Водоснабжение и очистка сточных вод

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКАЯ  ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

 

 

 

Контрольная работа

 

 

Водоснабжение и очистка сточных вод

 

 

 

 

 

 

Специальность: 140104 (промышленная теплоэнергетика)

Факультет: Транспортные сооружения и здания

Кафедра: Теплоэнергетика и водоснабжение  на железнодорожном транспорте

Курс: 4

Шифр: 0960-п/ПТ-3078

Выполнил: Атаханов А.Г.

Принял:

 

 

 

Москва 2013 г

 

Таблица 1

N п/п	Исходные данные
1	Расход воды, : хоз.- питьевые нужды Контур 1 Контур 2	1400 1100 200
2	Качество исходной воды: мутность, ; цветность, град; солесодержание,	300 20 350
3	Отметка земли у очистной станции	12
4	Потеря воды в контуре 2, % контур 2: потери с осадком	1,0 8
5	Температура воздуха по смоченному термометру, С	16
6	Перепад температуры, С	6
7	Скорость фильтрования, м/ч	6
8	Интенсивность промывки,	10
9	Рассчитываемый тип охладителя: брызгальный бассейн градирня	+
10	Напор перед соплами, м вод.ст.	6

 

1. Подготовка воды для промышленного водоснабжения.

Вода, растворы и суспензии играют важную роль во многих производственных процессах. Каждый производственный процесс  предъявляет свои требования к качеству воды. Особое внимание следует уделять  назначению подпиточной воды и вопросам повторного использования и циркуляции воды, важность которых в данное время возрастает.

Следует контролировать следующие  показатели качества циркуляционной воды:

• содержание сульфатов и карбонатов щелочноземельных металлов для предотвращения их осаждения;
• количество всех растворенных неорганических солей - для предотвращения повышения электропроводности воды и усиления коррозии;
• количество разлагающихся органических веществ, солей аммония и фосфатов, способствующих росту аэробных и анаэробных бактерий;
• содержание детергентов - для предотвращения пенообразования;
• температуру, чтобы избежать промежуточного охлаждения или сброса излишне горячей воды в реку.

 

 

2. Выбор схемы осветления воды и составление высотной схемы.

 

Исходя из качества исходной воды (мутности и цветности), а также  расчетной производительности станции, в соответствии с рекомендациями СНиП 2.04.02-84 выбирают расчетную схему осветления (Табл. 2) и составляют схему водопровода (Рис. 1).

Высотную схему начинают составлять с наиболее низко расположенного сооружения - резервуара чистой воды. При  определении отметок уровня воды в элементах сооружений водоочистной станции за начальную отметку  принимают отметку поверхности  земли площадки водоочистной станции  Zo.

Таблица 2

Рекомендации  по выбору схемы осветления воды при  ее обработке 

с применением  коагулятов

Сооружения  станции  очистки воды	Условия предпочтительного применения
	по  качеству исходной воды		по  производительности станции, м3/сут
	мутность, мг/л	цветность, мг/л
Вертикальные отстойники и фильтры	до 2500	любая	до 3000
Осветлители со взвешенным осадком и фильтры	до 2500	любая	более 3000
Горизонтальные отстойники и фильтры	до 2500	любая	более 30000
Контактные осветлители	до 150	до 150	любая

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема водопровода:

I - река, II - сооружения очистки воды, III - промышленное предприятие,

1 - водоприемный оголовок; 2 - береговой водоприемный колодец, совмещенный

с насосной станцией I подъема; 3 - смесители; 4 - блок осветлителей или отстойников; 5 - блок фильтров; 6 - резервуары чистой воды; 7 - насосная станция

Отметку наивысшего уровня воды в резервуаре чистой воды Z обычно назначают по экономическим и санитарным соображениям на 0,5 м выше отметки Zo. Затем, задаваясь потерями напора, определяют отметки уровней воды в отдельных сооружениях станции и соединительных коммуникациях между ними (Табл. 3). На рисунке 2 представлена высотная схема водопроводной очистной станции.

 

Таблица 3

Потери напора в водоочистных сооружениях  и 

соединительных коммуникациях

Сооружения и соединительные коммуникации	Потери напора, м	Принимаем
Смесители	0,4-0,9	0,5
Камеры  хлопьеобразования	0,4-0,5	0,5
Отстойники	0,6-0,7	0,6
Осветлители со взвешенным осадком	0,7-0,8	0,7
Фильтры	3,0-3,5	3,0
От  смесителя к отстойникам	0,3-0,5	0,4
От  смесителя к осветлителям со взвешенным осадком	0,5	0,5
От  отстойников или осветлителей со взвешенным осадком к фильтрам	0,5-1,0	0,7
От  фильтров к резервуарам чистой воды	1,0	1,0

 

По таблице 2 в соответствии с заданием выбираем осветлители  со взвешенным осадком и фильтры – мутность до 2500 мг/л, цветность любая, производительность станции > 3000 , отметка (таблица 1), отметка наивысшего уровня воды в резервуаре чистой воды

 

Принятые потери напора представлены в таблице 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Высотная схема водопроводной очистной станции:

1 - насосная станция I подъема; 2- смеситель; 3 - осветлитель со слоем взвешенного осадка; 4 - скорые фильтры; 5 - резервуары чистой воды; 6 - насосная станция II подъема; 7- реагентное хозяйство

 

3. Расчет расхода реагентов.

