Проектирование водоочистных сооружений: Структура, содержание и методика расчета курсовой работы

Введение. Актуальность и задачи проектирования водоочистных сооружений

Качественная питьевая вода является краеугольным камнем общественного здравоохранения и ключевым фактором устойчивого развития любого региона. Водопроводные очистные сооружения — это важнейшая часть системы водоснабжения, выполняющая барьерную функцию между загрязненными природными источниками и конечным потребителем. Ухудшение экологической обстановки, рост промышленной и сельскохозяйственной нагрузки приводят к попаданию в водоемы широкого спектра загрязнителей — от природных взвешенных веществ до сложных химических соединений и патогенных микроорганизмов.

Именно поэтому проектирование эффективных водоочистных станций является одной из самых ответственных и актуальных инженерных задач. Данная курсовая работа представляет собой комплексное исследование, направленное на решение этой задачи.

Цель курсовой работы: Разработка проекта водоочистных сооружений для условного населенного пункта N с заданной производительностью Q, обеспечивающего подготовку питьевой воды, качество которой полностью соответствует нормативным требованиям.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд последовательных задач:

1. Провести детальный анализ исходных данных о качестве воды в источнике водоснабжения.
2. Изучить и применить нормативные требования, предъявляемые к качеству питьевой воды, в первую очередь — СанПиН 2.1.4.1074-01.
3. Выбрать и технико-экономически обосновать наиболее рациональную технологическую схему очистки.
4. Выполнить технологические и конструктивные расчеты всех основных сооружений в составе выбранной схемы.
5. Разработать схему обработки и утилизации осадков, образующихся в процессе водоподготовки.
6. Выполнить гидравлическую увязку сооружений для обеспечения их корректной совместной работы.

Последовательное решение этих задач позволит создать целостный и технически грамотный проект, демонстрирующий глубокое понимание процессов и методов современной водоподготовки.

Глава 1. Как исходные данные и нормативы определяют ход проектирования

Проектирование водоочистных сооружений начинается не с чертежей, а с глубокого анализа двух фундаментальных основ: характеристик исходной воды и нормативных требований к воде питьевой. Разница между «что имеем» и «что должны получить» определяет всю дальнейшую инженерную стратегию.

В качестве исходных данных для курсовой работы обычно используется таблица с показателями качества воды из источника. Рассмотрим условный пример:

Условные показатели качества исходной воды в источнике

Показатель	Значение	Единица измерения	Норматив по СанПиН 2.1.4.1074-01
Мутность	50	мг/л	не более 1,5
Цветность	80	градусы	не более 20
Содержание железа (общее)	1,2	мг/л	не более 0,3
Общее микробное число	1500	КОЕ/мл	не более 50

Ключевым регуляторным документом в России является СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода…». Он устанавливает предельно допустимые концентрации (ПДК) для широкого спектра загрязнителей, включая физико-химические (мутность, цветность) и микробиологические параметры. Сравнительный анализ показывает значительные превышения нормативов по всем основным показателям. Это напрямую диктует набор необходимых технологий:

• Высокая мутность и цветность однозначно требуют введения процессов коагуляции, флокуляции и последующего отстаивания и фильтрации.
• Превышение по железу указывает на необходимость его окисления (например, аэрацией) и осаждения.
• Высокое микробное число делает обязательным этап финального обеззараживания.

Второй важный параметр — расчетная производительность станции (Q), измеряемая в м³/сутки. Она определяется на основе численности населения и утвержденных норм водопотребления на одного жителя, учитывая также расход воды на промышленные нужды и полив. Производительность напрямую влияет на габариты и количество сооружений.

Глава 2. Выбор и обоснование принципиальной технологической схемы очистки воды

На основе анализа исходных данных формируется «дорожная карта» очистки — принципиальная технологическая схема. Это последовательность операций, которую должна пройти вода от водозабора до резервуара чистой воды. Существует несколько подходов, и задача проектировщика — выбрать оптимальный.

Для нашего условного примера можно рассмотреть несколько вариантов:

1. Классическая двухступенчатая схема: Наиболее распространенный и надежный вариант при высокой мутности. Включает реагентную обработку (коагуляция), отстаивание, фильтрацию и обеззараживание.
2. Схема с аэрацией: Применяется при высоком содержании растворенного железа. Включает предварительную аэрацию для окисления железа, а затем — отстаивание и/или фильтрацию.
3. Мембранные технологии: Ультрафильтрация или нанофильтрация. Высокоэффективный, но более дорогой метод, который может заменить традиционные этапы отстаивания и фильтрации.

Учитывая высокую мутность и цветность исходной воды, а также наличие железа, наиболее эффективной и экономически оправданной для данного проекта является классическая двухступенчатая схема с предварительной аэрацией. Она надежно удаляет взвешенные и коллоидные частицы и обеспечивает окисление железа.

