8 Конструктивні розрахунки апаратів

8.1 Решітки-дробарки

У зв’язку з тим, що максимальна витрата стічних вод на очисних спорудах складає 208,3 м³/год, у відповідності з таблицею 2 [15] обираємо марку і кількість решіток-дробарок. В результаті була обрана решітка-дробарка марки РД-400 із наступними технічними характеристиками:

• максимальна виробничість – 420 м³/год;

• ширина щілинних отворів – 10 мм;

• сумарна площа щілинних отворів в барабані F=0,119 м²;

• діаметр барабану – 400 мм;

• частота обертів барабану – 31 хв^-1;

• мощність електродвигуна – 0,8 кВт.

Кількість робочих агрегатів приймаємо рівною N=1, резервних - 1.

Максимальна секундна витрата стічних вод складає q_max.год = 138 дм³/с [9].

За формулою (8.1) визначаємо швидкість руху води в щілинних отворах:

(8.1)

Це значення швидкості знаходиться в припустимих межах для обраної марки решітки-дробарки (1-1,2 м/с) [15].

8.2 Пісковловлювачі

На очисних спорудах м.Селидове застосовують пісковловлювачі типу горизонтальні з круговим рухом рідини. Приймаємо 2 відділення пісковловлювачів n=2.

За формулою (8.2) визначимо необхідну площу живого перерізу одного відділення пісковловлювача ω [15]:

(8.2)

де υ_s – швидкість руху води, м/с визначається за [15].

Розрахуємо довжину окружності піскоуловлювача по середній лінії:

(8.3)

де K_s – коефіціент, що приймають за таблицею [15];

H_s – розрахункова глибина піскоуловлювача, м [15];

u₀ – гідравлічна крупність піску, мм/с [15].

За наступною формулою визначимо діаметр піскоуловлювача:

(8.4)

Розрахуємо тривалість протікання стічних вод у піскоуловлювачі при максимальному притоці:

(8.5)

Тривалість протоку (Т) повинна бути більшою за 30 с. Розраховане Т = 47 с, що задовольняє вимогам.

За формулою (8.6) знаходимо величину зовнішнього діаметра піскоуловлювача [15]:

D = D₀ + B_ж , (8.6)

де B_ж – ширина кільцевого жолоба, м [15].

D = 4,5 + 1,4 = 5,9 м.

Приймаємо типовий проект № 902-2-27 піскоуловлювача з діаметром 6 м.

Далі розраховуємо об’єм бункера одного відділення піскоуловлювача. Для цього попередньо необхідно знайти об’єм осаду, що накопичується в піскоуловлювачі:

(8.7)

де N_пр – приведене населення, що розраховують за формулою (8.8);

q_ос – питома кількість піску, дм³/(доб∙люд) [15].

(8.8)

де Q – добова витрата стічної води, м³/доб;

а – норма водовідведення, що складає 170 дм³/(доб∙люд).

люд.

Знайдене значення підставляємо до формули 8.7:

Знайдемо об’єм бункеру одного відділення піскоуловлювача [15]:

(8.9)

Визначимо висоту конічної частини бункера піскоуловлювача:

(8.10)

де d – діаметр нижньої основи бункера, що дорівнює 0,4 м.

Розрахуємо повну будівничу висоту піскоуловлювача:

H_буд = H_s + h_k + 0,5 , (8.11)

H_буд = 1 + 0,1 + 0,5 = 1,6 м.

8.3 Первинні відстійники

На очисних спорудах використовують первинні вертикальні відстійники. За формулою (8.13) визначимо гідравлічну крупність [15]:

(8.12)

де H_set – глибина проточної частини у відстійнику, м [15];

K_set – коефіціент використання обсягу проточної частини відстійника [15];

t_set – тривалість відстоювання, для міських стічних вод цю величину приймають за [15];

h₁ – глибина шару, що дорівнює 0,5 м;

n₂ – показник ступеню, для міських стічних вод цю величину визначають за [15].

Далі приймаємо кількість відділень відстійника рівне n=10.

Розраховуємо діаметр центральної труби:

(8.13)

де q_max – максимальна секундна витрата стічних вод, м³/с, q_max= 0,138 м³/с [9];

v_en – швидкість руху робочого потоку в центральній трубі, що дорівнює 0,03 м/с.

Визначимо діаметр відстійника по наступній формулі [15]:

(8.14)

де v_tb – швидкість турбулентної складаючої, мм/с, що приймають за [15].

