（环境工程专业论文）周进周出辐流式沉淀池配水系统水力计算.pdf

摘要 水是人类赖以生存和发展的最重要的物质资源之一，是人类生存的基本条 件，也是国民经济的生命线。中国是一个干旱缺水严重的国家，因此建设使用能 耗低、效率高、效果好的水处理工艺和构筑物已成为当务之急。 沉淀池是用于去除水中悬浮物的一种构筑物。为了应对近年来水资源短缺愈 加严重的现象，作为给水排水科学研究设计的重大成果，周进周出沉淀池受到了 越来越多的人们的关注，同时这种池型的优越性也逐渐体现出来。经过研究分析， 周进周出辐流式沉淀池处理效果的好坏取决于该池配水系统配水效果的好坏。因 此，配水系统配水均匀性成为研究重点。本文将针对周进周出辐流式沉淀池配水 系统作进一步探讨。 本文首先论述了周进周出辐流式沉淀池的原理、应用现状、结构特点、优势 等相关问题。同时，根据周进周出辐流式沉淀池配水系统的几种设计方法，对其 进行模拟。采用工程计算方法，通过比较，选择四阶r u n g e k u t t a 方法进行数值 求解。 本文中应用了m a t l a b 软件对运算过程进行编程，并得到了理想中的曲线以及 详细解算结果，为了使程序更加方便于应用，运用g u i 将程序进行了可视化设 计，使所得结果直观展现。 本文还同时应用抚顺石油二厂污水处理站的工程实例针对上述软件进行模 拟验证，结果虽然存在一些差异，但是本文设计的程序仍可以为今后的设计工作 提供一种简便易行的方法，可以供设计人员参考使用。 关键词：周进周出沉淀池；配水系统；工程计算；可视化 a b s t r a c t w a t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s o u r c e sf o rs u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to f h u m 锄i ti st h eb a s i cc o n d i t i o n sf o rh u m a n s u r v i v a l i ti sa l s ot h el i f e l i n eo fn a t i o n a l e c o n o m y c h i n ai ss e r i o u sd r o u g h ta n dw a t e rs h o r t a g e ，s ot h eu s i n go f l o we n e r g y c o n s u m p t i o n ，e f f i c i e n ta n de f f e c t i v ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s a n ds t r u c t u r e sh a s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s e t t l i n gt a n ki st h es t r u c t u r et h a ti su s e dt or e m o v es u s p e n d e d s o l i d si nt h ew a t e r i nr e s p o n s et ot h ep h e n o m e n o no fw a t e rs h o r t a g e si nr e c e n ty e a r s ，a st h em a j o r a c h i e v 锄e n to fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd e s i g n ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h e p e n p h e r a l - f e e dp e r i p h e r a l o v e r f l o ws e t t l i n gt a n k a tt h es a m et i m e ，t h es u p e r i o r i t yo f t h i st y p eo ft a n kh a sr e f l e c t e dg r a d u a l l y p e o p l ef i n dt h a tt h ee f f e c to f t h es e t t l i n gt a n k d e p e n d so nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h ew a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mh a s b e e nf o c u s e do n w ew i l lh a v ef u r t h e re x p l o r a t i o nt ot h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo f t h ep e r i p h e r a l f e e dp e r i p h e r a l o v e r f l o ws e t t l i n