CN1008326B

CN1008326B - 控制紊流能耗的水力混合絮凝装置

Info

Publication number: CN1008326B
Application number: CN 88102816
Authority: CN
Inventors: 高志强
Original assignee: CHINA ZHONGNAN DESIGNING INST OF MUNICIPAL ENGINEERING
Current assignee: CHINA ZHONGNAN DESIGNING INST OF MUNICIPAL ENGINEERING
Priority date: 1988-05-12
Filing date: 1988-05-12
Publication date: 1990-06-13
Also published as: CN88102816A

Abstract

一种控制紊流能耗的水力混合絮凝装置，其混合装置由锥帽、支架、孔板所组成，絮凝装置由沿流程一定距离的过水断面中放置固定的栅条或网格所组成。该混合絮凝装置将紊流运动的自然衰减规律与人为衰减规律有机地结合起来，根据整个混合絮凝阶段能量从大到小的能级范围，合理地放置不同规格的混合絮凝装置，在其后面能造成适应微粒碰撞集聚机理要求的最佳水流结构，能提高输入能量的利用率和絮凝池容积的利用率以及提高混凝效果，节省基建投资。

Description

本发明涉及给水净化工艺技术，具体地说是一种控制紊流能耗的水力混合絮凝装置。

混合絮凝是以地表水为水源的给水净化工艺中的关键环节之一，它将直接影响净化效果、制水成本、基建投资以及操作管理。当前，国内外混凝设备的水力停留时间按设计规范一般为30分钟，近年来，国内外用于生产的效率较高的混凝设备有荷兰Vanswaay公司的CPT波纹板装置，其混合时间为0.5～1秒钟，絮凝时间为7分钟，国内的折板等絮凝装置的絮凝时间亦在7分钟左右。波纹板以及折板絮凝装置都属于受壁面影响的近壁紊流的扰流装置，其效率虽然比传统絮凝池有较大提高，但共同缺点是所需要的填充材料比较多，特别是密集的波纹板（玻璃钢或塑料板）填料，其价格比较昂贵，加工制作及安装都比较麻烦，其输入能量的有效利用率虽然比传统絮凝池高，但与按不受壁面影响的自由紊流原理设计的扰流装置相比，能量利用率偏低。

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种控制紊流能耗的水力混合絮凝装置，使其能提高混凝效率和效果，降低能耗和药耗，节省投资和占地面积，便于安装和管理。

通过研究，采取下述原理和技术措施，是实现本发明的根本保证，即从理论上提出将水流结构（λ₀）、混凝机理（λ₀≈d）、混凝能耗（ε或G）三者统一起来的应用技术原理。其核心内容是：从定量分析上确定混凝全过程不同阶段有效能耗理论值的概念及其计算方法。其技术关键是：研究了紊流运动自然衰减规律在技术系统人为条件下的具体表现和应用形式。根据凝聚和絮凝体逐渐长大的一般规律和资料，提出控制紊流能耗的定量范围，经计算将不同阶段混凝有效能耗的理论值列于下表，表中反映了在混凝过程的各阶段中与颗粒粒径相近的紊动波长（λ₀）及其能量。（一般的教科书中称λ₀为涡旋微尺度，经研究我们发现它具有紊动波长的性质，故称λ₀为紊动波长）。

以表中理论值的计算为依据，对混凝全过程的各阶段按不同数量级进行能量分配，按各阶段的能级范围设计混凝装置就能达到一定的混凝效果。

根据表中混合阶段的能级范围设计的混合装置由锥帽10，支架11，孔板12所组成，该装置的主要作用是将原水及药剂的混合水流通过锥帽帽沿形成锐缘脱体绕流，通过支架及孔板形成射流，使原水和药剂完成高梯度瞬时混合，在极短时间内形成对初始颗粒碰撞集聚所需要的水流结构，在水流中迅速形成微小矾花，从而达到均匀扩散、快速混合、降低药耗的目的。通过试验研究，当进水管断面面积为F时，混合装置的各部位尺寸有如下关系：

