопочв и урбанозёмов, строительные материалы (железо, алюминий, цинковые покрытия), смывы с поверхностей дорожного покрытия и автотранспорта, выхлопные газы, смешивающиеся с водой, моющие средства, удобрения и пестициды, применяемые для озеленения, бытовые и промышленные химикаты. Кроме того, для атмосферного стока характерна неравномерность распределения концентраций загрязняющих веществ по ходу дождя: в начале дождя концентрация растворённых поллютантов резко растёт, затем плавно падает за счёт разбавления водой, что также надо учитывать в процессах очистки воды. Ещё один фактор, способный ухудшить санитарно-гигиеническую обстановку в городе – наличие в рассматриваемом регионе большого количества твёрдых осадков вследствие аккумуляции примесей, поступающих из атмосферы, а так же элементов песчано-солевой смеси. Ряд исследований доказывают зависимость концентрации и типа загрязнителей от специфики местной гидрологии, климатических условий, качества дорожного покрытия, уплотнённости и проницаемости грунтов [5].
Воздействие загрязнителей, содержащихся в сточных водах, на экосистему водоемов является динамическим процессом. По мере поступления биогенных веществ в водоём происходит постепенное изменение химического состава воды, видового состава гидробионтов: увеличивается количество микроскопических водорослей, сапрофитов, детритофагов. Это приводит к снижению концентрации кислорода в воде, повышению её мутности, «цветению», росту pH за счёт углекислого газа и других растворённых примесей, что, в свою очередь, вызывает дальнейшие изменения видового состава воды и ила. В конечном счёте, эвтрофирование водоёма приводит к развитию в нём микроорганизмов, представляющих опасность для человека и животных.
Таким образом, ливнёвые стоки характеризуются значительными сезонными колебаниями состава и объёма, зависимостью от климата и рельефа конкретной местности, а также негативным влиянием на поверхностные воды в черте города; за счёт содержания большого количества биогенных веществ, они способны вызывать эвтрофирование водоёмов и ухудшать санитарно-эпидемиологическую обстановку в населённом пункте [5].
Анализ состояния различных водных объектов на территории города показал типичную картину для урбанизированных территорий. Грунты реки Чемошурки и Чемошурского пруда характеризуются повышенным содержанием органического вещества в местах отбора, близких с промышленной и селитебной зоне, а также плавно растёт от истока к устью. То же можно сказать о токсичности донных отложений, измеренных методом биомониторинга (всхожесть кресс-салата) [6].
Исследования реки Позимь в черте города показали, что она так же подвергается антропогенной нагрузке: по результатам замеров вода отнесена к 4А классу качества (грязнаявода), её УКИЗВ ‒ удельный комбинаторный индекс загрязнения водоёма ‒ 4,48. Характерными загрязняющими веществами, периодически превышающими ПДК, являлись медь, цинк, азот аммонийный, фенолы, железо общее, легкоокисляемые органические вещества по величине БПК5, органические вещества по величине ХПК. Например, среднегодовые концентрации меди составили 6 ПДК, цинка ‒ 2 ПДК, железа общего, азота аммонийного, фенолов, органических веществ(по величине ХПК) ‒ 1,3-1,7 ПДК, концентрации легкоокисляемых органических веществ ‒ 1 ПДК. В таких условиях у рыб из водоёма обнаруживался широкий спектр различных гистологических нарушений внутренних органов и тканей, среди которых гистопатологии жабр являются показателем хронической интоксикации особей под воздействием комплекса загрязняющих веществ, постоянно присутствующих в воде [7].
Результаты химического анализа воды реки Подборенки представлен в таблице 1.4. Удельный комбинаторный индекс загрязненности (УКИЗВ) в устье реки увеличился с 3,36 (в 2008 году) до 4,88 (измеренном в 2014-2016 годах), от истока к устью реки этот показатель увеличивается с 2,85 до 4,88. Вода реки на всем протяжении характеризуется как «очень загрязненная» и «очень грязная», её количественный состав меняется в широких пределах [1].
Таблица 1.4 ‒ Химический состав воды р. Подборенка в 2014-2016 г [1]
Загрязняющее вещество ПДК Минимальные значения Максимальные значения
Взвешенные вещества Сфон+0,25 0,6±0,13 1230,0±60,0
Аммоний-ион 0,5 <0,5 0,73±0,15
Нитрат-ион 40,0 <од 37,7±0,9
Нитрит-ион 0,08 <0,02 0,543±0,076
АПАВ 0,1 0,035±0,014 0,84±0,25
Медь 0 001 <0,0005 0,057±0,019
Никель 0,01 <0,01 0,173±0,052
Цинк 0,01 <0,005 0,09±0,022
Хлорид-ион 300,0 <10,0 924,4±20,8
Сульфат-ион 100,0 <10,0 98,4±14,8
Фосфат-ион 0,2 <0,05 0,144±0,023
Нефтепродукты 0,05 0,0233±0,0082 0,91 ±0,16
Впадая в Ижевское водохранилище, река привносит в него антропогенные загрязнения. Если рассматривать Подборенку как источник загрязнения водоёма и использовать для оценки внесения поллютантов «Методику разработки нормативов допустимых сбросов веществ в водные объекты для водопользователей», можно обнаружить, что река вносит в пруд огромное количество взвешенных веществ, нефтепродуктов, меди, АПАВ, биогенных элементов и цинка. Так, для взвешенных веществ ПДС превышено в 20,7 раз, для меди ‒ в 12 раз, для нефтепродуктов ‒ в 11,1, для нитритов ‒ в 4,1 раза, для анионных ПАВ ‒ в 4,7 раз, для цинка в 4,2 раза [1].
Мониторинг качества воды непосредственно Ижевского водохранилища также показал превышения ПДК по различным показателям: максимальные значения ХПК превышают ПДК в 3,9 раз, БПКполн ‒ в 2,7 раз, концентрации общего железа ‒ в 4,2 раза, марганца ‒ в 13,9 раз, меди ‒ в 7,1 раз. При этом повышения БПК, аммония и pH имеют локальный характер и были выявлены в одних точках замера, в то время как ХПК, концентрации железа, марганца и меди повышены повсеместно. Отмечалось также сверхнормативное повышение цветности и понижение прозрачности воды по всей акватории. Стоит отметить, что приведённые выше показатели заметно различались по месяцам: в наиболее жаркие месяцы превышение БПК и повышения pH регистрировались чаще и имели более высокие значения, в то время как содержание железа и марганца к концу лета падало ниже ПДК [8].
Основными источниками загрязнений рек и водохранилища являются ОАО «ТГК-5», ОАО «Ижсталь», ОАО «Ижмашэнерго», ОАО «Ижевский мотозавод» ‒ «Аксион-холдинг», ОАО ИЭМЗ «Купол» и МУП г. Ижевска «Ижводоканал», а также устаревшая и отсутствующая местами ливнёвая канализация, воды которой не подвергаются очистке перед сбросом в водоёмы города [1].
Предприятие ООО «ВМЗ» расположено в 270 метрах от реки Карлутка, протекающей с севера на юг города, где она впадает в реку Позимь; перепад высот между двумя этими точками составляет 1 метр. В 600 метрах от предприятия на северо-западе расположен родник, впадающий в реку Подборенку, которая в свою очередь впадает в Ижевский пруд. Перепад между началом родника и предприятием составляет 14 метров. Расстояние от предприятия до реки Подборенки ‒ 1,87 км с перепадом высот 43 метра. Наименьшее расстояние до Ижевского пруда ‒ 3,36 км с перепадом высот 63 метра. Химический состав ливнёвых вод, образующихся на предприятии и поступающих в перечисленные водоёмы, приведён в таблице 1.5.
Таблица 1.5 ‒ Состав ливнёвых сточных вод предприятия ООО «ВМЗ»
Указатель Концентрация до очистки, мг/дм3 ПДК [9,10], мг/дм3
Взвешенные вещества 979,89 0,75
Нефтепродукты 62,30 0,3
Железо 6,68 0,3
Алюминий 1,78 0,2
Кадмий 0,89 0,001
Медь 0,70 1
Марганец 2,89 0,1
Никель 1,50 0,02
Цинк 4,45 1
Хлориды 53,19 350
Сульфаты 77,97 500
Азот аммонийный 0,95 1,5
Анализ данных табл. 1.5 показал, что при сбросе сточных вод наблюдаются превышения по взвешенным веществам в 1306,5 раз, по нефтепродуктам в 207,7 раз, по железу ‒ в 22,3 раза, по алюминию ‒ в 8,9 раз, по кадмию ‒ в 890 раз, по марганцу ‒ 28,9 раз, по никелю ‒ в 75 раз, по цинку ‒ 4,5 раза и тяжёлым металлам в раз. По меди, хлоридам, сульфатам и аммонийному азоту превышения ПДК отсутствуют. Поэтому задачами курсового проекта являются:
Изучение и подбор оборудования, используемого для удаления из воды взвешенных веществ, нефтепродуктов и тяжёлых металлов
Выбор подходящей технологической схемы очистки ливнёвых стоков;
Расчёт материального баланса очистного оборудования;
Расчёт параметров работы основного сооружения.


2 Выбор и обоснование технологической схемы
2.1 Обзор используемых технологических линий
Схема очистки поверхностно-дождевых стоков (стоки VI категории) машиностроительных предприятий может включать различные сооружения и аппараты. Самая простая схема включает в себя решётки, накопители стоков, оснащённые устройствами для удаления всплывающих загрязнений и плёнки нефтепродуктов, где происходит усреднение и очистка воды от взвешенных и плавающих веществ, а доочистка осуществляется на пенополиуретановых фильтрах. После очистки такие сточные воды могут быть выпущены в водоём-приёмник, использованы повторно или в отправлены на подпитку систем оборотного водоснабжения [4]. Недостатком такой схемы очистки является отсутствие этапа удаления из сточной воды тяжёлых металлов, фенолов и ПАВ, которые присутствуют в воде в виде растворов и представлены в повышенных концентрациях.
Более сложная типовая схема включает: ливненакопитель 1 для усреднения концентрации и расхода воды с пневматическим рыхлением осадка, отстойник с тонкослойными блоками 3 (или нефтеловушка), фильтр с зернистой загрузкой 4 (рис. 2.1). Сбор осадка производится в накопительную ёмкость 6, его обезвоживание – в центрифуге 7.

