100万人口的城市给水处理厂设计方案.doc

100万人口的城市给水处理厂设计方案1 绪论1.1 设计背景给水系统是保证城市、工矿企业等用水的各项构筑物和输配水管网组成的系统，常由取水构筑物、水处理构筑物、泵站、输水管渠和管网，以及调节构筑物组成。随着科学技术和国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，人们的保健意识不断增强，对生活饮用水水质的要求也有所提高；随着我国加入WTO，面临与国际接轨和对外开放的进一步扩大，城镇供水与人民生活及城市发展息息相关。我国目前的给水处理技术从总体上、宏观上讲还停留在常规处理工艺阶段，但具体看已有很大的变化；同样一个沉淀或过滤工艺已衍生出许多种形式和新技术，这些新技术逐步改变了水处理工艺的面貌1。给水处理的主要任务和目的就是通过必要的处理方法去除水中的杂质，以价格合理、水质优良安全的水供给人们使用。在20世纪70和80年代，给水工程技术人员面临的主要问题是工程的投资效益，即如何以最低的工程总投资来完成简单的处理目标。因此，在这段时期里，研究出了许多比较经济的净水技术和工艺，这些研究包括改进沉淀池设计，出现了斜管沉淀池、斜板沉淀池和气浮池等快速澄清工艺，还有快速过滤工艺和将絮凝、沉淀和过滤工艺组合在一起的专用集成设备。然而，到了20世纪80和90年代，新的问题出现了，即饮用水中存在的微量有机物对人体健康具有长期潜在的危害。因此，出现了新的水质污染指标和规定，例如，总三卤甲烷、挥发性有机物和最大污染物浓度等。为了对待这些新情况，满足净水处理要求，工程技术人员和研究人员已经成功地设计出去除水中有机污染物的方法。这些方法，如化学氧化、活性炭吸附和强化混凝处理等，在过去的十多年里一直是主要的研究方向。根据我国现有经济和技术条件，在优先考虑强化常规工艺的前提下，增加预处理和深度处理将是今后我国水厂进行改造的主要方向。在预处理中，生物预处理发展前景广阔。在深度处理中，活性炭或者生物活性炭（即臭氧活性炭联用）将是主要的发展趋势2。1.2 饮用水处理工艺技术的研究进展饮用水水质标准的不断提高以及市政给水水源日益被污染，这对常规给水处理技术提出严峻的挑战，许多水厂的出水水质达不到饮用水水质标准的要求，面对这样的情况，不得不对常规水处理进行技术改造或技术革新3。目前改善饮用水水质有两条途径：一是控制污水的排放量及提高污水处理率，以保护饮用水源；二是强化处理工艺对受污染水源进行深度处理4。1.2.1 混凝混凝工艺主要去除水中的悬浮颗粒、浊度和消毒副产物（DBPS）的前驱物质天然有机物（NOM）。其效果与混凝药剂品种、投加量、pH值、搅拌程度、混凝剂和助凝剂投加顺序、原水特性等因素有关。快速剧烈的混合，利于混凝药剂扩散和水中胶体的脱稳。混凝工艺主要去除水中的悬浮颗粒、浊度和消毒副产物（DBPS）的前驱物质天然有机物（NOM）。其效果与混凝药剂品种、投加量、pH值、搅拌程度、混凝剂和助凝剂投加顺序、原水特性等因素有关。快速剧烈的混合，利于混凝药剂扩散和水中胶体的脱稳。进入80年代，加强混合才成为给水界的共识，现常用的混合设备有：水力隔板混合、水泵混合、机械混合、静态混合器、混合池、槽等。1.2.2 沉淀沉砂池去除污水中泥砂等粗大颗粒，有平流沉砂池和曝气沉砂池；沉淀池除去有机和无机可沉悬浮物和胶体混凝物。可分为平流沉淀池和斜管沉淀池，一般以斜管沉淀池性能为佳。美国平流沉淀池使用较多，法国常采用脉冲澄清池或斜板脉冲澄清池，而在英国许多水厂采用气浮沉淀池，这是因为英国多利用水库水源，而水库水源存在藻类问题，气浮沉淀池对含藻多的水源是比较适宜的。不同国家选用不同的池型，主要是根据这些国家的不同水源条件所选择的。1.2.3 过滤集常规过滤、颗粒活性炭吸附与生物膜氧化技术于一体的生物过滤5，可有效去除水中氨氮、铁锰、有机物及浊度，改善和提高了饮用水的生物稳定性和安全性，且运行可靠、投资省、运行费用低。但尚需解决：（1）控制进入输配水管网的最大可生物降解有机物质（BOM）的浓度；（2）生物过滤的最佳反冲洗标准；（3）非生物颗粒对生物膜性能可能产生的影响；（4）慢速生物降解有机物的去除机理与条件；（5）水中有机物与氨氮共存的情况下，氨氮对有机物降解的影响；铁、锰共存的情况下，铁的存在对除锰的影响。