《郑州市某地区输配水工程的设计与计算》24000字（论文）

IV第一章概述一、城市概况郑州市是河南省省会，地处河南省中部偏北，它是河南省的文化、政治和经济中心，并且交通发达便利。近年来，郑州市建设步伐加快，需要建造一个新的自来水厂以满足当前的需求。郑州市的地形较为平坦，地势从西南向东北倾斜。郑州市冬冷夏热，春秋气候温和。年降水量为640.9毫米。二、设计原始资料(一)水文资料1.可能作水源的河流概况郑州市全市跨过淮河和黄河两个广阔的流域。主要河流的介绍如下：（1）黄河干流黄河干流流经郑州市北部，在郑州市境内长160千米，设有黄河花园口等断面。（2）伊洛河伊洛河是郑州市内最大的黄河支流，设有巩义七里铺等断面。（3）颍河颍河的流量较小，在郑州市境内长59千米，设有白沙水库等断面。（4）贾鲁河贾鲁河是淮河二级支流，上游水量较小，在郑州市境内长130千米，其上设有尖岗水库等7个断面。（5）索须河索须河由索河和须水河汇成，全长94.5千米，设有须河高速公路桥等断面。2.水位表1.1郑州市花园口黄河水位历年平均常水位（m）最高水位(p=1%)（m）最低水位(p=97%)（m）——————3.河水温度及结冰情况表1.2河水温度及结冰情况温度（℃）数值平均温度（℃）——最高温度（℃）——最低温度（℃）——流冰情况——冰冻期限（月）——冰冻期水位（m）——4.河水含砂量表1.3河水含砂量平均最大含砂量（kg／m3）平均最小含砂量（kg／m3）历年平均含砂量（kg／m3）5.05——0.35.原水水质分析由2020年1-11月《郑州市城市集中式生活饮用水水源水质状况》可知，花园口黄河水达到Ⅱ类水质。查阅《2020年11月国控断面水质监测通报》后，依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[1]分析水质。上述水质指标均满足二类地表水标准限值，符合水源地水质要求。表1.4原水水质情况备注：化学需氧量、氨氮、总磷为主要监测因子，水质类别为21项因子评价结果。除化学需氧量、氨氮、总磷以外的其他指标未找到具体数据，因此采用二类地表水标准限值作为原水水质参数数值。水质指标数值标准限值总磷（mg/L）0.080.1（湖、库0.025）氨氮（mg/L）0.060.5化学需氧量（mg/L）12.515砷——0.05汞——0.00005镉——0.005六价铬——0.05铅——0.01氰化物——0.05挥发酚——0.002锰——0.1pH——6~9（二）气象资料1.气温、降水情况表1.5气温及降水情况项目数值项目数值年平均气温（℃）14.2月平均最高（℃）32.4年最低气温（℃）-17.9月平均最低（℃）-4.7年最高气温（℃）43.0月平均气温（℃）14.2温度在-10℃以下的天数（d）0温度在0℃以下的天数（d）30降雨量（mm/年）640.9年蒸发量（mm/年）——2.主导风向及风速常年主导风向：南风。全年平均风速为2.40m/s，全年最大风速为3.40m/s。郑州市风玫瑰图为：图1.1郑州市风玫瑰图（三）地质资料表1.6地质资料地点土壤性质冰冻深度（m）地下水位（m）承载力（kPa）郑州市惠济区花园口平整硬质粘土——————（四）水量及水压1.城市生活用水量表1.7城市生活用水量计划人口（万）建筑物层数卫生设备绿化占地面积近期远期6出水水压30m室内有给排水设备和淋浴20%1035.21200.02.工业用水量工业用水量为生活用水量的50%。第二章水源选择与工艺方案比较第二章水源选择与工艺方案比较一、水源的选择郑州中心城区（除高新区）以黄河干流地表水供水为主。2018年郑州全市总供水量为20.7064亿m3。其中，地表水供水量为11.0503亿m3，占53.4%。图2.12018年郑州市行政分区分水源供水量图对比各行政分区的供水量：郑州市区的供水量最大，为8.4607亿m3；上街区的供水量最小，年供水量为0.3680亿m3（见图2.1）。图2.22018年郑州市行政分区供水量所占比例图郑州市区人口数多，从2018年供水量占比也可以看出郑州市区供水量最多（见图2.2），因此将本自来水厂建设在郑州市区，为郑州市区居民供水。本设计中引用郑州市惠济区花园口水源地的黄河水作为新建自来水厂的水源，利用花园口水源地应急取水浮坞泵站进行取水。该泵站的设计取水规模为42万吨/天，能够满足本自来水厂10万吨/天的设计规模。二、厂址的选择（一）厂址选择原则1、将水厂建设在工程地质条件良好的地方，从而使施工更加容易和减少工程造价。2、将水厂建设在不受洪水威胁的地方。3、将水厂建设在通行良好和靠近电源的地方。（二）厂址的确定结合地形地貌、风速风向、气温降水、河流情况、交通运输、原水水量水质、城市规划和社会因素等因素，本设计选取郑州市惠济区花园口水源地为取水口。自来水厂位置选在郑州市惠济区花园口周边，属于近距离取水。图2.3自来水厂在地图上的位置三、方案的比较与确定（一）备选方案1.方案一图2.4方案一工艺流程图2.方案二图2.5方案二工艺流程图（二）方案的比较1.预处理方法比较表2.1不同预处理方法的比较预处理方法优点缺点适用范围化学预氧化可除藻、除味和助凝；有利于提高后续处理工艺对有机物和颗粒物等的去除效率；不会产生有毒副产物。臭氧预氧化过程中易形成二次污染，且臭氧制备存在一定风险；预氯化过程中易形成有“三致”效应的副产物。适合处理存在有机污染的水体。生物预处理可去除有机物和氨氮；出水水质良好。塔式生物滤池由于塔身高，难以建设在室内；塔式生物滤池冬季填料表面冰冻，无法正常运行。塔式生物滤池适合建在天气不寒冷的地区。（接下页）粉末活性炭吸附预处理可去除有机污染物。成本较高；存在难以同时保证吸附不与混凝竞争和滤池的工作周期不缩短。（续表2.1）适合用于应对突发事件。花园口黄河在部分特殊时期的COD、氨氮指标偏高。生物预处理中，因为郑州市冬天天气寒冷，若采用塔式生物滤池填料会结冰，所以不选用。化学预氧化方法中，由于臭氧预氧化的安全性不高，高锰酸钾预氧化的成本较高，预氯化易产生有毒害的副产物，所以采用联合预氧化方法，即在预氯化过程中投加适量的高锰酸钾，可有效减少THMs的生成[2]。2.混凝药剂比较表2.2混凝药剂的比较混凝剂优点缺点适用范围硫酸铝腐蚀性低；价格低廉。混凝效果在低水温时较差；水解作用缓慢。当pH=6.4~7.8时，降低水体浊度。氯化铁不受温度影响；用量少于硫酸铝；对低温低浊水处理效果较好。容易腐蚀金属和混凝，也会引起塑料管变形。适合pH=6.0~8.4的水体。郑州市冬季水温偏低，若选择硫酸铝为混凝剂，难以水解，混凝效果不佳。而氯化铁不受温度影响，且郑州花园口黄河原水基本处于氯化铁的适宜pH范围内，投加氯化铁能取得更好的净化效果，必要时投加部分粘土作为凝结中心。综上所述，选用氯化铁。3.混合方式比较表2.3混合方式比较混合方式优点缺点适用范围管式静态混合器无需土建构筑物；混合效果良好；无需另添动力设备。如果水量波动较大，会影响混合效率；水头损失偏大。适用于水量稳定的情况。机械混合池能高效完成混合；水量波动不会导致混合效果发生很大的变化；水头损失小。难以管理和修护；添加了构筑物，因而增加了工程造价。适用范围广。花园口黄河的流量随季节变化较大，夏季可达7860m3/s，冬季低至502m3/s。当运行水量变化较大，管式静态混合器的效果会受到影响，因此选用机械混合池最合适。4.絮凝设备比较表2.4絮凝设备比较絮凝设备优点缺点适用范围往复式隔板絮凝池l.易于施工；2.絮凝效果较好。絮凝时间略长；水头损失大；难以均匀分配出水。水量＞30000m3/d且波动较小机械絮凝池能高效完成絮凝；水量波动不会导致絮凝效果发生很大的变化；水头损失较小。增加了设备的维修成本和采购费用适用范围较广本自来水厂的设计规模满足往复式隔板絮凝池和机械絮凝池的水量适用范围；从水量变化分析，花园口黄河的流量随季节变化较大，适用于机械絮凝池，因此选择机械絮凝池。