Проектирование установки очистки оборотной воды для автомоек методом флотации

В условиях возрастающей антропогенной нагрузки на водные ресурсы планеты, способность природы к самоочищению оказывается недостаточной для нейтрализации всего объема загрязняющих веществ. Одной из специфических проблем в этой области являются стоки автомобильных моек. Их состав, насыщенный взвешенными веществами, нефтепродуктами и поверхностно-активными веществами (ПАВ), создает значительные трудности для централизованных городских очистных сооружений. Зачастую городские водоканалы отказываются принимать такие стоки из-за их специфики и перегруженности собственных мощностей. Это делает задачу локальной очистки и организации систем оборотного водоснабжения особенно актуальной.

Целью данной дипломной работы является проектирование установки очистки оборотной воды для автомобильной мойки на два поста. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующие технологии очистки сточных вод автомоек.
2. Охарактеризовать качественный и количественный состав стоков объекта проектирования.
3. Разработать принципиальную технологическую схему очистки.
4. Выполнить технологический расчет основного оборудования.
5. Осуществить подбор вспомогательного оборудования.
6. Разработать мероприятия по охране труда и окружающей среды.

Глава 1. Аналитический обзор методов очистки сточных вод автомоек

Очистка стоков автомоек — это комплексный процесс, который включает в себя несколько последовательных этапов. Как правило, типовая схема состоит из механической очистки, где с помощью песколовок и нефтеловушек удаляются крупные взвешенные частицы и основная масса всплывающих нефтепродуктов. Затем следует этап гравитационного отстаивания для осаждения более мелких взвесей. Ключевым является физико-химический этап, а завершается процесс доочисткой, часто с использованием сорбционных фильтров.

Существует несколько технологий для физико-химической очистки, среди которых можно выделить сорбционную фильтрацию и перспективные электрохимические методы, такие как электрофлотация. Однако для эффективного удаления мелкодисперсных взвесей и эмульгированных нефтепродуктов, характерных для стоков автомоек, наиболее оптимальным методом считается напорная флотация.

Принцип этого метода заключается в насыщении части очищаемой воды воздухом под давлением 5-6 атмосфер. Затем эта водовоздушная смесь подается во флотационную камеру, где давление сбрасывается до атмосферного. В результате из воды выделяется огромное количество микропузырьков воздуха. Эти пузырьки прилипают к частицам загрязнений (нефтепродуктам, взвесям, ПАВ) и выносят их на поверхность, образуя пенный слой (флотошлам), который затем удаляется специальным скребковым механизмом. Именно способность эффективно удалять эмульгированные и коллоидные частицы делает напорную флотацию предпочтительной технологией для решения поставленной в проекте задачи.

Глава 2. Характеристика объекта проектирования и состава сточных вод

В качестве объекта проектирования принимается автомобильная мойка портального типа на два поста. Средняя производительность и, соответственно, объем сточных вод, являются исходными данными для всех последующих инженерных расчетов.

Сточные воды автомоек имеют сложный и непостоянный состав, однако можно выделить три основные группы загрязнителей:

• Взвешенные вещества: преимущественно песок, глина, частицы асфальта и другие минеральные примеси. Характерной особенностью является преобладание частиц размером от 100 до 2500 мкм.
• Нефтепродукты: моторные масла, смазки, бензин, дизельное топливо. В стоках они находятся в виде пленки на поверхности, а также в слабо эмульгированном состоянии и адсорбированы на поверхности взвешенных частиц.
• Поверхностно-активные вещества (ПАВ): компоненты автомобильных шампуней и моющих средств, которые способствуют эмульгированию нефтепродуктов, усложняя их удаление.

Именно такая комбинация загрязнителей — твердые частицы, покрытые пленкой нефтепродуктов, и наличие эмульгаторов-ПАВ — определяет необходимость комплексного подхода к очистке и подтверждает выбор флотационного метода как одного из ключевых в технологической схеме.

