Расчет водоснабжения предприятия

ВВЕДЕНИЕ

Цель курсовой работы – углубление и закрепление теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины « Техника и технология отраслей городского хозяйства», развитие практических навыков технических расчётов и умения анализировать технологии и компоновку технологического оборудования систем водоснабжения.

          Водоснабжение – это обеспечение водопотребителей водой в необходимом количестве, требуемого качества и под требуемым напором. К основным задачам водоснабжения можно отнести:

      удовлетворение хозяйственно-питьевых нужд;

      удовлетворение технологических нужд предприятий;

      удовлетворение нужд пожаротушения;

      обеспечение водой всех видов производств;

        Таким образом, вода является необходимым условием жизнедеятельности, а значит, отрасль водоснабжения занимает одно из первых мест в системе городского хозяйства. Предприятия водопроводно-канализационного хозяйства обеспечивают город питьевой водой, занимаются приёмом и отведением сточных вод, эксплуатацией системы и сооружений водопровода и канализации.

Исходные данные:

Население N = 105 тыс. чел.

Мутность М =450 мг/л

Цветность Ц =50 град

Zн =40м

Zб =52м

Zа =40м

Примем  вертикальные (вихревые) смесители в виде цилиндрического(или квадратного) резервуара  с конической ( или пирамидальной формы) нижней частью при угле наклона 30 – 45 ˚. Вниз конуса подводят обрабатываемую воду  со скоростью 1,2 -1,5 м/с и туда же, только с противоположной стороны, через специальные патрубки вводят раствор реагентов. Восходящая скорость движения воды в цилиндрической части смесителя высотой 1,0 -1,5 м  должна быть 30-40 мм/с, благодаря чему частицы реагента находятся во взвешенном состоянии. Отвод воды из смесителя осуществляется периферийным лотком со скоростью 0,6 м/с, дырчатыми трубами с затопленными отверстиями или центрально расположенной затопленной воронкой(рис. 4)

          Из смесителя вода подаётся в осветлитель со взвешенным осадком (рис. 5). Обрабатываемая вода, смешанная с реагентами, вводится в осветлитель снизу и равномерно распределяется по площади рабочего коридора. Далее вода движется снизу вверх и проходит через слой ранее сформированного взвешенного осадка, состоящего из массы взвешенных в восходящем потоке хлопьев, которые непрерывно хаотически движутся, но весь слой в целом неподвижен. Проходя через слой взвешенного осадка, вода осветляется в результате контактной коагуляции.

          При пропуске воды через взвешенный слой извлекаемые из неё примеси остаются  в нём, при этом объём слоя не увеличивается, так как предусматривается непрерывное удаление избыточного  осадка из взвешенного слоя в осадкоуплотнитель, где он уплотняется и сбрасывается в водосток. Осветленная вода, прошедшая через слой взвешенного осадка, собирается с помощью сборных желобов или труб и отводится для дальнейшей обработки на фильтры.

          Фильтрование  применяют для осветления воды, т.е. для  задержания  находящихся в воде взвешенных веществ. Фильтрующий материал должен представлять собой пористую среду с весьма малыми порами (примем песок) Выбираем скорые фильтры, скорость их фильтрования от 5,5 до 15 м/ч в зависимости от крупности загрузки. Используем обычные самотечные скорые фильтры в виде прямоугольных в плане железобетонных резервуаров.

На рис. 6 показаны схематически устройство и принцип работы скорого фильтра. Вода поступает на фильтр через карман 3 и желоба 2, проходит через слои песка 1 и гравия 4 и отводится с помощью дренажных устройств 5, расположенных в нижней части фильтра. При промывке фильтр выключается из работы, промывная вода подаётся снизу через дренажные устройства и проходит слои гравия и песка в обратном направлении. Промывная вода отводится через желоба 2. промывка длится 5 – 7 мин.