5.沉淀设备比较表2.5沉淀设备比较沉淀设备优点缺点适用范围平流沉淀池工程造价偏低；能适应水中浊度变化。占地面积较大；需要配备机械排泥装置。适用于流量较大的水厂。斜管沉淀池效率较高；减小构筑物所占的面积；能高效完成排泥；水力条件好，利于沉淀。斜板的材料容易老化，需要进行更换，增加了成本；斜管出口有时滋生藻类；沉淀时间较短；难以适应浊度的变化。适用范围较广，但是处理水量不能太大。与平流沉淀池相比，采用斜管沉淀可以减小构筑物所占的面积，而且水力半径小，水流的紊动性和稳定性高，此外沉淀面积较大，沉淀效率优于平流沉淀池。虽然难以适应浊度的变化、维护较麻烦和斜管出口有时滋生藻类等问题，从经济和技术方面考虑影响不大。综合以上因素，选用斜管沉淀池。6.过滤设备影响表2.6过滤设备比较絮凝设备优点缺点适用范围普通快滤池运行经验丰富，具有可靠性；采用砂滤料，价格低廉。冲洗设备较复杂；阀门数量多。单池面积≤l00m2。V型滤池价格低廉；可高效完成冲洗。需要配备多样配套设备；池子深度大，土建难度较高。适用于流量较大的水厂。V型滤池虽然冲洗效果好，但是池子深度大，土建难度较高。而普通快滤池的净水效果也较好，且工程造价更低，施工更容易。因此结合以上的经济和技术因素，选择普通快滤池。7.消毒剂比较表3.7消毒剂比较消毒剂优点缺点适用范围液氯余氯可以使得水中的消毒一直进行；成本低廉。需要防止氯气泄漏，避免安全隐患。便于供应液氯的地方。二氧化氯可高效杀灭细菌；余氯能在水体中存在较长的时间。成本较为昂贵；即用即制；可能有副产物生成。适用于原水存在严重有机污染的水厂。二氧化氯制备较为复杂，成本较高，需要现场制取，虽然它能处理有机物污染严重的原水，但是花园口黄河的有机污染并不严重，并且在预处理中本自来水厂已经有效去除了有机物和氨氮。液氯成本较低，便于操作，因此采用液氯作为消毒剂。妥善储存和使用消毒剂能够保证厂区内工作人员和附近居民的安全。8.深度处理表2.8深度处理技术的比较深度处理技术优点缺点臭氧氧化技术对有机污染物的去除强度高。基本不会减少三氯甲烷含量；臭氧在水中不适合单独应用。（接下页）活性炭吸附技术可有效去除重金属物质；可除色除臭和除去消毒副产物。成本较高。（续表2.8）生物处理技术对低浓度有机污染物处理效果好；可有效去除铁、锰。在我国的应用不广泛，运行经验不丰富。膜处理技术无二次污染；占地面积小。对进水水质要求高；成本较高。生物处理技术虽然处理效果好，但是在我国的应用并不广泛，运行经验不够丰富，膜处理技术的成本和运行费用昂贵，臭氧氧化技术对有机污染物的去除效果好，但是对有机物的去除为选择性去除，且在水中并不稳定。因此采用臭氧活性炭联合使用的技术，能够有效去除消毒副产物，并且解决臭氧难以单独使用的问题[3]。因此，本设计采用方案二。第三章净水构筑物的设计与计算--PAGE19-第三章净水构筑物的设计与计算一、混凝（一）加药间1.混凝剂的投加表3.1药剂投加方式比较投加方式优缺点适用情况重力投加便于操作、可靠性高。但是需要建造高位药液池。不适用于输液管线很长的情况。压力投加水射器效率与加药泵相比偏低，而且稳定性不高，可能会发生一些故障。适用范围较广。加药泵不会受到压力管的压力限制。但是设备不便于维护。不适用于过小的水厂。因本净水厂属于大、中型水厂，不适用重力投加，应采用压力投加。其中，水射器投加可能会出现堵塞现象，因此采用更为稳定的加药泵，可以做到定量投加。加药间和药库设计(1)溶液池设计设计时应注意以下几点[4]：（1）常采用高架式。（2）若投药量较少，可考虑与溶解池合建；考虑沉渣深度。容积计算公式如下： （3.1）式中，W1——溶液池容积（m3）；Q——处理的水量（m3/h），为4583.3m3/h；u——混凝剂最大投加量（mg/L），取10mg/L；b——溶液浓度，一般为5~20%，取10%；n——每日调制次数，取3次。溶液池容积结果为： （3.2）设有效水深H1=1.0m，则： = （3.3）溶液池分为两格，每格长和宽分别取1.53m和1.2m，超高取H2=0.2m。池底坡度设为0.02，并设排空管。贮渣高度取H3=0.1m。总深度： （3.4）溶液池为矩形，溶液池体积=1.53×1.2×1.3×2=4.7736m3。(2)溶解池设计设计要求如下：（1）池底设排渣管（池底坡度≥0.02）。（2）常采用钢筋混凝土池底，并对内壁进行防腐处理。容积计算公式如下： （3.5）式中，W1——溶解池体积（m3）；W2——溶液池体积（m3）；取系数为0.3。容积计算结果为： （3.6）设有效水深H1=1.0m，则面积为： （3.7）溶解池分为两格，每格长和宽分别为1.1m和0.5m。超高取H2=0.2m。贮渣高度取H3=0.1m。溶解池深度： （3.8）溶解池为矩形，溶液池体积=1.1×0.5×1.3×2=1.43m3。（3）药库设计提前保存一个月用量，投药量按最大投药量即10mg/L计算。因此药剂总质量： （3.9）已知氯化铁密度：p=2.90g/cm3=2.90×103kg/m3则体积为： （3.10）计划堆放高度为2米，堆放时孔隙率为50%，则堆放所需占地面积为： （3.11）考虑到卸货所需位置，通道位置，将药库的面积取20m2。将药库与溶解池、溶液池、加药泵设在一起，总面积设为40m2，平面尺寸设为8×5m。选3台加药泵，两用一备。则总流量为： （3.12）单泵流量: （3.13）（二）机械混合池本自来水厂计划建设两座机械混合池，采用船舶型推进式搅拌器，与桨式搅拌器相比，虽然制造较复杂，但是效能较高。机械混合池设计计算容积计算式为： （3.14）每个混合池有效容积取12m3。式中，t——混合时间（s），一般选用10~30s，取18s；n——池数（个），池数选用2个。搅拌池有效水深设为H=2.0m，保护高为0.5m，池高为2.5m。混合池布置为圆形，当量直径为： （3.15）D取2.77m。搅拌速度梯度，G值常取500~1000s-1，本设计中取1000s-1，可知混合功率为： （3.16）式中，μ——水的粘度（Pa·s），常温下（25℃）为1.0050×10-3Pa·s；Q——混合搅拌池流量（m3/s）。搅拌器有关参数选用推进式搅拌器边缘线速度范围为3~15m/s，本设计中为： （3.17）搅拌器直径为： （3.18）无导流筒时，搅拌器距池底高度为： （3.19）搅拌器桨叶数为： （3.20）搅拌器螺距为： （3.21）由于H/d=2.0/1.385=1.44≤4，搅拌器层数为： （3.22）搅拌器层间距为（系数取1.0）： （3.23）转速及功率计算转速为： （3.24）搅拌器排液量为： （3.25）其中，Kq——流动准数，推进式搅拌器取0.50；n——搅拌器转速（r/s）；d——搅拌器直径（m）。体积循环次数为： （3.26）其中，Q’——搅拌器排液量（m3/s）；t——混合时间（s），本设计中取18s；V——混合池有效容积（m3）。搅拌功率为： （3.27）其中，Np——功率准数，为0.32；——水密度（kg/m3），取1000kg/m3；g——重力加速度（m/s2），g=9.81m/s2；电动机功率为： （3.28）其中，Kg——工况系数，为1.2；——机械转动总效率，取80%。核定搅拌功率N＜NQ，因此适用于推进式搅拌器。（三）机械絮凝池本设计设两组机械絮凝池，每组分为三格。总设计流量为4583.3m3/h，每组为2292m3/h。尺寸设计每组絮凝池有效容积为（共两组，一组内设一座）： （3.29）其中，T——絮凝时间（min），常为15~20min，取20min；n——池数，本设计中n=1。每座絮凝池有效容积取764m3，每座絮凝池分为三格，每格尺寸设为8.0×8.0m。絮凝池平均水深为： （3.30）超高取0.3m，因此絮凝池总高度为4.3m。絮凝池每格配备一台搅拌器，共三排，搅拌器采用垂直轴式。