 

Поскольку исходная вода, забираемая из открытого  источника, содержит взвешенные и растворенные окрашенные вещества, то для ускорения  процессов их удаления в нее добавляют  коагулянты. В качестве коагулянта чаще всего используют сернокислый  алюминий A1(S0₄)₃*18H₂0, гидролизующийся с образованием трудно растворимых оснований А1(ОН)₃. Гидролиз коагулянта сопровождается образованием в воде положительно заряженного золя гидроокиси, обладающего развитой поверхностью, на которой сорбируются частично или полностью потерявшие отрицательный заряд коллоидные и высокомолекулярные примеси обрабатываемой воды.

Доза  коагулянта определяется в зависимости  от мутности исходной воды по таблице 4, а для цветных вод - по формуле:

   (1)

где    Ц - цветность воды, град., Ц=20 град

При одновременном  содержании в воде взвешенных веществ  и цветности доза коагулянта выбирается по большему значению.

По таблице 4 согласно исходным данным (мутность – 300 мг/л) доза коагулянта – 40-60 мг/л. Из (1)  .

Количество коагулянта, необходимое для работы станции  в течении суток W:

 

где - суточное потребление воды предприятием,

 из  табл. 1

 

Расчетный суточный расход хлора для хлорирования определяется:

на предварительное  , доза хлора 3…5 ,

 

вторичное , доза хлора 1…2 ,

 

 

 

 

 

 

4. Расчет смесителя.

 

Перемешивание исходной воды с реагентами происходит е течение 1-2 минут в смесителе. Смесители могут быть дырчатые, шайбовые, перегородчатые, вертикальные и механические.

Вертикальный  смеситель представляет собой круглый  или квадратный в плане резервуар  с конической или пирамидальной  нижней частью. Центральный угол между наклонными стенками α = 30-40°. Вода входит в смеситель снизу со скоростью 1-1,5 м/с, выходит из смесителя на уровне водосборных устройств со скоростью 25 мм/с. Нагрузка по воде на один смеситель не должна превышать 1200 - 1500 м³/ч. Время пребывания воды в смесителе вертикального типа 1,5 - 2 мин. Площадь горизонтального сечения в верхней части смесителя:

   (2)

где    Q_ч - часовая производительность станции, м³/ч;

V_в - скорость восходящего движения воды, равная 90-100 м/ч.

Принимаем в соответствии с исходными данными,

 

Диаметр смесителя:

 

 

Трубопровод, подающий обрабатываемую воду в нижнюю часть смесителя  со скоростью  имеет сечение:

 

Расчетный диаметр:

 

Площадь нижней части усеченной  пирамиды в месте примыкания этого  трубопровода:

 

 

Высота нижней (пирамидальной) части смесителя

 

Принимаем  

 

Объем пирамидальной части  смесителя

 

 

Полный объем смесителя  составляет:

 

где t=1…2 мин – время пребывания воды в смесителе

 

Объем верхней части  смесителя:

 

Высота верхней части  смесителя:

 

 

Схема вертикального смесителя представлена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Схема вертикального смесителя:

1 - подача исходной воды; 2 - отвод воды из смесителя;

3 - сброс (опорожнение смесителя); 4 - подача реагентов

 

Так как в технологическую  схему очистки воды включены осветлители  со взвешенным осадком, то камеры хлопьеобразования не требуются.

5. Расчет осветлителя со взвешенным осадком.

Осветлители проектируют круглыми или прямоугольными в плане, и они имеют четыре основные рабочие зоны: взвешенного осадка, осветления, отделения осадка и уплотнения осадка. В зависимости от расположения зон отделения и уплотнения осадка их подразделяют на осветлители с горизонтальным и вертикальным осадкоуплотнителем.

Осветлитель коридорного типа с вертикальным осадкоуплотнителем состоит из двух коридоров и осадкоуплотнителя. Схема осветлителя представлена на рисунке 5. Общая площадь осветлителя:

F_осв = F_отд + F_з.осв

Площадь зоны осветления рассчитывают по формуле:

F_з.осв  = К_рв Q_ч/ 3,6 V _осв

где    К_рв - коэффициент распределения между зонами осветления и

                 отделения осадка, принимают равным 0,7;

V _осв - скорость восходящего потока воды в зоне осветления,

           принимают  равной 1 мм/с.

