（水力学及河流动力学专业论文）周边进水周边出水二沉池配水研究.pdf

中文摘要 周边进水周边出水二沉池是近年来给水排水科学研究和新工艺设计的重大 成暴。蠹应用于实践以采，周边进水周边出水二沉洼得到了人们敬关注，这秘泡 鍪豹谯越洼氇逐澎彝瑷了懑来。毽是，蠲边邋承瘸边凄承式二流瀵豹应矮遣存在 自身的问题，尤其配水的均匀性决定了其沉淀效果的好坏，而现在仍没有完善的 计算方法，所以本文将就其配水作一深入的探讨。 本文先通过示踪试骏观察二沉池水流流态，深入探讨了影响沉淀效率的异重 流问题，这对于配水均匀j 矬提供了理论基础。又通过改变进水流遮及模季敛二沉池 遗东，摅出了环浚半经熬经验公式，这对予设计二滚渣半弪存缳黟参考赞篷。 另一个关键问题，怒如何解决配永槽的瓣承均匀性问题，而秘前解决这个问 题的方法尚不很成熟。周边进出水二沉池的配水槽的设计计算包括：配水渠断面 形状及尺寸的确定，配水孔口孔数及孔口尺寸和布孔间距的确定等问题。本文通 过变水深设计及变宽度设汁，绘出了很好的方法，尤其对于流行的变宽度设计， 采用了r u n g e k u t t a 法数镶诗算夔手段，琴l 趱诗雾辍进行精绥诗舞。 为了探讨建立公式的逶用性，本文通过两个工程实铡对上述方法避行了验 证。结聚虽然存在差异，但对于不要求十分精确的工程设计，不失为一种简便可 靠的方法，仍可供设计人崩参考。 关键漏：题边避求爱逑痰承二沉、篷雾耋浚瓣零鼗篷诗箕 a b s t r a c 譬 p e r i p h e r a l f e e dp e r i p h e r a l o r e r f l o ws e c o n d a r ye l a r i f i e r sw e r eg r e a tr e s u l t so f t h e n e w t e c h n o l o g i c a ld e s i g na n ds c i e n c er e s e a r c ho nw a t e r - w a s t e r w a t e ri nr e c e n ty e a r s s i n c ei t sf u l f i l l m e n t 。t h ep e r i 旗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 c o n d a r yc l a r i f i e r sh a v e g o tt h ep e o p l ec o n c e r na n dt h es u p e r i o ro f t h i sk i n do f p o n dt y p eh a st o og r a d u a l l y c o m eo u tn o w h o w e v e r 、出ea p p l i c a t i o no f 也ep o n da l s oe x s i t st h ep r o b l e mo f i t s e l f p a r t i c u l a r l yt h ew a t e rd i s t r i b u f i o nt h a tc o m e s t oad e c i s i o nt h eq u a l i t vo fi t sp r e c i p i t a t e i ss t i l lw i t h o u tp e r f e c tc a l c u l a t i o nm e t h o d ，s ot h i sa r t i c l em a k e sa t h o r o u g hs t u d yw i t h t h ew a t e rd i s t r i b u t i o n + t h i sa r t i c l e f i r s t l y o b s e r v e sf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h et a n k b yd y e t r a c e r e x p e r i m e n t s ，a n ds t u d yd e e p l yt h ei n f l u e n c eo ft h ed e n t i s tf l o wg i v i n gp r e c i p i t a t e e f f i c i e n c y ，w h i c hg i v i n gw a t e rd i s t r i b u t i o nt h e o r i e sf o u n d a f i o n b yc h a n g e i n gi n f l o w v e l o c