在四周设四块固定挡板。搅拌器及其他参数叶轮直径D取池宽的80%，采用6.4m。叶轮桨板中心点线速度v1=0.5m/s，v2=0.35m/s，v3=0.2m/s。桨板长度l=3.2m（l/D=0.5≤0.75）。桨板宽度为b=0.24m（b/l=0.075≤0.10）。每根轴设8块桨板，内侧4块，外侧4块。 （3.31）四块固定挡板的宽为0.2m，高为1.0m。 （3.32）19.2%+2.5%=21.7%＜25%。叶轮桨板中心点旋转直径D0为： （3.33）r1=2960mm，r2=3200mm。叶轮转速分别为： （3.34） （3.35） （3.36） （3.37） （3.38） （3.39）桨板宽长比b/l=0.24/3.2＜1，查表可得： （3.40）桨板旋转的过程中克服水的阻力导致的功率消耗如下：第一格外侧桨板： （3.41）第一格内侧桨板： （3.42）第一格搅拌轴功率： （3.43）用一样的方法可以求出第二、第三格搅拌轴功率为0.217kW和0.033kW。消耗的总功率为： （3.44）采用一台电动机，电动机功率为（取，）： （3.45）核算G值及GT值（按水温20℃计，）：第一格： （3.46）第二格： （3.47）第三格： （3.48）平均速度梯度： （3.49） （3.50）经过核算，G值在30~60s-1范围内，GT值在104~105范围内，均符合要求。二、沉淀斜管沉淀池与斜板沉淀池原理基本相同，但水利条件更为优越，因此选用斜管沉淀池。（一）设计要点1.斜管的水平倾角θ常采用60°；2.根据沉泥量和排泥方式等因素确定积泥区高度，排泥设备可选用穿孔管排泥或机械排泥等；3.目前国内主要选用的斜管材料为聚氯乙烯塑料片、聚丙烯塑料片、玻璃钢斜管和不锈钢。（二）设计参数计算1）设计采用数据本设计中采用异向流式斜管沉淀池。根据《给水工程》（第四版）中的规定进行设计计算[5]。设2个沉淀池，每个池子设计流量Q=2291.65m3/h。斜管材料采用塑料板热压为正六边形蜂窝管，内切圆直径d=30mm，水平倾角θ=60°，管厚=0.4mm。清水区上升流速v=2.5mm/s，颗粒沉降速度=0.35mm/s。2）清水池面积清水区面积为： （3.51）式中，q——表面负荷，斜管沉淀池的表面负荷一般为9~11m3/（m2·h），本设计取表面负荷q=10m3/（m2·h）。实际清水区需要面积： （斜管结构占用面积按3%计） （3.52）斜管区平面尺寸为11.8m×20m。3）斜管长度管内流速为：

（3.53）斜管长度为： （3.54）过渡区长度为250mm。斜管总长：

（按1000计，即取l’=1000mm）（3.55）4）池子高度采用保护高度：0.3m；穿孔排泥槽高：0.8m；清水区高度：1.2m；布水区高度：1.5m；斜管高度为：

（3.56）池子总高度为： （3.57）5）进口设置穿孔墙，使用穿孔管进行排泥和集水。6）复算水力半径为： （3.58）雷诺数Re为： （3.59）式中，——当t=20℃时，运动粘度=0.01cm2/s。沉淀时间为： （3.60）弗劳德数Fr为： （3.61）斜管中的沉淀时间为： （3.62）规定一般在4~8min之间，满足要求。（三）穿孔墙，集水系统和排泥系统设计1.进水穿孔墙沉淀池进口采用穿孔墙布置，设2个沉淀池，每个沉淀池流量Q=2291.65m3/h=0.637m/s，穿孔流速v1=0.15m/s，则孔眼总面积为： （3.63）每个孔眼尺寸定为20cm×20cm，面积s为0.09m2，孔眼个数为： 个，取108个 （3.64）分6行，每行18个布置在厚度为1米的穿孔墙上。为防止冲动积泥，在积泥面以上0.3~0.5米处再设置孔眼。2.集水系统设计沿着池长的方向设置10条穿孔集水槽，中间设2条集水渠。集水槽的中心距为： （3.65）取槽宽0.2m，槽高为0.5m。排泥系统设计本水厂选用SXH型虹吸式吸泥机进行机械排泥，在底部设集泥坑。泥浆应采用重力流的方式就近排放。三、过滤（一）设计要点配水系统方案选择配水系统选用管式大阻力系统。2.冲洗方式选择为了保证冲洗效果和降低成本，本设计采用气水反冲洗。3.滤料选择滤料分为单层、双层和三层。为取得较高的含污能力，本水厂采用无烟煤（上层）－石英砂（下层）的双层滤料。（二）设计参数计算滤池表面积、个数和单池尺寸个数：共16个，分两组，每组8个，呈对称双排布置。滤速v：12m/h（双层滤料滤速通常为10~14m/h）；冲洗强度q：14L/（s·m2）（常为12~15L/（s·m2））.滤池实际工作时间为： （3.66）式中，T——每日实际工作时间（h）；24——滤池工作时间（h）；12——冲洗周期（h）；0.1——单次冲洗时间（h）。每组设计流量为： （3.67）每组滤池面积为： （3.68）单池尺寸为： （3.69）取f=25m2。当单个滤池面积≤30m2时，长：宽=1.5~2，本设计中取滤池尺寸为长L=6.25m，宽B=4m，长：宽=1.56，在规定范围内。校核强制滤速： （3.70）满足《给水工程》（第四版）中对于冲洗滤速的要求。2）滤池高度支承层高度：H1=0.5m滤料层高度：H2=0.8m砂面上水深：H3=1.8m保护高度：H4=0.3m故滤池总高： H=H1+H2+H3+H4=0.5+0.8+1.8+0.3=3.4m （3.71）3）配水系统（每只滤池）1.干管干管流量为： （3.72）管径：dg=650mm。干管始端流速为： （3.73）干管横截面积为： （3.74）支管支管中心间距：aj=0.25m。每个池子的支管数目为： ，每侧25根。 （3.75）每根支管进口流量为： （3.76）支管管径：dj=70mm。支管始端流速为： （3.77）孔眼布置孔眼总面积为： （3.78）式中，K——支管上孔眼面积与滤池面积之比，取0.25%孔眼直径：dk=10mm单个面积为： （3.79）每个池中所有支管上孔眼总数为： （3.80）每根支管的孔眼数为： （3.81）将其布置为两排，每个孔眼与垂线成45度角向下交错排列。每根支管长度为： （3.82）孔眼前后中心距为： （3.83）孔眼水头损失水头损失为： （3.84）其中，——流量系数，常为0.65；k——孔口总面积与滤池面积之比，取0.25%。复算配水系统支管长度与支管直径之比为： （3.85）孔眼总面积与支管总横截面积之比为： （3.86）干管、支管横截面积之比为： （3.87）在1.75~2.0的规定范围内。每排孔眼中心距为：满足孔眼中心距小于0.2m的要求。4）洗砂排水槽洗砂排水槽中心距设为a0=2.0m（常取1.5~2.1m）。排水槽根数为： （3.88）排水槽长度为： （3.89）每槽排水量为： （3.90）排水槽使用三角形标准断面，流速v0=0.5m/s。槽断面尺寸为： （3.91）排水槽底厚度：滤层最大膨胀度：（一般取30%~50%）。砂层厚度：洗砂排水槽顶距砂面高度为： （3.92）洗砂排水槽总平面面积为： （3.93）复核： （3.94）基本满足要求。5）滤池管渠计算1.进水进水总流量： （3.95）进水渠断面进水，渠宽B1=1.6m，水深为1.0m。每组渠中流速： （3.96）渠中流速满足在0.8到1.0之间的规定。共16个滤池，则各个滤池进水管流量： （3.97）进水管直径采用D2=350mm管中流速为： （3.98）管中流速满足在0.8到1.0之间的要求。2.冲洗水冲洗水总流量： （3.99）冲洗水管径采用：D3=420mm冲洗水管中流速： （3.100）渠中流速满足在2.0到2.5之间的规定。3.清水清水总流量： （3.101）清水渠断面：清水渠断面的尺寸与进水渠断面相同，宽1.6米，深1.0米。每个滤池清水管流量： （3.102）采用清水支管直径D5=300mm。清水支管中流速： （3.103）各清水支管连接至直径为DN1200的清水总管。