Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»

Кафедра «Радиационная экология и безопасность жизнедеятельности»

Утверждены научно-методическим

советом БГИТА

протокол № ___ от «____» __________ 2011 года

Системы защиты среды обитания

Методические указания к выполнению практических работ

для студентов специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности

в техносфере»

Часть 2

Брянск 2011

УДК 504(076)

Системы защиты среды обитания: метод.указания к выполнению практических работ для студентов специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» Часть 2 / Брянск. Гос. инженер.технол. акад. Сост. Ю.А. Дроздовская - Брянск, 2011. – 48 с.

В методических указаниях предложены 9 практических работ, которые согласуются с курсом лекций по дисциплине «Системы защиты среды обитания» и позволяют получить навыки расчёта устройств для защиты гидросферы от сбросов вредных веществ. Данные методические указания предназначены для студентов специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере».

Рецензент:к с.-х. н., доцент Левкина Г.В..

Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями инженерно-экологического факультета БГИТА.

Протокол № ____ от ____________ 2011 г

Содержание

Введение…………………………………………………………………….. Практическая работа № 1.Расчёт решёток……………………………….. Практическая работа № 2. Расчёт песколовок……………………………. Практическая работа № 3. Расчёт усреднителей…………………………. Практическая работа № 4. Расчёт отстойников…………………………... Практическая работа № 5. Расчёт нефтеловушек………………………… Практическая работа № 6. Расчёт гидроциклонов……………………….. Практическая работа № 7. Расчёт ионообменных фильтров…………….. Практическая работа № 8. Расчёт биологических фильтров…………….. Практическая работа № 9. Расчёт аэротенков……………………………. Список используемой литературы………………………………………… Приложения

4 5 8 12 16 21 26 31 35 40 46

Введение

Одним из важнейших направлений мероприятий по защите окружающей среды является защита гидросферы от самых разнообразных вредных сбросов, поступающих в водные объекты, как в ходе промышленной деятельности многих предприятий, так и в результате жизнедеятельности живых организмов.

Очистка сточной воды от содержащихся в ней загрязнений, как правило, проводится в несколько стадий. Общим принципом последовательности расположения очистных сооружений является удаление из сточной воды загрязнений по их уменьшающейся крупности.

В представленных методических указаниях рассмотрены, в основном, устройства механической и биологической очистки. В схеме очистной станции сооружения механической очистки могут располагаться как до, так и после сооружений биологической очистки. В первом случае они служат для извлечения наиболее грубых загрязнений, которые встречаются в бытовых, производственных и атмосферных стоках – кусочков дерева, текстиля, остатков фруктов, синтетических материалов, волокон, костей, битого стекла, песка, взвешенных веществ, масло- и нефтепродуктов и др.

Целью данных методических указаний является практическое освоение студентами специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» методов расчёта основных устройств, предназначенных для очистки сточных вод от вредных сбросов. Методические указания могут использоваться на практических занятиях по дисциплине «Системы защиты среды обитания», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Практическая работа № 1.Расчёт решёток

Основные сведения

Решётки применяются для задержания из городских сточных вод крупных и волокнистых материалов и являются сооружениями предварительной очист­ки. Основным элементом решёток является рама с рядом металлических стержней, расположенных па­раллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами, через которую процеживается вода. Для устройства решёток применяют стержни прямо­угольной, прямоугольной с закругленной частью, круглой и другой форм (рисунок 1.1). Стержни прямоугольной формы применяют чаще других. Толщина стреж­ней обычно равна 6-10 мм, ширина прозоров между стержнями обычно прини­мается равной 16 мм.

Рисунок 1.1 – Профили стержней

Решетки устанавливаются в расширенных каналах, называемых камерами. Движение воды происходит самотеком. Решетки подразделяются на вертикальные и наклонные, а также на подвижные и непод­вижные (рисунок 1.2).Решетки очищаются граблями. Для удобства съема загрязнений ре­шетки часто устанавли­вают под углом к гори­зонту α=60-70°. При большом количестве улавливаемых отбросов (более 0,1 м /сут) их уда­ление и подъем из воды механизируется. Задержанные за­грязнения подвергаются дроблению на специ­альных дробилках, а затем или сбрасываются в поток воды, или транспортируются в метантенки на сбраживание.

Рисунок 1.2 – Решётка с ручной очисткой

Размер решеток определяется из условия обеспечения в прозорах решеток оптимальной скорости 0,8-1,0 м/с при максимальном рас­ходе сточных вод. Исходя из общей ширины решеток, подбирается необходимое количество рабочих решеток, дополнительно устанавливают 1-2 резервные решетки и пре­дусматривают обводной канал для пропуска воды в случае аварийного засора решеток.

Решетки размещают в отапливаемых и вентилируемых помещениях. В мес­те установки на дне камеры выполняется уступ, равный величине потерь напо­ра в решетке h_p. Между решетками для их обслуживания предусматривают проходы шириной не менее 1,2 м – для механических решеток и 0,7 м – для решеток с ручной очисткой.

Методика расчёта

1) Определяют количество прозоров

(1.1)

где К= 1,05 – коэффициент, учитывающий стеснение прозоров решётки за­держанными загрязнениями, Q– расход сточных вод, b = 16-25 мм – ширина прозора; Н– глубина коллектора, W_П — скорость движения воды в прозорах, обычно W_П = 0,8-1,0 м/с.

2) Определяют ширину решетки

(1.2)

где δ — толщина стержней решетки.

3) Выбирают количество решёток и находят ширину каждой из них по формуле:

(1.3)

4) Определяют перепад давлений сточной воды на решетке

(1.4)

где W = 0,7-0,8 м/с – скорость движения сточной воды в коллекторе перед решёткой, К_с= 2-3 – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивле­ния решетки в процессе осаждения в её прозорах примесей сточных вод, ρ – плотность сточной воды, кг/м³; ξ– коэффициент местного сопротивления решетки, рассчитываемый по формуле

(1.5)

где β – коэффициент, характеризующий форму поперечного сечения стержней (для круглых стержней β = 1,79, для прямоугольных – 2,42 и для овальных – 1,83), α– угол наклона решётки к горизонту.

Задание

Определить геометрические параметры решёток для очистки бытовых сточных вод расходом 176400 м³/сут. Скорость движения сточной воды в прозорах принять равной 1 м/с, ширину прозоров решётки – 0,016 м. Стержни прямоугольные толщиной 0,008 м. Глубина воды в коллекторе 1,5 м. Количество используемых решёток – 2. Остальные недостающие данные принять самостоятельно.

Практическая работа № 2. Расчёт песколовок

Общие сведения

Для предварительного выделения из сточных вод нерастворенных мине­ральных примесей (песка, шлака, боя стекла и др.) под действием силы тяжести применяются песколовки. Песколовки предусматриваются в составе очистных сооружений при производительности свыше 100 м/сут. Количество песколовок или отделений должно быть не менее двух, причем все – рабочие.

По направлению движения воды песколовки подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением жидкости; последние подразделяются на тангенциальные и аэрируемые.

При объеме улавливаемого осадка до 0,1 м³/сут допускается удалять осадок вручную, при большем объеме выгрузка осадка механизируется.

Горизонтальные песколовки представляют собой удлиненные в плане сооружения с прямоугольным по­перечным сечением (рисунок 2.1). Они применяются при расходах стоков свыше 10000 м³/сут. Основными элементами песколовки являются: входной и выходной каналы; бункер для сбора осадка, располагаемый в начале песколовки. Кроме этого, в песколовке имеются механизм для перемещения осадка в бункер и гидроэлеватор для удаления песка. Механизмы применяются двух типов: цепные и тележечные. Цепные механизмы состоят их двух беско­нечных цепей, расположенных по краям песколовки, с закрепленными на них скребками. Механизмы тележечного типа состоят из тележки, пере­мещаемой над песколовкой по рельсам вперед и назад, на которой подвешива­ется скребок.

1 – цепной скребковый механизм; 2 – гидроэлеватор; 3 – бункер

Рисунок 2.1 – Горизонтальная песколовка

Оптимальная скорость движения воды в горизонтальных песколовках v = 0,15-0,3 м/с, гидравлическая крупность задерживаемого пескаu₀= 18-24мм/с.

Разновидностью этого типа песколовок является песколовка с круговым движением жидкости. Она представляет собой круглый резервуар конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды.

Вертикальные песколовки используются в полураздельных систе­мах и на станциях очистки поверхностных вод, поскольку они удобны для накопления большого количества осадка. Максимальный расход сточных вод для вертикальных пес­коловок составляет 10000 м/сут. Гидравлическая крупность песка такая же, как и у горизонтальных песколовок. Песколовки имеют цилиндрическую форму с подводом воды по касательной с двух сторон, а отводом – кольцевым лотком (рисунок 2.2).Недостаток этих песколовок заключается в большой продолжительности пребывания воды в сооружении.

