Глава 1. Обеззараживание воды УФ-излучением.
В 21 веке обеззараживание сточных вод ультрафиолетовым излучением получило широкое распространение во всем мире. Направления практического применения УФ-технологии разнообразны и в целом определяются экологическими и климатическими факторами конкретных территорий.
Ультрафиолетовое обеззараживание воды (дезинфекция) – это высокоэффективный способ обеззараживания, который заключается в устранении из воды большинства водных бактерий, вирусов, спор и протозоа. Так же, данный способ обеззараживания уничтожает возбудителей серьезных инфекционных заболеваний для человека, которые могут привести к эпидемиологической ситуации.
Обеззараживание воды ультрафиолетом является востребованным способом обеззараживания, как в нашей стране, так и за рубежом. Данный метод обеззараживания применяется с 1910 года. Первые станции, работающие с ультрафиолетом, были построены во Франции и Германии. В Советском Союзе долгое время применялось хлорное обеззараживание, но к середине XX века, благодаря активной деятельности «Академии коммунального хозяйства имени К.Д. Памфилова» была собрана первая установка ультрафиолетового обеззараживания воды с последующим введением в эксплуатацию. Первые технико-экономические показатели УФ-установки отставали от преимущественных показателей метода обеззараживания хлорированием, поэтому применение УФ-установок отложили до усовершенствования технологии.
С конца 70-х годов метод ультрафиолетового обеззараживания выходит на лидирующую позицию среди методов очистки. Все обуславливается ужесточением требований к качеству воды и выявлением неблагоприятного влияния побочных продуктов, образующихся при хлорировании. Так же, сам по себе метод УФ-обеззараживания стал конкурентоспособным из-за достижений в области светотехники. При отсутствии в исходной воде органических загрязнений, требующих применения окислительных технологий, представляется перспективным заменить частично или полностью первичное хлорирование на УФ-обработку [1].
Обеззараживающий эффект ультрафиолетового излучения обусловлен способностью фотонов ультрафиолетового спектра [2]:
Напрямую нарушать структуру бактериальных ДНК, препятствуя их удвоению, и/или полностью разрушать клеточные мембраны;
Переводить атомы кислорода воздуха, в том числе растворенного в воде, в возбужденное состояние, в котором они с молекулами кислорода образуют трехатомные молекулы озона с высокой реакционной способностью, способного деполимеризовывать органические молекулы;
При воздействии на водные растворы провоцировать интенсивное образование ОН-радикалов – сильнейших из известных окислителей.
Эффективность УФ-метода в ликвидации патогенных микроорганизмов зависит от:
Дозы УФ-облучения
Она представляет собой произведение интенсивности облучения и его продолжительности. Так же, учитывается характер микроорганизмов, содержащихся в исходной жидкости. В зависимости от вида и типа болезнетворных микроорганизмов меняется время облучения на УФ-установках. Чем более устойчивы микроорганизмы, тем больше времени затрачиваетчя на обеззараживание. Дополнительно учитывается объем бактерий и микробов в исходной воде.
Свойства жидкости
При повышении нормативов цветности, содержания в воде железа, крупнодисперсных загрязнений, при превышении которых эффективность обработки воды ультрафиолетом резко снижается или стремится к нулю.
Метод обеззараживания сточных вод ультрафиолетом используют для питьевых, производственных, хозяйственных и сточных вод. Активно используется данный метод в коммунальных и промышленных системах водоснабжения и канализации, с целью обеззараживания сточных вод и их повторного применения для технического водоснабжения или полива зеленых насаждений. Характеризуется УФ-метод обеззараживания высоким процентом обеззараживания воды и отсутствием вредного воздействия на окружающую среду и образования в сточных водах побочных продуктов обеззараживания. В данном случае УФ-метод дезинфекции выгоден не только экологически, но и экономически.
За последние два-три десятилетия метод УФ-обеззараживания получил самое широкое распространение в мире и на сегодняшний день остается наиболее перспективным, способным удовлетворить требования действующих нормативов к качеству вод, сбрасываемых в открытые водоемы, по микробиологическим показателям [3].
1.1. Установки с использованием УФ-излучения.
В настоящее время существует большое количество решений, позволяющих применять УФ-излучение для обеззараживания сточных вод. Установки с использованием ультрафиолетового излучения различаются по способу размещения ламп: навесные, погружные, с гравитационным течением воды или напорные, корпусные или в виде отдельных модулей, размещаемых в лотках, с большим или меньшим расстоянием между лампами и другими деталями. Лампы, применяемые в разных установках, могут различаться по типу и способу размещения относительно потока воды.
