ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД

 

После расчета состава сточных вод от населения и промышленных предприятий, а также определения необходимой степени очистки с учетом гидрологических показателей, производится разработка и обоснование технологической схемы очистки сточных вод.

В общем виде технологическая схема очистки городских сточных вод представлена, как правило, сооружениями механической и биологической очистки.

На сооружениях механической очистки эффект снижения взвешенных веществ составляет 40-60%, что приводит к снижению величины БПК_полн на 20-40%.

Сооружения биологической очистки обеспечивают снижение показателей загрязнений (после аэротенков или биофильтров и вторичных отстойников) по взвешенным веществам и по БПК_полн до 15-20 мг/л.

Если расчет необходимой степени очистки сточных вод определяет более высокий эффект, чем могут обеспечить сооружения биологической очистки, то возникает необходимость глубокой очистки (от взвешенных веществ, биогенных элементов и пр.).

При выборе сооружений механической очистки следует учесть, что минимальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, подаваемой на биологическую очистку, должна быть не более 150 мг/л, что обеспечит нормальную жизнедеятельность (энергетических и конструктивных обменов) активного ила в аэротенках, биологической пленки в биофильтрах и почвенной микрофлоры на сооружениях естественной биологической очистки воды.

Если С_в.в.>150, то проверяется соотношение 0,50 С_вв≤150, т.е. определяется могут ли быть избыточные взвешенные вещества удалены отстаиванием с эффектом выделения 50%. Если это соотношение выполняется, то считают что состав загрязнений на входе является типичным, и сточные воды могут быть очищены по классической схем, первым элементом которой являются решетки грубые.

Если соотношение 0,50 С_вв≤150 не выполняется, то это означает, что отстаиванием не могут быть выделены взвешенные загрязнения до остаточных концентраций 150 мг/л и менее, поэтому требуется дополнительная предварительная очистка сточных вод до стадии осветления. Для этого используют решетки тонкой очистки. Возможна интенсификация процесса отстаивания путем введения в технологическую схему процессов преаэрации или биокоагуляции.

Тип сооружений механической очистки выбирается в зависимости от производительности стации:

1. При производительности станции до 1000 м³/сут принимается следующая схема-

· приемная камера

· решетки с ручной очисткой

· песколовки (при производительности свыше 100 м³/сут)

· вертикальные отстойники.

2. При производительности до 5000 м³/ сут вместо решеток с ручной очисткой могут применяться решетки с механической очисткой, а вместо вертикальных - двухъярусные отстойники или сочетание вертикальных и двухъярусных отстойников.

3. При производительности до 10000 м³/сут в качестве основных сооружений для отстаивания сточных вод применяются горизонтальные отстойники.

4. При производительности до 20000 м³/сут может использоваться сочетание горизонтальных и радиальных отстойников.

5. При производительности свыше 20000 м³/сут применяются радиальные отстойники.

Биологическая очистка сточных вод от растворенных органических примесей и биогенных элементов может осуществляться в естественных (поля фильтрации, поля орошения, фильтрующие траншеи, колодцы) и искусственных (биофильтры, аэрофильтры, аэротенки, биотенки, окситенки и т.д.) условиях.

В качестве искусственных сооружений биологической очистки используются биофильтры или аэротенки.

Схемы с биофильтрами применяют при производительности очистных сооружений до 20 тыс.м³/сут. Схемы с аэротенками применяются при любой производительности. Выбор типа биологического сооружения зависит от концентрации органических загрязнений в городских сточных водах.

Капельные биофильтры применяют при различных концентрациях органических примесей (БПК_полн). При выше 220 мг/л предусматривают биофильтры с рециркуляцией.

Аэрофильтры также применяются для широкого спектра концентраций. Рециркуляцию предусматривают при свыше 300 мг/л.

Биофильтры с пластмассовой загрузкой применяют для сточных вод с исходной концентрацией до 250 мг/л.

