Расчет станции улучшения качества воды

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

«Приморская  государственная  сельскохозяйственная академия»

Институт  земледелия и природообустройства  
 
 
 
 

                                                              Кафедра водоснабжения и

                                                                           водоотведения 
 
 
 

Курсовая  работа

по дисциплине «Технология улучшения качества природных вод»

«Расчет станции улучшения качества воды» 
 

Выполнил: студент з/о 
 
 
 
 

Уссурийск, 2011 

     Содержание 

1. Методы  и технологические  схемы улучшения  качества природных  вод
1. Требования к качеству воды

  Состав  и свойства воды при любом типе водоисточника должны быть безопасны  в эпидимическом отношении, безвредны  по химическому составу, иметь благоприятные органолептические свойства и обеспечена радиационная безопасность.

  Качество  воды должно постоянно контролироваться в местах водозабора, в процессе ее переработки на очистных сооружениях, перед поступлением в сеть, а также  в распределительные сети.

  Питьевая вода, подаваемая централизованными системами водоснабжения, должна удовлетворять требованиям СанПин 2.1.4.1074-01. 

2. Выбор способа и метода очистки воды

  Методы  и способы улучшения качества воды являются рядом технологических  процессов. Рекомендуется использовать реагентный способ обработки воды. Безреагентная очистка основана на естественном отстаивании, фильтровании, протекает очень медленно, требует огромных сооружений с большим объемом. 

3. Определение полной производительности станции водоподготовки

  Водоочистные станции рассчитываются на равномерную работу в течении суток, если их производительность составляет не менее 5000м³/сут. При меньшей производительности станция рассчитывается на двухсменную работу.

  Полная  производительность станции обработки  хозяйственно-питьевой воды состоит:

• из расчетного расхода для суток максимального водопотребления (полезная производительность);
• из расхода воды на собственные нужды (промывку фильтров, чистку смесителей, камер хлопьеобразования, отстойников, продувку осветителей)
• из расхода воды на пополнение противопожарного запаса.

Производительность  станции составляет: 

где - коэффициент  для станции с полной суточной производительностью более 50 тыс. м³/сут = 1,05,    менее 50 тыс. м³/сут = 1,1;

полезная  производительность станции, м³/сут;

 - расход на пополнение пожарного запаса,   м³/сут. 

где  - число одновременных пожаров;

 - норма расхода воды на один пожар, л/с;

 - расчетная длительность пожара, час;

 - время восстановления пожарного запаса, час.

  Расчетная продолжительность тушения пожара 3 часа, время восстановления 72 часа. 
 
 
 

4. Технологические схемы очистки  воды с применением  реагентов

  В водоподготовке используются различные  технологические приемы улучшения качества воды. Современные методы являются комбинацией ряда процессов: физических, химических и биологических. Технологические схе-мы выбирают в зависимости от производительности, качества воды в источнике и требований к ее качеству, а также местных условий.

  Общая схема реагентной водоподготовки такова: неочищенная вода подается в смеситель, сюда же подается раствор реагента. Смешанная вода поступает в камеру хлопьеобразования, где происходит образование взвеси. В отстойниках хлопья выпадают в осадок, а отстоенная вода для окончательного осветления подается на фильтры, затем ее обеззараживают и собирают в резервуары чистой воды.

  По  принципу перемещения масс воды в  очистных сооружениях различают напорные и самотечные системы. В практике получили распространенные схемы станции водоподготовки с самотечным движением воды.

  При подготовке воды на хозяйственно - питьевые нужды применяются реагенты, разрешенные  Главным санитарно - эпидемиологическим управлением Минздрава России. 

  2. Проектирование и расчет сооружений станции

  водоподготовки

  2.1       Коагулянты 

  Естественная  скорость осаждения коллоидных частиц в воде очень мала, поэтому требуется агломерация коллоидных примесей с образованием крупных частиц.

  Для интенсификации процессов осветления воды, уменьшения запахов и привкусов применяют коагулирование. Это процесс свертывания в хлопья и выпадение в осадок веществ, находящихся в воде в коллоидном состоянии.

  Реагент, обуславливающий процесс коагуляции, называют коагулянтом.

  В качестве коагулянта наиболее часто  применяется сернокислый алюминий, хлорное железо, железный купорос, сульфат железа.

  Для ускорения процессов реакции  и улучшения качества хлопьев  применяют флокулянты дозой от 0,5 до 2 мг/л.

