Очистка сточных вод

Введение

Основные загрязнения  сточных вод - физиологические выделения  человека и животных, отходы и отбросы, получающиеся при мытье продуктов питания, посуды, помещений, стирке белья, а также образующиеся в технологических процессах на промышленных предприятиях. Бытовые и многие производственные воды содержат значительное количество органических веществ, которые могут загнивать, что очень опасно для людей, животных и рыб. Для поддержания санитарного благополучия необходимо удалять сточные воды с территории населенных пунктов, чтобы не загрязнять окружающую местность и водоемы.

Канализация предназначается  для приема, отведения и очистки  сточных вод от производственных корпусов, установок и сооружений промышленных предприятий, жилых, коммунальных и общественных зданий, сооружений сельскохозяйственных комплексов, а также с территории, занимаемой перечисленными объектами.

Канализация представляет собой комплекс инженерных сооружений, который включает канализационные трубопроводы (самотечные и напорные), насосные станции, узлы локальной и внеплощадочной очистки сточных вод и обработки канализационных осадков, вспомогательные, подсобные здания и сооружения.

Под очисткой сточных вод  подразумевается их обработка различными методами с целью разрушения или извлечения содержащихся в них минеральных и органических веществ до степени, позволяющей сбрасывать эти воды в водоемы и водотоки или повторно использовать их для производственных и других целей. К очистке воды относятся также ее обезвреживание и обеззараживание, удаление вредных для человека, животных или растений веществ и устранение из воды болезнетворных микроорганизмов и вирусов.

Для очистки сточных  вод предусматривается комплекс отдельных сооружений, в которых по ходу движения сточная вода постепенно очищается сначала от крупных, а затем от все более мелких загрязнений, находящихся в нерастворенном состоянии.

1. Определение  средней концентрации загрязнений  и приведенного числа жителей

Расход сточных  вод от населения города (бытовых) Q^х-б, м^з/cyт, принимаем в зависимости от числа жителей N_p и нормы водоотведения q_н , л/сут, на одного человека:

Q^х-б =(N_p*q_н)/1000;

 Q^х-б =(140000*250)/1000=35000 м³/сут.

Общий расход стоков складывается из суммы бытовых  стоков города и расходов отдельных предприятий города åQ^пр, м^з/cyт:

Q_общ= Q^х-б +åQ^пр;

Q_общ =35000+4500=39500 м^з/cyт .

Секундный расход соответственно составит, м³/с:

qс= Q_общ /86400;

qc= 39500/86400=0,46 м^с.

Концентрацию  загрязнений бытовых сточных  вод определяем по взвесям К^х-б_вв и БПК₂₀, К^х-б_БПК20 в зависимости от концентраций загрязняющих веществ, г/сут, на одного жителя по [1, табл. 25] соответственно по взвесям a_вв.  и БПК₂₀ осветленной жидкости a_БПК20 , мг/л:

К^х-б_вв =a_вв.  *1000/ q_н,

К^х-б_вв =65*1000/250 = 260мг/л;

К^х-б_БПК20 =a_вв.  *1000/ q_н,

К^х-б_БПК20 = 40*1000/250 = 160мг/л.

Средние концентрации общего стока будут равны соответственно по взвесям С_en и БПК₂₀,L_en, мг/л:

С_en = К^х-б_вв * Q^х-б +S К^пр_вв * Q^пр / Q_общ,

С_en = 260*35000 + 650*4500/39500 = 304,43мг/л;

L_en= К^х-б_БПК20 * Q^х-б +S К^пр_БПК20 * Q^пр / Q_общ ,

L_en= 160*35000 + 350*4500/39500 = 215,82мг/л;

где  S К^пр_вв * Q^пр  и S К^пр_БПК20 * Q^пр- сумма произведений концентраций загрязнений от дельных предприятий и их расходов, м³/сут.

