Современное состояние способов очистки первичных отстойников городских канализационных очистных сооружений.

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время на городских очистных канализационных сооружениях из первичных отстойников ил удаляется по трубопроводам за счет разницы давлений верхней отметки стоков и верхней отметки ила. Данный способ известен с прошлого столетия и фактически не работает из-за забивания трубопроводов и низкого давления (в пределах 1-3 м).

Известны работы Российских ученых по данной проблеме, которые так же не решают задачу эффективного удаления ила, в связи с чем большая часть накоплений первичных отстойников попадает во вторичные отстойники, (аэротенки) производить очистку которых во много раз сложнее технологического процесса очистки первичных отстойников в связи с укладкой, на дне которых, перфорированных трубопроводов для аэрации канализационных стоков. На поиск эффективного технологического процесса очистки первичных отстойников направлена настоящая научно-исследовательская диссертация.

Цель работы – разработка эффективных конструктивных и технологических схем и методов расчета технических устройств для удаления осадков первичных отстойников городских очистных сооружений.

Задачи исследований:

- изучить состояние известных систем удаления осадков

- на разработанной схеме определить место расположения устройства для очистки отстойников и предложить конструкцию насосной установки для очистки отстойников.

- разработать теоретические основы расчета насосной установки и системы отводных трубопроводов.

- экономически обосновать предложенный способ очистки первичных отстойников.

 

Основные положения выносимые на записку:

- технологический процесс очистки первичных отстойников

- теоретические основы расчета насосной установки

- экспериментальные зависимости полученные на основе литературных данных

Объекты исследования. В качестве основных объектов исследовались:

- первичные отстойники очистных сооружений Ростовского водоканала;

- насосная установка новой конструкции, комплектуется узлами осевого, центробежного и струйного насосов.

Достоверность исследований подтверждается хозяйственными договорами с Администрацией Ростовского водоканала и систем выполненных работ.

Апробация работы подтверждается тремя публикациями по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложений. Работа изложена на __ страницах машинописного текста и включает в себя __ рисунков, __ таблиц, __ приложений, список использованной литературы из __ наименований.

 

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ПЕРВИЧНЫХ ОТСТОЙНИКОВ ГОРОДСКИХ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ.

Схемы удаления осадков

В горизонтальных отстойниках (рисунок.1.1) выпадающий по длине отстойника осадок перемещается скребком 3 в расположенные на входе в сооружение осадочные бункеры 8, откуда под гидростатическим напором выгружается в самотечный трубопровод 6 с последующим его отводом на перекачивающую насосную станцию. Всплывающие нефтемасляные и жировые вещества собираются в конце сооружения в жиросборный лоток 4, из которого также самотеком отводятся на перекачку.

1 – подводящий лоток; 2 – выпускные отверстия; 3 – скребковая тележка; 4 – жиросборный лоток; 5 – водосборный водослив; 6 – трубопровод выпуска осадка и опорожнения; 7 – отстойная зона; 8 – осадочный бункер.

 

Рисунок 1.1 – Горизонтальный отстойник

 

В радиальных отстойниках (рисунок 1.2), взвешенные вещества, выпадающие в осадок из движущегося потока осветляемой воды, перемещаются в осадочный бункер 8 илоскребками 2, размещенными на вращающейся ферме. На этой же ферме расположено подвесное устройство, сгребающее всплывающие на поверхность вещества к жиросборнику 4, из которого они отводятся на перекачку. Осадок удаляется с помощью плунжерных и центробежных насосов.

В вертикальных отстойниках (рисунок 1.3), выпадающий осадок накапливается в иловой конусной части отстойника, из которой удаляется под гидростатическим напором 1,5-2,0 м через иловую трубу 7 в самотечную иловую сеть. Объем иловой части рассчитывается на двухсуточный объем образующегося осадка.

а) схема радиального отстойника; б) план компоновки радиальных отстойников; 1 – подводящий трубопровод; 2 – илоскребок; 3 – иловая труба; 4 – жиросборник; 5 – отводящий трубопровод; 6 – распределительная чаша; 7 – насосная станция; 8 – осадочный бункер.