  Рисунок 1.1 – Схема компоновки очистных сооружений (двухступенчатая):

1 –  реагентное хозяйство; 2 – насосная  станция первого подъема; 3 - хлораторная; 4 – смесители; 5 – камеры хлопьеобразования; 6 – горизонтальные отстойники; 7 – скорые фильтры; 8 – резервуары чистой воды (РЧВ); 9 - насосная станция второго подъема. 

  Доза  коагулянта зависит от мутности и  цветности воды, активной реакции рН, состава растворенных солей и других факторов.

  Доза  коагулянта при обработке цветных  вод определяют по формуле:

  , мг/л 

  где Ц - цветность исходной воды в градусах платиново кобальтовой шкалы.

    мг/л

  Д_к по мутности определяем по таблице.

  Д_к = 30 мг/л

  Из  двух доз принимаем максимальную, т.е.   Д_к = 30 мг/л.

  Для улучшения процесса хлопьеобразования  при недостаточной щелочности исходной воды параллельно с применением коагулянта проводят ее подщелачивание известью или содой.

  Дозу  подщелачивающего реагента определяют по формуле:

    , мг/л

  где  - эквивалентная масса активной массы  реагента для подщелачи-вания, мг (мг.экв);

  Э₂ - эквивалентная масса коагулянта (безводного) мг(мг.экв)

  Д_к - максимальная доза безводного коагулянта, мг/л;

  Щ - минимальная щелочность исходной воды, мг.-экв/л;

  1 - избыток щелочности, мг.-экв/л;

  с = 60% - содержание активного вещества в реагенте для подщелачива-ния.

  Если  доза щелочности получается со знаком минус, то природная щелочность достаточна и подщелачивание не требуется.

    мг/л 

  рН = 6,5-8,5

  следовательно,   подщелачивания не требуется.

  Фактическое содержание взвешенных веществ после  введения коагулянта увеличивается из-за содержания в коагулянте примесей песка, глины и т.п.

  М_ф = М + КД_К + 0,25Ц + В, мг/л

  где М - количество взвешенных веществ в  обрабатываемой воде, мг/л;

  К - коэффициент, для хлорного железа К = 0,8;

  Ц - цветность обрабатываемой воды;

  В - количество нерастворимых веществ, вводимых с известью, мгл.

  М_ф = 42 + 0,8 * 30 + 0,25 * 16 + 0 = 70 мг/л

  При коагулировании и подщелачивании воды новая щелочность

  , мг.экв/л

    мг.экв/л

Вывод: в качестве реагента используем серный алюминий. Подщелачивание не требуется. Новая щелочность Щ_н = 0,68   мг.экв/л. 

  2.2 Устройства для приготовления и дозирования (реагентов)

    коагулянтов 

  Для приготовления и дозирования  реагентов принимаются растворные баки, расходные, насосы - дозаторы. Баки устраивают отдельно, связывают их трубопроводами с запорной арматурой.

  При хранении коагулянта на станции в  сухом виде расчет склада ведется на 30 суток.

  Если  в баках хранилищах, т.е. мокрый способ хранения коагулянта, то число баков  применяется не менее трех, запас  коагулянта должен составлять на 15 -30 суток.

  Емкость растворных баков определяется по формуле: 

  где  - расчетный расход обрабатываемой воды, м^3//час;

  Д_к - расчетная доза реагента по безводному продукту, г/м³;

  t - время приготовления раствора реагента, час; t = 10-12 час, если малая производительность t = 12-24 час;

  С_р — концентрация раствора коагулянта в растворных баках в %, принимают до 17%;

    - плотность раствора, т/м³( 1 т/м³). 

  Число баков принимают не менее двух, тогда вместимость одного бака 

  где  - число баков. 

  По  рабочей высоте бака h над колосниковой решеткой равной 0,6 - 0,25 м определяют площадь F бака и его размеры: 
 

  При квадратной форме размеры его  сторон 
 
 

  2.3      Расчет расходных баков 

  Емкость расходных баков определяют при  концентрации рабочего раствора коагулянта С_д = 5 ... 12%, емкость должна быть не менее сменной потребности, а количество баков не менее двух. 
 
 
 
 
 
 
 
 

  2.4      Смесители 

  Для равномерного смешивания регентов в  массе обрабатываемой воды и обеспечения  протекания реакции во всем ее объеме необходимо полное и быстрое смешивание. Смешение реагентов с водой осуществляется в смесителях гидравлического и механического типа. Число смесителей не менее двух. В обход смесителей предусматривается обводной трубопровод, в нем устройство ввода реагентов. Время смешения 1-2 минуты при мокром дозировании и 3 минуты при сухом дозировании реагентов. Гидравлические сме-  сители: вертикальный, дырчатый, перегородчатый, коридорный и др.