Ультрафиолетовые установки для обработки сточных вод состоят из нескольких блоков, основным является бактерицидная камера, или камера обеззараживания.
Работа таких камер основана на генерации невидимой для человеческого глаза спектральной части электромагнитных волн в диапазоне от 10 до 400 ни, находящиеся на границе с видимым светом, который человеческий глаз способен улавливать. Ультрафиолетовый спектр пригодный для обеззараживания воды лежит в диапазоне 205 – 315 нм с пиком на волне 253,7 нм.
Устройство бактерицидной камеры ультрафиолетового типа.
Ультрафиолетовая установка для обработки сточных вод состоит из нескольких конструкционных элементов – блоков:
Камера обеззараживания. Металлический корпус установки производят из высококлассной нержавеющей стали, пригодной для использования в пищевой промышленности. Внутри корпуса располагают кварцевые трубы, которые выполняют функцию чехлов для ультрафиолетовых бактерицидных ламп, расположенных внутри труб, генерирующих волны ультрафиолетового спектра. Для обеззараживания сточных вод необходима доза излучения не менее 30мДж/см2, а эпидемическая безопасность воды по паразитологичсеким показателям достигается при дозе не менее 65
мДж/см2. Внутри корпуса также размещают комплекс датчиков, позволяющих оценить эффективность и мониторинг работы установки.
Шкаф ЭПРА. Это металлический шкаф, в котором установлены электронные пускорегулирующие аппараты, необходимые для запуска и поддержания рабочего процесса в целом.
Блок системы контроля БСК-2. Важный элемент, обеспечивающий безопасность и автоматизацию работы всей системы обеззараживания сточных вод.
Блок химической промывки кварцевых чехлов БП. Для поддержания бесперебойной работы бактерицидной установки необходимо регулярно проводить очищение кварцевых чехлов. Внутри которых расположены УФ-лампы.
Ультрафиолетовые установки конструируются и изготавливаются таким образом, чтобы их было удобно использовать не только в промышленных или иных коммерческих масштабах, но и в быту.
1.2. Достоинства и недостатки УФ-обеззараживания.
Достоинства:
Высокий процент эффективности в отношении большинства видов бактерий и вирусов, которые невозможно обезвредить хлорированием. Уничтожает возбудителей таких инфекционных заболеваний, как тиф, холера, дизентерия, вирусный гепатит, полиомиелит и т.д.
Стабильность физико-химических показателей и свойств воды после деактивации.
В обработанной УФ-излучением воде не обнаруживаются токсичные и мутагенные соединения, оказывающие негативное влияние на биоценоз водоемов.
Дезинфекция проводится методом физического воздействия, без использования химических реагентов, в связи с чем нет необходимости в транспортировке, хранении и использовании опасных токсичных и коррозионно-активных веществ.
Удобство в эксплуатации :
нет необходимости в вспомогательной системе безопасности;
не требует дополнительного персонала по обслуживанию.
Отсутствуют ограничения по верхней дозе излучения.
Время обеззараживания при УФ-облучении составляет 1-10 с в проточном режиме, поэтому отсутствует необходимость в создании контактных емкостей.
Компактные размеры УФ-установок.
Отсутствие вреда для экологии и человека в связи с отсутствием в обеззараживаемой воде продуктов химических реакций.
Для обеззараживания УФ-излучением характерны более низкие эксплуатационные расходы, чем при хлорировании. Это связано со сравнительно небольшими затратами электроэнергии и отсутствием потребности в дорогостоящих реагентах, а также в отсутствии необходимости в реагентах для дехлорирования.
К сожалению, данный способ обеззараживания не идеален на 100% и имеет свои недостатки.
Недостатки:
К недостаткам данного способа можно отнести падение эффективности в случае плохо очищенной воды до поступления на обеззараживание, а именно мутная вода, с повышенной цветностью и плохо «просвечиваемая». Ко второму недостатку ультрафиолетового обеззараживания можно отнести необходимость в периодичной промывке ламп от налетов осадка, которая требует промывки мутной и жесткой водой. Ну и третьим недостатком является возможность вторичного заражения воды после обработки излучением.
Несмотря на приведенные выше недостатки метода обеззаражаивания ультрафиолетом, на данный момент это способ дезинфекции все же находится в лидирующей позиции не только на территории России, но и по всему миру.