生物过滤替换传统过滤，是减少饮用水有机污染、提高饮用水的安全性与生物稳定性的客观需要。我国目前新建水厂较多采用的是“V”型滤池，其他型式的滤池如移动罩滤池等连续过滤型式的滤池在小的水厂也有所应用。另外，在水源条件允许的情况下，直接过滤滤池也有应用的实例。在滤料使用方面，双层滤料仍在广泛应用，使用均质滤料的型式也在逐渐增多，特别是在“V”型滤池6。1.2.4 消毒在城市供水系统中，消毒是最基本的水处理工艺，它是保证用户安全用水必不可少的措施之一。但自20世纪70年代发现氯消毒产生/三致物质以后，人们开始重新审视消毒问题，并进行了大量的研究工作。由于氯消毒产生/三致物质，并且不能有效杀灭隐孢子虫及其孢囊，因此消毒技术不断被研究开发出来，如二氧化氯、臭氧、光催化消毒、紫外线及相关复合技术等7。 氯气消毒法除不能尽除水中有机物，易生成“三致”氯代物外，其出水的味觉与嗅觉的不佳；由于长期使用，细菌产生了抗药性，使氯气的用量逐年增加。 二氧化氯消毒技术：相对于臭氧和氯消毒，杀菌能力更强，剩余量更稳定，作用更持久，消毒后不产生有毒的三氯甲烷等氯化有机物，并能有效地控制出水的色度、嗅味，还可沉淀水中的铁、锰等，因此用量少、作用快、杀菌率高。但成本较氯高；不易压缩储存，只能在使用现场制造。常用于代替预氯处理或（混凝沉淀）前加氯，即作为第一次消毒及氧化。 臭氧氧化技术：臭氧的消毒机理包括直接氧化和产生自由基的间接氧化，与氯和二氧化氯一样，通过氧化破坏微生物的结构，达到消毒的目的。其优点是杀菌效果好，用量少，作用快，能同时控制水中铁、锰、色、味、嗅。可将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；可氧化嗅味和致色物质，从而减少嗅味，降低色度；可氧化溶解性铁、锰，形成不溶性沉淀，通过过滤去除；可将生物难分解的大分子有机物氧化分解为易于生物降解的小分子有机物8。通过臭氧与其它消毒剂比较研究后得出以下结论：从消毒效果看，臭氧二氧化氯氯氯胺。而从消毒后水的致突变性看则氯氯胺二氧化氯臭氧。由此可显示出臭氧消毒的优点。国际上已普遍应用，特别是法国普及率很高。但由于臭氧对细菌有显著的后增长效果，因此近来人们注意将臭氧与其它净水技术结合使用：如臭氧氯、臭氧紫外线消毒、臭氧与生物活性炭（O3BAC）9（Kim10等人发现经臭氧氧化处理后，水中可生物降解性有机物增加30%，再经过生物活性炭处理后，可生化部分有机物得到有效去除。但臭氧对一些农药类物质、有机卤代物的分解效率很低，当原水中溴离子含量较高时，在一定条件下会形成溴酸盐，还使腐殖质产生甲醛，两者都有致突变性，这将是O3BAC技术应用过程中值得高度关注的重要问题10）等，能获得满意的杀菌效果11。其他新型消毒技术还有光氧化技术、光催化氧化技术、超临界水氧化、超声氧化法（UltrasonicIrradiation，UI）、微波消毒、高锰酸钾氧化、高铁酸钾氧化、磁化消毒、表面接触消毒技术、膜消毒技术、Fenton反应、电化学氧化（ElectrochemicalOxidation）、凝效果、生物活性碳技术等。各种新技术的问世，给人们带来了新的希望，可是由于价格、性能或产品水生物稳定性等方面的制约，这些新技术还不能替代氯消毒12。1.2.5 深度处理工艺我国近年来水源水质日益恶化且短期内难以根本好转，而我国饮用水水质标准又越来越严，公众对水质的要求也越来越高，因此为了解决饮用水水质现状与目标的矛盾，合理选择给水深度处理工艺已经成为给水处理的重要任务和面临的挑战。随着试验研究的发展及对已有工程的认真总结，加上国外技术的引进，应该相信给水深度处理技术在我国将得到大力发展和广泛应用13。常见深度处理技术还有：化学氧化、空气搅拌、生物法、膜技术14及新型合成吸附剂等。原水水质是选择饮用水深度处理工艺的依据15。活性炭吸附进行深度处理。活性炭技术是20世纪60年代从国外引进的深度处理技术，不仅是最成熟有效的方法，而且是具有潜力的技术。