Проектирование и расчет водопроводных очистных сооружений: структура и содержание курсовой работы

Водопроводные очистные сооружения — ключевой и неотъемлемый элемент системы водоснабжения любого населенного пункта. Потребители должны получать воду не только в достаточном количестве, но и такого качества, которое гарантирует полную безопасность для здоровья. Главная цель курсового проекта по этой дисциплине — разработать комплекс инженерных сооружений, способный довести качество исходной воды из источника до строгих нормативных требований. Результатом всей проделанной работы станут два основных документа: подробная пояснительная записка со всеми расчетами и обоснованиями, а также графическая часть, включающая чертежи и схемы спроектированных объектов. Основа любого качественного проекта — это точные исходные данные, которые служат фундаментом для всех последующих инженерных решений.

Глава 1. Как анализ исходных данных определяет весь ход проектирования

Выполнение курсовой работы начинается не с чертежей или формул, а с глубокого анализа исходных данных. Именно эти данные становятся фундаментом, на котором строится весь проект. Ключевыми параметрами, влияющими на выбор технологии очистки, являются характеристики исходной воды: ее мутность, цветность, перманганатная окисляемость, щелочность и бактериальное загрязнение. Например, высокое содержание взвешенных веществ и высокая цветность прямо указывают на необходимость коагуляции и последующего отстаивания. В то же время, второй важнейшей константой, от которой зависят все гидравлические расчеты и габариты сооружений, является заданная производительность станции. Этот параметр, выраженный в кубических метрах в сутки (например, 81000 м³/сут), определяет объемы воды, которые система должна обрабатывать непрерывно. Конечной целью очистки является приведение всех показателей к нормам, установленным в СанПиН 1.2.3685-21. Таким образом, анализ исходных данных — это не формальность, а стратегический этап, предопределяющий всю дальнейшую работу.

Типичные исходные данные для проекта могут быть представлены в следующей таблице:

Пример исходных данных для курсового проекта

Параметр	Значение	Примечание
Производительность станции, Q	81 000 м³/сут	Основа для всех расчетов
Мутность	90 мг/л	Влияет на дозу коагулянта
Цветность	110 град.	Требует коагуляции

Поняв, с какой водой и в каком объеме нам предстоит работать, мы можем сделать самый ответственный выбор — определить принципиальную технологическую схему очистки.

Глава 2. Выбор и обоснование технологической схемы очистки воды

Выбор технологической схемы — это, по сути, решение инженерного уравнения: с одной стороны у нас есть качество исходной воды, а с другой — жесткие требования СанПиН. Задача состоит в том, чтобы выстроить такую цепочку сооружений, которая гарантированно устранит все имеющиеся загрязнения. Существуют различные типовые схемы, и выбор конкретной из них зависит от исходных параметров.

• Одноступенчатая схема очистки: Обычно включает реагентную обработку и фильтрацию (например, на контактных осветлителях). Применяется для вод с относительно невысоким содержанием загрязнений.
• Двухступенчатая схема очистки: Это более распространенная и надежная схема для обработки мутных и цветных поверхностных вод. Она включает две основные ступени осветления: отстаивание (в отстойниках) и фильтрацию (на скорых фильтрах).

Процесс обоснования выбора должен быть логичным и аргументированным. Например: «Поскольку в исходной воде наблюдается высокая мутность (90 мг/л) и цветность (110 град.), одноступенчатой схемы очистки будет недостаточно. Поэтому для обеспечения гарантированного качества очищенной воды принимаем двухступенчатую схему. В ее состав будут входить: реагентное хозяйство для подготовки и дозирования коагулянта, смеситель для перемешивания реагента с водой, камеры хлопьеобразования, горизонтальные отстойники для удаления основной массы скоагулированных примесей, скорые фильтры для финишной доочистки и сооружения для обеззараживания воды». Такой подход демонстрирует понимание процессов и позволяет четко сформулировать утвержденную схему для дальнейших расчетов.

Глава 3. Расчет реагентного хозяйства и дозирования коагулянта

Центральным процессом в схеме очистки мутных и цветных вод является коагуляция — процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц путем добавления специальных химических реагентов (коагулянтов). Это позволяет превратить мелкие, не оседающие примеси в крупные и тяжелые хлопья, которые можно легко удалить в отстойниках и фильтрах. Расчет реагентного хозяйства — это первый технологический расчет в курсовом проекте.