Рисунок 2.1 ‒ Типовая технологическая схема очистки ливневых сточных вод от механических примесей: 1 – аккумулирующая емкость; 2 – насос; 3 – тонкослойный отстойник; 4 – фильтр с зернистой загрузкой; 5 – емкость очищенной воды; 6 – накопитель сырого осадка; 7 – центрифуга; 8 – нефтесборная труба [11]
Для более глубокой очистки ливнёвых сточных вод машиностроительного предприятия предложена следующая схема очистки:
Накопление поверхностных стоков в аккумулирующем резервуаре, где происходит предварительное усреднение стоков; сбор всплывающих нефтепродуктов с помощью скиммера;
Флотационная реагентная очистка стока на напорных флотаторах со 100 % насыщением воды воздухом;
Осветление стока в напорных промывных фильтрах, загруженных кварцевым песком;
Сорбция в напорных промывных фильтрах, загруженных сорбентом типа «МИУ-С2»;
Обеззараживание сточной воды на аппарате УФ-обеззараживания;
Сброс очищенной и обеззараженной воды в искусственный водоем (в дальнейшем очищенные стоки используются для полива территории, а также для противопожарных нужд).
Данная технология реализована в комплексе ЭКО-ЛС-Ю/6 производительностью 10 м3/час, который, согласно данным производителя и потребителей, обеспечивает качество очистки воды в соответствии с требованиями для рыбохозяйственных водоёмов [12].
К преимуществам данной схемы можно отнести глубокую очистку стоков от растворённых и коллоидных соединений флотацией и сорбцией иотносительную компактность очистного оборудования, а также возможность гибко менять эффективость очистки за счёт замены сорбентов, фильтрующих материалов и реагентов. Недостатком схемы является необходимость организации на территории предприятия искусственного водоёма, что потребует больших площадей и финансовых затрат.
Существует и другая схема очистки для предприятий машиностроения (рис. 2.2), состоящая из типовых очистных сооружений, включающая в себя следующие этапы:
Усреднение в камере смешения;
Отстаивание в песколовке;
Отстаивание в нефтеловушке;
Фильтрование.

Рисунок 2.2 ‒ Схема очистки ливневых сточных вод на машиностроительном предприятии: СВ ‒ сточная вода; Н1-4 ‒ насосы; КС- камера смешивания; П ‒ песколовка; НЛ ‒ нефтеловушка; Ф ‒ фильтр; РЧВ ‒ резервуар чистой воды; НП ‒ накопитель песка; ШН ‒ шламонакопитель [13]
Эта схема также не обеспечивает очистки сточных вод от растворимых загязнителей, поэтому её предложено дополнить адсорбционной очисткой. Авторы работы [14] для этой цели предлагают 3 марки адсорбентов (КФГМ-7, глинт, глауконит), которые могут использоваться в качестве загрузки в сорбционные фильтры. Все три сорбента отличаются высокой степенью очистки воды от никеля в течение 30 минут обработки воды (99,3%). Схема очистки воды с сорбционными фильтрами представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 ‒ Усовершенствованная схема очистки ливневых сточных вод машиностроительного предприятия: Л ‒ ливненакопитель с решеткой на входе; П ‒ пескоуловитель; НЛ ‒ нефтеловушка; НС ‒ нефтесборник; Н1, Н2 ‒ насосы; СФ ‒ сорбционный фильтр; НД ‒ насос дозатор; РЧВ ‒ резервуар чистой воды; РР ‒ резервуар с раствором для регенерации адсорбента; ШС ‒ шламосборник; 1 ‒сточная вода; 2 ‒ грубые отходы на вывоз; 3 ‒ промывная вода; 4 ‒ тяжелые мелкие минеральные частицы; 5 ‒ нефтепродукты; 6 ‒ шлам; 7 ‒ 4 %-ный содовый раствор; 8 ‒ очищенная вода [13]
Основным недостатком этой схемы является большой размер сооружений ‒ реализация такого проекта потребует у предприятия не просто реорганизации территории, а покупки дополнительных площадей для строительства.
Для интенсификации очистки и сокращения производственных площадей может быть использовано оборудование нового типа, например, реактор осветлитель. Такая технологическая схема (рисунок 2.4) включает:
Отстойники ливнёвой воды с подачей 0,1% раствора оксихлорида алюминия дозой 10 мг/л, где стоки пребывают в течение 40-60 минут;
Бак постоянного уровня, необходимый для усреднения расхода воды;
Реактор-осветлитель (рисунок 2.5), загруженный кварцевым песком крупностью 0,4-0,8 мм с высотой загрузки 1 м;
Открытый скорый фильтр, загруженный горелой породой;
Угольный фильтр 10, загруженный активированным углем АГ-3 крупностью 1-2,5 мм [15].

Рисунок 2.4 ‒ Схема очистки ливнёвых вод с реактором-осветлителем: 1 ‒ отстойник ливнёвой воды;2 ‒ насос; 3 ‒ бак постоянного уровня; 4 ‒ реактор-осветлитель; 5 ‒ открытый скорый фильтр; 6 ‒ бак приготовления раствора коагулянта; 7 ‒ дроссель; 8 ‒ резервуар; 9 ‒ трубопровод промывной воды; 10 ‒ угольный фильтр [14]

Рисунок 2.5 ‒ Схема реактора-осветлителя: 1 ‒ корпус; 2 ‒ контактная загрузка; 3 ‒ трубопровод исходной воды; 4 ‒ сборный желоб; 5 ‒ трубопровод осветленной воды; 6, 7 ‒ трубопроводы отведения и подачи промывной воды; 8 ‒ гидроэлеватор; 9 ‒ трубопровод транспортировки пульпы; 10 ‒ коническая диафрагма; 11 ‒ трубопровод выпуска пульпы; 12 ‒ тонкослойный модуль; 13 ‒ полупогружной цилиндр; 14 ‒ воздушный эжектор; 15 ‒ воздухоотделитель; 16 ‒ опускная распределительная труба [14]
Принцип работы реактора-осветлителя основан на восходящем фильтровании воды при повышенных скоростях, в результате образуется псевдоожиженный слой (взвешенный) контактной загрузки, обладающий повышенной грязеемкостью. Рабочие скорости фильтрования на реакторе-осветлителе превышают рекомендуемые скорости фильтрования воды на скорых фильтрах до 1,5 раза. При этом за счет восходящего фильтрования воды происходит процесс контактной коагуляции, благодаря которому снижаются дозы реагентов до 50% по сравнению со скорыми фильтрами. В реакторе-осветлителе предусматривается эжекционная промывка загрузки исходной водой, которая позволяет добиться эффективной промывки контактной загрузки, предотвращая тем самым образование крупных конгломераций примесей. Затем производится промывка чистой водой. Эжекционная промывка позволяет сократить расход чистой воды на промывку более чем в 2 раза по сравнению с промывкой скорых фильтров и контактных осветлителей.
Таким образом, реактор-осветлитель сочетает в себе достоинства зернистых фильтров и осветлителей со взвешенным осадком, обладает высокой производительностью, надежностью работы и низкой эксплуатационной стоимостью.Эффективность очистки воды на описанной установке по нефтепродуктам составляет 97,4%, по взвешенным веществам ‒ 98,64%, по общему железу ‒ 90,2%, по фенолам ‒ 83,33% [14].
Недостатком схемы является отсутствие практического опыта эксплуатации подобных сооружений в условиях производства, а также отсутствие в продаже описанных реакторов-осветлителей.
Для очистки ливнёвых вод от нефтепродуктов, взвешенных веществ и тяжёлых металлов предложена установка (рисунок 2.6), состоящая из последовательно расположенных камер, взаимно связанных друг с другом трубопроводом. Она включает:
Сборный коллектор 1 для сбора стоков,
Нефтеловушку 2,
Трубопровод 3,
Камеру обеззараживания ультрафиолетовым облучением 4 с источником УФ-излучения 5,
Камеру 6 измерения расхода воды с акустическимрасходометром 7;
Фильтрационную камеру 8 с сорбционным наполнителем 9
Коллектор 10 для сбора очищенных стоков
Насосную станцию 11
Сеть 12 оборотного водоснабжения.

Рисунок 2.6 ‒ Схема очистки ливнёвых промышленных вод [15]
Ливневые сточные воды или смесь ливнёвых и промышленных стоков I категории самотеком поступают в сборный коллектор 1 с расходом до 24 м3/час, откуда самотеком поступают в нефтеловушку 2. Её габариты составляют 2000×4200 мм, высота ‒ 3200 мм для расхода воды 1,6-13 л/с. Периодически верхний слой сточных вод в нефтеловушке откачивают через смотровой лаз в цистерну илоотстойной машины КО-512. Нефтесодержащие сточные воды вывозят на переработку в специализированную организацию, имеющую соответствующую лицензию. Осадок из сооружения загружают в герметичную тару и утилизируют на полигоне отходов производства и потребления.
Далее сточные воды по трубопроводу 3 поступают в камеру 4 обеззараживания ультрафиолетовым облучением, которая выполнена в виде емкости, через стенки которой проходит трубопровод 3 со сточными водами , на котором установлено устройство 5 ультрафиолетового облучения типа УОВ-15 с длиной волны 250-270 нм и скоростью пропускания сточных вод через камеру 4 ультрафиолетового облучения 24 м3/ч. Обеззараживание производят средней дозой облучения воды не менее 30 мДж/см2. Производительность камеры ‒до 65 м3/ч. Количество ламп ‒ 5 штук, потребляемая мощность 1,8 кВт [15]
Из камеры обеззараживания сточные воды подают в камеру 6 измерения расхода сточных вод. Камера 6 измерения расхода сточных вод выполнена в виде прямоугольной монолитной железобетонной емкости размером 3500×2500 мм и глубиной 2500 мм. Измерение расхода сточных вод производят с помощью акустического расходомера 7 с интегратором ЭХО-Р-02, который устанавливают на трубопроводе.
Фильтрационная камера 8 с сорбционным наполнителем 9 выполнена в виде емкости размером 7350×5650 мм и включает фильтр безнапорный типа ФСБ-2 производительностью 24 м3/ч в комплекте с погружным насосом для промывания сорбционного наполнителя 9. В качестве сорбционного наполнителя 9 используют угольный сорбент типа МИУ-С2 (Миусорб), который наиболее эффективен для очистки сточных вод от нефтепродуктов, а также обеспечивает очистку сточных вод от растворенного железа, меди, цинка, свинца, титана, хрома, никеля, кадмия, аммония.
