水质均化池容积计算方法.doc

作者：张玉镭；工作单位及通讯地址：山东农业大学水利学院市政工程系；邮编：271018；电话：（0538）8272701水质均化池容积计算方法张玉镭提要 明确了水质均化的均化要求和两类水质均化的特征，给出了水质均化过程的数学模型及水质均化池最小有效容积的迭代计算算法。用多周期均化过程的计算示例，说明了该计算方法的使用。关键词均化池 工业废水 水质 均化 调节池对于一个水处理系统，当废水的水量和水质（浓度、水温等指标）变幅较大时，一般要设置均化池（也称为调节池）。通过水质均化可以均衡和稳定水质负荷从而改善废水的可处理性。在工业废水处理工艺中均化预处理操作常常是必要的、有时甚至是关键性的。均化池工艺计算主要是确定水质均化池最小有效容积；这个池容是在完全混合条件下的理论计算值，其大小由水质、水量的不均匀特性和后续工艺对水质及水量均化的要求决定。给出水质均化池最小有效容积的计算方法其意义不仅在于它对工艺设计中确定水质均化池容积是必要的；并且计算所得出水水质的时序数据，还可作为后续工艺进水的时序数据和工艺模拟的基础。1 计算方法1.1 直观的计算方法现行水质均化池容积计算方法一般是：取浓度较大的若干时间段内进水体积之和作为理论容积，取这段时间内废水的平均水质数据为其均化出水的水质指标最大值；在确定水质均化池的实际设计容积时，考虑到池中废水流态不能完全符合瞬间完全混合的理论假设，对理论计算容积要作经验校正。从总体上看，现行设计方法属于直观简便的方法，由于它没有体现出废水流量和浓度大小变化特征及水质水量变化特殊趋势的相互关联这两个基本因素，因而致使直观的方法很难做到合理地确定水质均化池容积。1.2 其它均化池容积计算方法概率统计方法：当废水流量接近常数且废水水质为随机分布时可用概率统计方法确定均化池的池容。显然，废水的不均匀特性符合一定随机规律的情况不是多见的，因此概率统计方法的适用范围较小。有限差分法：在连续流完全混合条件下，各种不均匀特性的废水进行定容积均化或变容积均化时，可对其混合过程数学模型用有限差分法求解。使用求得的浓度迭代式，取不同的池容作多次尝试以考察浓度的均化程度是否满足要求，刚好能满足要求的池容即为均化池最小有效容积。这两种计算方法都可以更稳定且准确地算出水质均化池的理论容积12。本文由简单的数学模型更简捷清晰地获得水质均化池最小有效容积的算法。2 水质均化池的均化要求决定水质均化池容积的因素之一就是水处理系统对进水水质水量的均化要求。水质均化要求和流量均化要求是计算均化池最小有效容积的条件和算法依据之一。一般水质均化池的后续工艺对水质均化池出水在流量上要求连续均匀出水，对水质要求均化到一定程度1。水质的均化程度可用如下方法表示：出水水质指标的（1）最大值与平均值之比，即峰值(用PF表示)；（2）平均值与最低值之比；（3）最大值与最小值之差；（4）最大限定值等。按均化池功能不同，可把水质均化池分成两种类型：恒水位水质均化池和变水位水质均化池。为叙述方便，以下把浓度作为待均化的水质指标。3 恒水位水质均化池3.1 恒水位水质均化池特征恒水位水质均化池是池内水量恒定而出水流量与进水流量相等的水质均化池。它仅对水质起到均匀化的作用、而对水量无均化作用。3.2 恒水位水质均化池数学模型均化池容积恒为V；在废水不均匀变化周期内，水量和水质测定的时间间隔为t；第i个时间间隔内的平均废水流量为qi，平均溶质浓度为ci，i=0,1,2n-1；当进入均化池时池中的溶质浓度为Ci；假定溶质在水质均化池中无相转移和化学变化，并且废水在瞬间均匀混合；混合后浓度为Ci+1，自池中流出流量为qi、浓度为Ci+1的废水；如此往复进行使废水浓度得以均化。如图1所示：V,Ci qi ,ci 第i时段:进水V,Ci+1 qi ,Ci+1第i+1时段: 出水图1 恒水位水质均化池时段变化示意图物料衡算式：ciqit+VCi= Ci+1qit+VCi+1整理，得迭代计算数学模型：Ci+1=给出ci 、qi (i=0,1,2n-1)、t、V和C0，则由上式迭代计算，可得Ci+1。讨论：（1）均化池初始浓度C0对一个周期的迭代运算结果略有影响，作多周期迭代计算时对结果无影响，为计算方便可取废水浓度测定值的平均值。（2）每给出一个V值，即可得到一个均化出水浓度系列值，可验证所取的V值是否满足均化出水的浓度要求。多次尝试可得到一个满足均化出水浓度要求的最小V值，即是恒水位水质均化池最小有效容积的计算值。4 变水位水质均化池4.1 变水位水质均化池特征变水位水质均化池按水量均化要求可连续均匀出水、池内水量按一定特征不断变化；它对水质和水量都有均化作用。变水位水质均化池容积不得小于只作相应水量均化的水量均化池的池容，在这个基础上池容积越大，水质均匀化程度越大。4.2 变水位水质均化池数学模型变水位水质均化池与恒水位水质均化池不同的只是两点：其一是池内存水体积Vi是变化的；其二是出水按照水量均化的要求应是均匀的，流量为q 。如图2所示：V i,Ci qi ,ci 第i时段:进水 V i+1,Ci+1 q , Ci+1第i+1时段: 出水图2 变水位水质均化池时段变化示意图物料衡算式：Vi+1=qit+Vi-qtciqit+ViCi= Ci+1qt+Vi+1Ci+1整理，得：Ci+1=Vi+1 和Ci+1两个迭代式即为变水位水质均化池迭代计算数学模型。