Инженерный расчет и разработка технологической схемы установки очистки сточных вод автомойки методом напорной флотации (DAF) для ВКР

Введение: Принцип Релевантного Захвата (Приоритет №1)

Экологическая инженерия сталкивается с острой проблемой промышленных стоков, и автомоечные комплексы являются одним из значимых источников загрязнения. Согласно актуальным данным, типичный состав сточных вод автомоечных комплексов характеризуется высокой концентрацией загрязнителей: взвешенные вещества находятся в диапазоне 700–3100 мг/дм³, а нефтепродукты — 42–100 мг/дм³. Эти значения многократно превышают нормативы, установленные для сброса в централизованные системы водоотведения. Именно это критическое несоответствие между фактическим загрязнением и строгими нормативными требованиями диктует необходимость разработки высокоэффективных, технически обоснованных систем очистки, способных обеспечить не только безопасный сброс, но и реализацию оборотного водоснабжения.

Настоящий аналитический материал представляет собой детализированное инженерно-методологическое руководство, предназначенное для разработки раздела «Технологические расчеты» выпускной квалификационной работы. Основной акцент сделан на напорной флотации (DAF) как наиболее эффективном методе для удаления тонкодиспергированных и эмульгированных загрязнений, характерных для данной отрасли.

Актуальные нормативно-правовые требования и обоснование выбора метода очистки

Очистка сточных вод автомоечных комплексов является обязательным условием их эксплуатации, продиктованным как природоохранным законодательством, так и экономической целесообразностью (снижение платежей за водопотребление и сброс). Именно поэтому разработка технологической схемы начинается с глубокого анализа требуемых показателей.

Состав сточных вод автомоечных комплексов и нормативные ограничения

Сточные воды автомоек относятся к категории промышленных стоков, насыщенных поверхностно-активными веществами (ПАВ), нефтепродуктами (масла, бензин, дизельное топливо), тяжелыми металлами и большим количеством взвешенных веществ (песок, глина, грязь).

Характерной особенностью этих стоков является значительное превышение показателя химического потребления кислорода (ХПК) над биохимическим потреблением кислорода за 5 суток (БПК₅). Это указывает на преобладание трудноокисляемых органических и неорганических веществ, что делает невозможным использование только биологических методов очистки и требует применения физико-химических технологий.

Типичные концентрации загрязнителей в стоках автомоек:

Показатель	Диапазон концентраций (мг/дм³)
Взвешенные вещества	700 – 3100
Нефтепродукты	42 – 100
ХПК	До 1500
БПК₅	150 – 400

Анализ требований к сбросу в ЦСВ согласно ПП РФ № 644

При сбросе сточных вод в централизованные системы водоотведения (ЦСВ) предприятия обязаны соблюдать жесткие требования, регламентированные Постановлением Правительства РФ № 644 от 29.07.2013 г. (Приложение № 5). Несоблюдение этих норм влечет за собой начисление платы за негативное воздействие на ЦСВ.

Для промышленных стоков автомоек наиболее критичными являются следующие максимально допустимые концентрации (МДК), установленные для сброса в ЦСВ:

Показатель	МДК (согласно ПП РФ № 644, мг/дм³)
Взвешенные вещества	≤ 300
БПК₅	≤ 300
ХПК	≤ 500
Нефтепродукты	≤ 10
Водородный показатель (pH)	6,0 – 9,0

Особое внимание следует уделить нефтепродуктам. МДК в 10 мг/дм³ при исходной концентрации 42–100 мг/дм³ требует как минимум 80–90% степени очистки. Более того, Приложение № 5 к ПП РФ № 644 строго запрещает сброс в ЦСВ веществ, способных образовывать токсичные или горючие газы, включая масла, смолы и продукты нефтепереработки. Это подтверждает, что традиционное отстаивание является недостаточным, и требуется применение интенсифицированных физико-химических методов, таких как напорная флотация, для достижения нормативных показателей.