i t ya n di m i t a t i n gt h e t a n ki n f l o w ，p u tf o r w a r dt h e e m p i r i c a lf o r m u l ao ft h e c i r c u l a t i o nr a d i u s ，w h i c hi sav a l h e a b l ec o n s u l tf o rd e s i g n i n gt h ec l a r i f i e rr a d i u s a n o t h e rk e yp r o b l e mi st oh o wt or e s o l v ew a t e rd i s t r i b u t i o n ，a n dt h em e t h o do f r e s o l v i n g t h i s p r o b l e m i sn o ws i l l ln o t v e r y m a t l i f et h ec a l c u l a t i o no fw a t e r d i s t r i b u t i o no fp e r i p h e r a l - f e e d p e r i p h e r a l o v e r f l o ws e c o n d a r yc l a r i f i e r s i n c l u d e s d e t e r m i n i n gf o 撒a n d s i z e so f c r o s s s e c t i o no f d i t c ho f w a t e r d i s t r i b u t i o n ；d e t e r m i n i n g n u m b e r sa n ds i z e so f h o l e so f f l o wd i s t r i b u t i o nd i s t a n c eb e t w e e n h o l e s t h i sa r t i c l e g i v et h eg o o dm e t h o d sb yc h a n g i n gt h ed e e pd e s i g n si nw a t e ra n d c h a n g i n gt h ew i d t hd e s i g n s i np a r t i c u l a r ，c h a n g i n gt h ew i d t hd e s i g ni np o p u l a ra d a p t s t h en u m b e rc a l c u l a t i n gi nw h i c hc a l l e dr u n g e k u t t a ，m a k e st h ef i n ec a l c u l a t i o ni n p r o c e e d i n gi nc o m p u e r f o r i n q u i r y i n gi n t oi t sa p p l i c a b i l i t y ，t h i sa r t i c l ev e r i f i e si tt ot w oa c t u a le x a m p l e si n e n g i n e e r i n g + a l t h o u g ht h er e s u l t ss t i l le x s i td i f f e r e n c e s , t h em e a n so f t h i sa r t i c l ei ss t i l l ak i n do f s i m p l ea n dd e p e n d a b l em e t h o dt ot h ee n g i n e e r i n gw i t h o u tv e r ya c c u r a t ei n r e q u e s ta n d i tc a nb eu s e dc o n s u l t b yd e s i g n e r s ， k e y w 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 c o n d a r yc l a r i f i e r s d e n s i t yf l u i d w a t e rd i s t r i b u t i o nn u m b e r c a l c u l a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在鼯簿搬譬下进行的研究工作昶取得的 磷究戚荣，狳了文中特鬟燕戳稼注鞠致巍之楚努，论文中不包含蒸镱入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤凌盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一冈工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 佟了明凑瓣滋臻著表示7 滚意。 