Таким образом, выбранная технологическая цепочка будет выглядеть следующим образом:

Вода из источника → Аэрация → Ввод коагулянта → Смеситель → Камеры хлопьеобразования → Горизонтальные отстойники → Скорые фильтры → Контактный резервуар с вводом дезинфектанта → Резервуар чистой воды → Потребителю.

Эта блок-схема является скелетом всего проекта, и следующие главы будут посвящены детальному расчету каждого из ее элементов.

Глава 3. Расчет реагентного хозяйства, обеспечивающего процессы коагуляции

Реагентное хозяйство — это «сердце» химической стадии очистки. Его задача — приготовить и точно дозировать реагенты, в первую очередь коагулянт, который заставляет мельчайшие загрязняющие частицы слипаться в крупные хлопья (флокулы), способные к осаждению.

Процесс расчета включает несколько шагов:

1. Выбор реагента и определение дозы. В качестве коагулянта чаще всего используют сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃. Его доза (D) определяется лабораторным путем и зависит от качества исходной воды (мутности, цветности, щелочности). Для расчетов в курсовой работе доза принимается по справочным данным, например, 50 мг/л.
2. Расчет расхода реагента. Суточный расход безводного (100%) реагента (Рсут, кг/сут) рассчитывается по формуле:
   Рсут = (Q * D) / 1000, где Q — производительность станции в м³/сут.
   Далее рассчитывается расход товарного продукта с учетом его активной части.
3. Расчет объемов баков. Проектируются как минимум два типа баков:
   • Растворные баки: В них происходит растворение товарного реагента до рабочей концентрации (например, 10%). Объем рассчитывается на обеспечение 12-24 часовой работы станции.
   • Расходные баки: Из них готовый раствор подается в воду. Объем обычно принимается на 2-4 часа работы.
4. Подбор насосов-дозаторов. На основе часового расхода раствора коагулянта подбираются насосы-дозаторы требуемой производительности. Важно предусмотреть резервные агрегаты для надежности.

Также в этом разделе необходимо описать условия хранения реагентов (специальные склады) и меры техники безопасности при работе с химическими веществами.

Глава 4. Проектирование и расчет смесителей и камер хлопьеобразования

После дозирования реагента критически важно обеспечить его быстрое и полное смешение с всем объемом обрабатываемой воды, а затем создать условия для плавного роста хлопьев. Эти задачи решают смесители и камеры хлопьеобразования.

Смесители. Их цель — за доли секунды равномерно распределить коагулянт. Выбор типа смесителя (гидравлический или механический) зависит от производительности станции. В курсовом проекте часто рассматривают гидравлические смесители (например, с отражательными перегородками), так как они проще в эксплуатации. Расчет сводится к определению их геометрических размеров и проверке скорости потока воды для обеспечения турбулентного режима.

Камеры хлопьеобразования (флокуляторы). Здесь, в отличие от смесителя, требуется плавное, ламинарное перемешивание, чтобы уже начавшие образовываться хлопья не разрушались, а, наоборот, укрупнялись при столкновении друг с другом. Расчет заключается в следующем:

• Определение требуемого объема камер (W) по формуле:
  W = q * T, где q — часовой расход воды, T — рекомендуемое время пребывания воды в камерах (обычно 20-30 минут).
• Конструктивный расчет: На основе полученного объема определяются размеры камер (длина, ширина, глубина). Часто они конструктивно объединяются с отстойниками.
• Проверка градиентов скорости, которые характеризуют интенсивность перемешивания. Градиент должен быть достаточным для контакта частиц, но не настолько большим, чтобы разрушать хлопья.

Глава 5. Конструктивный и технологический расчет отстойников

Отстойники — это массивные сооружения, предназначенные для удаления из воды основной массы загрязнений, сформированных в виде хлопьев на предыдущем этапе. Процесс основан на гравитации: вода движется с очень низкой скоростью, и хлопья успевают осесть на дно.

Исходя из производительности станции, для крупных объектов чаще всего выбирают горизонтальные отстойники. Их расчет — одна из ключевых частей курсовой работы.

Технологический расчет:

1. Определение площади отстаивания (F). Это главный параметр. Он рассчитывается так, чтобы скорость восходящего потока воды была меньше гидравлической крупности (скорости оседания) самых мелких частиц, которые мы хотим задержать.
2. Расчет времени пребывания воды. Проверяется, достаточно ли времени (обычно 2-4 часа) вода будет находиться в отстойнике для эффективного осаждения. Это время пребывания необходимо для протекания процессов.

Конструктивный расчет:

• На основе рассчитанной площади и с учетом конструктивных соображений (обычно принимают 2 и более рабочих отстойника) определяют их длину, ширину и глубину рабочей зоны.
• Рассчитывается объем зоны накопления осадка (илового отсека). Этот объем должен быть достаточным, чтобы вместить весь осадок, выпадающий между чистками.
• Определяется периодичность удаления осадка и проектируется система его сбора и отвода.