活性炭是一种多孔性物质，内部具有发达的空隙结构和巨大的比表面积，活性炭的空隙分为大孔、过渡孔和微孔，大孔主要分布在活性炭表面，对有机物的吸附甚微，过渡孔是水中大分子有机物的吸附场所和小分子有机物进入微孔的通道，而微孔则是活性炭吸附有机物的主要区域，微孔构成的比面积占总面积的95%，活性炭对有机物的去除受有机物特性的影响，主要是有机物的极性和分子大小的影响，同样大小的有机物，溶解度愈大，亲水性愈强，活性炭对其吸附性愈差。活性炭对水中氯化产生的“三致”物质不能有效去除，特别是对卤代烃前驱物和分子量大于3000的物质去除效果更差。当进水浊度高时，活性炭微孔极易被阻塞，导致活性炭的吸附性能下降，虽然再生能使活性炭恢复吸附能力，但随着活性炭使用年限的增加，孔隙率及比表面积将不断降低，吸附容量也必然降低。臭氧（O3）是一种很强的氧化剂和消毒剂，其氧化还原电位为+2.07V，它可使水中大分子的有机物分解为小分子状态，改变水中成分达到净水的目的。但O3与有机物的反应具有较强的选择性，还可导致水中可生物降解物质的增多，使出水厂的生物稳定性降低，容易引起细菌繁殖。臭氧的强氧化性也造成它在水中不稳定，容易失效，在管网中杀菌效果不能持久，因此臭氧很少在水深度处理工艺中单独使用，在此基础上发展了臭氧与活性炭联用技术。臭氧生物活性炭技术是目前国际上最先进的水处理工艺，在日、欧、美广泛应用。在日本，越来越多的给水厂采用O3BAC；在欧洲被认为是处理污染源水、减少饮用水中有机物最有效的技术，如德国的缪尔海姆水厂、法国的梅里苏瓦兹水厂。我国一些大城市也有应用实例，如上海周家渡水厂、杭州的南星桥水厂，都收到了良好效果。目前国外普遍采用的工艺流程如图1.116、17。源水预臭氧加药沉淀生物砂虑臭氧生物活性炭氯化图1.1 臭氧生物活性炭工艺流程1.3 国外给水处理技术随着经济的迅猛发展，大量未经处理的工业废水和生活污水排入水体，造成水体严重污染。如作为欧洲一些国家主要供水水源的莱茵河，氨氮、硝酸盐、硫酸盐、氯化物以及化学耗氧量等指标不断恶化，河水中有致癌危险的有机物大量增加，破坏了可利用的水资源。现在地表水中已检出2221种有机物，其中765种存在于饮用水中，20种为确认致癌物、23种可疑致癌物、18种促癌物、56种致突变物，这无疑对人体健康造成极大的危害18、19。为此，国外城市给水处理技术采取了一系列有效措施，确保了供水水质的安全。1.3.1 反应沉淀池欧洲常采用高密度澄清池，其特点是将污泥进行回流，增强絮凝体的活性和沉淀效果，处理效率高，节省絮凝剂30%左右。剩余污泥浓度高（可达2030g/L）脱水容易，出水水质好，适应处理高浊度且浊度变化较大的原水。美国基本采用机械反应池和平流沉淀池。其平流沉淀池短而宽，对出水设计要求不高，多用指形槽、溢流堰、淹没孔口等形式。排（刮）泥设备好，采用不锈钢链条式刮泥机，先把污泥刮到池中的污泥槽内适当浓缩再用螺旋泵抽出，这样污泥的含水率低，水量损失少，排泥水量仅占水厂产水量的1%左右。国外一些水厂反应沉淀构筑物技术参数见表1.1。表1.1 国外一些水厂反应沉淀构筑物技术参数厂名池形技术参数法国巴黎Orly脉冲澄清池沉淀时间1.5h；清水区上升流速3.1mm/s德国斯图加特莱格朗高密度沉淀池沉淀时间10min；上升流速2030m/h；池深7m；沉淀区面积170m2；泵回流，回流污泥量90%95%；出水浊度1NTU英国阿姆莱气浮沉淀池沉淀时间2030min；进水色度40度；出水色度2.53度；进水Mn3570g/L；出水Mn20g/L美国Henry机械反应平流沉淀池反应时间20min；沉淀时间107min；沉淀池111.3m32m4.3m1.3.2 滤池技术参数欧洲现阶段滤池以气水反冲滤池为主。滤料多为23层，美国多为表面辅助冲洗多层滤池。滤料仍以石英砂、无烟煤为主。1.3.3 加药和消毒工艺与我国相比，助凝剂在国外水厂得到了广泛应用，并且混凝剂、助凝剂、消毒剂的品种多，投加工艺先进，实现了自动化、液体化、罐装化。液体药剂广泛应用使得成本低，便于实现自动化，解决了药剂溶解和沉渣处理的困难20。给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活引用或工业使用所要求的水质。