Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве»

Методическое пособие

КЛАССИФИКАТОР ТОНКОСЛОЙНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ НАРУЖНЫХ СЕТЕЙ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Москва 2015

2

Методическое пособие разработано авторским коллективом специалистов НИИСФ РААСН под руководством Д.Б. Фрога.

3

-    нормативно-методической базы, регламентирующей конструирование аппаратов;

-    нормативно-методической базы, регламентирующей проектирование систем водоснабжения (водоподготовки).

Повсеместному внедрению тонкослойных модулей для отстойников препятствует отсутствие обобщающего руководства с изложением особенностей, принципа действия, устройства и расчёта этих сооружений и методических основ применения их на водах различного состава. Таким образом, назрела необходимость обобщения накопленного практического опыта и научных знаний по части тонкослойного отстаивания с целью создания методического пособия, являющегося элементом сводов правил и имеющего статус «обязательного». В дополнение к этому необходимо включение рекомендаций, которые должны быть учтены проектировщиками в проектной документации для обеспечения на протяжении проектного срока службы бесперебойной эксплуатации сооружений оснащённых тонкослойными модулями.

Применение принципа тонкослойного отстаивания перспективно при реконструкции действующих седиментационно-флогационных сооружений и сепараторов различного типа с целью увеличения их производительности. Технико-экономическая оценка разработанных с использованием тонкослойных модулей схем для нового строительства и реконструкции отстойников доказала безусловную экономическую целесообразность их использования в отрасли.

Применение тонкослойных модулей является наиболее экономичным, а в ряде случаев и единственным решением при реконструкции действующих отстойных сооружений различного типа. При этом реконструкция сооружений может быть проведена в кратчайшие сроки без снижения проектной производительности сооружений.

3. Классификатор с основными расчётными параметрами

Методический материал в виде классификатора тонкослойных модулей (далее ТМ) предназначен дополнять указанные своды правил и оказывать помощь проектировщикам при проектировании новых и реконструкции существующих очистных сооружений водоснабжения (водоподготовки), основанных на седиментационном (флотационном) принципе очистки воды, в том числе для:

-    отстойников всех типоразмеров и систем включая песколовки;

-    осветлителей и сепараторов;

-    флотаторов и нефтеотделителей.

В классификаторе приведены основные принципы проектирования и усовершенствованные методики расчёта основных параметров сооружений, оборудованных тонкослойными модулями.

Поскольку в современных отстойниках используется традиционный метод осветления обрабатываемой воды посредством гравитационного осаждения коагулированных примесей, разработчиками сформулирован перечень основных мероприятий по интенсификации отстойников. Для отстойников без встроенных камер хлопьеобразования по степени значимости мероприятия можно выстроить следующим образом:

I Применение тонкослойных модулей;

2.    Совершенствование систем удаления осадка (с автоматизацией данного процесса);

3.    Модернизация систем рассредоточенного водосбора;

4.    Организация инженерных мероприятий по выравниванию градиентов скорости и температуры потока по сечению отстойника и оптимизация распределения воды в объёме сооружения.

Внедрение указанных мероприятий по отдельности или в сочетании друг с другом даёт гарантированный положительный эффект, что подтверждено на практике на многочисленных объектах.

13

Посредством применения тонкослойного отстаивания решается проблема подавляющего большинства водоподготовительных станций - нс эффективно организованный процесс коагуляции, связанный с множеством причин: не оптимальные дозы реагентов, плохое смешение реагентов, не верная последовательность введения реагентов, некачественные реагенты, низкая температура воды, не оптимальные гидравлические условия в сооружениях хлопьеобразования,    морально устаревшее    оборудование, отсутствие

автоматизированных    систем    управления    процессами, ошибки и/или

некомпетентность персонала и т.д. Перечисленные факторы неизбежно влекут неудовлетворительное хлопьеобразование с получением в объёме потока неплотных мелких хлопков коагулированных примесей с малой гидравлической крупностью. Примеси не успевают за расчётное время пребывания в отстойнике опуститься на дно отстойника и, сооружение не справляется со своей основной задачей, перенося всю нагрузку на следующую ступень очистки.