1.3. УФ-обеззараживание за рубежом
Технология обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым облучением активно используется за рубежом. Примером успешной эксплуатации УФ-установок служат станции водоподготовки в Европе, где реализованы различные технологические схемы обеззараживания УФ-облучением: в составе мультибарьерной схемы и как самостоятельный метод. В статье журнала «Водоснабжение и санитарная техника» 2019 года приведены результаты внедрения УФ-технологии на станциях водоподготовки в Будапеште (Венгрия), Вене (Австрия), Берлине (Германия), Антверпене (Бельгия)[4].
В странах Европы используются различные методы обеззараживания. Но стабильное качество исходной воды и контроль над состоянием водораспределительных систем позволяет использовать ультрафиолетовое излучение как метод дезинфекции, без добавления хлора, обладающего пролонгированным действием. Но в любом случае, решение о полном отказе в очистке хлором должно приниматься только с учетом реальных условий работы сооружений водоподготовки и водопроводных сетей.
1.4. УФ-обеззараживание в Самарской области
В Самарской области первые установки УФ-обеззараживания серийного производства НПО «ЛИТ» были запущены в эксплуатацию в 1996 году на очистных сооружениях водопровода Волжского автомобильного завода в г. Тольятти. Позднее были построены станции обеззараживания питьевых и сточных вод с установками УФ-облучения производства НПО «ЛИТ» по проектам, разработанным ООО НПФ «ЭКОС» в Сызрани, Жиулевске, Отрадном, Новокуйбышевске, поселках Прибрежный, Береза, Солнечная Поляна, Восточный.
На предприятиях МП «Самараводоканал» внедрение УФ-технологии началось в 1988 г. на городских очистных канализационных сооружениях (ГОКС) с проведения опытно-промышленных испытаний по обеззараживанию очищенных сточных вод УФ-облучением на установке УДВ 250 /144 производительностью 6000 м3/сут производства НПО «ЛИТ». Результаты опытно-промышленных испытаний установок УФ-облучения на ГОКС показали высокую эффективность и стабильность обеззараживания [5].
В пример испытаний по внедрению УФ-обеззараживания сточных вод можно привести Куйбышевский НПЗ, который описан в журнале «Водоснабжение и санитарная техника» в 1999 году.
В 1999 г. был разработан проект «Станция УФ-обеззараживания очищенных сточных вод ГОКС г. Самары» производительностью 1 млн. м3/сут. По проекту на ГОКС г. Самары предусматривалось строительство здания станции УФ-обеззараживания с размещением 20 установок УФ-облучения марки У-1536 (19 рабочих, одна резервная).
«Результаты, полученные при выполнении комплекса работ, включающих технологическое обследование, модельные и опытно-промышленные испытания на очистных сооружениях канализации Куйбышевского НПЗ в г.Самаре, выявили техническую возможность, высокую эффективность и
стабильность обеззараживания производственных сточных вод НПЗ ультрафиолетовым излучением.
Нормативные микробиологические показатели обеспечивались во всех случаях, даже в условиях значительных колебаний физико-химических показателей качества сточных вод.
Последовательное выполнение всех подготовительных стадий, предшествующих внедрению, с использованием специальных приборов и оборудования на основе совместной работы сотрудников НПО «ЛИТ» и ЗАО «АИР» позволило выбрать оптимальную дозу УФ-излучения, модификацию УФ-оборудования, имеющую приемлемые технико-эксплуатационные характеристики при минимальной цене, и отработать в реальных условиях регламент обслуживания УФ-оборудования.» [6].
В 2000 г. была построена и введена в эксплуатацию часть первой очереди станции УФ-обеззараживания производительностью 60 тыс. м3/сут.
В связи с усовершенствованием установок УФ-облучения, изменением их конструкции и увеличением пропускной способности по заданию МП «Самараводоканал» в 2009 г. ООО НПФ «ЭКОС» был разработан новый проект станции УФ-обеззараживания очищенных сточных вод ГОКС с применением 11 установок марки УДВ-468А350-Г-1200Т (10 рабочих, одна резервная).
На основании данных статей можно убедиться, что обеззараживание ультрафиолетом было и остается не только высокоэффективным методом дезинфекции, а также экологически выгодным, что играет самую главную роль для современного мира.
Глава 2. Водоотведение.
В данном дипломном проекте требуется запроектировать полную раздельную систему канализации, расположенную в Самарской области.
Расчетный участок имеет два района застройки с разной плотностью населения и разной степенью благоустройства.
