（市政工程专业论文）深沟转刷型一体化氧化沟水力特性试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 氧化沟方法是生化处理技术中的一种典型的废水处理工艺。本文介绍了氧 化沟工艺的发展过程以及发展方向，总结了氧化沟的优缺点，并针对氧化沟占 地面积比较大的问题，提出了对深沟转刷型一体化氧化沟的流态进行研究的重 要意义。论文旨在通过对这种氧化沟的研究，为增大一体化氧化沟的沟深，减 少占地面积，推广一体化氧化沟工艺在中小城市中的应用提供理论依据和参考。 论文以深沟转刷型一体化模型为研究对象，在水力模型试验的基础上对深 沟转刷型一体化氧化沟模型的流速测试结果进行分析，问时运用有限元计算软 件a n s y s 中的f l o t r a n c f d 分析功能对深沟转刷型一体化氧化沟横向流速 和直段内垂向流速进行了模拟分析。 通过试验和模拟结果分析，论文总结了深沟转刷型一体化氧化沟运行时的 各段上垂向和横向的流速分布情况以及其分布变化规律；结合理论与试验结果 分析了沟深增大产生的不利影响因素，并在此基础上对增加水下推进器、导流 墙和导流板等改善措旌后深沟转刷型一体化氧化沟的流态进行改善的效果和三 种组合工况下的氧化沟模型的运行状况进行了综合评价。通过分析和比较，论 文得出了在试验条件下转刷型一体化氧化沟模型的沟深超过2 5c m 时，其流速 难以达到氧化沟正常运行流速的要求，需要采取相应的措施增大下部流速；论 文最后提出了浚氧化沟模型的最佳运行工况。 关键词：一体化氧化沟；流态：最佳工况 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s 仃a c t t h em e t h o do fo x i d a t i o nd i t c hl sak i n do ft y p i c a lc r a f ti nb i o c h e m i c a l w a s t e w a t e rp r o c e s s i n g t e c h n i q u e i n t h i s p a p e r , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n d d i r e c t i o n so ft h eo x i d a t i o nd i t c hc r a f th a v eb e e ni n t r o d u c e d ，b o t hm e r i t sa n d s h o r t c o m i n g so f t h eo x i d a t i o nd i t c hc r a f th a v eb e e ns u m m e du p ，a n da i m e da tt h e p r o b l e m t h a ti tc o v e r sm o r et h ea r e ar e l a t i v e l y , t h es i g n i f i c a n c eo f s t u d yo nt h ed e e p k e s s e n s e r - i n t e g r a lo x i d a t i o nd i t c h ( d k i o d ) sf l o wp a t t e r nh a sb e e np u tf o r w a r d t o d e e p e nt h ed i t c h ，r e d u c eg l e b e w a s t e a n de x p a n dt h e i n t e g r a l o x i d a t i o nd i t c h s a p p l i c a t i o ni ns m a l la n dm i d d l ec i t y , t h et h e o r ys u p p o r ta n dr e f e r e n c eh a v eb e e n p r o v i d e d i nt h i sp a p e rb yt h es t u d yo ns u c h a l lo x i d a t i o nd i t c hm o d e l i nt h i sp a p e r , t h ef o c u si sp l a c e do nt h ed k o dm o d e l ，a n d0 nt h ef o u n d a t i o n o f e x p e r i m e n to nh y d r o m o d e l ，t h ec u r r e n tv e l o c i t yt e s t i n gr e s u l to f d k i o dm o d e l h a sb e e na n a l y z e d ，a tt h es a n l et i m e ，t h ec u r r e n tv e l o c i t ya th o r i z o n t a lo fd i t c ha n d c t r e n tv e l o c i t ya tv e r t i c a lo ft h es t r a i g h to fi th a v eb e e ni m i t a t e db yt