          Озон для обеззараживания воды получают в озонаторах непосредственно на водоочистной станции. Воздух, поступающий в озонатор, предварительно очищают от пыли, влаги и охлаждают. Озон подают в воду или с помощью эжекторов (эмульсаторов) или через сеть распределительных каналов, укладываемых по дну контактных резервуаров. Продолжительность контакта должна быть около 10 мин. Вода, подаваемая в сеть, не должна содержать озона (опасность коррозии труб и оборудования). В связи с этим воду, обработанную озоном, выдерживают в резервуарах до завершения расходования озона. 

          Из резервуара очищенная вода забирается насосами станции ІІ подъёма и подаётся по водоводам в водопроводную сеть на территорию объекта снабжения.

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Нормы и режимы водопотребления

Расчетные расходы воды определяют с учётом числа жителей населённого места и норм водопотребления.

Нормой хозяйственно-питьевого водопотребления в населённых местах  называют количество воды в литрах, потребляемой в сутки одним жителем на хозяйственно-питьевые нужды. Норма водопотребления зависит от степени благоустройства зданий и климатических условий (табл. 1).

Таблица 1

Нормы водопотребления

Меньшие значения относятся к районам с холодным климатом, а большие к районам с тёплым климатом.

В течение года и в течение суток вода для хозяйственно-питьевых целей расходуется неравномерно (летом расходуется больше, чем зимой; в дневные часы – больше, чем в ночные).

Расчетный (средний за год) суточный расход воды на хозяйственно-питьевые нужды в населённом пункте определяют по формуле

Qсут.m = qж Nж / 1000, м3/сут

Qсут.m = 350 * 105000 / 1000 = 36750 м³/сут

где qж – удельное водопотребление (табл. 1); Nж – расчётное число жителей.

Расчётные расходы воды в сутки наибольшего и наименьшего водопотребления, м3/сут,

Qсут.max = Ксут. max * Qсут.m

Qсут. min = Ксут. min * Qсут.m

Коэффициент суточной неравномерности водопотребления Ксут следует принимать равным

Ксут. max = 1,1-1,3;

Ксут. min = 0,7-0,9.

Большие значения Ксут.max принимают для городов с малым населением, меньшие – для городов с большим населением. Для Ксут. min – наоборот.

Qсут.max = 1,1*36750 = 40425 м³/сут

Qсут. min = 0,9*36750 = 33075 м³/сут

Расчетные часовые расходы воды, м3/ч,

qч max = Kч max * Qсут.max / 24; (3)

qч min = Kч min * Qсут. min / 24.

Коэффициент часовой неравномерности водопотребления определяют из выражений

Kч max = αmax * βmax

Kч min = αmin * βmin

где α – коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий: αmax = 1,2-1,4; αmin = 0,4-0,6 (меньшие значения для αmax и большие для αmin принимают  для более высокой степени благоустройства зданий); β – коэффициент, учитывающий число жителей в населенном пункте (βmax = 1,1; βmin = 0,7)

Kч max = 1,2 * 1,1 = 1,32

Kч min = 0,6 * 0,7 = 0,42

qч max = 1,32 * 40425 / 24 = 2223,4 м³/ч

qч min = 0,42 * 33075 / 24 = 578,8 м³/ч

Расходы воды на пожаротушение.

Расходование воды для тушения пожаров производится эпизодически – во время пожаров. Расход воды на наружное пожаротушение (на один пожар) и количество одновременных пожаров в населенном пункте принимают по табл. 3

Таблица 3

Расход воды на наружное пожаротушение

Одновременно рассчитывают расход воды на внутреннее пожаротушение из расчёта две струи по 2,5 л/с на один расчётный пожар.

Расчетную продолжительность тушения пожара принимают равной 3 часам.