Проблема уменьшения времени пребывания была решена на основании идеи тонкослойного отстаивания, известная по работам А. Хазена, и затем экспериментально подтверждена. Согласно теории гравитационного осаждения, разработанной в 1904 г, А. Хазеном, экспериментально подтверждённой и развитой в дальнейшем в работах отечественных и зарубежных учёных и специалистов (Н. Фишерстром, И. Добряков, Р. Кэмп, В. Радзиг и др.) разделение общей зоны отстаивания на ряд элементарных отстойных зон с меньшей глубиной одновременно увеличивает площадь осаждения и снижает удельную нагрузку на неё по взвешенным веществам, обеспечивая тем самым более эффективное осветление жидкости и использование объёма отстойника, производительность которого возрастает пропорционально площади осаждения.

Отстаивание является наиболее простым, не дорогим и часто применяемым в практике способом выделения из обрабатываемых вод грубодисперсных примесей, которые под действием силы гравитации оседают на дно сооружения. Отстаивание применяется на первых ступенях технологии водоподготовки в целях

14

снижения нагрузки на последующие технологические ступени (фильтрование, сорбция и т.п.).

К сооружениям водоподготовки, использующим принцип гравитационного разделения жидкой и твёрдой фаз (седиментация) относятся песколовки, отстойники (горизонтальные, радиальные, вертикальные), осветлители, а так же некоторые типы сепараторов, нефтеотделителей и флотаторов.

Специфика принципа действия данных сооружений требует обеспечения определённого времени пребывания обрабатываемой воды в сооружении для обеспечения времени оседания частиц твёрдой фазы с расчётными гидравлическими параметрами (гидравлической крупностью). В связи с этим песколовки, отстойники и осветлители представляют собой ёмкостные сооружения (резервуары) оборудованные системами для:

-    удаления (гидравлического или механического) образующихся осадков:

-    ввода и равномерного распределения обрабатываемой воды:

-сбора (сосредоточенного или рассредоточенного) и отвода обработанной

воды;

-    управления режимами работы сооружения (аппарата)

-    осуществления технологического контроля;

-    проведения эксплуатационных и профилактических операций.

По режиму работы различают отстойники периодического действия, или контактные, в которые вода поступает периодически, причём отстаивание её происходит в покое, и отстойники непрерывного действия, или проточные, в которых отстаивание происходит при медленном движении жидкости. В данном методическом пособии рассматриваются только сооружения полунепрерывного и непрерывного действия.

Тонкослойные отстойники представляют собой ёмкости (резервуары) с системой устройств для ввода и вывода обрабатываемой жидкости, оборудованные одним или несколькими блоками тонкослойных элементов, в которых происходит отстаивание её, и устройствами для выгрузки осадка, а в ряде случаев и камерой хлопьеобразования. Они могут быть напорными и безнапорными. В отличие от

15

обычных отстойников отстаивание жидкости в тонкослойных отстойниках осуществляется в слое жидкости малой глубины, которую обеспечивают с помощью тонкослойных элементов, образованных наклонными полками или трубами. Так как глубина тонкослойных элементов в десятки раз меньше, чем глубина обычных отстойников, процесс отстаивания протекает очень быстро. Частицы загрязнений достигают поверхности тонкослойных элементов и под действием силы тяжести сползают по ней в зоны накопления осадка. 11ебольшая высота слоя жидкости, кроме того, обеспечивает более равномерную температуру в пределах слоя, уменьшает до минимума влияние плотностных и конвективных токов на процесс осаждения взвеси, повышает его гидродинамическую стабильность, уменьшает ту рбулентность потока.

Оптимальный режим работы тонкослойного отстойника обеспечивается при ламинарном течении жидкости в тонкослойных элементах при числах Рейнольдса Re < Re_kp =500 и числах Фру да Fr > 10 . В результате сокращения пути седиментации частиц и устранения недостатков, присущих обычным отстойникам, в тонкослойных отстойниках интенсифицируется процесс выделения примесей, что позволяет соответственно уменьшить габариты отстойных сооружений и обеспечить высокий эффект очистки жидкости.

В отстойниках полунепрерывного действия жидкость поступает и отводится непрерывно, а осадок удаляется периодически. В непрерывно действующих отстойниках подача и отвод жидкости и удаление осадка производятся постоянно. Отстойники полунепрерывного и непрерывного действия получили наибольшее распространение.