За розрахованим значенням діаметру відстійника за [15] обираємо типовий проект за номером 902-2-166 із збірного залізобетона з діаметром 9 м.

Розраховуємо діаметр раструба і відображального щита. Діаметр раструба дорівнює:

(8.15)

Діаметр відображального щита знаходимо за формулою:

(8.16)

Далі розрахуємо висоту щілини між низом центральної труби і поверхнею відображального щита:

(8.17)

де v_щ – швидкість руху в щілині, що дорівнює 0,02 м/с.

Визначимо загальну висоту циліндричної частини відстійника [15]:

(8.18)

де Н₂ – висота нейтрального шару між низом відображального щита і шаром осаду, що дорівнює 0,3 м;

Н₃ – висота борта відстійника, що дорівнює 0,5 м;

Розрахуємо висоту конічної частини наступним чином:

(8.19)

де α – кут нахилу конічного днища (50 º).

Тоді загальна висота відстійника буде розраховуватись так [15]:

Н = Н_ц + Н_к , (8.20)

Н = 4,0 + 5,36 = 9,36 м.

_{8.4 Аеротенк}

Для конструктивного розрахунку аеротенку приймаються наступні вихідні дані: L_en=250 г/м³ (БСК вихідної стічної води); L_ex=15 г/м³ (БСК очищеної води); q_w=207,86 м³/год (витрата стічних вод); a_i=1,5 кг/м³ (доза активного мулу).

Апарат, для якого наведені розрахунки – аеротенк-витиснювач з регенератором. Розрахунок цього апарату виконується згідно з [16].

Визначимо ступінь рециркуляції активного мулу в аеротенку за формулою (8.21):

(8.21)

де a_i — доза мулу в аеротенці, г/дм³, a_i= 1,5 кг/м³;

J_i — муловий індекс, см³/г, приймається J_i =100 см³/г.

Величина БСК води, що надходить у початок аеротенка-витиснювача L_mix визначається за формулою (8.22) з врахуванням розбавлення циркуляційним мулом [16]:

, (8.22)

Час перебування стічних в аеротенку розраховують за формулою (8.23), в якому значення констант і коефіцієнтів знаходять за [16] (для міських стічних вод) і мають наступні значення: ρ_max=85 мг/(ггод), K_i=33 мг/дм³; K₀=0,626 мг/дм³; φ=0,07 дм³/г; s=0,3. При L_eх=15 мг/дм³ коефіцієнт K_p=1,5. Концентрація кисню приймається рівною С_о=2 мг/дм³.

(8.23)

Доза мулу в регенераторі визначається залежністю:

, (8.24)

Питома швидкість окислення визначається за формулою (8.25), де величини констант і коефіцієнтів приймаються такі ж, як і в формулі (8.23) [16].

(8.25)

Тривалість окислення забруднень розраховують за формулою:

(8.26)

Тривалість регенерації мулу розраховують так:

t_r = t_o - t_at, (8.27)

t_r = 18,0 – 6,74 = 11,26 год.

Тривалість перебування в системі аеротенк-регенератор розраховують наступним чином:

t = (1 + R_i) ∙ t_ato+ Ri ∙ t_r, (8.28)

t = (1+ 0,18) ∙ 6,74 + 0,18 ∙ 11,26 = 9,98 год.

Об’єм аеротенку знаходять за такою формулою [16]:

W_at = t_atv∙ (1+R_i) ∙ q_W , (8.29)

W_at = 6,74∙ (1 + 0,18) ∙207,86 = 1653 м³.

А об’єм регенератору за формулою (8.30):

Wr = t_r ∙ R_i ∙ qw , (8.30)

Wr = 11,26 ∙ 0,18 ∙ 207,86 = 422 м³.

Для уточнення мулового індексу визначаємо середню дозу мулу в системі аеротенк-регенератор за наступною формулою:

, (8.31)

Визначемо також навантаження на мул:

(8.32)

За [16] при q_i=344 мг БСК/г доб, J_i=75 см³/г. Ця величина відрізняється від прийнятої раніше J_i=100 см³/г.

Уточнюємо ступінь рециркуляції з урахуванням J_i=75 см³/г по формулі (8.21) [16]:

Так як ця величина відрізняється від раніше розрахованої, то уточнюємо й інші величини за формулами (8.22) - (8.32).

Тоді L_mix дорівнює за формулою (8.22):

Період перебування стічної води в аеротенку за формулою (8.23):

Доза мулу в регенераторі за формулою (8.24):

Питома швидкість окислення за формулою (8.25):

Тривалість окислення забруднень (за формулою 8.26):

Тривалість регенерації мулу за формулою (8.27) [16]:

t_r = 22,9 – 6,72= 16,18 год.