h ef l o t r a n c f d a n a l y s i sf u n c t i o no f f i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o ns o f t w a r e - a n s y s t h r o u g he x p e r i m e n ta n d i m i t a t e dr e s u l t ，t h ed i s t r i b u t i o n so fc u l t e n tv e l o c i t ya t h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lo fd i t c ha n dt h e i rc h a n g el a w sa r es u m m a r i z e di nt h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h e o r i e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y z i n g ，t h ed i s a d v a n t a g e o u s i n f l u e n tf a c t o ro fd e e pa g g r a n d i z e m e n to fd i t c hh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n db a s e do n t h e m ，t h ei m p r o v i n ge f f e c t s ，o n f l o w p a t t e r n s ，o f t h eu n d e r w a t e r p r o p e l l e r ， f l o w 1 e a d i n gb a n ，f l o w l e a d i n gw a l la n d t h er u n n i n gs t a t u so ft r e ec o m b i n i n gw o r k c o n d i t i o n sh a v eb e e na s s e s s e di nt h i sp a p e r b ya n a l y s i sa n dc o m p a r e ，i nt h i sp a p e r c o n c l u s i o n st h a t ，u n d e rt h ee x p e r i m e n t a t i o n ，w h e nt h ed e p t ho ft h i sm o d e ld i t c h b e y o n d2 5 c m ，i t sc u r r e n tv e l o c i t yf a i l e dt or e a c h t h ev e l o c i t yu n d e rw h i c ht h ed i t c h c a nr u nn o r m a l l y ，t h u sn e e d i n gt ob ea d o p t e dt h es o m em e a s u r e st oa u g m e n tt h e l o w e rp a r tc u r r e n tv e l o c i t y , h a v eb e e nd r a w n f i n a l l yt h eb e s tm o v e m e n tw o r k c o n d i t i o n o f t h e d i t c h m o d e l h a sb e e n p u t f o r w a r d i n t h e p a p e r a s w e l l k c y w o r d s ：i n t e g r a lo x i d a t i o nd i t c h ；f l o wp a t t e r n s ；t h eb e s t w o r kc o n d i t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 1 1 1 我国水环境形势 第一章绪论 随着社会生产的增加、人口的增长和城市化进程的加快，我国的水环境呈 现“水资源短缺、污染严重、浪费惊人”的现状。我国淡水资源囊人均约2 3 0 0 m 3 ， 相当于世界人均水平的l 4 ，居世界第1 1 0 位f l 。1 。在我国的水环境问题中，其 中又以污染严重尤为突出，据2 0 0 3 年中国环境状况公报【3 】，2 0 0 3 年，全国工 业和城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，城 镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，排放总量均有不同程度的增加。其中绝大部分 污水未经有效处理而排入江河湖海，全国9 0 以上的城市水域受到不同程度的 污染，近5 0 的重点城镇的集中饮用水源不符合取水标准 4 j 。