Сборные коллекторы 1 и 10 выполнены круглой формы диаметром 1000-2000 мм, из сборного железобетона, с горловинами из керамического кирпича и закрывающимися чугунными люками. Насосная станция 11 с помощью трубопроводов 3 соединяет сборный коллектор 10 и сеть 12 оборотного водоснабжения и включает два погружных насоса 11 (один резервный) типа SLV.65.65.40/2/510 производительностью 24 м3/ч и высотой напора 20 м.
Предложенная установка для очистки промышленных и ливневых сточных вод производства позволяет повысить степень очистки стоков до следующего их содержания: нефтепродукты ‒ 88,5-99,0%; аммиак ‒ 89,-92%; железо ‒ до 90%; титан ‒ до 99%; хром ‒ до 54,5%; марганец ‒ 43,8%; магний ‒ до 2,6%; взвешенные вещества ‒ 99% [15].
К преимуществам предложенной схемы можно отнести сокращение объёма сооружений за счёт исключения первичного отстойника, использование проверенных на практике технических решений и типовых сооружений, к недостаткам ‒ большую потребную площадь: протяжённость сооружений составляет 16 метров без учета расстояния между ёмкостями и дополнительных построек. Выполнение их единым блоком позволит сократить расстояние, однако, позволить себе строительство таких сооружений может только крупное промышленное предприятие.
Для интенсификации процесса отстаивания и сокращения площадей сооружений может быть целесообразно применять реагентную очистку воды. Такая схема предусматривает:
Ливненакопитель, имеющий функцию усреднителя;
Насосную стацию для перекачивания воды и осадков по сооружениям;
Смеситель, в котором вода смешивается с суспензией реагента «Экозоль-401», известковым молоком и раствором флокулянта ВПК-402;
Отстойник-флокулятор, оборудованный тонкослойными полочными элементами;
Резервуар осветлённой воды промежуточный;
Механические напорные фильтры с песчаной загрузкой;
Напорный фильтр с сорбционной загрузкой из активированного угля;
Резервуары для хранения промывной воды.
Резервуары для приготовления рабочей суспензии реагента «Экозоль-401» с пневматическим или механическим перемешиванием;
Насос-дозатор суспензии перистальтического типа;
Ёмкости для приготовления рабочего раствора ВПК-402 (объём 2 м3);
Станция нейтрализации, где осуществляется приготовление известкового молока;
Сгуститель осадка;
Фильтр-пресс для обезвоживания осадка;
Установка обеззараживания воды перед выпуском [16].
Описанная схема позволяет получить воду технического качества, соответственно, она может также быть сброшена в водоём-приёмник и в городскую канализацию без нарушения нормативных требований. Кроме того, аппаратурное оформление данной технологической схемы не требует значительных площадей за счёт реагентной обработки воды. С другой стороны, внесение в воду флокулянта и реагента «Экозоль 401» требует дополнительных затрат на очистку; приготовление известкового молока на станции нейтрализации требует строительства станции и закупки дополнительного оборудования. Кроме того, данная схема не предусматривает очистки сточной воды от плавающих нефтепродуктов.
Таким образом, можно выделить следующие закономерности очистки промышленных ливнёвых сточных вод. Большинство предлагаемых для этой цели схем очистки включают в себя процессы отстаивания, фильтрации через зернистые загрузки и адсорбции; биологические методы очистки воды не нашли широкого применения в решении данной проблемы. Традиционные, отработанные в производственной практике, надёжные схемы очистки включают в себя усреднители, нефтеловушки, отстойники и фильтры. Модернизированные технологические схемы могут включать в себя реагентную обработку воды с целью интенсификации очистки и адсорбцию вследствие появления более строгих требований к очищаемой воде. Также для очистки воды предлагается инновационное оборудование, совмещающее в себе функции сразу нескольких аппаратов, а также сгруппированные в единый блок сооружения механической и физико-химической очистки.
Выбор оптимальной технологической схемы для предприятия ООО «ВМЖ» основывается в первую очередь на его скромных финансовых возможностях и ограниченной территории, которая может быть отведена под очистку воды. В этом смысле более всего подходят схемы с реагентной обработкой воды, которая позволит уменьшить объёмы и площади сооружений механической очистки воды, а также применение недорогих сорбентов.
2.2 Подбор оборудования для очистки ливнёвых вод предприятия
2.2.1 Усреднители
Для усреднения расхода и концентрации сточных вод применяют усреднители контактного и проточного типа. Процесс должен обеспечивать режим нормальной эксплуатации всех последующих стадий очистки: отстаивания, сбраживания осадка. При небольших расходах и периодическом сбросе воды используют контактные усреднители, однако, как правило, применяют сооружения проточного типа, которые выполняются в виде многоканальных резервуаров или резервуаров с перемешивающими устройствами. Кроме того, при гашении залповых сбросов предпочтительнее конструкции многоканального типа, при произвольных колебаниях – практически равноценны любые типы усреднителей. Также при выборе сооружения большую роль играют вид и количество нерастворенных загрязнений [17].
Различают следующие типы проточных усреднителей: многоканальные – прямоугольные и круглые в плане сооружения, с неравномерным распределением расхода воды по каналам; усреднители-смесители – усреднители с перемешивающими устройствами барботажного типа и с механическим перемешиванием [18]. И те, и другие характеризуются большой площадью, предназначены для очистных сооружений с большим расходом воды, а их строительство требует значительных капиталовложений.
Контактные усреднители представляют собой железобетонные прямоугольные резервуары с коническим дном, в котором устанавливается барботёр для периодического взмучивания скапливающегося осадка. В них вода поступает самотёком в верхнюю часть строения, а отводится насосами по трубопроводу из нижней части сооружения. Ливненакопитель, применяемый в схемах очистки поверхностных промышленных стоков, имеет аналогичную конструкцию, поэтому может быть отнесён к усреднителям. При малом объёме ливнёвых вод функции усреднителя может выполнять ёмкость меньшего объёма, выполненная из других материалов, устойчивых к коррозии.
2.2.2 Сооружения для отстаивания взвешенных веществ
Для удаления взвешенных веществ используются такие сооружения, как песколовки и отстойники. Песколовки предназначены для удаления крупных примесей из воды: песка, шлака, стеклянной крошки крупностью 0,15-0,25 мм. Их устанавливают перед отстойниками для обеспечения их нормальной работы и метантенков, поскольку осадок, содержащий песок, плохо транспортируется по трубопроводу. Строительство таких сооружений требует больших территорий, поэтому их рекомендуют применять при производительности очистной станции свыше 100 м3/сут, однако есть сооружения и для меньшего расхода (таблица 2.1) [19].
Таблица 2.1 ‒ Характеристики песколовок [ё9]
Песколовка Гидравлическая крупность песка, мм/сРасход воды, м3/сутКоличество задерживаемого песка, л/(чел.сут) Содержание песка в осадке, %
Горизонтальная 18,7-24,2 От 10 0,02 55-60
Аэрируемая 13,2-18,7 От 20 0,03 90-95
Тангенциальная 18,7-24,2 До 50 0,02 70-75
К недостаткам сооружений можно отнести значение увеличение площади сооружений при добавлении в технологическую линию, к достоинствам – улучшение характеристик осадков из последующих сооружений: их легче транспортировать, обезвоживать и сбраживать. Так как в большинстве рассмотренных схем очистки ливнёвых стоков машиностроительных предприятий песколовки не используются, можно сделать вывод, что онине содержат достаточного количества крупных примесей, чтобы возникла необходимость в песколовках.
Отстойник используется для удаления оседающих грубодисперсных веществ. Различают первичные отстойники, которые устанавливают перед сооружениями биологической или физико-химической очистки, и вторичные отстойники – для выделения активного ила или биопленки. В зависимости от направления движения потока воды отстойники подразделяют на горизонтальные, вертикальные и радиальные. К отстойникам относят и осветлители, в которых одновременно с отстаиванием сточная вода фильтруется через слой взвешенного осадка, а также осветлители-перегниватели и двухъярусные отстойники, где одновременно с осветлением воды происходит уплотнение выпавшего осадка [19].
Горизонтальные отстойники применяются на очистных сооружениях канализации производительностью 15-100 тыс. м3/сут. Они представляют собой прямоугольные в плане резервуары, разделенные продольными перегородками на несколько отделений. Поток воды в них движется горизонтально. Эффект очистки в них в среднем составляет 50-60 %. Глубина отстойников достигает 1,5-4 м, отношение длины к глубине 8-12 (до 20). Ширина отстойника зависит от способа удаления осадка и обычно находится в пределах 6-9 м. Для транспортировки осадка применяются скребковые механизмы тележечного или ленточного типа, сдвигающие выпавший осадок в приямок. Объем приямка равен двухсуточному (не более) количеству выпавшего осадка. Из приямка осадки удаляют насосами, гидроэлеваторами, грейферами или под гидростатическим давлением [18, 19].
К достоинствам горизонтальных отстойников относятся: высокий эффект осветления по взвешенным веществам (50-60%) и возможность их блокирования с аэротенками, к недостаткам – повышенный расход железобетона по сравнению с круглыми отстойниками, большая площадь сооружений по сравнению с другими сооружениями и неудовлетворительная работа механизмов для сгребания осадка, особенно в зимний период. Это означает, что данный тип сооружений не подходит для эксплуатации на малом предприятии в климатических условиях Удмуртской республики с продолжительной холодной зимой.
Вертикальные первичные отстойники предназначены для осветления бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод (а также их смеси), содержащих грубодиспереные примеси. Их применяют на станциях производительностью до 20 тыс. м3/сут. Это круглые в плане резервуары диаметром 4-9 м с коническим днищем. Эффект осветления воды в вертикальных отстойниках составляет 40-50%. Достоинствами вертикальных отстойников является простота конструкции, удобство в эксплуатации, надёжность, отсутствие механизмов транспортировки осадка, недостатком – большая глубина сооружений [18, 19]. Таким образом, их применение ограничивается особенностями рельефа и глубиной залегания водоносного горизонта.
Радиальные отстойники имеют круглую в плане форму резервуаров, применяются при расходах сточных вод более 20 тыс. м3/сут. По тому, как сточная вода в них подаётся на очистку, выделяют: отстойники с центральным впуском, с периферийным впуском и с вращающимися сборно-распределительными устройствами. Наибольшее распространение получили отстойники с центральным впуском жидкости. Диаметр типовых радиальных отстойников составляет 18-50 м, эффект осветления воды по взвешенным веществами достигает 50-55%.По сравнению с горизонтальными они имеют некоторые преимущества: простота, надежность эксплуатации, низкая материалоёмкость, экономичность, возможность строительства сооружений большой производительности. К недостаткам относят наличие подвижной фермы со скребками [18, 19].
