Системы водоотведения промышленных предприятий

Общесплавная система водоотведения

Эту систему целесообразно применять для небольших промышленных предприятий, если производственные стоки близки по составу к бытовым сточным водам и возможно попадание в дождевые стоки промышленных загрязнений (см. рис. 1). Все категории сточных вод отводятся на единые очистные сооружения.

• Share

• Share

Раздельные системы водоотведения
Эти системы могут быть различными в зависимости от вида стоков, образующихся на предприятии. Бытовые и дождевые стоки отводятся по самостоятельным сетям. Производственные стоки могут отводиться по нескольким различным системам трубопроводов, в зависимости от категории стоков. В отдельных случаях производственные сточные воды могут отводиться совместно с бытовыми стоками (производственно-бытовая сеть) или дождевыми водами (производственно-дождевая сеть). Бывают следующие возможные раздельные системы:
1. С локальными очистными сооружениями (см. рис. 2).
Применяется тогда, когда в сточных водах отдельных цехов содержатся специфические загрязнения, для очистки от которых целесообразно устройство отдельных очистных установок
2. С частичным оборотом производственных сточных вод (см. рис. 3). Целесообразно применять при возможности повторного использования некоторых производственных сточных вод с частичной очисткой или для водоснабжения других цехов.
3. С полным оборотом производственных и бытовых вод (см. рис. 4). Применяют при нехватке воды для целей водоснабжения

• Share

• Share

Замкнутые системы водопользования промышленных предприятий

Раздельная система водоотведения с полным оборотом всех категорий сточных вод называется бессточной системой водопользования, или замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия. В зависимости от конкретных условий на предприятиях возможно создание нескольких систем очистки с вариантами объединения различных видов сточных вод.
При очистке и использовании дождевых вод необходимо их усреднять по расходу. Поверхностный сток и бытовые сточные воды в ближайшие годы могут удовлетворить более 50% потребности промышленности в воде.
При оценке систем водоотведения промышленных предприятий необходимо учитывать следующие коэффициенты использования воды:

Схемы комплексного водоотведения жилой застройки и промышленных предприятий

При разработке систем комплексного водоотведения районов и промышленных комплексов одновременно рассматриваются системы водоотведения нескольких городов и промышленных предприятий, расположенных на сравнительно близком расстоянии друг от друга или связанных между собой географическими, административными или иными связями. Такие системы аналогичны системам промышленных предприятий и тоже бывают общесплавными и раздельными.
При разработке систем чаще всего рассматривают следующие варианты комплексного использования воды:

Экологические аспекты при проектировании водоотводящих систем

При выборе наилучшего проекта системы водоотведения, кроме учета технико-экономических показателей, необходимо принимать во внимание ущерб, который будет наноситься окружающей среде при эксплуатации сетей и сооружений. В данном случае речь идет о загрязнении водных объектов бытовыми, дождевыми и производственными стоками. Степень загрязненности зависит прежде всего от эффективности работы очистных сооружений, однако немалое значение имеет и техническое решение самой водоотводящей сети. Например, в случае полной раздельной системы весь поверхностный сток может сбрасываться в водоем без очистки, в общесплавной системе во время сильных дождей сбрасывается смесь дождевых и бытовых стоков, а в полураздельной системе в водоем попадают только наименее загрязненные дождевые воды.
Ущерб от загрязнения водных источников представляет собой часть теряемого обществом национального дохода, выступающего в стоимостной и натурально-вещественной форме, как в сфере материального производства, так и в сфере обслуживания.

Для оценки экономического эффекта от природоохранных мероприятий следует руководствоваться Временной типовой методикой. Для этого необходимо сначала рассчитать экономический ущерб от сброса в водный объект загрязненных сточных вод:

У = 400*Sк*М,

где Sк - географическая константа, принимаемая по таблице 1 из Методики,
М - приведенная масса годового сброса примесей источником загрязнения:

• Share

, где N - общее число примесей, сбрасываемых объектом,
Аi - показатель относительной опасности i-ого вещества, присутствующего в стоках,
mi - общая масса годового сброса i-ого вещества.
Для каждого загрязняющего вещества показатель относительной опасности сброса определяется по формуле:
Аi = 1/ПДКi,

где ПДКi - предельно допустимая концентрация i-ого вещества в воде водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях (т.е. предназначенных для разведения пород рыб или других водных организмов).
Общая масса годового сброса i-ой примеси определяют по формуле:

mi = KiW,

где Ki - концентрация i-ого загрязняющего компонента в сточных водах,
W - годовой объем сточных вод.
Если имеются несколько источников загрязнения, то ущерб от них складывается.
Следующий этап - рассчитывается предотвращаемый экономический ущерб, как разница между ущербами до и после проведения природоохранных мероприятий (У1 и У2):

Упр = У1 - У2.
Затем можно сосчитать предотвращаемый экономический эффект:

Эпр = Упр - П,

где П - годовые приведенные затраты на осуществление природоохранных мероприятий.
Общая (абсолютная) экономическая эффективность природоохранных затрат определяется по следующей формуле:
Эз = Эпр/П.
В некоторых случаях для оценки определяется общая (абсолютная) эффективность капитальных вложений:

Эа = (Эпр-С)/К,

где С - эксплуатационные расходы,
К - капитальные вложения.