清水总管中流速为： （3.104）渠中流速满足在0.8到1.2之间的规定。4.排水排水流量为： （3.105）沿着池壁布置排水渠，每行滤池各布置一条。排水渠断面宽度B6=0.6m，渠中水深H6=0.5m。采用排水竖管管径D6=600mm。渠中流速为： （3.106）管中流速为： （3.107）6）冲洗水的供给采用冲洗水箱来供给冲洗水。冲洗时间：t=6min冲洗水箱的容积： （3.108）水箱中水流至配水管局部和沿程损失之和：ℎ配水系统水头损失：h2=hk=2.80m承托层水头损失： （3.109）滤料层水头损失： （3.110）式中，——滤料比重，石英砂为2.65；——水的相对密度，1；m0——滤料孔隙率（膨胀前），石英砂为0.41；H2——滤层厚度（膨胀前）（m）。安全富余水头：取1.5m冲洗水箱底需要高出洗砂排水槽面H0： （3.111）四、深度处理（一）臭氧接触池不同的投加位置可以带来不同的处理效果。本水厂在活性炭过滤前投加臭氧，能杀菌消毒和氧化有机物，并且与活性炭过滤联用，可促进活性炭吸附，延长活性炭再生周期[6,7]。1.臭氧发生器气源系统臭氧发生器气源可为干燥纯净压缩空气（CDA）、液态纯氧（LOX）和现场制氧气（V-GOX）。干燥纯净压缩空气的空气源易获得，但能耗高，考虑到经济效益，为节约运行成本，本净水厂不采用此种气源；现场制氧气适用于大中型水厂。本自来水厂的设计规模为10万m3/d，因此采用现场制氧气作为气源。当采用现场制氧气时，发生器的臭氧浓度（重量比）约为1%~2%，电耗约为15~25kW·h/kgO3。现场制取氧气的方法包括两种：l）低温精馏：将空气液化，改变压力将液化空气的氧和氮分离，采用精塔完成。每产生lt氧耗电260~340kW·h，产出的氧气纯度>99.5%。低温精馏设备可靠性高，运行成本低，但投资较大。2）吸附分离方法：空气通过吸附床，优先吸附氮气从而制取氧气。本设计中氧气用量较大，采用运行成本较低的低温精馏法制取氧气。2.臭氧发生系统臭氧发生系统包括电气控制、臭氧发生器和量测设备等设备。(1)臭氧发生器本自来水厂采用常用的高压无声放电法制取低浓度的臭氧化空气，形式选取常见的卧管式。3.臭氧接触反应系统(1)接触反应装置的形式选择本水厂投加臭氧的目的是杀菌消毒、灭活细菌、除COD和将微量污染物氧化。本设计中后续消毒工艺可以实现杀菌和灭活病毒，臭氧的主要目的为除COD和微量有机污染物，因此按化学反应速度控制的要求来进行装置的选择。本自来水厂采用微气泡扩散器作为臭氧接触反应装置。微气泡扩散器是目前水厂中较为常见的类型，其接触反应池内处理水流从池子下部进入池中，呈现出向下降流和向上升流，折向流动，池子底部的布气扩散管将臭氧扩散成气泡与水流逆向接触，发生氧化反应。其处理效果较好，适用于大液体容积的系统。(2)接触反应装置的设计参数本工艺流程具有杀菌消毒与氧化水中的有机物和生物难降解有机物的要求。当处理要求为灭菌及灭活病毒时，臭氧投加量为1~3mgO3/L水，去除效率>90~99%，接触时间数秒至10~15min，按所用装置类型所定；当处理要求为去除COD时，臭氧投加量为1~3mgO3/L水，去除效率为40%，接触时间>5min；当处理要求为除有机物时，臭氧投加量为1.5~2.5mgO3/L水，去除效率为60~100%，接触时间>27min。结合上述规定，本设计取臭氧投加量为2mgO3/L水。(3)接触反应装置的设计计算本自来水厂中接触反应池连续处理，按照连续处理的公式进行设计计算。池体尺寸计算与鼓泡塔相比，微气泡接触反应池适用于水量更大的水厂，因此选用微气泡接触反应池。本自来水厂设计三座微气泡接触反应池。微气泡接触反应池单室的运行效果较差，通常设2~3室串联运行，本设计采用双室串联运行的模式，两室皆投加臭氧，总臭氧的60%加在前室，总臭氧的40%加在后室。每座池体尺寸为： （3.112）式中，V——池体体积（m3）；t——水体停留时间（min），微气泡接触反应中，一般水力停留时间大于5~10min，本设计取12min；Q水——水流量（m3/h）。每座池面积： ，取61.2m2。 （3.113）式中，HB——扩散器以上水深，m，常为5~7m，取5m。池长度L取10.2m，池宽度B取6m，水池超高取0.3m。接触反应室的停留时间满足以下公式： （3.114）式中，t1——前室停留时间，min，本设计中为8min；t2——后室停留时间，min，一般≥4min，本设计中取4min。臭氧化气布气系统计算每小时投配的总臭氧量： （3.115）式中，C——每小时投配的总臭氧量，kgO3/h；C0——水中所需臭氧投加量，gO3/m3水，本设计中为2gO3/m3水。臭氧化气流量的投加量为： （3.116）式中，Q气——需要投加的臭氧化气流量，标准Nm3/h；Y1——发生器产生的臭氧气浓度，gO3/m3，常为10~20g/m3，取12g/m3。工作状态下的需要投加的反应器臭氧化气流量为： （3.117）（二）活性炭滤池颗粒活性炭滤池(1)滤床型式的选择颗粒活性炭滤床各种型式的特点如下：固定床可以循环利用再生后的活性炭；流动床的炭床占地面积较小，但需要保证炭粒均匀。目前使用最广泛的是固定床，本设计中采用固定床。普通快滤池阀门较多，而虹吸滤池不需要大型阀门和冲洗水泵，且水量和面积都与本设计的条件相匹配，所以炭滤池按照虹吸滤池的要求进行设计。(2)固定床设计要点固定床吸附装置通水方式包括降流和升流。降升流都包括串联和并联两种方式。由于进入活性炭滤池前已经经过了多步的有机物去除处理，应该不会产生粘液堵塞炭层，无需采用升流式，因此本设计活性炭滤池的通水方式采用降流式通水。因为降流式的并联适用于被吸附物浓度较低而处理水量较大的情况，与本设计中原水条件较匹配，所以采用并联的排列方式。颗粒活性炭的选择：根据《颗粒活性炭吸附池水处理设计规程》（CECS124:2001），颗粒活性炭的柱径为1.5mm，柱长度为1.0mm~2.5mm[8]。炭滤池进水浊度：要求在3NTU以下。炭滤池的使用周期：本设计中，炭滤池进水已经经过臭氧化处理，进水有机物具备可生物降解性，活性炭使用周期可达到2~3年及以上。(3)设计参数主要设计参数：接触时间：选择合适的接触时间十分重要。接触时间过长，会导致运行费用过高；接触时间过短，活性炭的吸附效果不好。一般情况下，空床接触时间不小于7.5min，采用10~15min。滤速：采用固定床，空床流速常为8~20m/h，取v=10m/h。滤层厚度：本设计中采用固定床，滤层厚度一般为1.0~2.5m，本设计中取1.5m。承托层厚度：采用分层级配，共5层，粒径级配从上到下为：8~16mm，厚度为50mm；4~8mm，厚度为50mm；2~4mm，厚度为50mm；4~8mm，厚度为50mm；8~16mm，厚度为50mm。炭滤池面积和个数参考北京某水厂活性炭滤池进行设计，采用矩形炭滤池。个数：分2组，每组8格，共16格，呈对称双排布置。设计流量为： （3.118）滤池工作时间为23h/天，每组滤池面积为： ，取240m2 （3.119）单格面积为： （3.120）满足＜50m2的要求取单格宽度B=4m，单格长度L=7.5m炭滤池总高度：炭滤池总高度计算式如下： H总==6.00m 式中，H总——吸附滤池的总高度，m；H0——集水室高度，m，一般为0.3~0.4m，取0.3m；H1——滤板厚度，m，一般为0.1~0.2m，本设计取0.1m；H2——承托层厚度，取0.25m；H3——炭滤层厚度，取1.5m；H4——洗砂排水槽底至炭滤层高度，取0.25m；H5——洗砂排水槽高度，取0.6m；H6——洗砂排水槽堰上水头，一般取0.05~0.10m，本设计中取0.1m；H7——冲洗水头，一般取1.0~1.2m，本设计中取1.0m；H8——清水堰上水头，一般取0.1~0.2m，本设计中取0.1m；H9——过滤水头，取1.5m；H10——滤池超高，取0.3m。