 

Рисунок 1.2 – Радиальный отстойник

 

Осадок из первичных отстойников и уплотненный осадок из вто,,,ричных отстойников (активный ил) направляется в метантенки – герметичные резервуары, в которых под действием анаэробных микроорганизмов минерализуются органические вещества. Вместо матантенков применяется метод анаэробной стабилизации. Дальнейшее снижение влажности осадков может достигаться в аппаратах механического действия – на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах.

1 – подача сточной жидкости; 2 – центральная труба; 3 – лоток для осветленной воды; 4 – отвод осветленной воды; 5 – лоток для всплывающих примесей; 6 – отвод всплывающих примесей; 7 – иловая труба; 8 – отражательный щит.

 

Рисунок 1.3 – Вертикальный отстойник

 

Из вышеизложенного видно, что:

► Удаление осадков на очистных сооружениях производится дорогостоящими способами.

► Неэффективное удаление осадков.

► Необходимо внедрение новых методов удаления осадков на основе гидромеханизированных способов.

 

 

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ НАСОСА

Исходные данные:

Расход жидкости м³/час м³/с

Мощность двигателя кВт

Частота вращения вала об/мин

Расчет проведен исходя из мощности электродвигателя.

– Находится теоретический напор, который может быть обеспечен данным эл. двигателем без учета потерь в насосе.

Мощность на валу насоса определяется по зависимости:

,

где кгс/м³ – удельный вес перекачиваемой жидкости; м³/с – подача (производительность насоса); – напор перекачиваемой жидкости м.ст; – полный КПД насоса, учитывающий гидравлические, механические и объемные потери.

(м.ст.)

Расчет мощности потребляемой на резание не проводится и в виду отсутствия экспериментальных данных принимается для оценочного расчета 10-15 % от мощности двигателя, что соответствует м.ст.

Рабочим колесом шнекового насоса служит шнек – осевая лопаточная решетка, состоящая из небольшого числа лопаток. Поверхность лопатки шнека представляет собой винтовую поверхность и описывается уравнением:

.

На входе в шнек отсутствует подкрутка потока, поэтому окружная составляющая скорости . Следовательно основное уравнение для шнека – уравнение Эйлера, примет вид:

(м.)

Лопатки у шнека выполнены по винтовой поверхности непрфилированными и поэтому постоянства теоретического напора по высоте лопаток не наблюдается. Теоретический напор для элементарной струйки жидкости:

(м.)

У шнека имеется такой расчетный диаметр , при движении вдоль которого элементарная струйка создает напор , равный осредненному теоретическому напору, т.е.

(м.)

Экспериментальные исследования показали, что у автономного шнека

– расчетный диаметр.

Для шнека с параметрами

мм – наружный диаметр шнека;

Мощность рабочего колеса затрачивается на закрутку потока. Ножи рабочего колеса увлекают за собой поток, таким образом, окружная составляющая абсолютной скорости потока на выходе из рабочего колеса стремится к U – окружной скорости самого колеса. Предварительная закрутка отсутствует, т.е. С _{1 U} = 0 и С _{2 U} = U, тогда формула теоретической мощности для элементарной струйки:

преобразуется в

где , соответственно осредненный теоретический напор

, где

В первом приближении принимается Д_Р = Д_СР на выходе из рабочего колеса Д_Р = 200 мм, тогда U_Р = 10,47 м/с, а L_СТ.Р = 11,2 м.ст.

L_СТ.Р = 11,2 м.ст. – это теоретическая работа, сообщенная потоку, но самим рабочим колесом, с учетом КПД потребляется L_СТ.Р = L / η ₀, где η ₀ = 0,5…0,6 – КПД размельчителя, т.е. потребляемая ступенью энергия равна L / η ₀ = 11,2/0,5…0,6 = 22,4…18,67 м.

Таким образом, рассмотренный вариант предварительного размельчителя не обеспечивает работоспособность заборного устройства и не поддается регулировке, так как геометрия ножей-лопаток диктуется конструктивно-прочностными факторами. Поэтому предлагается перейти к другому варианту.