学位论文作者签名：壶1 寿；工签字日期： 山。蟮年d 2 月。日 学位论文版权使用授权书 本掌缱论文捧者完套了瓣鑫鎏塞堂有关檬辩、使弱学彼沦文瀚蕊定。 特授权鑫凌基芏可以将学位论文的全部藏部分内容编入有关数掇艨进行检 索，并袋建彩印、缀e 鼙或季曩襟等笈锻手段缣存、汇缡激供套舞耧镄瓣。强意学菠 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通用本授权说明) 学位论文作者签名： 茁1 霜；了 签字霞期；立。酝年燕善? 瓣 导髓乏协趣， 签字爨麓：2 移诈2 鬟”曩 第一章前言 第一章前言 1 1 我国水污染现状 随着人口与经济的发展，对水的利用量大量增加，排出的废水量在逐年递增。 我国政府虽然已采取一系列的措施，把环境保护确立为一项基本国策，制定了环 境与经济、社会、人口、资源相互协调和可持续发展的战略，制定颁布了9 部环 境保护法律，1 0 多部与环境相关的资源保护法律，3 0 多项环境法规，4 6 6 项环 境标准。2 0 0 2 年，国家又颁布了两部具有重要意义的法律，即清洁生产促进 法和环境影响评价法，把环境污染问题作为国家重点解决的问题。通过几 年的努力，水污染状况有所好转，水环境质量有所改观，但是，我国的水污染问 题仍然相当严重，水资源缺乏与水体污染的矛盾仍然十分突出。 1 1 1 经济发展水平相对较低而排污量大 我国人均国民生产总值( g n p ) 不足美国、日本、德国的1 2 0 ，而污水排放 量却大大高于他们的水平，以单位g n p 污水排放量计，我国每单位g n p 的污水排 放量大体上为他们的四倍。其中工业污染是我国水污染的主要污染源，这主要体 现在我国工业技术相对落后，产生污染多。我国作为一个发展中国家，面对于如 此污水排放量，是不能不令人担忧的。 1 1 2 废水排放量逐年增长而污水处理率低 据中国统计年鉴，我国1 9 9 3 1 9 9 5 年废水排放量各约为：3 5 6 亿吨、3 6 5 亿 吨、3 7 3 亿吨，而2 0 0 1 年废水排放量达到4 1 6 亿吨，可见废水排放量逐年增加。 近l o 年来，我国城市生活污水排放量以每年5 的速度递增，1 9 9 9 年首次超过 工业污水排放量。2 0 0 1 年，全国城市生活污水排放量2 2 l 亿吨，占全国污水排 放总量的5 3 2 。然而我国城市污水处理厂的建设远远赶不上城市发展的需要， 目前全国城市污水处理率只有3 6 5 ，其中二级处理率还不到2 0 。 我国水环境污染以有机物为主，目前我国七大水系中近一半河段污染严重， 8 6 的城市河段污染严重。我国湖泊普遍遭到污染，尤其是重金属污染的富营养 化问题严重。长江沿岸形成了一条5 0 0 公里的污油带整个流域有4 万个工矿企业、 1 6 0 0 0 处城市污染源，每天流进长江的工业废水有3 6 万吨：黄河面临污染和断 流的双重压力，监测有6 6 7 的河段为工v 类水质：淮河已成为中国大河污染之 最，已落入先污染后治理的地步。全国3 0 0 0 家重点污染企业中，排放工业污水的 企业，淮河流域占了1 6 0 家，流域内1 8 2 座城镇中排污单位1 5 5 万家，仅造纸厂就 有1 0 0 0 多家，排出的污水直接进入淮河的干流与支流：其他的水系湖泊、河流也 有不同程度的污染。1 9 9 7 年工业废水量1 8 9 亿吨，c o d 排放量1 0 7 3 万吨，工业 污承蕊污染受蕊凑且大秣分流入旺淫；灏沼、海洋戆进入污承处理厂的不到总量 的1 i o ，处理量非常低。 。 。3 承资源短缺瑰象严耋 我圜水资源仅为世界平均水平的五分之一，而污染更使日益短缺的水资源雪 上热霜。七大江河东系中劣五娄窳震占l ：簸带河段9 0 戮一匕遭受严整污染； 海河、辽河和淮河的有机污染已经不亚于英国污染最为严重时期的泰晤士河；全 鬻趱寿3 。6 亿农树久日噶不上簿含至垒耘准嚣承。 我尉水资源短缺现嫁越来越严重，缺水的城市越来越多，在全国4 3 4 个建制 枣中，1 8 8 令蠛枣袋东，0 令糠港严重袋承，毒照踱枣已迭囊了渡遥每瓣定对定 澄供水的地步。全国城市自来水供水能力平均慎能保证商峰用水的8 6 ，省会 城枣只能傈涯8 3 。