水课程设计之供给250万人生活用水回转式隔板絮凝池设计

水污染控制工程与技术11引言随着我国经济的高速发展，人民的生活水平显著提高，如何解决水资源匮乏，安全问题一直是困扰水处理工作者的一个难题。水是动植物和人的身体中不可缺少的物质，可以说没有水就没有生命的存在。另外，人类生活中的衣食住行离不开水。工农业生产也离不开水，水是工农业生产的重要原料。在农业生产中消耗的淡水是人类耗水总量的60%—80%，工业也需要大量的水进行生产。另外，水在内河和海洋运输上起着很重要的作用。自然界中淡水量不到总水量的1%。据21世纪城市水资源国际学术研讨会透露，联合国已经把我国列为世界上13个最缺水的国家之一，目前我国人均用水量是世界人均用水量的30%左右。人类现在用水量越来越大，且污染越来越严重，这就要求我们要保护水资源。饮用水的安全问题也很重要，人们对源水进行一系列的处理后饮用。在20世纪初，饮用水净化技术已经形成了，现在被人们普遍称为常规处理工艺的处理方法，即：混凝，沉淀或澄清，过滤和消毒。这种常规处理工艺至今仍被世界大多数国家所采用，是目前饮用水处理的主要工艺。另外，近年来，由于城市和经济的发展，污水排放量持续增长，水源污染问题日益严重，制约了经济的持续发展，各城市都迫切需要新建或改建污水处埋厂。本文只对回转式隔板絮凝池的设计做一些说明。1.1回转式隔板絮凝池的特点隔板絮凝池是应用历史悠久、目前仍常应用的一种水力搅拌絮凝池，有往复式和回转式两种。后者是在前者的基础上加以改进而成。在往复式隔板絮凝池内，水流作180度转弯，局部水头损失较大，而这部分能量消耗往往对絮凝效果作用不大。因为180度的急剧转弯会使絮体有破碎可能，特别在絮凝后期。回转式隔板絮凝池内水流作90度转弯，局部水头损失大为减小，絮凝效果也有所提高。隔板絮凝池通常用于大、中型水厂，因水量过小时，隔板间距过狭不便施工和维修。隔板絮凝池优点是构造简单，管理方便。缺点是流量变化大者，絮凝效果不稳定，与折板及网格絮凝池相比，因水流条件不甚理想，能量消耗（即水头损失）中的无效部分比例较大，故需较长絮凝时间，池子容积较大。[1]1.2回转式隔板絮凝池与其他絮凝池的比较水污染控制工程与技术2表1-1几种絮凝池的比较型式优缺点适用条件隔板絮凝池往复式优点：（1）絮凝效果好（2）构造简单，施工方便缺点：（1）体积较大（2）水头损失较大（3）转折处絮凝颗粒容易破裂（4）出水流量分配不易均匀（1）适用于水量大于30000m3/d的水厂（2）水量变动小回转式优点：（1）絮凝效果好（2）水头损失小（3）结构简单，施工方便缺点：（1）出水流量分配不易均匀（2）出口处易积泥（1）适用于水量大于30000m3/d的水厂（2）水量变动小（3）适用于旧池的改建和扩建旋流絮凝池优点：（1）容积小（2）水头损失小缺点：（1）池子较深（2）地下水位高处施工较困难（3）絮凝效果较差一般用于中小型水厂涡流絮凝池优点：（1）絮凝时间短（2）容积小（3）造价较低缺点：（1）池子较深（2）锥底施工较困难（3）絮凝效果较差适用于水量小于30000m3/d的水厂折板絮凝优点：（1）絮凝时间短（2）容积小（3）絮凝效果好缺点：造价较高适用于水量变化不大的水厂水污染控制工程与技术3池穿孔絮凝池优点：结构简单，施工方便缺点：絮凝效果差适用于水量变化不大的水厂网格絮凝池优点：（1）絮凝效果好，节省药剂（2）水头损失小（3）絮凝时间较短缺点：（1）存在末端池底积泥现象（2）网格上可能滋生藻类，造成孔眼堵塞（1）单池处理10000~15000m3/d为宜，处理水量大时，可采用两组或者多组并联运行（2）适用于新建也可以用于旧池的改造机械絮凝池优点：（1）絮凝效果好，节省药剂（2）水头损失小（3）可适应水质，水量的变化大，小水量均适用，并且适应水量变动较大的水厂1.3回转式隔板絮凝池的适用条件在表1-1中已经给出，即：（1）适用于水量大于30000m3/d的水厂。