Как написать дипломный проект по очистке сточных вод от фенола – полное руководство с расчетами

Введение, где мы определяем цели и задачи проекта

Промышленное производство фенола и его производных неизбежно связано с образованием токсичных сточных вод. Загрязнение водных объектов фенолом наносит серьезный экологический ущерб, так как это вещество губительно для водных экосистем даже в низких концентрациях. Кроме того, предприятия обязаны соблюдать строгие нормативные требования, согласно которым остаточное содержание фенола в сбрасываемой воде не должно превышать предельно допустимых значений, зачастую установленных на уровне ниже 0.1 мг/л.

В этих условиях разработка эффективных и экономически оправданных систем очистки является критически важной задачей. Целью дипломного проекта, посвященного этой теме, является разработка комплексной технологической схемы очистки фенолсодержащих сточных вод для конкретного производственного объекта с последующей оценкой ее технической и экономической эффективности.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд последовательных задач:

1. Провести детальный анализ существующих методов очистки стоков от фенола.
2. Выбрать и обосновать оптимальную технологию, подходящую для заданных условий.
3. Разработать полную технологическую схему и произвести инженерные расчеты основного оборудования.
4. Проработать вопросы компоновки оборудования и генерального плана площадки очистных сооружений.
5. Оценить риски, связанные с процессом, и разработать мероприятия по охране труда и обеспечению безопасности.
6. Подготовить экономическое обоснование, доказывающее целесообразность внедрения проекта.

Обозначив эти задачи, мы можем перейти к первому шагу — глубокому анализу существующих технологий и научных разработок в данной области.

Глава 1. Как устроен аналитический обзор и патентный поиск

Первая глава дипломной работы закладывает теоретический фундамент всего проекта. Ее задача — продемонстрировать глубокое понимание существующих подходов к очистке сточных вод от фенола, чтобы на основе этого анализа сделать обоснованный выбор. Обзор традиционно делят на несколько ключевых направлений.

Физико-химические методы: К ним относятся сорбция на активных углях, экстракция, а также мембранные технологии. Например, обратный осмос способен показывать высочайшую эффективность удаления фенола, превышающую 99%, однако он чувствителен к качеству поступающей воды и требует значительных капитальных затрат.

Химические методы: В эту группу входят реагентное окисление (например, озоном или перекисью водорода) и более сложные процессы продвинутого окисления (AOPs). AOPs особенно эффективны для доочистки стоков от трудноокисляемых соединений и могут использоваться как финишная стадия для достижения сверхнизких остаточных концентраций.

Биологические методы: Этот подход основан на способности акклиматизированных микроорганизмов в составе активного ила использовать фенол в качестве источника питания, разлагая его до безопасных соединений. Биологическая очистка считается одним из самых распространенных и экономически целесообразных методов при средних концентрациях загрязнителя.

Сравнение методов необходимо проводить по единым критериям: эффективность удаления, устойчивость к изменениям нагрузки, капитальные (CAPEX) и эксплуатационные (OPEX) затраты, а также образование и сложность утилизации побочных продуктов (например, отработанного сорбента или избыточного ила).

Важно учитывать, что на эффективность любого метода могут влиять сопутствующие загрязнители в сточной воде. Отдельной частью главы является патентный поиск. Его цель — не просто перечислить патенты, а выявить самые современные и неочевидные инженерные решения, которые могут быть интегрированы в проект для повышения его инновационности. Например, поиск может выявить новые штаммы микроорганизмов, катализаторы для AOPs или конструкции мембранных модулей.

После такого всестороннего анализа мы получаем всю необходимую информацию, чтобы аргументированно выбрать и спроектировать оптимальную технологическую схему для нашего случая.

Глава 2. Разрабатываем и обосновываем технологическую схему

На основе выводов, сделанных в аналитическом обзоре, мы приступаем к сердцу проекта — разработке технологической схемы. Предположим, для нашего случая оптимальным выбором является биологическая очистка как основная ступень, дополненная необходимыми подготовительными и заключительными узлами.

Выбор в пользу биологического метода можно обосновать его высокой эффективностью для средних концентраций фенола и хорошим соотношением затрат и качества очистки. Однако этот метод чувствителен к резким колебаниям состава стоков, что диктует необходимость построения полной технологической цепочки. Логика последовательности аппаратов — ключ к стабильной и эффективной работе.

