Водоотведение и очистка сточных вод

1       АНАЛІЗ ОБ’ЄКТУ КЕРУВАННЯ

1.1 Фізико – хімічні основи процесу

Загальна витрата виробничих забруднених стоків складає 72 м3/добу. Забруднені виробничі стічні води утворюються в сталеливарних, механічних цехах при обробці металів,  в транспортному цеху - при обмиванні транспортних засобів.

Блок очищення  запроектований для  освітлення стічної води після мокрого очищення повітря і газів сталеливарних цехів №1 та №2.

Стоки забрудненні зваженими речовинами,  нафтопродуктами, кислотами, лугами, солями натрію, кальцію, магнію.   

      Загальний вміст забруднень в стічних водах до очищення:

•              зважені речовини - 650 мг / л

•              масла і нафтопродукти - 120 мг / л

•              кислоти - 210 мг / л

•              луги - 130 мг / л

•              солі кальцію магнію, натрію - 3000 мг / л.

Вказані концентрації забруднень містяться в 72 м3/добу. Ці стоки скидаються в мережу побутової каналізації. Витрата побутових стоків підприємства – 249,7 м3/добу.

Загальна кількість стічних вод підприємства складає 322 м3/добу.  

Приведені концентрації забруднень не перевищують гранично допустимих концентрацій для подачі їх на спорудження біологічного очищення в міський водоканал, згідно СНІП II – Г. 6.62.

Склад стічних вод після проходження блоку очищення:

•              зважені речовини - 100,0 мг / л;

•              масла і нафтопродукти - 25,0 мг / л;

•              рН = 6,5 - 8;

•              солі натрію, кальцію, магнію - 300 мг / л. 

Концентрація забруднень в стоці коливається у великих межах. Скидання їх також періодичне – один – два рази на тиждень.

Стоки різних джерел забруднень містять компоненти, які можуть бути використані для їх взаємної нейтралізації. Наприклад, стоки, що містять кислоти і луги.

Першим етапом очищення промислових стоків (рис. 1.1) є їх взаємна нейтралізація в накопичувачі з безперервним перемішуванням. Подальше очищення стоків від зважених речовин проектується на відкритих гідроциклонах.

Кислі та лужні води змішують в ємності з мішалкою.  При змінній концентрації стічних вод у схемі передбачають установку усреднювач або забезпечують автоматичне регулювання подачі в камеру змішування.

При надлишку кислих або лужних стічних вод додають відповідні реагенти.

Для очищення стічних вод використовують напірні і відкриті (низьконапірні) гідроциклони. Напірні гідроциклони застосовують для осадження твердих домішок, а відкриті - для видалення зважених домішок. Гідроциклони прості за будовою, компактні, їх легко обслуговувати. Вони відрізняються високою продуктивністю і невеликою вартістю.             

Гідроциклон складається з короткої циліндричної (верхньої) частини з патрубком для тангенціального введення пульпи (по дотичній до поверхні циліндра) і конічної (нижньої) частини з отвором біля вершини конуса для розвантаження пісків (грубозернистої, згущеної або важкої фракції пульпи). Кут конусності для класифікації і згущення 10-20°, прояснення — 10-20°, збагачення у важких суспензіях — 30—45о, збагачення у воді — 90—120°. Верхня частина циліндра закривається кришкою, в центрі якої встановлено зливний патрубок, що слугує для розвантаження тонкозернистої, розрідженої пульпи.

Футерування гідроциклонів карбідом кремнію сприяє збільшенню їхнього терміну служби в 5 – 10 разів.

Другий етап очищення – реагентне очищення. Реагентне очищення являє собою повну нейтралізацію кислих (лужних) стічних вод.

Стічні води, що містять мінеральні кислоти або лугу, перед скиданням їх у водойми або перед використанням у технологічних процесах нейтралізують. Практично нейтральними вважаються води, що мають рН = 6,5-8,5.

Нейтралізацію можна проводити різними методами: шляхом змішування кислих і лужних стічних вод, додаванням реагентів, фільтруванням кислих вод через нейтралізуючі матеріали, абсорбцією кислих газів лужними водами або абсорбцією аміаку кислими водами. Вибір методу нейтралізації залежить від об'єму і концентрації стічних вод, від режиму їх надходження, наявності та вартості реагентів. В процесі нейтралізації можуть утворюватися опади, кількість яких залежить від концентрації і складу стічних вод,а також від виду і витрати використовуваних реагентів.

