Сооружения для механической очистки сточных вод

Введение

Во все времена поселения людей и размещение промышленных объектов реализовались в непосредственной близости от пресных водоемов, используемых для питьевых, гигиенических, сельскохозяйственных и производственных целей. В процессе использования воды человеком она изменяла свои природные свойства и в ряде случаев становилась опасной в санитарном отношении. Впоследствии с развитием инженерного оборудования городов и промышленных объектов возникла необходимость в устройстве организованных способов отведения загрязненных отработавших потоков воды по специальным гидротехническим сооружениям.

В настоящее время значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает. При использовании в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной водой.

В зависимости от происхождения сточных вод они могут содержать токсичные вещества и возбудители различных инфекционных заболеваний. Водохозяйственные системы городов и промышленных предприятий оснащены современными комплексами самотечных и напорных трубопроводов и других специальных сооружений, реализующих отведение, очистку, обезвреживание и использование воды и образующихся осадков. Такие комплексы называются водоотводящей системой.

В 1898 г. в Москве введена в эксплуатацию первая водоотводящая система, включавшая самотечные и напорные водоотводящие сети, насосную станцию и люблинские поля орошения. Она стала родоначальницей самой крупной в Европе московской системы водоотведения и очистки сточных вод.

Комплексное развитие систем водоотведения с очистными сооружениями началось после установленных норм очистки сточных вод при выпуске их в реку, разработанных в Англии в 1876 г. Достижения науки и техники способствовали повышению степени благоустройства городов до уровня современной цивилизации.

Особое значение имеет развитие современной системы водоотведения бытовых и производственных сточных вод, обеспечивающих высокую степень защиты окружающей природной среды от загрязнений. Наиболее существенные результаты получены при разработке новых технологических решений в вопросах эффективного использования воды систем водоотведения и очистки производственных сточных вод.

Предпосылками для успешного решения этих задач при строительстве водоотводящих систем являются разработки, выполняемые высококвалифицированными специалистами, использующими новейшие достижения науки и техники в области строительства и реконструкции водоотводящих сетей и очистных сооружений.

Исходные данные

Общий расход воды: Q =48,742 л/сек.

Общая численность населения: N_чел =4546 чел.

Концентрация БПК: 300 г/м³.

Концентрация взв. в-в для смеси: 250мг/л.

К_вз= 189,5 г/м³.

K_N= 23,25 г/м³.

К_Р205= 9,59г/м³.

К_Cl= 26,15г/м³.

К_пав=7,26г/м³.

Сооружения для механической очистки сточных вод

 

Механическая очистка сточных вод представляет собой технологический процесс, благодаря которому механическими и физическими методами из сточных вод удаляются нерастворенные примеси. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90%, а органических веществ до 20%.

 

Приемный резервуар

решетки

 

песколовки

 

отстойники

Рис1 Схема сооружений при механической отчистке

 

1.1 Подбор решеток

 

Решетки применяются для задержания из сточных вод крупных загрязнений и являются сооружениями, подготовляющими сточные воды к дальнейшей, более полной очистке.

Прозоры между стержнями решеток должны быть возможно меньшими, чтобы задерживать как можно больше грубых примесей для облегчения работы отстойников.

Решетки делают преимущественно из стали и располагают в отапливаемом здании. При количестве отбросов, снимаемых с решеток до 0,1 м³/сут, предусматривается ручная очистка, если больше –механическая очистка. СНиП 2.04.03-85 п.5.16.

Количество отбросов, задерживаемых на решетках принимается по таблице 23 СНиП 2.04.03-85, средняя плотность отьросов принимает 750 кг/м³.

 

Рис.1. схема решетки

 

В-ширина подводящего и отводящего лотков, В_р-ширина решетки,h_p- расчетная глубина воды, h₁- потери напора в решетке, 1-решетка

1. Используя формулы Павловского:

 

Q=

R=ω/χ

υ =

с =

Находим уклон трубопровода (i), для этого сначала определяем площадь живого сечения (ω)

 

ω =Q/υ

 

Общий расход воды Q=48,742 л/с, или Q=0,05 м³/с. Скорость воды в подводящем канале (υ) располагается в пределах 0,6<υ<0,8, берем значение υ=0,8 м/с.

 

ω =0,05 /0,8 =0,0625 м².

 

Исходя из этого, размеры лотка будут иметь следующие числовые значения:

ширина В=0,25 м, слой воды h=0,25 м.

Смоченный периметр χ=0,25+2×0,25= 0,75 м.

Гидравлический радиус R=0,0625 /0,75 = 0,083 м.

Значение коэффициента шероховатости (n) подбираем на основе СНиПа 2.04.03-85, для самотечного режима n=0,014.