Режим движения сточных вод в водоотводящих сетях

Сточная жидкость является неоднородной системой с большим количеством плотных и жидких нерастворимых примесей.
При малых скоростях течения нерастворимые примеси могут выпадать в трубах, что приводит к уменьшению пропускной способности, а иногда и к полной закупорке труб. Поэтому в нормально работающей водоотводящей сети нерастворимые примеси должны транспортироваться потоком воды.

• Share

Все существующие коллекторы водоотводящих сетей можно разбить на три группы, в которых:
1. Обеспечивается необходимая скорость и никогда не выпадает осадок;
2. Наблюдается волнообразное движение песка, прочистка таких коллекторов также не требуется (см. рисунок);
3. Осадок не движется, так как транспортирующая способность потока недостаточна. Эксплуатация таких коллекторов возможна только при их регулярной прочистке.
Чтобы избежать полного засорения сети осадками, для контроля состояния трубопроводов необходимо знать три характеристики: а. Режим движения сточных вод, б. Критические скорости, т.е. скорости, при которых нерастворимые вещества не выпадают в осадок, в. Транспортирующую способность потока.
Характеристикой режима потока служит величина безразмерного критерия Рейнольдса, который показывает соотношение между силами вязкости и инерции при движении жидкости. Сточные воды являются более вязкими, чем чистая вода.
При полном заполнении круглых труб критерий Рейнольдса определяется по формуле:
Re = v_d/_,
где v - скорость течения, d - диаметр трубы, _ - кинематическая вязкость.
Для движения чистой воды установлено, что при Re < 2320 режим движения ламинарный, а при больших значениях - турбулентный.
Движение стоков по водоотводящим сетям почти всегда является турбулентным, а в пределах расчетных скоростей - турбулентным в области гладких труб или квадратичного сопротивления и в переходной области между ними.
Кроме этого, движение в сетях может быть равномерным и неравномерным, напорным и безнапорным, установившимся и неустановившимся.
Равномерное движение в водоотводящей сети наблюдается на прямых участках коллекторов без боковых присоединений, при движении со скоростью больше критической. Это движение характеризуется следующими условиями:

• Share

Неустановившееся движение - движение, при котором гидравлические характеристики изменяются во времени. Оно характерно для дождевых потоков. Основными причинами неравномерности движения стоков являются местные сопротивления, перепады, изменение уклонов труб и т.д. Водоотводящие сети являются безнапорными, что обусловлено такими причинами:

Формы поперечных сечений труб и коллекторов

Форма поперечного сечения труб и коллекторов водоотводящих сетей выбирается, исходя из гидравлических, технологических и строительных требований. Все формы с определенными допущениями можно подразделить на профили:

• Share

При малой глубине заложения коллекторам придают полукруглую форму сечения с вертикальными боковыми стенками.
Коллекторы с банкетами также относят к круглым, их используют для общесплавной водоотводящей системы.
В целях уменьшения толщины стенок крупным коллекторам придают шатровое сечение.
Овоидальные формы коллекторов хорошо сопротивляются давлению грунта и временным нагрузкам, однако не индустриальны. Они нашли распространение при строительстве общесплавной водоотводящей сети.
Сжатые сечения позволяют уменьшить глубину заложения труб: к ним относятся лотковая и пятиугольная форма. Такие коллекторы используются при строительстве дождевой сети.
Открытые каналы и лотки трапецеидального и прямоугольного сечений применяются при транспортировании сточной воды по очистным сооружениям канализации и при строительстве открытой дождевой сети.

• Share

Гидравлические характеристики потока

Гидравлическими характеристиками потока сточных вод являются расход Q, средняя по сечению скорость потока v, живое сечение потока _, смоченный периметр _, гидравлический радиус R, равный отношению _/_.