配水系统本水厂选用小阻力配水系统。配水孔眼面积与炭吸附池面积之比取1%，单池配水孔眼面积为0.2407m2。虹吸系统由于虹吸管进水量（一格冲洗）数值不大，本设计中虹吸管采用圆形断面铸铁管。虹吸管进出口水封（淹没深度需要足够大）。进水虹吸管：虹吸管进水量Q2（当一格冲洗时）计算式如下： Q2=断面面积ω1计算式如下： ω1=式中，v1——进水流速，一般为0.4~0.6m/s，本设计中取0.5m/s；进水虹吸管直径D1为： D1=4以Q2=Q ω1= v1=流速在0.4~0.6m/s的范围内，符合要求。2）排水虹吸管断面面积ω3计算式如下： ω3=式中，q——冲洗强度，取14L/（s·m2）；v4——排水虹吸管流速，常为1.4~1.6m/s，取1.5m/s。排水虹吸管直径D3为： D3=4进行校核： ω3= v4=流速在1.4~1.6m/s的范围内，符合要求。真空系统：水力自动控制虹吸的形成与破坏，虹吸的形成时间在1~3min内。炭滤池的冲洗与冲洗排水槽高度炭滤池的冲洗本设计中炭滤池进水浊度不高，采用水反冲洗即可，冲洗时使用滤后水（浊度＜3NTU）。冲洗周期：当进水浊度＜2NTU时，反冲洗周期一般取7~10天，本设计取7天，即168h。单次冲洗：取冲洗时间为10min，即1/6h。膨胀率：e=23%。冲洗排水槽排水槽顶面至活性炭层表面的距离计算式如下： h=eH3+0.5=0.23×1.5+0.5=0.845m，取0.85m。 （3.131） 排水槽底至炭滤层高度H4为0.25m，排水槽高度H5为0.6m，满足H4+H5=h=0.85m。洗砂排水槽中心距a0=2.0m。排水槽根数为： （3.132）排水槽长度为： （3.133）每槽排水量为： （3.134）选用三角形标准断面，流速v0=0.5m/s。槽断面尺寸为： （3.135）排水槽底厚度：。防腐炭和铁的电位差较大，因此湿炭和铁的接触处容易发生电化学反应导致严重的腐蚀。本设计中对炭滤池进行了防腐处理：用钢筋混凝土构件代替钢制的支撑件；钢和铸铁配件内外部涂抹两道“饮水容器内壁环氧涂料”。活性炭的再生当颗粒活性炭的吸附能力逐渐消失之后，需要对其进行再生处理以循环使用（失效炭及再生炭的吸附性能指标如表3.2和表3.3所示）。为简化水厂的运行管理，不另建活性炭再生系统，并且参考欧美等发达国家的运行管理模式，每年定期定量再生活性炭。这种模式不仅可以使活性炭吸附池内常有新炭，从而保证了水处理效果[9]。表3.2失效炭指标测定项目表层（mg/g）中层（mg/g）底层（mg/g）碘吸附值（mg/g）≤600≤610≤620亚甲兰吸附值（mg/g）≤85—≤90表3.3再生炭指标吸附性能碘值（mg/g）亚甲兰（mg/g）强度（%）水分（%）≥750≥100＞80＜5五、消毒（一）设计与计算加氯量包括需氯量和余氯量。其中，余氯量可抑制残留微生物的再次繁殖。（1）氯投加量的计算加氯量：采用深度处理后加氯，本设计投加量取0.8mg/L。接触时间：氯与水的接触时间一般不小于30min，本设计中取60min。余氯量：根据生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)，出厂水余氯量≥0.3mg/L，管网末梢水余氯量≥0.05mg/L[11]。氯投加量计算式如下： Q=0.001aQ1式中，a——最大投氯量，mg/L，为0.8mg/L；Q1——需消毒的水量，m3/h，为4583.3m3/h。折点加氯 饮用水氯化的主要目的是消毒，同时氯具备强氧化性，可以氧化氨和蛋白质等物质，也可以控制嗅味、除藻和去色[10]。本自来水厂的原水氨氮含量不高，无需采用折点加氯的方法。（二）加氯设备1.加氯机本设计选用挂墙式自动真空加氯机。自动真空加氯机具备安全性高、计量正确和自动化高的优点。本自来水厂中加氯量为3.7kg/h，适用于容量＜10kg/h的挂墙式。挂墙式真空自动加氯机外形如图4-1所示，由差压稳压器、转子流量计和全自动控制器组成。图3.1挂墙式真空自动加氯机外形2.液氯蒸发器当加氯量较大时，需要配备液氯蒸发器以确保加氯系统均衡投加。本自来水厂的加氯量较小，仅为3.7kg/h，无需配备液氯蒸发器。（三）自动真空加氯系统本自来水厂采用自动真空加氯系统，流量比例控制前加氯，余氯反馈控制后加氯，余氯采样点设置在投加点10倍管径处，其布置图如图4-3所示，本设计中不配备液氯蒸发器。图3.2自动真空加氯系统布置图各部分的作用如下：（1）自动切换装置：实现系统的切换；（2）减压阀：避免液氯进入加氯系统；（3）真空调节器：是自动真空加氯系统的关键点，保证氯气正常进入系统封和不外溢；（4）水射器：为氯气的投加提供动力。（四）漏氯吸收系统为避免氯气泄漏造成的严重影响和安全隐患，设计了立式漏氯吸收系统，系统采用高效经济的氢氧化钠溶液吸收氯，其化学反应式为： Cl2+2NaOH→NaClO+NaCl+H2O （3.137）（五）加氯间和氯库1.设计要点加氯间设计要点加氯间设在靠近投加地点的地方；将加氯间和其他工作间分隔，并设置门（直通外部且向外开）和观察孔；配有用于急救和抢救的设备与装置；加氯间内管线布置在沟槽内；加氯设备需不间断工作，并设置两套设备以备用。液氯仓库设计要点防止强光照射，可设百叶窗；配备强制通风设备；仓库外设观察孔。2.加氯间和氯库布置本水厂药量储量取20d，对应的液氯储量为1776kg，采用两只容量为1000kg的氯瓶串联。厂区位置选择如下：水厂所在地的主导风向为南风，因此在水厂的北部建设氯库和加氯间。本水厂将加氯间和氯库合建，加氯间和氯库均设置独立对外的门。总平面尺寸设为15×10m，制取间和库房尺寸均为10×7.5m。第四章输配水工程的设计与计算第四章输配水工程的设计与计算一、水厂水量设计（一）设计用水量计算根据《室外给水设计规范》（GB50013-2018），进行设计供水量的计算。1.综合生活用水量郑州市2019年常住人口数达1035.2万，属于二区且为超大城市，最高日综合生活用水定额范围200~300L/（人·d），取220L/（人·d），服务人数为25万人。最高日生活用水量为： （4.1）式中，q——最高日生活用水量定额[m3/(cap·d)]；N——设计年限内计划人口数（人）；f——自来水普及率，为100%；2.工业企业用水量取生活用水量的50%。工业企业用水量为： （4.2）3.浇洒市政道路、广场和绿地用水根据《城市给水工程项目建设标准》规定，本设计中取0.5[（m2/（m3·d）]计算净水厂占地面积。净水厂占地面积为：

本净水厂设计服务面积为50000m2，其中道路面积占10%，取浇洒道路用水量为2.0L/(m2·d)；绿化面积占30%，取浇洒绿地用水量为2.0L/(m2·d)。浇洒道路和绿地用水量为： （4.3）4.管网漏损水量管网漏损水量计算式为： （4.4）5.未预见用水量未预见水量计算式为： （4.5）式中，10%——可取8%~12%，本设计中取10%。6.消防用水量本设计中不考虑。7.城市最高日用水量 （4.6）最高日用水量为99873.4m3/d，根据城市整体规划将水厂供水量设置为Qd=100000m3/d，其中给水处理构筑物按近期供水规模设计，并且留一片空地供远期扩建。二、一级泵站（一）一级泵站取水量计算郑州市属于大中城市，根据《给水工程》（第四版）中的规定，一级泵站采用三班制。一泵站取水量为： （4.7）式中，α——自用水系数，本设计中取1.10；Qd——最高日用水量（m3/d），为100000m3/d；T——每天工作小时数（h），取24h。（二）一级泵站设计1.一级泵站形式的选择一级泵站组成部分为吸水井、泵房和匣阀井。地面水源一级泵站常建成地下式的，但是需要承受水压和抵抗浮力，会提高土建费用。当采用地下式泵房时，应缩小平面尺寸从而降低工程造价。当一级泵站沉井法施工时，一般采用圆形结构，但是无法充分利用建筑面积。