Аэротенки-вытеснители применяют при ≤300 мг/л. Для больших концентраций загрязнений используют аэротенки-смесители. При БПК_полн сточных вод, поступающих на аэротенки, более 150 мг/л должна предусматриваться регенерация циркулирующего активного ила.

Вторичные отстойники, являющиеся составной частью сооружений биологической очистки, располагаются в технологической схеме непосредственно после биоокислителей (аэротенков, биофильтров) и служит для выделения активного ила или отмершей биопленки, выносимых из них. Эффективность осветления биологически очищенной воды во вторичных отстойниках определяет, как правило, конечный эффект очистки воды. Вторичные отстойники обычно принимают того же вида, что и первичные.

Перед спуском в водоем биологически очищенные сточные воды подвергаются обеззараживанию (чаще всего хлорированию).

Пример разработки технологической схемы очистки сточных вод приведен на рис.4.1.

Рис.4.1. Технологическая схема очистной станции с биологической очистки сточных вод в аэротенках: 1- сточная воды; 2- решетки; 3- песколовки; 4- преаэраторы; 5- первичные отстойники; 6- аэротенки; 7- вторичные отстойники; 8- контактный резервуар; 9- выпуск; 10- отбросы; 11- дробилки; 12- песковые площадки; 13- илоуплотнители; 14- песок;15- избыточный активный ил; 16- циркуляционный активный ил; 17- газгольдеры; 18- котельная; 19- воздуходувная станция; 20- метантенки; 21- иловые площадки; 22- газ; 23- сжатый воздух; 24- сырой осадок; 25- сброженный осадок; 26 - обезвоженный осадок на утилизацию; 27- хлораторная установка; 28- хлорная вода.

 

5. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

5.1. Сооружения механической очистки

5.1.1. Решетки

 

Решетки предназначены для задержания крупных плавающих включений из сточных вод.

Рис. 5.1. Схема установки решетки

Общее число прозоров решетки определяется по формуле

, (5.1)

где q_max – максимальный расход сточных вод, м³/с;

b – прозоры между стержнями решетки, м. Принимаются равными 16 мм;

h₁ – глубина воды перед решеткой, м;

v_p – средняя скорость в прозорах решетки, которую рекомендуется принимать равной около 1 м/с;

k₃ – коэффициент, учитывающий стеснение прозоров граблями и задержанными загрязнениями и равный 1,05.

 

Общая ширина решеток:

(5.2)

где s – толщина стержней решетки, м. Принимается равной 8 мм.

По числу прозоров решетки, в зависимости от требуемого их количества и исходя из В_р, принимается марка и типовые размеры решеток.

Потери напора в решетках

, (5.3)

где ξ; – коэффициент местного сопротивления;

v – скорость движения воды в камере перед решеткой, м/с;

g – ускорение свободного падения, м²/с²;

p – коэффициент, учитывающий увеличение потерь напора вследствие засорения решетки; ориентировочно рекомендуется принимать р =3.

 

Коэффициент местного сопротивления решетки зависят от формы стержней и определяются по формуле

, (5.4)

где β; – коэффициент, равный 2,42 для прямоугольных и 1,72 для круглых стержней.

 

Количество уловленных загрязнений принимается в зависимости от размера решеток (при b = 16-20 мм количество отбросов равно 8 л на 1 чел. В год, а плотность их 750 кг/м³). Уловленные на решетках отбросы должны подвергаться дроблению в дробилках и возвращаться в поток воды перед решетками.

Решетки-дробилки (комминуторы) подбираются по максимальной пропускной способности м³/ч.

Рис.5.2. Схема установки решетки-дробилки

 

Количество резервных решеток принимается в зависимости от количества рабочих решеток:

при числе рабочих решеток до 3 количество резервных – 1;

при количестве рабочих свыше 3 – 2 решетки.

 

5.1.2. Песколовки

Песколовки предназначены для задержания крупных дисперсных примесей сточных вод с целью предотвращения повреждения лотков трубопроводов и каналов, транспортирующих воду от сооружения к сооружению. В основном на городских очистных сооружениях используются песколовки горизонтального типа (с прямолинейным и круговым движением воды).