（2）水量变动小。（3）适用于旧池的改建和扩建。2总体设计2.1设计依据及原理设计依据见任务书。水和药剂作用完成后，水中的胶体等微小颗粒已初步凝聚，产生了微小絮体，但还未达到自然沉降的程度。絮凝阶段夫人主要任务是，创造适当的水利条件，使药剂与水混合产生微小絮凝体，在一定时间内凝结成具有良好物理性能的絮凝体，它应有足够大的粒度（0.6~1.0mm），密度和强度（不易破碎），并为杂质颗粒在沉淀澄清阶段迅速沉降分离创造良好的条件。絮凝设施要求有一定的停留时间和适当的搅拌强度，以使小絮体能相互碰撞，并防止生成大大絮体沉淀，但搅水污染控制工程与技术4拌强度不能过大，否则会使形成的絮体破碎，且絮体越大越易破碎，因此在絮凝设施中，搅拌强度应该逐渐减小。[2]絮凝设施主要设计参数为搅拌强度和絮凝时间。搅拌强度用絮凝池内水流速度梯度G表示：ThG60(2-1)式中G——絮凝池内水流速度梯度，1s；——水的密度，3/mkg；h——水头损失，m；——水的动力粘滞系数，2/)(mskg；T——絮凝时间，min。GT值间接的表示整个絮凝时间内颗粒碰撞的总个数，可用来控制絮凝效果，根据生产运行经验，其值一般应控制在1×104~1×105为宜。在设计计算完成后，应校核GT值，如果不符合要求，应调整水头损失h或絮凝时间T进行重新设计。2.2设计原始数据该城市最高日用水量为240(L/cap·d)，絮凝池分为20个，得到设计流量为1250（m3/h），絮凝时间T=20（min），池深H=1.5m，进口速度v1=0.5m/s，出口速度v2=0.2m/s，隔板间距分为7档。如表2-1所示：表2-1设计原始数据表最高日用水量(L/cap·d)絮凝池/个设计流量Q（m3/h）絮凝时间T/min池深H/m进口速度v1/m/s出口速度v2/m/s隔板/档240201250201.50.50.272.3设计水量查居民生活用水定额表，一区特大城市的最高日用水量180~270(L/cap·d)，在这里取240(L/cap·d)。以此就可以计算出设计水量，计算过程如下：取回转式隔板絮凝池个数为20，则312400.0012500000600000(/)Qmd每个池子的流量：36000001250(/)2024Qmh水污染控制工程与技术52.4絮凝池的所有参数计算2.3.1回转式隔板絮凝池的容积计算60QTW(2-2)式中W——絮凝池的容积，3m；Q——设计流量，hm/3；T——絮凝时间，min；60——分钟。3125020417()6060QTWm2.3.2池长计算HBWL(2-3)式中L——絮凝池长，m；W——絮凝池的容积，3m；H——絮凝池深，m；B——絮凝池的宽度，m。为了与沉淀池配合，絮凝池宽度取B=12m，则14723.21.512WLmHB(2-4)2.3.3各档隔板间距nnHQa3600(2-5)式中na——各档的隔板间距，m；Q——设计流量，hm/3；H——池深，m；n——廊道内水流速，sm/；3600——每小时3600秒。[3]廊道内水的流速vn由0.5m/s递减至0.2m/s，则12500.231()360036001.5nnnnQamH据此公式，na的计算结果列于表2-2。水污染控制工程与技术6表2-2各档隔板间距na表序号流速)/(smn隔板间距man/计算值na采用值na累计值10.501=12.28a（m）10.50a0.5020.4520.513a20.55a1.0530.4030.578a30.60a1.6540.3540.660a40.70a2.3550.3050.770a50.80a3.1560.2560.924a61.00a4.1570.2071.115a71.20a5.35注：为均布水流，把最后一个廊道宽度（71.20am）分成两股进行回转流动为使两股水流到达絮凝池出口（穿孔配水墙）是水量平衡，其流量各按45%与55%分配，则近端（流程短）一股的廊道宽度770.450.451.200.50()aam，另一股的廊道宽度为770.500.501.200.70()aam。