本设计中一级泵站采用矩形半地下式泵房。2.吸水室的设计本自来水厂在一级泵站前设计一吸水室，用来安装水泵的吸水管。吸水管直径取d=1000mm。喇叭口直径：D≥(1.25~1.5)d，取D=1.25d=1000mm。喇叭口与吸水室底之间的距离：h1=(0.6~0.8)D=600mm。喇叭口之间的净距离：a=(1.5~2.0)D=1.5×1000=1500mm。喇叭管中心线与吸水室侧壁之间的距离：b=1.5D=1.5×1000=1500mm。喇叭管中心线与吸水室后壁之间的距离：c=(0.8~1.0)D=0.8×1000=800mm。喇叭管中心线与进水口之间的距离：＞4D=4000mm，取4500mm。喇叭口的最小淹没水深：h2=1.25D=1.25×1000=1250mm。将吸水室隔成两格，厚度取300mm，在分隔墙上设置阀门。则吸水室的长度为：L=a+D+2b+300=5800mm吸水室的宽度为：B=4500+c=5300mm吸水室的最低水位深度：ℎ地面标高为0.0m，设水源最低水位为-3.5m，则吸水室底面标高为：-3.5-1.85=-5.35m。吸水室的地面上高度为4.0m，则吸水室总高度为9.35m。3.水泵机组的选择(1)工作泵流量计算本自来水厂一级泵站取水量Q1=4583.3m3/h=1.27m3/s。本水厂设置2台工作泵，并设1台备用泵以满足检修要求。每台工作泵的流量为q=Q(2)吸水管每台泵连接一条管径为DN800的铸铁吸水管，每条吸水管的设计水量为0.637m3/s，管长10m。管中实际流速v=1.26m/s，满足要求。查《给水排水设计手册》第一册常用资料表11-11得，1000i=2.32[12]。沿程水头损失为： iL=2.321000局部水头损失如表4.1所示：表4.1吸水管局部水头损失计算表名称管径（mm）数量（个）局部阻力系数流速（m/s）局部阻力（m）吸水滤网80013.01.260.243喇叭口80010.11.260.0081标准铸铁90°弯头80010.701.260.0567水泵入口80011.01.260.081合计0.3888总水头损失h1=0.0232+0.3888=0.412m(3)输水管道（一级泵站至混合池）每台泵连接一条管径为DN900的铸铁管，每条输水管道的水量为0.637m3/s，管长20m。管中实际流速为1.00m/s，满足1.0~1.2m/s的要求。查表得，1000i=1.28。沿程水头损失为： iL=1.281000查表可以得到局部阻力系数，局部水头损失计算如表4.2所示：表4.2输水管道局部水头损失计算表名称管径（mm）数量（个）局部阻力系数流速（m/s）局部阻力（m）闸阀90010.051.000.00255标准铸铁90°弯头90020.711.000.07245水池进口（伸入水池）90011.01.000.05102合计0.126总水头损失h2=0.0256+0.126=0.1516m(4)扬程的计算 H=H1+式中，H1——水源最低水位与水泵基准面的几何高度（m），前者为-3.5m，后者为-2.0m，则为1.5m；H2——水泵基准面与净水构筑物水面的几何高度（m），为4.91m；2.0——2.0m为富余水头。(5)选泵结合扬程和流量以及特性曲线（如图4.1所示）进行选泵。本水厂采用离心泵，Q-H特性曲线呈下降型的离心泵适用于水位有一定波动的取水泵房。表4.3选用泵参数及电动机型号型号流量Q（m3/h）扬程H（m）转速n（r/min）轴功率（kW）电动机效率（%）气蚀余量（NPSH）r（m）叶轮直径（mm）数量型号功率（kW）24SA-18D324016742166Y400-50-8200855.15393台（1台备用）图4.124SA-18D型水泵特性曲线图片来自于鹰潭新世纪节能服务有限公司编制的《SA型双吸离心泵特性曲线图》。从特性曲线可以看出，在水泵正常工作时，水泵的效率是处于高效段的。经查表，Y400-50-8型号电机的功率、转速等参数均与本水厂采用的水泵相匹配，因此选用Y400-50-8型号电机。4.一级泵站平面尺寸依据《室外给水设计规范》（GB50013-2006）中规定进行泵站的布置。选定泵房内主要通道宽度为1.2m，水泵基础间净距为2.0m，基础与侧墙的距离为2.5m，基础与后墙的距离为2.4m，基础与正墙的距离为5.2m。泵外形尺寸：A×B×H=2178mm×1760mm×1480mm。泵和电机的组合尺寸：L=3225mm，B=1760mm，H=1495mm。一级泵房的平面尺寸取28×14m，面积为392m2。5.一级泵站高度及标高本水厂设泵房内地面标高为-2.0m。泵房的地面上高度为： H1=式中，a2——行车梁高度（mm），取850mm；c2——行车梁底至重钩中心的距离（mm），取800mm；d——起重钩的垂直距离，取850mm；e——最大一组机组的高度（mm），取1500mm；h——吊起物底部与泵房进出口处室内地坪高差（mm），取2000mm；n——泵房地面下高度（mm），取2000mm。泵房的地面上高度为4.0m，平台厚0.2m，则泵房总高度为4.0+2.0+0.2=6.2m。三、清水池为了解决两个泵站的每小时供水量不相同的问题，需要设置清水池于一、二级泵站之间。（一）清水池设计清水池有效容积为： （4.12）式中，W1——调节容积（m³）；W2——调节水量（m³），本设计可不考虑W2；W3——安全储量（m³），留出一定水深的容量以防止清水池抽空；W4——消防贮量（m³）。其中： （4.13）式中，T——消防历时（h），常为3h或2h；Qx——消防用水量（m3/h）；QT——最高日平均时生活用水量与生产用水量之和（m3/h）；Q1——消防时一级泵房供水量（m3/h）。在配水管网中，本水厂没有调节构筑物。清水池有效容积Wc取最高日用水量的10%。清水池的有效容积计算式为： （4.14）本设计中设2个清水池，每个清水池的容积为： （4.15）清水池的有效水深常为3.5~4.5m，取4.0m，超高为0.3m，则池高为4.3m。每个清水池的设计面积为： （4.16）清水池布置为矩形，长×宽设为55×25m。（二）清水池的配管与布置1.进水管按照最高日平均时计算进水管流量，则每个清水池所进入流量： （4.17）每个清水池连接一根进水管。进水管流速范围为0.5~1.0m/s，取流速为0.9m/s，则进水管直径为： （4.18）取为1000mm。进水管实际流速为： （4.19）在0.5~1.0m/s的范围内。2.出水管按照最高日最高时来计算出水管流量，时变化系数K取1.5，则每个清水池出水量为： （4.20）出水管流速范围为0.5~1.0m/s，取流速为0.9m/s，则出水管直径为： （4.21）取为1200mm。出水管实际流速为： （4.22）在0.5~1.0m/s的范围内。溢流管溢流管保证清水池安全运行，其管径和进水管管径相同，因此取DN1000mm，为铸铁管。排水管假设排水管能在2h将清水池中的剩余水放空。排水管要求流速在1.2~1.5m/s，本设计取流速v=1.3m/s。则清水池的排水管直径为： （4.23）取管径为DN800，则排水流速为： （4.24）在1.2~1.5m/s的范围内。通气孔和检修孔设置通气孔10个，直径为800mm，布置在清水池顶部的不同高度处。设置检修孔4个，直径为1600mm，布置在水管附近。导流墙每座清水池设2道导流墙，池子分为3格，导流墙每隔2500mm设150mm×120mm流水孔。导流墙高度距池顶板200mm，厚度为240mm。池顶覆土池顶覆土的作用是确保清水池满足抗浮要求并且符合冬季保温要求。郑州市冬季气温偏低，年最低气温低至-17.9℃，因此取池顶的覆土厚度为0.70m。水位指示清水池安装水位连续测量装置，该装置能发出上、下限水位信号。本水厂选用池水不接触式水位仪以便于维护。