水处理方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求确定。在给水处理中，有的处理方法除了具有某一特定的处理效果外，往往也直接或间接地兼收其他处理效果。为了达到某一目的，往往几种方法结合使用21。长期以来，给水工艺仍然是混合、絮凝、沉淀、过滤和消毒几个阶段，宏观上理论上尚无重大突破，然而在微观上，净化工艺却不断地改进，对给水处理的认识也不断地更新。理论的继续深化、促进了给水工艺水平的提高22。随着经济的发展，人民生活水平的提高以及环保问题的日益突出，给水处理正成为人们关注的焦点，在原有基础上对给水处理工艺进行强化、深化、优化将是一项刻不容缓的任务23。1.3.4 对我国的启示根据我国自身的水处理现状，以及我国对水处理水质的要求，对国外先进的水处理技术应保持学习的态度。对于不同的地区和水质应具体分析，不能盲目照抄照搬国外工艺。因此，需进行以下改良。 采用科学合理适用的工艺流程，设计生产能力应与实际产水量相适应，绝不超负荷运行。 按需投加絮凝剂、助凝剂和消毒剂，重视混凝工艺，在低温低浊度季节应压缩产水量。对于原水水质较差的水厂，不能采取预氯化工艺，同时推广新型的消毒剂。 对于污染较为严重的水源，季节性有臭和味的水源可采取投加粉末活性炭的办法；对于一些老水厂改造，可借鉴美国水厂的经验，将普通滤池改造为炭砂双层滤料滤池，可充分利用现有的工艺设施，取得较好的出水效果。在经济条件较好的地区，可采用O3/GAC联用技术24。1.4 本课题研究的意义鉴于中国人均水资源量少、社会用水需求量大、水环境污染严重的基本水情和国情，中国水资源可持续开发利用必须建立“节流为先，治污为本，多渠道开源”的新战略，并以此指导城市水管理政策、规划和方案的制定。供水系统是城市不可缺少的基础设施，供水的质量与价格关系到国计民生。采取技术措施，保证供水质量、降低供水价格是十分必要的。作为供水系统的重要组成部分，给水处理工艺设施是决定水质与水价的关键环节，对其工况进行合理调节，从而在满足用户水质要求的同时最大限度地降低水处理成本，很有意义。这是涉及给水处理系统优化的问题。为此，本设计对给水处理厂的工艺进行设计，并就实现这一目标进行探讨。552 设计方案的确定2.1 设计所要解决的问题结合任务书的要求，提出给水厂水处理工艺的合理方案，满足100万人口的城市供水要求。2.2 设计水量的计算和处理流程的初步选择2.2.1 给水处理厂的设计水量通过查阅给水工程附表，确定居民生活用水定额q取200L/cap.d，规划人口为100万，自来水普及率f为100%，水厂自用水量为10%，则设计用水量：2.2.2 确定给水处理的工艺流程通过分析水质资料，本工程的水源为黄河水，长途输送至汾河水库，再经取水塔，由隧洞和管道重力输送至水厂。原水水质浊度为正常小于30NTU，洪汛时小于300NTU，最高小于1000NTU，并达到地面水环境质量标准中类水质标准；黄河水含砂量为520kg/m3。其水质状况见表2.1。表2.1 黄河流域重点断面水质状况表pHDO(mg/L)COD(mg/L)NH3-N(mg/L)8.37.693.000.84国家生活饮用水卫生标准（GB57492006）中规定的相关参数指标见表2.2。表2.2 生活饮用水卫生标准pHCOD(mg/L)浊度6.58.53.001由于本设计中给水厂水源为黄河水，原水浊度高，含沙量较大，为了达到预期的混凝沉淀（或澄清）效果，减少混凝剂用量，应在常规处理基础上增设初沉池进行预处理。具体工艺流程见图2.1。原水混凝剂初沉池混合池絮凝池沉淀池滤池活性炭滤池管网二级泵房清水池加氯图2.1 水处理工艺流程图3 预处理设计3.1 预沉池平面尺寸设计采用两座平流式沉砂池，每座流量。 沉砂池有效容积V （31）设计中取停留时间T=30min=1800s，则： 沉砂池长度L （32）设计中取水平流速v=0.02m/s，则： 沉砂池宽度B （33）设计中取沉砂池的有效水深H=4m，则：3.2 进水系统 沉砂池进水部分设计原水到沉砂池之间的连接管管径为DN1500，即沉砂池进水管管径为1500mm。 沉砂池出水部分设计沉砂池出水采用薄壁溢流堰，渠道断面采用矩形。