锥帽帽沿外径：φ＝0.564F^0.5，

锥帽顶端剖面夹角为90°，

支架长度：l＝0.4515F^0.5，

支架宽度：b＝0.096F^0.5，

孔板直径：dg＝0.977F^0.5，

孔板设计运行流速控制范围：V＝1.2～1.8m/s，该流速范围可根据设计水量来选择不同规格的混合装置进行控制。

根据上表絮凝阶段的能级范围，并按自由紊流原理及本发明研究中提出的“横向均匀纵向分散”地输入能量概念，为絮凝阶段设计的絮凝装置为栅条或网格装置。该装置的栅条是由单向板条构成一定宽度缝隙的扰流构件，网格是由一定宽度的纵横板条构成方形（或矩形）孔眼的扰流构件。一般情况下，为了便于加工和安装，每层栅条或网格是由2～3个构件拼放而成。在絮凝阶段，经混合的水流通过栅条或网格后能获得脉动能量，在其后不远处形成各向同性紊流，有利于矾花的进一步形成。当没有能量继续支持紊动时，这种各向同性紊流将会产生自然衰减，其衰减过程一般分为三个阶段，即衰减前期、衰减中期、衰减末期，在衰减前期，栅条或网格的尺寸对紊流影响较大，在衰减末期，粘滞影响占主导地位，在衰减中期，除上述因素以外，惯性影响占有重要位置，对絮凝起主要作用，处于惯性区向粘性区过渡的临界状态的小涡旋（λ₀）就在衰减中期，这就是紊流运动的自然衰减规律。紊流运动的人为衰减规律即是按混凝机理（λ₀≈d），根据颗粒成长结粗的一般规律，人为地控制输入能量的能耗数量级逐段递减，这就是人为衰减规律。每个能级都遵循与其相应的自然衰减规律。本发明充分利用紊流运动的自然衰减和人为衰减规律，在絮凝池的各竖井中，在沿流程按一定的距离的过水断面中，放置固定的栅条或网格作扰流构件，使紊流每通过一层栅条或网格，就会获得一次脉动能量，反复形成絮凝所需要的各向同性紊流结构，使矾花逐渐加大且密实，这就在有限的空间和时间内，最大限度地提高了输入能量以及絮凝池容积的有效利用率，从而达到了提高絮凝效率和效果以及缩小占地面积的目的。

紊流的衰减中期是最佳的水流结构阶段，控制衰减中期的紊流状态处于两层相邻栅条或网格之间，是设计栅条或网格的板条宽度、缝隙、孔眼的尺寸以及每层栅条或网格之间的距离（即层距）的重要依据，以上各尺寸可以通过三方面的实验资料来确定：

（1）借鉴自由射流的扩散减速规律以及大量的试验数据，可以确定栅条或网格构件的各项尺寸。构成栅条的板条宽度一般为5cm，板条间的缝隙宽度为5～8cm，构成网格的板条宽度为3.4～4cm，网格孔眼宽度为8～10cm，两相邻栅条或网格的层距均为60～70cm;每层栅条或网格构件本身的密疏度与所处的絮凝池竖井的前后位置有关，在一个进水单元絮凝池的前段（如图1中的竖井1～3），需要的絮凝耗能大（即流速大），可放置密型栅条或网格;在中段（如图1中的竖井4～6），需要的絮凝耗能较小（即流速小），可放置疏型栅条或网格;在末段（如图1中的竖井7～9），为防止大而密实的矾花不至于在此被剪碎，一般不放置栅条或网格。密型栅条的板条宽度为5cm，缝隙宽度为5cm，密型网格的板条宽度为4cm，孔眼宽度为8cm×8cm;疏型栅条的板条宽度为5cm，缝隙宽度为8cm，疏型网格的板条宽度为3.5cm，孔眼宽度为10cm×10cm;栅条或网格在一个进水单元的絮凝池竖井中，总层数＞20层，其前段层数≥13层，中段层数≥8层，末段不放置。栅条或网格之间的层距均为60～70cm。在一个进水单元的絮凝池的前段和中段，由栅条或网格形成的能耗约占2/3，竖井之间的过水孔洞形成的能耗约占1/3。

（2）借鉴风洞试验资料可判断栅条或网格后面开始形成各向同性紊流及其自然衰减分段距离。根据流体动力学中研究各向同性紊流时在风洞中安置网格的试验，其风速为12m/s左右，本发明研究絮凝池竖井中的水流平均速度为0.12m/s左右，比风洞试验的风速小100倍，故借用风洞试验资料的关系相应减小100倍，则有：

a.水流通过栅（网）后开始形成各向同性紊流的距离为1.5～2cm;

b.衰减初期在栅（网）后面10～20cm;

c.衰减中期在栅（网）后面15～65cm;

d.衰减末期在栅（网）后面60～70cm。

（3）根据美国坎布早年关于设计穿孔挡板的研究和试验资料，本发明研究推导出方孔射流的速度梯度公式，由此反算出网格孔眼净空尺寸、板条宽度、过网流速以及网格层距均与上述两项试验资料计算结果基本吻合。