До процесу нейтралізації відносять усі визначення в основі яких лежить реакція:

Н+ + ОН-  → Н2О                                          (1.1.1)

Кислоти - це електроліти, що дисоціюють у водних розчинах з утворенням іонів гідрогену.

    Основи - електроліти, що утворюють у водних розчинах іони гідроксиду:

НА → Н+ + А-                                                  (1.1.2)

МОН → М+ + ОН-                                            (1.1.3)

Для нейтралізації кислих вод можуть бути використані: гідроксид натрію (NaOH), гідроксид калію (КОН), натрій карбонат (Na2C03), NH4OH (аміачна вода), кальцій карбонат (СаС03), магній карбонат (MgC03), доломіт (CaC03∙MgC03), цемент. Найбільш дешевим та загальнодоступним реагентом є гідроксид кальцію (вапняне молоко) з вмістом активного вапна Ca(ОН)2    5-10%, однак мають деякі недоліки: обов’язкове проектування усереднювачів перед нейтралізаційною установкою, важко регулювати дозу реагента. Швидкість реакції між розчином кислоти і твердими частками суспензії відносно невелика і залежить від розмірів часток і розчинності з'єднання, що утворюється в результаті реакції нейтралізації. Тому остаточна активна реакція в рідкій фазі встановлюється не відразу, а після закінчення деякого часу (10-15 хв).

Кислі стічні води  нейтралізуються вапняним молоком (Са(ОН)2 )  до   рН = 8 – 9, внаслідок чого відбувається нейтралізація кислот та виділення металів у вигляді осаду відповідних гідроксидів.

Вапно для нейтралізації вводять в стічну воду у вигляді гідроксиду кальцію (вапняного молока; "мокре" дозування) або у вигляді сухого порошку ("сухе" дозування).

В апараті для приготування вапняного молока  відбувається подрібнення і гасіння оксиду кальцію:

CaO + H2O → Ca(OH)2                                                          (1.1.5)

   Для гасіння вапна використовують кульові млини мокрого помолу, в яких одночасно відбуваються тонке подрібнення і гасіння. Для змішування стічних вод з вапняним молоком застосовують гідравлічні змішувачі різних типів : дірчасті, з перегородками, вихрові з механічними мішалками або барботажні з витратою повітря 5-10 м3/год на 1 м2 вільної поверхні.

   При змішуванні кислотовмісних стоків і вапняного молока в камері реакції відбувається взаємна нейтралізація за наступною реакцією:

Н2S04 + Са(ОН)2 = СаSО4 +2 Н2О                         (1.1.6)

У результаті цього процесу стічні води стають нейтральними.       

Кальцію сульфат (гіпс), що утворюється в результаті нейтралізації, кристалізується з розбавлених розчинів у вигляді CaS04 ∙ 2H20. Розчинність цієї солі при температурах 0-40°С коливається від 1,76 до 2,11 г/л. При вищій концентрації сульфат кальцію випадає в осад, тому при нейтралізації сильних кислот, кальцієві солі яких важкорозчинні у воді, необхідно влаштовувати відстійники - шламонакопичувачі. Істотним недоліком методу нейтралізації сульфатної кислоти вапном є також утворення пересиченого розчину гіпсу (коефіцієнт пересичення може досягати 4-6), виділення якого з води може тривати декілька діб що призводить до заростання трубопроводів і апаратури. Присутність в стічних водах багатьох хімічних виробництв високомолекулярних органічних сполук посилює стійкість пересичених розчинів гіпсу оскільки ці сполуки  сорбуються на гранях кристалів сульфату кальцію і перешкоджають їх подальшому росту.

    Для зменшення заростання трубопроводів, по яких транспортуються нейтралізовані вапном стоки, застосовують методи промивання, збільшують швидкість транспортування, а також замінюють металеві трубопроводи на пластмасові.

1.2       Опис технологічного процесу та його апаратурне оформлення

Блок очищення (рис. 1.2) запроектований для освітлення води після мокрого очищення газів і повітря сталеливарних цехів № 1 і № 2.

Витрата води на першу чергу очищення (при обробці стоків тільки від сталеливарних цехів № 1)  складає 53,8 м3/год і 860,8 м3/добу при                  16 годинному режимі роботи.

На другу чергу (при обробці стоків сталеливарних цехів № 1 і №2) витрати відповідно складає 137,6 м3/ч і 1721,6 м3/добу.