Теоретические основы напорной флотации (DAF) как ключевой метод очистки

Флотация (от лат. flotatio — плавание) представляет собой физико-химический процесс, основанный на избирательном прилипании (адгезии) твердых или эмульгированных частиц загрязнений к поверхности микроскопических пузырьков газа (воздуха). Комплекс «частица–пузырек» приобретает положительную плавучесть и поднимается на поверхность, образуя пенный слой, или флотошлам.

Преимущества DAF и особенности микропузырьков

Напорная флотация (Dissolved Air Flotation, DAF), также известная как компрессионная, является наиболее эффективной разновидностью метода для очистки промышленных стоков. Ее механизм основан на принципе перенасыщения жидкости воздухом под давлением.

1. Растворение воздуха: Часть осветленной воды (рециркулят) или весь сток направляется в герметичный резервуар — сатуратор. В сатураторе вода насыщается воздухом при избыточном давлении, которое может достигать 0,5 МПа (5–6 атм).
2. Выделение микропузырьков: Насыщенная вода поступает во флотационную камеру через дросселирующий клапан, где давление мгновенно сбрасывается до атмосферного. Резкое падение давления приводит к массовому выделению растворенного воздуха в виде мельчайших пузырьков.

Ключевое преимущество DAF заключается в размере образующихся пузырьков. В отличие от механической или электрофлотации, где размер пузырьков составляет 400–500 мкм, в DAF формируются микропузырьки диаметром 15–40 мкм. Этот оптимальный размер обеспечивает максимальную площадь контакта и высокую вероятность коагуляции с тонкодиспергированными частицами, нефтепродуктами и ПАВ, характерными для стоков автомойки.

Благодаря высокой интенсивности процесса и обязательному применению реагентов, DAF позволяет достичь степени очистки от нерастворимых примесей (взвешенные вещества, нефтепродукты) до 95–98%.

Целесообразность применения DAF в схеме оборотного водоснабжения

Система оборотного водоснабжения на автомойке критически зависит от качества очищенной воды, предназначенной для повторного использования. Если вода содержит остаточные эмульгированные масла, ПАВ или мелкие взвеси, это приведет к снижению качества мойки, образованию разводов на кузове автомобиля и быстрому выходу из строя насосного оборудования.

Именно DAF, особенно в сочетании с реагентной обработкой (см. раздел о реагентах), позволяет эффективно удалить те компоненты, которые традиционно плохо поддаются отстаиванию и фильтрации:

• Эмульгированные нефтепродукты: Механически стабилизированные эмульсии масел и воды, которые крайне медленно всплывают или не всплывают вовсе.
• ПАВ: Флотация эффективно удаляет пенящиеся вещества, снижая их концентрацию до приемлемого уровня.
• Тонкодисперсные частицы: Частицы размером менее 10 мкм, которые не осаждаются гравитационно.

Таким образом, напорная флотация служит центральным звеном в технологической схеме, обеспечивая необходимую подготовку воды для последующей доочистки и повторного использования. Но можно ли обойтись без этого сложного этапа? Неужели традиционная фильтрация способна справиться с эмульгированными маслами без риска быстрого выхода фильтров из строя? Опыт показывает, что без предварительной флотации, дорогостоящие фильтрующие элементы требуют слишком частой регенерации или замены.

Детализированная технологическая схема оборотного водоснабжения

Для обеспечения оборотного цикла и достижения высокого качества воды, технологическая схема должна быть многоступенчатой, сочетающей механические, физико-химические и фильтрационные методы.

Стадии очистки и используемое оборудование

Целесообразная технологическая схема оборотного водоснабжения автомойки включает пять основных этапов:

Этап очистки	Цель	Используемое оборудование
1. Грубая механическая очистка	Удаление крупных взвешенных частиц (песок, грязь), предотвращение засорения насосов.	Пескоуловители, грязеотстойники.
2. Гравитационное отстаивание	Отделение основной массы всплывающих нефтепродуктов и оседающих взвешенных веществ.	Нефтеловушка/Тонкослойный отстойник.
3. Реагентная обработка	Дестабилизация коллоидов, разрушение эмульсий, образование крупных хлопьев (хлопьеобразование).	Смеситель, флокуляционная камера, дозирующие насосы.
4. Напорная флотация (DAF)	Эффективное удаление образовавшихся хлопьев, тонкодиспергированных частиц, нефтепродуктов и ПАВ.	Напорный флотатор, сатуратор, компрессор, рециркуляционный насос.
5. Доочистка	Удаление остаточных мельчайших взвесей, снижение цветности, запаха и органических остатков.	Скорые напорные фильтры (песчано-гравийные), сорбционные фильтры (активированный уголь).