• Share

Гидравлический радиус круглой трубы при полном ее заполнении равен 0,25d, а максимального значения он достигает при высоте слоя воды в трубе h = 0,813d. Из всех типов профилей коллекторов максимальный гидравлический радиус - у круглой трубы.
Важными показателями трубопровода являются его уклон I, коэффициент шероховатости n и степень наполнения h/d.
Если построить график зависимостей скоростей движения воды и расходов в круглой трубе от степени ее наполнения, то выяснится, что максимальная скорость потока наблюдается при наполнении, равном 0,813, а максимальная пропускная способность трубы - при наполнении 0,95.
Гидравлический уклон равен отношению падения уровня воды в начале и в конце трубопровода к его длине. При самотечном режиме движения гидравлический уклон принимается равным уклону самого трубопровода

Формулы гидравлического расчета самотечных трубопроводов

Расчет самотечных трубопроводов заключается в определении его диаметра, уклона, наполнения и скорости. Исходным данным для расчета обычно является расход.
Расчетные формулы, лежащие в основе гидравлического расчета, выведены для установившегося и равномерного движения воды:
1. Формула постоянства расхода:

Q = __v,

где _ - площадь живого сечения,
v - средняя скорость по сечению.
2. Формула Шези:

• Share

где C - коэффициент Шези,
R - гидравлический радиус,
i - гидравлический уклон.
2. Формула Дарси:

• Share

• Share

Коэффициент Шези определяется по формуле Н.Н.Павловского (при 0,1 < R < 3 м):

• Share

где

• Share

n - коэффициент шероховатости.
Другой, более сложный способ определения коэффициента сопротивления _ (а значит, и коэффициента Шези С) производится по формуле Н.Ф.Федорова, включающей в себя дополнительные параметры:

• Share

где dэ - эквивалентная абсолютная шероховатость,
a2 - коэффициент, учитывающий характер шероховатости стенок труб,
Re - число Рейнольдса.
Эта универсальная формула справедлива для всех трех областей турбулентного режима движения: областей гладких труб, квадратичного сопротивления и переходной области между ними. Для расчета коэффициента _ можно использовать формулу, связывающую коэффициент шероховатости и абсолютную эквивалентную шероховатость:

• Share

Учет местных сопротивлений при гидравлическом расчете водоотводящих сетей

Гидравлический расчет водоотводящих сетей основан на положении, что в сети движение сточных вод является равномерным и установившимся. В действительности из-за местных сопротивлений (перепады, повороты и т.д.) на значительном протяжении трубопроводов наблюдается неравномерное движение.
Наиболее резкое снижение скорости при безнапорном движении происходит перед поворотами потока и перед боковыми присоединениями. Здесь может выпасть взвесь, что приводит к заиливанию сети. Поэтому при гидравлическом расчете как напорных, так и самотечных сетей следует учитывать местные потери напора, которые определяются по формуле Вейсбаха:

• Share

где hм - потери напора,
_ - коэффициент местного сопротивления,
v - средняя скорость течения.
При расчетах обычно принимают среднюю скорость, отнесенную к сечению, расположенному ниже по течению после местного сопротивления. Коэффициент местного сопротивления зависит от значения числа Рейнольдса.
Практически местные потери напора в поворотных колодцах составляют 1,5 - 3 см, а соединительных колодцах достигают 6 см. Поэтому, например, в поворотных колодцах следует давать дополнительный уклон поворотному лотку на величину местных потерь напора (см. рис.).

• Share

Минимальные диаметры труб. Степень наполнения труб и каналов
В начальных участках внутриквартальной и уличной канализации расчетный расход обычно невелик и его можно было бы пропустить по трубам небольшого диаметра. Однако практика показывает, что количество засорений в трубах геометрически растет с уменьшением диаметра. Поэтому при уменьшении диаметра эксплуатационные затраты на прочистку увеличиваются. Граничное значение расхода, при котором капитальные затраты на устройство сети равны эксплуатационным расходам на ее содержание – около 10 л/с.

• Share

Исходя их этих соображений, в СНиП 2.04.03-85 установлены минимальные диаметры труб, которые зависят от вида стоков, системы и сети водоотведения.
Кроме минимальных диаметров, регламентируется и наполнение трубопроводов. Расчетное наполнение - максимально допустимое отношение глубины потока сточных вод в трубе к ее диаметру.
Необходимо отметить, что общесплавную и дождевую водоотводящие сети рассчитывают на полное наполнение при максимальной интенсивности дождя.