gt a n k t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ep r i n c i p l e s ，a p p l i c a t i o ns t a t u s ，s t r u c t u r a lf e a t u r e s ， a d v a n t a g e sa n do t h e r i s s u e so ft h ep e r i p h e r a l - f e e dp e r i p h e r a l o v e r f l o ws e t t l i n gt a n k ，a t t h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o d so fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m , u s e s f o 加u l at od e a lw i t hi t w ew i l lu s et h em e t h o do fe n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n ，s e l e c tt h e m e t h o do fr u n g e k u t t at od e r i v et h en u m e r i c a ls o l u t i o no ft h ef o r m u l a w ew i l lp r o g r a mo nt h ec o m p u t i n gp r o c e s sw i t ht h es o f t w a r ec a l l e dm a t l a bt og e t t h ec u ea sw e l la st h ed e t a i l e dc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a n du s e t h ev i s u a lp r o g r a m m i n gt o m a k et h er e s u l t sv i s u a l a b l e t h i sa r t i c l ea l s ou s e se n g i n e e r i n ge x a m p l e st ov e r i f yt h es o f t w a r ea b o v e a l t h o u g ht h e r ea r es o m ed i s c r e p a n c i e s ，w ec a n s e et h a tt h ep r o c e s sw i l lp r o v i d e d e s i g n e r sas i m p l ew a y t ot h ed e s i g ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：p e r i p h e r a l - f e e dp e r i p h e r a l o v e r f l o ws e t t l i n g t a n k ；w a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；e n g i n e e r i n gc a l c u l a t e ；v i s u a l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：寥p 金颢 签字日期：a 幻7 年月友日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：砰硷撒 导师签名： 签字日期：加7 年月a 之日 却虱今 签字日期：p 7 年多月z 日 第一章概述 1 1 我国水资源现状 第一章概述 水是人类赖以生存和发展的最重要的物质资源之一，是人类生存的基本条 件，也是国民经济的生命线。中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为 2 8 0 0 0 亿立方米，占全球水资源的6 ，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界 第四位，但人均只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 、美国的1 5 ，在世 界上名列1 2 1 位，是全球1 3 个人均水资源最贫乏的国家之一。 扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利 用的淡水资源量则更少，仅为1 1 0 0 0 亿立方米左右，人均可利用水资源量约为 9 0 0 立方米，并且其分布极不均衡。到2 0 世纪末，全国6 0 0 多座城市中，已有 4 0 0 多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达1 1 0 个，全国城市 缺水总量为6 0 亿立方米。 据监测，目前全国多数城市地下水受到一定程度的点状和面状污染，且有逐 年加重的趋势。