На этапе доочистки, для обеспечения высокого качества оборотной воды, скорость фильтрации через песчано-гравийные фильтры обычно рекомендуется поддерживать в диапазоне 15–25 м/ч (или м³/(м²·ч)).

Параметры оборотного водоснабжения

Система оборотного водоснабжения позволяет существенно снизить водопотребление и нагрузку на ЦСВ. В хорошо спроектированных системах повторно используется 90–98% стоков.

Согласно инженерным нормам (например, СНиП 2.04.03-85 для АТП), полностью исключить потребление свежей воды невозможно. Небольшая доля подпитки свежей (питьевой или технической чистой) водой необходима:

• Для финального ополаскивания автомобиля.
• Для приготовления рабочих растворов химических средств.
• Для компенсации потерь воды с флотошламом и испарением.

Доля подпитки свежей водой, используемой для финального ополаскивания, должна составлять около 10% от общего расхода воды на мойку. Остальная вода (90%) подается из оборотного цикла после прохождения всех этапов очистки и доочистки.

Инженерно-технологический расчет основных элементов напорного флотатора (По методике ВНИИ ВОДГЕО)

Технологический расчет флотационной установки является основой проектной части ВКР. В основе расчетов лежат методические указания, разработанные, в частности, ВНИИ ВОДГЕО. Расчеты производятся исходя из часовой производительности установки $Q_{\text{ч}}$ (м³/ч), которая определяется по техническому заданию.

Расчет объема и площади флотационной камеры

Объем флотатора ($W_{\text{фл}}$) должен обеспечить необходимое время контакта воды с микропузырьками для эффективного формирования флотошлама.

1. Расчет объема флотатора ($W_{\text{фл}}$):


Wфл = (Qч + Qрец) · tк


Где:

• $Q_{\text{ч}}$ – часовая производительность установки (м³/ч).
• $Q_{\text{рец}}$ – расход рециркулирующей воды (м³/ч).
• $t_{\text{к}}$ – продолжительность пребывания воды в флотационной камере (ч). Для стоков автомойки, $t_{\text{к}}$ обычно принимается в диапазоне 15–30 минут (0,25–0,5 ч).

2. Расчет площади флотатора ($F$):

Площадь флотатора определяется исходя из требуемого объема и рабочей глубины ($H_{\text{раб}}$). Рабочая глубина флотатора обычно составляет 1,5–3,0 м.


F = Wфл / Hраб


Расчет сатуратора и расхода воздуха

Эффективность флотации напрямую зависит от количества воздуха, растворенного в рециркулирующей воде, и времени, необходимого для насыщения.

1. Расчет объема сатуратора ($W_{\text{сат}}$):

Объем сатуратора должен обеспечивать достаточное время контакта воды с воздухом под давлением.


Wсат = Qрец · tсат


Где:

• $Q_{\text{рец}}$ – расход рециркуляционной воды (м³/ч).
• $t_{\text{сат}}$ – продолжительность насыщения воды воздухом в сатураторе (ч). При избыточном давлении 0,15–0,4 МПа $t_{\text{сат}}$ обычно принимается в диапазоне 1–3 минуты (0,016–0,05 ч).

2. Расчет расхода воздуха ($V_{\text{возд}}$):

Необходимый расход воздуха, подаваемого компрессором в сатуратор, определяется интенсивностью аэрации.