Об’єм аеротенку за формулою (8.28):

W_at = 6,72∙(1+0,13)∙207,86 = 1578 м³.

Об’єм регенератору за формулою (8.29):

Wr = 16,18∙0,13∙207,86= 438 м³.

Середня доза мулу в системі аеротенк-регенератор за формулою (8.30):

Навантаження на мул за формулою (8.31):

Тепер можна розрахувати загальний об’єм аеротенку і регенератору за формулою [16]:

W=W_at + W_r , (8.33)

W= 1578+438=2016 м³.

Таким чином, регенератор складає 22 % об’єму аеротенка в цілому. Цієї умови дотримуються в тому випадку, коли буде застосований 4-коридорний аеротенк, який дозволяє відвести один коридор під регенератор.

За [5] підбираємо односекційний, n_at=1, 4-коридорний,m_at=4, аеротенк глибиною H_atv=3,2 м, шириною коридору B_atv=4,5 м. Довжина секції становить:

(8.34)

Приймається типовий проект аеротенка 901-2-178 [5] з проектною довжиною секції l_at=42 м, об’ємом однієї секції 2070 м³ (W_at= 2070 м³), що відповідає розрахунковим значенням, незначно їх перевищуючи.

Розраховуємо систему аерації. В аеротенках-витискувачах аератори розташовують нерівномірно відповідно до зниження забруднень. Приймається пневматична система аерації з дрібнобульбашковими аераторами. Визначається питома витрата повітря, м³/м³:

(8.35)

де q₀ – питома витрата кисню повітря, мг на 1 мг знятої БСК приймається при очищенні до L_ex=15-20 мг/дм³, q₀ = 1,1;

K₁ – коефіціент, що враховує тип аерато­ра і приймається для дрібнобульбашкової аерації в залежності від співвідношення площей аерованої зони і аэро­тенка f_az /f_at за [5]. Для попереднього розрахунку приймається f_az/f_at=0,25, К₁ = 1,79;

K₂ – коефіціент, що залежить від глибини занурення аераторів h_a і приймається по [5], при цьому h_a=H_atv-0,3=3,2-0,3, H_atv =2,9 м;

K₃ — коефіціент якості води, для міських стічних вод дорівнює 0,85;

K_T – коефіціент, що враховує температу­ру стічних вод, що слід розраховувати за формулою:

(8.36)

де T_w —температура води влітку, °С.

C_a — розчинність кисню повітря в во­ді, мг/дм³, визначається за формулою:

(8.37)

де C_T — розчинність кисню у воді в залежності від температури і атмосфер­ного тиску [5];

h_a — глибина занурення аератора, м;

C₀ — середня концентрація кисню в аэротенці, мг/дм³; в першому наближенні С₀= 2 мг/дм³.

Розрахуємо необхідні величини. Знайдемо коефіцієнт К_Т за формулою (8.36) [5]:

Знайдемо розчинність кисню у воді (С_а) за формулою (8.37):

Тоді питома витрата повітря можна знайти за формулою (8.35):

Витрата повітря розраховується на забезпечення потреби в кисні в години максимального припливу рідини в аеротенк [5]:

Q_air=q_w∙q_air, (8.38)

Q_air=208,3∙9,93 = 2068,4 м³/год.

За знайденими значеннями q_air і t_at обчислюється середня інтенсивність аерації:

J_a= q_air∙ H_at / t_at , (8.39)

J_a= 9,93 ∙ 3,2 / 6,72 = 4,73 м³/(м²∙год).

Якщо обчислена інтенсивність аерації вища J_a,max для прийнятого значення К₁, необхідно збільшити зону аерації; якщо менша J_a,min – для прийнятого значення К₂ – слід збільшити витрату повітря, прийнявши J_a,min за [5].

Оскільки отримана інтенсивність аерації J_a,min< J_a< J_a,max, площа зони аерації і значення інтенсивності аерації залишаються без змін.

Нині найбільше розповсюдження отримали пневматичні аератори – диспергатори повітря. У [5] наведено порівняльні характеристики аераторів, отримані на основі повідомлень різних виробників.