Генплан населенного пункта в масштабе 1:10000
Грунтовые воды на территории населенного пункта обнаружены на глубине 8,0 м
Глубина промерзания 1,6м
Плотность населения в границах кварталов жилой застройки:
а) Район А 200 чел/га
б) Район Б 300 чел/га
Характеристика степени благоустройства районов жилой застройки:
а) Район А: застройка зданиями, оборудованиями внутренним водопроводом и канализацией с центральным горячим водоснабжением;
б) Район Б: застройка зданиями, оборудованиями внутренним водопроводом и канализацией с ванными и местными водонагревателями.
Характеристика видов поверхности территории населенного пункта, % от общей площади:
а) Кровля зданий и асфальтобетонные покрытия дорог: 40;
б) Брусчатые мостовые и черные щебеночные покрытия дорог: 18;
в) Грунтовые поверхности (спланированные): 12;
г) Газоны: 30.
Ширина улиц 40,0 м.
2.1. Выбор и обоснование системы и схемы канализации.
Система канализации должна приниматься на основании сравнения технико-экономических и санитарно-гигиенических показателей. В г.о. Самара принята полная раздельнaя система канализации, которая предусматривает строительство двух подземных сетей трубопроводов:
а) для отведения бытовых и производственных сточных вод;
б) для отведения дождевых и условно чистых производственных сточных вод.
Полная раздельная система водоотведения предусматривает наличие двух водоотводящих сетей.
Первая предназначена для водоотведения на очистные сооружения бытовых сточных вод с селитебной территории населенного пункта, а также для
водоотведения производственных и бытовых сточных вод с промышленных предприятий.
По второй водоотводящей сети дождевой канализации отводятся поверхностные сточные воды на соответствующие очистные сооружения.
Производственные сточные воды перед сбросом в городскую сеть должны быть очищены на предприятиях до качества, регламентируемого организацией эксплуатирующей городские сети и очистные сооружения.
Поверхностные сточные воды с территории промышленных предприятий могут направляться в городскую дождевую канализацию, после предварительной обработки на заводских очистных сооружениях.
Схема водоотводящей сети определяется рельефом местности и гидрогеологическими условиями.
2.2. Трассировка сети.
Глубина заложения коллекторов допускается до 7-8 м при производстве работ в открытой траншее. При достижении такого заглубления предусматривается устройство КНС с перекачкой сточной жидкости в колодец, от которого коллектор прокладывается с минимальным начальным заглублением.
На плане насосная станция обозначена кружочком с надписью РНС-1(районная насосная станция №1) и т.п.
2.3. Определение средних расходов бытовых сточных вод для кварталов селитебной территории.
Среднесекундный расход сточных вод q, л/с, от квартала следует опреде¬лять по формуле:
где F - площадь квартала, га;
q0 - модуль стока, л/(с-га), рассчитывают по формуле:
здесь qn - удельное среднесуточное (за год) водоотведение бытовых сточных вод от жилых зданий, принимается равным расчетному удельному среднесуточному водопотреблению согласно п. 2.1 [7] по [8];
Р - плотность населения, чел./га.
.Модуль стока для района А:
Модуль стока для района Б:
Расчеты по определению площадей кварталов и среднесекундных расходов сточных вод с территории кварталов сведены в ведомость по форме в таблицы 2.1.
Таблица 2.1. Ведомость площадей и среднесекундных расходов сточных вод для кварталов селитебной территории.
Среднесуточный расход бытовых сточных вод Q_(mid.d) м3/сут, следует вычислять по формуле:
где q – среднесекундный расход бытовых сточных вод.
В нашем примере для районов А и Б среднесуточные расходы сточных вод соответственно:
2.4. Определение расходов сточных вод от промышленных предприятий.
На основании исходных данных задания на проектирование определяют для каждого промышленного предприятия количество человек работающих в холодных и горячих цехах, а также количество душевых сеток, которыми пользуются рабочие после окончания каждой рабочей смены. Количество душевых сеток, шт., необходимо определять по формуле:
где N_c^m и N_h^m- количество человек, пользующихся душем в смену, работающих в холодных и горячих цехах соответственно; ? n?_c и n_h -количество человек, приходящихся на одну душевую сетку, в холодных и горячих цехах соответственно.
Расход воды на одну душевую сетку принимается в первый час после¬дующей смены в объеме 100% сменного расхода предшествующей смены.
Расчетный часовой расход, м3/ч, душевых сточных вод определяют по формуле:
где qm = 500 л - норма расхода воды в сутки наибольшего водопотребления на одну душевую сетку в смену;
т - количество душевых сеток, шт.;
tm = 45 мин - продолжительность пользования душем после окончания ра-бочей смены.