Vвозд = I · F


Где:

• $I$ – интенсивность аэрации (м³/(м²·ч)). Для напорных флотаторов, работающих со стоками, содержащими нефтепродукты и ПАВ, $I$ лежит в пределах 15–20 м³/(м²·ч).
• $F$ – площадь рабочей части флотатора (м²).

Расчет коэффициента рециркуляции

Коэффициент рециркуляции ($R$) — это отношение расхода рециркулирующей воды ($Q_{\text{рец}}$) к общему расходу сточных вод ($Q_{\text{ч}}$). Рециркуляция необходима, поскольку насыщение всего объема стока воздухом под давлением не всегда технологически целесообразно. Рециркуляция осветленной воды позволяет подать в камеру достаточное количество микропузырьков.


R = (Qрец / Qч) · 100%


Для нефтесодержащих стоков, характерных для автомоек, коэффициент рециркуляции ($R$) обычно устанавливается в диапазоне от 20% до 50%. Выбор конкретного значения зависит от степени загрязнения и требуемого количества растворенного воздуха. Чем выше степень загрязнения и чем ниже температура воды (улучшающая растворимость), тем меньший может быть принят коэффициент $R$.

Реагентная обработка: Выбор и определение оптимальной дозировки

Применение флотации без предварительной реагентной обработки не дает высокого эффекта, поскольку большинство загрязнений автомойки (нефтепродукты, ПАВ, тонкие взвеси) находятся в устойчиво эмульгированном или коллоидном состоянии. Реагенты необходимы для дестабилизации этих систем.

Типы реагентов и последовательность их введения

В схеме очистки стоков автомойки используются два основных класса реагентов: коагулянты и флокулянты.

1. Коагулянты: Задача коагулянтов — нейтрализовать отрицательный заряд коллоидных частиц, что приводит к их укрупнению (хлопьеобразованию).
   • Оптимальный выбор: В современной практике наиболее эффективным является полиоксихлорид алюминия (ПАК). Он обладает высокой скоростью гидролиза и меньшим влиянием на снижение pH по сравнению с традиционным сульфатом алюминия.
   • Критический параметр: Эффективность ПАК максимальна в диапазоне pH от 6,0 до 7,4. Регулирование pH в этом диапазоне перед введением коагулянта является критически важным.
2. Флокулянты: Эти высокомолекулярные органические полимеры (чаще всего катионные) служат «мостиками», связывая мелкие хлопья коагулянта в крупные, прочные агрегаты, которые легче захватываются микропузырьками и флотируются.

Последовательность введения:

1. Коррекция pH (если необходимо).
2. Введение коагулянта в смеситель (камера быстрого перемешивания) для равномерного распределения и начала дестабилизации.
3. Переход в камеру хлопьеобразования (флокуляционную камеру) с медленным перемешиванием.
4. Введение флокулянта в конце хлопьеобразования для финального укрупнения хлопьев.
5. Подача обработанного стока во флотатор.

Методика лабораторного определения дозировки (Jar Test)

Оптимальная доза реагентов является переменной величиной, зависящей от концентрации загрязнителей в исходном стоке, температуры воды и ее pH. Для точного определения дозировки в инженерной практике используется лабораторный метод пробного коагулирования — Jar Test.

Процедура Jar Test — это ключевой инструмент, позволяющий избежать перерасхода дорогостоящих реагентов и гарантировать стабильно высокое качество очистки, несмотря на колебания состава исходных стоков.

Процедура Jar Test:

• В шесть или более сосудов (1–2 литра) наливают пробу сточной воды.
• В каждый сосуд вводится разная, но точно отмеренная доза коагулянта (например, 5, 10, 15, 20, 25 мг/дм³).
• Проводится быстрое перемешивание (1–2 минуты) для распределения коагулянта.
• Вводится фиксированная доза флокулянта.
• Проводится медленное перемешивание (10–20 минут) для хлопьеобразования.
• Оценивается скорость всплывания (флотации) хлопьев и прозрачность осветленной воды.

Оптимальной считается та дозировка, которая обеспечивает максимальную скорость очистки и наилучшее качество очищенно�� воды при минимальном расходе реагентов.