Алгоритм расчета включает в себя несколько последовательных шагов:

1. Определение расчетной дозы коагулянта. Доза (в мг/л) зависит от мутности и цветности исходной воды и определяется по нормативным таблицам или на основе данных эксплуатации аналогичных станций.
2. Расчет суточной потребности в реагенте. Рассчитывается необходимое количество товарного (не 100%-го) коагулянта на сутки работы станции с учетом ее производительности.
3. Расчет склада реагентов. Определяется объем склада, который должен обеспечивать хранение реагента на определенный период (например, 30 суток), чтобы гарантировать бесперебойную работу станции.
4. Расчет растворных и расходных баков. В зависимости от принятой технологии (мокрое или сухое хранение) рассчитываются объемы баков, в которых готовится и хранится рабочий раствор коагулянта. Как правило, предусматривают не менее двух баков каждого типа для попеременной работы.
5. Подбор насосов-дозаторов. На основе рассчитанного часового расхода раствора коагулянта подбираются насосы-дозаторы необходимой производительности, которые будут подавать реагент в обрабатываемую воду.

Тщательный расчет реагентного хозяйства является залогом эффективности всего процесса осветления воды. После того как реагент введен в воду, его необходимо быстро и эффективно перемешать. Это задача смесителя, расчет которого — наш следующий шаг.

Глава 4. Проектирование и гидравлический расчет смесителей

Физический смысл процесса смешения заключается в том, чтобы за очень короткое время (несколько секунд) обеспечить равномерное распределение реагента по всему объему обрабатываемой воды. От эффективности этого этапа напрямую зависит, насколько успешно пройдет процесс хлопьеобразования. Существует несколько типов смесителей, применяемых на очистных сооружениях:

• Дырчатые смесители: Представляют собой перегородку с отверстиями, при прохождении через которые поток воды интенсивно турбулизируется, обеспечивая перемешивание.
• Перегородчатые смесители: Создают эффект перемешивания за счет многократного изменения направления потока воды.
• Вертикальные смесители: Вода подается в нижнюю часть вертикальной камеры и, поднимаясь вверх, перемешивается с реагентом.

Для проекта, как правило, выбирается один тип, например, дырчатый смеситель, как простой и эффективный. Его расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определение основных размеров. Задаются размерами камеры смесителя (длина, ширина), исходя из общей компоновки сооружений.
2. Гидравлический расчет. Ключевая часть, где определяется площадь всех отверстий в перегородке, их количество и диаметр. Расчет ведется таким образом, чтобы скорость воды в отверстиях была достаточно высокой (около 1 м/с) для создания нужной интенсивности перемешивания.
3. Проверка потерь напора. Рассчитываются потери напора на смесителе, которые необходимо будет учесть в общей высотной схеме сооружений.

Эффективное смешение запустило процесс образования хлопьев. Теперь нужно создать условия для их укрупнения и последующего осаждения. Эту задачу решают отстойники.

Глава 5. Как рассчитать параметры и размеры отстойников

Отстойник — одно из самых габаритных и материалоемких сооружений на станции, предназначенное для гравитационного осаждения основной массы хлопьев, образовавшихся после введения коагулянта. Принцип его работы прост: в большом резервуаре создаются условия для спокойного, ламинарного движения воды с очень низкой скоростью. В этих условиях хлопья примесей, будучи тяжелее воды, оседают на дно, а осветленная вода отводится для дальнейшей очистки.

В зависимости от направления потока воды отстойники бывают горизонтальными, вертикальными и радиальными. Для станций большой производительности, как в нашем примере, чаще всего применяют горизонтальные отстойники. Их расчет — это комплексная задача, включающая следующие этапы:

1. Определение гидравлической крупности частиц (u₀). Это расчетная скорость оседания самых мелких частиц, которые мы хотим задержать. Она зависит от требуемого эффекта осветления.
2. Расчет площади отстаивания. Суммарная площадь всех отстойников в плане определяется как отношение расхода воды к расчетной гидравлической крупности частиц. Это ключевой параметр, определяющий габариты сооружения.
3. Определение количества отстойников. Исходя из практики проектирования и для обеспечения надежности работы, принимается не менее двух рабочих отстойников.
4. Расчет геометрических размеров. Зная площадь одного отстойника, определяют его длину и ширину. Длина обычно в несколько раз больше ширины для обеспечения ламинарного режима. Также рассчитывается рабочая глубина зоны отстаивания.
5. Проектирование системы сбора и удаления осадка. Необходимо предусмотреть уклон днища к приямкам и систему периодического или непрерывного удаления накопившегося осадка.

Расчет отстойников требует особого внимания, так как от их эффективности зависит нагрузка на следующую, финальную ступень очистки — скорые фильтры. Чем лучше вода осветлена в отстойниках, тем дольше и эффективнее будут работать фильтры.