Бытовые сточные воды, м3/см, следует определять по формуле:
где q_c = 25 л/(чел.-см.) - норма водоотведения в сутки наибольшего водопо¬требления в холодных цехах;
? q?_h = 45 л/(чел.-см.) - то же в горячих цехах;
? N?_c и N_h - число работающих в смену соответственно в холодных и горя¬чих цехах.
Таблица 2.2. Сводная ведомость количества человек, работающих в цехах, пользующихся душем, количество душевых сеток и расходов бытовых и душевых сточных вод в смену и сутки на промышленных предприятиях.
2.5. Составление сводной ведомости притока сточных вод населенного пункта на главную насосную станцию по часам суток.
Для проектирования насосных станций, аварийно-регулирующих резер-вуаров и очистных сооружений необходимо составлять сводную ведомость притока сточных вод по часам суток по форме таблицы 2.3.
Cоставление таблицы 2.3 начинаем с определения общего коэффициента максимальной неравномерности Кgen.max притока бытовых сточ¬ных вод с селитебной территории для районов 1 и 2 населенного пункта. Для района 1 среднесекундный расход сточных вод q =235,33 л/с. Этому значению по таблице 2 [5] соответствует Кgem.max = 1,56. Для района 2 q = 399,45/с, соответственно Кgen.max = 1,53. В зависимости от Кgen.max для ка¬ждого из районов населенного пункта принимаем распределение среднесуточ¬ного расхода бытовых сточных вод по часам суток.
После завершения вычислений расходов сточных вод, поступающих с се-литебной территории, приступаем к вычислению часовых расходов производ¬ственных и бытовых сточных вод на промышленных предприятиях.
Средний часовой расход производственных сточных вод Qmid, %, следует вычислять по формуле:
где t - продолжительность рабочей смены, ч.
Максимальный часовой расход производственных сточных вод Qmax, %, необходимо вычислять по формуле:
где к - максимальный коэффициент часовой неравномерности водоотведения производственных сточных вод, принимается на основе исходных дан¬ных в задании на выполнение курсового проекта. Там же указывается час смены, в который наблюдается максимальный расход сточных вод.
В остальные часы рабочей смены часовой расход притока производствен¬ных сточных вод Qр, %, следует определять по формуле:
На промышленном предприятии № 1 максимальный приток производственных сточных вод происходит в четвертый час смены (пе¬ред обеденным перерывом) с k = 1,2. Соответственно получаем Qmax =15% и Qр =12,14%. Для предприятия № 2 на основе вычислений получаем Qmax = 13,75% и Qр = 12,32%.
Душевые сточные воды промышленных предприятий, вычисленные в таблице 2.2, вносятся в строку, соответствующую периоду их образования - в первый час последующей смены работы предприятия.
Таблица 2.3 – Сводная ведомость притока сточных вод населенного пункта на ГНС по часам суток
Продолжение таблицы 2.3
Окончание таблицы 2.3
2.6. Определение расчетных расходов по участкам сети.
В практике проектирования все расходы сточных вод делятся на попутные, боковые, транзитные и сосредоточенные.
Сумма попутного, бокового и транзитного среднего расхода на участке сети равняется общему суммарному среднему расходу qtot/mid, л/с, который является транзитным расходом для нижерасположенного участка сети.
Расчетный максимальный расход на расчетном участке сети с селитебной территории кварталов qtot/max, л/с следует определять по формуле:
где Кgenmax. – общий коэффициент максимальной неравномерности притока сточных вод, определяемый в зависимости от среднего расхода сточных вод qtot/mid на соответствующем участке сети.
Расчетный максимальный расход сточных вод на расчетном участке сети qsit , л/с , на основе которого выполняется гидравлический расчет сети, следует определять по формуле:
где qс – суммарный максимальный сосредоточенный расход сточных вод на расчетном участке сети определяется как сумма местного и транзитного максимальных сосредоточенных сосредоточенных расходов.
Все результаты расчетов по определению расчетных максимальных расходов по участкам сети представлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4. Ведомость расходов сточных вод по участкам сети.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Продолжение табл. 2.4.
Окончание табл. 2.4.
2.7. Гидравлический расчет сети и составление продольного профиля движения воды бытовой канализации.
Расчёт канализационной сети заключается в определении диаметров труб, их уклонов, наполнений и скорости движения по ним сточной жидкости в зависимости от расчётного наполнения, а также в вычислении отметок зеркала воды, лотков труб и их заглублении. Результаты гидравлического расчета приведены в таблице 2.5.