Введение, где мы определяем актуальность проблемы и цели проекта
Вода — ключевой элемент биосферы и незаменимый ресурс в любой производственной деятельности. Однако ее способность к самоочищению не безгранична, и промышленные стоки создают серьезную нагрузку на экологические системы. Особое место в этом ряду занимают сточные воды автомоек, которые характеризуются значительными объемами и сложным составом загрязнителей.
Средняя автомойка потребляет от 150 до 200 литров воды на один автомобиль, что в годовом исчислении может достигать 5000 м³ и более. Эти стоки насыщены такими загрязнителями, как глина, песок, масла, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и нефтепродукты. В связи с высокой нагрузкой и специфическим составом загрязнений городские водоканалы зачастую отказываются принимать такие стоки на свои очистные сооружения, что делает задачу локальной очистки и повторного использования воды особенно актуальной.
Целью данного проекта является разработка и обоснование установки очистки оборотной воды для автомобильной мойки, способной эффективно удалять ключевые загрязнители и обеспечивать повторное использование до 95% воды.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие ключевые задачи:
- Провести аналитический обзор и сравнение существующих технологий очистки сточных вод.
- Разработать и обосновать принципиальную технологическую схему установки.
- Выполнить технологические расчеты основного и вспомогательного оборудования.
- Разработать систему автоматизированного управления процессом.
- Провести технико-экономическое обоснование проекта, доказав его рентабельность.
Глава 1. Аналитический обзор существующих методов очистки сточных вод
Для эффективной очистки стоков автомоек применяются различные физико-химические методы, которые часто комбинируются для достижения наилучшего результата. Выбор конкретной технологии зависит от требуемой степени очистки, производительности и экономических соображений. Рассмотрим основные группы методов.
- Механические методы: Это первая и обязательная стадия очистки, предназначенная для удаления крупных взвешенных частиц. К ним относятся отстаивание в песколовках и грязеотстойниках, а также фильтрация через сетчатые или зернистые фильтры.
- Флотационные методы: Флотация является одним из наиболее эффективных методов для очистки стоков автомоек. Ее суть заключается в подаче мельчайших пузырьков воздуха, которые прилипают к частицам загрязнителей (нефтепродукты, ПАВ, жиры) и поднимают их на поверхность, образуя пенный слой, который затем удаляется. Данный метод обеспечивает степень очистки до 90-98% при относительно небольшом времени обработки (20-40 минут).
- Химические методы: Включают в себя озонирование и обработку ультрафиолетом (УФ-стерилизация). Эти методы применяются преимущественно для обеззараживания воды, уничтожения бактерий и вирусов, а также для окисления некоторых органических соединений.
- Мембранные методы: Наиболее известный метод — обратный осмос. Он обеспечивает высочайшую степень очистки, удаляя до 99% всех примесей. Однако его применение ограничено высокой стоимостью, сложностью в эксплуатации и образованием большого количества концентрата (до 50% от исходного объема), который требует утилизации.
- Сорбционные методы: Основаны на поглощении загрязняющих веществ поверхностью твердого материала — сорбента (например, активированного угля или торфа). Сорбция эффективно удаляет растворенные органические вещества и нефтепродукты, часто используется на финальной стадии доочистки воды.
Анализ показывает, что для автомоек наиболее целесообразно использовать комбинированные схемы, где каждый этап решает свою задачу. Например, грубая механическая очистка, за которой следует высокоэффективная флотация для удаления основной массы эмульгированных нефтепродуктов и ПАВ, и финишная сорбционная фильтрация для доведения качества воды до требуемых норм.
Глава 2. Результаты патентного поиска как основа для инноваций
Перед разработкой собственной технологической схемы необходимо провести исследование существующих запатентованных решений, чтобы убедиться в актуальности и новизне проектируемого подхода. Патентный поиск, как правило, проводится по ключевым словам («очистка стоков автомойки», «флотатор для мойки», «оборотное водоснабжение») в открытых базах данных, таких как Google Patents или базы национальных патентных ведомств.
Анализ существующих патентов показывает, что большинство изобретений направлено на:
- Комбинирование известных методов в одной компактной установке.
- Усовершенствование отдельных узлов, например, конструкции флотатора или сатуратора (устройства для насыщения воды воздухом).
- Разработку новых реагентов (коагулянтов и флокулянтов) для повышения эффективности очистки.
Например, встречаются патенты, описывающие многокамерные отстойники с ламинарным движением потока или установки, где флотация совмещена с озонированием. Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что, хотя базовые принципы очистки хорошо известны, существует пространство для инноваций в области оптимизации компоновки оборудования, повышения энергоэффективности и автоматизации процесса. Проектируемая система будет учитывать эти тенденции, фокусируясь на создании надежной, экономичной и простой в эксплуатации схемы на основе проверенных технологий.