本发明与现有技术相比，具有一系列优点。其混合装置部分具有快速均匀扩散混合、耗药少、加工容易、水头损失小、耗能小等特点，据1983年《建筑技术通讯》杂志介绍国外城市给水净化运态中所说，美国《水处理厂设计》采用的混合装置，杰曼尔建议混合时间少于20秒，但此时每m³/s水量需耗能27～45千瓦，而本发明中的混合装置，其混合时间仅2秒钟左右，此时每m³/s水量只耗能6千瓦左右。絮凝池中所采用的栅条网格絮凝装置，比荷兰的波纹板絮凝装置以及国内某些传统絮凝装置的优点更多，波纹板絮凝装置需在整个过水断面中填满密集的波纹板材料，安装复杂，造价很高，单位水量（按1万吨/日）的波纹板材料约为10000元左右，而栅条网格装置仅用300～1000元，且该装置的每层栅条或网格由2～3个构件拼放而成，所以加工安装都很方便;波纹板装置对水流能量的利用不够充分，波纹板是连续布置的，其上每一个峰波谷间形成的水头损失约为1.47～1.67mm，这个能量仅在13.1cm（波长）内耗散，而栅条网格装置利用水流能量比较充分，其后面的水流有一个自由掺混的距离，故不需要连续布置栅条或网格，每层栅条或网格的水头损失约为2～3.5mm，这个能量要在60～70cm内耗散，通过实际运行资料对比，波纹板装置的总水头损失约为栅条或网格装置总水头损失的3倍，故栅条或网格装置对能量的有效利用率较高。该栅条或网格装置不用机械电气设备，与传统机械絮凝装置比较，每年可节省电耗2～5万度/万吨水，同时还方便了维修与管理;该装置的构件可以做到标准、统一，从而可简化设计，方便施工，可广泛用于大中小型给水工程的挖潜改造和新建工程的设计中。

图1是本发明的栅条或网格絮凝池平面布置示意图。图中标示了上下两个进水单元，其中1～9为上进水单元栅条絮凝池的竖井，各竖井中每隔一定距离放置一定规格的栅条（末段不放置），各竖井间依次上下交错地开有过水孔洞。图中下进水单元网格絮凝池的布置和栅条絮凝池布置类似。实际上各进水单元絮凝池可采用同一种装置，常用的是栅条装置。

图2是图1的1-1剖面图。

图3是本发明的混合装置示意图。图中各代号的含义为：锥帽10，支架11，孔板12，套管13，药管14。

图4是图3的1-1剖面图。

图5是本发明的栅条构件示意图。

图6是本发明的网格构件示意图。

图7是本发明的单层栅条拼放示意图，单层网格的拼放与此类似。

图8是本发明的网格在竖井中分层安装示意图。栅条的分层安装与此类似。

图9是图8的1-1剖面图。

下面结合附图介绍一下有关的实施问题。图3中的混合装置锥帽10用钢板或塑料制成，用钢板制作时，考虑到耐药剂的腐蚀问题，需对钢板锥帽作防腐蚀处理（如涂敷特种油漆），支架11用扁钢制作，孔板12亦用钢板制作，两者都需涂敷油漆。支架11共六根，其中两根以十字交叉状焊接在孔板12上，其余四根两两对称地用螺钉连接在上述两根支架和锥帽10的帽沿之间。该混合装置的规格随进水量的大小而不同。当进水管的断面面积为F时，各部件的尺寸有如下关系：