Теоретическая работа ступени принимается равной L_СТ = 6,3 м., исходя из мощности двигателя, находятся геометрические параметры лопаток. Лопатки не профилированные, поэтому принимаются угол установки лопаток равным углу выхода потока из ступени. Из треугольника скоростей находим

,

где угол выхода

(м/с) – осевая составляющая абсолютной скорости потока на выходе из ступени;

F ₂ (м²) – площадь на выходе из ступени;

U_{р 2} (м/с) – окружная скорость рабочего колеса на расчетном диаметре;

С _{2 UP} (м/с) – окружная составляющая абсолютной скорости на выходе, т.к. предварительная закрутка отсутствует С _{1 U} = 0, то

L_СТ = U_{р 2} С _{2 UP} /g, отсюда С _{2 UP} = L_СТ ּ g / U_{р 2}

U_{р 2} = , Д_{Р 2} = Д_{СР 2} = 210 мм, Д_{Н 2} = 320 мм, d_{ВТ 2} = 104 мм,

Подставляя полученные величины, получаем U_{р 2} = 11 м/с.

С _{2 UP} = 6,3 ּ9,8/11 = 5,61 м/с

м/с

=0,145, 8,2⁰

Проверяется угол атаки, для этого найдется угол входа потока:

,

где осевая составляющая абсолютной скорости потока на входе в ступень:

(м²) – площадь на входе в ступень

U_{р 1} = , Д_{Р 1} = Д_{СР 1} = 230 мм, Д_{Н 1} = 360 мм, d_{ВТ 1} = 100 мм.

Подставляются величины: м/с

U_{р 1} = м/с, , .

Таким образом, угол атаки что вполне удовлетворительно.

Мощность двигателя расходуется на процесс резания, работу шнека, осевого компрессора и разбалтывателя (центростремительного компрессора).

Таким образом:

где механические потери;

м.ст. – работа на резание;

теоретический напор шнека;

КПД шнека;

м.ст. – работа ступени осевого колеса;

КПД осевого колеса;

работа, приходящаяся на долю разбалтывателя;

КПД разбалтывателя.

Из данного уравнения получаем работу, приходящуюся на долю разбалтывателя:

= м.ст.

Оценивается напор, создаваемый напорным устройством:

м. – без

учета гидравлических потерь по тракту.

С учетом потерь по тракту м. перекачиваемой жидкости.

Рама, вал привода шнека

Исходные данные:

высота рамы L = 3000 мм;

распределенная нагрузка q = 467 кг/м;

угол ;

угол

1) Распределенную нагрузку q к сосредоточенной силе F составит:

кгс;

кгс;

кгс;

кгс.

2) Составляется уравнение моментов вокруг шарнира А, где:

, где тогда

50,81

кгс

В состоянии равновесия кгс, тогда в рабочем состоянии Р_л увеличивается на 10 %

кгс.

3) Проводится прочностной расчет рамы, для этого строится эпюра сил и моментов

Реакция кгс, что соответствует истине, т.к.

q ּ3 ; 618 .

Эпюра поперечных сил определится:

,

х = 0; Q = 311 кг;

х = 3; Q = 311-206ּ3 = -307 кг,

для эпюры моментов:

х = 1,5 м; кгм

х = 0; ,

тогда в данной плоскости эпюры будут иметь вид:

Балка также имеет момент, действующий в другой плоскости

кгּсм

Также действует крутящий момент

кгּсм.

Предположим поперечное сечение балки (труба 168 х 6), где момент сопротивления изгибу определится по зависимости:

см³,

где С = d ₁ /d

Момент сопротивления кручению равен

см³ .

Площадь поперечного сечения определится:

см².

Критическое напряжение при устойчивости равно:

где ,

- табличное;

l = 300 мм – высота рамы;

минимальный момент инерции.

см⁴

Тогда

.

кг/см²

т.к. , то выбирается значение кг/см², тогда

кг/см²,

где п – коэффициент запаса.

Находится напряжение в балке от моментов и сил.

кг/см²

кг/см²

кг/см²

кг/см²

Суммарное напряжение в балке определится:

кг/см²

кг/см²,

так как то условие устойчивости также соблюдено.