Глава 3. Разработка и обоснование принципиальной технологической схемы
На основе аналитического обзора и патентного поиска была выбрана многоступенчатая технологическая схема, обеспечивающая высокую степень очистки и максимальный процент возврата воды в цикл. Данная схема является оптимальным компромиссом между эффективностью, капитальными и эксплуатационными затратами.
Выбранная комбинация методов: трехступенчатая механическая очистка + напорная флотация + финишная сорбционная фильтрация.
Движение воды по технологической цепочке выглядит следующим образом:
- Приемные емкости-отстойники: Сточная вода с моечного поста поступает в систему из нескольких последовательно соединенных отстойников. Здесь под действием гравитации происходит осаждение самых крупных и тяжелых частиц — песка и грубой грязи. Конструкция отстойников обеспечивает замедление потока для максимального осаждения.
- Установка напорной флотации: Из последнего отстойника вода насосом подается во флотатор. Это ключевой аппарат в схеме. Перед флотатором в поток может дозироваться коагулянт для укрупнения частиц. Часть очищенной воды отводится в сатуратор, где под давлением насыщается воздухом, а затем возвращается во флотатор. При резком падении давления выделяются микропузырьки воздуха, которые захватывают эмульгированные нефтепродукты и ПАВ, поднимая их в виде пены (флотошлама) на поверхность. Выбор флотации, а не, например, обратного осмоса, обусловлен ее высокой эффективностью именно против целевых загрязнителей при значительно меньших затратах.
- Сорбционные фильтры: После флотатора вода проходит через механический сетчатый фильтр для удаления случайных крупных частиц и поступает на финишную доочистку в сорбционные фильтры, загруженные, например, активированным углем. Этот этап позволяет удалить остаточные растворенные нефтепродукты и органические вещества, устранить цветность и запахи.
- Накопительный резервуар чистой воды: Полностью очищенная вода собирается в резервуаре, откуда с помощью насосной станции снова подается на моечные посты, замыкая цикл.
Такая последовательность гарантирует, что каждый следующий аппарат работает в оптимальных для него условиях, что продлевает срок службы оборудования и обеспечивает стабильно высокое качество очищенной воды.
Глава 4. Выполнение технологических расчетов ключевого оборудования
Инженерные расчеты являются доказательной базой проекта, подтверждающей работоспособность выбранной схемы и правильность подбора оборудования. Расчеты производятся на основе исходных данных.
Пример исходных данных для расчета:
— Производительность автомойки: 20 автомобилей в час.
— Средний расход воды на 1 автомобиль: 180 л.
— Требуемая производительность установки (Q): 20 авто/ч * 180 л/авто = 3600 л/ч = 3.6 м³/ч.
— Исходная концентрация нефтепродуктов: 250 мг/л.
— Требуемая концентрация нефтепродуктов после очистки: < 15 мг/л.
Расчет флотационной установки
Расчет флотатора — центральная задача технологической части. Ключевая характеристика — время пребывания воды в камере, которое должно быть достаточным для эффективного разделения фаз (обычно принимается 20-30 минут).
1. Определение объема флотационной камеры (Vф):
Vф = Q * t, где t — время пребывания (примем t = 0.5 ч).
Vф = 3.6 м³/ч * 0.5 ч = 1.8 м³.
Принимаем к установке стандартный флотатор с объемом камеры 2 м³.
2. Расчет расхода циркулирующей воды для сатуратора:
Для напорной флотации обычно используется рециркуляция 10-15% от общего потока для насыщения воздухом. Примем 12%.
3. Расчет количества выделяемого воздуха:
Расход воздуха рассчитывается исходя из необходимой концентрации для эффективного подъема частиц загрязнителей. Формула учитывает растворимость воздуха в воде при рабочем давлении в сатураторе.
Расчет сорбционного фильтра
Расчет фильтра сводится к определению его площади и необходимого объема фильтрующей загрузки.
1. Определение площади фильтрации (F):
F = Q / vф, где vф — скорость фильтрации (для сорбционных фильтров принимается в диапазоне 5-10 м/ч).
Примем vф = 8 м/ч.
F = 3.6 м³/ч / 8 м/ч = 0.45 м².
Исходя из площади, подбирается стандартный фильтр с диаметром корпуса около 800 мм.
2. Определение объема загрузки:
Объем загрузки (например, антрацита или кварцевого песка, а затем активированного угля) рассчитывается исходя из высоты слоя, рекомендованной производителем для эффективной работы, обычно 0.8–1.2 метра.