В завершение главы обычно приводится схематический продольный и поперечный разрез отстойника с указанием всех рассчитанных размеров.

Глава 6. Разработка и расчет скорых фильтров для финишной очистки

После отстойников вода становится значительно прозрачнее, но для достижения нормативов по мутности требуется финишная доочистка. Эту задачу выполняют скорые фильтры, которые задерживают оставшиеся мелкие взвеси, пропуская воду через слой зернистого материала.

Проектирование фильтров — это комплексная задача:

1. Обоснование конструкции. Выбирается тип фильтра (чаще всего открытый самотечный) и тип фильтрующей загрузки. Классический вариант — однослойная загрузка из кварцевого песка различной крупности. Могут применяться и более эффективные двухслойные загрузки (например, антрацит-песок).
2. Расчет площади фильтрации. Суммарная площадь всех фильтров (А) определяется по формуле:
   А = Q / (v * T), где Q — суточная производительность, v — скорость фильтрования (принимается нормативно, обычно 5-7 м/ч), T — время работы станции в сутках.
3. Определение количества фильтров. Общая площадь делится на площадь одного фильтра (принимается конструктивно), и определяется количество рабочих фильтров. Обязательно предусматриваются 1-2 резервных фильтра на время промывки или ремонта.
4. Расчет системы промывки. Со временем фильтр загрязняется и его сопротивление растет. Для восстановления его работоспособности проводят промывку — подачу воды (и часто воздуха) снизу вверх. Это самый сложный этап расчета, включающий определение интенсивности подачи воды и воздуха, продолжительности промывки и общего расхода промывной воды.
5. Расчет дренажно-распределительной системы. Это система в нижней части фильтра, которая должна равномерно собирать чистую воду (фильтрат) во время работы и так же равномерно распределять промывную воду во время промывки.

Глава 7. Расчет системы обеззараживания для гарантии микробиологической безопасности

Осветленная и отфильтрованная вода прозрачна, но может содержать опасные патогенные микроорганизмы. Обеззараживание (дезинфекция) — это заключительный и обязательный барьер, обеспечивающий эпидемиологическую безопасность питьевой воды.

В курсовом проекте необходимо сравнить основные методы и выбрать один:

• Хлорирование: Самый распространенный метод благодаря своей эффективности, простоте и, что важно, пролонгированному действию (остаточный хлор в воде защищает ее от повторного заражения в трубах).
• УФ-обеззараживание: Высокоэффективно против вирусов и бактерий, не образует вредных побочных продуктов. Однако не имеет эффекта последействия.
• Озонирование: Очень мощный окислитель, убивающий все микроорганизмы и заодно улучшающий органолептические свойства воды. Технологически сложный и дорогой метод.

Для проекта чаще всего выбирают хлорирование как базовый метод. Расчет включает:

1. Определение рабочей дозы хлора. Доза (мг/л) должна быть достаточной, чтобы уничтожить микроорганизмы и обеспечить заданную концентрацию остаточного свободного хлора в воде после контакта.
2. Расчет времени контакта. Для надежного обеззараживания требуется определенное время контакта воды с хлором (не менее 30 минут).
3. Проектирование контактного резервуара. Рассчитывается объем и конструкция специального резервуара, в котором вода будет находиться необходимое для дезинфекции время перед подачей потребителям.

Глава 8. Проектирование сооружений по обработке и утилизации осадков

Важный аспект, который нельзя упускать: в процессе очистки воды образуется значительное количество отходов — осадок из отстойников и промывные воды фильтров. Просто сбросить их в окружающую среду недопустимо. Требуется спроектировать отдельную технологическую линию по их обработке.

Этапы проектирования:

1. Расчет количества отходов. Определяется суточный объем жидкого осадка из отстойников и объем загрязненных промывных вод от фильтров. Это исходные данные для дальнейшего расчета.
2. Выбор схемы обработки. Типичная схема включает:
   • Уплотнение: Осадок направляется в илоуплотнители (похожие на вертикальные отстойники), где он отстаивается, а отделившаяся вода возвращается в начало очистных сооружений.
   • Обезвоживание: Уплотненный осадок имеет влажность 95-98%. Для дальнейшей утилизации его обезвоживают на специальном оборудовании (например, фильтр-прессах или центрифугах) до кек-образного состояния (влажность 75-80%).
3. Расчет основных сооружений. Выполняется расчет требуемого объема илоуплотнителей и подбор производительности обезвоживающего оборудования.
4. Определение путей утилизации. Рассматриваются варианты использования обезвоженного осадка (например, в качестве компонента для производства стройматериалов) или его захоронения на специализированных полигонах.