Реакция R^/, возникающая от момента М^// равна:

кг

Максимальная суммарная сила, действующая по вертикальной оси, будет равна:

кг

Площадь среза определится:

см²

тогда:

кг/см²

см²

тогда:

кг/см²

В другой плоскости имеется крутящий момент М_кр = 9520 кгּсм. Находится реакция R^//, возникающая от момента М_кр

кг

тогда кг/см²

кг/см²,

где см²

Суммарные напряжения будут имеют величину:

кг/см²

кг/см²,

кг/см²

кг/см².

При мощности двигателя N = 16 кВт; количестве оборотов п = 1000 об/мин; допускаемые напряжения кручения

кг/см²

Находится крутящий момент на валу двигателя:

кгּсм

Момент сопротивления вала будет равен

W =

тогда напряжение кручения равно

см³

тогда 0,1 d ³ = 2,597

см

В случае, когда переменная нагрузка значительная и малые изгибающие моменты, тогда кг/см²

см²

см

Следовательно, минимальный диаметр вала должен быть не менее 35 мм.

Осадка установки

Исходные данные:

максимальный вес установки F_у = 6250 кг

грузоподъемность основного понтона кг

1) Находится грузоподъемность дополнительных понтонов

F_у - кг

2) Находится кренящий момент, действующий на понтон из-за неравномерности действующих масс

рисунок

а) Р_но = 1250 кг – основной насос – мотор – задвижка

б) Р_нg = 343 кг – дополнительный насос – мотор – задвижка

в) кг – задвижка Д_у = 200 мм

г) кг – задвижка Д_у = 80 мм

д) кг – электрооборудование

е) кг – редуктор лебедки.

3) Составим уравнение моментов, действующих на понтон.

= кгּсм.

4) Находится необходимая сила, уравновешивания крутящего момента

кг

Следовательно, правый понтон должен быть на 436000 см³ больше левого и с учетом грузоподъемности основного понтона получим:

Объем правого понтона V_пр = 1873000 см³

Объем левого понтона V_лев = 1437000 см³

5) Определяются геометрические размеры дополнительных понтонов при их длине L = 3500 мм, ширине В = 1000 мм.

Тогда

см

см

Следовательно, высота правого понтона принимается с учетом надводной части Н_н = 200 мм – Н_пр = 700 мм, а левый понтон – Н_лев = 610 мм.

Выводы по главе

1. По результатам расчета определены геометрические размеры струйного смесителя, площадь сечения насадка м² радиус камеры смешения м, относительный внешний и внутренний радиус насадка соответственно 0,64 и 0,029, относительное расстояние между обрезом насадка и началом цилиндрической части камеры смешения .

2. Определен дефицит питательных веществ в смеси по фосфору и калию:

по фосфору 7,54 кг/га, общее количество – 2072 кг;

по калию 96,8 кг/га, общее количество – 26426 кг.

Расчет проводился по азоту, в связи с чем дефицита азота в питательных веществах не наблюдалось.

3. Определены подача и напор центробежного насоса м³/ч и м.

4. По проведенному расчету плавучей насосной станции перекачки навоза неразделенного на фракции определены основные размеры элементов основного оборудования – шнека, разбалтывателя, кулачковый муфты, понтона.

РАСЧЕТ СТРУЙНОГО АППАРАТА

Расчет струйного аппарата

Расчет струйного аппарата приводится по исходным данным (таблица 4.1).

Целью расчета является определение всех оптимальных геометрических и гидравлических параметров струйного аппарата используемого в качестве смесителя осажденного ила и канализационных стоков.

Таблица 4.1 – Исходные данные для расчета струйного аппарата

№ п/п	Наименование величины	Обозначе­ние	Ед. изме­рения	Численное значение	Ссылка на источник
	Производительность по грунту	П	м3/ч		Тех. задание
	Напор	НП	м		Тех. задание
	Относительная плотность рабочей воды при нагне­тании в струйный аппарат		б/р	1,0	–

