Анализ устройства системы очистки воды с расчетом параметров отстойника непрерывного действия производительностью 86 т/ч

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный

инженерно - экономический университет» 

Кафедра современного естествознания и экологии 

                                          КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Анализ устройства системы очистки воды

с расчетом параметров отстойника непрерывного действия производительностью 86 т/ч

                                                                          Выполнила: студентка

     группы 2171 4 курса

     факультета 

     «Экономика и  управление в 

химической  промышленности

     и природопользовании»

                                                      Зотагина Д.В.

                        Проверил: доцент

     Николаев А.С. 

Санкт-Петербург

2010

    Содержание

    Введение                                                                     3

    Аналитическая часть                                              5

    1.  Процесс отстаивания сточных вод                      5

    2. Классификация отстойников                               7

    3. Горизонтальные отстойники                                 9

            3.1 Радиальные отстойник                                    11

        4. Вертикальные отстойники                                   12

         5. Тонкослойные отстойники                                   14

         Расчётная часть                                                       19

         Заключение                                                               25

         Список литературы                                                 27 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Отстаивание – распространённый способ очистки  жидкостей от грубодисперсных механических примесей. Его используют при подготовке воды для технологических и бытовых  нужд, обработке канализационных  стоков, обезвоживании и обессоливании  сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении  природных и искусственных водоёмов. Отстаивание применяется также для выделения диспергированных в жидких средах различных продуктов промышленного производства или природного происхождения [8].

    Отстаивание является наиболее простым и часто  применяемым в практике способом выделения из сточных вод грубодисперсных  примесей, которые под действием  гравитационной силы оседают на дно  отстойника или всплывают на его  поверхность.

    В зависимости от требуемой степени  очистки сточных вод отстаивание  применяется или в целях предварительной  их обработки перед очисткой на других, более сложных сооружениях, или  как способ окончательной очистки, если по местным условиям требуется  выделить из сточных вод только нерастворенные (осаждающиеся или всплывающие) примеси.

    Отстаивание – один из наиболее дешевых процессов  разделения неоднородных систем. Его проводят в аппаратах для улавливания из сточных вод средне и мелко дисперсных примесей ,называемых отстойниками, или сгустителями. Различают аппараты периодического, непрерывного и полунепрерывного действия. Непрерывно действующие отстойники подразделяют на одноярусные, двухъярусные, многоярусные.

    Процесс осаждения должен происходить в монодисперсной агрегативно-устойчивой системе, когда частицы имеют одинаковые размеры и при осаждении не меняют своей формы и размеров.

    При отстаивании сточных вод процесс происходит в полидисперсной агрегативно-неустойчивой системе с большим диапазоном размеров частиц, которые в процессе осаждения агломерируются, изменяют свою форму, плотность и размеры; вследствие этого изменяется и скорость их осаждения. Поэтому кинетику процесса осаждения или всплывания грубодисперсных примесей сточных вод устанавливают опытным путем в лабораторных условиях для сточных вод определенного состава [7]. 
 

    Целью выполнения курсовой работы по данной теме является определение геометрических параметров (диаметра, высоты, поверхности осаждения, ) отстойника непрерывного действия и затрат электроэнергии на подачу в него загрязненной воды по числовым значениям заданных исходных данных. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Аналитическая часть

    1. Процесс отстаивания  сточных вод

    В тех случаях, когда данные отсутствуют и не могут быть получены по каким-либо причинам экспериментальным путем, отстойники рассчитывают по имеющимся данным для близких по составу сточных вод или применяют другие способы расчета (например, по нагрузке сточных вод в м³/м² поверхности отстойника).

    Исходными данными при расчете отстойников  на любую степень полноты выделения  из сточных вод нерастворимых  примесей, независимо от их вида, является:

    1) объем сточных вод и начальная  концентрация в них взвешенных  веществ;

    2) допустимая конечная концентрация взвешенных веществ в отстоенной воде, принимаемая в соответствии с санитарными нормами или обусловленная технологическими требованиями;

    3) условная гидравлическая крупность  частиц, которые требуется выделить  из воды; высота столба воды  в лабораторном цилиндре, в котором производится технологический анализ (отстаивание) сточной воды;

    4) показатель степени п, отражающий влияние агломерации взвешенных частиц при их осаждении. 