全避程时蜀皱度量遮裂2 0 0 0 万琏左右，其中互盟钦拳1 2 0 0 万吨，每年影响工业产值数百亿。我国缺水城市数量之多，分布面之广，水的短 敞之大，霆超爨是罕见熬。瘩资源短缺酝成必经游发震熬重大制约爨素，嚣且绘 人们带来很大不便，成为影响社会安定的潜在因索。而且，水资源污染的形势日 懿严重，在资源蝗缺水的慰时水污染弓| 怒的承质性蛱承热剔了水资源豹短缺，馊 得人们用水紧张和用水不安全。 解决水资源短缺和水污染的个主要途径在予水处理。承处理的主要任务是 改善水威，即运厢工程披术手段将原水中的杂质去掉，加工成符合生产和生活使 阁水质要求的成貂水著输送到用户，以及收集馒髑过的废水到水鹱符合德环使用 瑟求。1 9 9 6 年的全国第四次环境保护会汶强调僳护环境是实施我国可持续发展 的关建，并将防治水污染作为全阉性重点。随着我们国家国民经济建设发展，我 黧城市市政公用设旎的麓设规模也相应扩大，投资规模醋益增丽。根据预测，从 2 0 0 0 年鬣2 0 2 0 年，我图每年新建的城市污水处理厂其处理能力将是3 0 0 4 0 0 万吨天。所鞋鲐何建好、管理好污汞簸疆厂起城市霹特续发展的重要瀚题。 1 。2 周边进水周边出水二沉池的发展现状 污水处理厂的建设必须坚持缀济效益、社会效益和环境效益的统一。也就是 激， 壬何个构筑扬鲍建设，都鼗遇到技术闽题粒经济阗题。鉴予我国当嚣资金 短缺，全国工程项目的环保资余占工程项目总投资平均不到4 ，而发达国家一 般为1 5 2 0 。这就鞭求我们在资金嚣寸无法大螺增煳的基础上，热大力度 开发污水处理的控术问题，争取从技术上有所突破，来解决环境问题。因此，如 僻研究并提出技术上可靠、经济上合理的技术方窳，以达到治理污染花钱最少， 效栗最佳的目的，是我们环境傈护工作者长期面对的问题。沉淀池是水处理工程 中常用的构筑物，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。周边进水周边出水沉淀池就 应运而生，其污水表面负荷大，同样处理水量需池表面积小，从而节省了投资； 进水均匀，处理效强好。 1 2 1 中进周出与周进周出幅流式二沉池比较“ 一般幅流式沉淀池，原污水从池中心进入，在池周边出流，进口处流速很大， 呈紊流现象，影响了沉淀池的分离效果。而周边进水型幅流式沉淀池与此恰恰相 反，原污水从池周边进入流向池中心，澄清水则返回到池周边流出，在一定程度 上克服了上述缺点。原污水流入位于池周边的进水槽中在进水槽底部设有进水 孔，再从进水孔均匀地进入池内进行悬浮颗粒的沉淀，从而提高沉淀效率。 周边进水周边出水沉淀池比通常中央进水周边出水沉淀池具有显著的优点： 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处进入澄清 区，由于速头很小，能避免通常高速进水时伴有的短流现象，提高了池容积的有 效利用系数；如下表所示 表l l幅流式沉淀池容积利用率 进水槽位置出水槽位置容积利用率( ) 中心进水周边出水 4 8 周边进水r 4 处8 5 7 r 3 处8 7 5 r 2 处 7 9 7 池周r 处 9 3 6 其中：r 为池半径 沉淀池的性能准则可用水流有效停留时间和理论停留时间之比来表示， 中央进水沉淀他的比值约3 0 ，周边进水沉淀他的比值约7 0 一8 5 ，沉淀效率 可提高近两倍； 在处理出水水质相同条件下，周边进水沉淀池比中央进水沉淀池的水力 负荷可高出一倍，从而池容积可节省一半，可大大降低工程造价。如下表所示 表l 一2周进周出与中进周出二沉池分析表 池型处理表面水力沉淀池沉淀池单池基建 规模负荷直径深度投资 ( m 3 d )( m 3 m 2 h )( m )( m )( 元) 周边进水用边出1 8 3 62 51 22 6 95 9 0 2 9 水 中央进水周边出 1 0 7 01 2 5 1 21 8 74 6 9 2 0 水 第一章前言 p h i 表可知，周边进水周边出水二沉池单池造价增加2 5 8 ，而处理水量却 增加了8 0 5 ，如将现有二沉池改为周进周出二沉池，则可以消除原有的超负荷 情况且节约的造价数可能还要多一些。 而且，这种池型的独特优点还在于它具有广泛的适应性，经生产实践说明这 种沉淀池适用于大、中j 小型污水处理厂，无论是新建还是改扩建工程中均可获 得良好的工程效益和经济效益的。周边进出水沉淀池有可能用于给水厂的沉淀池 和污泥浓缩池，而受到关注和重视。 1 2 2 周进周出幅流式二沉池研究的发展 自从i 9 7 5 年，中国市政工程西北设计院设计出了我国第一座周边进水辐射 槽出水二沉池以来，人们对周进周出二沉池的研究就没有停止过，理论研究和设 计方法也得到了不断发展。这过程中，也有自行设计研究的周进周出二沉池的出 现，但其应用方法参差不齐，甚至有很多错误的结论，故大多作为参考。