Глава 3. Разработка и описание технологической схемы очистки

На основе анализа существующих решений и характеристики сточных вод была разработана комплексная технологическая схема, предусматривающая многоступенчатую очистку и организацию замкнутой системы водоснабжения. Процесс очистки включает следующие основные узлы:

1. Первичная механическая очистка: Сточные воды с постов мойки самотеком поступают в систему песколовки и нефтеловушки. Здесь происходит гравитационное осаждение крупных частиц песка и глины, а также всплытие основной массы свободных нефтепродуктов.
2. Усреднение стоков: После первичной очистки вода направляется в усреднительный резервуар. Его назначение — выравнивание концентраций загрязняющих веществ и обеспечение равномерной подачи на последующие стадии очистки.
3. Блок реагентной обработки: Для повышения эффективности флотации предусмотрено дозирование коагулянта. Коагулянт способствует укрупнению мелкодисперсных и коллоидных частиц, что значительно облегчает их последующее извлечение пузырьками воздуха.
4. Флотационная установка: Сердце всей системы. Сюда подается основной поток стоков и водовоздушная смесь из сатуратора. Происходит интенсивное отделение загрязнений и формирование флотошлама.
5. Доочистка на сорбционном фильтре: Осветленная после флотатора вода для удаления остаточных концентраций растворенных нефтепродуктов и ПАВ направляется на сорбционный фильтр, загруженный, например, активированным углем.
6. Резервуар чистой воды: Очищенная до требуемых нормативов вода накапливается в резервуаре, откуда насосной станцией снова подается на моечные аппараты, замыкая цикл оборотного водоснабжения.

Такая схема обеспечивает глубокую очистку стоков, позволяя многократно использовать воду и минимизировать сбросы в окружающую среду.

Глава 4. Технологический расчет флотационной установки

Технологический расчет является ключевым этапом проектирования, определяющим габариты и производительность основного аппарата — флотатора. Расчет выполняется на основе стандартных инженерных методик, применимых, например, в рамках типовых проектов, таких как 902-2-435.87. Цель расчета — обеспечить требуемую степень очистки воды до нормативных показателей для систем оборотного водоснабжения.

Исходными данными для расчета служат:

• Расход сточных вод (Q, м³/ч): определяется на основе производительности мойки, установленной в Главе 2.
• Концентрация загрязняющих веществ: принимается на основе характеристик стоков.

Ключевыми расчетными параметрами являются:

Площадь поверхности флотации (F, м²): Определяется по формуле, учитывающей гидравлическую нагрузку на поверхность зеркала воды. Это один из главных параметров, влияющих на эффективность процесса: чем ниже скорость восходящего потока, тем полнее происходит отделение загрязнений.

Рабочий объем флотатора (V, м³): Рассчитывается исходя из необходимого времени пребывания воды в установке (обычно 20-40 минут), достаточного для полного всплытия флотокомплексов (пузырек воздуха + частица загрязнения).

Количество необходимого воздуха (L, м³/ч): Рассчитывается на основе концентрации взвешенных веществ и нефтепродуктов. Этот параметр определяет производительность компрессора и сатуратора — напорного бака, где вода насыщается воздухом.

На основе этих расчетов определяются основные конструктивные размеры флотационной установки (длина, ширина, глубина), которые служат основой для выбора конкретной модели оборудования или ее конструирования.

Глава 5. Подбор вспомогательного оборудования

Эффективная работа флотационной установки невозможна без правильно подобранного вспомогательного оборудования, которое обеспечивает непрерывность технологического процесса. Выбор конкретных моделей производится на основе производительности, рассчитанной в Главе 4, и требований к надежности системы.

• Насосное оборудование: Подбирается два основных типа насосов. Первый — для подачи исходного стока из усреднительного резервуара на флотатор. Его производительность должна соответствовать расчетному расходу Q. Второй — насос высокого давления для подачи чистой воды на моечные аппараты, его характеристики зависят от требований моечного оборудования.
• Сорбционный фильтр: Выбор модели фильтра зависит от требуемой степени доочистки и его пропускной способности, которая должна быть не ниже производительности флотатора. В качестве фильтрующей загрузки чаще всего используется активированный уголь, эффективно удаляющий остатки органических соединений и ПАВ.
• Емкостное оборудование: Объем усреднительного резервуара и бака чистой воды подбирается с учетом неравномерности поступления стоков и пиковых расходов воды, обеспечивая стабильную работу всей системы. Материал емкостей (как правило, полипропилен или стеклопластик) выбирается исходя из коррозионной стойкости к агрессивной среде сточных вод.