溢流堰总长为： （34）设计中溢流堰上负荷q=900m3/md，则：沉砂池出水管管径初定为DN1500，此时管道内的流速V0为： （35） 沉砂池的放空管管径d （36）设计中取放空时间t=1h，则：设计中放空管管径为DN500。 排泥设备的选择沉砂池底部设污泥斗，每组沉砂池设20个污泥斗。污泥斗顶宽4m，底宽0.5m，污泥斗深h1=0.8，采用HX8-14型车式吸泥机。 沉砂池总高度H （37）式中h2为超高，设计中取0.5m，则：平流沉砂池计算草图见图3.1，详细的平面示意图见附图1。图3.1 平流沉砂池示意图4 投药系统的设计4.1 稳压配水井的设计配水井具有消能作用，使原水均匀稳定的净如净水系统，避免受取水泵站富余，水头的影响，同时又具有排气的作用，使溶解在水中的部分气体溢出，以利于后续处理。4.2 药剂的选择和投加量4.2.1 混凝剂的选用混凝剂选用：碱式氯化铝Aln(OH)mCL3n-m简写PAC。碱式氯化铝在我国从七十年代初开始研制应用，因效果显著，发展较快，目前应用较普遍，具用使胶粒吸附电性中和和吸附架桥的作用。其特点为： 净化效率高，耗要量少，除水浊度低，色度小、过滤性能好，原水高浊度时尤为显著； 温度适应性高，PH值适用范围宽（在pH=59的范围内，而不投加碱剂）； 使用时操作方便，腐蚀性小，劳动条件好； 设备简单、操作方便、成本较三氯化铁低； 无机高分子化合物。4.2.2 混凝剂的投加量由于缺少试验资料，参考相似水源有关水厂的首剂投加资料估计投药量。碱式氯化铝平均投加量30mg/l，最高投加50mg/l。4.3 混凝剂的配置和投加4.3.1 混凝剂的溶解和溶液的配置常用的药剂投加方法有干投法和湿投法两种，湿投法是将混凝剂溶解后再配成一定浓度的溶解定量投加；干投法是将固体药剂破碎成粉末后惊醒定量投加，由于试投法在实际中用较多，药剂易于原水充分混合，不易堵塞入口，计量管理方便，且投量少，易于调节，因此本设计采用湿投法投药。 溶液池容积W的计算 （41）式中：Q近期设计流量，Q=220000m3/d=9167m3/h； u最大药剂投加量，取50mg/L； b溶液浓度，一般为5%20%，设计中取15%； n每天调制次数，取2。代入数据，得：溶液池设两座（一备一用），则每个容积为W/2=18.3m3。溶液池有效高度取2.0m，超高0.3m，溶液池形状采用矩形，尺寸为：长宽高=4m4m2.3m。 溶解池的容积W1的计算 （42）设计中取W1=11m3。溶解池设两座，则每座容积为W1/2=5.5m3。有效高度取1.0m，超高0.3m，池的形状采用矩形，尺寸为：长宽高=2.5m2m1.3m。池底坡度采用2.5。溶解池搅拌设备采用中心固定式平桨板搅拌机，两池材料都采用钢筋混凝土，内壁涂衬聚乙烯板。4.3.2 投加方式混凝剂投加采用液体投加，投加方式选用计量泵投加，在药液池内直接吸取药液，加入压力水管内，如图4.1所示。图4.1 计量泵投加示意图4.3.3 药剂仓库药剂仓库设计参数9m/（104m3.d）。面积为119=99 m。室内高4.5m，用人力推车投药，药库面积设计尺寸：10m10m。4.4 混合方式本设计采用管式静态混合器混合。此方式设备简单，维护管理方便，不需土建筑物，混合效果好，不需外加动力设备。管式静态混合气直径D混合： （43）式中：D静态混合器直径，；Q设计水量，m3/s；v水流速度，一般为1.0m/s左右，设计中取1.2m/s。代入数据，得：水流经过静态混合器的水头损失h为： （44）式中：h水流经过静态混合器的水头损失，m； n混合器单体数，取n=3。代入数据，得：管式静态混合器草图见图4.2。图4.2 管式静态混合器5 絮凝池的设计机械絮凝池的主要优点是可以适应水量变化，以及水头损失较小。本设计即采用垂直轴式机械絮凝池。5.1 设计要点 池数一般不少于2个； 叶轮半径中心点的线速度进口处采用0.50.6m/s，出口处0.20.3m/s，其值一般均采取逐渐减小的变速，第一排搅拌器转速最大，其他各排逐渐减小； 搅拌器排数为34排，搅拌轴应设于池中水深1/2处； 叶轮直径应比反应池水深小0.3m，叶轮尽端与池子侧壁间距不大于0.5m； 同一搅拌器两相邻叶轮应相互垂直设置； 每根搅拌轴上桨板总面积宜为水流截面积的1020%，不宜超过25%，每块桨板的宽度一般采用1030cm； 絮凝池深度按照水厂标高系统布置确定，一般为34m； 全部搅拌轴及叶轮等机械设备，如系木料，则均涂以防腐漆，如系钢铁材料，则均应涂锌防腐； 轴承和轴架宜设于池外，以避免其在池中容易进入泥砂，致使轴承的严重磨损和轴杆的折断。