Приймаємо трубчастий аератор АКВА-ЛАЙН як найбільш продуктивний. Трубчасті аератори складаються з опірного каркаса циліндричної форми і покриття, яке виконує роль диспергатора, з просвітом між ними. Диспергатор АКВА-ЛАЙН виконується у вигляді циліндричної оболонки з пористого поліетилену, яка забезпечує дрібнобульбашкову аерацію з найбільшою витратою повітря і найбільшою ефективністю створення кисню.

Визначимо N, необхідну кількість аераторів АКВА-ЛАЙН:

N = Q_air / Q_ma, (8.40)

де Q_air – необхідна розрахункова витрата повітря, м³/год;

Q_ma – витрата повітря на один аератор, м³/год, приймаємо Q_ma =14 м³/год.

Тоді необхідна кількість аераторів буде такою:

N=2068,4 / 14= 148 шт.

Уточнимо необхідну кількість аераторів, N_ma, з обрахуванням їх продуктивності: 1 м аератора АКВА-ЛАЙН забезпечує 4 м² площі аеротенка дрібнобульбашковою аерацією:

N_ma = l_atv∙ n_at∙ B_atv∙ m_at /4, (8.41)

N_ma=42∙1∙4,5∙4/3= 189 шт.

Приймаємо кількість аераторів – 189 шт. [5].

8.5 Вторинний відстійник

Спочатку розрахуємо навантаження води на поверхню відстійника за формулою:

(8.42)

де H_set – робоча глибина відстійника, м (за [15]);

a_i – доза активного мулу в аеротенку, що дорівнює 1,5 кг/м³;

a_t – необхідна концентрація мулу в проясненій воді, не менш ніж 10 г/м³;

K_ss – коефіціент використання обсягу зони відстоювання, що для радіальних відстійників складає 0,4;

J_i – муловий індекс, см³/г.

Далі приймаємо кількість відділень відстійника, їх чотири (n = 4). Розрахуємо площу одного відділення [15]:

(8.43)

де q_w –годинна витрата води, м³/год.

Визначимо діаметр відстійника за формулою:

(8.44)

За [15] обираємо вторинний відстійник із найближчим до розрахованого значення діаметром, який дорівнює 18 м.

Далі визначаємо загальну висоту відстійника за формулою:

(8.45)

де Н₁ – висота борта над шаром води, що дорівнює 0,3-0,5 м;

Н₂ – висота нейтрального шару (від дна на виході), що дорівнює 0,3 м;

Н₃ – висота шару мулу, що дорівнює 0,3-0,5 м.

8.6 Споруди знезараження стічних вод

До складу споруд знезараження стічних вод належать хлораторна, змішувач та контактні резервуари.

Дезінфекція стоків здійснюється за допомогою робочого розчину гіпохлориту натрія, замість використовуваного раніше рідкого хлору. Як і у випадку з рідким хлором, хлорування відбувається активним хлором – хлорнуватистою кислотою і гіпохлорит-іоном. Кількість активного хлору (кг/год), потрібного для дезінфекції стічної води після повного біологічного очищення, при дозі активного хлору 3 г/м³, визначається за формулою [5]:

(8.46)

Введення хлорного розчину в стічну воду здійснюється за допомогою спеціального апарата - хлоратора, продуктивністю v_Cl, кг/год. Обираємо найбільш розповсюджений хлоратор типу ЛОНИИ-100. За [5] підбираємо хлоратор продуктивністю 1 кг/год, місткістю складу 1,1 т.

В якості змішувача розчину хлорної води з очищувальною водою приймаємо лоток Поршаля, довжина якого приймається в залежності від продуктивності очисних споруд. Для продуктивності 5000 м³/доб за [17] приймаємо лоток Парашаля з довжиною 5,85 м і шириною 3 м.

Тепер перейдемо до розрахунку контактних резервуарів. Визначимо робочий об’єм контактних резервуарів [17]:

(8.47)

де t – тривалість контакту очищуваної води із хлором, 0,5 год.

Контактні резервуари проектують як горизонтальні відстійники. За отриманим об’ємом контактних резервуарів підбираємо типовий проект № 902-1-231 [3] з довжиною L = 12 м, глибиною H = 2,8 м і шириною кожної секції b = 3 м.

Площа поперечного перерізу становить [17]:

(8.48)

Число секцій контактних резервуарів розрахуємо за формулою:

(8.49)

Приймаємо 2 секції контактних резервуарів.

Кількість осаду, що утворюється в контактних резервуарах знаходимо за формулою:

(8.50)

де а – питома кількість осаду, який випадає в контактних резервуарах, 0,5 дм³ на 1 м³ очищуваної води;

Q – добова продуктивність установки, м³/доб.

м³/доб.