Минимальные диаметры водоотводящих сетей

Для самотечных труб установлены следующие расчетные наполнения:
Необходимость установления оптимальных наполнений обусловлена:

Расчетные скорости движения. Минимальные уклоны

Для создания нормальных условий работы водоотводящим сетям придают определенные уклоны, обеспечивающие течение сточных вод с самоочищающими скоростями. Скорость течения возрастает с увеличением уклона и гидравлического радиуса.
Как известно, распределение скоростей по сечению канала (трубы) является неравномерным. Самая наименьшая скорость наблюдается у дна. Однако проведение расчета только по придонным скоростям связано с большими трудностями, поэтому проектирование сети ведут на т.н. расчетную скорость течения.
Минимальной незаиливающей расчетной скоростью называется наименьшая допустимая скорость протока сточных вод, при которой обеспечивается самоочищение труб и каналов.
Выпадение взвеси обуславливается поперечными пульсациями скорости потока, причем выпадение не происходит, если значение этой скорости больше на 40-50% гидравлической крупности _o расчетной взвеси
Был предложен ряд зависимостей для незаиливающей скорости, например, формула С.В.Яковлева:
vmin = 14,5_oR0,2,
где R - гидравлический радиус.
В основу скоростей, положена зависимость Н.Ф.Федорова:

• Share

Чем больше диаметр трубы, тем больше минимальная расчетная скорость.
На очистных станциях минимальную расчетную скорость в лотках и трубах допускается принимать 0,4 м/с. Для дождевой сети минимальная скорость принимается равной 0,6 м/с.
Кроме минимальных скоростей, нормируются и максимальные скорости движения стоков.
Максимальной расчетной скоростью называют наибольшую допустимую скорость течения, не вызывающую снижения механической прочности материала труб при истирающем действии песка и твердых веществ в стоках.
Для металлических труб значение максимальной скорости составляет не более 8 м/с, а для неметаллических - не более 5 м/с. Для дождевой сети - соответственно 10 и 7 м/с.
Уклоны водоотводящей сети следует вычислять по формулам Дарси или Шези. Минимальный уклон трубопроводов находят по формуле:

• Share

Трубы с начальным минимальным диаметром не рассчитываются, скорость и наполнение в них неизвестны, поэтому в СниП приняты минимальные уклоны для труб диаметром 150 и 200 мм соответственно 0,008 и 0,007.
Для приближенных расчетов на практике можно воспользоваться предложенной С.В.Яковлевым формулой:

imin = 1/D,

где D - диаметр трубопровода в мм.
В открытой дождевой сети наименьшие уклоны лотков, кюветов и канав принимают по СНиП в пределах 0,003 - 0,005.
Максимальные уклоны могут быть найдены по той же формуле, что и минимальные.

Порядок гидравлического расчета трубопровода

Основными исходными данными являются расход Q, уклон местности iм, и длина трубопровода. Требуется определить диаметр, наполнение, скорость и уклон трубопровода.
1. Принимают гидравлический уклон, а значит и уклон трубопровода, равный уклону местности io = iм. Если получается, что этот уклон меньше минимального, то принимают io = imin.
2. По уклону io и расходу Q в соответствии с расчетным наполнением подбирают диаметр трубопровода, начиная с минимального.
3. Затем устанавливают скорость при выбранном диаметре.
Если скорость оказывается не больше минимальной, то уклон io увеличивают и расчет повторяют до тех пор, пока скорость не станет большей или равной минимальной.

Гидравлический расчет напорных трубопроводов

Движение воды в напорных трубопроводах происходит полным сечением трубы. Гидравлический расчет напорных трубопроводов при транспортировании сточных вод, илопроводов и дюкеров сводится к выбору экономически выгодных диаметров и определению в них потерь напора.
Диаметр трубопровода определяется по формуле постоянства расходов, исходя из заданного расхода Q, и задаваясь экономичными скоростями vэк. Для водоотводящих сетей экономичная скорость составляет 1,5 - 2,5 м/с, кроме этого, скорости в трубах должны быть не менее незаиливающих.
Диаметр рассчитывается по формуле:

• Share

Общие потери напора в трубопроводе складываются из местных hм и линейных потерь hL:

• Share

• Share

• Share

Расчет дюкеров

Дюкеры служат для транспортирования сточных вод через реки, овраги и при пересечении с различными подземными сооружениями.
Дюкеры работают полным сечением, жидкость в них движется под действием столба воды, определяемого разностью уровней стоков во входной и выходной камерах (H = Z1 - Z2). Значение H соответствует потерям напора в дюкере, определяемым по формуле:

• Share

где Es - сумма сопротивлений.
Коэффициент сопротивления на входе в трубу при острых кромках: _вх = 0,5. Сопротивление на выходе из дюкера может быть определено по формуле:

• Share

где v - скорость в дюкере,
v1 - в коллекторе на выходе.
Для цилиндрических труб и фасонных частей в коленах сопротивление вычисляется по формуле:

• Share

где

• Share