Стандартная и надежная технологическая схема включает следующие основные узлы:

1. Усреднитель. Это первая и критически важная ступень. Так как производственные стоки поступают неравномерно в течение суток, усреднитель (буферная емкость) выполняет задачу сглаживания пиковых нагрузок и выравнивания концентрации фенола. Это защищает микроорганизмы в аэротенке от токсического шока.
2. Блок корректировки pH. Активный ил эффективно работает в строго определенном диапазоне pH. На этом узле происходит дозирование кислоты или щелочи для приведения водородного показателя к оптимальному значению.
3. Аэротенк (биореактор). Это центральный аппарат схемы. Здесь сточные воды смешиваются с активным илом, а подача воздуха через систему аэрации обеспечивает микроорганизмы кислородом для аэробного разложения фенола.
4. Вторичный отстойник. В этом аппарате происходит разделение очищенной воды и активного ила. Ил, обладая хорошей седиментационной способностью, оседает на дно, а осветленная и очищенная вода отводится на следующую стадию или на сброс.
5. Блок обработки осадка. Часть осевшего ила (возвратный ил) направляется обратно в аэротенк для поддержания необходимой концентрации микроорганизмов, а его избыток выводится из системы и направляется на обезвоживание и дальнейшую утилизацию.

Эта последовательность обеспечивает стабильность процесса и высокую степень очистки. В дипломной работе данная схема должна быть представлена в виде чертежа (технологической схемы) с указанием всех потоков и основного оборудования. Утвердив эту концепцию, мы можем переходить к самой ответственной части — инженерным расчетам.

Глава 3. Проводим инженерные расчеты основного оборудования

Этот раздел превращает концептуальную схему в набор конкретных цифр и параметров, являясь ядром дипломного проекта. Расчеты доказывают работоспособность предложенной технологии и определяют технические характеристики оборудования. Рассмотрим методики для ключевых аппаратов.

Расчет усреднителя сточных вод

Цель — определить его рабочий объем. Расчет базируется на суточном графике притока сточных вод. Сначала составляется таблица или график, показывающий часовой расход стоков (м³/ч) от производства. Затем вычисляется средний часовой расход. Объем усреднителя должен быть достаточным, чтобы «срезать» пиковые притоки, превышающие средний расход, и накопить их для последующей равномерной подачи на очистку.

Методика расчета включает построение интегральной кривой притока и оттока. Разность между максимальным и минимальным значением этой кривой и определяет требуемый регулирующий объем усреднителя.

Расчет аэротенка (биореактора)

Это центральный расчет, определяющий размеры «сердца» всей системы. Его объем (V, м³) рассчитывается на основе нескольких ключевых параметров, главным из которых является гидравлическое время пребывания (HRT). HRT — это среднее время, которое сточная вода проводит в реакторе. Для процессов разложения фенола оно обычно составляет от 12 до 24 часов.

Формула для расчета объема аэротенка проста:

V = Q * HRT

где:

• Q — средний расход сточных вод, м³/ч.
• HRT — гидравлическое время пребывания, ч.

Далее проводится проверочный расчет по нагрузке на ил по ХПК или фенолу, чтобы убедиться, что условия не являются токсичными для микроорганизмов. Известно, что концентрация фенола свыше 500 мг/л может угнетать активность ила. Также необходимо обеспечить оптимальный температурный режим (обычно 25-30°C) и эффективность очистки (снижение ХПК >90%).

Расчет вторичного отстойника

Основная задача — рассчитать его площадь поверхности (F, м²). Расчет ведется исходя из гидравлической крупности активного ила, то есть скорости его осаждения. Восходящий поток воды в отстойнике не должен превышать скорость оседания частиц ила.

Площадь отстойника определяется как отношение максимального часового расхода стоков к допустимой гидравлической нагрузке (скорости восходящего потока), которая принимается по справочным данным в зависимости от индекса ила. Глубина проточной части обычно принимается конструктивно в пределах 3-5 метров.

Расчет насосного оборудования

Для перекачки стоков между аппаратами необходимо подобрать насосы. Ключевые параметры для выбора насоса — производительность (Q, м³/ч) и напор (H, м). Производительность должна соответствовать расходу перекачиваемой жидкости. Напор — это энергия, которую насос должен сообщить жидкости для преодоления сопротивления системы.