Площадь зоны отделения осадка определяют по формуле:

F_отд = Q_ч (1 - К_рв) / 3,6 V _осв

Вычисляем:

 

 

 

Рис. 4. Схема осветлителя со взвешенным осадком коридорного типа:

 

1 - подача воды на осветлитель;

2 - отвод воды из осветлителя;

3 - осадкоприемные окна;

4- отвод осветленной воды из осадкоуплотнителя;

5 - отвод осадка из осадкоуплотнителя

Для определения  размеров осветлителей в плане задаются его длиной, принимаемой 6 - 8 м. Ширина зоны осветления будет:

В_осв = F_з.осв  /  L _осв

где    L - принятая длина осветлителя, м.         L=5м В_осв = 12/5=2,4м

Количество осветлителей будет:

N = В_осв  / 2 В_осв

где    В_осв - ширина одного коридора, принимается 2 - 3 м. В_осв=2м N =2,4/2*2=2,4

При дробном значение N количество осветлителей увеличивают до целого числа в большую сторону. N=3

Ширина  зоны отделения осадка определяется по формуле:

В_отд = F_отд / L _осв  N

В_отд = 4,9/5*3=2,94=3м

Высота осветлителя складывается из высоты слоя взвешенного осадка, высоты зоны осветления и запаса высоты.

6. Расчет скорых фильтров

Окончательное осветление воды производится на скорых фильтрах. Вода, поступающая на фильтры, должна содержать взвешенные вещества не более 8 - 12 мг/л. После фильтров мутность воды не должна превышать 1,5 мг/л. На скорых фильтрах осветляется предварительно скоагулированная вода.

Скорый  безнапорный фильтр (Рис. 6) представляет собой резервуар, загруженный слоями песка и гравия, крупность которых  возрастает сверху вниз.

 

 

Рис. 5. Схема скорого безнапорного фильтра:

1 - подача воды на фильтр; 2 - трубопровод сброса первого фильтрата; 3 - боковой карман; 4 - ответвления трубчатого дренажа; 5 - коллектор дренажа; 6 - рубопровод для сброса промывных вод; 7 - промывные желоба; 8- отвод фильтрованной воды;

9- подача промывной воды

 

 

 

Фильтрующий слой песка лежит на поддерживающих слоях крупного песка и гравия, предназначенных для предотвращения вымывания мелкого песка и  равномерного распределения воды по площади фильтра. Высота слоя воды над  поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. Поддерживающие гравийные  слои соприкасаются с распределительной  трубчатой системой, собирающей профильтрованную воду. Эта вода отводится в резервуары чистой воды.

При фильтровании происходит загрязнение зернистой  загрузки, что приводит к возрастанию  потерь напора в фильтре. Когда эти  потери достигают 2,5 - 3 м вод.ст., фильтр отключается на промывку. Промывка производится обратным током воды снизу вверх интенсивностью 10 - 18 л/см². Суммарная площадь скорых фильтров:

F_ф = Q_хоз.п. / (T V_рн – 3,6 nqt₁ – nt₂ V_рн - n V_рн t₃)

где     Т - продолжительность работы станции в течение суток, принимают 24 ч;

V_рн - расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме эксплуатации, м/ч;

V_рн =8м/ч (табл.1)

п - количество промывок фильтра за сутки, принимают 2;

q - интенсивность промывки, л/с-м ;

t₁ - продолжительность промывки, принимают 0,1 ч;

t₂ - время простоя фильтра в связи с промывкой, принимают 0,33 ч;

t₃ - продолжительность сброса первого фильтрата в канализацию, принимают 0,17ч.

 

Количество  фильтров на станции рассчитывается по формуле

 

 

Устройство  менее двух фильтров не допускается.

 

 

7. Расчет охлаждающих устройств оборотных систем водоснабжения.

В целях  рационального использования воды устраиваются оборотные системы  водоснабжения, позволяющие значительно  сократить расход свежей воды. Условно  чистые стоки промышленных предприятий  направляют на водоохладители с последующим  их возвращением к теплообменным  устройствам. В этом случае подачу свежей воды осуществляют только на компенсацию безвозвратных потерь, В качестве водоохладителей применяют пруды-охладители, брызгальные устройства, градирни.

 

7.1. Определение  потерь воды в охладителях.

При охлаждении воды часть ее теряется на испарение. Величина потерь на испарение определяется по формуле

q = kt,

где     q - количество испарившейся воды в процентах от циркуляции;

k - коэффициент, учитывающий долю теплопередачи испарением в

общем процессе теплопередачи, принимают от 0,8 до 1,1;  k=1,0

t - перепад температур, ⁰С.   t=6⁰С (табл.1)

 

Кроме потерь на испарение некоторое количество ее выносится из испарителя с воздухом. Потери на унос приведены в таблице.