Тогда запас воды на пожаротушение

Wп = nп (qп + 2,5 * 2) * 3 * 3600 / 1000, м³

где nп – расчетное число пожаров, в данном случае равное 3, qп – норма расхода воды на один расчетный пожар, равная 40 л/с;

Wп = 3 * (40 + 2,5 * 2) * 3 * 3600 / 1000 = 1458 м³

Часовой расход на пожаротушение

Qп.ч = Wп / 3 = 1458 / 3 = 486 м³

По рассчитанному коэффициенту часовой неравномерности Kч max = 1,32 задаётся вероятный график распределения суточных расходов по часам суток.

По данным таблицы распределения суточных хозяйственно-питьевых расходов по часам суток при разных коэффициентах часовой неравномерности для населённых пунктов, % от суточного расхода строим график суточного водопотребления и совмещаем с этим графиком графики подачи воды насосами І и ІІ подъёма (рис. 1).

                Рис.1. Совмещённый график водопотребления и подачи воды:

                            1-водопотребление

                            2-подача воды насосной станцией І подъёма

                            3-подача воды насосной станцией ІІ подъёма

2.2 Определение объёма баков водонапорных башен и резервуаров чистой воды

Вместимость бака  водонапорной башни может быть определена  с помощью совмещенных графиков водопотребления и работы насосной станции ІІ подъёма. Результаты вычислений помещены в табл. 4, где отражена регулирующая роль бака водонапорной башни.

Таблица 4

Расчёт регулирующей ёмкости бака водонапорной башни, % суточного расхода

Регулирующая ёмкость бака водонапорной башни – разность между максимальным и минимальным остатками воды в баке. Из табл. 4 следует:

2,4 - 0,0 = 2,4% суточного потребления:

Wр = Qсут.max * 2,4 / 100 = 40425 * 2,4 / 100 = 970,2 м³

Ёмкость баков водонапорных башен определяют из условия неблагоприятной работы всей системы, т.е. исходя из предположения, что пожары происходят в часы наибольшего водопотребления и что в это время расходование воды для собственных целей очистной станции (промывка фильтров) не прекращается.

Ёмкость баков водонапорных башен определяется как сумма регулирующей ёмкости и объёма воды, необходимой для тушения в течение 10 мин. одного внутреннего и одного наружного пожара:

Wб = Wр + (qп + 2 * 2,5) * 10 * 60 / 1000

Wб = 970,2 + ( 40 + 2 * 2,5) * 60 *10 / 1000 = 997,2 м³

Принимаем две водонапорные башни.

Ёмкость одного регулирующего бака составит:

Wбо = 498,6 м3

Геометрические размеры бака определяют из рекомендуемого соотношения высоты и диаметра бака: Но = 0,7 Дб. Тогда:

Wбо = (π Дб² / 4) * Но = (π Дб² / 4) * 0,7 Дб;

Wбо = 0,55 Дб³;

Дб = (Wбо / 0,55) 1/3 = (498,6 / 0,55) 1/3 = 9,7 м

Диаметр бака одной башни Дб = 9,7 м

Высота бака  Но  = 0,7 * 9,7 = 6,8 м

Ёмкость резервуаров чистой воды на станции очистки

Wрез = Wр + Wп + Wф + 3 q ч max – 3 * 4,17 / 100 * Qсут.max,

где Wф – объём воды, необходимый для собственных нужд очистной станции (на промывку фильтров) в течение 3 часов:

Wф = 3 (0,05-0,08) Qсут.max / 24

Wрез = 970,2 + 1458 + 3 * 0,05 * 40425 / 24 + 3 * 2223,4 – 3 * 4,17 / 100 * 40425 = 4294 м³

С другой стороны, ёмкость резервуаров чистой воды определяется соотношением режимов работы насосных станций  І и ІІ подъёма (рис. 1). Накопление чистой воды в  резервуарах происходит в период с 22.00 до 6.00. За это время (8 часов) насосы 1го подъема подадут необходимый объём воды, равный

0,0417 * 8 * 40425 = 13485,78 м3

Насосы 2-го подъема попадут из резервуаров в сеть объем воды, равный

0,035 * 40425 * 8 = 11319 м3

Необходимый объем резервуаров чистой воды

Wрез = 13485,78 – 11319 = 2166,78 ≈ 2200 м3

Принимаем больший объем – 2200 м3

2.3 Построение пьезометрической линии.