迄今为止，我国 绝大部分小城市中的城市污水仍然处于不加治理赢接排放到水体的状态，这成 为水体环境污染的主要来源，全国污水处理率仅为2 0 左右，而美国的污水治 理率为7 1 ，英国已达8 7 吼 因此，要改善我国水环境被污染的状况，保护我国紧缺的水资源，除了 要刻不容缓地对大中城市的城市污水进行处理外，也应该加快小城市的城市 污水处理步伐p 。 1 1 2 小城市生活污水生化处理技术的发展 目前，城市生活污水生化处理技术主要有：( 1 ) 传统活性污泥法和a o 、 a 2 o 法：( 2 ) a b 法；( 3 ) 氧化沟法； ( 4 ) s b r 工艺1 4 , 5 1 。对于我国大量的 小城镇，产生的污水量一般小于2 万m 3 d ，属于小型污水处理厂范围。由于经 济发展水平低，处理率高、可供选择的经济适用技术很少和运营管理经验严重 缺乏等多方面的问题，与大中型城市污水处理厂相比，小城镇小型污水处理厂 的设计、建设和运营更加困难。因此，投资省、运行费用省、工艺流程简单、 处理效果好、运行管理简便的工艺及成套设备始终是国内外污水处理界所致力 于研究与寻求的方向_ l 。从污水处理厂投资和占地来看，工艺型式对投资和造 价的影响很大。美国环境保护局( e p a ) 对不同生物处理工艺的基建和运行费 用的分析比较结果表明，当处理翘模分别为3 7 8 5 m 3 a 和3 7 8 5 0 m 3 d 时。氧化沟 建设投资分别为传统活性污泥法的6 0 8 0 。运行费用超出活性污泥法的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 4 0 鲋。因此氧化沟工艺造价低、管理简便，非常适用于中小型城市的污水处 理。 1 2 氧化沟工艺概述 1 。2 i 氧化沟的发展 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) 又名氧化渠，其曝气池呈封闭的沟渠形，属于连续 式反应池( c o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r ) ，简称c l r ”。氧化沟是一种简易的活性 污泥系统，由活性污泥在闭合的曝气渠道中循环流动通过活性污泥中的微生物 对污水中的有机污染物不断地进行降解和去除，达到净化污水的目的【1 0 13 1 。 最早的氧化沟于1 9 2 0 年在英国( s h e 僚e l d ) 建成，但到1 9 5 4 年荷兰的帕 斯维尔( a p a s v e e r ) 博士设计的氧化沟在v o o r s c h o t e n 建造并投入使用，氧化 沟才正式以专用术语出现。 最初，p a s v e e r 氧化沟的充氧、推进和搅拌是有k c s s e n s e r 转刷这种曝气设 备来保证的，受其限制，氧化沟设计的有效水深一般在1 5 m 以下。在推广氧 化沟技术的应用过程中，池深过浅使氧化沟占地面积大的缺点越来越突出【1 4 】。 1 9 6 7 年，l e c o m p t 和m a n d t 首次提出将水下曝气和推动系统用于氧化沟， 发明了射流曝气氧化沟( j a c ) ，沟深可达7 8 m 。虽然沟深较大，但是它的 设备要求和运行管理都比较高，其使用受到一定的限制。 1 9 6 8 年d h v 有限公司的荷兰工程师们将立式低速表曝机应用于氧化沟。 将设备安装在中心挡板的末端，利用表曝机产生的径流为动力，推动氧化沟内 液体的流动，这一工艺被称为卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟( 如图1 1 所示) 旧。 图1 - 1 卡鲁塞尔氧化沟 卡鲁塞尔氧化沟不再使用卧式转刷曝气机，而使用具有很高的搅拌、掺氧 效率的立式表面曝气机，卡鲁塞尔系统在借鉴常规污水处理系统的经验的基础 上，采用立式低速搅拌机，使沟深增加到5 m ，从而使曝气池的占地面积大约 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 减少3 0 。 最近d h v 公司又发明了c a r r o u s e l 2 0 0 0 和c a r r o u s e l 3 0 0 0 系统，是在原系统 上增加个缺氧池，甚至再增加一个厌氧池，以提高卡鲁塞尔系统氧化沟的脱 氮除磷功能，尤其是c a r r o u s e l 3 0 0 0 系统，其池深可达7 5 8 米，对b o d 、c o d 、 n 的去除率达到9 5 以上 16 】。卡鲁塞尔氧化沟虽然也能使占地面积大大减小， 但是同样存在设备投资大，管理不方便的缺点，在中小城市难以得到推广 1 9 7 0 年，h u i s m a n 又在南非开发了使用转盘曝气机的奥贝尔( o r b a l ) 氧化 沟( 如图1 2 所示) 。奥贝尔氧化沟又称为同心型氧化沟。常用的奥贝尔氧化 沟大多为三沟型，原污水首先进入最外的沟渠，依次进入下一个沟渠，最后由 中心沟流出。 图1 - 2 奥9 l 尔氧化沟 v o n d e re m d e 于1 9 7 1 年首次详细报道了将m a m m o t h 转刷应用于氧化沟工 艺，转刷直径为1 0 0 0 m m ，氧化沟允许水深3 3 6 m ，充氧能力较大提高。8 0 年代，美国还开发了导管式氧化沟，以导管曝气器代替传统的曝气转刷，是一 种高效的污水处理新技术f j 3 】。 