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 исследованийподтверждается 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_1U = 0 и С_2U = 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/η₀, где η₀ = 0,5…0,6 – КПД размельчителя, т.е. потребляемая ступенью энергия равна L/η₀ = 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;

F₂ (м²) – площадь на выходе из ступени;

U_р2 (м/с) – окружная скорость рабочего колеса на расчетном диаметре;

С_2UP (м/с) – окружная составляющая абсолютной скорости на выходе, т.к. предварительная закрутка отсутствует С_1U = 0, то

L_СТ = U_р2 С_2UP/g, отсюда С_2UP = L_СТ ּg/ U_р2

U_р2 = , Д_Р2 = Д_СР2 = 210 мм, Д_Н2 = 320 мм, d_ВТ2 = 104 мм,

Подставляя полученные величины, получаем U_р2 = 11 м/с.

С_2UP = 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_р1 = , Д_Р1 = Д_СР1 = 230 мм, Д_Н1 = 360 мм, d_ВТ1 = 100 мм.

Подставляются величины: м/с

U_р1 = 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.

qּ3 ; 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 = d₁/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 0,1d 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