Общим недостатком перечисленных сооружений является отсутствие возможности удаления из сточной воды всплывающих нефтепродуктов, плотность которых ниже плотности воды. Для этой цели применяются нефтеловушки.
Нефтеловушки представляют собой прямоугольные вытянутые в длину резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а содержащиеся в сточной воде минеральные примеси оседают на дно сооружения. Выделяют 3 конструктивных типа сооружений: горизонтальные, многоярусные (тонкослойные) и радиальные [18, 19]. По сути, их конструкции аналогичны таковым у отстойников с той разницей, что в сооружениях установлена подтопляемая стенка, удерживающая плёнку нефти и механизмы её сбора, а также трубопровод, отводящий смесь воды и нефтепродуктов. Из этого следует, что данным сооружениям присущи те же недостатки и достоинства, что описаны выше для отстойников.
Вода поступает по самостоятельным трубопроводам через щелевую перегородку в каждую секцию нефтеловушки, после чего, освобожденная от нефти и взвешенных веществ, в конце секции проходит под затопленной стенкой и через водослив переливается в отводящий трубопровод. Всплывшая нефть сгоняется скребковым механизмом к щелевым поворотным трубам и выводится по ним из секции. Осадок, выпадающий на дно, тем же транспортером сгребается к приямку, откуда его гидроэлеваторами периодически удаляют по илопроводу. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде после нефтеловушки – 100 мг/л, соответственно, применять сооружения целесообразно при содержании нефтепродуктов свыше 100 мг/л [18, 19].
2.2.3 Фильтры
Для более глубокой очистки воды от наименее крупных частиц взвешенных веществ используется фильтрование. В процессах очистки сточных вод фильтрованием используется два типа оборудования: фильтры с зернистым слоем и фильтры с фильтрующими перегородками из тканей или сеток. Фильтры с зернистым слоем используются для очистки больших объемов производственных сточных вод, а фильтры с фильтрующими перегородками – для улавливания из сточных вод ценных компонентов или с целью получения осадков с невысокой влажностью [11].
Зернисты фильтры делятся по:
Направлению потока: с нисходящим (сверху вниз) и восходящим (снизу вверх) потоком, в отдельных случаях – с горизонтальным потоком;
Конструкции: однослойные, двухслойные, аэрируемые и каркасно-засыпные;
Виду фильтрующего материала;
Напору над фильтрующим материалом на: открытые (гравитационные), где фильтрование воды происходит под атмосферным давлением, и напорные фильтры, в которых над зернистым слоем создается избыточное давление;
Производительности с единицы площади фильтра, т.е. по скорости фильтрования на: медленные (0,1-0,3 м/ч), скорые (5-12 м/ч), сверхскоростные (свыше 25 м/ч) фильтры; медленные фильтры всегда открытые, скорые могут быть открытые или напорные, сверхскоростные – только напорные [18, 19].
Медленные фильтры применяются для безреагентного осветления воды и представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары прямоугольной или круглой в плане формы. Из-за низкой скорости фильтрования, высокой стоимости и большой занимаемой площади эти фильтры мало распространены. Вместо них применяются скорые безнапорные (самотечные) фильтры для осветления воды после реагентной обработки или без нее. Они представляют собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары площадью 4-140 м2, загруженные фильтрующими слоями зернистого материала в один или два слоя с поддерживающими слоями гравия, под которыми размещена дренажная система для сбора отфильтрованной и равномерного распределения промывной воды. Для сбора промывной воды служат специальные желоба, расположенные над слоем фильтрующей загрузки [20].
Безнапорные фильтры с направлением потока сверху вниз имеют такое преимущество, как защищённость дренажа от попадания неочищенных вод. При соответствующем подборе крупности и высоты загрузки скорость фильтрации для фильтров с нисходящим потоком составляет 10-15 м/ч. Загрузка таких фильтров принимается однослойной или многослойной [21]. В то же время фильтрование воды снизу вверху значительно улучшает условия работы фильтра вследствие реализации принципа убывающей крупности зерен вдоль потока. В результате увеличивается грязеемкость фильтра, продолжительность фильтроцикла, исключается заиливание мелкозернистых слоев. Недостатком фильтров с восходящим потоком является заиливание дренажа, которое приводит к ненадежности их работы и осложнениям в эксплуатации [18].
Однослойные фильтры с нисходящим потоком воды используют для доочистки производственных стоков после механической очистки для задержания мелкодисперсных взвешенных частиц, биологически очищенных городских сточных вод, в схемах с предварительной коагуляцией, позволяющей увеличить продолжительность фильтроцикла. Загрузка фильтра составляет кварцевый песок с поддерживающим слоем из гравия, либо щебня. Для регенерации фильтров предусматривается водо-воздушная или водяная промывка восходящим потоком. Такие фильтры дёшевы за счёт простоты устройства, но обладают малой грязеёмкостью [19, 21].
В многослойных фильтрах наилучшим образом реализуется принцип фильтрации в направлении убывающей крупности загрузки (рисунок 2.7). Грязеемкость многослойных фильтров в 2-3 раза больше, чем у однослойных фильтров. Благодаря этому обстоятельству, применение их позволяет увеличить скорость фильтрации или удлинить продолжительность фильтроцикла до 2 раз по сравнению с однослойными. Однако применение двухслойных фильтров для очистки сточных вод, содержащих волокнистые примеси и склеивающие вещества, нецелесообразно, поскольку при промывке фильтров неизбежен вынос легких фракций [21]. Промывка таких фильтров производится током воды снизу вверх. К недостаткам таких фильтров относится сложность создания двухслойной загрузки, завышенный строительный объем фильтра, возможность уноса зерен верхнего слоя загрузки.


Рисунок 2.7 ‒ Двухслойный фильтр: 1 – подача исходной воды; 2 – отвод промывной воды; 3 – отвод фильтрата; 4 – подача промывной воды; 5 –распределительный карман; 6 – желоб для подачи исходной воды; 7 –загрузка из антрацита; 8 – загрузка из песка; 9 – поддерживающий слой [19]
Каркасно-засыпные фильтры по конструкции представляют собой двухслойный фильтр с нисходящим потоком воды. Загрузка КЗФ состоит из каркаса, в качестве которого используется гравий или щебень с размерами фракций, и засыпки, состоящей из кварцевого песка крупностью. Очищаемая водапроходит сначала через слой каркаса, где очищается от основной массы загрязнений, а затем поступает для доочистки в нижние слои. Преимуществами каркасно-засыпного фильтра являются: стабильность очистки воды при значительных колебаниях качества и количества исходной воды, возможность использования контактной коагуляции, которая позволяет при той же скорости фильтрования достичь концентраций взвешенных веществ 3 мг/л и нефтепродуктов 1-1,5 мг/л, возможность применения дешёвых фильтрующих материалов. Промывка фильтра может быть водо-воздушной или водяной [19, 21].
Фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой имеют отличную от традиционных зернистых фильтров конструкцию (рисунок 8) и могут можно использоваться для доочистки как механически очищенных производственных стоков, так и биологически очищенных городских сточных вод или их смеси с производственными. В качестве плавающей фильтрующей загрузки в них используются вспененные гранулы пенополистирола. Преимуществами такого материала является износоустойчивость, водонепроницаемость, нетоксичность, механическая прочность и высокая адгезионная способность. Внутри фильтра находятся два слоя гранул, разделенных удерживающими сетками. В нижнем слое, служащем для предварительного фильтрования, применяются гранулы диаметром 2-5 мм, верхний слой загрузки с гранулами диаметром 0,3-2 мм предназначен для более глубокого фильтрования. Для регенерации зернистых фильтрующих материалов проводится интенсивная водо-воздушная промывка [19].

Рисунок 2.8 ‒ Конструкции фильтров с плавающей пенополистирольной загрузкой: а – ФПЗ-З; б – ФПЗ-4: 1 – корпус; 2 – плавающая загрузка; 3 – подача исходной воды; 4 – карман фильтра; 5 – удерживающая решетка; 6 – нижняя дренажная система; 7 – отвод фильтрата; 8 – отвод промывной воды; 9 – средняя дренажная труба [19]
Эффективность очистки по БПК и взвешенным веществам, а также характеристики загрузки для удобства сравнения представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 ‒ Сравнительная характеристика зернистых фильтров [18, 19]
Фильтр Загрузка Эффект очистки, %
по БПКполнпо ВЗВ
Однослойные с нисходящим потоком мелко- зернистые Кварцевый песок до 2 мм, толщина слоя 1,2-1,3 м + гравий 2-40 мм, высота слоя 0,5-0,7 м 50-60 70-75
крупно- зернистые Кварцевый песок + щебень 3-10 мм, высота слоя 1,2 м 35-40 45-50
С восходящим потоком речной песок 1,2-2 мм, 1,5-2 м + гравий, 2-40 мм, до 0,95 м. 50-65 70-85
Двухслойные Кварцевый песок до 1,2-2 мм, 0,4-0,5 м + кварцевый песок 0,7-1,6 мм, 0,6-0,7 + гравий 2-400 мм, высота слоя 0,55-0,8 (антрацит, керамзит) 60-70 70-80
Аэрируемые Кварцевый песок до 2 мм, толщина слоя 1,2-1,3 м + гравий 2-40 мм, высота слоя 0,5-0,7 м 75-80 80-90
Каркасно-засыпные Кварцевый песок, 0,8-1 мм + гравий/щебень 40-60 мм 70 70-80
Сплавающей полимерной загрузкой Гранулы полимера 0,5-12 мм с порами 0,8-1,2 мм, высота слоя 1,0-1,2 м. 65-75 70-85
Скорые напорные фильтры представляют собой закрытые стальные вертикальные (рисунок 2.9) или горизонтальные резервуары со сферическими днищами, рассчитанные на рабочее давление до 0,6 МПа. Они используются для осветления воды после обработки ее коагулянтами без предварительного отстаивания. Диаметр аппарата – 1,0-3,4 м, высота слоя загрузки – 0,5-1 м, причём гравийные поддерживающие слои в напорных фильтрах не устраиваются. Напор воды создается насосами. Скорость фильтрования в них такая же, как в открытых скорых фильтрах – 5-12 м/ч, в крупнозернистых до – 15 м/ч. Как видно из характеристик, напорный фильтр обладает меньшими размерами при той же скорости фильтрования, что и является его преимуществом [19]. К недостаткам можно отнести высокую стоимость и сложность эксплуатации.