图1 - 3 三沟交替式氧化沟”】 近年来，随着控制仪表的发展以及生物脱氮工艺的需要，转刷型氧化沟有 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 发展成为交替工作式氧化沟该氧化沟为丹麦克鲁格( k r u g e r ) 公司所开发，有 二沟和三沟两种交替工作的氧化沟。图1 - 3 所示为三沟交替工作氧化沟，称为 t 型氧化沟。其运行特点为：两侧的沟交替地作曝气池和沉淀池，中间的沟则 一直充作曝气池，原废水交替地从两侧的沟进入和出水，该运行方式也勿需设 二沉池和污泥回流装置，但是必须有自动控制系统，各操作过程进行自动控制。 到2 0 世纪8 0 年代，在美国又出现了新型的氧化沟一体化氧化沟f 1 7 i 旭) 。 一体化氧化沟又称为合建式氧化沟，是指集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流 功能为一体，无需建造单独的二沉池的氧化沟。文献 1 9 中系统地介绍了十种 常用的一体化氧化沟技术。一体化氧化沟的出现，弥补丁传统氧化沟存在的缺 点，也代表了污水处理工艺集约化、一体化的发展趋势。一体化氧化沟集曝气 沉淀及固液分离于一体，连续运行，减少了占地面积，同时保持了氧化沟的优 点，其优良的特性将会使这一工艺得到迅速推广。 氧化沟技术由于具有出水水质好，运行稳定，管理方便以及区别于传统活性 污泥法的一系列技术特征，使其在近几十年来取得了迅速的发展，成为污水处理 中用得较多的技术之一。据资料介绍，迄今，欧洲已有的氧化沟污水处理厂超过 2 0 0 0 座，北美超过8 0 0 座，亚洲有上百座，中国目前正在建造和已投入运行的有数 十座f j 9 2 ”。 t 2 2 氧化沟工艺基本工作原理及主要设计参数 氧化沟工艺基本工作原理是利用连续环式反应池作为生物反应池，使用一 种带方向控制的曝气和搅拌装置，向反应池中的物质传递水平速度，从而使混 合液在该反应池中的闭合曝气渠道进行连续循环，使污染物得以处理。 氧化沟一般有沟体、曝气推流装置、进水区、出水区组成。氧化沟一般呈 环状沟渠形，平面上多为椭圆或圆形。氧化沟具有特殊的水流混合特征，它介 于推流式和完全混合式之间，或者说基本上是完全混合式，同时又具有推流式 的某些特征【2 2 】。一般氧化沟污水厂的处理流程如图1 - 4 所示 原水7 预处理i ”曝叫i 沉淀池j r 出水 污泥回流 污泥脱水处理 图1 4 氧化沟处理流程图 根据氧化沟的工作原理和技术特征，一般采用的技术参数如表1 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表1 - 1氧化沟常用技术参数2 2 有机容积负荷 o 2 o 4k g b o d j m 3 d 有机污泥负荷 o 0 5 0 1 5k g b o d 5 ， k g m l s s d 水力停留时1 1 日j 1 0 2 4 1 r 污泥龄 1 0 3 0 d a y 活性污泥浓度2 0 0 0 6 0 0 0 m g 1 出水水质b o d 51 0 1 5 m g 1 s s 1 0 2 0 m g l n h 3 一n l 3 m g 1 沟内平均流速 0 3 0 5 m s 可见，氧化沟所采用的有机物负荷和水力停留时间与延时曝气法接近，但 所取得的出水水质较好。如采用较高的有机物负荷、较短的水力停留时间，使 其运行的特征接近于高效率活性污泥法或其他类型的活性污泥法【2 “。 1 2 3 传统氧化沟的工艺特点 传统的氧化淘工艺与其它活性污泥法相比具有以下特点【2 2 吨6 】： ( 1 ) 工艺流程简单，运行管理方便。省去了初沉池和污泥消化池，当氧化 沟与二沉池合建时又省去了污泥回流设备，所以使处理流程简单，运行管理方 便容易。 ( 2 ) 剩余污泥量少，污泥性质稳定。由于氧化沟工艺为延时曝气，水力停 留时间长，一般为1 0 2 4 h ，污泥龄也长达1 0 3 0 d ，有机物得到彻底的降解， 产生的剩余污泥量少，并得到了好氧稳定，使污泥不需消化处理而直接脱水， 节省处理费用，也便于管理。 ( 3 ) 处理效果稳定，出水水质好。氧化沟工艺污泥负荷率低，为o 0 5 o 1 5 k g b o d 5 ( k g m l s s d ) ，水力停留时间长，h r t 为1 0 2 4 h ，污泥龄长，t ，为 1 0 3 0 d ，所以b o d 5 ，s s 的去除率均大于8 5 ，同时耐冲击负荷，处理效果 稳定。氧化沟内的溶解氧沿沟长方向不均匀分布，在沟内出现缺氧、厌氧的区 段，这样，沟内相继进行硝化和反硝化，同时聚磷菌交替处于厌氧和好氧条件 下，并交替进行释磷和过量摄取磷，然后将高磷剩余污泥排放，从而达到生物 除磷的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 4 ) 基建和运行费用低。同时具有去除b o d s 及脱氮除磷的氧化沟的基建 费用比常规的活性污泥法要低4 0 6 0 。 ( 5 ) 氧化沟的水深取决于采用的曝气设备，般为2 5 8 o m ，所以曝气 设备是氧化沟技术发展的关键。目前国内生产的曝气设备，氧化沟的水深一般 在3 5 5 2 m 。 ( 6 ) 抗冲击负荷。由于氧化沟的停留时间较长，容积较大，不会因冲击流量 再设调节池，因此，在氧化沟处理污水的过程中相对其他工艺具有很好的抗冲击 负荷的能力。 ( 7 ) 由于氧化沟容积较大，所以与其它污水处理工艺相比起占地面积很大， 这也成为限制氧化沟推广的一个重要因素之一。 