Аналогичные расчеты проводятся для сатуратора, насосов и другого оборудования, что в совокупности формирует полную спецификацию для реализации проекта.
Глава 5. Подбор и расчет вспомогательных систем и оборудования
Помимо основного технологического оборудования — флотатора и фильтров — для полноценной работы системы требуется ряд вспомогательных элементов. Их правильный подбор и расчет гарантируют стабильность и надежность всего комплекса.
Насосное оборудование
В системе используется несколько насосов для различных задач:
- Подающий насос: Перекачивает воду из отстойника во флотатор. Его производительность должна соответствовать расчетной производительности установки (в нашем примере — не менее 3.6 м³/ч), а напор — преодолевать гидравлическое сопротивление трубопроводов и флотатора.
- Циркуляционный насос высокого давления: Обеспечивает подачу воды в сатуратор для насыщения воздухом. Он должен создавать давление, необходимое для растворения нужного количества воздуха.
- Насосная станция второго подъема: Подает очищенную воду из накопительного резервуара потребителям (на моечные аппараты). Подбирается по требуемому расходу и давлению в сети.
Для всех насосов важно выбирать модели, устойчивые к абразивному износу и воздействию химических веществ, содержащихся в стоках.
Резервуары и емкости
Объемы ключевых емкостей также подлежат расчету. Приемный отстойник должен обеспечивать достаточное время для осаждения песка (обычно его объем принимается равным 2-3 часовому притоку стоков). Бак чистой воды должен иметь запас, достаточный для компенсации пиковых разборов воды и обеспечения непрерывной работы мойки. Его объем обычно равен 1-2 часовой производительности установки.
Дозирующее оборудование
Если технологическая схема предусматривает использование реагентов (коагулянтов или флокулянтов) для интенсификации процесса очистки, необходимо подобрать дозирующие насосы. Их производительность должна быть регулируемой, чтобы точно подавать необходимое количество реагента в зависимости от качества исходной воды.
Глава 6. Проектирование автоматизированной системы управления процессом
Современная установка очистки воды должна работать в автоматическом режиме, минимизируя участие человека и снижая риск ошибок. Проектирование автоматизированной системы управления (АСУ) является неотъемлемой частью работы, обеспечивающей экономичную, стабильную и безопасную эксплуатацию.
Общая концепция автоматизации строится на базе программируемого логического контроллера (ПЛК), который собирает данные с датчиков и управляет исполнительными механизмами.
Ключевые контролируемые параметры и средства автоматизации:
- Уровень воды в емкостях: В приемном отстойнике и баке чистой воды устанавливаются датчики уровня (например, поплавковые или ультразвуковые). По их сигналам контроллер автоматически включает и выключает подающие и откачивающие насосы, предотвращая переполнение или осушение баков.
- Расход воды: На основной магистрали устанавливается расходомер, который позволяет контролировать производительность установки и при необходимости регулировать ее.
- Качество воды: Для контроля эффективности очистки могут применяться онлайн-датчики. Мутномер после флотатора сигнализирует о проскоке взвешенных частиц, а датчик содержания нефтепродуктов на выходе из системы подтверждает соответствие качества воды нормативам.
- Работа исполнительных механизмов: Контроллер управляет работой всех насосов, а также клапанов с электроприводом, которые отвечают за переключение потоков, например, во время промывки фильтров.
Система автоматизации также отслеживает нештатные ситуации, такие как отказ насоса или превышение предельных уровней, и включает световую или звуковую сигнализацию, оповещая персонал о необходимости вмешательства. Такой подход обеспечивает надежность работы комплекса 24/7.
Глава 7. Обеспечение безопасности труда и охрана окружающей среды
Любой инженерный проект должен соответствовать строгим нормативным требованиям в области безопасности. Этот раздел дипломной работы демонстрирует, что спроектированная установка не представляет угрозы для персонала и окружающей среды.
Охрана труда
Для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования необходимо предусмотреть комплекс мер по минимизации производственных рисков. Основные опасные факторы и меры по их предотвращению:
- Электрический ток: Все электрооборудование (насосы, шкаф управления) должно быть надежно заземлено. Кабели должны быть проложены в защитных коробах. Персонал должен проходить регулярный инструктаж по электробезопасности.
- Движущиеся части механизмов: Вращающиеся части насосов и другого оборудования должны иметь защитные кожухи и ограждения.
- Химические реагенты: При использовании коагулянтов или дезинфицирующих средств персонал должен быть обеспечен средствами индивидуальной защиты (СИЗ): перчатками, очками, защитной одеждой. Места хранения реагентов должны быть оборудованы вентиляцией.