          Средние температуры: среднелетнюю t^см_{ср.летн}, среднезимнюю t^см_{ср.зимн}, среднегодовую t^см_{ср. год} , ⁰С, определяем по формулам:

t^см_{ср. летн}= t^х-б _летн* Q^х-б +St^пр_летн *Q^пр/ Q_общ,

где t^х-б _летн,t^пр_летн - температуры среднелетние бытовых и производственных стоков.

t^см_{ср. зимн}= t^х-б _зимн* Q^х-б +St^пр_зимн *Q^пр/ Q_общ,

где t^х-б _зимн, t^пр_зимн - температуры среднезимние бытовых и производственных стоков.

t^см_{ср. год}= t^х-б _год* Q^х-б +St^пр_год *Q^пр/ Q_общ,

где t^х-б _год,t^пр_год- температуры среднегодовые бытовых и производственных стоков.

 t^см_{ср. летн} = 25*35000 + 23*4500/39500 = 24,77⁰С;

t^см_{ср. зимн}= 15*35000 + 15*4500/39500 = 15⁰С;

t^см_{ср. год}= 15*35000 + 18*4500/39500 = 15,34⁰С;

Приведенное число  жителей складывается из суммы Np и фиктивного Nф числа жителей и определяется по взвесям и БПК₂₀, чел.:

N^вв_прив=N_р+N^вв_ф=Nр+SК^пр_вв*Q^пр/a_вв,

N^вв_прив= 140000 + 650*4500/65*1000 = 140045чел;

N^БПК20_прив=N_р+N^БПК20_ф=Nр+SК^пр_БПК20*Q^пр/a_БПК20,

N^БПК20_прив= 140000 + 650*4500/40*1000 = 140073,13чел.

2. Выбор  места расположения очистных  сооружений

Площадку очистных сооружений располагаем вблизи канализуемого объекта с учетом санитарно-защитной зоны, принимаемой согласно [1, табл. 1] 400 м и водоохранной береговой зоны реки (в проекте принимаем 100 м- для малых и средних рек).

По отношению  к канализуемому объекту площадку станции очистки размещаем вниз по течению реки, а также вниз по направлению господствующих в летнее время ветров.

Выбор площадки и компоновку отдельных сооружений очистной станции  производим согласно [1, п.п. 1.17... 1.18 и п. п. 7.11... 7.22].

Очистные сооружения размещаем в направлении уклона, обеспечивающего самотечное движение воды по возможности без выемок и насыпей, и получению наименьшей длины лотков между сооружениями, однако, с учетом возможности использования транспортных средств и других механизмов. Размещая сооружения вдоль уклона, целесообразно по одной стороне проложить дорогу, обеспечивающую подъезды к сооружениям, а другую сторону стремиться оставить свободной для будущего расширения станции в случае увеличения производительности, а также строительства по очередям. Территория станции должна быть ограждена, освещена, благоустроена.

Вдоль низовой  стороны основных очистных сооружений по очистке воды размещаем сооружения по обработке осадков и вспомогательные сооружения, связанные с обработкой осадков, а также общеэксплуатационные службы станции: административные, бытовые здания, лаборатории, мастерские, гаражи, склады.

3. Определение  коэффициента смешения

Коэффициент смешения определяем по методу В.А. Фролова и И.Д- Родзиллера:

g = 1-е ^{-α    L} / 1+(Q_95% /q_c)* е ^{-α    L}

где е-основание натурального логарифма, равное 2,72;

      Q_95%-расход воды в реке 95% обеспеченности, м³/с;

      a-коэффициент,

a=j*z*³√Е/q_с = 1,12*1,5*  0,007/0,46 = 0,42

где j-коэффициент извилистости реки, равный отношению расстояния от места выпуска до расчетного створа по фарватеру L_ф к этому же расстоянию по прямой L_пр, т.е.                      j=L_ф/L_пр= 2,8/2,5= 1,12 км,

        z-коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод в водоем (z=1,5-при выпуске в фарватер реки);

Е=(Vср*Нср)/200 = 0,6*2,2/200 = 0,007,

где V_ср-средняя скорость течения реки,м/с;

      Н_ср-средняя глубина реки, м;