1 3 一体化氧化沟工艺特点及研究现状 1 3 1 一体化氧化沟工艺特点 体化氧化沟又称为合建式氧化沟，是美国在上世纪8 0 年代首先开发出来 的种新型的氧化沟污水处理技术，其主要特点是将二次沉淀池与氧化沟曝气 池建在同一构筑物中【1 9 , 2 2 1 ，运行时混合液在淘内沉淀池中进行固液分离，沉淀 后的活性污泥通过机械和水力方式直接回流至氧化沟中，剩余污泥通过沟内直 接排放混合液得以实现 2 7 】。一体化氧化沟工艺除了常规氧化沟所具有的优点 外，还有以下独特的优点 1 3 , 1 7 , 1 8 , 2 7 】： ( 1 ) 流程短，构筑物和设备少，不单独设二沉池，使氧化沟系统占地面积 减少： ( 2 ) 沉淀污泥自动或借助与部分机械直接回流到沟中，可以省去污泥回流 系统相应的管道、和设备，节省基建投资和运行费用； ( 3 ) 设备利用率高，运行管理工作量少； ( 4 ) 处理效果稳定可靠，并具有硝化脱氮作用： ( 5 ) 剩余污泥产量少且污泥性质稳定，不需硝化，减少二次污染； ( 6 ) 污泥回流及时，减少了膨胀的可能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 一体化氧化沟工艺的研究与应用现状 一体化氧化沟技术从开发至今，得到了迅速发展，并在实际生产中得到应 用。具有代表性的有美国联合工业公司的船式沉淀器( b o a t ) 、e i m c o 环境 企业公司的b m t s 系统、e i m c o 公司的卡鲁塞尔渠内分离器、湖滨设备公司 的边墙分离器、l i 曲t i n 公司的导管式曝气内渠和边渠沉淀分离器以及e n v i r c x 公司的竖直式氧化沟 1 3 , 1 7 1 9 和侧沟式一体化氧化沟。近年来，我国的清华大学、 重庆大学、中南市政工程设计院和西北市政工程设计院等单位对氧化沟技术相 继进行了研究和探讨，最值得一提的是我国著名的水处理专家钱易院士，她在 氧化沟方面作出了非常深入的研究和相当多的报道工作。另外钱望新【1 0 】等人利 用对合建式氧化沟模型进行了试验研究，表明通过合理的设计及在适宜的水力 条件下，合建式氧化沟完全可以使泥水分离、沉淀污泥自动回流。重庆大学邓 森荣等曾对池深在3 5 m 合建式一体化氧化沟的水力性能和节能特点进行过研 究：同济大学曹瑞钰等也曾对池深为3 o 3 ，5 m 的氧化沟的流速分布进行过研 究，并提出了改善措施【2 8 1 ；采用水下曝气方式的深池氧化沟研究的也相对较多 f 2 5 ，2 7 ，2 引 目前，虽然一体化氧化沟在我国得到了很快的发展，但沟深一般都在 4 5 米以下，国内外系统地对沟深在4 5 米以上的转刷型一体化氧化沟的研 究还比较少见，对沟池一体化氧化沟的水漉特性进行研究的更少。 1 4 问题的提出、研究意义、研究内容与技术路线 1 4 1 问题的提出与研究的意义 一体化氧化沟具有工艺流程简单、处理效果稳定、剩余活性污泥量少、 抗冲击负荷能力强、管理方便、运行费用较低等优点，同时具有除磷脱氮的 功能，特别适合中小城市的污水处理f 2 刚：般的一体化氧化沟与传统的氧化 沟相比较虽然减少了一定的占地面积，但相比s b r 、a b 法及生物接触氧化 法，一体化氧化沟仍不具备优势，其占地面积大的缺点将成为制约其发展的 一个主要因素之一。按照中国城市污水处理现状及规划的要求，我国需 要建大量的中小型污水处理厂，尽管在中小城市中土地资源相对丰富，但是 随着人口的增多，节约土地资源显得越来越重要。在保证处理效果的前提下， 占地、投资及运行费用是衡景城市污水处理厂工艺的重要经济指标。在对占 地要求越来越高的情况下，除结构紧凑及布局合理之外，加大有效水深就成 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 了各种工艺追求减少占地的一个重要手段。因而，开发深沟型的氧化沟已成 为一种必然的趋势，但由于一般表曝器的有效深度只有4 5m 左右【 ，氧化 沟沟深加大，其流态发生改变，同时底部流速也可能很小，必然要需要加大 推动力以保证沟中废水达到一定的速度能循环流动，会增大能量消耗。 结合一体化氧化沟污水处理工艺的优缺点，为充分了解深沟氧化沟的最 佳运行方式和尽可能减小能量消耗，最终为减少氧化沟的占地面积，减少投 资，推广一体化氧化沟污水处理工艺，有必要对深沟一体化氧化沟的水流特 性进行研究。 目前，国内外还没有对深沟转刷型一体化氧化沟进行深入的研究。本课 题主要针对深沟转刷型一体化氧化沟模型的水力特性进行系统的理论研究， 了解深沟转刷型一体化氧化沟的水流特性分布，以便为深沟转刷型一体化氧 化沟的设计和深入研究提供理论支持和技术参数，最终达到提高一体化氧化 沟处理污水的技术、节约土地资源以及降低一体化氧化沟的处理成本的目的， 因此，本课题具有一定的技术创新和研究意义。 1 4 2 研究内容 一体化氧化沟的沟深的增大必将会影响氧化沟内的水流流态，进而会影响 其结构设计参数、增加动力消耗和改变运行过程。本课题通过相似理论建立深 沟一体化氧化沟的水力模型，通过水力模型试验来分析它的流态分布并借助于 有限元计算软件a n s y s 中的f l o t r a nc f d 贫析功能，运用数学方法对其流 态分布进行分析；采取相应的改善措施，分析深沟转刷型一体化氧化沟内流态 的改善效果，并在此基础上确定最佳运行工况。 