Расчет полного напора (Total Dynamic Head, TDH) является комплексной задачей:

TDH = H_geo + ΔH_friction + H_pressure

где:

• H_geo — геодезическая высота подъема (вертикальное расстояние между уровнями жидкости).
• ΔH_friction — потери напора на трение в трубопроводах и местных сопротивлениях (клапаны, отводы).
• H_pressure — разница давлений в конечном и начальном резервуарах.

Проведя эти расчеты, мы получаем спецификацию на основное оборудование и можем переходить к его размещению на площадке.

Глава 4. Проектируем компоновку и генеральный план

После того как основное оборудование рассчитано и определены его габариты, необходимо грамотно разместить его в пространстве. Этот раздел связывает инженерные расчеты с реальными строительными нормами и правилами эргономики.

Логика компоновки подчиняется, в первую очередь, технологическому процессу. Оборудование располагают в соответствии с последовательностью операций, чтобы минимизировать длину трубопроводов и, соответственно, гидравлические потери и капитальные затраты. Основной технологический блок, включающий усреднитель, аэротенк и вторичный отстойник, обычно компонуют максимально компактно.

Помимо основного, необходимо предусмотреть размещение вспомогательного оборудования и систем:

• Воздуходувная станция: Мощные компрессоры (воздуходувки), подающие воздух в аэротенк, являются источником шума, поэтому их размещают в отдельном, звукоизолированном здании.
• Реагентное хозяйство: Склады и установки для дозирования коагулянтов, флокулянтов или реагентов для коррекции pH должны быть расположены удобно и безопасно.
• Насосные станции: Размещаются в непосредственной близости от резервуаров, из которых они откачивают жидкость.

Кроме производственных объектов, на площадке предусматривается административно-бытовой корпус (АБК), включающий помещения для персонала, диспетчерскую и, что особенно важно, химическую лабораторию. Лаборатория необходима для постоянного контроля качества входящих и очищенных сточных вод.

Все эти элементы сводятся воедино на генеральном плане. Это чертеж, на котором показано размещение всех зданий, сооружений, подземных и надземных коммуникаций (трубопроводы, кабели), а также транспортных путей (дороги, проезды). При разработке генплана обязательно учитывается роза ветров и устанавливается санитарно-защитная зона (СЗЗ) — территория, отделяющая промышленный объект от жилой застройки.

Глава 5. Обеспечиваем охрану труда и безопасность процесса

Любой промышленный объект является источником потенциальных опасностей. Задача этой главы — идентифицировать все риски, связанные с проектируемыми очистными сооружениями, и разработать инженерные и организационные решения для их минимизации. Анализ проводится по нескольким ключевым направлениям.

1. Химическая опасность. Основной источник — фенол. Это токсичное вещество, опасное при вдыхании паров и контакте с кожей.

   Меры безопасности: Максимальная герметизация оборудования (резервуары, насосы, трубопроводы), организация приточно-вытяжной вентиляции в производственных помещениях, оснащение персонала соответствующими средствами индивидуальной защиты (СИЗ): противогазами, защитными костюмами, перчатками.

2. Биологическая опасность. Активный ил содержит сложный биоценоз микроорганизмов. Хотя он не относится к патогенным, контакт с ним нежелателен. Персонал должен соблюдать правила гигиены и использовать защитные перчатки.
3. Общепроизводственные риски. К ним относятся:
   • Шум и вибрация: Главные источники — компрессоры воздуходувной станции и мощные насосы. Решения: установка оборудования на виброизолирующие фундаменты, использование шумозащитных кожухов, применение СИЗ (наушники).
   • Опасность поражения электрическим током: Все электрооборудование должно иметь надежное заземление и соответствовать классу защиты для влажных помещений.
   • Работа на высоте: Обслуживание высоких резервуаров и отстойников требует наличия стационарных лестниц, площадок с ограждениями.

Особое внимание уделяется вопросам пожарной и взрывобезопасности. Хотя фенол в водных растворах не горюч, на объекте могут использоваться горючие реагенты, а электрооборудование может стать источником возгорания. Проект должен предусматривать системы автоматической пожарной сигнализации, средства пожаротушения и выбор электрооборудования во взрывозащищенном исполнении, если это требуется по нормам.

Глава 6. Готовим экономическое обоснование проекта

Технически совершенный и безопасный проект будет принят к реализации только в том случае, если он экономически целесообразен. Эта глава призвана доказать, что инвестиции в строительство очистных сооружений окупятся и принесут пользу предприятию.