 

с = =47,18

i= =0,64/309,67=0,0032

 

Можно выполнить следующую проверку

 

Q= =0,05025 м³/с,

 

а было Q=0,05 м³/с. Такое изменение допускается.

2.Определяем размеры решетки. Для нахождения общей ширины решетки определяем ширину имеющихся прозоров и стержней.

Находим общую площадь прозоров (Wпр)

 

Wпр =Q/υр =0,05/0,8=0,0625 м²

 

где υр –скорость воды в решетке, не превышающая 1м/с.

 

Рассчитываем площадь одного прозора (ωпр)

 

ωпр=впр×hл=0,016×0,25=0,004

 

где впр- оптимальная ширина прозора, равная 16 мм.

 

Определяем количество прозоров (Nпр)

 

Nпр= Wпр /ωпр=0,0625 /0,004=15,625=16

 

Отсюда следует, что стержней 15 шт.

Находим общую площадь прозоров 16×16=256мм.=0,256 м.

Общая ширина стержней 15×7=105 мм.=0,105 м.

Следовательно общая ширина решетки 0,256 +0,105 =0,361 м.

3.На основании того, что ширина прозоров решетки равна 16мм, следует, что количество отбросов снимаемых с решеток на одного человека Р =8л/год

Общая численность населения (N) равна 4546 чел.

Определяем объем отбросов, задерживающихся за год (Vотбр)

 

Vотбр =4546×8=36368л/год=36,368 м³/год

Средняя плотность отбросов П =750км/м³, отсюда масса отбросов (М) равна

 

М= =750×36,368 /365=74,7 кг/сут.

 

Рассчитываем количество поступивших в решетку взвешенных веществ за сутки для этого

 

Q_сут ×К^см_взв=4211,3×189,5=798041 г/сут=798,04 кг/сут

Q_сут = ×24=4211,3 м³/сут

 

Количество незадержавшихся взвешенных частиц равно

 

798,04 -74,7 =723,34 кг/сут

 

Концентрация взвешенных веществ на выходе К’_взв

 

К’_взв= =0,17 кг/м³=170 г/м³.

 

1.2 Расчет песколовок

 

Песколовки предназначены для задержания песка и других минеральных примесей крупностью свыше 0,2-0,25 мм, содержащихся в сточной воде. Применяются на очистных сооружениях производительностью 100м³ /сут и более. Число песколовок или отделений следует принимать не менее двух, причем все песколовки или отделения должны быть рабочими. На очистных сооружениях малой производительности применяют горизонтальные песколовки, горизонтальные с круговым движением воды и тангенциальные песколовки. Принцип работы песколовки основан на том, что поток сточной воды замедляется, тяжелый песок оседает, а мягкая органическая примесь поступает в отстойник.

Расчет горизонтальных песколовок

 

Рис 2. Схема горизонтальной песколовки.

а) продольный разрез; б) поперечный разрез

 

При расчете горизонтальных и аэрируемых песколовок следуют определять их длину L_s, м, по формуле

 

 

где K_s — коэффициент, принимаемый по табл. 27 СНиПа 2.04.03-85;

H_s — расчетная глубина песколовки, м, принимаемая для аэрируемых песколовок равной половине общей глубины;

v_s — скорость движения сточных вод, м/с, принимаемая по табл. 28 СНиПа 2.04.03-85;

u ₀ — гидравлическая крупность песка, мм/с, принимаемая в зависимости от требуемого диаметра задерживаемых частиц песка.

K_s= 1,55, при диаметре задерживаемых частиц 0,23 мм

u ₀=22 мм/с

Скорость движения воды при максимальном притоке v_s= 0,3 м/с

H_s= 0,5 м

= 10,56 м

 

Для горизонтальных песколовок — продолжительность протекания сточных вод при максимальном притоке не менее 30 с.

Площадь живого сечения

 

ω =Q/υ

ω=0,05/0,3=0,17 м²

 

Количество песка, задерживаемого в песколовках, для бытовых сточных вод надлежит принимать 0,02 л/чел×сут, влажность песка 60%, объемный вес 1,5 т/м³. Объем пескового приемка следует принимать не более двухсуточного объема выпадающего песка, угол наклона стенок приямка к горизонту — не менее 60°.

Исходя из того, что численность населения составляет 4546 человек, находим количество песка, задерживаемого в песколовках. V= N_чел×0,02

 

V=4546×0,02 = 90,92л/сут =0,091 м³/сут

 

Плотность песка принимаем равную П=1,5 т/м³

Отсюда масса, задерживаемого песка m =П×V

 

M=1500×0,091 =136,5 кг/сут

 

Рассчитываем количество поступивших в песколовку взвешенных веществ за сутки для этого

 

Q_сут × К’_взв =4211,3×170=715921 г/сут=715,9 кг/сут

Количество песка незаржавшегося в песколовке равно

 

715,9 -136,5 =579,4кг/сут

 

Концентрация взвешенных веществ на выходе К”_взв

 

К”_взв= ×1000=137,6 г/м³.