2.3.4池宽度的核定nnaB(2-6)式中B——池宽，m；na——隔板间距，m；n——隔板厚度，m。取隔板的厚度为0.16m（板厚0.12m，两面粉刷各厚0.02m），池的外壁厚度不计入，则nnaB1217171nnnaanaaaaaaaaaaaaaa12)()(76543217654321m72.2592.15.18.925.12.3.5第一层（内层）隔板长度为计算隔板端离隔板壁的距离为C=1m，则水污染控制工程与技术7])[(12171721''nnnaCaLl=23.2[(3.650.5)1(3.150.7)120.16]12.28()m(2-7)2.3.6絮凝池廊道的总长度计算226.31()nLm，计算过程见表2-3。表2-3絮凝池廊道总长度计算表序号廊道宽度man/mln/每圈总长度／ｍ关系式数值关系式数值累计值10.5011ll12.281112alL25.0625.0620.55112aCll13.78212242aalL30.1155.1730.602232all14.8832133)(42aaalL34.5689.7340.703342all16.08432144)(42aaaalL39.46129.1950.804452all17.485432155)(42aaaaalL45.16174.3561.005562all19.08)(254321566aaaaaalL24.58198.9371.206672all20.0865432177)(2aaaaaalL27.38226.31由此可知226.31()nLm。注：（1）隔板端离隔板壁的距离为C=1m。（2）nl和nL的数值未考虑隔板的厚度。（3）nl为每一圈廊道长边的内边长。2.3.7水头损失计算nLRCgSh22202(2-8)式中：——转弯处局部阻力系数；S——转弯次数；水污染控制工程与技术8——廊道内流速，sm/；0——转弯处流速，sm/；C——流速系数；Ｒ——水力半径，m。cpHaQ360045cos0(2-9)式中0——转弯处流速，sm/；Q——设计流量，hm/3；H——池深，m；cpa——廊道宽度的平均值，m。[4]计算数据如下：转弯处局部阻力系数0.1。转弯次数为25次即：25S。廊道内流速采用平均值，即：)/(35.022.05.0221sm转弯处流速0采用平均值，廊道宽度的平均值为13.350.764()7nncpaamn所以0cos4512500.7070.214(/)360036001.50.764cpQmsHa2.3.8廊道断面的水力半径计算0.7641.50.30()20.76421.5cpcpaHRmaH(2-10)2.3.9流速系数根据水力半径R和池壁粗糙系数n（水泥砂浆抹面的渠道，n=0.013）的数值，查表（见《给排水设计手册》）确定，C=63.2。2.3.10水头损失廊道总长度为226.31()nLm，则22022nhSLgCR水污染控制工程与技术92220.2140.35125226.3129.8163.270.3000.0815()m2.3.11絮凝时间计算226.31647()11(min)0.35ncpLTs(2-11)2.3.12GT值核算ThG60(2-12)式中——水的密度，3/mkg；h——水头损失，m；——水的动力粘滞系数，24/)(10029.1mskg；T——絮凝时间