Тангенциальные песколовки имеют круглую в плане форму и касательный подвод воды, который обеспечивает винтообразное движение жидкости по касательной к стенкам песколовки (рисунок 2.3). На периферии вода движется вниз, а в центре – вверх. Область применения тангенциальных песколовок - при расходах сточных вод до 75 000 м³/сут.

Аэрируемые песколовки имеют удлиненную форму в плане и прямоугольное, полигональное или близкое к эллиптическому поперечное сечение (рисунок 2.4). Вдоль одной из стенок песколовки прокладывается аэратор из дырчатых труб на глубине 2/3 от общей глубины. Благодаря этому поток приобретает вращательное движение с перемещением его у днища от одной стенки к другой. Суммирование поступательного и вращательного движений приводит к винто­вому движению воды вдоль песколовки. Продольная скорость составляет 0,05­-0,10 м/с, вращательная скорость – 0,3 м/с. Аэрируемые песколовки использу­ются при расходах свыше 20000 м³/сут.

Аэрируемые песколовки одновременно могут использоваться для улавлива­ния всплывающих загрязнений (жиров, нефтепродуктов и др.). Для этого вдоль всей песколовки полупогружной перегородкой отделяется специальная зона для выделения и накопления всплывающих загрязнений.

Область применения различных типов песколовок представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Область применения различных типов песколовок

Методика расчёта горизонтальных песколовок

Расчет песколовки сводится к определению ее длины и осуществляется в следующем порядке:

1) Рассчитывают площадь живого сечения одного отделения песколовки

S (2.1)

где W_х = 0,15-0,3 м/с – скорость горизонтального движения сточной воды в песколовке; n– количество отделений песколовки.

2) Определяют глубину проточной части песколовки, исходя из условия

<τ_пp, (2.2)

где τ_пp = 30-100 с – время движения сточной воды в песколовке; W₀ – ско­рость свободного осаждения частицы в воде при отсутствии в ней возмуще­ний, определяемая по формуле

W₀ (2.3)

где g – ускорение свободного падения, м/с², d_ч– средний диаметр части­цы загрязнений, м, ρ_ч и ρ_в– плотности частицы и воды соответственно, кг/м³, µ_в– динамическая вязкость воды, Па·с.

3) Находят длину песколовки

L = (2.4)

где k– коэффициент, учитывающий влияние турбулентности и других воз­мущающих факторов на работу песколовки, определяется по данным таблицы 2.1 или по формуле

k = (2.5)

Таблица 2.1 – Значение коэффициента k

dч, мм	W0, мм/с	Значение k для песколовок
		горизонталь-ных	аэрируемых при B/H
			1,0	1,25	1,5
0,15	13,2	-	2,62	2,5	2,39
0,20	18,7	1,7	2,43	2,25	2,08
0,25	24,2	1,3	-	-	-

Задание

Рассчитать горизонтальную песколовку, состоящую из 4 отделений, для очистки сточных вод с расходом 117600 м³/сут. Скорость горизонтального течения сточной воды 0,3 м/с, расчётный диаметр частиц 0,2 мм, время движения сточной воды в песколовке 30 с.

Практическая работа № 3. Расчёт усреднителей

Существенное уменьшение объема очистных сооружений и стоимости очи­стки достигается с помощью усреднения расхода сточных вод и концентрации загрязнителей. Усреднение позволяет рассчитывать все последующие сооруже­ния технологической цепочки не на максимальные, а на некоторые средние значения параметров стока.

Различают три вида нестационарности потока:

• залповые сбросы высококонцентрированных сточных вод;

• циклические колебания;

• произвольный (случайный) характер колебаний.

Расчет объема усреднителя проводится в зависимости от требований к рас­ходу и концентрации загрязнителей на выходе из усреднителя, а также характе­ра колебаний в потоке.

При небольших расходах и периодическом сбросе воды используют кон­тактные усреднители. Однако, как правило, применяют усреднители проточ­ного типа, которые выполняются в виде многоканальных резервуаров или ре­зервуаров с перемешивающими устройствами.

Усреднители в основном проектируются в составе локальных станций очи­стки промышленных сточных вод.

Различают следующие типы проточных усреднителей:

• многоканальные - прямоугольные и круглые в плане, с неравномерным распределением расхода воды по каналам;

• усреднители-смесители (усреднители с перемешивающими устройствами) барботажного типа и с механическим перемешиванием.

Тип усреднителя выбирается в зависимости от характера и количества нерастворенных компонентов (например, взвешенных веществ), а также динами­ки поступления сточной воды.

Многоканальные усреднители применяются для выравнивания залповых сбросов сточных вод с содержанием взвешенных веществ гидравлической крупностью до 5 мм/с при концентрации до 500 мг/л.

Усреднение в таких устройствах происходит путем распределения потока воды, который делится на несколько струй, протекающих по коридорам усред­нителя. Коридоры имеют разную длину (или ширину), поэтому в сборном лотке смешиваются струи воды с различной концентрацией загрязнителей, посту­пивших в усреднитель в разное время. На рисунке 3.1 представлены два вида мно­гоканальных усреднителей – прямоугольный и круглый.

а - прямоугольный; б - круглый

1- канал подачи воды; 2- распределительный лоток; 3- сборный лоток; 4- глухая перегородка; 5- канал отвода воды

Рисунок 3.1 – Многоканальные усреднители c различной длиной каналов

Усреднитель-смеситель барботажного типа следует применять для усреднения состава сточных вод с содержанием взвешенных веществ до 500 мг/л гидравлической крупно­стью до 10 мм/с при любом режиме их поступления. Усреднение в этом случае достигается с помощью интенсивного перемеши­вания, обеспечиваемого барботированием сточных вод воздухом (рисунок 3.2).

Одним из важных условий эффективного усреднения является максимально равномерное распределение сточных вод по площади усреднителя барботажного типа. Для этого используются системы подающих лотков с придонными водосливными окнами или треугольными водосливами.

В качестве барботёров используются перфорированные трубы с отверстия­ми диаметром 3 мм, прокладываемые горизонтально на подставках высотой 6-10 см. Барботёры бывают пристенные, которые создают один циркуляцион­ный поток, и промежуточные, создающие два циркуляционных потока.

Усреднители-смесители с механическим перемешиванием применяют для усреднения состава сточных вод с со­держанием взвешенных веществ свыше 500 мг/л при любом режиме их поступ­ления. Усреднители оборудуются отстойной зоной.

1 - подающий лоток; 2- впускные отверстия; 3- барботёр; 4- выпускное устройство; 5 - выпускная камера

Рисунок 3.2 – Усреднитель с барботированием воды

Методика расчёта

Расчет многокоридорных усреднителей при залповых сбросах высококонцентрированных сточных вод

1) Объем усреднителя определяют по формуле:

V = (3.1)

где Q– расход сточных вод, м³/ч, τ_з– длительность залпового сброса, ч; К– коэффициент усреднения, определяемый по формуле:

К = (3.2)

где С_max – максимальная концентрация загрязнений в залповом сбросе, г/м; C_cp – средняя концентрация загрязнений в сточной воде; С_доп – кон­центрация загрязнений в сточной воде, допускаемая по условиям работы по­следующих очистных сооружений.

Расчет усреднителя с перемешивающим устройством при залповом сбросе

1) По формуле (3.2) определяют коэффициент усреднения.

2) С учетом полученного значения К рассчитывают объем усреднителя:

при К< 5 V = (3.3)

при К≥ 5 V = 1 (3.4)

Расчет усреднителя с перемешивающим устройством при циклических сбросах

1) По формуле (3.2) определяют коэффициент усреднения.

2) С учетом полученного значения К рассчитывают объем усреднителя:

при К< 5 V = (3.5)

при К ≥ 5 V = 0,21Qτ_кК (3.6)

где τ_к – период цикла колебаний, ч.

Задание

Определить объем и размеры коридорного усреднителя, состоящего из2 отделений глубиной Н=1,5 м, при залповом сбросе высококонцентрированных сточных вод в течение τ_з=0,5 ч. Расход сточных вод составляет 80 м³/ч, С_mах=450 мг/л, С_ср=85 мг/л, допус­тимая концентрация загрязнений по условиям нормальной работы после­дующих очистных сооружений С_доп=140 мг/л.