Вода з цехів за допомогою насосів поступає в приймальний резервуар з механічною мішалкою 1, де вона безперервно перемішується. Включення мішалки  - автоматичне в залежності від рівня води в резервуарі.

Для кожного цеху передбачається свій насос і один насос резервний - загальний для усіх робочих насосів. 

З резервуару стоки забираються пісковими насосами і подаються на гідроциклон 3, в якому відбувається взаємна нейтралізація лужних та кислих стічних вод. В результаті нейтралізації утворюється осад – кальцій гідроксид, який виводиться з нижньої частини гідроциклона і поступає до шламонакопичувача 8. Після шламонакопичувача осад подається на центрифугу 9 з метою відділення надлишкової вологи.

З гідроциклонів освітлена вода поступає в реактор-нейтралізатор 4  для проведення повної нейтралізації кислих стічних вод. З цією метою у верхню частину реактора подається розчин кальцій гідроксиду (гашене вапно).

В апараті для приготування вапняного молока 5, який забезпечений механічною мішалкою для безперервного перемішування, відбувається подрібнення і гасіння оксиду кальцію (СаО). Розчинність гідроксиду кальцію у воді при 25оС складає близько 1,5 г/л, тому більша частина гашеного вапна утворюється у вигляді суспензії.                     

                                  Вода           СаО

                                        5                                                        6

                                                                                                                                До споживача

                                                                                                              7

                       стічні води                                         

                    підприємства                            3               4

                                                                                                  очищена вода               

                                 1                             шлами             

              2                                             

                                         8                                                                        

                            9

               шлам                           

                                                     освітлена вода                                                                

1- проміжний резервуар;    2- насос; 3- гідроциклон;   4- реактор з мішалкою; 5- апарат для приготування вапняного молока; 6- растворні баки; 7- усереднював;                                          8-шламонакопичувач;   9- центрифуга                              .         

Рис.1.1 – Принципова технологічна схема очищення стічних вод         

Утворена суспензія перекачується насосом в розчинні баки 6. Перемішування в цих баках перешкоджає розшаруванню суспензії.          

Стічні води надходять до дозатора-усереднювача 7 і потім у необхідній кількості подається у верхню частину реактора-нейтралізатора 4 для нейтралізації кислих  стічних вод.

  Реактор-нейтралізатор 4 технологічно обладнаний механічною мішалкою якірного типу для безперервного перемішування стічної води та більш повного проходження процесу нейтралізації. В процесі нейтралізації утворюється осад – кальцій сульфат.  

Шлакова пульпа поступає в  резервуар для осаду – шламонакопичувач 8, куди подається осад після освітлення стічної води у гідроциклоні. Зі шламонакопичувача осад викачується  насосами на центрифугу 9, де за допомогою відцентрових сил звільняється від зайвої вологи.

Після реактора нейтралізовані стоки поступають на коагуляційне  очищення від зважених частинок, які утворилися під час процесу нейтралізації.

Процес очищення стічних вод коагуляцією складається з наступних стадій: приготування розчинів коагулянтів у воді, дозування їх у стічну воду, змішання реагентів зі стічною водою, утворення і осадження пластівців.

Приготування коагулянтів проводять у вигляді розчинів або суспензій. Розчинення коагулянтів здійснюють у видаткових баках 10 (не менше двох). Концентрація розчину коагулянту у видаткових баках повинна складати      10-17 мас. %. Звичайно тривалість розчинення при температурі води 10 °С приймають рівною 10-12 ч. Перемішування у видаткових баках проводять лопатевими мішалками, стисненим повітрям або циркуляційними насосами. Дозування розчинів або суспензій коагулянтів здійснюють за допомогою насосів-дозаторів.

Після змішування стічних вод з реагентами воду направляють в камеру утворення пластівців 13. Утворення пластівців відбувається повільно - протягом 10-30 хв. Камери потрібні для утворення великих пластівців гідроксидів металів із захопленими ними домішками, які будуть швидко осідати під дією сил тяжіння.

Осадження пластівців відбувається у відстійниках 14. Пластівці періодично видаляються з нижньої частини відстійника. Очищена вода виходить з верхньої частини апарата і подається на споживання.