Расчет дозировки товарного коагулянта

Проектный расчет дозирующего оборудования требует пересчета найденной в лаборатории дозировки по активному компоненту ($C_{\text{коаг}}$) в дозировку товарного продукта ($C_{\text{тов}}$), который поступает на производство (например, жидкий или порошкообразный ПАК).


Cтов = (Cкоаг · 100) / Kакт


Где:

• $C_{\text{тов}}$ – дозировка товарного коагулянта (кг/м³).
• $C_{\text{коаг}}$ – дозировка по активному компоненту, определенная Jar Test (кг/м³).
• $K_{\text{акт}}$ – содержание активного компонента в товарном химреагенте (%). Например, для жидкого ПАК, $K_{\text{акт}}$ может составлять 18–20%.

Полученное значение $C_{\text{тов}}$ используется для расчета часового расхода реагента и выбора соответствующего дозирующего насоса.

Принципы разработки системы автоматического контроля и регулирования (АСУ ТП)

Для обеспечения стабильной, экономичной и эффективной работы установки очистки оборотной воды необходима разработка системы автоматического контроля и регулирования технологического процесса (АСУ ТП).

Ключевые контролируемые и регулируемые параметры

Автоматизация должна быть сосредоточена на параметрах, критически влияющих на физико-химические процессы флотации и коагуляции:

Параметр	Узел контроля	Необходимость контроля и регулирования
1. Уровень pH	Смесительная камера (перед коагуляцией)	Критически важен для эффективности ПАК (оптимальный диапазон 6,0–7,4). Регулируется автоматической подачей кислоты (H₂SO₄) или щелочи (NaOH).
2. Давление в сатураторе	Сатуратор	Определяет количество растворенного воздуха и, следовательно, эффективность флотации. Контролируется датчиком давления и регулируется компрессором и дросселирующим клапаном.
3. Расход и дозировка реагентов	Дозирующие станции	Дозировка коагулянтов и флокулянтов должна быть пропорциональна расходу сточной воды ($Q_{\text{ч}}$) и ее текущему качеству.
4. Уровень флотошлама	Флотационная камера	Контроль ультразвуковыми или оптическими датчиками для своевременного включения механизма сгребания пены.
5. Расход рециркуляционной воды	Рециркуляционный насос	Контролируется для поддержания заданного коэффициента рециркуляции ($R$) и стабильной подачи насыщенной воздухом воды.

Функциональная схема и логика управления

АСУ ТП строится на базе программируемого логического контроллера (ПЛК), который собирает данные с датчиков и выдает управляющие сигналы исполнительным механизмам.

Ключевые функции системы автоматизации:

1. Регулирование pH: Контроллер принимает сигнал от pH-метра. Если pH выходит за границы $6,5 \pm 0,2$, активируются насосы-дозаторы для подачи корректирующего раствора до достижения уставки.
2. Управление флотацией: ПЛК контролирует работу компрессора и насоса рециркуляции, поддерживая заданное давление в сатураторе (например, 0,3 МПа).
3. Автоматическое дозирование реагентов: Дозирующие насосы работают в режиме пропорционального регулирования, где частота подачи реагента прямо зависит от расхода сточной воды (сигнал от расходомера).
4. Управление удалением шлама: При достижении критического уровня флотошлама в камере, ПЛК запускает скребковый механизм, который удаляет пену в шламосборник.
5. Блокировки и аварийная сигнализация: Предусмотрена защита оборудования (например, отключение насосов при «сухом ходе», снижение давления компрессора при перегреве) и сигнализация при выходе ключевых параметров (например, pH, уровень воды) за допустимые пределы.

Внедрение АСУ ТП обеспечивает непрерывность процесса очистки, минимизирует влияние человеческого фактора и позволяет тонко настраивать систему под изменяющееся качество исходных стоков, что критически важно для надежного оборотного водоснабжения.