По направлению движения потока жидкости в тонкослойных элементах эти

16

сооружения делятся на отстойники с горизонтальным (рис.1/ радиальным, вертикальным и восходящим, нисходящим или восходяще-нисходящим (комбинированным) течением жидкости. В последнем случае в отстойнике устанавливают несколько блоков тонкослойных элементов, направление течения жидкости в которых поочерёдно меняется. В зависимости от направления течения жидкости в тонкослойных элементах удаление осадка из них обеспечивается по-разному.

В горизонтальных отстойниках осадок из тонкослойных элементов удаляется перпендикулярно направлению движения жидкости (перекрёстная схема движения жидкости и осадка); в отстойниках с восходящим течением - в направлении, противоположном движению жидкости (противоточная схема движения жидкости и осадка); в отстойниках с нисходящим течением — в направлении, совпадающим с направлением течения жидкости (прямоточная схема движения жидкости и осадка); в отстойниках с комбинированным течением удаление осадка в разных тонкослойных блоках обеспечивается в зависимости от направления течения жидкости, для чего тонкослойные элементы располагаются под углом к горизонту. В отстойниках непрерывного действия этот угол должен обеспечивать сползание осадка в осадочную часть, а в отстойниках периодического действия может быть равен нулю, поскольку' по мере накопления осадка отстойник выключается и обеспечивается обратная промывка тонкослойных элементов от осадка. В тонкослойных отстойниках так же, как и в обычных, могут протекать процессы осаждения и всплывания загрязнений. Выпавшие на поверхность тонкослойных элементов более тяжёлые фракции загрязнений сползают вниз, а более лёгкие — вверх, поступая затем в соответствующие зоны накопления, откуда удаляются специальными устройствами, такими же, как и в обычных отстойниках.

Эффективность работы тонкослойных отстойников в значительной степени зависит от консгрукцин водораспределительных и водосборных устройств. Входные водораспределительные усгройства должны обеспечивать быстрое затухание скорости потока и равномерное распределение его на входе в

17

Содержание

Аннотация...................................................................... 5

1.    Область применения....................................................... 9

2.    Общие положения......................................................... 11

3    Классификатор с основными расчётными параметрами............. 13

3.1    Основные классификационные признаки тонкослойных

модулей.............................................................................. 25

3.2    Методика расчёта конструктивных параметров тонкослойных

модулей для новых сооружений................................................ 26

3.3    Расчёт тонкослойного модуля с учётом сноса осадка........... 28

3.4    Методика расчёта конструктивных параметров тонкослойных

модулей при реконструкции существующих сооружений............... 30

3.5    Технико-экономическое обоснование применения

нормируемых параметров и методик расчёта.............................. 35

4    Рекомендации по конструированию, проектированию,

строительству и эксплуатации тонкослойных модулей................... 39

Приложения.................................................................. 43

Список использованных источников.................................... 47

4

Аннотация

За последние 20-25 лет на множестве объектов водопроводно-канализационного хозяйства при строительстве новых, реконструкции и расширении водоподготовительных очистных сооружений (отстойники, осветлители и другие сооружения, использующие принцип гравитационного выделения взвешенных веществ из обрабатываемой воды) проектировщиками запроектировано и реализовано множество разнообразных по конструкции тонкослойных модулей (блоков).

Тонкослойные модули и аппараты на их основе выпускаются во многих передовых странах (Швеция, США, Великобритания и др.) в трёх модификациях: прямоточные, противоточные и с перекрёстной схемой. Применение этих аппаратов сокращает занимаемую площадь от 50 до 90% и обеспечивает в 3-5 раз увеличение удельной производительности по осветлённой воде.

В работе использованы материалы научно-исследовательских и опытноконструкторских работ организаций, внёсших наиболее значимый вклад в создание полезных моделей, опытных образцов, «пилотных» установок, методик и рекомендаций, а так же математических моделей для расчёта тонкослойных модулей (элементов) и сооружений с их использованием.