    Эффект  отстаивания сточных вод  и происходящее при этом уплотнение осадка влияют на экономичность и устойчивость работы очистных сооружений, особенно при биологической очистке сточных вод. 

    В целях повышения эффективности  работы отстойников, особенно при содержании в сточной воде взвешенных веществ  более 300 мг/л, необходимо принимать дополнительные меры:

      а) добавлять к сточным водам  химические реагенты — коагулянты, способствующие увеличению гидравлической  крупности частиц примесей;

    б) добавлять хорошо оседающие взвешенные вещества, в частности, активный ил, выполняющий роль сорбента и биокоагулянта;

    в) предварительно аэрировать сточные  воды, что способствует флокуляции (хлопьеобразованию и укрупнению) находящихся в сточной воде мельчайших нерастворенных примесей.

    Химические  реагенты применяют главным образом  при очистке производственных сточных вод, биокоагуляцию и флокуляцию — при очистке бытовых сточных вод и их смесей с производственными водами [7]. 
 

    Рис 1. Кинетика осаждения сточной воды

    При проведении анализа через некоторый  промежуток времени образуются области:

    1 - осветлённой воды;

    2 - свободного осаждения;

    3 - стесненного осаждения

    4 - осадка.

    Отстаивание заканчивается, когда 2-ая и 3-я области  исчезают и завершается уплотнение осадка, что соответствует полному  разделению исходной жидкости на осадок и осветленную жидкость [6]. 

    2.Классификация отстойников 

    В зависимости от назначения отстойников  в технологической схеме очистной станции они подразделяются на первичные  и вторичные. Первичными называются отстойники перед сооружениями для биологической очистки сточных вод; вторичными — отстойники, устраиваемые для осветления сточных вод, прошедших биологическую очистку.

    По  режиму работы различают отстойники периодического действия, или контактные, в которые сточная вода поступает периодически, причем отстаивание ее происходит в покое, и отстойники непрерывного действия, или проточные, в которых отстаивание происходит при медленном движении жидкости. В практике очистки сточных вод осаждение взвешенных веществ производится чаще всего в проточных отстойниках.

    Контактные  отстойники применяют для обработки  небольших объемов сточных вод.

    По  направлению движения основного  потока воды в отстойниках они  делятся на два основных типа: горизонтальные и вертикальные; разновидностью горизонтальных являются радиальные отстойники. В горизонтальных отстойниках сточная вода движется горизонтально, в вертикальных — снизу вверх, а в радиальных — от центра к периферии.

    К числу отстойников относят и  так называемые осветлители. Одновременно с отстаиванием в этих сооружениях происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных веществ.

    Содержание  нерастворенных примесей (взвешенных веществ), выделяемых первичными отстойниками, зависит от начального содержания и  от характеристики этих примесей (формы  и размера их частиц, плотности, скорости их осаждения), а также от продолжительности отстаивания. Основная масса грубодисперсных взвешенных веществ выпадает в осадок в течение 1,5 ч .Скорость осаждения и полнота выделения из воды тонкодисперсных частиц зависят от их способности к агломерации.

    Допустимое  остаточное содержание взвешенных веществ  — вынос из первичных отстойников  — устанавливается в зависимости  от типа биологических окислителей  для последующей очистки сточных  вод. В соответствии с этим принимается  продолжительность отстаивания.

    Из  отстойников перед биофильтрами и аэротенками на полную очистку  не должно выноситься взвешенных веществ  более 150 мг/л. Продолжительность отстаивания  городских сточных вод в этом случае должна быть 1,5 ч.

    Выбор типа, конструкции и числа отстойников  должен производиться на основе технико-экономического их сравнения с учетом местных условий.