L=Lф-1000 м,

L= 2800 – 1000 = 1800м.

g = 1-2,72^{-0,42   1800}/ 1+(0,002/0,46)*2,72 ^{-0,42   1800} = 0,99

4. Определение требуемой степени очистки

4.l. Определение степени очистки по показателю вредности - взвешенным веществам

Предельно допускаемое  содержание взвесей в сточных  водах, спускаемых в водоем С_ех, мг/л, определяем по формуле:

С_ех=(g*Q_95%/q_c+1)*К_доп+К_р,

где Кдоп - допустимое увеличение концентрации взвешенных веществ в воде водоема, мг/л (0,75 - для водоемов второго санитарно-бытового назначения);                       

      Кр - концентрация взвесей в воде водоема, мг/л.       

С_ех= (0,99*0,0002/0,46 + 10*0,75 + 8 = 8,75мг/л.

Так как С_en > С_ех, то на очистных сооружениях должна быть обеспечена очистка этой воды до концентрации равной или менее С_ех. Эффект очистки по взвешенным веществам составит:

Э^вв _%=(С_еn- С_ех)/С_еn*100%,

Э^вв _%=  (304,43 – 8,75)/304,43*100 = 97,13%.

4.2. Определение  степени очистки сточных вод  по показателю вредности - БПК₂₀ (полное)

Концентрацию  загрязнений по БПК в сточных  водах L_ех, разрешаемую к сбросу в водоем, определяем по формуле, мг/л:

L_ех= (g*Q_95%/q_c *10 ^{- Кст – t} )*( Кпр. Доп - L_р* 10 ^{- Кст – t} ) +( Кпр. Доп / 10 ^{- Кст – t} )

где К_{пр. доп}. - предельно допустимая для данной категории водоема концентрация   загрязнений по БПК₂₀ после смешения сточной воды с водой водоема, мг/л (для второго санитарно-бытового - 6);

       L_р-концентрация загрязнений по БПК₂₀ в воде водоёма до спуска сточных вод, мг/л;

        Кст, Кр-константы потребления  кислорода сточной и речной  водой, принимаемые в зависимости  от температуры воды (в проекте  принимаем их равными 0,1);

        t-время перемещения воды от места выпуска до расчетного створа, сут, определяемое по формуле:

t=(Lф-1000)/(Vср*86400),

t= (2800-1000)/(0,6*86400) = 0,035сут;

L_ех= (0.99*0.0002/0.46*10 ^{– 0.1*0.035} )*(6 – 4.3*10 ^{– 0.1*0.035}) + (6/10 ^{– 0.1*0.035}) = 6.06 мг/л

Так как L_ех < L_еn, то биологическая очистка обязательна.

Э^БПК20 _%=(L_еn- L_ех)/L_еn*100%,

Э^БПК20 _%= (215,82 – 6,06)/215,82*100 = 97,19%.

4.3. Определение  степени очистки по растворенному  кислороду без учета реаэрации

Расчет по этому  показателю ведем по формуле, мг/л:

L⁰_еn=[2.5*(g* Q_95% )/ q_с *(О_р-0,4L_р-s)-10],

где Ор - содержание кислорода в воде водоема до спуска сточных вод, мг/л;

       a - минимальное содержание кислорода в воде водоема (для рыбохозяйственных водоемов равно 6 мг/л, для других видов - 4мг/л).   

 L⁰_еn= [ 2,5*(1,006*0,0002/0,46)*(7,5-0,4*4,3-4)-10] = -9,99мг/л.

Так как L_ех < L_еn, то биологическая очистка обязательна. Так как по расчету Len - отрицательна, то требуется полная биологическая очистка сточных вод, спускаемых в водоем с последующей их доочисткой. Эффект очистки по растворенному кислороду равен:

Э^БПК20 _%=(L_еn- L_ех)/L_еn*100%,

Э^БПК20 _%= (215,82 -9,99)/215,82*100 = 95,37%.

