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氧化溝的水頭損失計(jì)算與導(dǎo)流板偏置的作用

更新時(shí)間:2009-05-07 14:31 來(lái)源:中國(guó)環(huán)保頻道 作者: 閱讀:1409 網(wǎng)友評(píng)論0

摘 要:氧化溝采用的曝氣轉(zhuǎn)刷除具有充氧性能外,還需推動(dòng)溝內(nèi)混合液循環(huán)流動(dòng)并能保證混合液 中的活性污泥不會(huì)發(fā)生沉淀,否則會(huì)降低混合液的濃度,影響處理效果。為保證混合液中的活性污泥處于懸浮狀態(tài),氧化溝最小平均斷面流速必須在0.3m/s以上,并以此作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算氧化溝的沿程和局部水頭損失,以確定曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭和水下推進(jìn)器的型號(hào)及數(shù)量。 

T型氧化溝為三溝交替工作式氧化溝系統(tǒng),曝氣沉砂池來(lái)水經(jīng)過(guò)配水井可根據(jù)需要進(jìn)入各溝內(nèi)。溝與溝相互連通,兩側(cè)溝設(shè)有啟閉式可調(diào)堰,而剩余污泥一般從中溝排放。T型氧化溝系統(tǒng)運(yùn)行靈活,曝氣沉淀均在溝內(nèi)交替進(jìn)行,省去了污泥回流系統(tǒng)。通過(guò)合理地編排運(yùn)行程序,還可以有效地實(shí)現(xiàn)脫氮功能。

氧化溝采用的曝氣轉(zhuǎn)刷除具有充氧性能外,還需推動(dòng)溝內(nèi)混合液循環(huán)流動(dòng)并能保證混合液 中的活性污泥不會(huì)發(fā)生沉淀,否則會(huì)降低混合液的濃度,影響處理效果。為保證混合液中的活性污泥處于懸浮狀態(tài),氧化溝最小平均斷面流速必須在0.3m/s以上,并以此作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算氧化溝的沿程和局部水頭損失,以確定曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭和水下推進(jìn)器的型號(hào)及數(shù)量。

在工程上,設(shè)計(jì)的T型氧化溝都具有脫氮功能,屬延時(shí)曝氣,停留時(shí)間較長(zhǎng),造成氧化溝的總長(zhǎng)度很大,平面布置上必然出現(xiàn)多處彎道。彎道的局部阻力相對(duì)于沿程阻力來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的,約占90%左右,但曝氣轉(zhuǎn)刷的推動(dòng)力有限,應(yīng)采取導(dǎo)流板減阻措施,其減阻效果可以通過(guò)水力計(jì)算說(shuō)明。導(dǎo)流板的偏置,增強(qiáng)了減阻效果并更有效地防止固體沉淀,也減少了工程投資。

1 水頭損失的計(jì)算

污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入氧化溝,由于氧化溝中的混合液沿溝渠循環(huán)流動(dòng),使溝中的循環(huán)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量。循環(huán)流量是由曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器的推動(dòng)所引起的,為了保持氧化溝中的固體呈懸浮狀態(tài)而不致沉淀,溝內(nèi)斷面平均流速一般為0.3~0.5 m/s,溝底流速保證不低于0.1m/s。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,如果水平流速達(dá)不到設(shè)計(jì)值,可以通過(guò)調(diào)節(jié)出水堰高度或曝氣轉(zhuǎn)刷的垂直位置來(lái)改變曝氣轉(zhuǎn)刷的浸沒(méi)深度和調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速等措施來(lái)調(diào)節(jié)。
對(duì)于T型氧化溝來(lái)說(shuō),其溝底坡度和進(jìn)出水位差很小,靠曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器的推動(dòng),在溝內(nèi)產(chǎn)生局部的水位差推動(dòng)水流,其水位差用來(lái)克服沿程和局部水頭損失。實(shí)際上,起主要推動(dòng)作用的是曝氣轉(zhuǎn)刷,它推動(dòng)氧化溝混合液產(chǎn)生提升水頭h,其與轉(zhuǎn)刷浸沒(méi)深度(I)和線速 度(Vr)有如下關(guān)系:

h=k(Im/Y)Vrn (1)

式中h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭,m
I——轉(zhuǎn)刷浸沒(méi)深度,m
Y——氧化溝水深,m
Vr——轉(zhuǎn)刷線速度,m/s
k、m、n—— 試驗(yàn)常數(shù)

另外,從混合推動(dòng)力(PC)指標(biāo)來(lái)看[1],

h=Fr/(ρgY)(2)

式中h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭,m
Fr— 曝氣轉(zhuǎn)刷的混合推動(dòng)力(表示溝內(nèi)混合液達(dá)到0.3m/s的平均流速時(shí),1m曝氣轉(zhuǎn)刷所能推動(dòng)的混合液體積,單位為m3/m2,一般在200~250m3/m)

由以上兩個(gè)公式看出,曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭與氧化溝的水深成反比。在設(shè)計(jì)氧化溝時(shí)應(yīng)根據(jù)曝氣轉(zhuǎn)刷的推動(dòng)力確定水深,否則氧化溝水深太大會(huì)降低溝底流速,容易造成懸浮固體的沉淀?梢圆扇p少溝底過(guò)水?dāng)嗝娴拇胧岣邷系琢魉佟?br /> 若對(duì)轉(zhuǎn)刷軸線的上下游斷面列能量方程,則曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭等于混合液循環(huán)一周的水頭損失。若有多個(gè)曝氣轉(zhuǎn)刷,則其提升水頭為流至下一臺(tái)轉(zhuǎn)刷的水頭損失(計(jì)算沿程損失時(shí),鋼筋混凝土溝壁粗糙系數(shù)n取0.013)。
根據(jù)氧化溝的構(gòu)造情況,每臺(tái)轉(zhuǎn)刷下游均安裝傾角為60°的傾斜擋流板,使水流折向溝底, 推動(dòng)溝底水流流動(dòng),保證溝底混合液充分混合。也可在上游安裝垂直擋流板,這樣局部阻力系數(shù)包括彎道阻力系數(shù)kb、垂直擋板阻力系數(shù)kv和傾斜擋板阻力系數(shù)ki。
對(duì)于彎道,其阻力系數(shù)kb=0.5~1.0;對(duì)于垂直和傾斜擋流板的阻力系數(shù),有人得出如下關(guān)系[1]:
kv=5.4β1.5
ki=4.3β1.5
式中d——擋流板水下深度,m
Y——氧化溝水深,m

