Проектирование водопроводных очистных сооружений: структура и содержание курсовой работы

Введение: Цель и актуальность проекта очистных сооружений

Чистая питьевая вода — фундаментальная основа здоровья нации и экологического благополучия. В сложной системе городского водоснабжения ключевую роль играют водопроводные очистные сооружения (ВОС), представляющие собой инженерный барьер между загрязненными природными источниками и конечным потребителем. Качество воды, подаваемой населению, строго регламентируется нормативными документами, в частности СанПиН 2.1.4.1074-01, что делает проектирование эффективных ВОС задачей первостепенной важности.

Главная цель данного курсового проекта — разработать комплекс водопроводных очистных сооружений, способный гарантированно доводить качество воды из заданного источника до нормативных показателей. Для достижения этой цели были поставлены следующие ключевые задачи:

• Провести детальный анализ качественных и количественных показателей исходной воды.
• Обосновать и выбрать наиболее рациональную технологическую схему очистки.
• Выполнить технологические расчеты всех основных сооружений, входящих в схему.
• Разработать реагентное хозяйство для подготовки и дозирования реагентов.
• Предусмотреть систему обеззараживания для обеспечения эпидемиологической безопасности.
• Разработать общую компоновку сооружений на генеральном плане.

Эта работа представляет собой пошаговое руководство по проектированию, где каждое инженерное решение подкреплено расчетами и анализом, превращая теоретические знания в практически применимый проект.

Анализ исходной воды как отправная точка для проектирования

Любое проектирование начинается с тщательного изучения объекта работы. В нашем случае — это исходная вода из поверхностного источника. Глубокое понимание ее химического и физического состава является единственным надежным основанием для выбора технологии очистки. Основные показатели исходной воды для нашего проекта, требующего производительности станции 81 000 м³/сут, сведены в таблицу для наглядного сравнения с нормами.

(Здесь в курсовой работе приводится таблица со сравнительным анализом показателей исходной воды (мутность, цветность, перманганатная окисляемость, содержание железа, pH и т.д.) и требований СанПиН 2.1.4.1074-01).

Анализ данных показывает значительные превышения по таким ключевым показателям, как мутность и цветность. Это прямо указывает на то, что вода не может быть подана потребителям без предварительной подготовки. На основе этого сравнения формулируется однозначный вывод: для приведения воды к питьевым стандартам необходим полный комплекс процедур, включающий осветление, обесцвечивание и финальное обеззараживание.

Как мы выбирали и обосновывали технологическую схему очистки

Выбор технологической схемы — стратегическое решение, которое определяет весь дальнейший ход проектирования. Он напрямую зависит от качества исходной воды. Для источников с высокими показателями мутности и цветности, как в нашем случае, стандартная одноступенчатая схема (фильтрация) будет неэффективна. Поэтому мы провели сравнительный анализ нескольких подходов и остановились на двухступенчатой схеме очистки с реагентной обработкой. Этот выбор обусловлен необходимостью сначала дестабилизировать коллоидные частицы (причину мутности и цветности) с помощью коагулянтов, а затем удалить образовавшиеся хлопья.

Выбранная нами технологическая цепочка включает следующие ключевые этапы:

1. Реагентная обработка: Введение в воду коагулянта для нейтрализации заряда взвешенных частиц и флокулянта для укрупнения образующихся хлопьев.
2. Смешение и хлопьеобразование: Быстрое смешение реагентов с водой в смесителе и последующее медленное перемешивание в камерах хлопьеобразования для формирования крупных и прочных флокул.
3. Отстаивание: Гравитационное осаждение основной массы хлопьев в горизонтальных отстойниках для предварительного осветления воды.
4. Фильтрация: Пропускание предварительно осветленной воды через слой зернистой загрузки (кварцевый песок) в скорых фильтрах для удаления остаточных мелких взвесей.
5. Обеззараживание: Финальная обработка воды хлором для уничтожения патогенных микроорганизмов и обеспечения эпидемиологической безопасности перед подачей в сеть.

Такая последовательность операций обеспечивает надежную и глубокую очистку воды от широкого спектра загрязнений.

Расчет реагентного хозяйства для эффективной коагуляции

Сердцем процесса осветления воды является реагентное хозяйство. Его правильный расчет гарантирует, что процесс коагуляции будет протекать эффективно. На основе анализа воды и современных практик в качестве основного коагулянта был выбран оксихлорид алюминия (ОХА), а в качестве флокулянта — полиакриламид (ПАА). Эти реагенты хорошо зарекомендовали себя для обработки вод с высокой цветностью.