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。 1 3 研究周边进水周边出水沉淀池的必要性 周边进水型沉淀池具有节省面积、减少池数和投资等优越性，是可以推广应 用的一种新型二次沉淀池。但是由于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，池体半径仅根据出水表面负荷来进行粗浅计算( 池中 异重流的影响是否考虑) ，二沉池水深的确定( 池中异重流所引起的环流、异重流 厚度对出水水质的影响) 等，所以目前在国内尚未推广。目前，兰卅化工厂、抚 顺第二石油化工厂、天津咸阳路污水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，其设 计参数为国外公司保密。这表明，对于周边进水周边出水沉淀池，我们仍有许多 工作要做。 1 4 - 本文研究内容 本文鉴于周边进水周边出水沉淀池设计中存在的难点较多，本文仅想就周边 进出水沉淀池配水作一研究。周边进出水沉淀池配水的均匀性决定了其沉淀效果 的好坏，因而其配水的均匀性设计计算，亦应受到应有的注意。周边进出水沉淀 池配水设计计算主要应解决以下问题：配水渠断面形状的选择及尺寸的确定，配 水孔口尺寸的确定，单孔泄流量的计算，孔上作用水头的确定：孔口数及孔距的 计算等等问题。为此一 建立周边进水周边出水沉淀池及配水槽的水力物理模型，用示踪法研究 分析沉淀池中的水流流态，深入探讨异重流的发生、发展及其存在对沉淀效率的 第一章前言 影响。 通过实验及理论分析，测得池体半径与进水流速及温差的关系，修订提 出了简便切实可行的经验公式。 简介了配水槽设计中的几种方法，建立常用牛角状配水槽尺寸设计公式， 对均匀性进行编程计算 以天津咸阳路及抚顺石油二厂污水处理厂设计数据对程序验证计算，修 订建立公式。 第二章周进周出二沉池水力流态分析 第二章周进周出二沉池水力流态分析 2 1 二沉池中的泥、水层面和密度流1 正常的混合液在量筒中停留1 0 分钟，将出现上下两层，即清水面层和悬浮 活性污泥层。1 0 分钟后悬浮的活性污泥层开始浓缩，但完成浓缩过程至少要半 小时以上，甚至好几个小时。浓缩过程意味着层面以下的活性污泥浓度不断在变 浓，在量筒底部出现不高的浓集活性污泥层。这种在量筒里观察到的现象，在实 体的二次沉淀池中，将明显地存在着澄清层、悬浮沉降层、活性污泥浓密压缩层、 底流污泥层等层面。一般设计计算二次沉淀池时要考虑两个停留时间，即污水 停留时间和活性污泥停留时间。所以在设计计算二沉池的有效深度时，将这些层 面简化为澄清层和污泥层，而这两层的高度相加成为二沉池的有效水深。 在二次沉淀池中起浓密作用的是悬浮沉降层的活性污泥颗粒，不断下沉传递 给浓密压缩层，而污泥层随着沉淀时间延长而不断压密浓缩，最后形成底流污泥 层。显然这些层面的高度是随着进水流量、混合液浓度、排泥浓度、回流活性污 泥量的变动而有所变化的。这些层面变动的客观事实在周边进水周边出水的二次 沉淀池中也同样可观察到。活性污泥混合液进入二沉池后，由于悬浮物的浓度差， 就会形成密度流，密度流是二沉池的一个关键因素，设计中应该特别注意。安德 逊( n e a n d e r s o n ) 很早就观察n - - 沉池中存在着密度流，并认为形成密度流的 原因除浓度差外还有温度差。但在周边进水型二沉池的模型试验中证实，混合液 中悬浮物的浓度是形成密度流的主要原因，即使出现进水温度高于澄清水温度 o 4 1 1 c 时，密度流依然存在。因为在二沉池中由于不断进入的混合液浓度与澄清 层之间的密度差总是存在的，所以密度流也是存在的。 图1中进周出沉淀池 6 1 西己水孑l 2 挡水挡板 3 浮渣挡板 4 出水堰板 5 集水槽 笙三耋鎏造塑塑三鲨查妻煎查坌堑一 一 l。_ n 一_ 一1 口u | l ； 、 ；7 ，j l 8 、1 | i j 。7 1 l 二_ ：二二二二：二二= ! 二二二= 二二二二= j 图2 - 2周进周出沉淀池 1 2 3 凄 5魏 上述密度滚掰彩躐熬环流瑷象鼹然给謦逶旗流式二沉潼带来了淀蘧主骚表 现在：环流在出口处上升时会带走辍的细小污泥絮体，影响出水水质；沿底部的 密度流又与刮泥方向相反，容易搅动起质轻的活性污泥颗粒，影响沉淀效粜；普 通蝮流式熬沉淀遗懿邀桊日在甏 混尊戆上方自，混台渡送入涟麓，又是是辫藩戮 沲底，这样就会造成部分混合液从摊泥斗直接短路排出。这些问题与密度流流速 大小有芙，流速愈大愈严重。要控制流速，往往只有限制进水流量，也就是说要 限制过滤枣即表面水力受萄馕。由予这一原因，般耀流式的二次沉淀池要较大 疆度逮掇离表瑟受蔫楚疆难的。援离二沉遗受赘攀豹关键是要勰决荮上述密壤流 所引起的问题，改变普通幅流式二沉池内的水流流态是解决问题的主要手段。