Практическая работа № 4. Расчёт отстойника

Общие сведения

Отстойные сооружения, используемые на очистных сооружениях канализа­ции, классифицируются:

- по характеру работы: подразделяются на периодического действия (кон­тактные) и непрерывного действия (проточные);

- по технологической роли: делятся на первичные отстойники (для осветле­ния сточной воды), вторичные отстойники (для отстаивания воды, про­шедшей биологическую очистку) и третичные отстойники (для доочистки), илоуплотнители, осадкоуплотнители;

- по направлению движения потока воды: бывают вертикальные, горизон­тальные, радиальные (разновидности: с центральным, периферийным и с радиальным подвижным впуском воды) и наклонные тонкослойные (в зави­симости от схемы движения воды и осадка бывают прямоточными, противоточными и перекрестными);

- по способу обеспечения флокуляции взвешенных веществ: активная флокуляция (достигается путем аэрации, механического перемешивания или реагентной обработкой) и пассивная флокуляция (разновидности: в сво­бодном объеме или в контактной среде);

- по способу выгрузки осадка: сооружения со скребковыми механизмами, илососами и гидросмывом.

Горизонтальные отстойники представляют собой резервуары с прямо­угольным сечением, изготавливаемые, как правило, из железобетона (рисунок 4.1). Применяются на очистных сооружениях канализации производительностью 15-100 тыс. м³/сут. Для бо­лее равномерного распределения очищаемой воды по сечению отстойника он разделен продольными перегородками на секции длиной 3-6 м. Дно от­стойника должно иметь уклон не менее 0,01 в направлении, обратном движе­нию воды, и поперечные уклоны не менее 0,05.

Для удаления осадка из отстойника используют скребковые транспорте­ры, сгребающие осадок в приямок с последующим удалением его эжектором или насосом. В некоторых случаях осадок удаляют через специальную дре­нажную систему, укладываемую на дне отстойника.

Вертикальные отстойники применяются на очистных сооружениях производительностью 2-20 тыс. м³/сут. Представляют собой круглые в плане резервуары с коническим днищем, в которых поток осветляемой воды движется в вертикальном направлении. Вертикальные отстойники бывают с центральным впуском воды, с нисходяще-восходящим движением воды, с периферийным впуском воды.

В отстойниках с центральным впуском (рисунок 4.2) сточная вода опускается вниз по центральной раструбной трубе, отражается от конусного отражательного щита и поступает в зону осветления. Происходит флокуляция частиц, причем те из них, гидравлическая крупность которых u₀ превосходит скорость восходящего вертикального потока у_верт, выпадают в осадок. Для городских сточных вод скорость восходящего потока составляет 0,5-0,7 мм/с. Осветленная вода соби­рается периферийным сборным лотком, всплывающие жировые вещества соби­раются кольцевым лотком. Эффект осветления в таких отстойниках невысок и составляет не больше 40%. Более совершенными являются вертикальные отстойники с нисхо­дяще-восходящим движением воды. Их эффективность составляет 60 – 65%.

1 –центральная труба; 2–зона отстаивания; 3 – осадочная часть; 4– отражательный щит; 5 – периферийный сборный лоток; 6 – кольцевой лоток; 7– удаление осадка

Рисунок 4.2 – Вертикальный отстойник с центральным впуском

Радиальные отстойники представляют собой цилиндрические железобе­тонные резервуары, в которые очищаемая вода поступает по оси цилиндра снизу вверх. Далее вода переливается через воронку на дно и через отверстия в цилиндрической стенке движется к периферии. Медленно вращающаяся металлическая форма со скребками сгребает осадок к центру отстойника, от­куда он откачивается. Очищенная вода поступает в кольцевой лоток и отво­дится из отстойника (рисунок 4.3).

1- подача сточной воды; 2- сборный лоток; 3- отстойная зона; 4- иловый приямок; 5- скребковый механизм; 6- удаление осадка

Рисунок 4.3 – Радиальный первичный отстойник

Диаметр типовых радиальных отстойников составляет 18-50 м. Они ис­пользуются на очистных станциях производительностью свыше 20000 м³/сут. Эффект осветления достигает 50-55%.

Методика расчёта

Расчёт горизонтального отстойника

Основной расчет горизонтальных отстойников заключается в определении длины зоны осаждения, которая при выбранной средней скорости движения воды в отстойнике обеспечит требуемую эффективность очистки.

1. Теоретическая продолжительность пребывания воды в отстойнике составит

τ_р = (4.1)

где L – длина отстойника, м; W – скорость горизонтального движения воды, м/с.

2. Это время должно быть равно продолжительности осаждения взвешенных веществ, определяемой по формуле:

τ = (4.2)

где h_р– глубина зоны осаждения отстойника, выбираемая в соответствии с нормативными документами в диапазоне 2,5-3,5 м; W₀ — скорость осаждения взвешенных веществ, м/с.

3. Подставляя значение т в формулу (4.1), получаем

L = (4.3)

4) Однако, действительное время пребывания воды в отстойнике всегда меньше теоретического значения вследствие неравномерного распределения скоростей потока по сечению отстойника, турбулизации потока и т.п. Поэтому для практических расчетов длины отстойника используют формулу:

L = (4.4)

где α – поправочный коэффициент, значения которого приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Значения коэффициента α

Характеристика исходной воды	W0, мм/с	W,мм/с	α
Концентрация взвешенных веществ 200 - 250 мг/л; вода предварительно обработана коагулянтом	0,30 - 0,45	3-6	1,3- 1,8
Концентрация взвешенных веществ более 250 мг/л; вода предварительно обработана коагулянтом	0,50 - 0,60	4-12	1,3-2,0
Концентрация взвешенных веществ более 250 мг/л	0,12-0,15	2-3	1,8-3.5

5) Проверяют, обеспечивается ли следующее условие:

≥ 10 (4.5)

При невыполнении условия необходимо повторить расчёт, задавшись другими параметрами.

6) Ширину отстойника определяют по формуле

В = (4.6)

где Q – расход воды в отстойнике, м³/ч.

7) Если в отстойнике не предусмотрено устройство для постоянного удаления осадка, то объем зоны его накопления и уплотнения рассчитывают по формуле:

V = (4.7)

где С₁ и C₂–концентрация взвешенных веществ в исходной и очищенной воде, Т– период работы отстойника между его очисткой (T ≥ 12 сут), δ — концентрация уплотненного осадка, выбираемая по данным таблицы 4.2.

Таблица 4.2 – Концентрация уплотнённого осадка

Концентрация взвешенных веществ в исходной воде, мг/л	≤ 400	400-1000	1000-2500
Концентрация уплотненного осадка, г/л	50	60	80-100

Расчёт радиального отстойника

1)Определяют эффективность очистки

η = (4.8)

2) Находят скорость осаждения частиц и примесей по формуле:

W₀ (4.9)

где g – ускорение свободного падения, м/с², d_ч – средний диаметр части­цы загрязнений, м, ρ_ч и ρ_в– плотности частицы и воды соответственно, кг/м³, µ_в– динамическая вязкость воды, Па·с.

3) Рассчитывают площадь радиального отстойника

S = a +ΔS (4.10)

где a = 0,2, ΔS– площадь центральной зоны отстойника, в которой практи­чески не происходит осаждения взвешенных веществ, м².

4) Определяют радиус отстойника:

R = (4.11)

5) Находят глубину отстойника в его центральной части:

Н_ц = Н + R_i (4.12)

где Н= 1,2-1,8 м – глубина отстойника на расстоянии Rот его оси; i = 0,04-0,05 –уклон дна отстойника.

Диаметр отверстий в цилиндрической кольцевой стенке выбирают рав­ным 30-40 мм, а их общую площадь определяют из уравнения расхода, приняв скорость движения воды в отверстиях равной 0,3-0,4 м/с.

Задание

Рассчитать горизонтальный отстойник для очистки сточных вод расходом 19100 м³/сут. Концентрация взвешенных веществ в исходной и очищенной воде 260 и 120 мг/л соответственно. Вода предварительно обработана коагулянтом. Период работы отстойника между его очисткой составляет 12 сут. Остальные недостающие параметры подобрать самостоятельно.

Практическая работа № 5. Расчёт нефтеловушек

Общие сведения

Для очистки производственных сточных вод, содержащих всплывающие грубодиспергированные примеси (нефть, легкие смолы, масла) при концентра­ции свыше 100 мг/л, применяются специализированные отстойные сооружения, называемые нефтеловушками, смоло-, маслоуловителями. Продуктоловушки используются с той же целью для отстаивания из воды некоторых специфических веществ, например, парафина из стоков производст­ва синтетических жирных кислот, а также для осаждения твердых механиче­ских примесей.

Нефтеловушки бывают трех видов: горизонтальные, многоярусные (тонкос­лойные) и радиальные.