四、二级泵站自来水厂出水前经过的最后一个构筑物是二泵站。本自来水厂二级泵站的形式选取半地下式泵站，布置1个地下式吸水井。（一）二级泵站的设计1.水泵机组的选择(1)工作泵流量计算本自来水厂未设计水塔，二级泵站按最高日最高时用水量设计。最高日最高时用水量为： （4.25）式中，KS——时变化系数，在缺乏资料的情况下，一般可取1.3~1.6，本水厂取1.5。二级泵站配备2台工作泵和1台备用泵，每台工作泵的流量为： （4.26）(2)吸水管每台水泵连一条管径为DN900的球墨铸铁吸水管，每条吸水管的设计水量为0.87m3/s，管长10m，流速为v=1.37m/s。查《给水排水设计手册》第一册常用资料表11-11得到，1000i=2.30。沿程水头损失计算如下： iL=2.301000查表得到局部阻力系数，从而计算出局部水头损失。局部水头损失计算如表4.4所示：表4.4吸水管局部水头损失计算表名称管径（mm）数量（个）局部阻力系数流速（m/s）局部阻力（m）吸水滤网90013.01.270.2469喇叭口90010.11.270.0082标准铸铁90°弯头90010.711.270.0584水泵入口90011.01.270.0823合计0.3958总水头损失h1=0.023+0.3958=0.4188m(3)水泵压水管本水厂采用直径为DN700的球墨铸铁管，每条压水管的水量为0.87m3/s，管长10m。管中实际流速为2.26m/s。查表得，1000i=8.70。沿程水头损失计算如下： iL=8.701000查表可以得到局部阻力系数，局部水头损失计算如表4.5所示：表4.5输水管道局部水头损失计算表名称管径（mm）数量（个）局部阻力系数流速（m/s）局部阻力（m）闸阀70010.062.110.0136（旋启式）止回阀70011.72.110.3862水泵出口70011.02.110.2271合计0.6269总水头损失h2=0.087+0.6269=0.7139m(4)扬程的计算 H=H1+式中，H1——最低吸水水位与水泵基准面的几何高度，m，前者为-2.0m，后者为-3.0m，则为1.0m；H2——水泵基准面与管网压力控制点的几何高度，m，前者为-3.0m，后者为为4.5m，则为7.5m；H3——管网控制点自由水头，取32.0m。(5)选泵参照《给水排水设计手册》第十一册常用设备，并结合水泵的特性曲线及参数（如图4.2所示）进行选泵。表4.6选用泵参数及电动机型号型号流量Q（m3/h）扬程H（m）转速n（r/min）轴功率（kW）电动机效率（%）气蚀余量（NPSH）r（m）数量型号功率（kW）28SA-10J360052730555Y630-8/1180625925.73台（1台备用）图4.228SA-10J型水泵特性曲线注：图片来自于鹰潭新世纪节能服务有限公司编制的《SA型双吸离心泵特性曲线图》。从特性曲线可以发现，在水泵正常工作时，水泵的效率是处于高效段的。2.二级泵站平面尺寸泵房内主要通道宽度为1.2m，水泵基础间净距为2.0m，基础与侧墙的距离为2.5m，基础与后墙的距离为2.4m，基础与正墙的距离为5.2m。泵外形尺寸：A×B×H=2290mm×2260mm×1802mm。泵和电机的组合尺寸：L=3540mm，B=2260mm，H=1802mm。二级泵房的平面尺寸取24m×15m，面积为360m2。二级泵站高度及标高本水厂设泵房内地面标高为-3.0m。泵房的地面上高度为：H1式中，a2——行车梁高度，mm，取850mm；c2——行车梁底到其重钩中心的距离，mm，取800mm；d——起重钩的垂直距离，取1850mm；e——最大一组机组的高度，mm，取2000mm（略大于1802mm，留出一定距离）；h——吊起物底部与泵房进出口处室内地坪高差，mm，取3000mm；n——泵房地面下高度，取3000mm。泵房地面上高取5.5m，地面下深取3m，泵房总高取8.5m。（二）吸水井的设计本自来水厂采用地下式吸水井，具体设计与计算如下所示。吸水管直径d=900mm。喇叭口直径：D≥(1.25~1.5)d，取D=1200mm。喇叭口与吸水室底之间的距离：h1=(0.6~0.8)D=0.8×1200=960mm。喇叭口之间的净距离：a=(1.5~2.0)D=1.71×1200=2050mm。喇叭管中心线与吸水室侧壁之间的距离：b=1.5D=1.5×1200=1800mm。喇叭管中心线与吸水室后壁之间的距离：c=(0.8~1.0)D=1.0×1200=1200mm。喇叭管中心线与进水口之间的距离：＞4D=4800mm，取8800mm。喇叭口的最小淹没水深：h2=1.25D=1.25×1200=1500mm。将吸水室隔成两格，分隔墙的厚度取0.3m，在分隔墙上设置阀门。则吸水室的长度为：L=2×（a+D+2b）+300=14000mm吸水室的宽度为：B=8800+1200=10000mm吸水室的最低水位深度：ℎ吸水井的有效深度取5.5m，超高取0.5m，总高为6.0m。第五章水厂总体设计第五章水厂总体设计一、水厂总体设计根据《给水排水设计手册》第三册城镇给水，进行水厂的总体布置。水厂总体布置的原则是便于管理、流程合理、美化环境和节约用地，此外还要考虑到今后可能扩建。（一）水厂组成自来水厂包括以下四个基本部分：生产构筑物：直接与生产相关的构筑物。辅助及附属建筑物：为生产服务的建筑物。各类管道：生产管道、加药管道、排污管道和电缆沟槽等。其他设施：厂区道路、照明、绿化和大门等。（二）工艺流程布置1.布置原则在布置工艺流程时，考虑下列主要原则：1.为了降低水损，应当将流程设计得尽量短；2.流程布置应具备近期的完整性和分期的协调性。2.布置类型水厂流程布置的基本类型如下：直线型是最常见的布置方式，直线型可以减少管线长度，且便于管理；折角型和回转型不便于远近期结合。考虑到自来水厂的地形与地址因素以及未来可能进行扩建，本自来水厂流程布置为直线型。二、水厂平面布置（一）布置要求分区明确。各区介绍如下：生产区：加药间宜设在投加点旁，可设在沉淀池附近。冲洗泵房和鼓风机房宜设在滤池旁。生活区：生活区内有办公楼、值班宿舍、食堂厨房和锅炉房。为了交通便利，将生活区布置在门附近。而化验室可以设在生产区或生活区的办公楼内。（3）维修区：维修区内有维修车间、仓库和车库等。（4）加药区：加矾、加氯间、药库等，常布置在沉淀池附近。2.为了交通和运输的便利，主要构筑物旁边应修建可达到的道路。3.根据地形将构筑物或辅助建筑物组合以节约用地和便于联系。流程应尽可能简短，且构筑物尽量靠近。本水厂的设计水量为10万m3/d，因此建设用地取0.5m2/（m3/d），总建设用地为50000m2。（二）水厂附属建筑根据《城镇给水厂附属建筑和附属设备设计标准》，进行附属建筑物面积（使用面积）的设计与计算。生产管理及行政办公用房生产管理用房由技术室、财务室、会议室、调度室和医务室等组成。本自来水厂建设规模为10万m3/d，经查表，生产管理用房面积取300m2。行政办公用房由办公室、资料室和接待室等组成，与生产管理用房合建。本自来水厂建设规模为10万m3/d，经查表，行政办公用房面积应为5.8~6.5m2/人，取6.0m2/人，人员有18人，行政办公用房面积为108m2。化验室化验室由生物检验室、仪器室、理化分析室、药品贮藏室和办公室等组成。本水厂规模为10万m3/d，经查表，化验室面积取160m2，化验室人员6人。维修车间维修间包括机修间、水表间、电修间和泥木工间。(1)机修间本自来水厂设计小、中修间各一个，水厂设计规模为10万m3/d，经查表，小、中机修车间面积分别取120、130m2，辅助面积均取60m2，人数分别取9、10人。总面积共计370m2，总人数为19人。(2)水表间当地无水表修理能力且规模在10m3/d以下的水厂根据实际情况考虑设水表间。本水厂不另设水表间。(3)电修间经查表，电修间面积取40m2，人数取5人。