日趋严重的水污染不仅降低了水体的使用功能，进一步加剧了水 资源短缺的矛盾，对中国正在实施的可持续发展战略带来了严重影响，而且还严 重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的健康。 中国的水贫穷到什么地步呢? 联合国一项研究报告指出：全球现有1 2 亿人 面临中度到高度缺水的压力，8 0 个国家水源不足，2 0 亿人的饮水得不到保证。 预计到2 0 2 5 年，形势将会进一步恶化，缺水人口将达到2 8 亿 - 3 3 亿。世界银 行的官员预测，在未来的5 年内“水将像石油一样在全世界运转”心3 。 我国属于缺水国之列，而且分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水 资源只有南方水资源的1 4 。据统计，全国6 0 0 多个城市中有一半以上城市不同 程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水或地 下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位 下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。由于工业 废水的肆意排放，导致8 0 以上的地表水、地下水被污染。 专家们警告：“2 0 年后中国将找不到可饮用的水资源”。美国民间有影响 的智囊机构一一世界观察研究所发表的一份报告中称：“由于中国城市地区和工 业地区对水需求量迅速增大，中国将长期陷入缺水状况。”中国的黄河在过去的 1 0 多年年年断流，其中1 9 9 7 年断流2 2 6 天。流经中国一些人口稠密集地区的淮 第一章概述 河去年也断流了9 0 天。根据卫星拍摄的照片，数百个湖泊正在干涸，一些地方 性的河流也在消失。目前全国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座城市缺水，其中严重 缺水的有1 0 8 个。其中北京市的人均占有水量为全世界人均占有水量的1 1 3 ， 连一些干旱的阿拉伯国家都不如。 以上的数据使人触目惊心，大量生活污水和各种工业废水肆意排放带来了严 重的水环境恶化，导致全球范围内的水资源短缺。我国淡水匮乏、以及时间和空 间上的分布及不均匀的特点导致开发难度大，致使很多地区和城市严重缺水。严 重缺水和水环境恶化已成为制约我国经济和社会发展的瓶颈。水源从那里来? 污水到何处去? 是解决我国的水资源问题的关键所在，已经引起了社会各界的高 度重视1 。 鉴于严峻的水环境形势，普遍认为建造污水处理厂是解决城市水污染问题最 重要和最有效的技术措施之一阳1 。因此，研究开发新工艺来改造和替代传统工艺， 发展具有独立自主知识产权的、处理效果好且高效率低能耗的污水处理技术的同 时，通过合理的设计来降低能耗和建设费用，走简易、高效率、低能耗的技术路 线目益受到给排水研究工作者的重视盯1 。目前，能耗低、效率高、效果好的水处 理工艺和构筑物的设计及建设使用已成为当务之急。 1 2 周进周出辐流沉淀池简介 1 2 1 周进周出辐流沉淀池的产生和发展 沉淀池是水处理工程中常用的去除水中悬浮物的构筑物，它在废水处理中广 为使用。其型式很多，按池内水流方向可分为平流式、竖流式和辐流式三种。为 提高水处理能力、稳定出水水质、降低运行成本和控制基建投资，各种类型的沉 淀池都有了较大的改进和革新哺，。 辐流式沉淀池的进水方式有中心进水和周边进水两种，其中周边进水具有耐 冲击能力强、水力负荷高、沉淀区容积利用率高等优点，成为较为常见的进水形 式。但在实际工程设计中发现周边进水沉淀池沉淀效果与其配水槽配水均匀性关 系较大，若配水槽配水不均匀，则可能出现断面壅水0 槽内沉泥等现象，削弱了 沉淀池沉淀效果，制约了其优点的体现。但我国现今的设计规范和设计手册中， 尚未对周边进水辐流式沉淀池进水布置提出明确的指导性措施，致使实际工程中 配水槽布水不均的现象较为常见。 污水的进出沉淀池的方法，传统上以中心进水周边出水设计为主。7 0 和8 0 年代的许多研究工作证明，如将中心进水方式改为周边进水，沉淀的效率可提高 1 3 倍。因此，周边进水沉淀池作为新一代的设计，在实践中得到越来越广泛的 2 第一章概述 应用陋1 0 1 。 目前，各大污水处理厂的沉淀池多采用辐流式。辐流式二沉池中又根据进出 水方式不同分为中心进水周边出水，周边进水中心出水，周边进水周边出水。采 用不同的池型，其水力效率、有效容积将有很大不同。其中，周边进水周边出水 池型从理论上分析，水力效果与容积率具佳。在同等建筑规模的情况下，该池型 表面负荷高。但是，周边进水周边出水沉淀池在设计上存在一定难度，如：配水 不易均匀。 我国2 0 世纪8 0 年代初就有人提出这种池型。但在1 9 8 6 年至1 9 9 6 年的十年 间，我国仅有几套国外提供的设计及配套设备在应用，这主要是因为当时国内尚 未掌握周进周出二沉池工艺设计及其相配套的吸泥机等设备的核心技术。1 9 9 6 年后，一些高等院校、研究院、设计院及设备制造商相继成功开发了4 0 m 以上周 进周出二沉池及其配套设备中心传动单管吸泥机，国内各大市政设计院并将这种 技术推广应用到工程项目中n 。 