Рисунок 2.9 ‒ Вертикальный напорный фильтр: 1 – подача воды на осветление; 2 – спуск промывной воды; 3 – выход осветленной воды; 4 – выпуск фильтрата; 5 – подвод сжатого воздуха; 6 – подвод промывной воды; 7 – круглый лаз; 8 – эллиптический лаз; 9 – верхнее распределительное устройство; 10 – фильтрующий слой (песок, антрацит); 11 – штуцер для гидравлической выгрузки и загрузки фильтра [11]Эффективность работы напорных фильтров составляет 82-87% по нефтепродуктам и взвешенным веществам. Эффективность улавливания загрязняющих веществ может быть повышена добавлением в воду 6-12 мг/л коагулянта Al2(SO4)3 и 0,3-1,0 мг/л флокулянта ПАА [11].
2.2.4 Адсорбционные аппараты и адсорбенты
В практике водоочистки используются аппараты с неподвижным, плотно движущимся, псевдоожиженным слоем сорбента (сорбция в динамических условиях), а также аппараты, в которых обеспечивается интенсивное перемешивание воды с порошкообразным сорбентом (сорбция в статических условиях).
Для сорбции в статических условиях применяют конструкции безнапорных открытых и напорных фильтров с загрузкой в виде плотного слоя гранулированного угля или иного сорбента высотой до 2,5-2,7 м. Диаметры сорбционных фильтров варьируют от 1,0 до 3,4 м, высота принимается по результатам расчёта. Условием применимости таких аппаратов является практическиполное отсутствие взвесей в очищаемой воде, не более 5 мг/л; в противном случае произойдёт заиливание сорбента и потеря его сорбционной емкости и, как следствие, снижение эффективности очистки. Сооружениям и аппаратам, выполненным на основе конструкций фильтров, присущи те же преимущества и недостатки, описанные выше [18].
В установках с движущимся слоем адсорбента – адсорберах – снизу вверх идеточищаемая вода, сверху вниз под действием силы тяжести адсорбент. Они защищены от заиливания сорбента при очистке воды, обладают большей эффективностью, скоростью очистки, меньшим гидравлическим сопротивлением, чем сорбционные фильтры, однако, имеют более сложное аппаратурное оформление, параметры работы и более высокую стоимость.
В качестве адсорбента часто используется активированный уголь, представленный различными марками: АБ, МД, АР-3, газовые угли АГ-2, СКТ, БАУ, КАД. Используют также угли, полученные из промышленных отходов, осадков и шламов [18]. Для очистки сточных вод, как было описано выше, могут использоваться и другие материалы: цеолит, глауконит, глинт. Они обладают разной сорбционной ёмкостью и селективностью по отношению к компонентам стоков, но экспериментально подтверждено, что их эффективность извлечения никеля равна углю. Важный критерий выбора сорбента – метод его регенерации, на который приходится от 40 до 80% стоимости очистки воды.
Для регенерации сорбентов от тяжёлых металлов и органических соединений используются следующие методы:
Химическая регенерация – производится с помощью жидких или газообразных реагентов при температуpе до 100°С и вызывает десорбцию или деструкцию сорбата; чаще всего применяются растворы солей, кислот, щелочей и некоторые органические растворители (четыреххлористый углерод).
Тепловая регенерация – осуществляется нагреванием сорбентов паром или инертным газом, например, десорбция капролактама (300-340°С), десорбция ксилола (260-280°С). Такой способ более практичен, чем химическая регенерации из-за более дешевой переработки элюатов;
Термическая и электротермическая регенерация – основаны на последовательной термодеструкции сорбата до летучих продуктов и конденсирующихся полупродуктов с последующей реактивацией и дожигом всех летучих продуктов; методы используются для восстановления сорбционных свойств активных углей, содержащих нелетучие компоненты, которые сложно десорбировать (температура 650-920°С, время обработки – 2-20 мин).
Первые два метода производятся непосредственно в адсорберах, вне адсорберов осуществляют термическую регенерацию, остальные – вне аппаратов, что требует закупки и монтажа дополнительного оборудования [22].
Извлечение катионов тяжёлых металлов из отработанных сорбентов различной природы, как показывает изучение литературы, осуществляется главным образом растворами минеральных кислот: соляной и серной в различных концентрациях. Так, например, предложена десорбция тяжёлых металлов горячим (50 °С) 0,1 М раствором НСl, при этом эффективность удаления тяжёлых металлов составляет 98%. Адсорбционная активность сорбента снижается на 3-5 % при проведении 6 циклов сорбции-десорбции [23].
При изучении регенерации цеолитов от тяжёлых металлов выявлено, что раствор H2SO4 наиболее полно десорбирует ионы Ni (II) при концентрации 0,04 М, ионы Cu (II) – 0,15 М, ионы Zn (II) – 0,30 М, оптимальное число циклов регенерации – 3. На основании этого предложена следующая схема регенерации сорбента:
Через отработанный цеолит пропускают в качестве элюента 0,04 М раствор серной кислоты со скоростью 1,5 м/час, в результате чего образуется элюат, содержащий сульфат никеля;
Через сорбент пропускают 0,15 М раствор серной кислоты со скоростью 1,2 м/час, при этом образуется раствор сульфата меди.
Через регенерирумый цеолит пропускают 0,3 М раствор серной кислоты со скоростью 1,0 м/час, в качестве элюата получают сульфат цинка.
Использование такой схемы, согласно данным авторов работы, позволяет многократно использовать регенерированные цеолиты в процессах очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, а полученные при регенерации элюаты (сульфат никеля, сульфат меди и сульфат цинка), использовать повторно в производстве в качестве составных компонентов электролитов, используемых для нанесения гальванопокрытий на машиностроительном предприятии [24].
Преимуществом предлагаемой схемы является возможность получения растворов сульфатов, пригодных для дальнейшего использования на предприятии. Однако непостоянство состава сточных вод, а также широкий спектр тяжёлых металлов в ливнёвой воде осложняют повторное использование и реализацию раствора. Образующийся сильнокислый элюат требует специальных мер регенерации или утилизации.
Регенерация угольных сорбентов также проводится растворами соляной и серной кислот. Для извлечения железа, кобальта, никеля и меди оптимальная концентрация для серной кислоты – 1,1-1,2 моль/л, для соляной – 1,0-1,2 моль/л, соответствующие разбавлению 1:6 и 1:8. В процессе отработки процесса регенерации на практике установлено, что оптимальное время время десорбции – 1 час, число повторных обработок сорбента элюентом – 5 раз. После этого сорбент отмывали чистой водой в течение часа, процесс отмывки повторяли три раза.
Отработанный элюат, загрязнённый ионами тяжёлых металлов, обрабатывали известковым молоком, в результате чего металлы осаждались из раствора в составе гидроксидов вместе с другими взвешенными веществами. Недостатком предложенной схемы является снижение сорбционной ёмкости угля по отношению к железу к 5 этапу десорбции, в то время как другие металлы извлекаются с той же эффективностью в течение продолжительного времени. Кроме того, используемый элюат в предложенной технологии не подлежит регенерации, а, значит, что очистка воды значительно дорожает из-за постоянных расходов на закупку серной кислоты и извести.
Для очистки сточных вод от катионов металлов может быть использован модифицированный цеолит. При скорости фильтрования через слой сорбента 2м/ч раствора концентрацией до 10 мг/л остаточная концентрация ионов тяжелых металлов в очищенной воде не превышает 0,03 мг/л. К преимуществам данной схемы можно отнести возможность очистки кислых вод до рН 4 без снижения эффективности и вреда для сорбента. Отработанный сорбент может быть вторично использован после регенерации 10%-м раствором соды. При этом сорбированные на поверхности цеолита катионы металлов образуют карбонаты, вследствие чего их растворимость падает, и они могут быть отделены от гранул сорбента. Полученная суспензия карбонатов тяжёлых металлов может быть подана в усреднитель для отделения от воды и утилизации, либо отведена на дальнейшую переработку.
Для очистки сточной воды с нейтральным pH, содержащей множество разных тяжелых металлов, могут быть использованы активированные алюмосиликатные адсорбенты (модифицированные цеолиты). Их регенерация производится через 5-7 суток работы 3-процентным раствором кальцинированной соды. Износ адсорбента составляет около 5 % в год. Себестоимость такой очистки сточных вод (по данным предприятия) – 4,5 руб/м3 [24].
Две последние схемы привлекательны тем, что в качестве сырья для приготовления элюента используется дешёвый и безопасный в обращении материал – кальцинированной соды, подходят для многокомпонентных сточных вод, отработаны на практике и не способствуют образованию сильнокислых сточных вод.
2.3 Выбор технологических решений для ООО «ВМЗ»

На основании рассмотренных схем очистки для очистки ливнёвых стоков ООО «ВМЗ» нами предлагается включить:
Резервуар-ливненакопитель для усреднения концентраций и расходов сточных вод;
Резервуар-смеситель для обработки воды реагентами, в котором вода смешивается с суспензией реагента «Экозоль-401» и раствором флокулянта ВПК-402;
Вертикальный отстойник с тонкослойными блоками для выделения из воды взвешенных веществ;
Резервуар промежуточный для осветлённой воды для усреднения расхода воды перед напорными фильтрами;
Механические напорные фильтры с загрузкой из кварцевого песка типа ФОВ-1,4-0,6 для удаления из воды наименее плотных взвешенных веществ, не отделившихся на стадии отстаивания;
Напорный фильтр с сорбционной загрузкой из модицифированного цеолита типа ФОВ-1,4-0,6 для удаления из воды катионов тяжёлых металлов и нефтепродуктов;
Установка обеззараживания воды перед выпуском для снижения бактериальной обсеменённости воды.
Вспомогательные сооружения, необходимые для обеспечения работы очистных сооружений:
Насосная стация для перекачивания воды и осадков по сооружениям;
Воздуходувная станция;
Реагентное хозяйство;
Резервуар для хранения промывной воды;
Ёмкости для приготовления рабочей суспензии реагента «Экозоль-401» с механическим перемешиванием;
Ёмкости для приготовления рабочего раствора ВПК-402;
Ёмкости для приготовления раствора кальцинированной соды;
Сооружения для обработки осадка включают в себя осадкоуплотнители, фильтр-пресс для обезвоживания отработанного сорбента и осадков и песковая площадка.