Охрана окружающей среды
Сам проект напрямую направлен на защиту природы. Его положительное воздействие заключается в следующем:
- Экономия водных ресурсов: Внедрение системы оборотного водоснабжения сокращает потребление чистой водопроводной воды на 90-95%.
- Предотвращение загрязнения: Установка полностью исключает сброс неочищенных сточных вод, содержащих нефтепродукты и ПАВ, в городскую канализацию или на рельеф.
Особое внимание уделяется утилизации отходов. Осадок из отстойников (песок и ил) и флотошлам собираются в специальные контейнеры и передаются лицензированным организациям для утилизации как отходы соответствующего класса опасности. Отработанные сорбенты из фильтров также подлежат замене и утилизации в установленном порядке.
Глава 8. Технико-экономическое обоснование проекта
Технико-экономическое обоснование (ТЭО) — это финальный аргумент, доказывающий, что внедрение проекта не только технологически целесообразно, но и финансово выгодно. Расчет показывает, как инвестиции в очистное оборудование окупятся за счет экономии на эксплуатационных расходах.
1. Расчет капитальных вложений
Капитальные затраты (CAPEX) — это единовременные инвестиции, необходимые для запуска проекта. Они включают:
- Сметная стоимость оборудования: Стоимость флотатора, фильтров, насосов, емкостей, системы автоматизации и т.д.
- Стоимость строительно-монтажных работ (СМР): Затраты на подготовку площадки, фундаменты, монтаж оборудования, прокладку трубопроводов и электрокабелей.
- Прочие затраты: Расходы на проектирование, пусконаладочные работы и получение разрешительной документации.
2. Расчет годовых эксплуатационных расходов
Эксплуатационные расходы (OPEX) — это ежегодные затраты на поддержание работы установки. Основные статьи:
- Электроэнергия: Рассчитывается на основе мощности всего установленного оборудования и годового фонда рабочего времени.
- Оплата труда персонала: Заработная плата оператора или обслуживающего инженера.
- Расходные материалы и реагенты: Затраты на замену фильтрующих загрузок, коагулянты (если используются), УФ-лампы.
- Техническое обслуживание и ремонт: Плановые расходы на поддержание оборудования в рабочем состоянии.
- Утилизация отходов: Стоимость вывоза и утилизации осадка и отработанных сорбентов.
3. Расчет ��одового экономического эффекта
Экономический эффект достигается в основном за счет прямой экономии на коммунальных платежах. Он складывается из:
- Экономии на оплате водопроводной воды: Так как 95% воды используется повторно, закупка свежей воды сокращается в 20 раз.
- Экономии на сбросе стоков: Отсутствие сбросов в канализацию полностью устраняет плату за водоотведение.
Срок окупаемости (Payback Period) — ключевой показатель эффективности. Он рассчитывается как отношение общих капитальных вложений к годовому экономическому эффекту (за вычетом эксплуатационных расходов). Для подобных проектов срок окупаемости обычно составляет от 1.5 до 3 лет, что делает их высокопривлекательными для бизнеса.
Заключение, где мы подводим итоги и формулируем выводы
В ходе выполнения данной дипломной работы была успешно решена поставленная задача по проектированию установки очистки оборотной воды для автомобильной мойки. Все цели, сформулированные во введении, были достигнуты.
В рамках проекта были выполнены следующие ключевые этапы:
- Проведен детальный анализ существующих методов очистки, по результатам которого была обоснована и выбрана наиболее эффективная для данных условий комбинированная технологическая схема.
- Разработана принципиальная схема установки, включающая ступени механической очистки, напорной флотации и сорбционной доочистки.
- Выполнены технологические расчеты основного оборудования (флотатора, фильтров) и подобраны вспомогательные системы, что подтверждает работоспособность предложенного решения.
- Предложена система автоматизации на базе ПЛК, обеспечивающая надежную и экономичную эксплуатацию комплекса без постоянного вмешательства персонала.
- Проработаны вопросы охраны труда и окружающей среды, доказывающие безопасность проекта.
- Проведено технико-экономическое обоснование, которое продемонстрировало финансовую целесообразность и короткий срок окупаемости инвестиций.
Таким образом, можно сделать главный вывод: спроектированная установка является комплексным, технически обоснованным и экономически эффективным решением, которое позволяет автомойкам не только соответствовать ужесточающимся экологическим требованиям, но и значительно снижать свои операционные расходы за счет экономии водных ресурсов.
Список использованной литературы
- 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.
- Борзенков В.Н. Оборотное водоснабжение для моек транспорта — «Экология производства» — № 6 2010 г., с. 81-83.
- Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. — 188 с.
- 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.
- Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник для вузов. — М.: Изд-во АСВ, 2006. -704 с.
- Шустер К. Высокопроизводительная технология очистки сточных вод — «Экология производства» — № 2 2007 г., с. 60-63.
- 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.
- Системы очистки воды [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eco-center.ru/sysfilter.php
- Фильтры для воды. Системы для очистки воды. // Каталог оборудования водоочистки за 2013 год [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.water.ru/catalog/price/
- Садыков Э. и др. Создание научных основ обеззараживания и очистки воды на основе нанотехнологии: Научное исследование Кыргызско-Узбекского университета, 2011. — 68 с.
- Технология напорной флотации B&S-DAF / К. Шустер, STZ Meschede, Х. Бенуа, Vцlklingen, Н. Инго, ООО «Водако». – Экология производства, № 4. – 2007. – 66-69 с.
- 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.
- Пааль П.Л. Справочник по очистке природных и сточных вод.- М.: Высшая школа, 1994.- 336 с.
- Крицкий А. Ю. Система очистки оборотной воды при мойке автомобилей / пат. 104936 U1. опуб. 27.05.2012, Бюл. № 15. – С. 35 – 38.
- Установка оборотного водоснабжения / Заявка 94023911/26, 27.06.1994. — МПК C02F1/00, C02F1/40, B01D21/00, B01D36/04. — Научно-технический центр «Фонсвит».
- Кочетов О. С. Флотационно-фильтрационная установка Кочетова / пат. 2516633 C1. опуб. 20.05.2014 Бюл. №14. – С.72 – 76.
- Сердобинцев С.П., Кондратьева Е.В. Устройство для очистки жидких сред флотацией / пат. 2284299. опуб. 27.09.2006, Бюл. № 8. – С. 28 – 30.
- Галицын В.В., Гурвич В.А. Многоступенчатая установка флотационной очистки воды / пат. 2367622. опуб. 20.09.2009, Бюл. № 9. – С. 21 – 22.
- Лукьянов В.И., Медиоланская М.М. Станция очистки городских и промышленных сточных вод / пат. 237229. опуб. 10.11.2009, Бюл. № 11. – С. 52 – 54.
- 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.
- 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.
- Справочник аналитика: ПДК воды населенных мест [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ecmoptec.ru/pdknasmest
- Значения ПДК сточных вод[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://enviropark.ru/
- Ласков Ю.М., Воронов Ю.В., Калицун В.И. Примеры расчетов канализационных сооружений: Учеб. пособие для вузов.- М.: Высш. Школа, 1981.-232 с.
- Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. — 753 с.
- Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. — М.: ДеЛипринт, 2004.-301с
- Воловник Г.И., Коробко М.И. Очистка промышленных сточных вод. Методические указания на выполнение курсового проекта. – Хабаровск: ДВГАПС, 1997. – 44 с.
- Инженерная экология: Учебник для ВУЗов/ В.Г.Медведев и др. — М.: Гардарики, 2008. – 687 с.
- Красный Ю.М. Проектирование стройгенплана и организация строительной площадки: Учеб. пособие. – Екатеринбург: УГТУ, 2000 – 144 с.
- Редин В.И, Князев А.С., Костюк Л.В. Проектирование природоохранных объектов: Метод. указания.- СПб.:СПбГТИ(ТУ), 2010,- 94 с.
- НПБ –105-95. Определение категорий зданий и помещений по взрыво -пожарной опасности. – М., 1995.
- Каталог контрольно-измерительных приборов Овен [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/catalog
- Каталог контрольно-измерительных приборов [Электронный ресурс]. — http://www.prist.ru/produce.php/prices.htm
- Положение об обеспечении безопасности производственного оборудования. ПОТ РО — 14000 — 002 – 98. М., 1998. – 25 с.
- Жидецкий В.Ц., Джигирей В.С., Мельников А.В. Основы охраны труда. — Учебник. — 2-е изд., доп. — Львов: Афиша, 2000. — 351 с.
- Правила устройства электроустановок. М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. — 607 с.
- Бобков А.С. Охрана труда и экологическая безопасность в химической промышленности. – М.: Химия,1997. — 400 c.
- Сборник удельных показателей образования отходов производства и потребления. – М.: Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды, 1999 – 65 с.
- Косниская Л.В. Кочеров Н.П. Технико-экономические расчеты в дипломном проекте. Методическое пособие. – СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2009. – 33 с.
- Прайс-лист на промышленное очистное оборудование ОАО «Экос» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.ecos.ru/
- Определение величины экономического ущерба [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://edu.dvgups.ru