对 于普遍适用于大、中、小型污水处理厂的圆形沉淀池来说，采用周边进水、周边 窭求载糕滚式二次沉淀l 捷是一个较好弱夯法。蠲逡遴永沉淀、憩囊于是爱逸逡承， 诧普通福流式沉淀池中心进永的流速小得多，其谶水水流动能也低得多，茵丽有 可能比普通幅流式沉淀池提高水力负荷率5 0 一1 0 0 ，而它所形成的密度流流 速仍然不会很大。同时嬲于周边进承所形成的水流方扁与刮吸淀壤转动方向又体 一致，疆以搅动超污溅鞫带走较轻潘镞污泥絮事搴秘可麓性都跑较小，麸雨氇商可 能提高沉淀效率。 进入的周边进水周地出水沉淀池由于周边进水，其进水沿池径周围布水，过 东覆积丈，捷褥霆诺数秘棼蒡德准戴羧聱晓孛心遴窳，l 、，霉遘数枣谎鹤溪瞧 聱羁 相对减小，粘滞力相对作用增大，弗劳德准则数小于1 ，水流娶缓流，这些都促 使二沉池内流态向层流发展，加上由于周边进水，水流断面突然扩大动能转变 为势能，氍加上沉降速发与躅逸进水下潍流速同黩，露产生两国流，键使滔憾污 淀下沉瓣照也可援蔫沉淀效率。戴畿说沉淀效率与普通泡稳溺对。而表面敷衙 7 板扳扳 配挡浮蠹集 第二章周进周出二沉池水力流态分析 口 以提高。 这种密度流流态，显然是周边进出水沉淀池效率高的主要因素，是完全符合 二次沉淀池中密度流流动规律的。周边进出水沉淀池的流态适应进出水之悬浮物 浓度差所引起的密度流流态，避免了平流式、普通幅流式沉淀池中由于密度流所 引起的各种短流、环流等不良影响，因而容积利用系数高。同时因具有悬浮层的 澄清作用，提高沉淀效果，根据模型试验和现场观察，进一步证实在周边进水沉 淀池中存在着澄清水层，悬浮絮凝沉淀层，污泥浓密压缩层和污泥底流层四个层 面，有两个清楚的界面。由于呈一个平面缓慢上升的流态，悬浮层中活性污泥絮 凝凝聚，使得混合液中的活性污泥颗粒不断与悬浮层中的活性污泥碰撞、吸附、 结合、絮凝等作用，因而会产生良好的悬浮澄清作用。 2 2 周边进水周边出水二沉池配水槽的水流性质。勺” 周边进水周边出水式二次沉淀池是近年来发展起来的新池型，该池型具特 定的流态：依靠进水能量把水带到池子中间，遇到反方向的力后折回，流入周 边的出水堰。最终证实该流态正确与否是测定池内任意点的实际流速，虽然间 接测定或计算池内流网，如根据流体力学对理想流体的数学描述，借助计算机 手段计算池内流网有较大的意义，但用某些离子作示踪剂测定流场流网，仍是 最直观和最准确的。本文将用亚甲基兰溶液作示踪剂，研究测定沉淀池内水流 流态。 2 2 1 示踪试验 沉淀池模型采用直径2 2 m ，单宽0 0 8 m 的有机玻璃模型。底层污泥取自天 津纪庄子污水处理厂二沉池，染色剂采用亚甲基兰溶液。在本试验中为了观察二 沉池水流流态，水样使用清水，但考虑到模拟含悬浮物的污水，所以将池中水加 热，而进水使用地下水，利用进水与池中水的温差，来模拟污水进池后流态。试 验装置如图( 2 3 ) 墨三黧望垄塑堂三姿垫查塑堕查坌堑一一 出啦 j扫索黠劐 示踪水卜一一 一t 一。一水藕 ， 目： r 1 一一一一1 1 _ l 一 |“1r 。 、 ! l 一，一一 i 一1 7 “。 一_ 鼍。i ；二 1 呼爿) 专 污范 = 1 jc 一 一 i 排泥 蚕2 - 3 示踪试验装置圈 套荚资料表明，在1 0 一2 0 内每增热0 5 ，承瓣密凄约减多0 1 0 5 k g m 3 ，而每增加l o o m g l 悬浮颗粒则水的密度约增加0 0 6 2 3 k g 寸。所以通过 敷变遗差，可以模援食懋浮物污求进入二滚避矮渡态。瓣为一般进入= 流邀豹污 水含悬浮物约为1 0 0 0 - - 4 0 0 0 m g l ，所以本实验采用水温差为3 o 4 c 1 1 9 。 实骏中，水瀛控利采用了以下方法：在二浚浊模型中注入室温瘩，然嚣加热， 同时保持进水出水流动状态，直加热到池中承水温僚持均匀恒定为要求温度， 两水箱滚用地下水。如图( 2 3 ) 所承，在水箱中加入遥甲兰溶液( 示踪剂) 。 当温差达到需要时，打开水箱阀门，亚甲兰溶液由迸水瞄进入二沉池模型。示踪 云垂直向下到达池底后，沿池滕向池中心流动，沿途并不与上滕清水棚混。当水 流接近池中心时，异重流头部开始上升，上升列水面后，流速开始变缓，此时示 踪云呈辐射状漉向出水口。进水流态演示如图( 2 4 ) 9 第二章周进属蠹二院池水力流卷分辑 图2 4进水流态观察图 在沉淀漶中，稷定混承器重凌匏上鼷洚凑求瑟，池痰秀| | 爨坡，虽浍程不交。 迸水口一般设在池的3 4 高度出，承流为淹没出流，入水方向藏囊向下。当混 水流进入池中后，要保持熟不与清水掺混，并能持续运动到达池子中心，这要取 决定于系列因素的。这腆因素除浓发麓舅、涅度麓异辨，还霄以下影响因素： ( 1 ) 遴承流速。