5.2 机械絮凝池的设计计算经过与药剂充分混合后的原水，进入机械絮凝池进行反应，设计流量Q=22万m3/d，采用两个池子，则每池的设计流量为Q/2=110000m3/d=4583.3m3/h。5.2.1 反应池尺寸反应时间取T=20min，则反应池有效容积W为： （51）为配合沉淀池尺寸，反应池分为五组，每组分成三格，则每组池的有效容积W为： （52）设计中取每格的尺寸为：长宽=4.6m4.6m，即每格的面积A=21.16m2。则反应池的水深H为： （53）反应池的超高取0.3m，则总高度为H总为5.1m。反应池分格隔墙撒谎那个过水孔道上下交错布置，每格设一台搅拌装置，为加强搅拌效果，在池子周壁设四块固定挡板。5.2.2 搅拌装置叶轮半径d应比池内水深少0.3m，即取d=4.5m，叶轮桨板中心点线速度采用v1=0.5m/s，v2=0.35m/s，v3=0.2m/s。桨板长度取l=3m（l/d=3/4.5=0.670.75，故符合要求）。桨板宽度取b=0.14m，每根轴上桨板数为8块，内外各4块。旋转桨板面积与反应池过水断面面积之比为：8lb/A断面=8lb/Hd=830.14/(4.84.5)=15.6%，该比值符合在1020%之间的要求。4块固定挡板取宽高=0.14m1.5m，其面积与絮凝池过水断面面积之比为：桨板总面积占过水断面面积百分比为：15.6%+3.8%=19.425%，也符合要求。桨板中心点旋转直径D0为： （54）叶轮转速分别为： （55） （56）同理可得：，；，。桨板旋转时克服水的阻力所消耗的功率为： （57）式中：N0桨板旋转时克服水的阻力消耗的功率，kgm/s；y每个叶轮上的桨板数目，y=4个； k系数， ； l桨板长度，l=3m； w叶轮旋转的角速度，rad/s； r1叶轮半径，r1=D/2=2.25m； r2叶轮半径与桨板宽度之差，r2=r2-b=2.25-0.14=2.11m； （58）式中：阻力系数，根据桨板宽度与长度之比确定。因为桨板宽长比b/l=0.14/31，查表得：=1.10；水的密度，=1000kg/m3；代入数据，得：将数据代入公式57，得：对第一格桨板：对第二格桨板：对第三格桨板：转动每个叶轮所需要的电动机功率N： （59）式中：N转动每个叶轮所需要的电动机功率，kw； 1搅拌器机械总效率，取0.75；2传动效率，一般为0.60.95，设计中取0.8。代入数据，得：设三台搅拌设备合用一台电动机，则絮凝池一组所消耗总功率为： （510）所需电动机功率N电（取1=0.75，2=0.7）： （511）图5.1为机械絮凝池草图，详细的平面示意图见附图2。图5.1 机械絮凝池平面示意图6 沉淀池的设计固体颗粒在重力作用下从水中分离出来的过程即为沉淀。本设计采用斜管沉淀池，斜管沉淀池是有浅池理论房展而来的，它在池内安装了许多直径较小的平行倾斜管，从而缩小了水利半径，改善了水利条件，使雷诺数大为降低，满足了水流的稳定性和层流要求，斜管沉淀池的特点是沉淀效率高，池子容积及占地面积小。采用两座斜管沉淀池，每座设计流量Q1为：斜管沉淀池与反应池合建，池有效宽度B=15m，颗粒沉降速度u0=0.35mm/s。6.1 设计要点 斜管断面一般采用蜂窝正六边形，亦可采用矩形或正方形，其内径或边距一般取2540mm； 斜管长度一般为80100cm左右，可根据斜管材料和水力计算决定； 斜管的水平倾角常采用60； 斜管上部的清水区高度一般在0.81.0m以上，较高的清水区有助于出水均匀和减少日照影响和藻类繁殖； 斜管下部的布水区高度一般采用1.2m左右，为使布水均匀，在沉淀池进口处应设穿孔墙或格栅等整流措施； 积泥区高度应根据沉泥量，沉泥浓缩程度和排泥方式等确定； 斜管沉淀池采用侧面进水时，斜管倾斜以反向进水为宜； 为了防止水流短路，应在池壁和池管的空隙间安装阻流墙等； 斜管沉淀池的出水系统应与一般澄清池相同，可采用穿孔管或穿孔集水槽集水。