Горизонтальная нефтеловушка представляет собой отстойник, раз­деленный продольными стенками на параллельные секции (рисунок 5.1).

Сточная вода из отдельно расположенной распределительной камеры по­ступает по самостоятельным трубопроводам через щелевую перегородку в ка­ждую секцию. Освобожденная от нефти вода в конце секции проходит под за­топленной стенкой и через водослив переливается в отводящий трубопровод. Всплывшая нефть сгоняется скребковым механизмом к щелевым поворотным трубам и выводится по ним из секции. Осадок, выпадающий на дно, тем же транспортером сгребается к приямку, откуда его гидроэлеваторами периодически удаляют по илопроводу. Расчетная продолжительность отстаивания должна быть не менее 2 ч, ско­рость движения воды принимается 3-10 мм/с.

Многоярусная (тонкослойная) нефтеловушка является усовершенствован­ной конструкцией горизонтальной ловушки, имеет меньшие габариты, более экономична. Схема работы многоярусной нефтеловушки представлена на рисунке 5.2.

1– подводящая труба; 2– водораспределительная труба; 3– нефтесборная труба; 4– пропорциональное водораспределительное устройство; 5– тонкослойный модуль; 6– скребковый транспортер; 7– трубопровод отвода осветленной воды; 8– гидроэлеватор;

9– отвод осадка

Рисунок 5.2 – Многоярусная нефтеловушка

Сточная вода из отдельно расположенной распределительной камеры по­ступает по трубопроводам в секции нефтеловушки и через поперечную гори­зонтальную распределительную трубу с вертикальными патрубками и диффу­зорами распределяется по ширине и глубине зоны глубокой очистки. Здесь в течение 1-4 мин выделяется основное количество грубодиспергированной неф­ти и осадка. Затем поток проходит через пропорциональное водораспределительное уст­ройство и поступает в полочный блок. Блок работает по перекрестной схеме. Поток осветленной воды проходит под полупогружной перегородкой и выво­дится через водослив и водосборный лоток.

Всплывшие в зоне грубой очистки нефтепродукты отводятся постоянно че­рез щелевую поворотную трубу, над тонкослойными блоками постоянно сго­няются скребками в направлении потока к концу отстойной зоны и через вто­рую поворотную трубу периодически выводятся из сооружения. Осадок удаля­ется с помощью гидроэлеватора.

Радиальные нефтеловушки применяют вместо горизонтальных нефтелову­шек и прудов дополнительного отстаивания. Конструкция нефтеловушек этого типа похожа на конструкцию радиальных отстойников (рисунок 5.3).

1– подача сточной воды; 2– сборный лоток; 3– скребковый механизм; 4 – нефтесборная труба; 5 – направляющий цилиндр; 6 – удаление осадка

Рисунок 5.3 –Радиальная нефтеловушка

Сточная вода поступает в нижнюю часть радиальной нефтеловушки по тру­бопроводу, расположенному под ее днищем и переходящему в вертикальный раструб с направляющим цилиндром. Цилиндр обеспечивает заглубленный впуск воды в отстойную зону сооружения и распределяет воду по всему рабо­чему объему нефтеловушки. Для сбора осветленной воды предусмотрен коль­цевой лоток с пропорциональным водосливом. Всплывшие нефтепродукты сгоняются вращающимся скребком к стационарно расположенной нефтесборной трубе. Осевший осадок сгребается вра­щающимся скребком к центральному приямку, откуда насосом перекачивается в шламонакопитель.

Равномерность распределения и малые скорости движения жидкости спо­собствуют всплыванию мелкодисперсных частиц нефтепродуктов размером до 50 мкм.

Методика расчёта горизонтальных нефтеловушек

1) По пропускной способности нефтеловушки q,м³/ч принимается типовая нефтеловушка или проектируется индивидуально. В таблице А Приложений приведены параметры типовых горизонтальных нефтеловушек. Во втором слу­чае принимается количество секций нефтеловушки n,не менее двух, и расчет проводится в следующем порядке.

2) Назначается ширина секции B,м и глубина отстаиваемого слоя воды H_от, м в зависимости от пропускной способности нефтеловушки q исходя из данных таблицы 5.1.

Таблица 5.1 – Значения ширины секции

q, м3/ч	< 162	> 162
B, м	2-3	6
Hот, м	1,2-1,5	2

3) Рассчитывается гидравлическая крупность частиц нефтиu₀,мм/с:

u₀= (5.1)

где γ_в и γ_н – объемные массы воды (1) и нефти (0,76-0,85), т/м³; d– крупность всплывающих нефтяных частиц, м; µ – динамический коэффициент вязкости сточной воды, Па·с.

При отсутствии данных по кинетике допускается принимать u₀= 0,4-0,6 мм/с.

4) Принимается скорость движения воды v= 3-10 мм/с. Определяется про­должительность всплывания нефтяных частиц t_p, ч:

t_p = (5.2)

5) В зависимости от соотношения v/u₀ по таблице 5.2 принимается коэффициент, учитывающий турбулентность потока воды a.

Таблица 5.2 – Значения коэффициента а

v/u0	0,1	10	15	20
a	1,2	1,5	1,65	1,75

6) Рассчитывается длина отстойной части нефтеловушки L, м:

L =a H_от (5.3)

7) Определяется продолжительность отстаивания , ч:

= (5.4)

Рассчитанная продолжительность должна быть не менее t_p. В противном случае изменяют глубину слоя воды H_от или скорость движения воды v.

8) Определяется количество осадкаQ_ос, выделяемого при отстаивании за сутки, м³/сут:

Q_ос = (5.5)

где Q– суточный расход сточных вод, м³/сут; C_пр– концентрация механических примесей в сточной воде, примерно равная 500 мг/л; Э – эффект задержания осаждающихся примесей, равный для горизонтальных ловушек 60-70%, для многоярусных и радиальных – до 75%; p_ос– влажность осадка, равная для свежевыпавшего осадка– 95% и слежавшегося – 70%; γ_ос– объемная масса частиц осадка, равная 2,65 т/м³.

9) Определяется количество нефтепродуктов Q_н, задержанных за сутки, м³/сут:

Q_н = (5.6)

где C_исх и С_осв – концентрация нефтепродуктов соответственно в исходной и осветленной воде, мг/л; γ_обв – объемная масса обводненных нефтепродуктов, равная 0,95 т/м³.

Задание

Произвести расчёт горизонтальных нефтеловушек. Суточный расход производственных сточных вод равен Q= 7500 м³/сут; расчетный часовой расход q_max=310 м³/ч; содержание нефте­продуктов в поступающей водеС_исх=120 мг/л, диаметр всплывающих частиц d=0,002 м, содержание нефтепродуктов в осветленной воде должно быть С_осв=50 мг/л. Динамический коэффициент вяз­кости сточной воды µ = 0,0055 Па·с. Объемная масса нефтепродуктов составля­ет γ_н = 0,81 т/м³. Остальные данные принять самостоятельно.

Практическая работа № 6. Расчёт гидроциклонов

Общие сведения

Гидроциклоны используют принцип осаждения в поле цен­тробежных ускорений, которое позволяет значительно сократить объем и уве­личить гидравлическую нагрузку по сравнению с отстойными сооружениями.

Гидроциклоны разделяются на два основных типа: открытые и напорные. Вращательное движение в рабочей зоне гидроциклонов создается тангенциаль­ным подводом воды к цилиндрическому корпусу. В конической (нижней) части гидроциклонов накапливается осадок, который осаждается в результате агло­мерации взвешенных частиц.

Открытые гидроциклоны применяются для выделения из сточных вод осе­дающих, преимущественно тяжелых и грубодисперсных всплывающих приме­сей крупностью свыше 0,2 мм/с, а также скоагулированной взвеси (рисунки 6.1 и 6.2).

а - без внутренних устройств; б - с конической диафрагмой; в- с конической диафрагмой и внутренним цилиндром

1– водоподающая труба; 2– шламоотводящая труба;3– водоотводящая труба;4– полупогружная кольцевая стенка; 5– кольцевой водослив; 6– водосборный кольцевой лоток; 7– коническая диафрагма; 8– цилиндрическая перегородка

Рисунок 6.1 – Схемы открытых гидроциклонов

Открытые гидроциклоны применяются пяти типов:

• без внутренних устройств (вставок);

• с конической диафрагмой;

• с конической диафрагмой и внутренним цилиндром (перегородкой);

• многоярусные с центральным выпуском;

• многоярусные с периферийным отводом воды.