Таблица 4

Потери  воды на унос

Тип охладителя	Потери воды, %	Тип охладителя	Потери воды, %
Брызгатьные бассейны производительностью, м3/ч: до 500	2-3	градирни: открытые	0,5-1,5
более 500	1,5-2	башенные	0,5-1,0

Из табл.1 и  табл.4    

В результате испарения повышается концентрация минеральных солей  циркуляционной воды. Для предотвращения выпадения солей жесткости производят постоянную продувку системы оборотного водоснабжения, т. е. удаление части  циркуляционной воды. Солевое содержание циркуляционной воды стабилизируется, если количество солей, удаляемых из системы при продувке и в результате уноса, будет равно количеству солей, приносимых с добавочной водой.

С _доб (р₁ + р₂ + р₃) = С_цирк (р₂ + р₃)

где     С_до6 и С_цирк - концентрация солей жесткости соответственно в

                   добавочной и циркуляционной  воде; С_цирк= 2000мг/л

р₁ - потери воды на испарение, %;

р₂ - потери воды на унос с воздухом, %;

р₃ - потери воды, сбрасываемые для продувки системы, %.

Из  приведенного равенства легко определить необходимый продувочный расход воды, если максимально допустимую концентрацию солей жесткости принять равной 2000мг/л. Если значение р₃ получилось отрицательным, то продувка системы не требуется.

 

Определяем

 

Продувка системы не требуется

 

7.2. Расчет брызгальных устройств.

Брызгальные бассейны представляют собой открытые емкости, в которых смонтирована сеть распылительных устройств. Охлаждение осуществляется за счет контакта распыленных  частиц с воздухом.

Температура нагретой воды иногда достигает 36°С. Разность между нагретой и охлажденной  водой должна составлять 5-10° С. (табл.1)

Сложность процесса охлаждения в брызгальных устройствах затрудняет разработку теоретических методов теплового расчета. Поэтому для определения температуры охлажденной воды используют эмпирические зависимости, полученные на основании опытных данных.

Задаваясь температурой воздуха, измеренной смоченным термометром, и разностью  температур, которую желательно получить по диаграмме, определяют температуру  охлажденной воды при напоре перед  соплами Н = 5м вод. ст. и скорости ветра 2 м/с (Рис. 6).

Рис. 6. Диаграмма определения температуры охлажденной воды

 

(табл 1)

По  диаграмме рис.6 находим температуру  охлажденной воды

 

 

При большем  напоре из температуры охлажденной  воды, полученной по диаграмме, вычитают поправку, определяемую по дополнительному  графику (Рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма определения поправки к температуре охлажденной воды

 

По  диаграмме рис.7 находим температуру  охлажденной воды

 

 

 

 

 

 

 

 (темп. охлажденной воды)

Размеры брызгального устройства определяются расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, которая принимается 0,8-1,2 м³/ч на м². Площадь брызгального бассейна исходя из 16-часовой работы:

F_бб = Q_контур 1 / q 16 ,

где     q - плотность орошения, м³/ч на м²,

Расход в контурах I и II (табл.1)

 

 

В бассейне должно быть не менее двух секций, В  целях эффективной работы бассейна распределительные линии должны располагаться параллельно направлению  господствующих ветров, и расстояние между крайними соплами одной  линии не должно превышать 45 м (Рис. 9).

 

 

 

Рис. 9. Схема брызгального бассейна:

1 - подача воды на охлаждение;

2 - отвод охлажденной воды;

3 - разбрызгивающее устройство

 

 

 

 

7.3 Определение количества градирен.

Градирни  бывают башенные и вентиляторные. Наибольшее распространение в промышленности нашли вентиляторные градирни. Схема вентиляторной градирни приведена на рисунке 10.

Количество  градирен выбирают, исходя из расчетного расхода термически загрязненной воды и производительности выбранного типа градирни. Количество градирен должно быть не менее двух. Техническая  характеристика малогабаритных градирен представлена в таблице 6.

Рис. 10. Схема вентиляторной градирни:

1 - корпус; 2 - ороситель; 3 - трубопровод нагретой воды; 4 - вентилятор;

5 - брызгоуловитель; 6 - сопла; 7- резервуар; 8 - трубопровод отвода

охлажденной воды; 9 - система подпитки

 

 

 

Таблица 6

Техническая характеристика малогабаритных градирен

 

Показатели	МГ-4	МГ-6	МГ-8	МГ-10	МГ-12
Производительность  по охлаждаемой воде, м3/ч	2-3	4-6	7-9	11-13	22-40
Количество  отводимого тепла, ккал/ч	20-25	30-45	50-75	100-140	200-320
Расчетный перепад температуры, 0С	8	8	8	8	8
Удельная нагрузка по воде, м3/ч на м2	6-8	5-7	4-6	5-8	5-9