    Вертикальные  отстойники применяют обычно при  низком уровне грунтовых вод и  пропускной способности очистных сооружений до 10 000 м³/сутки. Горизонтальные и радиальные отстойники применяют независимо от уровня грунтовых вод при пропускной способности очистных сооружений свыше

    15 000—20 000 м³/сутки. Радиальные отстойники с вращающимся распределительным устройством применяют на станциях пропускной способностью более 20 000 м³/сутки при исходной концентрации взвешенных веществ не более 500 мг/л [7].

    Основными условиями эффективной работы отстойников  являются: установление оптимальной  гидравлической нагрузки на одно сооружение или секцию (для данных начальной  и конечной концентраций сточной воды и природы взвешенных веществ); равномерное распределение сточной воды между отдельными сооружениями (секциями); своевременное удаление осадка и всплывающих веществ. 

    3. Горизонтальные отстойники

    Горизонтальный  отстойник представляет собой прямоугольную емкость, оборудованную водораспределительным и водосборным устройствами, трубопроводами для подвода осветляемой воды, а также устройством для периодического удаления образовавшегося осадка. Горизонтальные отстойники применяют на станциях очистки воды хозяйственно-питьевых и промышленных водопроводов, производительность которых достигает более 30000-50000 м³/сутки при удалении из воды взвешенных вещества, обработанных коагулянтом.

    Рис 2. Горизонтальный отстойник

    а) разрез;          б) план;

    1- подводящий лоток; 2 -распределительный  лоток; 3- полупогружные доски; 4- сборный  лоток; 5- отводной лоток; 6 - лоток  для сбора и удаления плавающих  веществ; 7 - трубопровод для удаления  осадка. 

    Осадок  из отстойников удаляется под  гидростатическим давлением и с помощью различных механизмов (скребков, насосов, элеваторов и др.).

    Основными преимуществами горизонтальных отстойников 

    являются: малая глубина, хороший эффект очистки, возможность использования одного сгребающего устройства для нескольких отделений. К недостаткам их относится необходимость применения большего числа отстойников вследствие ограниченной ширины.

    3.1 Радиальные отстойники

    По  сравнению с горизонтальными  радиальные отстойники имеют ряд  преимуществ: простота и надежность эксплуатации, экономичность, возможность строительства сооружений большой производительности. Недостаток: наличие фермы со скребками.

    Радиальные  отстойники бывают: с центральным  впуском, с периферийным впуском, с  вращающимися сборно-распределительными устройствами.

    Рис. 3. Первичный радиальный отстойник

    1 - подводящая труба; 2- полупогружной  кожух распределительного устройства;3 - илоскребки.

    Все радиальные отстойники оборудованы  илоскребками, сдвигающими выпадающий осадок к приемнику, расположенному в центре. Из него осадок удаляют насосами. Частота вращения скребков 0,8 - 3 оборота в час.

    Для радиальных отстойников обязательно  соблюдение соотношения D/H = 6 - 12. Отсюда при средних рекомендуемых параметрах D/H=10, H » 3 м. Время пребывания воды t = 1,25 ч. Скорость движения воды на половине радиуса v =3,3 мм/с. Так как диаметр отстойника определяется без учета глубины, то при расчете вначале принимают глубину H, а затем определяют u₀ и D. Если при этом D/H будет отличаться от рекомендуемых, то расчет повторяют при другом Н. Типовые размеры радиальных отстойников: 18, 24, 30, 40 [6]. 
 

                                           4. Вертикальные отстойники 
 

    Вертикальный  отстойник представляет собой круглый  в плане резервуар с коническим днищем.

    Рис.4

    Сточная вода подводится к центральной трубе  и спускается по ней вниз. При  выходе из нижней части центральной  трубы она меняет направление  движения и медленно поднимается  вверх к сливному желобу. При этом из сточной воды выпадают грубодисперсные примеси, плотность которых больше плотности сточной воды. Для лучшего распределения воды по всему сечению отстойника и предотвращения взмучивания осадка опускающейся водой центральную трубу делают с раструбом, ниже которого устанавливают отражательный щит.