Расчет реагентного хозяйства включал следующие шаги:

• Определение дозы реагентов: На основе лабораторных данных и справочных материалов была рассчитана рабочая и максимальная доза коагулянта и флокулянта, необходимая для эффективной очистки при разных состояниях исходной воды.
• Расчет расхода: Определен суточный и часовой расход сухого и товарного реагента, что является основой для проектирования складских помещений и оборудования.
• Проектирование баков: Рассчитаны объемы и подобраны конструкции растворных (где готовится концентрированный раствор) и расходных (откуда раствор подается на дозирование) баков. Их объем обеспечивает необходимый запас для бесперебойной работы станции.
• Подбор насосов-дозаторов: На основе часового расхода реагентов были подобраны насосы-дозаторы требуемой производительности, способные гибко регулировать подачу в зависимости от качества воды и производительности станции.

Проектирование сооружений смешения и камер хлопьеобразования

После дозирования реагентов их необходимо максимально быстро и равномерно распределить по всему объему обрабатываемой воды. Для этой цели был выбран и рассчитан гидравлический смеситель вихревого типа. Его конструкция обеспечивает интенсивное турбулентное перемешивание за счет гидравлических потерь, не требуя затрат электроэнергии.

Следующий этап — флокуляция, или хлопьеобразование. Этот процесс, наоборот, требует плавного и медленного перемешивания, чтобы не разрушить уже начавшие формироваться хлопья. Для этого мы спроектировали гидравлические камеры хлопьеобразования перегородчатого типа. Расчет этого узла включал:

• Определение общего объема камер исходя из необходимого времени пребывания воды (обычно 20-30 минут).
• Расчет основных размеров (длины, ширины, глубины) и количества коридоров, образуемых перегородками.
• Гидравлический расчет для обеспечения плавно затухающей скорости движения воды от коридора к коридору, что создает оптимальные условия для роста флокул.

Грамотно спроектированные смеситель и камеры хлопьеобразования являются залогом успешного протекания последующих стадий отстаивания и фильтрации.

Расчет и конструирование отстойников для осветления воды

Сформированные хлопья необходимо отделить от воды. Для этого используется процесс отстаивания. Учитывая большую производительность станции, в качестве основного сооружения для осаждения были выбраны горизонтальные отстойники. Этот тип сооружений надежен в эксплуатации и обеспечивает стабильный эффект осветления для больших объемов воды.

Полный технологический расчет включал:

• Определение количества отстойников: Расчет велся с учетом необходимости отключения одного отстойника на чистку или ремонт без снижения общей производительности станции.
• Расчет основных размеров: Были определены оптимальная длина, ширина и глубина проточной части каждого отстойника для обеспечения низкой скорости потока (не более 10 мм/с), при которой происходит эффективное осаждение хлопьев.
• Проверка эффекта осветления: Выполнен проверочный расчет, доказывающий, что при заданных размерах и скорости движения воды будет удаляться не менее 90-95% взвешенных веществ.
• Проектирование системы удаления осадка: Предусмотрена система периодического сбора и гидравлического удаления накопившегося в отстойниках осадка.

Расчет и подбор фильтровальных сооружений

После отстойников вода содержит лишь небольшое количество мелких и легких взвесей, которые не смогли осесть. Для их удаления и достижения финальной прозрачности воды используется процесс фильтрации. В проекте были выбраны скорые напорные фильтры, загруженные кварцевым песком. Это современное и высокоэффективное решение, позволяющее работать с высокими скоростями фильтрования.

Процесс проектирования фильтров состоял из следующих этапов:

1. Расчет площади фильтрации: На основе производительности станции и нормативной скорости фильтрования была определена общая требуемая площадь фильтров.
2. Определение количества фильтров: Общая площадь была разделена на несколько фильтров стандартного размера для удобства эксплуатации и обеспечения возможности поочередной промывки.
3. Расчет фильтрующей загрузки: Были определены ключевые параметры загрузки: высота слоя кварцевого песка и крупность его зерен, что напрямую влияет на качество очистки.
4. Разработка системы промывки: Фильтры требуют периодической промывки для удаления накопившихся загрязнений. Был рассчитан интенсивность и расход промывной воды, а также спроектирована система ее подачи и отвода.