锥帽帽沿外径：φ＝0.564F^0.5，

锥帽顶端剖面夹角为90°，

支架长度：l＝0.4515F^0.5，

支架宽度：b＝0.096F^0.5，

孔板直径：dg＝0.977F^0.5，

本发明的栅条网格絮凝装置采用木材、扁钢、铸铁、水泥预制件制作均可。构成栅条的板条宽度一般采用5cm，栅条缝隙宽度为5～8cm，构成网格的板条宽度一般采用3.5～4cm，网格孔眼宽度为8～10cm，层距均为60～70cm;栅条网格的板条厚度与选用的材料有关，当选用木材时，其厚度为20～25mm，选用扁钢时为5～6mm，选用铸铁时为10～15mm，选用水泥预制件时为25～30mm。在一个进水单元絮凝池中，栅条或网格的层数一般设计20层以上，在絮凝池前段≥13层，中段≥8层，末段一般可不放置。随絮凝池中的竖井所处的前后位置不同，放置在其内的每层栅条或网格构件本身的密疏程度不一，放置在前段的密型栅条，其板条宽度为5cm，其栅条缝隙宽度为5cm，放置在前段的密型网格，其板条宽度为4cm，其孔眼宽度为8cm×8cm;放置在中段的疏型栅条，其板条宽度为5cm，其栅条缝隙宽度为8cm，放置在中段的疏型网格，其板条宽度为3.5cm，其孔眼宽度为10cm×10cm。为了便于加工和安装，每层栅条或网格是由2～3个构件拼放而成（见图7）。其它与本发明相配套的设施类似于现有技术，具体实施可参考有关的现有技术和本发明所提供的所有附图。有些问题在此重点强调一下：实施中要注意本发明与其它设施前后工序的合理衔接，以发挥综合技术效果。为了减小絮凝池过水断面，以利控制紊流流态的均匀性，一般情况下，一个能够与单独运行的沉淀池相配套的絮凝池，根据处理水量大小宜分为两个以上进水单元，对称布置，以适应运行水量达不到设计负荷的60%时集中一个单元进水，仍可满足絮凝能耗的要求。絮凝池进口配水段，一般考虑以斜管整流并兼有除砂功能，其平面尺寸可根据去除砂粒粒径大小和斜管管径大小进行计算确定，该配水段的下部做成斗底形式，一斗一个排泥口，采用易于启闭的液压或气动角式快开阀门。絮凝池一般设计成上下翻越的竖流式池型（即竖井），竖井平面一般设计成正方形、长方形等均可。竖井高度一般为4.4～4.8m，竖井隔墙可用砖砌或现浇与装配钢筋混凝土，改造池型或微型工程用钢板焊隔亦可，各竖井中支承栅条网格的支承物高程均相等，方向均相同，支承物采用角钢、砖砌体等均可。竖井间的过水孔洞上孔的洞顶高程统一定在池面以下50cm处，以保证孔洞全部淹没在水中，下孔洞底高程统一定在池底以上50～60cm处，以便布置排泥设施。由于栅条网格絮凝池能量利用率高，水头损失较小，一般超设计负荷50%运行时，总水头损失不超过20cm，故将絮凝池池底与沉淀池池底相平，池顶比沉淀池池顶高出20cm即可。

Claims

1、一种控制紊流能耗的水力混合絮凝装置，包括混合装置和絮凝装置，其特征在于，混合装置由锥帽10，支架11，孔板12所组成，絮凝装置由多层栅条或网格所组成，其中栅条是由单向板条构成一定宽度缝隙的构件，网格是由一定宽度的纵横板条构成方形(或矩形)孔眼的构件，当进水管断面面积为F时，混合装置的各构件尺寸有如下关系：锥帽帽沿外径φ=0.564F^0.5，锥帽顶端剖面夹角为90°，支架长度l=0.4515F^0.5，支架宽度b=0.096F^0.5，孔板直径dg=0.977F^0.5，絮凝装置中的栅条或网格各部位尺寸为：栅条的板条宽度为5cm，栅条缝隙宽度为5～8cm，网格的板条宽度为3.5～4cm，网格孔眼宽度为8～10cm，栅条或网格之间的层距均为60～70cm，栅条或网格在一个进水单元的絮凝池竖井中的总层数＞20，其中处于絮凝池前段竖井中的层数≥13，处于絮凝池中段竖井中的层数≥8，絮凝池末段竖井中一般不放置栅条或网格。

2、根据权利要求1所述的混合絮凝装置，其特征在于，每层栅条或网格构件本身的密疏度与所处的絮凝池竖井的前后位置有关，放置在絮凝池前段的为密型栅条或网格，其栅条的板条宽度为5cm，栅条缝隙宽度为5cm，网格的板条宽度为4cm，网格孔眼宽度为8cm×8cm，放置在絮凝池中段的为疏型栅条或网格，其栅条的板条宽度为5cm，栅条缝隙宽度为8cm，网格的板条宽度为3.5cm，网格孔眼宽度为10cm×10cm。

3、根据权利要求1所述的混合絮凝装置，其特征在于，絮凝装置中的每层栅条或网格是由2～3个构件拼放而成。

4、根据权利要求1所述的混合絮凝装置，其特征在于，混合装置中的锥帽10、支架11、孔板12分别用钢板或塑料、扁钢以及钢板制作，絮凝装置中的栅条或网格采用木材、扁钢、铸铁、水泥预制件制作均可。

5、根据权利要求4所述的混合絮凝装置，其特征在于，随选用材料不同，所制成的栅条或网格的板条厚度不一样，当选用木材时，其厚度为20～25mm，选用扁钢时厚度为5～6mm，选用铸铁时厚度为10～15mm，选用水泥预制件时厚度为25～30mm。