Расчет традиционно делится на две части: оценка затрат и определение эффекта.

Капитальные затраты (CAPEX)

Это единовременные инвестиции, необходимые для создания объекта. В их структуру входят:

• Стоимость основного технологического оборудования (реакторы, отстойники, насосы, компрессоры).
• Затраты на строительно-монтажные работы (СМР), включая строительство зданий и фундаментов.
• Стоимость проектно-изыскательских работ (ПИР).
• Затраты на прокладку инженерных сетей и благоустройство территории.

Эксплуатационные затраты (OPEX)

Это ежегодные расходы, необходимые для поддержания работы очистных сооружений. Основные статьи:

• Электроэнергия: Самая значительная статья, большую часть которой потребляет воздуходувная станция для аэрации.
• Реагенты: Затраты на вещества для коррекции pH, коагулянты и флокулянты.
• Заработная плата обслуживающего персонала (операторы, лаборанты, слесари).
• Затраты на техническое обслуживание и ремонт оборудования.
• Расходы на утилизацию образующихся отходов (избыточный ил).

Экономический эффект

Это ключевая часть, объясняющая, зачем нужны все эти затраты. Эффект складывается из прямых и косвенных выгод. В первую очередь, это предотвращенный экологический ущерб. Сброс неочищенных стоков влечет за собой колоссальные штрафы, которые многократно превышают затраты на очистку. Таким образом, очистные сооружения — это инструмент управления финансовыми рисками. Во вторую очередь, появляется возможность создания замкнутого водооборотного цикла. Очищенная до требуемых норм вода может быть повторно использована в технологических процессах, что значительно снижает затраты предприятия на закупку свежей воды.

Заключение, где мы подводим итоги и формулируем выводы

В ходе выполнения дипломного проекта была успешно решена поставленная задача — разработана эффективная и обоснованная технология очистки промышленных сточных вод от фенола. Цель работы можно считать полностью достигнутой.

В рамках проекта был проделан следующий путь:

• Проведен системный анализ существующих методов, на основе которого была выбрана технологическая схема на базе биологической очистки как наиболее сбалансированное решение.
• Выполнены детальные инженерные расчеты ключевого оборудования, включая усреднитель, аэротенк и вторичный отстойник, что подтвердило работоспособность схемы.
• Разработаны решения по компоновке оборудования и спроектирован генеральный план объекта с учетом технологических и строительных норм.
• Проанализированы риски и предложены конкретные мероприятия для обеспечения безопасности процесса и охраны труда персонала.
• Доказана экономическая целесообразность проекта за счет предотвращения штрафных санкций и возможности повторного использования очищенной воды.

В качестве итогового проектного предложения рекомендуется к внедрению на предприятиях по производству фенола предложенная технологическая схема, так как она обеспечивает соблюдение строгих экологических нормативов при разумных капитальных и эксплуатационных затратах.