5. Выбор  метода очистки

Выбираем метод  очистки, учитывая необходимую степень  очистки, характер загрязнений сточных вод и местные условия.

При выборе состава очистных сооружений для осуществления метода, используем нормативы и данные практики по количеству извлекаемых из сточных вод загрязнений.

На основании  вычисленной необходимой степени  очистки:

С_ех =8,75 мг/л (по взвешенным веществам) и L_ех =6,06 мг/л (по БПК₂₀) по данным [4, табл. 4] выбираем следующую схему очистки городских сточных вод: механическая + полная биологическая в аэрофильтрах с вторичными отстойниками + фильтрация на одно- или многоступенчатых фильтрах.

По [4, табл. З], учитывая БПК₂₀, Len=215,82 мг/л, выбираем тип сооружения биологической очистки: аэрофильтры.

По [4, табл. 5], учитывая диапазон применения, выбираем следующие сооружения механической очистки: решетки, песколовки аэрируемые, горизонтальный отстойник.

Выбор метода и  схемы обработки осадков сточных  вод зависит от многих факторов (влажности, вязкости, удельного сопротивления, пластичности, форм связи воды, объема и вида осадков), принимается в соответствии с [2, глава 14], [3, глава 12], [8, с. 314...360].

         На рис. 1 приводим технологическую  схему очистной станции с биологической  очисткой на аэрофильтрах.

Рис. 1. Технологическая  схема очистной станции с биологической  очисткой на аэро фильтрах

6. Расчет  главной насосной станции

Расчет насосной станции производим в соответствии с [1, п. п. 5.1-5.26] на максимальный часовой приток q_w по графику притока сточных вод по часам суток согласно [4, табл. 6].

                           Таблица 1

Расход по часам  суток бытовых стоков Q^х-б в процентах определяем согласно

[5, прил. 1], а  производственных - в соответствии  с [4, табл. 7].

         Принимаем два напорных трубопровода насосной станции. Диаметры напорных трубопроводов определяем из условия обеспечения при аварии на одном из них, пропуска 100 % расчетной производительности. По расчетному расходу 457,18 л/с и скорости в напорном трубопроводе (от 1,0 до 2,5 м/с) согласно [6]  выбираем стальные трубы диаметром 600 мм, скоростью 2,17 м/с и определяем сопротивление напорного водовода h_нв, м при аварийном режиме работы.

        Так как длина напорных линий  составляет 1 км, то на водоводах  не устанавливаем камеры переключения. При этом потери напора h_нв определяем по формуле:                      

h_нв=(1,1-1,2)*J₁*L,

где L - длина напорного водовода, м;

      1,1- коэффициент, учитывающий местные  сопротивления, по [1].

      J₁ - сопротивление водовода (гидравлический уклон) на участке водоводов при одновременной их работе, принимаем по (6].

h_нв=  1,1*0,009*1000 = 9,9м.

Для определения  длины напорного водовода, потребного напора насосов Н_потр. предварительно строим ситуационный план очистной станции, схему и профиль напорных водоводов (рис. 2, 3).

Определив длину  водовода 1000 м, согласно схеме ситуационного  плана очистных сооружений путем простого измерения, вычисляем потребный напор Н_потр, м, по формуле:

Н_потр=Z₂-Z₁+ h_нв+ h_изл+h_нс,

где Z₂= Z_гвв- Z_изл+ h_ос+ h_к;

      Z_гвв - отметка горизонта высоких вод в водоеме, м;

      Z_изл - свободный напор на излив на выпуске в водоем, равный 1 ...1,5 м;

      h_к - потери напора в коммуникациях очистной станции, принимаем 3...3.5 м;

      Z₁ - отметка среднего уровня воды в приемном резервуаре насосной станции, принимаем на 1 м ниже отметки z_k (обычно принимается по расчету водоотводящей сети), м;

       z_k - отметка подводящего коллектора к главной насосной станции (в проекте принимаем на 5,5 или 7,0 м ниже отметки земли, где находится насосная станция), м;

      h_изл - свободный излив в приемную камеру ПК очистной станции, равный 1м;

      h_нс - потери напора внутри насосной станции, принимаем равными 3 м;

      h_oc - сумма потерь напора в сооружениях очистной станции, принимаем, учитывая выбранный состав сооружений по очистке сточных вод и в соответствии с [4, раздел 10.