Глава 9. Гидравлический расчет коммуникаций станции, определяющий взаимное расположение сооружений

Все спроектированные сооружения необходимо объединить в единую систему, обеспечив движение воды между ними. Идеальный вариант — самотечное движение, которое минимизирует затраты на электроэнергию. Задача гидравлического расчета — доказать, что это возможно.

Процесс включает:

1. Построение высотной схемы. На схеме последовательно изображаются все сооружения от самого высокого (смеситель) до самого низкого (резервуар чистой воды). Указываются уровни воды в каждом из них.
2. Расчет потерь напора. Последовательно рассчитываются гидравлические потери на каждом элементе системы:
   • Потери в соединительных трубах и лотках.
   • Потери на входе и выходе из сооружений.
   • Потери непосредственно в сооружениях (например, в фильтрующей загрузке скорого фильтра, которые являются самыми значительными).

   Для сложных сетей могут использоваться программные комплексы, например, EPANET, для моделирования.

3. Определение общего перепада высот. Суммируются все потери напора по всей технологической цепочке. Полученное значение — это минимальный перепад высот, который должен быть между уровнем воды в первом и последнем сооружении, чтобы вода двигалась самотеком.
4. Выводы. На основе расчета делается вывод о возможности самотечного режима. Если суммарные потери слишком велики, принимается решение об установке насосной станции подкачки на одном из участков.

Заключение. Основные результаты и выводы по проекту

В ходе выполнения курсовой работы была решена комплексная инженерная задача по проектированию станции водоподготовки для условного населенного пункта.

На основе анализа исходных данных о качестве воды и требований СанПиН 2.1.4.1074-01 была выбрана и обоснована эффективная технологическая схема очистки, включающая процессы аэрации, коагуляции, отстаивания, фильтрации и обеззараживания.

В соответствии с методиками были выполнены технологические и конструктивные расчеты, в результате которых были определены ключевые проектные параметры основных сооружений. Например:

• Спроектированы два горизонтальных отстойника размером L x B x H.
• Рассчитана фильтровальная станция из шести рабочих и одного резервного скорого фильтра общей площадью F.
• Спроектирован контактный резервуар для хлорирования объемом W, обеспечивающий время контакта не менее 30 минут.

Главный вывод работы заключается в том, что спроектированный комплекс водоочистных сооружений обеспечивает очистку природной воды от имеющихся загрязнений до показателей, полностью соответствующих гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде.

Практическая значимость работы состоит в том, что она демонстрирует системный подход к проектированию, от анализа проблемы до детального расчета всех звеньев технологической цепи, что необходимо для создания эффективных и экономически оправданных инженерных решений в сфере водоснабжения.

Список использованных источников и Приложения

Завершающие разделы курсовой работы должны быть оформлены в строгом соответствии с академическими стандартами.

Список использованных источников:

В этом разделе приводится библиографический список всей литературы, которая использовалась при написании работы. Сюда входят учебники, научные статьи, монографии и, что обязательно, нормативные документы (ГОСТы, СП, СанПиНы). Оформление списка должно соответствовать требованиям ГОСТ. Каждый источник, на который есть ссылка в тексте, должен быть в этом списке.

Приложения:

Этот раздел предназначен для вынесения материалов, которые загромождают основной текст, но важны для полноты проекта. Сюда включают:

• Графическую часть: Крупноформатные чертежи, такие как генеральный план станции, высотная схема, технологическая схема, а также подробные разрезы основных сооружений (отстойника, фильтра) с указанием всех размеров и отметок.
• Вспомогательные таблицы: Объемные таблицы с исходными данными, промежуточными или гидравлическими расчетами.
• Спецификации оборудования: Перечень подобранного оборудования (насосов, компрессоров, УФ-ламп) с указанием их характеристик.

Важно: В основном тексте пояснительной записки обязательно должны быть ссылки на соответствующие приложения (например, «…конструкция отстойника показана на Листе 1 в Приложении А»).

Список используемой литературы

1. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Минстрой России. – М.: ГП ЦПП, 1996. – 128 с.
2. СанПиН 2.1.4.1074-01 Подготовка воды для питьевого и промышленого водоснабжения / Стройконсультант 3.1
3. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчёты: Учеб. пособие для вузов – М.: ООО «Бастет», 2008. – 304с.
4. Старинский В.П., Михайлик Л.Г. Водозаборные и очистные сооружения коммунальных водопроводов. Уч. пособие. – М.: Выш.шк, 1989 – 269 с.
5. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы длягидравлического расчета водопроводных сетей. – М.: Стройиздат, 1984. – 116с.
6. Пособие по водоснабжению и канализации городских и сельских поселений (к СНиП 2.07.01-89). – М.: Арендное производственное предприятие ЦИТП, 1992.