Рис. 5.3. Горизонтальная аэрируемая песколовка: 1- воздуховод; 2- трубопровод для гидросмыва; 3- смывной трубопровод со спрысками; 4- аэраторы.

 

При расчете горизонтальных и аэрируемых песколовок их длина определяется по формуле

, (5.5)

где K_s – коэффициент, зависящий от типа песколовок и принимаемый по табл.27 [1];

H_s – расчетная глубина песколовки, м, принимаемая для аэрируемых песколовок равной половине общей глубины;

v_s – скорость движения сточных вод, м/с, принимаемая для горизонтальных песколовок равной 0,3; для аэрируемых – 0,08-0,12 м/с;

u_o – гидравлическая крупность песка, мм/с, принимаемая в зависимости от требуемого диаметра задерживаемых частиц песка.

Количество отделений песколовки принимается равным не менее 2 (оба рабочих).

По найденной длине может быть определен диаметр песколовки с круговым движением воды.

Рис. 5.4. Песколовка с круговым движением воды:1- гидроэлеватор; 2- трубопровод для отвода всплывающих примесей; 3- желоб; 4- поверхностные затворы с ручным приводом; 5- подводящий лоток; 6- пульпопровод; 7- трубопровод для рабочей жидкости; 8- камера переключения; 9- устройства для сбора всплывающих примесей; 10- отводящий лоток; 11- полупогруженные щиты (при очистке нефтесодержащих сточных вод).

 

Площадь живого сечения одного отделения

, (5.6)

где n – количество отделений песколовки.

Ширина отделения м, песколовки будет равно:

. (5.7)

По вычисленным размерам подбирают типовую песколовку.

Количество песка, задерживаемого в песколовках, для бытовых сточных вод надлежит принимать 0,02 л/(чел^.сут) при полной раздельной и 0,04 л/(чел^.сут) при общесплавной системе канализации, влажность песка 60%, объемный вес 1,5 т/м³.

Общее суточное количество песка рассчитывается исходя из приведенного количества жителей, которое определяется по формуле

, (5.8)

где - удельная норма накопления взвешенных веществ г/(чел^.сут);

Q_сут – суточный расход сточных вод, м³/сут;

- концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах, г/м³.

Тогда суточное количество песка, образующегося на очистных сооружениях, будет равно:

/1000, м³, (5.9)

где q_п – удельное количество песка, задерживаемого в песколовках, л/(чел^.сут).

 

5.1.3. Первичные отстойники

Расчетное значение гидравлической крупности определяется по формуле

, мм/с; (5.10)

где H_set – глубина проточной части отстойника, м;

K_{se t} – коэффициент использования объема проточной части отстойника;

t_set – продолжительность отстаивания, соответствующая заданному эффекту очистки и полученная в лабораторном цилиндре в слое h₁;

n₂ – показатель степени, зависящий от агломерации взвеси в процессе осаждения.

Необходимый эффект осветления сточной воды, %, определяется из выражения

, (5.11)

где С₁ – начальная концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м³;

С₂ – допустимая конечная концентрация взвешенных веществ в осветленной воде, принимаемая в соответствии с технологическими требованиями. При подаче осветленной воды на последующую биологическую очистку С₂ =150 г/м³.

t_set следует определять по прил.11;

H_set - для горизонтальных и радиальных отстойников принимается равной 3 м.

K_set для горизонтальных отстойников принимается равным 0,5; для радиальных – 0,45.

n₂ – принимается по черт.2 [1] (стр.26) в зависимости от заданного эффекта очистки. Допускается принимать n₂ равным для коагулирующих взвешенных веществ 0,25; для мелкодисперсных минеральных 0,4 и для структурных тяжелых 0,6.