а - с центральными выпусками; б - с периферийным отбором

1– водоподающая труба;2– шламоотводящая труба;3– водоотводящая труба; 4– полупогружная кольцевая стенка; 5– кольцевой водослив; 6– водосборный кольцевой лоток; 7– конические диафрагмы; 8– направляющая диафрагма; 9– промежуточные диа­фрагмы; 10– нижние диафрагмы; 11– шламоотводящая шахта

Рисунок 6.2 – Схемы многоярусных гидроциклонов

Открытые гидроциклоны без внутренних вставок рекомендуется применять для задержания крупно- и мелкодисперсных примесей гидравлической крупно­стью 5 мм/с и более. Гидроциклоны с конической диафрагмой предназначены для выделения мелкодисперсных взвешенных веществ гидравлической крупно­стью более 0,2-0,3 мм/с при относительно небольших расходах – до 200 м³/ч. Цилиндрическая перегородка в гидроциклоне способствует возникновению циркуляционного замкнутого потока, который улучшает качество очистки во­ды.

Многоярусный гидроциклон работает по принципу полочного (тонкослойного) отстой­ника. В такой конструкции конические диа­фрагмы делят весь объем гидроциклона на отдельные ярусы, работающие независимо друг от друга. Многоярусный гидроциклон с периферий­ным отбором осветленной воды имеет кони­ческие диафрагмы специальной конструкции, которые направляют движение воды в четных ярусах прямоточно, в нечетных ярусах – противоточно движению осадка.

Осадок из конической части гидроцикло­нов откачивают насосами, гидроэлеваторами или удаляют под гидростатическим напором.

Напорные гидроциклоны (рисунок 6.3) следу­ет применять для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, главным образом, минерального происхождения. Например, для удаления из сточных вод:

- песка, глины и других минеральных компонентов (стекольные заводы и автохо­зяйства);

- компонентов формовочной земли (ли­тейное производство);

- жира и твердой фазы минерального и ор­ганического происхождения (мясокомбина­ты);

- нефтепродуктов и шлама (нефтепромыс­лы);

- частиц минерального происхождения (свиноводческие промышленные комплексы).

1– питающий патрубок; 2– сливной патрубок; 3– шламовый патрубок

Рисунок 6.3 – Схема напорного гидроциклона

Мулътигидроциклоны (батарейные гидроциклоны) включают десятки или сотни единичных напорных гидроциклонов с малым диаметром (8-75 мм), ко­торые имеют общую питающую, сливную и шламовую камеры.

Методика расчёта открытых гидроциклонов

1) Выбирается тип открытого гидроциклона (без внутренних устройств, с конической диафрагмой, с конической диафрагмой и внутренним цилиндром, многоярусные с центральным выпуском, многоярусные с периферийным отво­дом воды). В таблице 6.1 приведены необходимые для расчета параметры гидро­циклонов.

Таблица 6.1 – Расчётные параметры открытых гидроциклонов

Название конструктивного элемента	Единица измерения	Тип гидроциклонов по рисункам 6.1 и 6.2
		6.1, а	6.1, б	6.1, в	6.2, а	6.2, б
Диаметр аппарата Dгц	м	2-10	2-6	2-6	2-6	2-6
Высота цилиндрической части H	доля от Dгц	Dгц	Dгц	Dгц+0,5	-	-
Размер впускного патрубка den	доля от Dгц	0,07	0,05	0,05	Определяется по скорости входа
Количество впусков n1	шт.	2	2	2	3	3
Угол конической части α	град.	60	60	60	60	60
Угол конуса диафрагм β	град.	-	90	90	90-60	90-60
Диаметр центрального от-верстия в диафрагме dd	доля от Dгц	-	0,5	0,5	0,6-1,4	0,9-1,6*
						0,6-1,0
Диаметр внутреннего цилиндра D1	доля от Dгц	-	-	0,88	-	-
Высота внутреннего цилиндра H1	доля от Dгц	-	-	1,0	-	-
Высота водосливной стен­ки над диафрагмой H2	м	-	0,5	0,5	0,5	0,5
Диаметр водосливной стенки D2	доля от Dгц	Dгц	Dгц+ 0,2	Dгц+ 0,2	Dгц+ 0,2	Dгц+ 0,2
Диаметр полупогружной кольцевой перегородки D3	доля от Dгц	Dгц- 0,2	Dгц	Dгц	Dгц	Dгц
Высота ярусов hя	м	-	-	-	0,1-0,25	0,1-0,2
Число ярусов nя	шт.	-	-	-	4-20	4-20
Зазор между корпусом и диафрагмой ΔD	м	-	0	0	0,05­-0,07	0,1-0,15
Ширина шламоотводящей щели b	м	-	-	-	0,1-0,15	-
Скорость потока на входе в аппарат vвх	м/с	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,5	0,3-0,4	0,3-0,4
Скорость потока на входе в раструб выпуска vвых	м/с	-	-	-	≤0,1	-
Количество выпусков из яруса n3	шт.	-	-	-	3	-
* Над чертой показан размер нижней диафрагмы пары ярусов, под чертой - верхней

2) Определяется коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона K_гц:

- без внутренних устройств: K_гц= 0,61;

- с конической диафрагмой и внутренним цилиндром: K_гц= 1,98;

- многоярусные с центральным выпуском:

K_гц = (6.1)

где n_я – число ярусов (таблица 6.1); D_гц– диаметр гидроци­клона, м (таблица 6.1); d_d – диаметр центрального отверстия диафрагмы, м (таблица 6.1);

- многоярусные с периферийным отводом воды:

K_гц = (6.2)

где n'_я – число пар ярусов (таблица 6.1).

3) Рассчитывается удельная гидравлическая нагрузка на гидроциклон q_гц, м³/(м²·ч):

q_гц= (6.3)

где u₀ – гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с.

4) Находим производительность одного аппарата Q_гц, м³/ч:

Q_гц= (6.4)

5) Определяется количество рабочих аппаратов n, шт:

n = (6.5)

где q_w– максимальный часовой расход сточной воды, м³/ч.

6) По таблице 6.1 принимаются основные размеры гидроциклона.

Задание

Рассчитать открытый гидроциклон с конической диафрагмой и внутренним цилиндром. Максимальный часовой расход производственных сточ­ных вод составляет q_w= 140 м³/ч; стоки содержат грубодисперсные примеси. Требуется задержать тяжелые частицы гидравлической крупностью свыше u₀= 0,25 мм/с. Недостающие данные принять самостоятельно.

Практическая работа № 7. Расчёт ионообменных фильтров

Общие сведения

Ионообменные фильтры используют для глубокой очистки сточных вод от минеральных и органических ионизированных загрязнений и обессолива­ния с последующим повторным использованием очищенной воды в произ­водстве и утилизацией выделенных ценных «загрязнений».

В процессе водоподготовки применяется один из основных методов для удаления из воды примесей – катионирование. Существует Н – катионирование и Na – катионирование. Na – катионирование используется для умягчения воды. Н – катионирование, как процесс используется для обессоливания воды. Процесс использования катионита при Na-катионировании и Н-катионировании на установках водоподготовки протекает в насыпных ионообменных фильтрах. В процессе Na-катионитного умягчения воды, вода проходит через слой катионита и освобождается от ионов жесткости в обмен на эквивалентное количество ионов натрия Na. При прохождении определенного количества воды при определенной жесткости загрузка фильтра насыщается ионами кальция и магния, после чего катионитовый фильтр с истощенным катионитом автоматически становится на регенерацию. Регенерация проходит автоматически 6-10% раствором поваренной соли. Из-за относительно большой концентрации ионов натрия в регенерационном растворе происходит замещение ими поглощенных ранее катионов кальция и магния. Высвобожденные ионы кальция и магния в дальнейшем смываются противотоком в дренаж, после этого катионитовый фильтр автоматически становится в режим фильтрации. Управляющий клапан умягчителя снабжен микрокомпьютером который автоматически управляет процессами фильтрации и регенерации.

К ионообменным фильтрам также относятся анионитные фильтры в СI-форме, которые используются для удаления из воды нитратов, как правило для этого, применяют сорбционный метод, основанный на использовании высокоосновных анионитов. Высокоосновные аниониты способны поглощать из воды нитрат-ионы в обмен на хлорид–ионы. Технология очистки воды при этом достаточно проста. Нитрат-содержащую воду пропускают через слой высокоосновного анионита CI-формы. Работоспособность анионита восстанавливается промывкой раствором поваренной соли. Удаление накопленных веществ и восстановление фильтрующего слоя проводится периодической обратной промывкой.

Сточные воды, подаваемые в ионообменные фильтры, должны отвечать следующим требованиям:

- концентрация солей — не более 3000мг/л;

- концентрация взвешенных веществ — не более 8 мг/л,

- ХПК — не более 8 мг/л.