现在，兰州化工厂、抚顺第二石油化工厂等单位虽然采用周边进水周边出水 沉淀池作为水处理构筑物，但均不是自行设计的，而是采用国外设计、国内施工， 并且设计参数为国外公司保密n 刭。 r i m - f l o 周进周出二沉池是一种高效的沉淀池，该工艺引自西门子美国 e n v i r e x 公司，在上世纪8 0 年代引入中国，随后在国内得以推广应用。周进周 出二沉池具有最大限度的利用池容、消除水流短路、具有较高的溢流率、最佳水 力稳定性、最大的设计通用性及大大降低占地和土建费用等优点n 引。 1 2 2 周进周出辐流沉淀池的原理及构造特点 1 2 2 1 周进周出沉淀池的工作原理 ( 1 ) 异重流的运动规律 周进周出沉淀池提高沉淀效果，主要依据池中的异重流作用。这种流态不仅 不会使从周边进入池内的水流产生短流，而且还可以大幅度提高它的沉淀效率。 因为这种流态完全符合二次沉淀池中异重流运动规律。 在传统沉淀池中，由于进水悬浮物浓度远高于沉淀池中的澄清水，两个产生 了密度差，因而必然形成异重流。辐流式沉淀池的混合液是从池中心进水管流入 池内，经布水后，即下落至污泥层面上，再沿泥面向池壁方向流动并壅起，分离 出来的澄清水，部分溢流入出水槽；另一部分则向池中心回流，形成了密度大的 混合液，在下面从池中流向池边，而密度小的澄清水，在上面从池中心流动，而 形成反向流动的异重流环流。显然，这种环流不利于沉淀，限制了它的负荷能力。 在周进周出沉淀池中，由于有密度差，也存在着异重流，但水流方向相反， 第一章概述 混合液经进水槽的配水孔进入导流区后，即落至池底污泥面上，并沿泥面向池中 心流动，汇集后呈一个平面上升。在池中心汇流和上升过程中，分离出澄清水， 反向流到池边的出水槽，形成了异重流n 引。 ( 2 ) 周进周出沉淀池沉淀效率高的主要因素 周进周出沉淀池内的异重流流态，使该类型沉淀池效率高的主要因素，体现 在以下三方面n 引： a 容积利用率高： b 出水槽在澄清水流的末端，基本上消除了传统沉淀池中异重流环流的有 害影响： c 根据现场观察，在池中存在着清水层、悬浮层和污泥层等三个层次，有 两个清楚的界面，这是由于呈一个平面上升的流态，会在悬浮层中出现良好的悬 浮澄清作用。 1 2 2 2 周进周出沉淀池的构造特点 周进周出沉淀池由以下各个部分组成n 6 1 ： ( 1 ) 单向环流配水 理论上采用双向环槽配水可减少渠道断面，但工程中很难保证双向对称分 流，一旦发生偏流，误差会更大，采用单向环流配水更可靠。另外，配水槽内的 刮渣板随吸泥机单向旋转，双向配水不利于配水槽内撇渣。 ( 2 ) 配水槽与集水槽 配水槽和集水槽沿池周布置，配水孔管中心，进水挡水裙板、浮渣挡板及出 水堰与池周同心，保证进水均匀。 ( 3 ) 进水区挡水裙板 挡水裙板延伸至水面下1 5 m 处，以保证良好的澄清絮凝效果。 ( 4 ) 除渣 配水槽内浮渣通过安装在撇渣设备竖臂上的叶片刮集，驱动配水槽末端的浮 渣堰门排除；池内浮渣通过浮渣挡板拦截，由刮渣板收至排渣料斗。 在周进周出沉淀池中，生化池混合液是通过环绕整个池子周边的进水渠来导 入水流的，根据进水水量，将进水渠设计为单向进水或双向进水，进水渠底部没 有大小和间距被规范设定的布水孔，来协调水渠的摩擦力损失，以提高均匀的进 水流量。水渠界面根据水流比例逐渐变窄，以维持一个近似恒定的流速，防止固 体发生沉淀，进水环绕周边均匀的布水，穿过布水孔的水流被反射挡板分散开， 消除了水流的“喷射”现象，避免固体沉降。水流到达进水渠下面，通过进水挡 板形成一个均匀的导流渠毓。水流在池子的中下部位置进入净化区域且在此位置 向上和向下散播开，以充分利用沉淀池的有效容积，消除了可以形成短流的涡动， 4 第一章概述 使固体在悬浮状态下均匀降落，为了保证进水池内的m l s s 均匀的导入，必须保 持进水布水孔的水头损失足够太于水池摩擦损失，控制水头损失以保证水流沿整 个池周均衡配水。 在周进周出沉淀池中，沉淀池是通过t o r b r o 单管吸泥机的吸泥管排出。吸 泥管与池底平行。根据沉淀污泥的分布比倒采用变截面吸泥管，吸泥管上有一系 列不同直径的吸泥孔，吸泥孔尺寸是根据要吸取的污泥量与整个池底的污泥量的 比例关系来决定的。从水利平衡的角度讲，每个孔口的尺寸与要吸取的污泥量成 比例，几何的比例关系要求池子的周边的孔口一定要吸取比池中心的孔口更多的 污泥量。以保证其沿池底转一周，即可将池底污泥吸除，吸泥管能连续将污泥排 除以实现沉淀池池底均匀排泥效果吸泥管根据排泥量可设计为分单根管和双 根管，且采用合理的水力设计，以保证二沉池中心最远点的吸泥率最大和最佳排 泥效果。 瘴 田卜1周进周出辐流式沉淀池流志分布田 通过工程实例运行及现场测试证明：周进周出沉淀池布水均匀水流流态稳 定与设计水流流态基本吻合该沉淀池池内未出现短流沉淀池全部有效容积 被充分利用可承受更高的水力负荷，出水保证率更高，如果配上专门设计的变 截面结构的单管吸泥机设备能确保准确、迅速地将整个池底沉淀手机从而提 高生物反应池的污泥浓度及活性降低生物池供氧量并能舫止磷酸盐的释放和污 泥反硝化膨胀上浮。大幅度提高生化反应效率和污泥脱水效率，曝气池和污泥处 理系统的设计和运行，都可减至最少降低工程造价，同时也减少了日常的运行 耗电费用1 。 周进周出沉淀池池底平坦旌工容易。通常中心进水沉淀池的池底坡度不得 小于4 5 而周进周出池底坡度不大于j 。