Производительность одного отстойника q_set, м³/ч, следует определять исходя из заданных геометрических размеров сооружения по формулам:

а) для горизонтальных отстойников (рис.5.5)

; (5.12)

Рис.5.5. Продольный разрез горизонтального отстойника:1- трубопровод для отвода сырого осадка и опорожнения; 2 и 4 водораспределительные лотки; 3 и 14 – дюкеры для подачи сырой сточной воды; 5- впускные отверстия; 6- скребковая тележка; 7- жиросборный лоток; 8- ребро водослива; 9- фронтальная тележка; 10- жиропровод; 11- самотечный трубопровод для отвода сырого осадка и жира для опорожнения; 12- аварийный дюкер; 13 самотечный трубопровод для отвода сырого осадка и опорожнения; 15 шиберы; 16 дюкер для отвода осветленной воды.

 

б) для отстойников радиальных, вертикальных и с вращающимся сборно-распределительным устройством

, (5.13)

где L_set – длина секции, отделения, м;

B_set – ширина секции, отделения, м;

D_set – диаметр отстойника, м;

d_en – диаметр впускного устройства, м;

v_tb – турбулентная составляющая, мм/с, принимаемая по табл.32 в зависимости от скорости потока в отстойнике, мм/с.

 

 

Рис.5.6. Первичный радиальный отстойник: 1- илоскреб; 2- распределительная чаша; 3- подводящий трубопровод; 4- трубопровод сырого осадка; 5- жиросборник; 6- насосная станция; 7- отводящий трубопровод.

 

Количество осадка Q_mud, м³/ч, выделяемого при отстаивании, определяется исходя из концентрации взвешенных веществ в поступающей и осветленной воде:

, (5.14)

где q_w – расход сточных вод, м³/ч;

p_mud – влажность осадка, %;

γ_mud – плотность осадка, г/см³.

 

5.2. Сооружения биологической очистки

5.2.1. Аэротенки

Аэротенки предназначены для проведения микробной деструкции органических растворенных и коллоидных примесей сточных вод.

Рис.5.6. Схемы коридорных аэротенков с регенераторами: а- двухкоридорный; б- трехкоридорный; в- четырехкоридорный; 1- верхний канал сточных вод; 2- нижний канал сточных вод; 3- каналвозвратного ила; 4- канал водоиловой смеси; 5- перепускной канал; б/р – без отдельного регенератора.

 

Вместимость аэротенков необходимо определять по среднечасовому поступлению воды за период аэрации в часы максимального притока.

Степень рециркуляции активного ила R_i, в аэротенках рассчитывается по формуле

(5.15)

где a_i — доза ила в аэротенке, г/л;

J_i — иловый индекс, см³/г.

Удельная скорость окисления органических веществ в аэротенке, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч, определяется по формуле

, (5.16)

где r_max — максимальная скорость окисления, мг/(г×ч), принимаемая по прил. 16;

C_O — концентрация растворенного кислорода, мг/л;

K_l — константа, характеризующая свойства органических загрязняющих веществ, мг БПК_полн/л, и принимаемая по прил. 16;

К_О — константа, характеризующая влияние кислорода, мг О₂/л, и принимаемая по прил. 16;

j — коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила, л/г, принимаемый по прил. 16.

Период аэрации t_atm,ч, в аэротенках-смесителях определяется по формуле

(5.17)

где L_en — БПК_полн поступающей в аэротенк сточной воды (с учетом снижения БПК при первичном отстаивании), мг/л;

L_ex — БПК_полн очищенной воды, мг/л;

a_i — доза ила, г/л, определяемая технико-экономическим расчетом с учетом работы вторичных отстойников;

s — зольность ила, принимаемая по прил. 16;

Период аэрации t_atv, ч, в аэротенках-вытеснителях надлежит рассчитывать по формуле

(5.18)

где K_p — коэффициент, учитывающий влияние продольного перемешивания: K_p =1,5 при биологической очистке до L_ex =15 мг/л; K_p = 1,25 при L_ex > 30 мг/л;

L_mix — БПК_полн, определяемая с учетом разбавления рециркуляционным расходом:

(5.19)

здесь R_i — степень рециркуляции активного ила, определяемая по формуле (5.15); обозначения величин a_i, r_max, C_O, L_en, L_ex, K_l, K_O, j, s, следует принимать по формуле (5.16).