    Каждая  частица нерастворенных примесей, поступившая  в отстойник, стремится двигаться  вместе со слоем воды вверх с той  же скоростью V, с какой движется вода; в то же время под действием силы тяжести она стремится вниз со скоростью и₀, зависящей от размера и формы частиц, их плотности и вязкости жидкости.

    Сточная вода содержит механические примеси  различной гидравлической крупности, поэтому при протоке ее в отстойнике с какой-либо постоянной скоростью v частицы этих примесей будут занимать самые различные положения. Одни из них (при u₀>v) быстро осаждаются на дно отстойника, другие (с u₀ = v) находятся во взвешенном состоянии, третьи (с u₀<iv) увлекаются вверх. Последние на своем пути встречают зону воды с массой взвешенных частиц, так называемый взвешенный слой. Проходя его и сталкиваясь с более крупными частицами, мельчайшие частицы укрупняются, что способствует их осаждению.

    Для бытовых сточных вод величину v принимают равной 0,7 мм/с. Продолжительность отстаивания зависит от требуемой степени осветления сточных вод и принимается в пределах от 30 мин (перед полями фильтрации) до 1,5 ч (перед аэротенками и биофильтрами).

    Уровень воды в отстойнике определяется гребнем переливного (сборного) желоба, в который поступает отстоенная вода. Отсюда она направляется на последующую очистку. Взвешенные вещества, выделившиеся из сточной воды, образуют осадок (примерно 0,8 л/сутки по расчету на одного жителя), скапливающийся в иловой части отстойника, вместимость которой рассчитывают на двухсуточный объем осадка.

    Осадок  из вертикальных отстойников удаляют  под действием гидростатического  давления через иловую трубу диаметром 200 мм, выпуск которой расположен на 1,5—2 м ниже уровня воды в отстойнике. Влажность осадка 95%.

    Вертикальные  отстойники имеют преимущества по сравнению  с горизонтальными; к числу их относятся удобство удаления осадка и меньшая площадь, занимаемая сооружением. Однако они имеют и ряд недостатков, из которых можно отметить:

      а) большую глубину, что повышает  стоимость их строительства, особенно  при наличии грунтовых вод;

      б) ограниченную пропускную способность,  так как диаметр их не превышает 9 м [7]. 

    5. Тонкослойные отстойники 

    Рис.5 Отстойник, оборудованного тонкослойными блоками, работающий по противоточной схеме удаления примесей.

    а - тяжелых примесей; б - легких примесей (масла, нефтепродукты и т. п.)  
 

    Тонкослойные  отстойники представляют собой открытые и закрытые резервуары. Как и обычные отстойники, они имеют водораспределительную, отстойную и водосборную зоны, а также зону накопления осадка. Отстойная зона полочными секциями или трубчатыми элементами делится на ряд неглубоких слоев (до 15 см). Полочные секции монтируются из плоских или волнистых пластин, удобных в эксплуатации. Трубчатые секции характеризуются большей жесткостью конструкции, обеспечивающей постоянство размеров по всей длине. Они могут работать с более высокими скоростями, чем полочные секции, но быстрее заиливаются осадками, труднее поддаются очистке и требуют повышенного расхода материалов.

    Реконструкция обычных отстойников в тонкослойные позволяет повысить их производительность в 2—4 раза.

    Для осаждения взвешенных веществ из воды в тонком слое как у нас  в стране, так и за рубежом предложено большое число тонкослойных отстойников различных конструкций.. Основные схемы взаимного движения воды и выделенного осадка следующие: перекрестная схема — когда выделенный осадок движется перпендикулярно движению рабочего потока жидкости; противоточная схема — выделенный осадок удаляется в направлении, противоположном движению рабочего потока; прямоточная схема — направление движения   осадка совпадает   с направлением водного потока.