Подбор насосов ІІ подъёма

Минимальный свободный напор в сети водопровода при максимальном хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание должен приниматься при одноэтажной застройке не менее 10 м, при большей этажности на каждый этаж  следует добавлять 4м:

Нсв = 10 + 4 (Э – 1),

где Э – этажность застройки.

Нсв = 10 + 4 * 4 = 26м

Диктуемой точкой является точка а (рис. 2)

Рис. 2 Пьезометрическая линия

Пьезометрическая линия характеризует падение напора в сети в часы максимального водопотребления, когда из-за движения воды по водопроводу появляются потери напора по длине.

Высоту водонапорной башни (высота расположения дна бака башни) определяют из соотношения высот:

Нб + Zб = Zа + Нсв + hба,

Откуда:

Нб = Нсв + hба – (Zб - Zа),

где hба – потери напора на участке от башни до диктующей точки а;

hба = i * lба; i = (5-8) м вод. ст. на 1 км

Нб = 26 + 7 * 0,5 – (52 – 40) = 17,5 м

Пьезометрическая линия от насосной станции второго подъёма до башни определяет необходимый напор насосов второго подъёма из соотношения

Zн +НІІ – hнб = Zб + Нб + Но,

Откуда:

НІІ = (Zб – Zн ) + (Нб + Но) + hнб + (2-2,5 ),

где (2-2,5) – потери напора во внутренних коммуникациях насосной станции.

НІІ = (52 – 40) + (17,5 + 6,8) + 7 * 1,5 + 2,4 = 49,2 м вод. ст.

Подбор насосов станции ІІ подъёма

Насосы подбирают по каталогам центробежных насосов для чистых жидкостей по требуемой производительности (подаче) и напору.

Из совмещенного графика водопотребления и режимов работы насосных станций (рис. 1) следует, что в час максимального водопотребления (с 8 до 12 ч.) подача воды насосами ІІ подъёма в это время составляет 4,5% от суточного хозяйственно-питьевого потребления.

С учётом пожарного водопотребления насосы второго подъёма должны обеспечить подачу

QІІ = 0,06 Qсут.max + Qп.ч.

В нашем примере:

QІІ = 0,06*40425 +486 = 2911,5 ≈ 3000 м³ /ч

Примем 10 насосов, тогда каждый насос должен подавать 300 м3/ч при требуемом напоре 49,2 м вод. ст.

Требования удовлетворяет насос Д 300-50(6 НДв) с параметрами: подача – 300 м³/ч, напор – 49,2 м вод. ст., двигатель – 55 кВт, масса агрегата – 1225 кг

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Качество воды и основные методы её очистки

Качество природной воды зависит от наличия в ней различных веществ неорганического и органического происхождения.

Содержание в воде нерастворённых веществ характеризуется мутностью в мг на литр.

Присутствие в воде гумусовых веществ характеризуется цветностью в градусах по так называемой платинокобальтовой шкале.

Содержащиеся в воде соли кальция и магния придают ей жесткость.

Загрязнённость воды бактериями характеризуется количеством бактерий, содержащихся в 1 куб. см воды.

Методы очистки воды зависят от качества природной воды, потребляемого расхода и требований к её качеству. При очистке речной воды для хозяйственно-питьевых нужд наиболее широко применяют осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды (дезинфекцию).

Более глубоко и более эффективно осветление воды происходит при коагулировании и пропуске через «взвешенный слой» хлопьев, ранее отделённых от воды в осветлителях.

Для глубокого осветления воды применяют её фильтрование через песчаные фильтры.

Коагулирование с последующим отстаиванием и фильтрованием, а затем хлорирование воды применяют также для устранения цветности и снижения окисляемости воды.