При большой  производительности на очистных станциях применяют перегородчатые смесители, т.е. при Q = 15 000 м^3//сутки и более, в остальных случаях — вертикальные. К механическим смесителям относятся устройства, в которых турбулентность потока достигается вращением лопастей или пропеллеров мешалок электродвигателем.

  Расчет  смесителя перегородчатого  типа.

  Перегородчатый  смеситель представляет железобетонный лоток с тремя перегородками, имеющий отверстия для прохода воды. В первой и третьей перегородках проходы расположены в центре, а в средней - два боковых прохода у стенок лотка. При прохождении потока воды через проходы изменяет

  Рисунок 2.2 - Устройство для приготовления и дозирования коагулянта:

  а - схема реагентного хозяйства: 1 - растворный бак; 2 - подача воды; 3 - расходные  баки; 4 - дозирующая диафрагма на поплавке; 5 - бачок дозатор; 6 - воронка;

  б - растворный бак: 1 - корпус с антикоррозийным  покрытием; 2 - подача воды; 3 - подача воздуха;   4  - колосниковая   решётка;   5 - дырчатая   труба;   6   -   сброс   шлама;   7 - отвод   раствора. 
 

ся направление, повышается скорость, создаются завихрения, способствующие полному смешиванию воды с реагентом.

  Расчет  сводится к определению размеров лотка и уровней слоя воды перед  каждой перегородкой.

  Расход  воды на один смеситель  определяется по формуле:

  м³/час

  где  - полный расход воды на станции с  учетом собственных нужд станции,м³/час;

    - число смесителей.

  м³/час

  Задаемся  глубиной потока воды в конце смесителя (обычно Н = 0,4 - 0,6 м).  Тогда ширина лотка В  определяется при  скорости  движения  воды   - из площади сечения смесителя F_см. 

  где  

  Расстояние  между перегородками принимаются  равными двойной ширине лотка

  L=2*B = 2*2,3 = 4,6 м.

  Потеря  напора в каждом сужении прохода  Н_с при скорости движения

воды  в проемах   принимается равной 0,13 — 0,15 м.

  Высота  слоя перед каждой перегородкой определяется из выражений:

  - перед первой перегородкой (в  конце смесителя)

  Н = 0,4 - 0,6, м

  - перед второй перегородкой 
 

  - перед третьей перегородкой 
 

  - перед передней стенкой смесителя 
 

  Высота  передней (переливной) стенки смесителя 
 

  где - превышение водослива над расчетным уровнем воды (0,1 - 0,2 м). Общая высота смесителя 
 

  где  - высота строительного борта (0,3 - 0,5 м).

  , м

  , м²

    м²

    м

  м³/час

  м³/час

  Размеры суженых проходов для центральной  перегородки, где имеются два  боковых сужения:

  Ширина  прохода                        
 

Рисунок 2.3 –  Перегородчатый смеситель:

1 -  трубопровод  подачи воды на смеситель; 2 –  переливная камера; 3 - переливной  трубопровод; 4 – перегородки; 5 –  проходы для воды в перегородках; 6 – трубопровод ввода реагента 
 
 
 
 

  2.5      Расчет камеры хлопъеобразования со взвешенным слоем осадка 

  Такую камеру строят в начале коридора горизонтального  отстойника и используют для вод средней мутности и мутных. Камера представляет железобетонный резервуар с вертикальными поперечными перегородками.

  Вода  после смесителя поступает в  перфорированные распределительные трубы диаметром не менее 25 мм. Площадь отверстий 30 - 40% площади сечения всех труб. Скорость входящего потока воды следует принимать 0,65 -1,6 мм/с при осветлении средней мутности и 0,8 — 2,2 мм/с при осветлении мутных вод. При данных скоростях поддерживается слой взвешенного осадка высотой не менее 2 м, частицы которого являются центрами коагуляции. На выходе воды в отстойник устанавливается перегородка, погружена она на 1/4 высоты отстойника, чтобы плавно отклонять поток воды к низу. Скорость движения воды на выходе воды в отстойник не менее 0,03 м/с.

  Суммарная площадь камер хлопьеобразования  в плане: 

  где    V - скорость восходящего потока воды, м/с. 

  Число камер принимается по числу отстойников. Площадь одной камеры составит: 
 

  где N_p - число рабочих камер, шт. 