(4)泥木工间本自来水厂建设规模为10万m3/d，配置少量泥木工。经查表，泥木工间面积取45m2，人数取3人。本自来水厂将机修间、电修间和泥木工间合建为维修车间，总建筑面积共计为455m2，平面尺寸取长×宽为32.5m×14m，维修工人共计27人。车库结合本自来水厂的规模，配备4t卡车4辆，2t卡车3辆，吉普车3辆。建筑面积取120m2，总建筑面积共计368m2，平面尺寸取长×宽为23m×16m。司机配有6人。仓库本水厂规模为10万m3/d，经查表，仓库面积取200m2，平面尺寸长×宽为20×10m。管理人员配有2人。食堂经查表，就餐人员面积为2.0m2/人。水厂的全部人员包括以上附属建筑的人员59人和后勤人员、操作人员等其他人员20人，共计79人。因此，食堂面积为158m2，平面尺寸长×宽为15.8×10m。浴室与锅炉房经查表，浴室面积取60m2，锅炉房面积取20m2，总建筑面积共计80m2，平面尺寸长×宽为10m×8m。传达室按水厂规模把传达室分为两间，分别布置在水厂的前门和后门。本水厂规模为10万m3/d，经查表，传达室面积取25m2，每间传达室的平面尺寸长×宽为5m×2.5m。宿舍本水厂值班职工人数取24人，住宿人数则为12人，则宿舍建筑面积为48m2，平面尺寸取长×宽为8×6m。本水厂将生产管理用房、化验室、行政办公用房和值班宿舍布置在一栋二层的综合楼内，综合楼的总建筑面积取650m2，占地面积为325m2，平面尺寸长×宽为25m×13m。堆场(1)管配件堆场本水厂规模为10万m3/d，经查表，管配件堆场面积取100m2，平面尺寸长×宽为10×10m。(2)砂石滤料堆场在滤池旁设置砂石滤料堆场，面积取100m2，平面尺寸长×宽为10×10m，平均堆高为1m。（三）建筑物面积及尺寸表水厂的附属构筑物面积及尺寸如表5.1所示：表5.1附属构筑物面积及尺寸表构筑物个数（个）面积（m2）尺寸（m×m）综合楼165025.0×13.0（两层）维修车间145532.5×14.0车库136823.0×16.0仓库120020.0×10.0传达室2255.0×2.5食堂115815.8×10.0浴室与锅炉房18010.0×8.0管配件堆场110010.0×10.0砂石滤料堆场110010.0×10.0配电间110010.0×10.0水厂其余构筑物面积如表5.2所示：表5.2其余构筑物面积及尺寸表构筑物个数（个）单个面积（m2）尺寸（m×m）溶液池、溶解池、加药泵、药库140.08.0×5.0一泵站139228.0×14.0吸水室130.745.8×5.3吸水井114014.0×10.0二泵站136024.0×15.0机械混合池26.02D=2.77机械絮凝池219224.0×8.0（分为3格）斜管沉淀池223620.0×11.8普通快滤池1625.06.25×4.00微气泡接触反应池361.210.2×6.0活性炭滤池22407.5×4.0（分为8格）加氯间和氯库115010.0×7.5×2清水池2137555.0×25.0（四）平面布置说明郑州市的主导风向是南风，为了保证生活区的环境美观和保护工作人员的安全健康，将生活区布置在自来水厂的南部。西风和北风全年频率较小，将生产区和加药区布置在自来水厂的西部和北部。维修区和扩建预留地占地面积较大，将维修区布置在自来水厂的东部。自来水厂在西、东部分别设前、后门，每个门附近设一传达室。三、水厂绿化及道路（一）绿化本水厂的绿化面积占总面积的30%，共计15000m2。绿化设计如下：绿地设计：绿地由草地、绿篱和花坛组成，布置在建筑物的前坪和道路交叉口附近。绿带设计：路边用矮绿篱拦护，构筑物旁栽灌木，宽度大于10m。行道树设计：主要道路两边种植高大树木，在净水构筑物旁种植夹竹桃。行道树带宽度为1.25~2m。（二）道路水厂道路包括主厂道、车行道和步行道。（1）主厂道主厂道与入厂道路相连接，伸向厂区内某一适当地方。主厂道宽度一般为4~6m，本水厂取6m，采用沥青混凝土路面，两侧设绿带，人行道等。（2）车行道本水厂采用环状单车道，宽度4m，选用沥青混凝土路面。（3）步行道步行道的宽取1.5m，采用水泥路面。道路坡度：丘陵地带道路纵坡一般小于6%，平坦地区纵坡一般为1%~2%，郑州市地势平坦，因此本水厂取1%。回车道：在道路的尽端及车库前设回车道，本水厂采用的回车道样式及尺寸如图5.1所示。图5.1回车道示意图四、水厂高程布置各净水构筑物之间水流为重力流。（一）水厂管线水厂主要管线包括排水管线、电缆沟、给水管线、加药管线和自用水管线。1.给水管线原水管线：指进入沉淀池前的管线，设置两根钢管。沉淀水管线：指由沉淀池至滤池的沉淀水管线，按埋地式布置。清水管线：指滤池与清水池之间的管线。超越管线：本自来水厂设置超越微气泡接触反应池和颗粒活性炭滤池的管线。当微气泡接触反应池和颗粒活性炭滤池停用时，不用影响水厂的运行。2.排水管线排水系统包括三个部分：1）地面雨水的排除；2）生产废水的排除；3）生活污水的排除。本自来水厂的生活污水接入城市管道。3.电缆沟电缆沟深度设为0.8m，宽度设为0.7m，上做盖板。4.加药管线加药管线做成浅沟敷设，上面设置一个盖板。为了避免腐蚀，管材采用塑料管。5.自用水管线厂内自用水自二级泵房出水管接出。管径需满足消防要求。（二）管线的水头损失计算连接管道设计流速和水头损失如表5.3和表5.4所示。表5.3连接管中的设计流速絮凝池至沉淀池之间使用穿孔花墙，此处不标出。连接管段设计流速（m/s）备注一级泵站至混合池1.0~1.2混合池至絮凝池1.0~1.5絮凝池至沉淀池0.10~0.15沉淀池或澄清池至滤池0.6~1.0流速宜取下限滤池至清水池0.8~1.2流速宜取下限滤池冲洗水的压力管道2.0~2.5流速可略大排水管道（排除冲洗水）1.0~1.2表5.4净水构筑物水头损失构筑物名称水头损失（m）机械絮凝池0.10沉淀池0.20普通快滤池2.0活性炭滤池0.50管线水头损失计算式为： （5.1）一泵站至混合池如4.2.2.2中所示，一泵站至混合池采用两条管径为DN900的铸铁管连接，管长20m，管中实际流速为1.00m/s，满足1.0~1.2m/s的要求。总水头损失为0.1516m。混合池至絮凝沉淀池每座混合池接出一条管径为DN800的球墨铸铁出水管（共两条），各长10m，两条出水管分别接入两座絮凝池。DN800的水管中：流量为0.6366m3/s，实际流速为1.27m/s，满足1.0~1.5m/s的范围要求。根据《建筑给水排水设计标准》(GB50015-2019)，当管道的管（配）件当量长度资料不足时，管配件内径与管道内径一致时，局部水头损失取沿程水头损失的30%。查表得，1000i=2.32。DN800的总水头损失计算如下： 絮凝沉淀池至普通快滤池每座沉淀池接出一条管径为DN1000的球墨铸铁出水管（共两条），各长5m；两条DN1000出水管汇总至一条管径为DN1400的球墨铸铁总管，总管长10m；总管分出16条管径为DN400的球墨铸铁支管，每条支管接入普通快滤池，各长5m。DN1000水管中：流量为0.6366m3/s，流速v=0.81m/s<1.0m/s，符合要求；DN1000水管的总水头损失：查表得，1000i=0.753，L=5m。 DN1400水管中：流量为1.27m3/s，流速v=0.83m/s<1.0m/s，符合要求；DN1400水管的总水头损失：查《给水排水设计手册》第一册常用资料表11-12得，1000i=0.504，L=10m。 DN400水管中：流量为0.0796m3/s，流速v=0.63m/s<1.0m/s，符合要求；DN400水管的总水头损失：查表得，1000i=1.54，L=5m。 总水头损失为： 普通快滤池至微气泡接触反应池清水总管是直径为DN1200的球墨铸铁管，管中流速为1.12m/s；清水总管连接一条直径为DN