 

Отношение ширины к глубине отделения — В:Н = 1

Отсюда Ширина отделения равна 0,5 м, так как глубина Н=0,5

Площадь песколовки S=10,56 м²

 

Для поддержания в горизонтальных песколовках постоянной скорости движения сточных вод на выходе из песколовки надлежит предусматривать водослив с широким порогом.

 

Расчет аэрируемых песколовок

 

Рис 3. Схема аэрируемой песколовки.

 

Для разделения механических загрязнений по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки (рис.), в состав которых входят входная труба -1, воздуховод- 2, воздухораспределители- 3, выходная труба- 4, шламосборник -5 с отверстием- 6 для удаления шлама. Крупные фракции осаждаются,как и в горизонтальных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности.

Для аэрируемых песколовок:

интенсивность аэрациии — 3—5 м³/(м² × ч);

поперечный уклон дна к песковому лотку — 0,2—0,4;

впуск воды — совпадающий с направлением вращения воды в песколовке, выпуск — затопленный;

 

отношение ширины к глубине отделения — В:Н = 1:1,5;

 

Расчет ведем по аналогии с расчетом горизонтальных песколовок

K_s=2,08 при диаметре задерживаемых частиц 0,23 мм

u₀=22 мм/с

Скорость движения воды при максимальном притоке v_s=0,1 м/с

H_s- расчетная глубина песколовки,принимаемая 0,8м

 

=3,78 м

 

Площадь живого сечения ω =Q/υ

 

ω=0,05/0,1=0,5 м²

 

Количество песка, задерживаемого в песколовках, для бытовых сточных вод надлежит принимать 0,03 л/чел×сут.

Объем задерживаемого песка:

W=4546×0,03 = 136,38 л/сут =0,14 м³/сут

 

Масса задерживаемого песка:

 

M=1500×0,14=210 кг/сут

 

Рассчитываем количество поступивших в песколовку взвешенных веществ за сутки для этого

 

Q_сут × К’_взв =4211,3×170=715921 г/сут=715,9 кг/сут

 

Количество песка не задержавшегося в песколовке равно

 

715,9 -210=505,9 кг/сут

 

Концентрация взвешенных веществ на выходе К”_взв

 

К”_взв= ×1000=120,1 г/м³.

 

Отношение ширины к глубине отделения — В:Н = 1:1,5

Отсюда ширина отделения равна 0,53 м, так как глубина Н=0,8

Интенсивность аэрациии — 3—5 м³/(м² × ч);

Для данной песколовки расход воздуха Q 2,36 ×3= 7,08 м³/ ч

 

Таблица 1. Сравнение песколовок

Параметры	Аэрируемая песколовка	Горизонтальная песколовка
Ширина, м	0,53	1
Глубина, м	0,8	0,5
Площадь,м2	2,03	10,56
Длинна, м	3,78	10,56
К”взв г/м3	120,1	137,6

 

Из представленной таблицы 1 очевидно, что аэрируемая песколовка более компактна по объёму и в сравнении с горизонтальной, качественне очищает поступающие сточные воды. Но при установке аэрируемой песколовки необходимо учитывать, что для её функционирования потребуется постройка воздуходувной насосной станции. С экономической точки зрения горизонтальная песколовка более выгоднее. Она так же проста в эксплуатации. Учитывая что концентрации взвешенных веществ на выходе из песколовок не сильно отличаются, то предпочтем более экономичный вариант.

 

1.3 Расчет отстойников

 

Отстойники - резервуары или бассейны для выделения из жидкости взвешенных примесей осаждением их под действием силы тяжести при пониженной скорости потока. 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.

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. Тип отстойника (вертикальный, радиальный, с вращающимся сборно- распределительным устройством, горизонтальный, двухъярусный и др.) необходимо выбирать с учетом принятой технологической схемы очистки сточных вод и обработки их осадка, производительности сооружений, очередности строительства, числа эксплуатируемых единиц, конфигурации и рельефа площадки, геологических условий, уровня грунтовых вод и т. п.

 

Горизонтальный отстойник

Рис. 4. Схема горизонтального отстойника

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.

 

Расчетное значение гидравлической крупности u₀, мм/с, необходимо определять по кривым кинетики отстаивания Э = f(t), получаемым экспериментально, с приведением полученной в лабораторных условиях величины к высоте слоя, равной глубине проточной части отстойника, по формуле

 

 

где H_set — глубина проточной части в отстойнике, м; H_set=1,5м

K_set — коэффициент использования объема проточной части отстойника; K_set=0,5

t_set — продолжительность отстаивания, с, соответствующая заданному эффекту очистки и полученная в лабораторном цилиндре в слое h₁; для городских сточных вод данную величину допускается принимать по табл. 30; t_set=7200с.

n₂ — показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения; для городских сточных вод следует определять по черт. 2 СНиПа 2.04.03-85, n₂=0,34, h₁=500мм.