  Длина камеры определяется по выражению: 

  где В - ширина камеры, м (принимается равной ширине отстойника). 

  Рабочую высоту камеры принимают равной глубине  отстойника с учетом превышения уровня воды в камере хлопьеобразования. 

  где  - средняя глубина отстойника, м; h - превышение уровня воды в камере (h = 0,05 м).

  Н_к = 4,6 + 0,05 = 4,65 м

  Время пребывания воды в камере: 
 

  Расход  воды приходящийся на каждую камеру составит: 
 

  Распределение воды по площади камеры предусматривается  с помощью перфорированных труб с отверстиями. В камере расстояние между трубами 2 м, от стен камер 1 м.

  Расход  воды приходящийся на одну трубу: 
 

  Площадь отверстий d = 25 мм, в стенках перфорированных труб составляется 30 - 40 %:

  Необходимое число отверстий в каждой трубе: 

  где  - площадь одного отверстия = 0,00049 м² 

  Отверстия располагают в два ряда шагом (в шахматном порядке): 

  где L - рабочая длина распределительного трубопровода. 
 

  2.6      Расчет отстойников 

  Отстойники  предназначены для выделения из воды основной массы взвеси гравитационным осаждением частиц, имеющих плотность большую чем плотность воды. Осаждение взвеси в отстойниках происходит при непрерывном движении воды от входа в отстойник к его выходу.

  Для осаждения взвеси используют горизонтальные, вертикальные, в отдельных случаях радиальные отстойники.

  Содержание  взвешенных веществ после отстойников  должно быть не более 8-15 мг/л. 
 
 
 

  Рисунок 2.4 – Встроенная камера хлопьеобразования  со слоем взвешенного осадка:

  1 – подача  воды; 2 – трубопровод опорожнения; 3 – камера хлопьеобразования; 4 –  поперечник перегородки; 5 – водослив; 6 – полупогружная перегородка; 7 – горизонтальный отстойник; 8 –  водораспределительный трубы; 9 –  сброс осадка из  отстойника. 

  Расчет  горизонтальных отстойников 

  При расходах воды более 30000 м³/сут с исходной мутностью до 1500 мг/л и цветностью 120°, применяют горизонтальные отстойники. Площадь отстойника в плане: 

  где  - коэффициент объемного использования  отстойников, принимаемый равным 1,3;

  U₀ - скорость выпадения взвеси, мм/с (принимается по таблице 2.3) 

  U₀ = 5 мм/с (по СНиП 2.04.02 - 84, табл. 18)

  Расчетная ширина отстойника:

  В = 6м.

  Расчетная длина отстойника:

    , м

    м

  Рабочая глубина отстойника: 

  где h_oc - высота зоны накопления и уплотнения осадка, м 
 

  С учетом высоты строительного борта  полная высота отстойника составит: 

  где  - высота строительного борта, м (0,5 м) 

  При принятой высоте в зоне накопления и уплотнения осадка объем осадочной  части составит: 

  где 0,7 - коэффициент, учитывающий снижение объема зоны накопления и уплотнения осадка в следствии призматичности днища;

  F₁ - площадь одного отстойника в плане. 
 
 
 

  2.7     Расчет скорого открытого фильтра 

  Фильтры предназначены для осветления воды, они способны задержать практически все мельчайшие взвеси.

  Важнейшей характеристикой работы фильтров является скорость, в зависимости от которой подразделяют на медленные (0,1 - 0,3 м/ч), скорые (5 -12 м/ч), сверхскорые (36-100 м/ч).

  Фильтры можно классифицировать: по числу  фильтрующих слоев - однослойные, двухслойные; по давлению - напорные, безнапорные. Скорые безнапорные фильтры применяются в двухступенчатых схемах очистки воды с предварительным осветлением в отстойниках, осветлителях с реагентной обработкой для получения воды питьевого качества.

  Сущность  процесса - вода фильтруется через  фильтрующий материал, при этом происходит отложение частиц, фиксация и отрыв. Фильтрование является заключительным этапом обработки воды.

  Скорый  безнапорный фильтр - это прямоугольный  железобетонный резервуар, который загружен кварцевым песком, уложенным на гравийный поддерживающий слой. Осветляемая вода подается на фильтр, проходит все слои фильтрующей загрузки, в которой задерживаются взвешенные частицы и собирается дренажной системой. Дренаж выполняют из перфорированных труб. Из дренажа по трубопроводу чистая вода отводится в резервуар чистой воды. По мере работы фильтра, взвеси накапливаются и фильтр выходит из