Список источников информации

1. ГОСТ 7.32 -2001 СИБИД Отчет о НИР. Структура и правила оформления.
2. Закон Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды».- М.: Республика.- 1992, 64 с.
3. ГОСТ 12.1.003-74. ССБТ Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.
4. ГОСТ 12.1.001 — 89. ССБТ Общие Требования безопасности.
5. ГОСТ 12.1.002 — 84. ССБТ Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на рабочих местах.
6. ГОСТ 12.1.003 — 83. ССБТ Щум. Общие требования безопасности,
7. ГОСТ 12.1.004 — 91. ССБТ Пожарная безопасность. Общие требования.
8. ГОСТ 12.1.005-88. Система .стандартов безопасности труда. Общие санитарно — гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
9. ГОСТ 12.1.007 — 76. ССБТ Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности,
10. ГОСТ 12. 1.008 — 76. Система стандартов безопасности труда. Биологическая безопасность. Общие требования безопасности.
11. ГОСТ 12.1.010 — 76. ССБТ Взрывобезопасность. Общие требования.
12. ГОСТ 12.1.011 – 78. ССБТ Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний.
13. ГОСТ 12.1.012 –2004. ССБТ Вибрационная безопасность. Общие требования.
14. ГОСТ 12.1.019 — 79. ССБТ Электробезопасность. Общие требования к номенклатуре видов защиты.
15. ГОСТ 12.1.029 — 80. ССБТ Средства и методы защиты от шума. Классификация.
16. ГОСТ 12.1.030-81. ССБТ Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.
17. ГОСТ 12.1.036-81. ССБТ Шум. Допустимые уровни в жилых и общественных зданиях.
18. ГОСТ 12.2.003-91. ССБТ
19. ГОСТ 12.2.007-75. ССБТ Изделия электротехнические. Общее требования безопасности.
20. ГОСТ 12.2.020-76. ССБТ Оборудование взрывозащищенное. Классификация. Маркировка.
21. ГОСТ 12.3.002 — 75. ССБТ Процессы производственные. Общие требования безопасности.
22. ГОСТ 12.4.021 — 75. ССБТ Системы вентиляционные. Общие требования.
23. ГОСТ 17.1.1.03 — 86. Охрана природы. Гидросфера. Классификация водопользователей.
24. ГОСТ 17.1.3.05 – 85. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования охране поверхностных и подземных вод от загрязнение нефтью и нефтепродуктами.
25. ГОСТ 17.1.3.17 – 86. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования охране поверхностных вод от загрязнения.
26. СНиП 23-05-95 Строительные Нормы и Правила (естественное и искусственное освещение)
27. СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы. Стройиздат, 1985.
28. СНиП 2.09.04-87. Административные и бытовые здания. Нормы проектирований. – М.: Стройиздат. – 1987.
29. СНиП П.89-80 Генеральные планы промышленных предприятий. Нормы проектирования. М.: Стройиздат. – 1981.
30. СНиП П.90-81. Производственные здания промышленных предприятий. Нормы проектирования. — М.: Стройиздат. – 1981.
31. Правила защиты поверхностных вод от загрязнений.- Л: Госкомгидромед.-1990.-106 С.
32. НПБ 105-95. Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.
33. ППБ — 01-03. Правила пожарной безопасности в Российской Федерации.-СПб.- 2003.
34. Правила устройства электроустановок. 7-е издание.- М.: Деан, 2001.
35. Правила защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. — М.: Химия. 1977.
36. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справ.изд. в 2-х книгах / Под ред. А.Н. Баратова, А.Я. Корольченко. — М.: Химия, 1990. — 496 с.
37. Общие правила взрывобезопасности для химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. М.: Металлургия. – 1988.
38. Охрана труда в химической промышленности / Г.В. Макаров, А.Я. Васин, Л.К. Маринина. П.И. Софийский, В.А. Огаробинский, Н.И. Торопов. М.: Химия, 1989.
39. Техника защиты окружающей среды / Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебник для вузов — М.: Химия, 1989. — 512 с.
40. Вредные вещества в промышленности. Т.1, 2, Я. Под ред. Н. В. Лазарева М.: Химия, 1976, 1977.
41. Бернадинер, М.Н. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов/ М.Н. Бернадинер, А.П. Шурыгин.- М.: Химия, 1990. – 302 с.
42. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник.- Л»: Химия, 1985.-528 с.
43. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. – М.: Экономика, 1986. – 81 с.
44. Дороговцева, А.А. Практические работы по дисциплине экономика природопользования: методические указания / А. А. Дороговцева. — СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2007. – 52 с.
45. Дороговцева, А.А., Дороговцева, Л.М. Экономика природопользования и природоохранной деятельности: учебное пособие / А. А. Дороговцева, Л. М. Дороговцева. — СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009. — 252 с.
46. Кочеров, Н.П. Технико-экономические расчеты в дипломном проекте: методические указания для студентов химико-технологических специальностей / Н. П. Кочеров, Л. В. Косинская.. — СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2002. – 33 с.
47. Костюк, Л.В. Экономика и управление производством: учебное пособие / Л. В. Костюк. — СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009. — 323 с.
48. Кувшинов, В.В. Экономическая оценка результатов дипломной научно-исследовательской работы. Бизнес-план инновационного проекта: методические указания для студентов технологических специальностей / В. В. Кувшинов, Н. В. Михайлова, О. В. Сарычева, К.Г. Нужная. – СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2003. – 61 с.
49. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С.Борисов, В.П.Брыков, Ю.И.Дытнерский и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007-496с.
50. Шурыгин А.П., Огневое обезвреживание промышленных сточных вод / А.П. Шурыгин, М.Н. Бернадинер.- Киев: Техника, 1976. – 200 с.