Z₂= 199,5 + 1 + 3,9 + 3,5 = 207,9 м;

Н_потр= 207,9 – 194 – 9,9 – 1 + 3 = 27,8 м.

По расчетному расходу сточных вод 2328,75 м³/ч и потребному напору 27,8 м по сводному графику полей насосов [10] принимаем марку необходимых насосов - СД-СДВ 2400/75. Принимаем два рабочих насоса и один резервный.

Рис. 3. Схема  и профиль напорных водоводов

         Расчет всех сооружений, входящих в состав очистной станции, ведем в соответствии с [1] на максимальный часовой приток q_max.ч=q_w=2328,75 м³/ч сточных вод по часам суток согласно графику притока на главную насосную станцию. Прежде рассчитываем сооружения для очистки сточных вод (от приемной камеры до выпуска очищенного стока в водоем), а затем проектируем сооружения для обработки осадков сточных вод.

7.1. Сооружения  механической очистки

7.1.1 Приемная  камера

Служит для  приема сточных вод из напорных трубопроводов  главной насосной станции. Размеры  приемной камеры зависят от пропускной способности очистных сооружений, от количества напорных водоводов, условия обеспечения самотечного движения стоков по отдельным сооружениям станции очистки, принимаем их согласно [3, табл. 13.5] и указаниям [2].

7.1.2. Решетки

        Расчет решеток ведем в соответствии с [1, п. п. 6.16...6.25]. Для улавливания из сточных вод крупных нерастворенных загрязнений в данном курсовом проекте устанавливаем решетки типа РД (решетки – дробилки)) с механической очисткой и со стержнями толщиной 6 мм, прозорами 16 мм; с канатным тяговым элементом граблины с прозорами 6 мм.

       Для устройства решеток применяем  стержни прямоугольной формы,  обеспечивающей лучшее задержание и удаление отбросов. Толщина стержней S=6 мм, ширина прозоров между стержнями b =16мм.

Размер решеток  определяем из условия обеспечения  в прозорах решеток оптимальной скорости V_p= 1,2  м/с при максимальном расходе сточных вод.

Площадь живого сечения одной решетки w, м², при скорости движения в прозорах стержней V_p, м/с, и количестве рабочих решеток n = 1составит:

w= q_w/Vp*n;

w=0,46/1,2*1=0,38 м².

         По полученной площади живого  сечения одной решетки выбираем  решетки типа РМУ-1 с площадью живого сечения w=0,48 м² согласно (5,прил.4].

При ширине прозоров b =0,016 м и глубине воды перед решеткой h=0,9 м число прозоров m, шт., будет равно:

m=(k*w)/(b*h),

где k - коэффициент, учитывающий стеснение потока граблями и загрязнениями, равный 1,03.

m =(1,03*0,38)/(0,016*0,9)=23шт.

Ширина камеры решетки В_р, м, при толщине стержней S=6 мм составит:

B_p=b*m+S*(m-1);

В_р=0,016*27+0,006*(27-1)=0,588 м.

 Потери напора  в решетке h_p, м, равны:

h_р=[b*(S/b)^4/3*sina *V_р* k ₃]/2*9.81,

где а - угол наклона  решетки к горизонту;

      k_з - коэффициент, учитывающий засорение решетки, равный 3;

     b- коэффициент, учитывающий форму стержней решетки, равный для прямоугольных стержней 2,42.

h_р= [ 2,42*(6/16)^4/3*sin 60*1.2*3]/2*9.81 = 0.1м.