本课题研究的内容主要包括以下三个方面： ( 1 ) 深沟转刷型一体化氧化沟的流态分布： ( 2 ) 池沟转刷型一体化氧化沟中水流流态的改善措施； ( 3 ) 深沟转刷型一体化氧化沟的最佳运行状况确定。 1 4 3 技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 _ 4 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章氧化沟水力特性理论与模型试验 2 1 氧化沟模型水力特性理论 氧化沟一般呈环状沟渠形，平面上多为椭圆或圆形。氧化沟确具有特殊的 水流混合特征，它界于推流式和完全混合式之间，或者说基本上是完全混合式， 同时又具有推流式的某些特征。实际上，氧化沟即就是一个有弯道的特殊的矩 形明渠，由于沟中有曝气装置和推进器，通过氧化沟的流量一定，根据文献 3 0 ， 3 1 1 氧化沟的水流可以看成明渠恒定流，其理论基础为明渠恒定流理论。 2 1 1 垂向流速分布 根据祢滓和罗迪1 3 1 】的试验分析和文献 3 2 3 4 】明渠紊流速度分布如下： ( 1 ) 直线层。 真线层又称为粘性底层或边界层，属于层流，具有粘滞力，流速为直线分 布。 ( 2 ) 过渡层 过渡层内粘滞切力与紊动切力同时存在，这是层流与紊流的过渡区，该区 的范围随着不同的边壁粗糙情况而变化。 ( 3 ) 对数分布区 对数分布区主要受紊动切应力的影响，粘滞切力可以忽略。 以上三层统称为内区，在该区内受边壁情况的影响。在氧化沟整个断面流 速分布的宏观研究中，内区很薄，可以忽略不计，氧化沟紊流流速的主要研究 在于其外层区。 ( 4 ) 外层区 外层区在对数区到水面之间，有的文献又称为外区、尾流区或自出流动区。 外层区及自由流动区常用缺速公式代表流速分布，外层区的流速分布又受上部 边界的影响。对于外层区的流速分布，有很多科学家进行了研究，提出了不同 的经验公式。文献f 3 4 】中，根据明渠垂向流速分布理论，得出两种近似的氧化 沟的垂向流速表达式： 第一种近似表达式是把氧化沟垂直流速分布阻对数形式表示，即 “= “。+ 生l n 告 ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 式中 “。为水面最大流速； f “。摩阻流速，以= 、7 上： vp r 。壁面切应力； p 流体密度： 氧化沟有效水深； y 氧化沟水底到质点的高度： k 卡门常数。 第二种近似公式是把氧化沟内垂直流速以指数形式表示，即： = “。：矿 ( 2 2 ) 式中，”：三，玎：二生 8爿 日氧化沟有效水深； y 氧化沟水底到质点的高度； 在流态稳定的氧化沟断面上，流速分布呈一定的规律分布：上部流速u 大， 随着水深增加，流速”不断减小，当接近沟底时流速最小。因此只要沟中流体 平均流速矿达到一定值时，即可以保证流态稳定的断面底部流速能大于污泥沉 积所需的流速，从而保证氧化沟工艺的正常运行【”j 。但是在实际运行过程中， 由于沟内设有曝气设备和推流装置。另外，由于氧化沟弯道、壁面粗糙程度的 不同、断面的改变等因素的影响，氧化沟内的紊流的流态极其复杂，其流速的 分布只能通过试验测试的方法来进行。 2 1 2 紊流阻力 标准明渠流中，阻力主要来自断面的几何形状、纵向走向、明渠内其它构 筑物以及底部和边壁粗糙程度等因素的影响所产生的局部阻力及沿程阻力 1 6 , 3 5 - 3 7 1 。 沿程阻力表达式为： h ，：g v _ _ 2 ：f ，堡 ( 2 3 ) j 2 8 9 r2 磊 。： 式中h ，沿程水头损失； 明渠长度； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 白沿程阻力综合系数。 局部阻力主要为弯道的水力损失和导流板的水力损失。 对于弯道的水力损失( h 。) 可用局部阻力损失的表达式确定，即 h 6 = k b v 2 2 9 ( 2 4 ) 式中k 弯道曲线的阻力系数。 弯道曲线的阻力系数( k b ) 是雷诺数、弯道半径与沟宽的比值、沟深与沟 宽的比值以及弯道弧度的函数。在氧化沟中，弯道的水头损失占全部损失的9 0 以上，而影响的关键因素仍是沟内的平均水流速度。在弯道上设置导流墙，如 果每个导流墙的阻力系数相同就可以显著减少水头损失系数 1 ”。 对于氧化沟内设置导流板，存在着导流板的水头损失，葛德斯腾1 2 7 i 根据淹 没板的水力分析，提出计算导流板的阻力系数的方法，垂直导流板阻力系数k ， 和倾斜导流板的阻力系数可按下式计算： k 。= 5 4 f 1 1 5 式中卢= 粤名，日为导流板浸没深度，m ；w 为水深与b 之差。 氧化沟内导流板设置会增大水头损失，导流板浸没深度越深j 宽度越宽， 其阻力越大，导流板越多，局部7 k 头损失越大。 为保证混合液在氧化沟内的循环流动，氧化沟的曝气装置或其他水力推动 装置必须克服沿程的和局部的水头损失之和，即 ，2 = ( 白+ k 。+ z k 。+ 。) 笔 ( 2 5 ) 5 2 1 3 水工模型模拟 根据水工模型的相似性力学 3 8 1 和模型律，将原型水流边界条件按几何相似 制成模型后，还应尽量使模型与原型的流态保持相似( 运动相似) 。氧化沟原型 中水流以紊流为主时，则模型中必须也保持为以紊流为主，应根据实验对雷诺 数r 。