Продолжение таблицы 4.1

	Плотность пульпы в напорном трубопроводе		б/р	1,25	Тех. задание
	Гидравлические сопротивления:
	Определены на основе проведенных авторских исследований и вышепри­веденных зависимостей	-сопла	z0	б/р	0,16-0,18	[28]
	-диффузора	zд	б/р	0,18-0,20	[26]
	-входа	zвх	б/р	0,30-0,35	[26]
	Глубина разработки	Н3	м	6,0	Тех. задание
	Заглубление сопла	Н1	м	0,5	Расчетная схема
	Превышение смесителя над дном	Н2	м	1,0	--//--
	Упругость водяного пара		м	0,24	[41]
	Коэффициент транспортабельности	Y	б/р		[113]
	Плотность грунта в естественном сложении		б/р	1,66	Лабаратор­ный анализ
	Вязкость воды при t=150С	n	м2/с	1,14/10-6	[44]
	Плотность скелета грунта	rТ	б/р	2,66	Лабаратор­ный анализ
	Длина нагнетательного пульпопровода:
	- в пределах снаряда	Lсм	м		Тех. задание
	- пульпопровод за пределами снаряда	Ll	м

 

Продолжение таблицы 4.1

	Длина всасывающего пульпопровода	Lвс.П	м		Тех. задание
	Скорость рабочей воды в на­порном трубопроводе	Vр	м/с	2,5	[44]
	Скорость рабочей воды во всасывающем трубопроводе насоса нагнетателя	Vвс	м/с	1,0	[44]
	Длина всасывающего трубо­провода насоса нагнетателя	Lвс.в	м
	Частота вращения привода размельчителя при напоре насоса нагнетателя 100 м и подаче 120 м3/ч	nр	с-1	5,442	[28]

Расчет геометрических размеров и гидравлических параметров струйного аппарата для проектирования и изготовления приведен в таблице.4.2.

 

Выводы по главе

1. Определенные теоретические параметры землесоса и струйного аппарата для индивидуальной эксплуатации в зависимости от производительности по грунту, потребляемой мощности, диаметрам колес центробежного землесоса D_р.к, и частоты вращения приводного двигателя n_р.к, а также геометрические гидравлические параметры струйного аппарата, позволяют провести проектирование и назначить интервалы варьирования исследуемых рассчитанных теоретически факторов для проведения натурных экспериментальных исследований для диаметров рабочих колес 500, 600, 700 мм.

 

Таблица 2.4 – Геометрические размеры и гидравлические параметры струйного аппарата

№ п/п	Наименование параметров	Формула или обозначение	Численное значение	Ссылка, (примечания)
	Плотность пульпы на входе в аппарат, т/м3		1,66	Зависимость полу­чена по принятым величинам r2 и r0 (п. 3,4 табл. 2.3)
	Коэффициент смешения в струйном аппарате		1,85	Зависимость выве­дена по эксперимен­тальным данным ав­тора [27]
	Коэффициент потерь на вход		1,62	Определен по реко­мендациям ВНИИГа [113]
	Геометрическая характери­стика		6,5	Относительная вели­чина площади попе­речного сечения сме­сителя к площади поперечного сопла [84]

 

Продолжение таблицы 2.4

	Относительный напор струйного аппарата в напор­ном пульпопроводе		0,15	Определен по экспе­риментальным дан­ным Фридмана [122]
	Консистенция пульпы в на­гнетательном пульпопро­воде		0,15	Консистенция сме­шанного с водой по­тока в нагнетатель­ном трубопроводе (пульпе) [105]
	Объемная консистенция во всасывающем трубопроводе		0,50	Консистенция раз­бавленного водой грунта на входе в аппарат [113]
	Суммарный расход в нагне­тательном пульпопроводе, м3/с (м3/ч)		0,18 (670)	Расход смешанного с водой грунта
	Объемный подсасываемый расход, м3/с (м3/ч)		0,055 (200)	расход на входе в струйный аппарат

 

Продолжение таблицы 2.4

	Расход рабочей воды насо­сом нагнетателем, м3/с (м3/ч)		0,044 (160,5)	[103]
	Диаметр нагнетательного пульпопровода			Диаметр напорного трубопровода принят согласно тех. задания 300 мм
	Средняя скорость в пульпопроводе, м/с		2,5	Расчетная при минимальных потерях [44]
	Диаметр всасывающего пульпопровода определя­ется по величине подсасы­ваемого расхода Q1, мм		Принимается 200	[44]
	Диаметр рабочего напор­ного трубопровода, мм		Принимается 150 Трубопровод подачи чистой воды	Трубопровод по­дачи воды к струй­ному аппарату от центробежного во­дяного насоса