Комплексный подбор всего оборудования гарантирует, что спроектированная система будет представлять собой единый, работоспособный и надежный технологический комплекс.

Глава 6. Мероприятия по охране труда и окружающей среды

Проектирование и эксплуатация установки очистки сточных вод должны соответствовать действующим нормам охраны труда и природоохранного законодательства.

В части охраны труда необходимо предусмотреть стандартные меры безопасности. При эксплуатации насосов и другого электрооборудования ключевыми требованиями являются надежное заземление, инструктаж персонала и регулярное техническое обслуживание. Работа вблизи открытых емкостей требует установки ограждений высотой не менее 1 метра для предотвращения падения. Весь персонал должен быть обеспечен необходимой спецодеждой и средствами индивидуальной защиты.

С точки зрения охраны окружающей среды, сам проект является природоохранным мероприятием. Внедрение системы оборотного водоснабжения позволяет сократить потребление свежей воды до 90% и полностью исключить сброс загрязненных стоков в городскую канализацию или на рельеф. В процессе очистки образуются отходы — осадок из песколовки и флотошлам, состоящий из нефтепродуктов и взвесей. Эти отходы должны собираться в специальные контейнеры и передаваться для утилизации лицензированным организациям, что обеспечивает экологическую безопасность всего технологического цикла.

Заключение

В ходе выполнения дипломной работы была успешно решена поставленная задача по проектированию установки очистки оборотной воды для автомобильной мойки. Были достигнуты все цели, сформулированные во введении.

В результате проделанной работы был выполнен анализ существующих методов очистки, на основе которого была выбрана и технологически обоснована технология напорной флотации как наиболее эффективная для удаления специфических загрязнений автомоек. Была разработана комплексная технологическая схема, включающая этапы механической очистки, усреднения, реагентной обработки, флотации и сорбционной доочистки.

На основе принятой схемы был произведен технологический расчет ключевого аппарата — флотационной установки — и осуществлен подбор необходимого вспомогательного оборудования. Главным выводом работы является то, что спроектированная установка позволяет эффективно очищать сточные воды до нормативов, допускающих их многократное использование в системе оборотного водоснабжения. Это не только обеспечивает выполнение строгих экологических требований, но и имеет значительный экономический эффект за счет резкого сокращения потребления чистой воды.