进行检验估算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 设氧化沟宽1 - 3 ，5 c m ，有效深度h = 45 c m ，则雷诺数 r ，：堡：! ：i ! ! ：翌：3 8 。1 0 s y1 0 0 3 1 0 。 式中v 氧化沟平均流速，取理论最小值o 3 t r d s ； r 水力半径，r = 丽b h = 蒜= 1 2 6 c m ； p 水的运动粘度，在2 c 时为1 , 0 0 3 1 0 。2 s 。 从上式验算知道氧化沟模型的雷诺数r 。很大，远大于明渠临界霄诺数5 0 0 。 因此氧化沟内的水流处于紊流状态。根据尼古拉兹实验可知，当水流完垒处于 紊流状态时，水流阻力与速度平方成正比，即使胄，不同，只要几何相似、边界 条件相似，也能使模型与原型的水流得到较好的相似称为自动模型区。 2 2 氧化沟模型试验 2 2 1 试验模型参数 本氧化沟模型为单沟一体化氧化沟模型，模型参数是根据水工模型定律、 以l ：2 0 的比例确定为：有效容积为5 x1 0 5 c m 3 ，有效沟深为4 5 c m ，表面积为 l1 0 0 c r n 2 ；氧化沟过水断面宽度为3 5 c m ，单侧直段长7 0 c m ，弯道外侧半径为 4 5 c m ，内侧半径为l o c m 。导流墙长7 5 c m ，导流板长3 5 c m ，宽9 c m 。 氧化沟试验模型见图3 - 1 ： 图2 - 1 深池氧化淘试验模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 2 试验工艺流程与试验地点 试验主要流程如下： 图2 - 2 试验工艺流程图 本试验是在环境学院污染治理试验室进行的。 2 2 3 主要试验设备及装置 ( 1 ) 曝气转刷 试验模型中采用的水平卧式曝气转刷为改良型k e s s e n s e r 转刷，转劂直径 为1 5 5 e m ，长度为3 3 c m 转刷浸深为1 0 e r a 。转刷主要由9 扇塑料浆片固定在 加工的转轴上，每扇浆片沿转轴轴向1 0 e r a 的间距排列，塑料浆片宽2 0 c m ， 长5 0 e r a ，相邻浆片错位固定。 转刷动力由单相串激电机驱动，型号为u 1 8 0 4 0 - - - 2 2 0 ，功率1 8 0 w ，e 级 4 0 0 0 f r a i n 。通过接触调压器t d g c o 5 k v a 来控制电机转速，调压器型号为 0 5 k v a ，最大电力2 a ，频率为5 0 6 0 h z 。 ( 2 ) 水下推进器 由于模型试验空间对水下推进器的安装的限制和小功率的水下推进器难以 购置且不易加工，因此在试验中采用单向潜水泵代替模型中的水下推进器。水 泵的型号为q d x 一0 3 7 ，流量1 5m h ，最大扬程1 7 m ，功率o 3 7 k w 。为了增强 沟内水流的推动效果，在水泵的出口增加一个喇叭口形的出水装置。 ( 3 ) 流速仪 试验中流速的测量采用8 6 型直读式多功能测速仪，主要由传感器、探头和 直读仪表组成。它可以将率定关系式编程置入仪器中，自动将测得的转数计算 出流速。 2 2 4 试验方法 水力测定项目为流速，试验主要采用8 6 型直读式多功能测速仪对各个工况 下氧化沟内的水流速度进行测定。根据试验的需要，将整个试验分为九个工况 分别进行流速测试( 工况分布见表2 2 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 i m 墨姐 l 壮上j q l j l t d t t 盥 图2 - 3 氧化沟试验断弼分布与侧点布置示意图 各测点断面平面分布情况见图2 3 和表2 - 1 。 表2 - 1 测点断面分布表 氧化沟部位断面编号 第一直段l ，2 ，3 ，4 第一弯段5 ，6 ，7 ，8 ，9 第二直段1 0 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 第二弯段1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 l 流速的测试方式：在固定了曝气转刷和水下推进器后，将氧化沟总共划分 为2 1 个断面，每个断面9 个测点( 如图2 ，3 所示) ，按所划分的断面和布点方 式测定氧化沟的水流流速。 2 2 5 试验内容 ( 1 ) 氧化沟的流速分布试验 试验主要是在曝气转刷的推动下( 工况一) ，通过对氧化沟内的水流沿程 各断露流速进行测试，以了解氧化沟各断面的流速分布。沟内水质为清水，取 自生活用水，沟内没有活性污泥。 ( 2 ) 氧化沟内流速分布的改善试验 根据氧化沟的流速分稚情况，通过设置导流板、导流墙和增加水下推进器 ( 工况二、三、四、五) ，对各种工况下对氧化沟内流速进行测试，分析各种 工况下氧化沟内的流速分布情况，确定各种工况条件下的改善效果。氧化淘内 水质与工况一相同。 西南交通丈学硕士研究生学位论文第1 6 页 表2 - 2 工况运行划分表 水下推 工况导流墙导流板曝气转刷 沟内水质 进器 是清水 是清水 是是清水 四是是清水 五是是清水 ，、是是是清水 七是 是 是清水 八是 是 是是清水 九 是是 是是污水 图2 4 导流墙设置示意图 导流墙的设置见图2 4 ，导流板的设置见图2 - 5 ，水下推进器的设置见图2 - 6 。 