3 Описание технологической схемы очистки сточных вод
Технологическая схема очистки сточных вод представлена на рис. 3.1. Ливнёвые стоки поступают в ливнёвую канализацию предприятия и самотёком поступают в резервуар-ливненакопитель (РЛ), где происходит усреднение концентраций компонентов воды и её расхода. Насосами вода подаётся в резервуар-смеситель (РС), где смешивается с 5%-й суспензией препарата «Экозоль-401» и раствором ВПК-402 с дозировкой 2,5 г/м3. Перемешивание смеси в резервуаре осуществляется пневматическим способом за счёт подачи воздуха под давлением через распределительное устройство.
Препарат «Экозоль-401»представляет собой продукт механо-химической реакции высокодисперсного природного алюмосиликата с органическими соединениями. Препарат является реагентом комплексного действия и проявляет свойства соосадителя, сорбента и флокулянта и, в некоторой степени, ионообменника. В отличие от минеральных гидролизующихся коагулянтов, его применение не приводит к увеличению содержания в воде растворенных солей и изменению pH [25].
ВПК-402 (полидиаллилдиметиламмоний хлорид) – высокомолекулярный сильноосновной катионный полимер линейно-циклической структуры, получаемый путем радикальной полимеризации мономера диметилдиаллиламмонийхлорида, который, в свою очередь, изготавливается из аллилхлорида и диметиламина нагреванием в щелочной среде. Представляет собой полиэлектролит, применяемый в качестве флокулянта и коагулянта в технологии очистки сточных вод. Оннегорюч, невзрывоопасен, малотоксичен, не имеет неприятного запаха, растворим в воде [26].
Обработанная реагентами ливнёвая вода перекачивается в вертикальный ник с тонкослойными блоками (ТО) и центральным впуском воды, где происходит отделение взвешенных веществ от воды под действием силы тяжести. Тонкослойные блоки позволяют повысить эффективность очистки воды до 65%, применение смеси коагулянта и флокулянта – ещё на 25% [27]. Таким образом, выбранное техническое решение позволяет удалить из воды 90% взвешенных веществ по сравнению с 40% для обычного вертикального отстойника.
Очищенная в отстойнике (ТО) вода самотёком поступает в резервуар для осветлённой воды (РОВ), откуда насосами подаётся в напорный фильтр (НФ) для доочистки от самых мелких частиц перед адсорбцией. Эффективность фильтра по взвешенным веществам (87%) не позволяет добиться требуемой чистоты воды 5 мг/дм3, однако внесение в воду коагулянта и флокулянта повышает эффективность фильтрования. После очистки на напорном фильтре вода на остаточном давлении поступает в напорный фильтр, заполненный модифицированным цеолитом (НФ-А). Общие технические характеристики цеолита: размер зерна 0,63-2 мм, объемная масса 0,95-1 г/см3, измельчаемость до 0,5, истираемость до 5, удельная рабочая поверхность 9-12 м2/г, минимальное значение рН фильтруемой воды 6 [24].
Вода после адсорбционной очистки для обеззараживания поступает УФ-установку, после чего делится на два потока: часть отправляется на выпуск в канализацию, часть – остаётся на предприятии для промывки фильтров, приготовления растворов реагентов, использования на операциях промывки деталей после механической обработки.
Регенерация адсорбента осуществляется следующим образом: в специальной ёмкости готовится 3% раствор кальцинированной соды, который насосом подаётся в аппарат снизу вверх для трёхкратной промывки адсорбента. Отработанный элюат, представляющий собой суспензию из нерастворимых и малорастворимых карбонатов, подаётся в ливненакопитель. После этого адсорбент промывается очищенной водой. Отработанный адсорбент выгружается из аппарата и поступает в шламонакопитель, осадкоуплотнитель, а затем – на фильтр-пресс, после чего подлежит захоронению на ТБО.
Образующийся в отстойнике (ТО) осадок направляется в осадкоуплотнитель (ОУ) и обезвоживанию на фильтр-прессе (ФП). Влажный песок выгружается на песковую площадку (ПП), подсыхает и отправляется на захоронение на ТБО. Отделившаяся от осадков вода подаётся в ливненакопитель (РЛ).

Рисунок 3.1 ‒ Технологическая схема очистки ливнёвых вод ООО «ВМЗ»
Таблица 3.1 – Условные обозначения аппаратов
Обозначение Название Кол-во Примечание
Оборудование
РЛ Резервуар-ливненакопитель1 –
РС Резервуар-смеситель 1 –
ТО Вертикальный отстойник с тонкослойными блоками 1 –
ЕР Ёмкость для приготовления реагентов 3 –
ОУ Осадкоуплотнитель2 –
ПФ Пресс-фильтр 2 –
ПП Песковая площадка 1 –
РОВ Резервуар для очищенной воды 1 –
НФ Напорный фильтр осветлительный2 –
НФ-А Напорный фильтр адсорбционный 2 –
УФ Установка УФ-обеззараживания1 –
ЕЧВ Емкость для чистой воды 1 –
ВЗ Вентиль запорный 2 –
Таблица 3.2 – Условные обозначения потоков
Обозначение Название среды в трубопроводе
—1—1— Ливнёвая вода
—2—2— Воздух
—3—3— Раствор реагента
—4—4— Осадок отстойника
—5—5— Уплотнённый осадок
—6—6— Обезвоженный осадок
—7—7— Надосадочная вода
—8—8— Осветлённая вода
—9—9— Отфильтрованная вода
—10—10— Очищенная вода
—11—11— Обеззараженная вода
—12—12— Элюат—13—13— Отработанный элюат—14—14— Отработанная промывная вода
—15—15— Отработанный сорбент
—16—16— Отработанный песок
—17—17— Фильтрат
—18—18— Дренажная вода

4 Расчет материального баланса
4.1 Расчёт объёма ливнёвых вод
Расчёт объёма образующихся ливнёвых стоков производится по формулам (4.1)-(4.4):
WГ=Wд+WТ+WМ(4.1)
где WД, WТ и WМ – среднегодовой объем дождевых, талых и поливомоечных вод, в м3.
WД=10×hД×ψД×F(4.2)
WТ=10×hТ×ψТ×F(4.3)
WМ=10×m×k×Fм×ψМ(4.4)
где F – расчетная площадь стока, в га;
hД – слой осадков за теплый период года;
hТ – слой осадков за холодный период года;
– общий коэффициент стока вод (справочные данные);
m – удельный расход воды на 1 мойку дорожных покрытий;
k – среднее количество моек в году (150 для региона);
FМ – площадь твердых покрытий, подвергающихся мойке, га [28].
WД=10×317×0,5×32,9=52146,5WТ=10×195×0,5×32,9=32007,5WМ=10×1×150×6×1=9000WГ=Wд+WТ+WМ=52146,5+32007,5+9000=93224 м3/годСоответственно, суточный и часовой расходы равны:
Gсут=93224365=255,41 м3/сутGчас=Gсут24=255,4124=10,64 м3/час4.2 Расчет материального баланса отстаивания
Исходные данные к расчёту:
Взвешенные вещества ‒ 979,89 мг/дм3;
Нефтепродукты ‒ 62,30 мг/дм3;
Железо ‒ 6,68 мг/дм3;
Алюминий‒ 1,78 мг/дм3;
Кадмий ‒ 0,89 мг/дм3;
Медь ‒ 0,70 мг/дм3;
Марганец ‒ 2,89 мг/дм3;
Никель ‒ 1,50 мг/дм3;
Цинк ‒ 4,45 мг/дм3;
Хлориды ‒ 53,19 мг/дм3;
Сульфаты ‒ 77,97 мг/дм3;
Азот аммонийный ‒ 0,95 мг/дм3.
1. Масса сточных вод рассчитывается:
mсв=Vсв×ρсв=10,64 ×1000=10640 кг/час(4.5)
где VCВ – объем сточных вод, поступающих на очистку, м3/ч;
ρСВ – плотность сточных вод, поступающих на очистку, примем 1000 кг/м3.
2. Рассчитываем массу взвешенных (и других) веществ, содержащихся в сточной воде, можно рассчитать по формуле:
mвзв=Cвзв×Vсв=0,97989×10,64=10,43 кг/ч(4.6)
3. Масса взвешенных веществ, задержанных в отстойнике, находится по формуле:
mвзв2=mвзв1×φ=10,43×0,9=9,39 кг/ч(4.7)
Гдеφ – эффективность работы отстойника, для вертикальных отстойников с учётом всех технических решений равна 90%.
mвзв1 ‒ масса поступающих взвешенных веществ, кг/ч.
4. Масса осадка, образовавшегося в отстойнике:
mос=mвзв2×100%100%-ωос=9,39×100100-95=187,8 кг/ч(4.8)
Гдеωос– влажность осадка, принимается равной 95%.
5. Масса осветленной воды:
mосв=mсв-mос=10640-187,8=10452,2 кг/ч(4.9)
6. Концентрация взвешенных веществ в осветленной воде равна:
Cвзв=mВЗВVосв(4.10)
ГдеVосв– объем осветленной воды, м3/ч;
mВЗВ– масса взвешенных веществ в осветленной воде, кг/ч, рассчитываемая по формуле:
mВЗВ=mвзв1-mвзв2=10,43-9,39=1,04 кг/ч(4.11)
Результаты расчёта представлены в таблице 4.1. с учётом внесения в сточную воду раствора реагентов.