6.2 池体设计6.2.1 设计采用的数据清水区上升流速：v=4.0mm/s，采用塑料片热压六边形蜂窝管，管厚0.4mm，边距d=25mm，水平倾角=60。6.2.2 清水区面积A根据以上设计的数据，得： （61）其中斜管结构占用面积按3%计，则实际清水区面积A为： （62）为了使配水均匀，采用清水区平面尺寸长（L）宽（B）=22m15m，使进水区沿22m长一边布置。6.2.3 斜管长度斜管内水流速度v0为： （63）斜管长度l为： （64）式中：l斜管长度，m； v0斜管内的水流速度，v0=4.0mm/s； u0设计采用的颗粒沉降速度，u0=0.35mm/s； 斜管的水平倾角，60； d斜管的内径或边距，d=25mm。代入数据，得：考虑到管端紊流，积泥等因素，过渡区长度l采用150mm，则斜管总长度l总为l+l，即l总=830+150=980mm，按照1000mm计。6.2.3 沉淀池高度 采用超高：0.3m 清水区高：1.3m 布水区高：1.5m 穿孔排泥槽斗高：1.0m 斜管高度h： （65）则沉淀池总高度H为： （66）设计中取H=5.0m。6.2.4 沉淀池进口穿孔花墙穿孔墙的洞口流速采用：v1=0.4m/s，则洞口面积A1为： （67）设计中每个洞口的尺寸定为：15cm8cm；则洞口数n为： （68） 穿孔墙布于布水区1.5m范围内，孔共分5层，每层54个。6.2.5 集水系统采用两侧淹没孔口集水槽集水。 孔口计算所需孔口总面积为： （69）式中：f所需孔口总面积，m2； 超载系数，取1.3； 流量系数，取0.62； h0孔口上的水头，取0.05。代入数据，得：孔口采用直径d0=25mm的圆孔，单孔面积f0为： （610）则孔口数n为： （611）设共有15个集水槽，则每个集水槽孔眼个数m1=m/15=5500/(152)=184个。因采用双边进水，故每边孔眼个数为m0=m1/2=92个。 集水槽的宽度和高度计算 假设穿孔集水槽的起端水流截面为正方形，也即宽度等于水深，则： （612）式中：B2穿孔集水槽的宽度，m；Q2穿孔集水槽的流量，m3/s。孔口流速v2为： （613）每个集水槽的计算流量Q2为： （614）将以上数据代入公式（612），得：为了施工方便，设计中取B=0.3m。 槽高H2槽起端水深取0.2m，终端水深取0.4m，为了施工方便，统一取0.4m。跌落、淹没深度取0.05m，跌落高度取0.07m，起高取0.3m。则集水槽高度H2为： （615） 集水干槽的计算集水干槽流量为Q1/2，考虑到超载系数为1.3，则集水干槽实际流量Q3为： （616）由此可进行以下计算： 槽宽B3： （617） 干槽起端水深h起： （618） 干槽终端水深h终： （619）设计中取B3=0.86m，h起=0.65m，h终=1.07m。 集水干槽高度H3：槽中水深h3取1.0m超高h3取0.1m，则： （620）6.2.6 排泥系统采用穿孔管排泥，穿孔管横向布置，沿与水流垂直方向，共设8根，双侧排泥至集泥渠。集泥渠长15m，宽高=0.3m0.3m。孔眼采取等距布置，穿孔管长l4为16.50m，首末端积泥比为0.5。取孔径d4=25mm，则孔口面积f4为： （621）取孔距s=0.4m，则孔眼数目N为： （621）孔眼总面积f4为： （622）查表得kw=0.72，则穿孔管断面面积w为： （623）穿孔管直径D4为： （624）取直径D4=160mm，孔眼向下，与中垂线成45角，并排排列，采用气动快开式排泥阀。出水管管径D5为： （625）设计中取D5为DN1200mm。6.2.7 核算 雷诺数（Re）核算 （626）式中：R水力半径，cm； v 管内水流速度，cm/s； 水的运动粘度，当水温为20时，=0.01cm2/s。水力半径R为： （627）管内流速v为： （628）数据代入公式（625），得：因为Re=28.1500，故雷诺数符合要求。 弗劳德系数（Fr）核算 （629）故弗劳德系数也符合要求。 斜管中的沉淀时间T （630）沉淀时间也满足在25min之间的要求。斜管沉淀池平面示意图见附图3。