Методика расчёта

Расчет катионитовых фильтров

1) Находят объем катионита

V_к = (7.1)

где Q –расход очищаемой сточной воды, м³/ч, ΣС₀– суммарная концен­трация всех катионов в исходной сточной воде, г-экв/м³; ΣС_к– допустимая суммарная концентрация всех катионов в очищенной сточной воде, г-экв/м³; n– количество регенераций фильтра в сутки, сут^-1 (обычно не более двух), Е – рабочая обменная емкость катионита по наименее сорбируемому катио­ну, г-экв/м³, вычисляемая по формуле

E = (7.2)

где а_к = 0,8-0,9 –коэффициент эффективности регенерации катионита, Е_П– полная обменная емкость катионита, г-экв/м³, определяемая по паспортным данным катионита (таблица 7.1), К_i=0,5 – коэффициент, учитывающий тип ионита; q_к = 3-4 м³/м³– удельный расход технической воды на отмыв­ку катионита после его регенерации, ΣC_о– суммарная концентрация катионитов в отмывочной воде, г-экв/м³.

Таблица 7.1 – Паспортные данные катионитов

Марка катионита	Размер гранул, мм	Насыпная плотность, т/м3	Средняя рабочая объемная емкость, г-экв/м'		Полная объемная емкость в динамических условиях, г-экв/м3
			при Н+-катиони-ровании	при Na+-катиони-ровании
СМ-1	0,3 - 0,8	0.65	250	400	—
СК.-1	0,5 - 1,1	0,65	200	350	—
КУ-1	0,4 - 2,0	0,63 - 0,75	300	300	550
КУ-2-8	0,315-1,25	0,72 - 0,8	800	800	1850
КУ-2-20	0,315- 1,25	0,8	—	—	1300
КУ-23	0,315- 1,25	0,72	400	—	1100
КБ-4	0,355 - 1,5	0,55-0,72	—	—	2000
КБ-4П-2	0,355 - 1,5	0,7 - 0,8	—	—	2500
КБ-4-10П	0,355 - 1,5	—	—	—	1800

2) Определяют площадь катионитовых фильтров исходя из двух условий: требуемой эффективности очистки (S₁) и справедливости уравнения не­разрывности (S₂):

S₁ = (7.3)

S₂ = (7.4)

где H_к=2-3 м – высота слоя в катионитовом фильтре, выбираемая по тех­ническим характеристикам катионитовых фильтров; W– скорость фильтро­вания сточной воды, м/ч; выбираемая по данным таблицы 7.2.

Таблица 7.2 – Скорость фильтрования сточной воды

ΣС0, г-экв/л	< 0,005	0,005-0,015	0,015 -0.020	>0,02
W, м/ч	20	15	10	8

Если значения отклонений площадей, вычисленных по формулам (7.3) и (7.4), сильно различаются, в формуле (7.1) изменяют количество регенераций фильтра n.

3) По таблице 7.3 определяют перепад давлений в напорных катионитовых фильтрах.

Таблица 7.3 – Перепад давлений

Скорость фильтрования, W, м/ч	Перепад давлений в фильтре, МПа, при размере гранул катионита, мм
	0,3-0,8		0,5- 1,2
	при высоте слоя загрузки, м
	2,0	2,0		2,0	2,0
5	0,050	0,055		0,040	0,045
10	0,055.	0,060		0,050	0,055
15	0,060	0,065		0,055	0,060
20	0,065	0,070		0.060	0,065
25	0,090	0.100		0,070	0,075

Расчет анионитовых фильтров

1) Находят объем анионита

V_а = (7.5)

где ΣС₀ – суммарная концен­трация всех анионов в исходной сточной воде, г-экв/м³; ΣС_к– допустимая суммарная концентрация всех анионов в очищенной сточной воде, г-экв/м³; n – количество регенераций фильтра в сутки, сут^-1 (обычно не более двух), Е – рабочая емкость анионита по наименее сорбируемому анио­ну, г-экв/м³, вычисляемая по формуле

E = (7.6)

где а_а = 0,9 –коэффициент эффективности регенерации анионита, Е_П– полная обменная емкость анионита, г-экв/м³, определяемая по паспортным данным анионита (таблица 7.4), К_i=0,8–коэффициент, учитывающий тип ионита; q_а= 3-4 м³/м³– удельный расход технической воды на отмыв­ку анионита после его регенерации, ΣC_о– суммарная концентрация анионитов в отмывочной воде, г-экв/м³.

Таблица 7.4 – Паспортные данные анионитов

Марка анионита	Размер гранул набу­хающего анионита, мм	Насыпная плотность, т/м3	Полная обменная емкость, г-экв/м3
			по Сl- ионам	по S042-ионам	по SiO32-ионам
АН-2ФН	0,4 - 4,2	0,65 - 0,68	500	700	1700 - 1750
АН-18-8	0,40-1,25	0,68	850	1000	650
АН-18П	0,355 - 1,5	—	1100	—	—
АН-22	0,315-1,25	0,79	1800	—	1000
АН-31	0,4-1,2	0,7 - 0,8	1500	—	1260
АН-221	0,315 - 1,25	0,83	1200	—	860
АН-251	0,63 - 1,6	0,34 - 0,46	1800	—	—
ЭДЭ-10П	0,4-1,8	0,6 - 0,7	800	1000	1020-1160
АВ-17-8	0,355 - 1,25	0,74	650	800	670 - 900
АВ-17-84С	0,40-1,25	—	1050	—	900
АВ-29-12П	0,355 - 1,5	—	1000	—	700

2) Рассчитывают площадь анионитовых фильтров

S = (7.7)

где W = 8 - 20 м/ч – скорость фильтрования сточной воды; t– продолжи­тельность работы фильтра между регенерациями, ч, определяемая по формуле:

t = – (t₁+t₂+t₃) (7.8)

где t₁ = 0,25 ч – продолжительность взрыхления анионита, t₂– продолжи­тельность фильтрования регенерирующего раствора, определяемая исходя из объема раствора и скорости его фильтрования (1,5 - 2 м/ч); t₃ — продолжи­тельность промывки анионита после его регенерации, определяемая исходя из объема промывочной воды и скорости ее фильтрования (5 - 6 м/ч).

3) По таблице 7.3 определяют перепад давлений в анионитовых фильтрах.

Задание

Рассчитать основные параметры катионитового фильтра, пред­назначенного для очистки 51 м/ч сточной воды при непрерывной двухсменной работе. Солесодержание исходной сточной воды составляет 7,7 мг-экв/л, очи­щенной и отмывочной воды – соответственно 1,2 и 1,7 мг-экв/л.

Практическая работа № 8. Расчёт биологических фильтров

Общие сведения

Биофильтр – это сооружение, в котором сточная вода фильтруется через за­грузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образован­ной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих частей (рисунок 8.1):

• фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар круглой или прямоугольной формы в плане (тело биофильтра);

• водораспределительного устройства для равномерного орошения сточной водой поверхности загрузки;

• дренажного устройства для удаления профильтрованной жидкости;

• воздухораспределительного устрой­ства для поступления воздуха внутрь биофильтра.

1 – подача сточных вод;2 – водораспреде­лительное устройство;3 – фильтрующая загрузка;4 – дренажное устройство; 5 – очищенная сточная вода;6 – воздухораспределительное устройство

Рисунок 8.1 – Разрез биофильтра

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней нерастворенные примеси, не осевшие в пер­вичных отстойниках, а также коллоидные и органические вещества, сорбируемые биопленкой. Часть органики микроорганизмы ис­пользуют на увеличение своей биомассы, поэтому масса активной биопленки все время увеличивается. Отработанная и омертвевшая биопленка смывается сточной водой и выносится из тела биофильтра, после чего отделяется от очищенной воды во вторичных отстойниках. Необходимый кислород может поступать в толщу за­грузки естественной и искусственной вентиляцией.

Биофильтры классифицируются по следующим признакам:

• по степени очистки: на полную и неполную биологическую очистку;

• по способу подачи воздуха: с искусственной аэрацией (аэрофильтры) и с ес­тественной подачей воздуха;

• по режиму работы: с рециркуляцией сточной воды (то есть, с возвратом части очищенной жидкости в биофильтр) и без нее;

• по технологической схеме: одно- и двухступенчатые биофильтры;

• по пропускной способности: малой пропускной способности(капельные био­фильтры) и большой(высоконагружаемые);

• по виду и особенностям загрузочного материала: биофильтры с объемной (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и плоскостной (пластмассы, ткани, ас­бестоцемент, керамика, металл и др.) загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой различаются по высоте загрузки: капель­ные имеют высоту 1-2 м, высоконагружаемые - 2-4 м и башенные высотой 8-16 м.

Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на следующие:

• с жесткой засыпной загрузкой (керамические, пластмассовые или металличе­ские насыпные элементы);

• с жесткой блочной загрузкой (гофрированные или плоские листы или про­странственные элементы);

• с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических или пласт­массовых сеток, синтетических тканей, которые крепят на каркасах или укла­дывают в рулонах;

• погружные биофильтры, состоящие из пакета дисков, насажанных на гори­зонтальную ось вращения.

При выборе типа биофильтра и его расчете необходимо учитывать, что применение биофильтра в качестве биологического окислителя наиболее оптимально при расходах вод 12 - 50000 м³/сут. При этом очищаемые бытовые и производственные сточные воды (или их смесь) должны иметь сле­дующие характеристики:

• 6,5 ≤ рН ≤ 8,5;

• 6°С ≤ Т ≤ 30 °С;

• общая концентрация растворенных солей не более 10000 мг/л;

• БПК₂₀ ≤ 300 мг/л при обычной биологической очистке;

• БПК₂₀ ≤ 1000 мг/л при двухступенчатой очистке с рециркуляцией;

• содержание биогенных элементов не менее 5 мг/л в пересчете на азот; не менее 1 мг/л в пересчете на фосфор на каждые 100 мг/л БПК₂₀ сточных вод.

Максимально допустимое содержание вредных веществ приведено в таблице 8.1.

В капельном биофильтре сточная вода подается в виде капель или струй. Ес­тественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность био­фильтра и дренаж. Эти биофильтры рекомендуется применять для полной биологической очистки сточных вод при их расходе не более 1000 м³/сут. Гидравлическая нагрузка на капельных биофильтрах составляет 1-3 м³ на 1 м² поверхности загрузки в сутки. Высота загрузки био­фильтра – 1,5-2 м, материал загрузки – щебень, гравий и галька крупностью 25-40 мм. Рециркуляцию сточной воды на капельных биофильтрах применяют при значении БПК_полн сточной воды свыше 220 мг/л. Очищенная сточная вода может иметь БПК_полн до 15 мг/л.

Таблица 8.1 – Максимально допустимое содержание вредных веществ

Вещество	БПК20, мг/л	ХПК, мг/л	Максимально допустимая концентрация, мг/л	Максималь­ная нагрузка, м3/сут на 1 м3 загрузочного материала
н-Бутиловый спирт	1.43	2,60	420	0,50
Метиловый спирт	1,00	1,50	500	—
Уксусно-этиловый спирт	1,49	1,80	500	1,00
Масляная кислота	1,40	1,78	500	1,00
Стеариновая кислота	1,79	2,94	300	1,00
Формальдегид	0,75	1,07	300	1,00
Кротоновый альдегид	1,60	2,50	250	0,75
Ацетальдегид	1,07	1,82	1000	0,50
Тринитротолуол	-	-	12	0,75
Сульфиды	-	-	180	2,00

Высоконагружаемые биофильтры (аэрофильтры) применяют для полной и неполной биоло­гической очистки на станциях производительностью до 50000 м /сут, и размеща­ют на открытом воздухе. Загрузка имеет рабочую высоту 2-4 м, крупность мате­риала загрузки составляет от 40 до 70 мм. Допустимое значение БПК_полн сточных вод без рециркуляции составляет 300 мг/л. Гидравлическая нагрузка составляет 10 – 30 м³/(м²·сут).

Биофильтры с плоской загрузкой имеют круглую, прямоугольную и восьмигранную форму в пла­не. Высота загрузочного слоя 3-8 м, плотность загрузки 10-250 кг/м³, удельная площадь поверхности 60-250 м²/м³. Гидравлическая нагрузка на 1 м³ объема био­фильтра в сутки составляет 6-18 м³. В качестве загрузки используются блочные, засып­ные и рулонные материалы из пластических масс, металла, асбестоцемента, кера­мики, стекла, дерева, тканей и др.

Погружные биофильтры применяются для полной и неполной биологической очистки бытовых и производственных сточных вод с расходами 1 м³/сут до 150 тыс. м³/сут. Оптимальная область применения – комплексы сооружений про­пускной способностью 500-1000 м³/сут по очистке сточных вод от отдельно стоящих зданий, малых населенных пунктов, кемпингов, домов отдыха, санатори­ев, вахтовых поселков и т.д.

По виду пространственных конструкций погружные биофильтры подразделя­ются на дисковые, шнековые, трубчатые, барабанные.

Методика расчёта

Расчет капельных биофильтров

1) Определяют постоянную скорости окисления органических загряз­нений

K = (8.1)

где L₁ и L₂ –БПК₂₀ исходных и очищенных сточных вод соответственно, мг/л.

2) По таблице 8.2 при известных К и среднезимней температуре сточной воды Т находят высоту биофильтра Ни гидравлическую нагрузку q.

Таблица 8.2 – Параметры для расчёта капельных биофильтров

Гидравлическая нагрузка q, м3/(м2·сут)	Значение К при среднезимней температуре сточной воды, Т, ᵒС
	8		10			12			14
	Высота биофильтра Н, м
	1,5	2,0		1,5	2,0		1,5	2,0		1,5	2,0
1,0	8,0	11,6		9.8	12,6		10,7	13,8		11,4	15,1
1,5	5,9	10,6		7.0	10,9		8.2	11.7		10,0	12,8
2,0	4,9	8,2		5.7	10,0		5,6	10,7		8.0	11,5
2,5	4,3	6,9		4,9	8,3		5.6	Ю.1		6,7	10,7
3,0	3,8	6.0		4.4	7.1		5,0	8,6		5.9	10,2

3) Рассчитывают общую площадь биофильтра, м²:

S = (8.2)

4) Подбирается количество секцийn _с и размеры типовых биофильтров. Число и размеры секций зависят от способа распределения сточной воды по поверхности. Обычно количество секций должно быть не менее 2 и не более 6-8. Все секции рабочие.

В практике проектирования применяют биофильтры прямоугольной формы в плане с размерами сторон 3×3; 3,6×4; 9×12; 12×12; 15×15; 12×18 м и др., с высо­той слоя загрузки 2,3; 3 и 4 м, а также круглой формы в плане диаметром 6, 12, 18, 24, 30 м, с высотой слоя загрузки 2, 3, 4 м.

5) Рассчитывается объем загрузки, м³:

V = n_c·S₁·H (8.3)

где S₁– площадь одной секции биофильтра, м².

6) Определяется объем избыточной биопленки V_изб, выносимой во вторичные отстойники, м³/сут:

V = (8.4)

где q_изб – удельное количество избыточной биопленки, равное 8 г/(чел·сут);P_изб– влажность биопленки, равная 96 %;a– количество БПК₂₀ в сточной воде на одного человека в сутки, г/(чел·сут).

Задание

Рассчитать капельный биофильтр по следующим исходным данным: Q= 820 м³/сут; БПК₂₀ исходной и очищенной сточной воды L₁= 190 мг/л, L₂ = 18 мг/л; средняя температура сточной воды Т=12 ºС. Остальные данные принять самостоятельно.

Практическая работа № 9. Расчёт аэротенков

Общие сведения

Очистка сточных вод в аэротенках происходит с помощью активного ила – биоценоза организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде. Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений. Активный ил в контакте с загрязненной жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития (рисунок 9.1):

Рисунок 9.1 – Зависимость прироста биомассы и снижения БПК от продолжительности аэрации

1) Лаг-фаза I, или фаза адаптации ила к составу сточной воды. Прироста биомассы практически не проис­ходит.

2) Фаза экспоненци­ального роста (фаза ус­коренного роста) II,в которой избыток пита­тельных веществ и от­сутствие продуктов об­мена способствуют мак­симальной скорости размножения клеток.

3) Фаза замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатком питания и накоплением продуктов метаболизма.

4) Фаза нулевого роста IV, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.

5) Фаза эндогенного дыхания (или фазу самоокисления) V, в которой из-за не­достатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.

Технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках:

1) Одноступенчатая схема без регенерации – активный ил подается сосредоточенно вместе со сточной водой на вход в аэротенк. Получаемая иловая смесь в условиях аэрации протекает к вы­ходу из аэротенка и далее на вторичный отстойник, где происходит ее разделение на очищенную воду и активный ил. Активный ил далее разделяется наизбыточ­ный и циркуляционный, последний возвращается в аэротенк (рисунок 9.2).