Таблица 4.1 ‒ Материальный баланс отстаивания
Приход кг/ч мг/л Расход кг/ч мг/л
1. Сточная вода, в том числе: 10640,00   Сточная вода, в том числе: 10458,22  
Вода 10627,29   Вода 10079,86  
Взвешенные вещества 10,43 979,89 Взвешенные вещества 1,04 99,52
Нефтепродукты 0,66 62,30 Нефтепродукты 0,66 63,16
Железо 0,07 6,68 Железо 0,07 6,70
Алюминий 0,02 1,78 Алюминий 0,02 1,91
Кадмий 0,01 0,89 Кадмий 0,01 0,86
Медь 0,01 0,70 Медь 0,01 0,67
Марганец 0,03 2,89 Марганец 0,03 2,87
Никель 0,02 1,50 Никель 0,02 1,91
Цинк 0,05 4,45 Цинк 0,05 4,78
Хлориды 0,57 53,19 Хлориды 0,57 54,55
Сульфаты 0,83 77,97 Сульфаты 0,83 79,43
Азот аммонийный 0,01 0,95 Азот аммонийный 0,01 0,96
2. Экозоль- 401 в т.ч. 4,256   Осадок, в т.ч. 188,04  
Вода 4,043   Взвешенные вещества 9,6294  
Сухие вещества 0,213   Вода 178,4  
3. Раствор ВПК-402 в т.ч. 2        
 вода 1,97        
 сух в-ва0,0266        
ИТОГО 10646,26    ИТОГО 10646,26  
4.3 Расчет материального баланса осветления воды в напорном фильтре
Исходные данные:
Сточная вода ‒ 10458,22 кг/час, в т.ч.:
Вода‒ 10079,86 кг/час
Взвешенные вещества ‒ 1,04 кг/час;
Нефтепродукты ‒ 0,66 кг/час
Железо ‒ 0,07 кг/час
Алюминий ‒ 0,02 кг/час
Кадмий ‒ 0,01 кг/час
Медь ‒ 0,01 кг/час
Марганец ‒ 0,03 кг/час
Никель ‒ 0,02 кг/час
Цинк ‒ 0,05 кг/час
Хлориды ‒ 0,57 кг/час
Сульфаты ‒ 0,83 кг/час
Азот аммонийный ‒ 0,01 кг/час;
Эффективность фильтра с коагулянтами и флокулянтами ‒ 95%.
1. Масса взвешенных веществ, задержанных на фильтре, производится по формуле (4.3):
mвзв2=mвзв1×φ=1,04×0,95=0,99 кг/ч2. Расход промывной воды, необходимой для очистки фильтровального материала, определяется по формуле:
qПР=I×f1000=8×6,161000=0,05 м3/с(4.12)
где – интенсивность промывки равна 8 л/(см2) для напорного фильтра с загрузкой из кварцевого песка крупностью 0,8-1,8 мм [29];
f – площадь фильтрующей поверхности; для фильтра типа ФОВ-1,4-0,6площадь фильтрующей поверхности равна f =6,16 м2;
3. Согласно [29] режим промывки напорного фильтра следующий: взрыхление загрузки (с интенсивностью 6-8 л/сек-м2) 1 мин; водовоздушная промывка (3-4 л/сек-м2 воды и 20-25 л/сек-м2 воздуха) 5 мин; отмывка водой (6-8 л/сек-м2) 2 мин. Таким образом, промывка фильтра занимает в общей сложности 7 минут = 420 секунд, продолжительность фильтроцикла – 48 часов [11]. Тогда расход промывной воды составляет:
Qпр=qПР×T×n=0,05×420×0,5=10,5 м3/сут=0,4375 м3/ч(4.13)
4. Рассчитываем массу промывной воды по формуле (4.1):
mпр=Qпр×ρпр=0,4375×1000=437,5 кг/чгде Qпр – расход промывной воды, м3/ч;
ρпр ‒ плотность промывной воды; примем ρпр= 1000 кг/м3.
5. Масса осветленной воды рассчитывается по формуле:
mос=mчас-mвзв2-mпр=10458,22-0,99-437,5=10019,73 кг/ч(4.14)
6. Концентрация взвешенных веществ в осветленной воде равна:
Cвзв3=mвзв3Vосв=0,05×1000 10,02=4,99 мг/л(4.15)
Где Vосв– объем осветленной воды, м3/ч;
mвзв3 ‒ масса взвешенных веществ в осветленной воде, кг/ч, рассчитываемая по формуле:
mвзв3=mвзв1-mвзв2=1,04-0,99 =0,05 кг/ч7. Массу взвешенных веществ в промывной воде можно рассчитать по формуле:
mвзв4=Cвзв3×qпр=0,017 ×16,2=0,27 кг/ч(4.16)
Экспериментально установлено, что эффективность очистки воды по нефтепродуктам для скорых напорных фильтров с водо-воздушной промывкой составляет 50%. Результаты расчёта сведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 ‒ Материальный баланс осветления воды в напорном фильтре
Приход кг/ч мг/л Расход кг/ч мг/л
Сточная вода, в том числе: 10452,22   Сточная вода, в том числе: 10013,71  
Вода 10074,32   Вода 10011,71  
Взвешенные вещества 1,04 99,52 Взвешенные вещества 0,05 4,99
Нефтепродукты 0,66 63,16 Нефтепродукты 0,33 32,95
Железо 0,07 6,70 Железо 0,07 6,99
Алюминий 0,02 1,91 Алюминий 0,02 2,00
Кадмий 0,01 0,86 Кадмий 0,01 0,90
Медь 0,01 0,67 Медь 0,01 0,70
Марганец 0,03 2,87 Марганец 0,03 3,00
Никель 0,02 1,91 Никель 0,02 2,00
Цинк 0,05 4,78 Цинк 0,05 4,99
Хлориды 0,57 54,55 Хлориды 0,57 56,92
Сульфаты 0,83 79,43 Сульфаты 0,83 82,89
Азот аммонийный 0,01 0,96 Азот аммонийный 0,01 1,00
      Задержанные вещества 0,99  
      Промывная вода в т.ч. 437,55  
      Вода 437,5  
Взвешенные вещества 0,05 ИТОГО 10452,22 ИТОГО 10452,22 4.4 Расчет материального баланса осветления воды в сорбционном фильтре
Исходные данные к расчёту:
Сточная вода ‒ 10013,71 кг/час, в т.ч.:
Вода‒ 10011,71 кг/час
Взвешенные вещества ‒ 0,05 кг/час;
Нефтепродукты ‒ 0,33 кг/час;
Железо ‒ 0,07 кг/час;
Алюминий ‒ 0,02 кг/час;
Кадмий ‒ 0,01 кг/час;
Медь ‒ 0,01 кг/час;
Марганец ‒ 0,03 кг/час;
Никель ‒ 0,02 кг/час;
Цинк ‒ 0,05 кг/час;
Хлориды ‒ 0,57 кг/час;
Сульфаты ‒ 0,83 кг/час;
Азот аммонийный ‒ 0,01 кг/час.
Расчёт материального баланса осветления воды в сорбционном фильтре производится аналогичным образом, как в п. 4.3. Однако при этом учитывают то, что сорбент извлекает из воды катионы тяжёлых металлов с эффективностью 99,9%, нефтепродукты – с эффективностью 87% [24, 30]. Результаты расчёта представлены в таблице 4.3.
Таблица 4.3 ‒ Материальный баланс сорбционного напорного фильтра
Приход кг/ч мг/л Расход кг/ч мг/л
Сточная вода, в том числе: 10019,73 Сточная вода, в том числе: 9669,69 Вода 10017,73 Вода 9669,64 Взвешенные вещества 0,05 4,99 Взвешенные вещества 0,01 1,03
Нефтепродукты 0,33 32,94 Нефтепродукты 0,03 3,41
Железо 0,07 6,99 Железо 0,00007 0,007
Алюминий 0,02 2,00 Алюминий 0,00002 0,002
Кадмий 0,01 0,90 Кадмий 0,00001 0,0009
Медь 0,01 0,70 Медь 0,00001 0,0007
Марганец 0,03 2,99 Марганец 0,00003 0,003
Никель 0,02 2,00 Никель 0,00002 0,002
Цинк 0,05 4,99 Цинк 0,00005 0,005
Хлориды 0,57 56,89 Хлориды 0,00057 0,06
Сульфаты 0,83 82,84 Сульфаты 0,00083 0,09
Азот аммонийный 0,01 1,00 Азот аммонийный 0,001 0,10
  Задержанные вещества 0,04   Промывная вода в т.ч. 350,01   Вода 350       Взвешенные вещества 0,01 ИТОГО 10019,73 ИТОГО 10019,73
5 Расчет вертикального отстойника
Расчёт вертикального отстойника осуществляется в следующей последовательности: в первую очередь определяются конструктивные параметры сооружений, затем производят расчёт работы тонкослойного модуля.
При расчёте конструктивных параметров сооружений в первую очередь определяют гидравлическую крупность частиц:
(5.1)
где u0 – расчётное значение гидравлической крупности задерживаемых в отстойнике частиц, мм/с;
α – коэффициент, учитывающий влияние температуры воды на ее вязкость; принимается по табл. 4.23 [31] для среднемесячной температуры ливнёвых вод 7 °C.
H – глубина проточной части в отстойнике, определяемая по табл. 1.13 [20] для выбранного типа отстойника;
K – коэффициент использования объема проточной части отстойника, определяемый по табл. 1.13 [19];
tset– продолжительность отстаивания, соответствующаяэффекту очистки сооружения (без учёта внесения коагулянтов и тонкослойных модулей), принимается по табл. 4.24 [31];
n – показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения, для сточных вод, обработанных коагулянтами и флокулянтами принимается равным 0,5 [31];
h – глубина слоя 0,5 м;
ω – вертикальная составляющая скорости движения воды в отстойнике, принимается по табл. 4.25 [31];
u0=1000∙3∙0,351,5∙180∙3∙0,350,50,5-0=2,684 мм/ сРадиус отстойника определяется по формуле:
R=Q/n3,6πKu0(5.2)
где К – коэффициент, зависящий от типа отстойника и конструкции водораспределительных и водосборных устройств; принимается равным 0,35 для вертикальных отстойников;
n ‒ число аппаратов;
Q – расчетный расход сточных вод, м3/ч.
R=10,48/23,6∙3,14∙0,35∙2,684=0,99≈1 мСледовательно, диаметр сооружения составит 2 м.
Далее рассчитывается диаметр центральной трубы den, раструба dр и отражательного щита dщ:
(5.3)
(5.4)
(5.5)
где qmax – максимальный секундный расход сточных вод (принят равным 1,5q), м3/с;
ven – скорость движения рабочего потока в центральной трубе, не менее 0,05 м/с;
n – число отстойников.
Диаметр den округляется до сортаментного значения.
den=4∙1,5∙0,0033,14∙1∙0,05=0,44 мdp=1,35∙0,44=0,59 мdщ=1,3∙0,59=0,767≈0,77 мРассчитывается высота щели между низом центральной трубы и поверхностью отражательного щита H1:
(5.6)
где vщ – скорость движения в щели, равная 0,02 м/с.
H1=0,00453,14∙1∙0,59∙0,02=0,08 мОпределяется общая высота цилиндрической части отстойника Hц:
(5.7)
где Hset ‒ принятая высота проточной части, м;
H2 – высота нейтрального слоя между низом отражательного щита и слоем осадка, равная 0,3 м;
H3 – высота борта отстойника, равная 0,5 м.