仅为前者的十分之一左右所以 周进周出沉淀池池底平坦，大大降低了施工难度。 周进周出沉淀池出水术质更有保证。理论上周边进水沉淀池的表面水力负荷 可选到中心进水沉淀池的2 倍，我们通常建议取15 18 倍具有非常明显的 第一章概述 优势，富余部分可更有效地保证出水水质要求n 9 。 在配套设备方面，周进周出沉淀池节省污泥回流动力，回流污泥新鲜无腐化 现象，出水水质好。中心传动单管吸泥机吸泥管是根据水力学原理进行设计的， 在设计过程中综合考虑了吸泥管均衡吸取池底污泥、确保吸泥浓度高及节省污泥 回流动力的功效，另外由于污泥被均衡的吸取，同时不留死泥，回流污泥新鲜、 无腐化现象，确保了沉淀池出水水质。 周进周出沉淀池节省运行动力，故障率低。中心传动单管吸泥机吸泥管运行 灵巧，节省动力，节能5 0 以上，故障率低。而周边传动式的设备故障率较高。 周进周出沉淀池操作简单、管理方便。中心传动单管吸泥机与多管吸泥机相 比，中心传动单管吸泥机排泥由单阀控制( 套筒阀) 或回流泵调节，操作简单。 而多管吸泥迹，是由人工凭感觉调节每一个吸泥头的调节阀，操作复杂，而且吸 泥的均衡性难以保证心0 l 。 1 2 3 周进周出辐流沉淀池的特点及优势 周进周出沉淀池沉淀区的流态：二次沉淀池进水为活性污泥混合液，悬浮物 固体m l s s 的质量浓度在3 0 0 0 - - 4 0 0 0 m g l 之间，远高于池内的澄清水。由于二 者间的密度差、温度差而存在二次流和异重流现象。中进周出和周进周出两种不 同池型内的混合液流态各不相同，详见图1 - 2 和l 一3 。 l 配术巩l 憾术乳错， ：世水袱撬； 3 弹渍销撬： 出承域板： s 鬟球靖 图1 - 2中进周出沉淀池流态图 - 瞪永孔髭求孔蕾： 2 挡乐崭板： 了撂褴捧扳： 4 出水鼍援； 5 健表格 图l _ 3周进周出沉淀池流态图 在中进式沉淀池中，活性污泥混合液从池中心进水管以相对较高的流速进入 池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层上，再沿沉淀区中部向池壁方向流 6 第一章概述 动并壅起环流。分离出的澄清水部分溢流入出水槽，部分在上面从池边向池中心 回流；密度大的混合液则在下面从池边向池中心流动，形成了反向流动的环流。 这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷。 而在周边进水周边出水的沉淀池中，密度流的方向与中心进水式相反。混合 液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污泥面上并沿泥 面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升过程中分离出澄 清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流，污泥则沉降到池底部。因 此，周进周出沉淀池的异重流流态改变了沉淀区的流态，有利于同液分离。 中进式中心导流商内的流速相对较高，常在0 1 m s 以上，水流向下流动的 动能大，易冲击底部污泥，活性污泥在其间难以形成絮凝、澄清作用。而周进式 由于池周长，过水断面大，进水流速小得多。流速小，雷诺数和弗劳德数都比中 进式小，雷诺数小，惯性作用小；弗劳德数小，粘滞力作用大，这些都有效地促 进了简内流态向层流发展，产生同向流，促使活性污泥下沉。同时，由于活性污 泥层的吸附澄清作用，混合液中的污泥颗粒不断与悬浮层中的活性污泥碰撞、吸 附、结合、絮凝，产生良好的澄清作用，提高了沉淀效果。 在传统辐流式二沉池( 周进中出) 活性污泥混合液从池中心进水管以相对较 高的流速进入池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层面上，在沿沉淀区中 部向池壁方向流动并壅其环流。分离出的澄清水一部分溢流入出水槽，另一部分 则在上面从池边向池中心回流；而密度大的混合液则在下面从池中流向池边，形 成了反向流动的环流。显然，这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷。 在周进周出沉淀池中，由于有密度差，也存在着异重流，但水流方向相反。 活性污泥混合液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污 泥面上，并沿泥面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升 过程中分离出澄清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流。这种异重 流流态，是周进周出沉淀池效率高的主要因素。主要体现在三个方面：容积 利用高；( d 出水槽在澄清水流的末端，基本上消除了传统沉淀池中异重流环流 的有害影响；( d 根据现场观察，在池中存在着清水层、悬浮层和污泥层等三个 层次，有两个清楚的界面。由于池内呈一个平面上升的流态，活性污泥混合液会 在悬浮层中出现良好的絮凝、澄清作用。 因此，周进周出沉淀池改变了传统沉淀池的流态，符合异重流运动规律，其 表而负荷高、水力停留时间长，有利于固液分离，可大幅度提高沉淀效率心。 通过对周进周出沉淀池的流态特征的分析可以看出，同常规的辐流式沉淀池 相比，周进周出沉淀池具有自身的优势晗m 引。 ( 1 ) 容积利用率高 7 第一章概述 异重流现象在中进式沉淀池中会形成短流，部分容积没有得到有效利用，池 子的实际负荷比设计负荷大得多。而周进式由于大环形密度流的形成，容积利用 率要高得多。 对应进、出水槽位置的不同，中心进水与周边进水沉淀池的容积利用率各不 相同，详见表1 1 。 。 表1 - 1 辐流式沉淀池容积利用率 ( 2 ) 由于周进周出沉淀池进水流速比辐流式沉淀池要小得多，其水流动能 也小得多，水流路径为辐流式沉淀池的两倍，所以出水流速也较小，提高了沉淀 池的去除效率。 ( 3 ) 水流方向与污泥流动方向大体相同，即使增大负荷，也不易搅起污泥， 过滤效果比较显著。同时，由于在池边出口处没有上升环流，因此，没有因上升 流速过大，而带出较轻的活性污泥，从而降低表面负荷。 ( 4 ) 由于进水口在池边，而污泥斗在池中心，混合液直接从污泥斗短路派 出的机会很小，有利于提高排泥浓度。 ( 5 ) 中进式中心导流商内的流速相对较高，常在0 1 m s 以上，水流向下流 动的动能大，易冲击底部污泥，活性污泥在其间难以形成絮凝、澄清作用。而周 进式由于池周长，过水断面大，进水流速小得多。流速小，雷诺数和弗劳德数都 比中进式小，雷诺数小，惯性作用小；弗劳德数小，粘滞力作用大j 这些都有效 地促进了简内流态向层流发展，产生同向流，促使活性污泥下沉。同时，由于活 性污泥层的吸附澄清作用，混合液中的污泥颗粒不断与悬浮层中的活性污泥碰 撞、吸附、结合、絮凝，产生良好的澄清作用，提高了沉淀效果，这就是导流筒 的作用。 ( 6 ) 周进周出沉淀池可大大节省土建投资。如果设计规模为l o 万吨天，总 变化系数取1 3 ，按照沉淀池设计表面负荷宜采用0 5 - - - 0 7 5 m 3 m 2 h ，即便采用 最大0 7 5 m 3 m z h ，需要设直径4 8 m 的普通的中进周出式沉淀池4 座。若采用 周进周出沉淀池，表面负荷比规范最高值再提高5 0 达1 1 2 5 m 3 m 2 。h ，设直径 4 0 m 周进周出式沉淀池4 座。据此分析，可节省沉淀池土建费用约3 0 以上。 第一章概述 周进周出沉淀池比通常中进周出沉淀池具有显著的优点心4 。2 5 1 。 ( 1 ) 水流进入沉淀池主体前迅速扩散，以很低的速度，从靠近池底部进入 澄清区，由于流向与污泥流方向相同，能避免通常进水时伴有的短流现象，从而 提高了池容积的有效利用系数。 ( 2 ) 固体负荷( k g m 2 h ) 可高出近四倍，排出的污泥浓度高出近1 0 ， 提高了沉淀池的效率。 ( 3 ) 再处理出水水质s s 相同的条件下，周进周出沉淀池比中进周出沉淀池 的水力负荷高出一倍，从而池容积可节省一半，工程造价也随之大大降低。 所以，无论是从新建的角度还是从改造的角度来看，周进周出沉淀池的研究 都是有重要意义的。国内大部分水厂之所以很少采用周进周出沉淀池，究其原因 是，设计上存在难度，工艺上尚不能完全满足要求。如能解决上述问题，周进周 出沉淀池的应用前景是广阔的。 由于周进周出沉淀池比传统中进周出沉淀池高出一倍的效率，再加上中心传 动单管吸泥机具有耗能小、不易发牛故障、管理方便等优点，该类型的沉淀池在 国内外的运用越来越广泛。并且经四十多个大、中、小型污水处理工程的实践证 明，周进周出沉淀池的配水槽配水均匀，吸泥机排泥迅速、。浓度高，完全满足工 程需要啪1 。 通过对周进周出沉淀池的了解，我们可知，合理的设计师在现有沉淀池基础 上，进一步对池型进行改造，从而较大幅度提高池子的负荷。 1 2 4 周进周出辐流沉淀池的设计及应用 周进周出沉淀池设计技术关键是进水槽的设计，它是沉淀池布水均匀及沉淀 效果好坏的保证，进水槽设计的方法是，根据其进水槽变断面、变流量、变水头 的特点，建立相应的水力模型，借助计算机精确求解，确定进水槽布水孔及孔距。 周迸周出沉淀池进水槽的设计于1 9 9 7 年在湖南长岭炼油化工总厂第二污水 处理厂直径4 0 m 沉淀池首次得到应用，实践证明进水槽布水均匀，出水效果好， 随后在南京江宁开发区污水水处理厂、南昌朝阳州污水处理厂、石家庄炼油厂污 水处理厂、荆门炼油厂污水处理厂及岳阳南津港污水处理厂等数十项工程中，周 进周出沉淀池工艺概念设计及配套吸泥机设备得到了较好的应用雎7 。 1 2 5 周进周出辐流沉淀池存在的问题 对周进周出二沉池研究发展到今天，其理论支持和工程应用方法仍然不够完 善，这从现今大多数设计院仍旧以中进周出二沉池为首选就可以看出瞳引。 周边进水沉淀池沉淀效果与其配水槽配水均匀性关系较大，若配水槽配水不 9 第一章概述 均匀，则可能出现断面壅水、槽内沉泥等现象，削弱了沉淀池沉淀效果，制约了 其优点的体现。因此，配水槽是周边进水沉淀池的关键部位。影响配水槽配水均 匀乡的因素较多，有配水槽宽度、槽内水深、配水孔距、配水孔径、槽内流速、 底坡、壁面材料等因素心引。 目前在周边进水沉淀池等设计中，都采用比较粗略的近似计算方法。即根据 总泄流量和明槽长度选定适当的泄流孔数，确定槽宽，再根据平均的每孔泄流量 选定平均的孔径和用水头；然后根据槽底坡度、槽宽及水面曲线适当调整孔口位 置及孔距，以期达到配水均匀性。 采用这种简便粗略的设计计算方法存在一定的问题。