В результате изучения ранее созданных методических пособий и опубликованных данных научных исследований можно констатировать, что наиболее значимый научно-практический вклад в развитие тематики тонкослойных модулей в РФ внесли следующие организации: ПГУПС (ЛИИЖТ); НИИ КВОВ АКХ им. К. Д. Памфилова; ЗАО «ЭКОХОЛДИНГ»; ЗАО «Гормашэкспорт»; МГСУ; АО НИИ ВОДГЕО; АзНИИ водных проблем; АО «Институт МосводоканалНИИпроект»; ВНПОбумпром; ЦСА г. Санкт-Петербурга; ООО «НПФ МОЛ-ОРТОС» и др.

Работа проводилась в рамках государственного задания на оказание услуг (выполнение работ) Федерального автономного учреждения «Федеральный центр нормирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве» на 2015 год по реализации комплекса мероприятий по развитию

5

нормативной технической и научной базы в области строительства с целью повышения уровня безопасности людей в зданиях и сооружениях в соответствии с требованиями Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (с изменениями и дополнениями), а так же Водного кодекса Российской Федерации от 03.06.2006 г. № 74-ФЗ, ФЗ РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ, ФЗ РФ «О водоснабжении и водоотведении» от 17.12.2011 г. № 416-ФЗ.

Целью разработки методического материала по теме:    «Разработка

классификатора тонкослойных элементов (модулей) для сооружений водоснабжения» является методическое сопровождение сводов правил: СП 31.13330.2012. «СНиП 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85».

Применение настоящих методических материалов даёт проектировщику исчерпывающий перечень требований, заложенных в строительных нормах и правилах для более грамотного и рационального проектирования в соответствии с положениями, заложенными в нормах.

В работе проведён анализ состояния исследуемой проблемы, научно-технической, нормативной, методической базы, затрагивающей научно-техническую проблему, в том числе обработаны результаты патентных исследований. Создан классификатор тонкослойных модулей, разработаны основные допустимые расчётные параметры.

Разработаны теоретически обоснованные методики расчёта исследуемых конструкций сооружений, оборудованных тонкослойными модулями, в том числе методика расчёта конструктивных параметров тонкослойных модулей для новых сооружений и методика расчёта конструктивных параметров тонкослойных модулей при реконструкции существующих сооружений.

Сформулированы основные технологические, конструктивные и эксплуатационные рекомендации необходимые для качественного конструирования, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

6

оборудованных тонкослойными модулями.

В работе определены расчётные и допустимые граничные условия технологических процессов, даны рекомендации по применению различных материалов.

Разработчиками представлено технико-экономическое обоснование применения нормируемых параметров и методик расчёта. Приведена методика и пример расчёта экономического эффекта от применения тонкослойных модулей.

Применение тонкослойных модулей является наиболее экономичным, а в ряде случаев и единственным решением при реконструкции действующих отстойных сооружений различного типа. При этом реконструкция сооружений может быть проведена в кратчайшие сроки без снижения производительности.

Применение методического пособия позволяет повысить качество выполняемых проектных работ, сократить сроки и снизить стоимость проектирования за счёт использования типовых единых практических подходов к выполнению работ на основе унифицированных методик и технологий, а также станет основой для проведения независимых экспертных оценок выполненных работ, что, в свою очередь, приведёт к снижению рисков возникновения аварийных ситуаций и повышению безопасной эксплуатации строительных объектов.

Выводы:

Применение принципа тонкослойного отстаивания перспективно при реконструкции действующих отстойников различного типа с целью увеличения их производительности. Технико-экономическая оценка разработанных с использованием тонкослойных модулей схем для нового строительства и реконструкции отстойников доказала безусловную экономическую целесообразность их использования в отрасли.

Применение тонкослойных модулей является наиболее экономичным, а в ряде случаев и единственным решением при реконструкции действующих отстойных сооружений различного типа. При этом реконструкция сооружений может быть проведена в кратчайшие сроки без снижения производительности.

7

При стремительно растущей стоимости городских земель или при их отсутствии расширение существующих водоподготовительных станций без применения технологии тонкослойного отстаивания практически невозможно.

В настоящее время СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» допускает проектирование новых отстойников (осветлителей) не оборудованных тонкослойными модулями, хотя необходимость устройства тонкослойных модулей очевидна. Необходимо включить в СП 31.13330.2012 требование, подчёркивающее обязательность применения тонкослойных модулей при реконструкции (модернизации) и новом строительстве отстойников и осветлителей всех типов.