Обеззараживание воды производят хлорированием, озонированием, ультрафиолетовым облучением.

Для снижения жесткости (умягчения), обессоливания и дегазации воды применяют химические и физико-химические методы обработки воды. Их применяют одновременно с отстаиванием и фильтрованием.

3.2. Выбор технологической схемы очистки воды

В процессе очистки вода должна пройти ряд очистных сооружений, в которых осуществляется принятые методы очистки.

Наиболее распространённые технологические схемы очистки речной воды для хозяйственно-питьевых целей.

1.                  Глубокое осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды путём коагулирования и последовательного осветления воды в отстойниках и на фильтрах.

2.                  Глубокое осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды с применением осветителей и фильтров.

3.                  Осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды на контактных осветлителях.

В соответствии с исходными данными: мутность – 500 мг/л; цветность – 40 град; по п.6 табл.15 СНиП 2.04.02-84(см. приложение 1) выбираем для обработки воды с применением коагулянтов и флокулянтов осветлители со взвешенным осадком – скорые фильтры (мутность исходной воды не менее 50 до 1500 мг/л, цветность до 120 град, производительность свыше 5000 м3/сут). Выбранной технологии соответствует схема, представленная на рис. 3

Рис. 3 Схема осветления, обесцвечивание и обеззараживание воды

с применением осветлителей и фильтров

Природная вода насосами I подъема 1 подается в смеситель 3, куда одновременно подаются реагенты, приготовленные в реагентном цехе 2. После смешения с реагентами вода поступает в осветлитель со взвешенным осадком, где происходит процесс коагуляции взвесей и осветления воды во взвешенном слое осадка. Затем вода попадает в фильтры 5 для глубокого осветления путем пропуска ее через толщу песчаной загрузки. В процессе очистки а толще фильтров накапливаются загрязнения. Для их удаления фильтры выключают из работы и промывают.

3.3. Реагентное хозяйство

Коагулирование осуществляют для ускорения  процесса осветления и обесцвечивания воды.

Дозу коагулянта Дк, мг/л, в расчёте на Al2(SO4)3, Fe2(SO4)2, FeCl3 (по безводному веществу) принимают для мутных вод по табл. 16 СНиП 2.04.02-84, в нашем случае Дк = 45-50 мг/л, для цветных вод Дк определяют по формуле:

Дк = 4 * (Ц)1/2,

где Ц – цветность обрабатываемой воды, град.

Дк = 4 * (50)1/2 = 28,3 мг/л

При одновременном содержании в воде взвешенных веществ и цветности принимают большую из доз коагулянта. В нашем случае принимаем, что Дк = 45 мг/л.

Дозу флокулянтов (в дополнение к дозам коагулянтов) следует принимать: полиакриламида (ПАА) по безводному продукту при вводе перед отстойниками – по табл. 17 СНиП 2.04.02-84.

Флокулянт вводят в воду после коагулянта.

Дозу хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) при предварительном хлорировании для улучшении хода коагуляции и обесцвечивания воды, а также для улучшения санитарного состояния сооружений следует принимать 3-10 мг/л. Реагенты вводят за 1-3 мин. До ввода коагулянтов.

Дозы подщелачивающих реагентов Дщ, мг/л, необходимых для улучшения процесса хлопьеобразования, определяют по формуле:

Дщ = Кщ (Дк / ек – Що) + 1,

где Дк – максимальная, в период подщелачивания, доза безводного коагулянта, мг/л; ек - эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг/мг-экв, принимаемая для Al2(SO4)3 – 57; FeCl3 – 54, Fe2(SO4)2 – 67, Кщ  коэффициент, равный для извести ( по СаО) – 28, для соды ( по Na CO ) – 53; Що – минимальная щелочность воды, мг-экв /л.

Реагенты вводят одновременно с вводом коагулянтов.