1– сточная вода; 2– аэротенк; 3– вторич­ный отстойник; 4– очищенная вода; 5 и 6– циркуляционный и избыточный актив­ный ил

Рисунок 9.2 – Одноступенчатая схема очист­ки в аэротенках

2) Одноступенчатая схема с регенерацией активного ила (рисунок 9.3) – в этой схеме реализовано раздельное протекание двух этапов биологической очистки: поглощение загрязнений актив­ным илом из сточной воды, которое про­исходит непосредственно в аэротенке, и окисление этих загрязнений, которое про­текает в регенераторе. Регенератор – это аэрационное сооружение, в котором ак­тивный ил аэрируется без сточной жидко­сти. В аэротенке сточная вода аэрируется примерно 1,5-2,5 ч, в регенераторе – в несколько раз больше.

1– сточная вода;2– аэротенк;3– вторич­ный отстойник;4– очищенная вода;5 и6– циркуляционный и избыточный актив­ный ил; 7 – регенератор ила

Рисунок 9.3 – Одноступенчатая схема очист­ки в аэротенках с регенерацией

3) Двухступенчатая схема без регенерации (рисунок 9.4) целесообразна при высокой концентрации органических веществ в сточной воде, а также при наличии в ней веществ, скорость окисления которых резко отличается. В аэротенках каждой ступени развивается активный ил, наибо­лее адаптированный к данным условиям. Разновидностями такой схемы является схема с регенераторами на каждой ступени, а также схема с перекрестной подачей циркуляционного активного ила (ил с I ступени подается на аэротенк II ступени, а ил со II ступени направляется в аэротенк I ступени).

2 и 2а– аэротенки I и II ступени;3и3а– вторичный отстойник I и II сту­пени;4и4а– очищенная вода после I и II ступени;5и5а– циркуляцион­ный активный ил I и II ступени;6а– избыточный активный ил II ступени

Рисунок 9.4 – Двухступенчатая схема очист­ки в аэротенках без регенерации

Классификация аэротенков по гидравлической схеме работы: (рисунок 9.5)

1 – сточная вода;2 – активный ил;3 – иловая смесь

Рисунок 9.5 – Виды аэротенков

- аэротенки-вытеснители (схема I) - со­оружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них и со сни­жающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения. Такой вид аэротенка позволяет обеспечить высокое качество очистки, однако чувствителен к резким колебаниям расхода и состава стоков;

- аэротенки-смесители (схема II) с под­водом воды и активного ила равномерно вдоль одной из длинных сторон аэротенка. По всему объему аэротенка на­блюдается одинаковая нагрузка на ак­тивный ил. Достоинством аэротенка-смесителя является сглаживание залпо­вых нагрузок на активный ил;

- аэротенки с рассредоточенным вдоль сооружения впускомсточной воды (схема III). Этот вид занимает промежуточное положение между двумя пре­дыдущими. Нагрузка на активный ил меняется циклически по длине сооруже­ния.

Классификация аэротенков по нагрузке на ил:

- высоконагружаемые, в которых нагрузка составляет свыше 500 мг/(г·сут). Биологические процессы в этих аэротенках занимают II и III фазу (см. рисунок 9.1);

- классической (обычной) аэрации, в которых нагрузки составляют свыше 150 мг/(г·сут). Аэрация охватывает III фазу;

- продленной аэрации (полного окисления). Нагрузка на активный ил составляет 65-150 мг/(г·сут). Процесс очистки охватывает III и IV фазы.

Конструкции аэротенков

Конструктивное оформление аэротенков опреде­ляется такими факторами, как производительность очистной станции, состав сточных вод, тип аэрационного оборудования конструкции других сооружений по очистке и т.д. Различают аэротенки с отдельными отстойными сооружениями и аэротенки-отстойники, в которых оба этих сооружения гидравлически связаны и взаимозави­симы. Иловая смесь из аэротенков с отдельными отстойниками выводится в отдельные отстойные сооружения, из которых принудительный возврат циркуляционного ила осуществляется насосными установками. В аэротенках-отстойниках выделяют аэрационную зону, в которой осуществляется аэрация иловой смеси, а также отстойную зону.

Методика расчёта аэротенков-смесителей без регенераторов

1) Принимается доза активного ила в аэротенке a_i = 2-3 г/л.

2) Рассчитывается удельная скорость окисления ρ, мг БПК_полн /(г·ч):

ρ = (9.1)

где ρ_max – максимальная скорость окисления органических загрязнений, мг БПК_полн/(г⋅ч), (принимается по таблице 9.1); L₂ – БПК_полн очищенной сточной воды, мг/л; C_O – концентрация растворенного кислорода, мг/л, (2 мг/л); K_l – константа, характеризующая свойства загрязнений, мг БПК_полн/л, (таблица 9.1); K_O – константа, характеризующая влияние кислорода, мг O₂/л, (таблица 9.1); φ – коэффициент ингибирования, л/г, (таблица 9.1).

3) Рассчитывается период аэрации t_atm, ч:

t_atm = (9.2)

где L₁ – БПК_полн поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила, (таблица 9.1).

4) Рассчитывается нагрузка на активный ил q_i, мг БПК_полн /(г·сут):

q_i = (9.3)

5) По данным таблицы 3.2 методом интерполяции принимается иловый индекс J_i, см³/г, соответствующий нагрузке q_i.

6) Рассчитывается степень рециркуляции активного ила R_i:

R_i = (9.4)

Рассчитанное значение R_i должно быть не менее 0,3 для отстойников с илососами, 0,4 – с илоскребами, 0,6 – при самотечном удалении ила. Если значение меньше минимальной величины, то степень рециркуляции принимается равной минимальной величине.

Таблица 9.1 – Расчетные характеристики отдельных видов сточных вод

Сточные воды	ρmax, мг БПКполн/(г⋅ч)	Kl, мг БПКполн/л	KО, мг O2/л	φ , л/г	s
Городские	85	33	0,625	0,07	0,3
Производственные: а) нефтеперерабатывающих заводов: I система II система	33 59	3 24	1,81 1,66	0,17 0,158	— —
б) азотной промышленности	140	6	2,4	1,11	—
в) заводов синтетического каучука	80	30	0,6	0,06	0,15
г) целлюлозно-бумажной промышленности: сульфатно-целлюлозное производство сульфитно-целлюлозное производство	650 700	100 90	1,5 1,6	2 2	0,16 0,17
д) заводов искусственного волокна (вискозы)	90	35	0,7	0,27	—
е) фабрик первичной обработки шерсти: I ступень II ступень	32 6	156 33	— —	0,23 0,2	— —
ж) дрожжевых заводов	232	90	1,66	0,16	0,35
з) заводов органического синтеза	83	200	1,7	0,27	—
и) микробиологической промышленности: производство лизина производство биовита и витамицина	280 1720	28 167	1,67 1,5	0,17 0,98	0,15 0,12
к) свинооткормочных комплексов: I ступень II ступень	454 15	55 72	1,65 1,68	0,176 0,171	0,25 0,3

Таблица 9.2 – Значения илового индекса

Сточные воды	Иловый индекс Ji, см3/г, при нагрузке на ил qi, мг/(г⋅сут)
	100	200	300	400	500	600
Городские Производственные: - нефтеперерабатывающих заводов - заводов синтетического каучука - комбинатов искусственного волокна - целлюлозно-бумажных комбинатов - химкомбинатов азотной промышленности	130 — — — — —	100 110 100 300 220 90	70 70 40 200 150 60	80 80 70 250 170 75	95 120 100 280 200 90	130 160 130 400 220 120

7) Определяется объем аэротенков V_atm, м³:

V_atm = q_расчt_atm (9.5)

где q_расч – расчетный расход сточной воды, м³/ч.

8) По таблице Б Приложений выбирается типовой проект аэротенка, подбирается число секций n_с (не менее двух, при суточном расходе до 50000 м³/сут – 4 - 6, при большем расходе – 6 - 8). Длина аэротенка l_at, м, определяется по формуле:

l_at = (9.6)

где n_к – число коридоров в одной секции; b_к – ширина коридора, м; H – рабочая глубина аэротенка, м.

9) Рассчитывается прирост активного ила P_i, мг/л:

P_i = 0,8C_взв + K_gL₁ (9.7)

где C_взв – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л; K_g – коэффициент прироста, принимаемый для городских сточных вод равным 0,3.

Задание

Расчетный расход городских сточных вод q_w = 2370 м /ч; суточный расход Q = 80000 м /сут; БПК_полн поступающей сточной воды L₁ = 135 мг/л; БПК_полн очищенной сточной воды L₂ = 15 мг/л; концентрация взве­шенных веществ в поступающей сточной воде C_взв = 120 мг/л. Рассчитать аэротенки-смесители.