Список использованной литературы

1. Установка оборотного водоснабжения: заявка 94023911/26 РФ, МПК C02F1/00, C02F1/40, B01D21/00, B01D36/04 / Научно-технический центр «Фонсвит»; заявл. 27.06.1994.
2. Флотационно-фильтрационная установка Кочетова: пат. 2516633 C1 РФ, МПК C02F 9/02 (2006.01) / Кочетов О.С. [и др.]; опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14.
3. Система очистки оборотной воды при мойке автомобилей: пат. 104936 U1 РФ, МПК C02F 9/08 (2006.01) / Крицкий А.Ю.; опубл. 27.05.2012, Бюл. № 15.
4. Технология напорной флотации B&S-DAF / К. Шустер, Х. Бенуа, Н. Инго // Экология производства. — 2007. — № 4. — С. 66-69.
5. Ласков, Ю. М. Примеры расчетов канализационных сооружений: учеб. пособие для вузов / Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов, В. И. Калицун. — М.: Высш. Школа, 1981. — 232 с.
6. Канализация населенных мест и промышленных предприятий / Н. И. Лихачев [и др.]; под. ред. Самохина. – М.: Стройиздат, 1981. – 639 с.
7. Воронов, Ю. В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов / Ю. В. Воронов, С. В. Яковлев. — М.: Изд-во АСВ, 2006. — 704 с.
8. Борзенков, В. Н. Оборотное водоснабжение для моек транспорта // Экология производства. — 2010. — № 6. — С. 81-83.
9. Шустер, К. Высокопроизводительная технология очистки сточных вод // Экология производства. — 2007. — № 2. — С. 60-63.
10. Подбор и дозировка коагулянта и флокулянта [Электронный ресурс] // promhimsnab.ru. URL: promhimsnab.ru (дата обращения: 29.10.2025).
11. Нормы и ПДК слива в канализацию [Электронный ресурс] // xn—-8sb0acckmc4k.xn--p1ai. URL: xn—-8sb0acckmc4k.xn--p1ai (дата обращения: 29.10.2025).
12. Принципиальная схема водоочистки автомойки [Электронный ресурс] // vo-da.ru. URL: vo-da.ru (дата обращения: 29.10.2025).
13. Экологические проблемы эксплуатации установок мойки автомобилей и пути их решения [Электронный ресурс] // vstnews.ru. URL: vstnews.ru (дата обращения: 29.10.2025).
14. Расчет основных элементов флотационной установки [Электронный ресурс] // studwood.net. URL: studwood.net (дата обращения: 29.10.2025).
15. Скачать Руководство по проектированию и расчету флотационных установок [Электронный ресурс] // stroyinf.ru. URL: stroyinf.ru (дата обращения: 29.10.2025).
16. Вещества сточных вод, запрещенные к сбросу в системы канализации [Электронный ресурс] // vo-da.ru. URL: vo-da.ru (дата обращения: 29.10.2025).
17. Водно-химический режим автомойки. Оборотное водоснабжение [Электронный ресурс] // c-o-k.ru. URL: c-o-k.ru (дата обращения: 29.10.2025).
18. Расчет флотационной установки [Электронный ресурс] // studfile.net. URL: studfile.net (дата обращения: 29.10.2025).
19. Особенности систем очистки сточных вод на автомойках [Электронный ресурс] // kubon.ru. URL: kubon.ru (дата обращения: 29.10.2025).
20. Проект НДС: расчет нормативов допустимых сбросов, образец и порядок согласования [Электронный ресурс] // ecopromcentr.ru. URL: ecopromcentr.ru (дата обращения: 29.10.2025).
21. ВОДООТВОДЯЩИЕ СИСТЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ [Электронный ресурс] // vgasu.ru. URL: vgasu.ru (дата обращения: 29.10.2025).
22. Напорные флотаторы для очистки [Электронный ресурс] // td-ov.ru. URL: td-ov.ru (дата обращения: 29.10.2025).
23. Оптимизация системы напорной флотации [Электронный ресурс] // vodaco.ru. URL: vodaco.ru (дата обращения: 29.10.2025).