    Наиболее  рациональной конструкцией тонкослойного отстойника следует считать отстойник с противоточной схемой движения фаз, снабженный пропорциональным распределительным устройством.

    Эти отстойники следует применять для  очистки сточных вод, содержащих в основном оседающие примеси. Благодаря  движению воды в наклонных секциях снизу вверх создаются благоприятные условия для осаждения взвешенных веществ по более короткой траектории.

    Осадок  непрерывно сползает против движения воды и осаждается в иловый приямок, из которого периодически удаляется  через иловую трубу. Всплывшие вещества собираются в пазухе между секциями и удаляются погружающимся лотком. Плавающие вещества для сокращения объема воды, удаляемой с ними, подгоняются к лотку воздушными струями. Воздух подают перфорированные трубы, расположенные по периферии отстойника.

    Гидравлический  режим работы отстойников в значительной степени влияет на эффект их работы. Чем совершеннее конструкция  отстойника, тем выше эффективность  задержания взвешенных веществ. Совершенство конструкций связано с условиями  входа воды в отстойник, т. е. со скоростью входа воды и величиной заглубления кожуха в радиальном или распределительной перегородки в горизонтальном отстойнике. Гидравлический режим работы оценивается по коэффициентам объемного использования и полезного действия отстойников.

    Коэффициент объемного использования отстойника определяется измерением скоростей  течения воды по всей глубине отстойной  зоны (в нескольких сечениях) и установлением  активной зоны, а коэффициент полезного  действия — как отношение эффекта  осветления в натурном отстойнике к эффекту осветления на модели (в покое) при равной продолжительности отстаивания [8].

Расчётная часть

   Исходные  данные:

   Определяем  скорость осаждения Wос (м/с) шарообразных частиц .

   Чтобы определить диаметр отстойника, надо вычислить необходимую площадь  осаждения, для чего предварительно находим скорость осаждения:

     Wос = [ d²(ρ-ρс)g] / 18µс

     где d – диаметр шарообразной частицы, м;

ρ - плотность частицы, кг/м³;

ρс - плотность жидкой среды, кг/м³;

µс - динамический коэффициент вязкости среды (в нашем  случае – воды) Па * с.  

      Wос = [(5*10^-6)² * (2650-1000)* 9,81]/18*1,005*10^-3 = [5² *10^-12 *1650*9,81]/18*1,005*10^-3 = [25*10^-9*16186,5]/18,09 ≈ 0,00002 м/с

Определяем  режим осаждения по значению числа Рейнольдса:

Проверим  значение критерия Рейнольдса:

      Re =[ Wос* d* ρс]/ µс

      Re = [2*10^-5*5*10^-6*10³]/1,005*10^-3 = [10*10^-5]/1,005 = 0,0009 < 0,2

Значит  режим осаждения ламинарный и  средняя скорость стесненного осаждения многих частиц (действительная скорость осаждения) :

      Wсо = 0,5*Woc = 0,5*2*10^-5 = 10^-5 м/с

 Рассчитываем площадь (поверхность) осаждения: 

Fос = 1,3*[G*(1-C_н/С_к)]/ [ ρс* Wсо]

где: 1,3 – коэффициент запаса поверхности, учитывающий неравномерность распределения исходной суспензии по всей площади осаждения, вихреобразование и другие факторы производственных условий;

G - массовый расход исходной суспензии, кг/с;

ρс - плотность осветленной жидкости, кг/м³;

Wсо - скорость осаждения частиц суспензии, м/с;

C_н,С_к – удельное содержание твердых частиц соответственно в исходной смеси и осадке, массовые доли, кг тв. частиц / кг системы.

Fос=1,3*[ 86*10³*(1-0,04/0,55)]/[3600*10³*10^-5] = 1,3*[79747,8/36] =

=2879,78 м²

Диаметр отстойника:

D = √2879,78/0,785 = 68,361 м

Расчитываем V:

V = G/ ρвх

где – массовый расход суспензии, поступающий в отстойник, кг/с;

      ρвх - плотность суспензии на входе в отстойник, кг/м³