一般愤凝下，进入流淀泡翰流逮大，产生异羹滚静强度丈， 这样可以产生较大的初逮，因而运行遽度较快，故能到达比较远的距离。 ( 2 ) 二沉池底坡坡度。臻使产生了的异重流能够持续下去，二沉池底必须有 一定熬坡度。缘天然溪遘孛靛一簸本流一襻，雾重浚哭蠢凭氆势凝熬溃耗去态骚 沿程的阻力损失。如果，二沉池底坡坡艘较大，异重流的流速也较大，则能持绥 较长的距离，但也易搅起辍质污泥。 根据上分丰厅可看出，决定冥重滚持续运动距离的主导因素是，髯重漉必具罄 足够的能量。l 嚣麓量交纯可以籍结为流速斡变位。舅姊，由于异羹流的稳定条件 限制，当进水流速较小时，异重流头部就会较早破碎，形成短路。这样容易很快 使浑水流水深加深，清水与浑水界面消炎，使得浑水流还没达到池中央便消失了。 瓣芄，遗表浚速煮一定要求。势薅、王兴奎等太萤怼辩耋流进行避鬣瓣，残溅中 发现，异重流由入流到潜流过程中，流速垂线分布并不均匀，最大流速点的位骶 沿程相对下穆。从能量角度上来看，入流从潜流到消失伴随着能最的变化。混水 浚沿二沉池残囱浊中心提滤，浑水承深壤翔，异重浚溅速灏缓，动艉转嶷二为势能， 潭承鼗匿擎德麓量增热。囊到达溘中心辩，水平流速为零。动能除消耗的一部分 损失外，全部转化为势能。浑水面壅高，随环流升至水面。混水流从潜流到浑水 筒壅高，随环流升至水面媳段距离，就是我们最关心的问题，这段距离我们称 之为舔滚三| 耋缀黧整( 2 - 5 ) 。 第二章周进周出二沉池水力流态分析 另外，整个池子会在池中心行成清水区( 死水区) ，这部分水长期滞留池 中，不参与交换，从而造成处理效率降低。在连续运转的周边进水周边出水沉淀 池中，确有清水区存在。清水区域大小及厚度同颗粒沉速以及异重流的掺混有关。 图2 5环流半径示意图 当异重流潜入池底后，促使异重流头部前进的力量，要比维持继而来之的潜 流力量为大，这样就使异重流的头部比后面的稳定潜流厚。异重流头部的长度较 短，和后面稳定潜流的连接比较突然，在行进中头部的形状和速度基本上保持不 变。 为了研究环流半径与那些因素有关，在试验中，通过分别改变进水流速、水 温差来量测环流半径大小。具体如下： 2 2 1 1 改变进水流速 根据孔口的出流速度 v = “厩芝 式中“流量系数( 取0 6 2 ) ( 2 2 1 ) z 平均水位差，即配水槽内水面同沉淀池内的水位差。 由以上公式可知，可通过改变进水水面与出水水面差z ，来改变进水流速。 试验中水温差保持6 。c ( 地下水温为1 0 3 。c ，池中水温保持1 6 3 。c ) ，坡度采用 0 0 4 2 9 ，采用几何比尺l ：2 0 5 数据如下表： 簦三妻塑连璺盥三塑塑查盎堕查坌堑 一 水位差 0 0 0 50 0 0 8 0 o lo 0 1 2 o 0 1 4o 。0 1 6 ( i l l 流速 0 1 9 4 l0 2 4 5 50 2 7 4 5 0 3 0 0 70 3 2 4 8 0 3 4 7 2 ( m s ) 环流半径 0 。5 唾0 6 8o 7 7 0 8 l0 8 6o 9 5 ( m ) 根据重力相似服则换算成实际值，则如下表 l承位差 g 1 2 0 。1 6 40 。2 0 5 0 ，2 4 60 。2 8 70 ，3 2 8 j( m ) 1流速 o 。9 7 l1 1 1 21 2 4 3l + 3 6 1l ，4 7 0 1 5 7 2 l( m s ) i 环流半径 1 1 0 71 3 9 41 5 7 81 6 ，6 11 7 6 31 9 4 8 l( m ) + 幽以上数据可知，随水位簸，也就是随进水流速的增大，环流半径也变大， 静环浚半径显。cv ( 遂零流速) 。 2 2 1 ，2 改变温差 试验中地下瘩涅力1 0 。3 ，进农滚速采鼹零整差0 。0 1 4 c a ，采弱熬凡留比足 l ：2 0 5 。n a j 得数据如下表： 表2 3 改变温差数据表 池中水温1 6 31 6 8 1 7 51 8 01 8 51 9 o ( ) 进水水温 1 0 31 0 3l o 31 0 3l o 31 0 3 ( ) 漱差 6 o6 57 27 7& 28 7 ( ) l 嚣浚半径 0 。8 60 ，8 8e 。9 王卺9 3e 器q 9 7 i( m ) 1 实簖半径1 7 8 31 8 ，0 41 8 6 5 51 9 0 6 51 9 。4 7 51 9 ，8 8 5 l( 糯) 自上表露知，隧瀑差增大，琴滚半径氇瑷大，帮环流半径r 。c 矗， 7 9 7 鼠主嚣诗冀结栗哥戮看蠢，客积嗣羯率都嚣常太，密予基承槽篷嚣豹不嗣， 设计会宥差异，但均大于该类型最小容积利用率，所以上述结果是可靠的，对实 际工程骏证设计霹靠往，具毒缀好参考徐毽。 