Hц=3+0,08+0,3+0,5=3,88 мРассчитывается высота конусной части отстойника Hк:
(5.8)
где α – угол наклона конического днища, равный 55º.
Hк=0,5∙2∙1,43=1,41 мРассчитывается общая высота отстойника H:
(5.9)
H=3,88 +1,41=5,29 мОпределяется суточное количество осадка, задерживаемое в отстойниках Qmud:
(5.10)
где Q – суточный расход сточных вод, м3/сут;
pmud – влажность осадка, равная 94...96%;
γmud – плотность осадка, равная 1 г/см3;
Cen – количество взвешенных веществ в воде, подаваемой на очистку, мг/л;
Cex – количество взвешенных веществ после отстаивания, мг/л.
Qmud=255,41∙(979,89-97,989)(100-95)∙1∙10000=28,66 м3/сутПлощадь поперечного сечения полочного пространства вычисляется по формуле:
F=Qυ(5.11)
Q – расход сточной воды, м3/ч;
υ – скорость потока сточной воды в секциях тонкослойного отстойника, м/ч, принимается равной 10u0 согласно [22].
F=10,6410∙2,684=0,4 м2Высоту полочного пространства H рекомендуется принимать 1-2 м. При этом его ширина составит:
B=F/H(5.12)
B=0,4 /1=0,4 мУгол наклона полок – 50°.
Необходимую продолжительность отстаивания, ч, определяют из уравнения:
(5.13)
где hc – высота секции в тонкослойном отстойнике, 50-150 мм.
tр=1003600∙2,684=0,01 чДлину полочного пространства определяют из выражения:
(5.14)
где К – коэффициент запаса, равный 1,1-1,5;
L=1,5∙0,01∙10∙2,684=0,4 м
Заключение
В данной работе выявлено, что предприятие ООО «ВМЗ» является источником образования загрязнённых сточных вод, которые наносят ущерб водоёмам в черте Ижевска и, как следствие, городской инфраструктуре. Для решения данной проблемы были рассмотрены существующие схемы очистки ливнёвых сточных вод с промышленных площадок машиностроительных предприятий, а также схемы очистки вод, близких по составу. Установлено, что ливнёвые воды на локальных сооружениях проходят механическую очистку. Она включает в себя этапы отстаивания в песколовках, отстойниках или нефтеловушках, и фильтрацию через зернистые загрузки. В связи с ужесточением требований к сточной воде, сбрасываемой в водоёмы, в традиционные схемы добавлен блок физико-химической очистки, включающий адсорбцию, реже – ионный обмен.
Изучение структуры и организации предприятия, а также климатических особенностей региона показало, что выбор оборудования для технологической линии должен осуществляться на основании ограниченных финансовых возможностей предприятия и малых промышленных площадей. Таким образом, для очистки ливнёвых вод ООО «ВМЗ» были выбраны контактный усреднитель (ливненакопитель), отстойник вертикальный с тонкослойными блоками, напорный фильтр и напорный сорбционный фильтр, заполненный модифицированным цеолитом – дешёвым материалом, обладающим сорбционными и ионообменными свойствами. Обязательным этапом данной схемы является внесение коагулянта и флокулянта перед отстаиванием, поскольку это позволяет значительно сократить объём и количество сооружений, а значит, и материальные затраты на его закупку, монтаж и строительство.
Расчёт материального баланса показал, что предложенная схема очистки позволяет достичь требований проекта нормативов допустимых сбросов для предприятия (таблица 5.1).
Таблица 5.1 ‒ Характеристики очищенной воды
Загрязняющие вещества Концентрации загрязняющих веществ, мг/дм3
до очистки после очистки НДС
Взвешенные вещества 979,89 1,03 2,25
Нефтепродукты 62,3 4,44 4,5
Железо 6,68 0,007 0,9
Алюминий 1,78 0,002 0,6
Кадмий 0,89 0,0009 0,003
Медь 0,7 0,0007 3
Марганец 2,89 0,003 0,3
Никель 1,5 0,002 0,06
Цинк 4,45 0,005 3
Хлориды 53,19 0,06 250
Сульфаты 77,97 0,09 500
Азот аммонийный 0,95 0,10 4,5
В данной работе рассчитаны параметры основного аппарата, ответственного за удаление большей части взвешенных веществ – вертикального отстойника. Малый объём образующихся сточных вод и использование сразу двух методов интенсификации позволили в несколько раз сократить объёмы сооружения до нетиповых: его диаметр составляет всего 2 метра, высота – 5,29 метров. Такие габариты позволят успешно разместить аппарат на территории предприятия.

Список использованных источников
Наумова М. Э., Бухарина И. Л. Анализ источников загрязнения ижевского водохранилища и его водосборной площади // Экологический сборник 5: Труды молодых ученых Поволжья. 2015. С. 250-253.
Новостной интернет-портал компании РБК («РосБизнесКонсалтинг») – [Электронный ресурс]. – https://www.rbc.ru/Справочно-информационный интернет-портал «Погода и климат» – [Электронный ресурс]. – http://www.pogodaiklimat.ru/Комарова, Л. Ф. Использование воды на предприятиях и очистка сточных вод в различных отраслях промышленности: учебн. пособие / Л. Ф.Комарова, М. А. Полетаева. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. ‒ 174 с.
Волчек, А.А. Ливневый сток как источник загрязнения поверхностных вод / А.А. Волчек, И.В. Бульская // Вестник Брестского государственного технического университета. – 2012. – № 2. – С. 41-43.
Ножкина С. С. Оценка состояния растительности и токсичности донных отложений реки Чемошурка и Чемошурского пруда г. Ижевска / Ножкина С. С., Платунова Г. Р // Человек в природном, социальном и социокультурном окружении: Материалы II региональной студенческой научно-практической конференции, посвященной 25-летию Международного Восточно-Европейского университета (30 марта 2018 г.). – Ижевск, 2018. – С. 172-178.
Минеев А.К. Гистопатологии жабр у карповых рыб из загрязненного участка р. Позимь (Удмуртская Республика) //Труды ВНИРО. 2017. Том 167. С. 52-58.
Котегов Б. Г. и др. Биологические и химические эффекты антропогенного эвтрофирования Ижевского водохранилища : монография / под ред. Б. Г. Котегова. Ижевск : Удмуртский ун-т, 2013. 177 с.
ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (пдк) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»
СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод»
Легкий, В.И. Процессы, аппараты и техника защиты окружающей среды. Ч. I. Очистка промышленных сточных вод: учебное пособие / В.И. Легкий, И.Н. Липунов, А.Ф. Никифоров, И.Г. Первова. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. университет, 2016. 234 с.
Дружина Н. А., Челноков В. Н., Холопов Ю. А. Использование современных технологий для организации приема и очистки ливневых и талых сточных вод с территории ремонтного локомотивного депо Бугульма-Грузовая //Наука и образование транспорту. 2016. №. 2. С. 128-130.
Мусина С. А., Нафикова Э. В., Красногорская Н. Н. Разработка технологии очистки ливневого стока с площадки промышленного предприятия машиностроительного профиля //Будущее машиностроения России. 2017. С. 392-395.
Сколубович Ю. Л., Цыба А. А., Войтов Е. Л. Очистка поверхностных сточных вод с территорий промышленных предприятий //Известия высших учебных заведений. Строительство. 2018. №. 12. С. 75-83.
Патент RU 2607220 МПК C02F 9/08 (2006.01) Установка для очистки промышленных и ливневых сточных вод титано-магниевого производства / Кирьянов С. В. и др. / заявитель и патентообладатель Публичное Акционерное Общество «Корпорация ВСМПО-Ависма» – № 2015108194; заявл. 10.03.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.
Селицкий Г.А. Технология очистки промышленных и ливневых сточных вод для использования в оборотной системе водоснабжения горнометаллургического предприятия / Г.А. Селицкий, Е.А. Уласовец, Д.В. Ермаков // Водное хозяйство России. – 2008. – № 4. – С. 57-69.
Пособие к СНиП 2.04.03-85. Проектирование сооружений для очистки сточных вод //М.: Стройиздат. 1990. – 190 с.
Карманов, А. П. Технология очистки сточных вод [Электронный ресурс] : учебное пособие : самост. учеб. электрон. изд. / А. П. Карманов, И. Н. Полина ; Сыкт.лесн. ин-т. Электрон. дан. Сыктывкар: СЛИ, 2015. – 207 с.
Волосникова, Г. А. Защита гидросферы: учеб, пособие / Г. А. Волосникова, А. А. Черенцова ; [науч. ред. Л. П. Майорова]. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2018. – 258 с.
Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: учебн. пособие. Барнаул, 2000. – 395 с.
Василенко Л.В., Никифоров А.Ф., Лобухина Т.В. Методы очистки промышленных сточных вод: учебн. пособие. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. университет, 2009. – 174 с.
Дидковский А. А. Методы регенерации сорбентов // Современные наукоемкие технологии. 2014. №. 5-2. С. 101-102.
Дударев В. И. и др. Сорбционное концентрирование тяжелых металлов и определение никеля в производственных растворах //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. – Т. 81. №. 1. – С. 16-23.
Долина Л.Ф.Современная техника и технологии для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов: Монография. Дн-вск.: Континент, 2008. – 254 с.
Галкин Ю. А. Водоподготовка и глубокая очистка нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ с применением отстойников-флокуляторов и нанодисперсных реагентов типа «Экозоль» //Водоочистка. 2009. №. 11. С. 40-48.
Сайт компании ООО «Компамин» [Электронный ресурс]. – http://ealogistik.ru/Куренков В. Ф., Hartan H. G., Лобанов Ф. И. Применение полиакриламидных флокулянтов для водоочистки //Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. №. 11. С. 31-41.
Меншутин, Ю.А. Рекомендации по расчету систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты. Методическое пособие. – М.: ФГУП «НИИ ВОДГЕО», 2015 – 146 с.
Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчеты: Учеб. пособие для вузов. – 4-е изд., репринтное. – М.: ООО «БАСТЕТ», 2008. – 304 с: ил.
Чугунов А. Д., Соболева В. Г. Применение природных и модифицированных цеолитов при очистке сточных вод от нефтепродуктов //Наука сегодня: фундаментальные и прикладные исследования. 2016. С. 14.
Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, А. И. Жуков, С. К. Колобанов. М.: Стройиздат, 1975. 632 с.