При проектировании аэротенков с регенераторами (смесителей и вытеснителей) продолжительность окисления органических загрязняющих веществ t_O, ч, надлежит определять по формуле

(5.20)

где a_r — доза ила в регенераторе, г/л, определяемая по формуле

(5.21)

r — удельная скорость окисления для аэротенков — смесителей и вытеснителей, определяемая по формуле (5.16) при дозе ила a_r.

Продолжительность обработки воды в аэротенке с регенератором t_at, ч, необходимо определять по формуле

(5.22)

Продолжительность регенерации t_r, ч, надлежит определять по формуле

(5.23)

Вместимость аэротенка W_at, м³, следует определять по формуле

(5.24)

где q_w — расчетный расход сточных вод, м³/ч.

Вместимость регенераторов W_r, м³, следует определять по формуле

(5.25)

Нагрузку на ил q_i, мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в сутки, надлежит рассчитывать по формуле

(5.26)

где t_at — период аэрации, ч.

Примечание: для аэротенков с регенераторами нагрузка на ил рассчитывается для средневзвешенной концентрации ила в системе «аэротенк-отстойник».

По найденной нагрузке необходимо уточнить значение илового индекса по прил.17. Если иловый индекс будет отличаться от первоначально принятого более чем на 5%, то необходимо произвести перерасчет аэротенка на новое значение J_i.

 

Прирост активного ила P_i, мг/л, в аэротенках определяется по формуле

(5.27)

где C_cdp — концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в аэротенк, мг/л;

K_g — коэффициент прироста; для городских и близких к ним по составу производственных сточных вод K_g = 0,3; при очистке сточных вод в окситенках величина K_g снижается до 0,25.

 

Удельный расход воздуха q_air, м³/м³ очищаемой воды, при пневматической системе аэрации надлежит определять по формуле

(5.28)

где q_O — удельный расход кислорода воздуха, мг на 1 мг снятой БПК_полн, принимаемый при очистке до БПК_полн 15—20 мг/л — 1,1, при очистке до БПК_полн свыше 20 мг/л — 0.9;

K₁ — коэффициент, учитывающий тип аэратора и принимаемый для мелкопузырчатой аэрации в зависимости от соотношения площадей аэрируемой зоны и аэротенка f_az /f_at по прил.20; для среднепузырчатой и низконапорной K₁ = 0,75;

K₂ — коэффициент, зависимый от глубины погружения аэраторов h_a и принимаемый по прил. 21;

K_T — коэффициент, учитывающий температуру сточных вод, который следует определять по формуле

(5.29)

здесь T_w — среднемесячная температура воды за летний период, °С;

K ₃ — коэффициент качества воды, принимаемый для городских сточных вод 0,85; при наличии СПАВ принимается в зависимости от величины f_az/f_at по прил.20, для производственных сточных вод — по опытным данным, при их отсутствии допускается принимать K ₃ = 0,7;

C_a — растворимость кислорода воздуха в воде, мг/л, определяемая по формуле

(5.30)

здесь C_T — растворимость кислорода в воде в зависимости от температуры и атмосферного давления, принимаемая по справочным данным;

h_a — глубина погружения аэратора, м;

C_O — средняя концентрация кислорода в аэротенке, мг/л; в первом приближении С_О допускается принимать 2 мг/л и необходимо уточнять на основе технико-экономических расчетов с учетом формул (5.16) и (5.20).

Площадь аэрируемой зоны для пневматических аэраторов включает просветы между ними до 0,3 м.

Интенсивность аэрации J_a, м³/(м²×ч), надлежит определять по формуле

(5.31)

где H_at — рабочая глубина аэротенка, м;

t_at — период аэрации, ч.

 

Если вычисленная интенсивность аэрации свыше J_a,max для принятого значения K₁, необходимо увеличить площадь аэрируемой зоны; если менее J_a,min для принятого значения K ₂ — следует увеличить расход воздуха, приняв J_a,min по прил. 21.