7 过滤设备的设计在水处理过程中，过滤一般指以适应沙等颗粒层截留水中悬浮物杂质，从而使水中获得澄清的工艺过程。过滤的功效，不仅仅在于进一步降解水得浊度，而且水中有机物，细菌，乃至病毒等随浊度的降低而被去除。至于残留于滤后水中的细菌，病菌等在失去浊物的保护或依附时，在滤后消毒过程中也容易被杀灭。此工艺步骤是保护生活饮用水卫生安全的重要措施。本设计采用V型滤池。7.1 设计要点 滤速可达720m/h，一般为12.515m/h； 采用单层加厚均质滤料，粒径一般为0.951.35mm，允许扩大到0.702.00mm，不均匀系数为1.21.6或1.8之间； 对于滤速在720m/h之间的滤池，其滤层厚度在0.951.35mm之间选用，对于更高的滤速还可相应增加； 底部采用带长柄滤头底板的排水系统，不设砾石承托层； 反冲洗一般采用气冲，气水同时反冲和水冲三个过程，大大节省反冲洗水量和电耗，气冲强度为1316L/sm2，清水冲洗强度为3.64.1 L/sm2，表面扫洗用原水，一般为1.42.2 L/sm2； 整个滤料层在深度方向的粒径分布基本均匀，在反冲洗过程中滤料层不膨胀，不发生水力分级现象，保证深层截污，滤层含污能力高； 滤层以上得水深一般大于1.2m，反冲洗时水位下降到排水槽顶，水深只有0.5m； V型进水槽和排水槽分设于滤池的两侧，池子可沿着长的方向发展，布水均匀V 型滤池是恒水位过滤，池内的超声波水位自动控制可调节出水清水阀，阀门可根据池内水位的高、低，自动调节开启程度，以保证池内的水位恒定。V 型滤池所选用的滤料的铺装厚度较大（约1.4m），粒径也较粗（0.951.35mm）的石英砂均质滤料。V型滤池的另一个特点是单池面积较大，过滤周期长，水质好，节省反冲洗水量。单池面积普遍设计为7090m2，甚至可达100m2以上。由于滤料层较厚，载污量大，滤后水得出水浊度普遍小于0.5NTU。7.2 设计参数的确定设计水量为Q=220000m3/d，滤速v=10m/h。滤池冲洗强度见表7.1。表7.1 滤池冲洗强度一览表冲洗强度（L/sm2）冲洗时间（min）第一步（气冲）1.53第二步（气水同时冲洗）空气：15；水：44第三步（水冲）55由上表确定：总冲洗时间t=12min=0.2h；冲洗周期T=48h；反冲洗强度一般取1.42.0 L/(sm2)，设计中取1.8 L/(sm2)。7.3 设计计算7.3.1 池体设计 滤池工作时间t0为： （71）上式中为考虑滤池排放滤水的时间。 单座滤池面积F设计中设置四座滤池（即N=4），则每座滤池的面积F为： （72） 滤池的分格为了节省占地，选双格V型滤池，池底板用混凝土，确定单格尺寸为：长（L）宽（B）=15m8m，单格面积f为120m2。四座滤池共分八格，左右对称布置。每座滤池的面积F=240m2，滤池总面积为960m2。 校核强制滤速v （73）满足v20m/s。 滤池高度的确定设计中取：滤板下布水区高度H1=0.9m；滤板厚度H2=0.15m；滤层厚度H3=1.4m；滤池的水深H4=1.5m；滤池超高H5=0.3m。则滤池高度H为： （74） 水封井的设计滤池采用单层加厚均质滤料，粒径0.951.35mm，不均匀系数为1.201.60，均质滤料清洁滤料层的水头损失H为： （75）式中：H水流通过清洁滤料层的水头损失，m；水得动力粘度，20时为0.0101cm2/s； g重力加速度，设计中取g=981cm/s2； m0滤料孔隙率，设计中取0.50； 滤料粒径球度系数，天然沙粒为0.7508，设计中取0.75； d0与滤料体积相同的球体直径，设计中取0.141cm； H3滤层厚度，设计中取140cm； v滤速，设计中取v=10m/h=0.28cm/s。代入数据，得：当滤速为810m/h时，清洁滤料层的水头损失h1一般为3040cm，计算值比经验值低，取经验值的低限30cm为清洁滤料层的过滤水头损失，正常过滤时通过长柄滤头的水头损失为h2=0.20m，忽略其他水头损失，则每次反冲洗后刚开始过滤时，水头损失H1为： （75）为保证滤池正常过滤时池内的液面高出滤料层，水封井出水堰顶标高与滤料层相同。设计水封井平面尺寸1.50m1.50m，堰底板比滤