Список использованной литературы

1. Беликов С.Е. Водоподготовка. Справочник для профессионалов. Под ред. д. т. н., действительного члена Академии промышленной экологии С. Е. Беликова. — М.: Аква-Терм, 2007. – 240 с.
2. Борзенков В.Н. Оборотное водоснабжение для моек транспорта — «Экология производства» — № 6 2010 г., с. 81-83.
3. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. — 188 с.
4. В мире научных открытий. Том III. Технические науки. Материалы всероссийской студенческой научно-практической конференции «В мире научных открытий» (23-24 мая 2012 г.). — Ульяновск: Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им. П.А. Столыпина, 2012. — 462 с.
5. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник для вузов. — М.: Изд-во АСВ, 2006. -704 с.
6. Шустер К. Высокопроизводительная технология очистки сточных вод — «Экология производства» — № 2 2007 г., с. 60-63.
7. Никифоров А.Ф., Первова И.Г., Липунов И.Н., Василенко Л.В. Теоретические основы физико-химических процессов очистки воды. Учебное пособие. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ; УГЛТУ, 2008. — 168 с.
8. Системы очистки воды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eco-center.ru/sysfilter.php
9. Фильтры для воды. Системы для очистки воды. // Каталог оборудования водоочистки за 2013 год [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.water.ru/catalog/price/
10. Садыков Э. и др. Создание научных основ обеззараживания и очистки воды на основе нанотехнологии: Научное исследование Кыргызско-Узбекского университета, 2011. — 68 с.
11. Технология напорной флотации B&S-DAF / К. Шустер, STZ Meschede, Х. Бенуа, Vцlklingen, Н. Инго, ООО «Водако». – Экология производства, № 4. – 2007. – 66-69 с.
12. Мелехин, А.Г. Водоотводящие системы промышленных предприятий. Методы очистки воды при оборотном использовании: учебное пособие. — Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. — 124 с.
13. Пааль П.Л. Справочник по очистке природных и сточных вод.- М.: Высшая школа, 1994.- 336 с.
14. Крицкий А. Ю. Система очистки оборотной воды при мойке автомобилей / пат. 104936 U1. опуб. 27.05.2012, Бюл. № 15. – С. 35 – 38.
15. Установка оборотного водоснабжения / Заявка 94023911/26, 27.06.1994. — МПК C02F1/00, C02F1/40, B01D21/00, B01D36/04. — Научно-технический центр «Фонсвит».
16. Кочетов О. С. Флотационно-фильтрационная установка Кочетова / пат. 2516633 C1. опуб. 20.05.2014 Бюл. №14. – С.72 – 76.
17. Сердобинцев С.П., Кондратьева Е.В. Устройство для очистки жидких сред флотацией / пат. 2284299. опуб. 27.09.2006, Бюл. № 8. – С. 28 – 30.
18. Галицын В.В., Гурвич В.А. Многоступенчатая установка флотационной очистки воды / пат. 2367622. опуб. 20.09.2009, Бюл. № 9. – С. 21 – 22.
19. Лукьянов В.И., Медиоланская М.М. Станция очистки городских и промышленных сточных вод / пат. 237229. опуб. 10.11.2009, Бюл. № 11. – С. 52 – 54.
20. Ким А.Н., Колодкин И. В., Безруких В.Ю., Божков А.А. Способ очистки воды / пат. 237719. опуб. 27.12.2009, Бюл. № 12. – С. 41 – 43.
21. Аким Э.Л., Смирнов М.Н., Алдохин Н.А., Мазитов Л.А. Способ очистки сточных вод напорной флотацией / пат. 2386590 . опуб. 20.04.2010, Бюл. № 4. – С. 12 – 14.
22. Справочник аналитика: ПДК воды населенных мест [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ecmoptec.ru/pdknasmest
23. Значения ПДК сточных вод[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://enviropark.ru/
24. Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчетов канализационных сооружений: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. Школа, 1981.-232 с.
25. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. — 753 с.
26. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. — М.: ДеЛипринт, 2004.-301с
27. Воловник Г.И., Коробко М.И. Очистка промышленных сточных вод. Методические указания на выполнение курсового проекта. – Хабаровск: ДВГАПС, 1997. – 44 с.
28. Инженерная экология: Учебник для ВУЗов/ В.Г.Медведев и др. — М.: Гардарики, 2008. – 687 с.
29. Красный Ю.М. Проектирование стройгенплана и организация строительной площадки: Учеб. пособие. – Екатеринбург: УГТУ, 2000 – 144 с.
30. Редин В.И, Князев А.С., Костюк Л.В. Проектирование природоохранных объектов: Метод. указания.- СПб.:СПбГТИ(ТУ), 2010,- 94 с.
31. НПБ –105-95. Определение категорий зданий и помещений по взрыво -пожарной и пожарной опасности. – М., 1995.
32. Каталог контрольно-измерительных приборов Овен [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/catalog
33. Каталог контрольно-измерительных приборов [Электронный ресурс]. — http://www.prist.ru/produce.php/prices.htm
34. Положение об обеспечении безопасности производственного оборудования. ПОТ РО — 14000 — 002 – 98. М., 1998. – 25 с.
35. Жидецкий В.Ц., Джигирей В.С., Мельников А.В. Основы охраны труда. — Учебник. — 2-е изд., доп. — Львов: Афиша, 2000. — 351 с.
36. Правила устройства электроустановок. М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. — 607 с.
37. Бобков А.С. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности. – М.: Химия,1997. — 400 c.
38. Сборник удельных показателей образования отходов производства и потребления. – М.: Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды, 1999 – 65 с.
39. Косниская Л.В. Кочеров Н.П. Технико-экономические расчеты в дипломном проекте. Методическое пособие. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009. – 33 с.
40. Прайс-лист на промышленное очистное оборудование ОАО «Экос» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.ecos.ru/
41. Определение величины экономического ущерба [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://edu.dvgups.ru