После отстойников основная масса загрязнений удалена, но для финишной доочистки вода направляется на самый ответственный этап — фильтрацию.

Глава 6. Финальный барьер, или расчет скорых фильтров

Скорые фильтры представляют собой финальный и самый ответственный барьер на пути загрязнений. Они предназначены для задержания мелких взвешенных частиц, которые не осели в отстойниках. Фильтр представляет собой резервуар, заполненный фильтрующим материалом (чаще всего кварцевым песком), через который пропускается осветляемая вода. Со временем поры загрузки забиваются, и фильтр необходимо промывать обратным током воды.

Проектирование скорых фильтров — это сложный процесс, который включает в себя:

1. Определение требуемой площади фильтрования. Общая площадь фильтров рассчитывается по специальной формуле, учитывающей производительность станции, расчетную скорость фильтрования, а также расход воды и время на промывку.
2. Расчет количества фильтров. Общую площадь делят на площадь одного фильтра (которую принимают конструктивно, например, 30-40 м²) и получают их необходимое количество. Для надежности работы станций предусматривается как минимум 4 фильтра.
3. Выбор фильтрующей загрузки. Определяется материал (кварцевый песок, антрацит), крупность зерен и высота фильтрующего слоя. От этих параметров зависит как скорость фильтрации, так и качество очистки.
4. Расчет дренажно-распределительной системы. На дне фильтра располагается система труб с отверстиями или колпачками, которая служит для равномерного сбора отфильтрованной воды во время работы и для равномерного распределения промывной воды во время регенерации.
5. Расчет промывки. Определяются ключевые параметры регенерации: интенсивность промывки (скорость подачи промывной воды) и ее продолжительность. От этого зависит, насколько качественно будет отмыта загрузка.

Правильно рассчитанный фильтровальный зал обеспечивает стабильно высокое качество очищенной воды, соответствующее всем санитарным нормам. Теперь, когда все основные технологические сооружения рассчитаны, необходимо связать их в единую систему и предусмотреть хранение чистой воды.

Глава 7. Компоновка сооружений и расчет резервуара чистой воды

Компоновка сооружений — это их взаимное расположение на генеральном плане станции. Грамотная компоновка решает несколько задач: минимизирует длину соединительных трубопроводов, обеспечивает удобство эксплуатации и предусматривает возможность будущего расширения станции. Особое значение имеет высотная схема, то есть расположение сооружений по высоте.

Цель высотной схемы — обеспечить самотечное движение воды через все этапы очистки, от смесителя до резервуара чистой воды. Это позволяет минимизировать затраты на перекачку воды внутри станции. Для этого каждое последующее сооружение располагается ниже предыдущего на величину потерь напора в нем и в соединительных коммуникациях.

Заключительным звеном технологической цепи является резервуар чистой воды (РЧВ). Он выполняет несколько функций: хранит регулирующий объем воды для выравнивания неравномерности водопотребления в течение суток, создает запас воды на пожаротушение и хранит воду для промывки фильтров. Методика расчета РЧВ включает:

• Определение регулирующего объема. Рассчитывается на основе суточного графика водопотребления города.
• Определение объема на промывку фильтров. Зависит от количества и площади фильтров.
• Определение противопожарного запаса. Нормируется в зависимости от категории населенного пункта.
• Суммирование объемов и определение итогового количества и размеров резервуаров.

Проект почти готов. Осталось оформить результаты и подвести итоги проделанной работы.

Заключение и формирование итогового документа

В результате выполнения курсового проекта были рассчитаны и спроектированы водопроводные очистные сооружения производительностью 81000 м³/сут, которые обеспечивают очистку речной воды до требований СанПиН. Для достижения этой цели была обоснована и принята двухступенчатая технологическая схема, включающая коагулирование, отстаивание и фильтрацию. Были детально рассчитаны все ключевые элементы: реагентное хозяйство, смесители, горизонтальные отстойники, скорые фильтры и резервуар чистой воды.

Итоговый проект состоит из двух частей:

1. Пояснительная записка, содержащая все разделы: от введения и анализа исходных данных до технологических и гидравлических расчетов, заключения и списка литературы.
2. Графическая часть, представленная на чертежах формата А1, которая включает технологическую и высотную схемы сооружений, генеральный план станции, а также разрезы основных зданий.

При проектировании также важно помнить о необходимости учета экологических аспектов и водоохранных мероприятий, в частности, обработки промывных вод и осадка перед их утилизацией. Выполненная работа позволяет не только закрепить теоретические знания, но и получить практические навыки в проектировании сложных инженерных комплексов, жизненно важных для современного города.

Список использованной 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.