8

1. Область применения

Положения методического пособия предназначены для широкого круга специалистов отрасли водоснабжение, чья деятельность связана с технологиями водоподготовки для водоснабжения населения и предприятий, в том числе:

-    проектных организаций;

-    государственных и негосударственных органов экспертизы;

-    надзорных служб и органов защиты прав потребителей;

-    органов лицензирования и сертификации;

-    разработчиков и поставщиков технологического оборудования, аппаратов и материалов;

-    экологических служб предприятий;

-    организаций водопроводно-канализационного хозяйства.

Методическое пособие в виде классификатора тонкослойных элементов (модулей) с методиками их расчёта предназначено дополнять свод правил СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и оказывать помощь проектировщикам при проектировании новых и реконструкции существующих сооружений водоснабжения (водоподготовки), основанных на седиментационном (флотационном) принципе очистки воды, в том числе для:

-    отстойников всех типоразмеров и систем включая песколовки;

-    осветлителей и сепараторов;

-    флотаторов и нефтеотделителей.

Пособие предназначено так же для специалистов, инженеров и технического персонала водоканалов или других организаций, эксплуатирующих сооружения водопровода и канализации и заинтересованных в повышении эффективности работы сооружений и снижении эксплуатационных затрат.

Методические материалы предназначены для специалистов проектноизыскательских и строительных организаций, учреждений и служб Заказчиков (Инвесторов) и других заинтересованных организаций отрасли водоснабжения, с

9

целью обеспечения их организационно-методическими материалами, которые позволяют разрабатывать и применять высокоэффективные технологические решения в процессе проектирования сооружений, обеспечивающие качество, долговечность и конкурентоспособность этих объектов.

Настоящее методическое пособие устанавливает обязательные требования, которые должны соблюдаться при проектировании вновь строящихся и реконструируемых сооружений водоснабжения (водоподготовки), а так же формулирует допустимые диапазоны нормируемых технологических параметров для указанных сооружений.

Методики расчётов, представленные в данном пособии, могут быть использованы высшими учебными заведениями в учебном процессе для студентов специальностей «Водоснабжение и Водоотведение».

Методическое пособие «Классификатор тонкослойных модулей для наружных сетей водоснабжения» предназначено обеспечить реализацию комплекса мероприятий по развитию нормативной технической и научной базы в области строительства с целью повышения уровня безопасности людей в зданиях и сооружениях в соответствии с гребованиями Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

Данное методическое пособие может применяться для расчёта сооружений канализации с учётом специфики работы канализационных сооружений (песколовок, первичных и вторичных отстойников), работающих в условиях высоких концентраций микрофлоры, интенсивно закрепляющейся на поверхностях элементов тонкослойных модулей и тем самым нарушающей их нормальное функционирование.

ю

2. Общие положения Основной задачей реализации комплекса мероприятий по развитию нормативной технической и научной базы в области строительства с целью повышения уровня безопасности людей в зданиях и сооружениях в соответствии с требованиями Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» является разработка, актуализация и гармонизация нормативных технических документов в сфере проектирования и строительства.

Основные нормативные документы, определяющие и регламентирующие в настоящее время сферу водоснабжения и канализации СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* и СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения» Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85 лишь вкратце упоминают о тонкослойных модулях и приводят общий для всех типов тонкослойных модулей расчёт по нагрузке на квадратный метр поверхности.

Отсутствие у проектировщиков чётких предписаний и исчерпывающего набора рекомендаций по выбору, проектированию и расчёту тонкослойных модулей приводит к типичным ошибкам, которые зачастую сводят к нулю заложенную проектом эффективность и все капитальные затраты Заказчиков (Инвесторов) при реконструкции объектов водоснабжении и канализации.

Классификатор использует международную систему единиц СИ в соответствии с ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений»: расходы - в м³/ч, скорость течения воды в зоне тонкослойных модулей - в мм/с, гидравлическая крупность - в мм/с, давление - в паскалях (Па), углы наклона - в градусах (°), смоченный периметр - в см, площадь живого (поперечного) сечения - в см², кинематический коэффициент вязкости - в си²/с, температура - в градусах Цельсия (°С), размеры аппаратов - в мм.

Классификатор разработан с учётом:

- действующего Федерального законодательства РФ;

II