1.3 Норми технологічного режиму

2 РОЗРОБКА АСКТП

2.1 Вибір та обґрунтування параметрів автоматичного контролю,

регулювання, сигналізації

Система керування повинна забезпечити досягнення мети керування за рахунок заданої точності підтримки значень технологічних параметрів у будь-яких умовах виробництва при надійній безаварійній роботі устаткування, а також задовольняти вимогам вибухо- та пожежобезпеки.

Головною задачею при розробці системи керування є вибір параметрів, що беруть участь у керуванні - параметрів які необхідно контролювати, регулювати, аналізувати, а також параметрів, що визначають аварійний стан об'єкта.

Вибір регульованих параметрів і каналів нанесення регулюючих впливів

На цьому етапі з багатьох параметрів, що характеризують процес, необхідно вибрати ті, котрі підлягають регулюванню і зміною яких доцільно вносити регулюючий вплив. Як правило, число регульованих параметрів не перевищує четвертої частини параметрів, що беруть участь у керуванні. Справитися з поставленою задачею можна лише аналізуючи цільове призначення процесу і його взаємозв'язок з іншими процесами виробництва.

Контролю підлягають ті параметри, за значеннями яких здійснюється оперативне керування технологічним процесом, а також його пуск і зупинка. До таких параметрів відносяться всі режимні параметри, при зміні яких в об'єкт будуть надходити збурення. Обов'язковому контролю підлягають параметри, значення яких регламентуються технологічною картою.

До вибору параметрів сигналізації приступають після аналізу об'єкта у відношенні його вибухо- та пожежобезпеки, його токсичності, агресивності речовин, що переробляються, і т.д. Сигналізації підлягають ті параметри, відхилення яких від номінального значення може привести до вибуху, пожежі, нещасним випадкам, виходу з ладу устаткування, випускові некондиційної продукції і браку і т.д.

Результати вибору й обґрунтування параметрів автоматичного контролю, регулювання і сигналізації приведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1 - Параметри автоматичного контролю, регулювання,

сигналізації

2.2 Вибір та обґрунтування методів автоматичного контролю

технологічних параметрів

Метою вибору технічних засобів є визначення найбільш ефективного методу вимірювання для кожного технологічного параметру. Обраний метод вимірювання повинен задовольняти характеру середовища, бути найбільш точним і входити до системи ДСП.

Вибір того чи іншого методу вимірювання обумовлено наступними факторами:

-              діапазоном вимірювання технологічного параметру;

-              чутливістю методу вимірювання;

-              лінійністю градуйованої характеристики;

-         похибкою вимірювання.

Необхідно вибрати найбільш ефективний метод вимірювання, що покладений в основу побудови Державної системи приладів (ДСП).

Прилади для вимірювання тиску та різниці тисків мають назву манометри. Вони розподіляються на барометри надлишкового тиску, вакуумметри та манометри абсолютного тиску. Диференційні манометри використовуються для вимірювання різниці тисків. Вимірювальні перетворювачі тиску є без шкальними приладами та призначені для отримання уніфікованого сигналу про тиск (швидкості зміни тиску) рідин, газів та пари. .

Для вимірювання тиску можливе використання вимірювальних перетворювачів типу „Сапфир - 22", які призначені для роботи у системах автоматичного контролю, регулювання та управління технологічними процесами та забезпечують безперервне перетворення значення вимірюваного параметру - тиску надлишкового, абсолютного, розрідження, різниці тисків нейтральних та агресивних середовищ в уніфікований струмовий сигнал дистанційної передачі. Принцип дії перетворювача засновано на використанні тензоефекту у напівпровідниковому матеріалі.

Методи вимірювання витрати поділяють на наступні: метод змінного перепаду тиску, метод постійного перепаду тиску, електромагнітний та ін. Аналізуючи переваги та недоліки цих методів можливо прийти до висновку, що в даному процесі доцільно використовувати метод змінного перепаду тиску. Суть метода полягає у використанні енергетичних залежностей, визначаючих кінетичну енергію потоку, а значить і його швидкість, від фізичного стану середовища. Перевагами даного методу є універсальність використання, масовість виробництва, відсутність необхідності у взірцевих установках для градуювання. Вимірювальними перетворювачами служать діафрагми. Для вимірювання створеного діафрагмою перепаду тиску використовуємо дифманометр (обрано вимірювальний перетворювач різниці тисків типу „Сапфир 22ДД"). Витратоміри змінного перепаду тиску зі стандартними звужуючими пристроями отримали широке застосування. Причиною цього є наступні їх переваги:

-         універсальність застосування (придатні для вимірювання витрати будь-яких одно- чи двофазних середовищ при різноманітних значеннях температур та тиску);

-         зручність масового виробництва (індивідуально виготовляється тільки перетворювач витрати - звужуючий пристрій; усі інші частини, в тому числі дифманометр та вторинний прилад виготовляються серійно);

-   відсутність необхідності у взірцевих установках для градуювання.