Обоснование системы обеззараживания и финального контроля

Даже идеально прозрачная вода может содержать опасные бактерии и вирусы. Поэтому заключительным и критически важным этапом является обеззараживание. После обзора современных методов (хлорирование, озонирование, УФ-облучение) для данного проекта был выбран наиболее распространенный и надежный метод — хлорирование с использованием жидкого хлора. Его выбор обоснован высокой эффективностью против широкого спектра микроорганизмов и, что важно, пролонгированным действием, которое сохраняется в водопроводной сети.

Проектирование этого узла включало:

• Расчет рабочей дозы хлора: Доза была определена с учетом хлорпоглощаемости воды, чтобы обеспечить необходимую концентрацию остаточного свободного хлора в воде, подаваемой потребителю.
• Расчет контактной камеры: Для гарантии уничтожения микроорганизмов вода должна контактировать с хлором не менее 30 минут. Для этого была рассчитана специальная емкость — контактная камера.
• Описание хлораторной установки: Разработана принципиальная схема хлораторной, включающая склад для хранения реагента, испарители и дозаторы, с соблюдением всех норм безопасности.

Также была предусмотрена система финального контроля качества воды на выходе со станции, обеспечивающая непрерывный мониторинг ключевых показателей перед подачей в городскую сеть.

Разработка генерального плана и компоновка сооружений

Проектирование отдельных узлов завершается их объединением в единый технологический комплекс. Разработка генерального плана станции — это задача по оптимальному взаимному размещению всех зданий и сооружений с учетом технологической последовательности, гидравлики, удобства эксплуатации и санитарных норм.

Ключевые принципы, заложенные в генплан:

• Прямоточность: Сооружения расположены так, чтобы обеспечить последовательное движение воды с минимальной длиной соединяющих трубопроводов.
• Зонирование: Территория станции разделена на функциональные зоны: зона очистки, административно-бытовая зона, складская зона.
• Санитарная безопасность: Вокруг станции предусмотрены зоны санитарной охраны (ЗСО) требуемых размеров, что исключает внешнее загрязнение сооружений.

Отдельное внимание было уделено системе обработки осадков, образующихся в отстойниках и при промывке фильтров. Была предложена схема их уплотнения и обезвоживания перед дальнейшей утилизацией, что является неотъемлемой частью современного экологичного проектирования.

Финальные выводы и состав графической части проекта

В результате проделанной работы был выполнен полный комплекс расчетов и разработан проект водопроводных очистных сооружений производительностью 81 000 м³/сут. Все принятые решения обоснованы, а расчеты выполнены в строгом соответствии с действующими нормами и правилами.

Спроектированный комплекс сооружений, включающий реагентную обработку, двухступенчатую схему осветления (отстаивание и фильтрация) и финальное хлорирование, способен обеспечить очистку исходной воды из поверхностного источника до показателей, полностью соответствующих требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода».

Цель курсового проекта была полностью достигнута. Для визуализации и защиты принятых решений к пояснительной записке прилагается графическая часть, включающая следующие чертежи:

1. Технологическая схема очистных сооружений.
2. План и разрезы горизонтального отстойника.
3. План и разрезы скорого напорного фильтра.
4. Генеральный план станции очистки воды.

В заключение приводится список использованной нормативной и технической литературы, послужившей основой для выполнения расчетов и принятия проектных решений.

Список использованной литературы

1. СНиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Гос-строй России. – М.: ГУП ЦПП, 2003. – 128с.
2. СанПиН 2.1.4.1074-01 Подготовка воды для питьевого и промышленого водоснабжения / Стройконсультант 3.1
3. Кожинов В. Ф. очистка питьевой и промышленой воды. – М.: Издатель-ство литературы по строительству, 1971. – 300с.
4. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и про-мышленных предприятий / под. ред. Москвитина А. С. – М.:Стройиздат, 1979. – 430с.
5. Клячко В. А., Апельцин И. Э. Очистка природных вод. – М.: Издательство литературы по строительству, 1971. – 320с.
6. Шевелев Ф. А. Таблицы гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных труб. – М.:Стройиздат, 1984.
7. Методические указания Водопроводные очистные сооружения / Васильченко М. П., Алябьева К. Г. – Новосибирск: НГАСУ,1986.
8. Методические указания Подготовка питьевой воды / Фоминых А. М. Новосибирск: НГАСУ, 1993.