由于槽中水面曲线受多 种因素影响，事先无法测定，只能计算得出，如果按此计算结果调整孔口位置及 问距，反过来又会影响水面曲线形状，很难达到配水均匀性，必然影响沉淀池预 期在均匀布水下的絮凝反应效果，从而影响整个沉淀池的出水水质，使其实际经 济效益下降瑚1 。 1 3 课题提出的背景和研究内容 1 3 1 课题提出的背景 周进周出沉淀池改变了传统沉淀池的流态，符合异重流运动规律，具有表面 负荷高、水力停留时间长、容积利用率高、利于同液分离、大幅度提高沉淀效率、 土建投资大大节省等优势。鉴于目前我国水资源的现状，对于该池型的研究及建 设是必需的。 目前在周边进水沉淀池的设计中，都采用比较粗略的近似计算方法。即根据 总泄流量和明槽长度选定适当的泄流孔数，确定槽宽，再根据平均的每孔泄流量 选定平均的孔径和用水头；然后根据槽底坡度、槽宽及水面曲线适当调整孔口位 置及孔距，以期达到配水均匀性口。 当前并没有方便实用的设计周进周出沉淀池配水系统的算法和软件。 1 3 2 课题研究内容 鉴于周进周出沉淀池设计中存在的难点较多，本文仅对以下几方面做一下探 讨，希望可以为以后研究工作中实际工程提供参考。 ( 1 ) 推导牛角型配水槽槽宽公式； ( 2 ) 选择正确有效的工程计算方法解算该公式； ( 3 ) 应用m a t l a b 软件绘制槽宽公式的曲线，并求出数值解； ( 4 ) 应用m a t l a b 软件中的g u i 程序设计程序界面，使其直观、方便应用： 1 0 第一章概述 ( 5 ) 将求解出来的数值解与工程应用实际相校核。 1 4 课题研究的意义及创新点 由于当前并没有方便实用的设计周进周出沉淀池配水系统的算法和软件。所 以本文可以提供一个较为有效的计算方法和软件，希望可以为以后研究工作中实 际工程提供参考。 根据正确的算法、应用有效的软件、设计出一个简单易懂并且方便操作的可 视程序界面，将之与实际工程相比较，这就是本文的创新点。 第二章周进周出辐流式沉淀池程序设计 第二章周进周出辐流式沉淀池程序设计 2 1 设计计算的要点 2 1 1 设计参数的确定 岗进周出沉淀池处理效率的好差、容积利用率的高低，是一个重要因素或者 说关键性的问题就是周边进水配水系统的均匀性，配水系统设计的好差将直接影 响周边沉淀池的沉淀效果，而配水系统设计与计算的关键是要达到配水均匀性的 目的。鉴于这列沉淀池常用的配水系统为配水槽和布水孔，配水的均匀性与配水 槽的断面形状、槽中的水流水深、槽中水位与池内水位的关系、泄水孔孔径、单 位槽长或相同段上的布孔数及配水槽底坡等有关，这些因素是互相制约，综合影 响配水的均匀性引。 关于解决此类池型周边进水配水系统的均匀性问题，不少从事给排水专业的 工作者都在致力于从各种途径寻求计算方法来解决，并有几位学者提出了有关论 文，本人学习参考了有关著作和资料，结合一些工程实例，提出自己的计算方法。 首先依据有关文献和运行实际，分析诸多参数之间的相互制约关系，参考和遵循 水力学中有关经典公式和物理学中的能量原理得出有关计算式，提出有关配水设 计计算的一些原则和计算方法，并应用计算机软件m a t l a b 对这些公式进行求解， 设计出一个便于操作的可视的运算界面。 ( 1 ) 配水槽的形式及槽断面形状的选择 当今，周进周出沉淀池常用的配水系统为配水槽和布水孔，配水的均匀性与 配水槽的断面形状、槽中的水流水深、槽中的水位与池内的水位的关系、泄水孑l 的孔径、单位槽长或相同段上的泄水孔的布孔数以及配水槽底的坡度等有关。这 些因素是相互制约、综合影响配水的均匀性的。配水槽的形式也是各个因素相和 协调的结果。一般来讲，配水槽的形式确定后，布水形式也就相应确定了。 目前的配水槽大多采用环状和同心圆状，也有牛角状配水槽。布水孔的形状 分为圆形和方形。布水孔间距有等距，也有不等距的。总之，配水槽的形式多样， 其最终采取的方式，取决于设计人的设计思想。 配水槽的过水断面以起端为例，有正方形、矩形等，一般设计为矩形。 ( 2 ) 配水槽内配水方式的选择 我国于2 0 世纪9 0 年代初开始引进周进周出沉淀池这一技术，直到9 0 年代 末，投入使用的该类沉淀池均属单向配水，其直径小于4 0 m 。随着城市污水处理 1 2 第二二章周进周出辐流式沉淀池程序设计 厂建设规模的增大，近两年已有直径达5 0 m 的该类沉淀池投入运行，并且有单 向配水和双向配水两种形式的工程实例。 周进周出沉淀池以配水槽配水方式划分可分为单向配水和双向配水两种方 式。双向配水的优点是配水槽的变宽段可以设计的相对窄一些，污水从进水井进 入配水槽后同时分左右两路流动，每一路只流经半个圆环，配水槽的水头损失较 小。但它也存在一个明显的缺点：配水槽的浮渣撇不净。要解决这一问题，最简 单的办法就是采用单向配水方式。周进周出沉淀池单向配水的优点是能借助吸泥 机同向旋转的条件，在吸泥机上安装配水槽的浮渣刮板以便及时清理浮渣。但是 单向配水需要环池一周，当池径较大时，配水流程过长的缺点就越加明显，主要 表现为三点：变截面配水槽内的水位差随着流程加长而增大，首尾配水孔之 间的单孔配水量只差也越大，即使可以通过改变孔距来维持线流不变，但对配水 的均匀性还是有不利的影响；( d 等截面配水槽内环槽流速过低的区段越长则造 成泥污在槽内沉淀的现象就越严重，不利于末端布水；( d 为了减小配水槽内的 水面比降，配水槽的设计环槽流速通常会参考最小自净流速选取，因此配水槽的 断面面积与环槽流量大致成正比。由于单向配水的环槽流量大，故单向配水槽所 需的断而而积也较大，工程投资相应会增加。 