Методи вимірювання рівня поділяють на контактні та безконтактні. Найбільш розповсюдженим приладом для вимірювання рівня безконтактним методом є рівнеміри акустичні, призначені для автоматичного дистанційного вимірювання рівня рідких середовищ, в тому числі в'язких, налипаючи, неоднорідних, випадаючих у осад та вибухонебезпечних, а також сипких та кускових матеріалів. Принцип дії акустичного рівнеміра засновано на локалізації рівня звуковими імпульсами, що проходять через газове середовище, яке знаходиться над контрольованою рідиною, та явищі відображення цих імпульсів від границі розділу газ - контрольоване середовище. Мірою рівня є час розповсюдження звукових коливань від джерела випромінювання та контрольованої границі розподілу середовищ та назад до приймача.

Для вимірювання рівня заповнення збірнику застосовують безконтактний метод вимірювання за допомогою акустичного рівнеміру.

Структурна схема, зображена на рис. 2.1, відображає рішення по контурах  контролю технологічних параметрів; а схема (рис.  2.2) – по контурах регулювання.

Рис. 2.1 - Структурна схема каналів автоматичного контролю

технологічних параметрів

Рис. 2.2 -  Структурна схема каналів автоматичного регулювання технологічних параметрів

2.4 Вибір комплексу технічних засобів

Мета розділу - обґрунтування і вибір технічних засобів, що входять до складу каналів контролю і регулювання технологічних змінних.

Обґрунтування і вибір технічних засобів, що належать до складу каналів контролю і регулювання, проводиться згідно функціональної схеми по кожному технологічному параметру, а також у відповідності з номінальними значеннями вимірюваних параметрів.

Обґрунтування і вибір технічних засобів включає:

а)              вибір первинного вимірювального перетворювача (датчика);

б)              вибір проміжного перетворювача;

в)              вибір ЕОМ.

Обраний первинний вимірювальний перетворювач (датчик) повинен задовільняти наступним вимогам:

а)              діапазон вимірювання повинен відповідати діапазону зміни

вимірюваного параметра,

б)              умови вимірювання по технічному паспорту повинні відповідати

умовам вимірювання на технологічному об'єкті;

в)              похибка вимірювань не повинна перевищувати значень, заданих технологічним регламентом.

При виборі виконавчого пристрою необхідно враховувати відповідність вхідного сигналу виконавчого пристрою і вихідного сигналу попереднього технічного засобу.

Для вибору мікропроцесорного контролера (МІЖ) використовують наступні вихідні дані:

а)              характеристики розв'язуваних задач (обсяг вхідної і вихідної

інформації, коефіцієнти складності обробки вхідної інформації і т.д.);

б)              вимоги до швидкодії і надійності роботи МІЖ;

в)              перелік моделей МІЖ, що серійно випускаються та які можуть бути використані;

г)              технічні й експлуатаційні характеристики МІЖ.

Ціль розділу - обґрунтування і вибір технічних засобів, що входять до складу каналів контролю і регулювання технологічних змінних.

Обґрунтування і вибір технічних засобів, що належать до складу каналів контролю і регулювання, проводиться згідно функціональної схеми по кожному технологічному параметру, а також у відповідності з номінальними значеннями вимірюваних параметрів.

Ломіконт   є   багатоцільовим   контролером загальнопромислового призначення. Він виконує операції керуючої логіки, має вбудовані таймери та лічильники, дозволяє виводити технологічні повідомлення про поточні значення технологічних параметрів на дисплей для спостереження за ходом процесу та на друкуючі пристрої для документування процесу керування.

Ломіконт може працювати в складі крупних комплексів в АСКТП, стикуватися з ЕОМ верхнього рівня по каналах цифрового зв'язку в якості

автономного технологічного пристрою, вирішуючи комплекс задач логічного керування, регулювання, видачі та документування інформації про процес керування.

В даному проекті Ломіконт використаний у другому варіанті, як автономний технічний засіб.