 

Продолжение таблицы 2.4

	Потери напора в нагнетательном пульпопроводе при расходе 670 м3/ч	Рассчитаны в п. 5,7 таблицы 2.3 и состав­ляют для колеса Æ600 мм при подаче 548 м3/ч 12,4 м.	Потери в пульпопроводе вне корпуса снаряда	Данный расход 548 м3/ч сопоставим с расходом колеса Æ600 мм 670 м3/ч
	Потери напора во всасывающем пульпопроводе струйного аппарата, м		1,66
	Приведенный напор рабочего насоса, м		19,8	Напор насоса нагнетателя воды для струйного аппа­рата

 

 

Продолжение таблицы 2.4

	Скорость потока в сопле, м/с		26,69
		Скорость выхода потока из сопла может быть и выше в связи с подачей расхода на турбину. Определяется опытным путем.
	Критический коэффициент эжекции		8,8	Критический коэф­фициент получен меньше расчетного, что удовлетворяют предположения о возможном наличии кавитации [59]
	Скорость вращения турбины Vтурб	Определена опытным путем (см. п.19 табл. 2.3)		(см. п.19 табл. 2.3)
	Диаметр напорного трубопровода подачи воды, мм		0,15	Применяется 150 мм
	Эффективность грунтозабора, м4/кВт.час		19,8	Данный показатель рассчитан по Х.Ш. Мустафину [62]

Продолжение таблицы 2.4

	Геометрические размеры и гидравлические параметры исследованного струйного аппарата
	Площадь выходного кольца сопла, м2		0,0017	[60]
	Радиус камеры смешения, м		85 мм	Принимается 100 мм
	Внешний радиус насадки, мм			Принимается 60 мм
	Внутренний радиус насадки, мм		59,5	Принимается 60 мм
	Подача воды на гидрорых­литель (2 отверстия Æ12 мм)	Vp – скорость выхода из сопла рыхлителя	4,8 л/с   35,43 м/с	Принимается 5,0
	Длина и диаметры диффузора вычисля­ются по известным формулам гидравлики	Dу = 520 мм		Диаметр выходного отверстия диффу­зора принимается 500 мм, длина 1000 мм
Lу = 1080 мм

Продолжение таблицы 2.4

	Скорость выхода по­тока на турбину, м/с	Приравнивается к скорости выхода потока на рыхлитель 35,43 м/с	[27]
	Подача рабочей воды на турбину при диа­метре тру­бопровода 40 мм, м3/с		0,011	Принимается 10 л/с
	Мощность привода турбины, кВт			КПД турбины при­нят ориентировочно 0,5 по аналогу с КПД данного типа гидравлических машин
	КПД всего аппарата с уче­том гидравличе­ского рыхли­теля и затраченной мощно­сти на привод тур­бины		0,8
	100 кВт	Полезная мощность струйного аппарата
	12,2кВт	Мощность, затра­ченная на рыхление грунта

По приведенным данным для работы струйного аппарата принимается насос типа Д, двухстороннего входа марки 1Д200-130.

2. Для расчета в первом приближении на основании литературных данных принимаются исходные величины сравнимые с заданием заказчика, по напору – 20 м, производительности земснаряда по грунту – 85,6 м³/ч, центробежный землесос ГруТ800-40, производства Цимлянского судомеханического завода, с диаметром рабочего колеса 500 мм и частотой вращения приводного двигателя 61,7 с^-1 (590 мин^-1), при этом расчетная затраченная мощность составляет 80 кВт, против 230 кВт с двигателем, поставляемым заводом.

3. Согласно рекомендациям ВНИИГа, для расчетных величин по определению критической скорости гидросмеси V_кр, принимается коэффициент транспортабельности 0,02 для фракции грунта 0,05¸0,1 с предварительно назначенной плотностью перекачиваемой пульпы 1,15 т/м³.

4. Пр