 

=1,82 мм/с

 

Определяем длину L_s, м, по формуле

 

 

где K_s — коэффициент, принимаемый по табл. 27; K_s=0,5

H_s — расчетная глубина, м, H_s=1,5

v_s — скорость движения сточных вод, м/с, принимаемая по табл. 28;

u₀ — гидравлическая крупность песка, мм/с, принимаемая в зависимости от требуемого диаметра задерживаемых частиц песка

 

=11,5 м.

 

Площадь живого сечения

 

ω =Q/υ

ω=0,05/0,007=7,14 м²

 

Определяем ширину

 

В_set= ω/H_s=7,14/1,5=4,76 м.

 

Количество осадка Q_mud, м³/ч, выделяемого при отстаивании определем исходя из концентрации взвешенных веществ в поступающей воде C_en и концентрации взвешенных веществ в осветленной воде C_ex:

 

 

где q_w — расход сточных вод, м³/ч;

r_mud — влажность осадка, %; r_mud=95%

g_mud — плотность осадка, г/см³. g_mud=1,05 г/см³

 

=0,3 м³/ч

Принимая по внимание, что при проектировании очистных установок, как правило, применяются типовые или экспериментальные конструкции отстойных сооружений с известными геометрическими размерами, за расчетную величину следует принимать производительность одного отстойника q_set, при которой обеспечивается заданный эффект очистки. После расчета q_set исходя из общего расхода сточных вод определяется количество рабочих единиц отстойников N

N =

 

Производительность одного отстойника q_set, м³/ч, следует определять исходя из заданных геометрических размеров сооружения и требуемого эффекта осветления сточных вод по формуле

= 272,8 м³/ч

N = 175,5/272,8 =0,6

 

Из расчетов видно, что на очистных сооружения будет один первичный отстойник.

 

Радиальный отстойник

Широкое применение для очистки производственных сточных вод на больших заводах находят радиальные отстойники, обладающие высокой производительностью. На рис. представлена схема радиального отстойника. Подача шлама в шламосборник осуществляется вращающимся механическим скребком.

Рис.5. Схема радиального отстойника

1 - входная труба; 2 - отводящая труба; 3 - шламосборник; 4 - канал вывода шлама; 5 - механический скребок

 

Расчетное значение гидравлической крупности u ₀, мм/с,

 

H_set — глубина проточной части в отстойнике, м; H_set =1,5м

K_set — коэффициент использования объема проточной части отстойника; K_set =0,45

t_set — продолжительность отстаивания, с, t_set =7200с.

n ₂ — показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения; для городских сточных вод следует определять по черт. 2.

n ₂=0,44, h₁=500мм.

 

=1,82 мм

 

Расчетный объем W

W==q_max* t_set =0,05*7200=360м³

F_круг= W/ H_set =360/1,5=240м²

,

 

отсюда следует, что

 

=17,5

 

Колличество отстойников рассчитывается по формуле N = .       

Производительность одного радиального отстойника q_set, м³/ч, следует определять исходя из заданных геометрических размеров сооружения и требуемого эффекта осветления сточных вод по формуле

 

 

где К_set — коэффициент использования объема, принимаемый по табл. 31;

К_set = 0,5;

D_set — диаметр отстойника, м;

D_set = 17,5 м;

d_en —диаметр впускного устройства, м;

d_en = 0,2 м;

u ₀ — гидравлическая крупность задерживаемых частиц, мм/с, определяемая по формуле (30);

u ₀ = 1,82 мм;

v_tb — турбулентная составляющая, мм/с, принимаемая по табл. 32 в зависимости от скорости потока в отстойнике v_w, мм/с;

v_tb = 0,05 мм/с;

 

 

N = 175,5/42,9 =4

 

Из расчетов видно, что на очистных сооружения будет 4 первичных радиальных отстойников.

 

Таблица 2.Сравнение отстойников

Параметры	Горизонтальный отстойник	Радиальный отстойник
Количество, шт.	1	1
Длина/ диаметр, м	11,5	17,5
Глубина, м	1,5	1,5
Ширина, м	4,76
Площадь, м2	87,108	240
«+»конструкции	простота конструкции, возможность использования одного сгребающего механизма	Высокий эффект очистки
«-»конструкции	Быстрый износ сгребающего оборудования, большие размеры сооружения	Дорогой с экономической точки зрения

 

Исходя из полученных расчетов экономически выгоднее использование горизонтального отстойника, если сравнивать размеры сооружений, то предпочтение так же отдается горизонтальному отстойнику.