i j 口q i 2 q 】5 q _ i i i 7 、 j 7 = = 啦诫疗向 h 2卜，水下推进”i 1济11 图2 - 5 导流板设置示意图圈2 - 6 水下推进器设置示意图 ( 3 ) 最佳运行工况试验 试验主要是首先在清水条件下，根据氧化沟的流速分布的改善试验结果， 通过组合各种改善措施( 工况六、七、八) ，确定最佳的运行工况，从而找出 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 深池氧化沟的最佳运行方式。然后将沟内清水换成污水和活性污泥混合液( 工 况九) ，测试最佳工况下的水流流速，以了解污水状态下氧化沟内的流速分布。 污水水质为稀释后的生活废水，活性污泥为好氧污泥，浓度约 m l s s = 3 0 0 0 m g l ，取自成都市肉联厂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 第三章深池转刷型一体化氧化沟流态分析 3 1 第一直段内流态及其分析 根据工况一，氧化沟第一直段所测流速数据见表3 一l ，各断面垂向流速分布 见图3 - 1 ，各断面横向流速分布见图3 2 。 表3 1 工况一氧化沟第一直段水流流速数值( 单位：e m s ) 断面编号测点内侧中间外侧平均总断面平均值 上部4 75 05 35 0 中部2 93 4 3 8 3 4 13 2 下部9 1 41 l1 1 平均值 2 8 t 3 23 4 上部4 04 6 4 74 4 中部 3 23 84 03 6 2 3 l 下部1 01 3 1 51 5 平均值 2 82 93 3 上部3 83 54 33 9 中部3 1 3 74 03 6 33 0 下部 1 31 61 61 4 平均值2 82 9 3 3 上部 3 73 84 23 9 中部 3 73 9 3 73 7 43 l “卜部 1 51 61 91 7 平均值 3 03 l3 3 从表3 - 1 和图3 1 可以看出，氧化沟模型第一赢段内垂向流速梯度非常明 显，流态分布为上部流速大，断面之间流速由大变小，从l 断面的5 0 c m s 逐步 减小到4 断面的3 9 c m s ；中部流速次之，流速基本保持稳定，变化幅度很小； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 图3 - 1 第一直段各断面垂向流速分布图3 - 2 第一直段各断面横向流速分布 下部流速最小，明星低于上部和中部流速，但呈上舞趋势，从1 断面平均9 c m s 发展到4 断面的1 5 c m s 。 根据图3 - 2 ，断面横向流速梯度不明显，外侧流速略大于中间流速和内侧 流速，整个横向流速变化幅度均比较小。最大流速出现在l 断面夕卜侧上部，最 小流速出现i 断面内侧下部。 整个直段断面平均流速三维分布示意如图3 3 所示，垂向流速差比较明显， 图3 - 3 第一直段平均流速三维分布示意图 差值大，最大流速与最小流速相差3 9 c m s ：横向流速梯度相对较小，最大差值 为6 c m s 。所测数据和流速分布图显示，在氧化沟的第一直段上，下部流速偏 低，运行时易形成污泥的沉积，对氧化沟的运行极为不利。 由于横向流速分布比较均匀，按照沿横向流速平均进一步对第直段垂向 流速分布值进行曲线拟合，其分布曲线如图3 - 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 律： 051 01 52 02 5 3 03 54 04 55 0 流速( c a s ) 图3 4 第一直段断面垂向流速分布曲线 除了1 断面外，其它三个断面垂向分布曲线基本趋于致，呈如下分布规 “= 口i n z b( 3 - 1 ) 式中“流速值，c m s ； z 二+ 1 ，无量纲； a h y 氧化沟底到侧点的垂直高度，c r f l ； 等分侧点间距， = ，锄； 圩氧化沟深，c m ； d 、b 待定系数和校正值，c m s ，见表3 - 2 。 对式( 3 1 ) 整理得： 削n ( 等“) _ 6 ( 3 - l a ) 表3 - 2 口、b 确定表 取值范围 d ( c m s ) 3 5 7 9 9 2 99 8 2 b ( c m s ) - 4 7 一o 6 从表3 2 可以看出，系数a 变化范围在3 6 3 0 之间，沿程呈递减变化趋势 系数b 变化在4 7 0 6 之间，沿程呈递增变化。它们主要与水流宽深比b h 、 4 3 2 l 0 嚣苣皑 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 糙率n 、水力半径r 、水力坡度j 、横向位置z b ( b 为矩形渠宽，z 为测线 至中垂线的距离) 、相对水深y h 等因素有关4 0 1 。 根据明渠流垂向流速分布理论和流速特征，垂向流速以对数或指数的形式 分布【4 1 , 4 2 1 ，以本试验3 断面为例，比较本试验所得断面垂向分布规律公式( 3 1 a ) 、公式( 2 - 1 ) 和公式( 2 - 2 ) ( 见表3 3 ) ，可以发现，本试验氧化沟垂向 流速分布规律与明渠流垂向流速非常相似，但氧化沟试验垂向流速梯度比一般 明渠流速分布规律流速梯度大。其中可能的原因为：( 1 ) 沟深增大的影响。氧 表3 3 垂向流速分布规律比较 侧点部位 下部中部上部 试验数据 1 4 c m s3 6 c m s 3 9 c m s 本试验规律 1 9 c m s3 l c m s4 0 c m s