给出ci 、qi (i=0,1,2n-1)、t、V0和C0，则由上式迭代计算，可得Vi+1和Ci+1。讨论：（1）均化池初始浓度C0对头一个周期的迭代运算结果略有影响，一般对两个周期以后的迭代计算结果无影响。为计算方便可取废水浓度测定值的平均值。（2）每给出一个V0值，即可得到一个均化出水浓度系列值Ci和池中水量系列值，可验证所取的V0值是否满足均化出水的浓度要求。多次尝试V0值可得到一个满足浓度要求的最小的V0值，相应的Vi中的最大值即是变水位水质均化池最小有效容积。（3）对于连续均匀出水的变水位水质均化池，池中初始水量为V0，它的出水流量q是整个废水不均匀周期中废水流量的算术平均值；5 计算示例废水水量水质数据：tiqicitiqici050300012375700129270013684700240380014403000353440015643500458230016405300536180017404200638280018252600731390019254400848240020334000938310021362900104042002240370011453800235031005.1 恒水位水质均化池最小有效容积计算示例按最大浓度与平均浓度之比PF1.2作为水质均化浓度要求，根据恒水位水质均化池最小池容迭代计算数学模型，利用MathCAD7.0软件编制的工作表（见图3），进行5周期均化过程的迭代计算，经几次尝试后，满足废水均化要求的最小池容确定为109.5m3。图3 恒水位水质均化池容迭代计算MathCAD7.0软件工作表5个周期的计算数据如下：第一周期均化池出水浓度：3554；3380；3238；3388；3718；3227；2874；2855；3086；2877；2934；3273；3426；4001；4269；3929；3771；4180；4185；3891；3985；3989；3719；3714；第二周期均化池出水浓度：3522；3358；3220；3375；3710；3221；2870；2852；3083；2875；2933；3272；3426；4000；4268；3929；3771；4180；4185；3891；3985；3989；3719；3714；第三周期以后均化池出水浓度与第二周期同的相同。平均出水浓度为：3559（mg/L）；最大出水浓度为4269（mg/L）；PF=4269/3559=1.2。试算数据表明，当均化池运行一个周期后，均化池内的浓度已开始稳定，也即通常在最后试算中只模拟试算两到三个周期就能确定一个计算容积是否符合要求。为了更好地适应周期性特点显示计算结果，在此选用极坐标作图。幅线位置代表时序点，按逆时针顺序自i=0（幅角为0度）开始排列。第二周期以后的曲线与第二周期的曲线基本上完全重叠,如图4所示。进水浓度ci（mg/L）曲线出水浓度Ci+1（mg/L）曲线图4 恒水位水质均化池进水与出水浓度曲线PF=1.25.2 变水位水质均化池容积计算示例变水位水质均化池连续均匀出水、出水浓度峰值比要求为PF=1.2时，根据变水位水质均化池最小池容迭代计算数学模型，利用MathCAD7.0软件编制的工作表（见图5），经尝试确定了最小有效池容计算值为150.7m3。图5 变水位水质均化池容迭代计算MathCAD7.0软件工作表两周期的迭代计算详细计算结果为：iViCiiViCi010535542410535041113.2337525113.233412100.3323826100.33210398.533982798.533784109.7374828109.737365125.8324729125.83239612029253012029197116.2289531116.228908105.3310732105.331039111.5288633111.5288310107.7294034107.7293811105.8328135105.8328012109343636109343513104.2401037104.2400914130.3428238130.3428215128.5398139128.5398116150.7382140150.7382117148.8413141148.8413118147414642147414619130.2392143130.2392120113.3399844113.3399821104.5399945104.539992298.6737174698.6737172396.8337124796.833712481053504进水浓度与出水浓度的比较如图6，进水流量与池内存水量比较如图7。图6 变水位水质均化池进水与出水浓度曲线PF=1.2进水浓度ci（mg/L）曲线出水浓度Ci+1（mg/L）曲线进水流量qi (m3/h)曲线池内水量Vi+1 (m3)曲线图7 变水位水质均化池进水流量与池内水量变化曲线6 结语本文提出的水质均化池最小有效容积迭代算法，以废水水量、水质的不均匀性和后续工艺对废水的均化要求为依据，按两种均化池数学模型，模拟均化过程，计