2 2 2 试验总结”3 + ”1 ” 本试验通过示踪法演示二沉涟流态，深入探讨了异燕流对设计的嚣确，并避 过改变进水流遍及水温箍测定了示踪云形成的环流半径，结合前人研究成果，利 髑繇测数据整理彦j | ；| = 流半径与避承渡速及涅差魏经验公戏。远过嚣个实铡验证了 其实用性。 但魁对于经验系数，其与等有关，幽于试验条件所限，测量可能存在较大谡 溢，麓魏，我销参考了黧辨宠遴染色滚态图( 黧2 - - 6 ) ，瓣予璎瓣二嚣滚滚态爨 更好参考指导意义。 国终所终录嫁试验缝票，滚线分蠢始下图： 第二耄罔避瑚密= 菠池拳力魏惑分褥 12 务钟 3 e 分钟 圈2 6 黎色污漉试验 l 巷 36 分静 第_ = = 章趣莲髑出三淀池承力流态分撕 上述流态描述不同水力停留时间下示踪剂浓度的分布。示踪剂潼直向下到达 池底后，沿、池底向池中心流动，沿途并不与上层清水相混。随时间延长，当水流 蔹近潼孛心辩，算重浚头都拜戆秀，示游裁开始彝上扩教，著滤囱震逮出强， 而悬浮颗粒被底流带向中心。 通过比较，虽限于实验祭件，我们所作试验流态描述与国外精确程度存在藏 弗，但是都曩示了相似的滚态。从丙我们辑傲的工作擞与实际有蓑题，因实际工 程设诗荠不蘩求菲常稽确，掰戮对于实酴工程静设诗仍其参考徐镶。 1 7 第三章黧承均匀性计算 第三章配水均匀性计算 周边进水周边出水沉淀池戏周边谶水中心出水沉淀池处理效率的好差、容秘 剃周率麴高低，是一个燕要因素或者说关键性的问题就是周边进水配承系统的均 匀性，配水系统设计的好差将威接影响周边沉淀池的沉淀效果，而配水系统设计 与计算的关键怒要达到配水均匀性的爨的。鉴予这类沉淀池常用的配水系统为黼 水槽和布水孑l ，配水的均匀性与配水耩的断面形状、槽中的水流水深、稽中水位 与池内水位的关系、泄水孔孔径、单位搪长或相同段上的布孔数及配水槽底坡簿 有关，这些西索是互襁制约，综合影响配东的均匀往。 关于解决此类池垂! 周边进水配水的均匀性闯题，不少从事给排水专业的工作 者都在致力予默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论著和资料。结合抚顺石浊二厂污水处理站和天滓咸阳路污 承处璎厂及毒关污永厂阂透避承沉淀漓运行工况实际，涎出自西的计算方法。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 力擎中有关经典公式和物理学中雏髓甏原理褥斑有关诗算式，撬出有关鬣东竣诗 计算的些原则和计算方法。 3 。 配承槽麴鍪式及槽断西彩获囊每选择 当今，周边进水周边出水、沉淀池常用的配水系统为配水槽和布水孔，配水的 均匀犍与配隶疆豹聚蘸形状、援中懿承滚承深、疆中豹东位与漶蠢静隶霞静关系、 泻水子l 的孔径、单位槽长或相同段上的泻水孔的布孔数以及配水槽底的坡度等有 关。这鳖嚣素怒鞠互巷约、综会影豌醚零抟均匀牲豹。醚零耱懿型式雹是各令瓣 素相互协调的结果。一般来讲，配水槽的型式确定之后，布水彤式也就相应确定 了。 目前的配水槽大多采用环状和同心蹰状( 如图3 一1 ) ，也有牛角状配水槽( 如 篷3 2 ) 。蠢承孔戆形炊分为躐彤稠方澎。毒承孔闽题霄等距，选寿不等箍熬。 总之，妣水槽的形式多样，其黢终采取的方式，同设计人的设计思想村关。 嚣 第三章配水均匀性计算 图3 - 1环状配水槽图3 2牛角状配水槽 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。 3 2 配水槽尺寸的设计方法。4 5 6 。7 ”- 伽 配水槽内的水流性质，与水流的动能与势能的变化有关。若水流动能沿程尽 减少的，势能必然增加，势能增加的速率比机械能损失量为快，出现水面曲线上 壅，这就是缓流。反之，若出现水面盐线下降，t = v 西 1 ，就是急流，前 苏聪工程师索可洛夫斯基根据动量定理研究证明了这规律。一般配水槽中水流 运动属于缓流，即c = 幽 1 。流量沿程减少而水流沿程壅高，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q g = l , a ) 、2 9 z ( 3 2 1 ) 式中“流量系数 m 孔口断面积： z 平均水位差，即配水槽内水面同沉淀池内的水面高差。 若使流量在整个池周均匀分布，当、0 9 为常数时，只有在z 不变的情况下、 流量q 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b 要么变化槽底 坡度i ，以减掉壅水高度h 。 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 第三章辩承均匀性 算 容积利用率商等优点，但藏运行效果受酉已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