Потребность в реагентах для данного варианта (мутность 500 мг/л, цветность – 40 град):

Доза коагулянта Fe2(SO4)2

Дк = 45 мг/л.

Потребность в сутки максимального водопотребления

Ск = 1,05 Qсут.max * Дк / 1000 = 1,05 * 40425 * 45 / 1000 = 1910 кг.

Здесь 0,05 Qсут.max – объём воды, необходимый для собственных нужд очистной станции.

Доза флокулянта (ПАА) – по табл. 17 СНиП 2.04.02-84:

Дппа = 0,2-0,5 мг/л, принимаем Дппа = 0,4 мг/л.

Потребность в сутки максимального водопотребления

Сппа = 1,05 Qсут.max*Дппа / 1000 = 1,05 * 40425 * 0,4 / 1000 = 17 кг.

Доза хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) при предварительном хлорировании

ДCL = 3-10 мг/л, принимаем ДCL =5 мг/л.

Потребность хлорсодержащих реагентов (по активному хлору) в сутки максимального водопотребления:

СCL =1,05 Qсут.max * ДCL / 1000 = 1,05 * 40425 * 5 / 1000 = 212,2 кг.

Доза подщелачивающих реагентов (извести)

Дщ = Кщ (Дк / ек – Що) + 1 = 28 * (45/67 – 0,2) + 1 = 14,2 мг/л.

Потребность в сутки максимального водопотребления

Сщ = 1,05 Qсут.max * Дщ / 1000 = 1,05 * 40425 * 14,2 / 1000 = 602 кг

3.4 Обеззараживание воды

Методы обеззараживания воды составляют четыре основных группы: термический (кипячение), химический (хлор, озон и др.), олигодинамический (воздействие ионов благородных металлов) и физический (ультразвук, ультрафиолетовые лучи).

Наибольшее распространение получили методы второй группы. В качестве окислителей используют хлор, двуокись хлора, озон, йод, перманганат калия, перекись водорода, гипохлорит натрия и кальция. Из перечисленных окислителей на практике отдают предпочтение хлору, озону, гипохлориту натрия.

Хлор опасен при транспортировании и использовании, его утечки могут вызывать отравление людей. Кроме того, при хлорировании образуются хлорорганические соединения, в том числе – диоксин – сильнейший мутаген. При наличии в воде фенолов образуются хлорфенолы, обладающие токсичными свойствами и неприятным запахом.

Достоинство озонирования в том, что, уничтожая бактерии, споры, вирусы, он разрушает растворённые и взвешенные в воде органические вещества. Это позволяет использовать озон не только для обеззараживания, но и для обесцвечивания и дезодорации воды. При этом природные свойства воды не изменяются. Избыток озона (в отличие от хлора) не только не ухудшает, но значительно улучшает качество воды – устраняет цветность, привкусы и запахи.

Для обеззараживания воды выбираем метод озонирования. В случае только обеззараживания воды доза озона составляет 1-2 мг/л. Если же озон применяется для обесцвечивания и обеззараживания воды, его доза может достигать 4-5 мг/л.

3.5 Выбор технологического оборудования станции очистки воды

Технологическое оборудование выбирают на основе принятой технологической схемы  очистки воды. Для выбранной схемы очистки воды с применением осветлителей со взвешенным осадком и фильтров потребуется следующее оборудование.

Движение воды в системе обеспечивается работой ее «активных» элементов, какими являются насосные станции І и ІІ подъёма. Задачей станции І подъёма является подача суточного расхода из природного источника на очистные сооружения. Насосные станции І подъёма часто приходится заглублять ниже поверхности земли, чтобы не превысить допустимую высоту всасывания насосов. С этой целью здание насосной станции сооружают круглым в плане, что создаёт удобства при производстве работ опускным способом. Однако для удобства размещения оборудования, трубопроводов и грузоподъёмных устройств предпочтительна прямоугольная форма машинного зала, которую принимают при малом заглублении станции.