周进周出沉淀池如果采用双向配水，其环槽流程和流量均只有单向配水的一 半，因此能够克服单向配水的一些缺点。双向配水需要保证流量对称分配，可以 采用类似于溢流式配水井的方式来布置配水槽的入口，是进水管具有足够的进水 淹没深度，将水流有水平方向转变为向上流，然后向两侧对称溢流，但是双向配 水不能依靠吸泥机自动撇出配水槽内的浮渣，这给运行管理带来不便。 对近期投入使用的分别采用双向配水和单向配水的周进周出沉淀池( 直径为 5 0 m ) 的运行情况进行了比较，发现两者的沉淀效果都符合工艺要求，布水均匀 性也没有明显区别，但是单向配水沉淀池的配水槽内基本没有浮渣，运行效果更 好。根据对实际工程的考察情况来看，尽管双向配水较单向配水在理论上存在某 些优点，但是对直径小于5 0 米的周进周出沉淀池仍然适宜采用单向配水。 ( 3 ) 配水槽内水流流速 配水槽内水流流速的最大允许流速称为不冲流速，；最小允许流速称为不 淤流速。y 大于，则可能形成湍流；v 小于，则污泥会沉淀，产生 渠道语塞。按照给排水手册给出的取值范围，可取= 3 r n s ；v m m = 0 3 m s 。但 一般是在1m s 至0 3m s 之间。 ( 4 ) 配水槽的湿周和等宽段 配水槽的湿周即矩形渠道的湿周，等于胴+ b 。渠道不能设计过窄，否则将 由于湿周的阻力，导致水流不畅，可能产生湍流和淤塞。同时，这样也会失去明 第二章周进周出辐流式沉淀池程序设计 渠均匀流的水力特征，不得不考虑湿周边界层了。按照规定，明渠一般不得小于 0 3 m 。即当水渠宽度变为0 3 m 之后就不再变化，以0 3 m 的宽度一直到末端。这 样，配水槽的末端有一段宽度为0 3 m 的等宽段。设置等宽段也有利于渠道表面 撇渣b 螂】。 周进周出沉淀池配水系统数学模型推导过程中，须进行一下假设。 ( 1 ) 忽略配水槽内水流作圆周运动的离心力。因为流速较慢，池径较大， 配水槽宽度曰远小于池直径d ，所以将配水槽的水流按直线考虑，并视为明渠均 匀流； ( 2 ) 忽略配水槽内垂直方向的水流速度的存在。事实上，因为有底部泄水 孔出流，在每个孔口处，垂直方向的局部水流是存在的。计算速度时，因速度是 矢量，水平方向和垂直方向可分别考虑。 2 1 2 设计计算公式 我们知道，配水均匀性与槽中的水流深度、槽中水位与池内水位的关系、泄 水孔孔径、泄水孔的布置( 单位槽长上的孔数) 、配水槽底坡及配水槽糙率等有 关，这些因素是相互制约的，综合影响配水的均匀性。为了解决此类池型周边进 水配水的均匀性问题，不少从事给水排水专业的工作者都致力于从各种途径寻求 计算方法米解决。一般来讲，周进周出沉淀池是采用配水槽形式，其断面形状为 矩形。若要整个配水槽均匀，则应使a 点处q 。与b 点处q 占相等。已知孔口泄流 量q = 州2 9 z ，一流量系数；彩一孔1 ：3 面积；z 一配水槽内水面同沉淀池 内的水位差。由上式可知，若q 一= g 占，则应使织z 彳z z 口。而在实际工程 中，大多采用彩。= 纰，于是，只要控制好配水槽内水位相同，便可达到。前人 已经给出了许多公式，但总体上是从两个出发点考虑的。一个是动量守恒，另一 个是能量守恒。 影响配水均匀性的因素较多，有进水流量、配水槽槽宽、槽内水深、流速、 配水孔径、孔距等。通过对各设计参数的取定，有不同的处理方法，双向对流配 水或单向环槽配水，配水槽等宽或变宽，配水孔等间距或变间距，配水槽平坡或 变坡等。种种方法有各自的特点和适用范围，工程中不仅要考虑到工艺的合理性、 稳定性，还要便于土建施工、设备安装等，以臻工艺先进、施工便利、管理维护 方便。 目前常用的计算方法有3 种。 ( 1 ) 变宽度法 配水槽内的水流性质，与水流的动能与势能的变化有关。若水流动能沿程减 少，是能势必增加，势能增加的速度比机械能损失量为快，出现水面曲线上壅， 1 4 第二章周进周出辐流式沉淀池程序设计 这就是缓流。反之，若出现水面曲线下降，f 2 去 1 ，就是急流? 苏联工 程师根据动量定理研究证明了这一规律。一般配水槽中水流运动属于缓流，即 c 2 去“o 流量沿程减少而水流沿程鲡，这和配水槽的配水均匀性有矛盾， 因为水流进入配水槽后，是通过设在槽底的孔口进行泄水，每个孔口的出流量g 用下式表示： ( 2 1 ) 式中流量系数； 倒孔口断面积，m 2 ； z 平均水位差，即配水槽内水面同沉淀池内的水面高差，m 。 若使流量在整个池周均匀分布，当、倒为常数时，只有在z 不变的情况下、 流量g 才能为常量，要使z 不变必须使配水槽内的水面水平。在变流量配水情况 下，如何使配水槽内水面始终保持水平，要么沿程均匀增加槽宽召，要么变化槽 底坡度f ，以减少用水高度4 日。 周进周出沉淀池是一种新池型，它具有耐冲击能力强、水力负荷高、沉降历 时短、沉淀区容积利用率高等优点，但其运行效果受配水槽配水均匀性的制约， 若配水槽配水不均匀，则其优越性就难以体现，因而配水槽是周边进水沉淀池的 关键部位。目前常用的配水槽设计方法有等孔距法和变孔距法两种设计方法。 周边进水沉淀池环形布水均匀出流的水力学计算是复杂的，由于均匀布水出 流是配水槽为变流量的变流速，本文将建立严密的数理方程与水力学公式相结合 进行计算，同时为了简化设计并使施工简单化，配水槽一般涉及配水槽成平坡， 维持槽内水深不变而逐渐改变配水槽宽度，由于e i -