故氧化溝的總阻力系數(shù)K為:
K=kf+∑kb+∑kv+∑ki
氧化溝總的水頭損失為:
∑h=KV2/(2g)

根據(jù)氧化溝總的水頭損失和所選用的轉(zhuǎn)刷臺(tái)數(shù),可以校核轉(zhuǎn)刷總提升水頭能否克服總的水頭損失。若不能則應(yīng)增設(shè)轉(zhuǎn)刷或采用水下推動(dòng)器等輔助措施來(lái)保證達(dá)到混合推動(dòng)要求。

2 導(dǎo)流板的作用

氧化溝直段上的沿程水頭損失相對(duì)于彎道的局部水頭損失來(lái)說(shuō)非常小,一般認(rèn)為僅為10%左 右。以某污水處理廠為例計(jì)算一個(gè)氧化溝的水頭損失:
【例】一氧化溝的總長(zhǎng)度為300m,溝總寬20m,有效水深4m。

hf=n2LV2/R4/3=0.0132×300×0.32/(10×4/(10+4+4)4/3)=0.00157m

若彎道的阻力系數(shù)取1.0,則彎道的局部損失為:

hb=∑ζV2/(2g)=2×1.0×0.32/2g=0.00918m

沿程水頭損失占彎道局部水頭損失的0.00157/0.00918×100%=17%,其中還包括了T型氧化溝連通孔的局部水頭損失,其實(shí)僅占總的水頭損失約為10%。因此,理想的彎道設(shè)計(jì) 對(duì)于保證具有關(guān)鍵作用的渠中水平流速來(lái)說(shuō)是非常重要的。為了減少摩阻,氧化溝在每個(gè)轉(zhuǎn) 彎處都設(shè)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板,可以防止或推遲混合液與壁面的分離,減小旋渦區(qū)和二次流的產(chǎn)生,達(dá)到降低彎道阻力系數(shù)的目的。設(shè)置導(dǎo)流板后,其阻力系數(shù)按下式計(jì)算:

1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3+......+1/fcn

式中fc1~fcn——在由n-1個(gè)導(dǎo)流板分開(kāi)的轉(zhuǎn)彎處每一渠道的局部阻力系數(shù)

這種計(jì)算類似于電學(xué)上的并聯(lián)電路。

下面再用一例子分析用導(dǎo)流板后局部阻力系數(shù)的變化情況:
【例】有一氧化溝,其彎道處的阻力系數(shù)(fC)等于10。當(dāng)該渠道被二個(gè)導(dǎo)流板分開(kāi)時(shí),所形成的各支渠的局部阻力系數(shù)為fC1=15,fC2=07,fC3=05,那么,由于彎道分割渠道,其阻力系數(shù)fC為:

1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3=1/1.5+1/0.7+1/0.5

fc=0.224

由此看出,這個(gè)轉(zhuǎn)彎處的水頭損失減少到?jīng)]有分割前轉(zhuǎn)彎處損失的24.4%,減阻效果非常明顯。
導(dǎo)流板通常是薄壁結(jié)構(gòu),因?yàn)楸”趯?dǎo)流板的阻力和摩阻通常是忽略不計(jì)的,否則就要考慮由于它對(duì)水流的阻力所產(chǎn)生的額外損失。但彎道的阻力系數(shù)總是較大,這主要是因?yàn)樗那拾霃捷^小。若導(dǎo)流板偏置于彎道處,即它的圓心不在氧化溝渠道的縱向中心線上,水流從大斷面進(jìn)從小斷面出,這樣可以增加氧化溝彎道出口的水流流速,加強(qiáng)其紊流程度和沖刷能力,防止固體在隔墻背流處沉淀。實(shí)際工程中,一般只設(shè)一道導(dǎo)流板,再增加導(dǎo)流板會(huì)增加工程費(fèi)用,導(dǎo)流板偏置能夠減少?gòu)澋栏魤Ρ沉魈幓钚晕勰嗟裙腆w沉淀,從而減少導(dǎo)流板的數(shù)量,降低工程投資。山東省某污水處理廠采用偏置導(dǎo)流板,其在試運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)T型氧化溝的直段全部產(chǎn)生污泥沉淀,但彎道處沒(méi)有產(chǎn)生,從而說(shuō)明了偏置的導(dǎo)流板具有較強(qiáng)的減阻效果和防沉作用。

3 結(jié)語(yǔ)

①溝中斷面平均流速的動(dòng)力主要來(lái)自于曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器,通過(guò)提升水頭和水頭損失的計(jì)算,可以保證斷面平均流速達(dá)到設(shè)計(jì)值,保證混合和推流達(dá)到設(shè)計(jì)要求,保持氧化溝中固體呈懸浮狀態(tài)而不致沉淀。

②彎道局部阻力在整個(gè)氧化溝中比較大,設(shè)置導(dǎo)流板可降低彎道阻力,導(dǎo)流板的偏置可減少導(dǎo)流板的數(shù)量并防止彎道隔墻背流處的固體沉淀。

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