Учитывая количество рабочих решеток, равное одной, принимаем  одну резервную решетку.                                           

Объем отбросов за сутки при их влажности Р_отб=80%, зольности 7-8 %, плотности у равной 750 кг/м³ [1]; удельном количестве отбросов, задерживаемых на решетках при ширине прозоров b=16 мм равном 8 л/год на 1 человека; при приведенном числе жителей N_прив^вв, чел., будет равен:

W_отб=(8* N_прив^вв )/1000*365,

W_отб = (8*140045)/1000*365 = 3,1м³/сут

Вес отбросов G, кг/сут, определяем по формуле:

G=0,75* W_отб,

G =0,750*3,1 = 2,33 кг/сут.

          Для измельчения отбросов в  здании решеток устанавливаем  дробилки молоткового типа Д-3 производительностью 0,3 т/ч с мощностью электродвигателя 20 кВт, согласно [4, разд. 8].

Решетки устанавливаем  в отапливаемом здании, уровень пола которого расположен над уровнем воды в решетке выше на 0,5 м. Размеры здания решеток ориентировочно принимаем: 6х18х5,4 м no [4].

Дробленые отбросы  возвращаются в поток воды перед решеткой или транспортируются в метантенки для сбраживания.

7.1.З.  Песколовки

Так как расход сточных вод превышает 100 м³/сут, то для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей непосредственно после решеток устанавливаем песколовки. Принимаем две аэрируемые песколовки . По [8, табл. 11.3] выбираем основные показатели  аэрируемых песколовок :

основные размеры, м:

- число отделений  = 2;

- ширина отделения  В = 3м;

- глубина h = 2,1м

- длина L = 12м;

- отношение B/h = 1,34;

Количество  песка, задерживаемого на очистных станциях W_n, м³/сут, при норме 0,02 л/чел, сут принимаем равным:

W_п=N_прив^вв*0,02/1000,

W_n= 140045*0,03/1000=4,2 м³/сут.

Объем пескового  приямка песколовки W_np, м³, принимаем в зависимости от количества суток, t между двумя чистками (равно 2 суток):

W_пр=W_п*2,

W_np=4,2*2=8,4 м³.

Влажность задерживаемого песка составляет 60 %, а объемный вес 1,5 т/м согласно [1].

Откачку осадка из песковых бункеров производим гидроэлеваторами или эрлифтами. Выгрузку производим 1 раз в смену (через 7-8 часов).

7.1.4. Песковые площадки и бункера

Для обезвоживания  песка, поступающего из песколовок, применяем песковые площадки и бункера.

Песковые площадки проектируем согласно [1, п. п. 6.33], исходя из годового количества песка W_r, м³, и годовой нагрузки на песковые площадки q_н, м³/м², в год, равной 3. Принимаем две песковые площадки.

Площадь песковых площадок определяем по формуле:

F_nn=W_r/q_н=365*W_п*1,25/q_н,

F_nn=365*4,2*1,25/3=638,75 м².

Площадь одной  песковой площадки будет равна:

F_пп= F_пп / 2,

F_пп = 638,75/2=319,38 м².

Вода с площадок удаляется через камеры с водосливами  и перекачивается в канал перед песколовками или направляется в резервуар местной насосной станции с последующей перекачкой их на очистные сооружения. Песок используется в строительстве.

7.1.5. Измерительные устройства

Для контроля за работой очистной станции возникает  необходимость измерить расход сточных вод. Для этой цели используем лотки Паршаля (применяются при производительности от 2700 до 280000 м³/сут) согласно [4].

7.1.6. Преаэраторы

Так как исходная концентрация взвешенных веществ, поступающих на отстаивание, составляет 304,43 мг/л, то необходимо применение преаэратора. Он предназначен для предварительной аэрации сточной воды с целью повысить эффективность осветления при отстаивании в первичных отстойниках и избежать повышенного прироста избыточного активного ила. Эффективность задержания загрязнений в отстойниках с преаэраторами увеличивается на 10-15 % - как по взвешенным веществам, так и по БПК.

 Принимаем  два преаэратора.

Количество ила, подаваемого  на преаэрацию, следует принимать 50-100 % от избыточного, биопленки (после аэрофильтров) -100%.