给水处理厂净水构筑物设计计算示例.docx

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给水处理厂净水构筑物的设计计算

1设计规模

给水处理厂的设计水量以最高日平均时流量计。

设计处理水量175000m3/d，水厂自用水量占5％，故设计总进水量为Q=175000×1.05=183750m3/d=7656.26m3/h=2.12m3/s。

根据处理水量，水厂拟分为2个系列，平行布置。

2配水井设计

2.1配水井设置

一般按照设计规模一次建成，停留时间取30s。

2.2配水井有效体积

V=Qt=2.12×30=63.6m=64m

2.3配水井尺寸确定

设进厂原水管道经济流速为2.0m/s，则水厂进水管管径D进水=1161mm，实际取D进水=1100mm，对应流速为2.23m/s。

设计其高为H=2m，其中包括0.5m超高。

则配水井底面积为；

，取D=7.5m。

池子的有效容积为，满足要求。

4.3药剂投配设备设计

4.3.1溶液池容积W1

==30.60m32m3

式中：

a——混凝剂的最大投加量，本设计取50mg/L（查设计手册得）；

Q——设计处理的水量，7656.26m3/h；

c——溶液浓度（按商品固体重量计），一般采用5%-20%，本设计取10%；

n——每日调制次数，一般不超过3次，本设计取3次。

设计容积取32m3，溶液池采用矩形钢筋混凝土结构，设置2个，以便交替使用，保证连续投药。

单池尺寸为L×B×H=4.0×4.0×2.5，高度中包括超高0.5m，有效高度2.0m，置于室内地面上。

溶液池实际有效容积：

L×B×H=4.0×4.0×2.0=32m，满足要求。

池旁设工作台，宽1.0-1.5m，池底坡度为0.02。

池内壁用环氧树脂进行防腐处理。

4.3.2溶解池容积W2

W2=（0.2～0.3）W1=0.2×32=6.4m3

式中：

——溶解池容积（m3），一般采用（0.2-0.3）；本设计取0.2。

溶解池分1个，单个溶解池尺寸：

L×B×H=2.1×2.0×1.8，高度中包括超高0.3m，有效高度1.5m，池底坡度采用0.02。

溶解池实际有效容积：

W2=L×B×H=2.1×2.0×1.5=6.3m

溶解池的放水时间采用t＝10min，则放水流量：

q0=W2/（60t）=6.3×1000/（60×10）=10.5L/s。

查水力计算表得放水管管径＝150mm，相应流速v=0.59m/s，管材采用硬聚氯乙烯管。

溶解池底部设管径d＝100mm的排渣管一根，采用硬聚氯乙烯管。

溶解池的形状采用矩形钢筋混凝土结构，内壁用环氧树脂进行防腐处理。

4.3.3．投药管

投药管流量

q===0.74L/s

查水力计算表得投药管管径d＝40mm，相应流速为0.59m/s。

4.3.4.计量投加设备

本设计采用计量泵投加混凝剂。

计量泵每小时投加药量:

q==2.67m/h

式中：

——溶液池容积，m3。

计量泵型号为，选用两台，一备一用。

4.3.5．药库的设计

（1）药剂仓库与加药间宜连接在一起，存储量一般按最大投加量期的1个月用量计算。

（2）仓库除确定的有效面积外，还要考虑放置泵称的地方，并尽可能考虑汽车运输方便，留有1.5米宽的过道。

（3）应有良好的通风条件，并组织受潮，同时仓库的地坪和墙壁应有相应的防腐措施。

仓库容积考虑存放15天的混凝剂用量。

仓库靠近加药间。

每日混凝剂用量为

50×183750/106=9.19t

药剂通道系数采用15%，则面积为115%

药品堆放高度按2.0m计，则所需面积为（9.19×15×1.15）/3=52.84m2

取54㎡，平面尺寸为9×6㎡。

4.3.6．需用空气量

（1）溶液池所需空气量

Q=nFq=2×（3×2.7）×8=129.6L/s

式中：

Q——溶液池所需空气量；

F——药池平面面积，m2；

q——空气供给强度，L/（s.m2），取8L/（s.m2）；

n——每日调制次数，一般不超过3次，本设计取3次。

（2）溶解池所需空气量

Q=nFq=2×（2.1×1.0）×5=21L/s

式中：

Q——溶液池所需空气量；

F——药池平面面积，m2；

q——空气供给强度，L/（s.m2）,取5L/（s.m2）；

n——每日调制次数，一般不超过3次，本设计取3次。

4.4混合设备的设计

本设计分两个系列，采用机械混合池，在机械混合池内安装搅拌装置，用电动机驱动搅拌器。

混合池采用方形。

混合池时间取60s，G值为600~1000s-1，混合池池深和池宽之比为1:

1~3:

1。

4.4.1混合时间

T=60s

4.4.2混合池流量

Q=2.12m3/s

4.4.3混合池有效容积及尺寸

W=QT=2.12×60=63.6m³

混合池深取4.3m，故混合池尺寸为6.1×4.8×4.3m3。

4.4.4搅拌机转速，旋转角速度和轴功率

（1）搅拌机转速

n0=60vπD0=60×3/（π×2.3）=24.91（r/min）

n0——搅拌机垂直轴转速；

v——浆板外缘线速度，1~5m/s，本设计取3m/s；

D0——搅拌机直径（1/3~2/3）D，其中D为矩形混合池等效为圆形的直径为4.6m，本设计中D0取2.3m；

（2）搅拌机旋转角速度

w=v/r=5/1.15=4.35（rad/s）

w——搅拌机旋转角速度；

v——浆板外缘线速度，5m/s；

r——搅拌机半径，r=D0/2=1.15m；

（3）轴功率

a.计算轴功率

N2=Cγω3ZeBR04408g=0.51000×4.353×2×2×0.29×1.154408×9.81=22.86（kw）

N2——计算轴功率；

w——搅拌机旋转角速度,4.35rad/s；

C——阻力系数，0.2~0.5,取0.5；

γ——水的容重,1000kg/m3；

Z——搅拌器叶数，取2；

e——搅拌器层数，取2层；

B——搅拌器宽度，B=（0.1~0.125）D0，本设计中B=0.125×2.3=0.29m；

R0——搅拌器的半径，1.15m；

b.需要轴功率

N1=μWG21000=0.9691×10-363.6×60021000=22.19（kw）

N1——需要轴功率；

μ——水的动力粘度，查手册知，22℃时为0.9691×10-3；

W——混合池容积，63.6m³；

G——设计速度梯度，取600s-1；

N1≈N2，故满足要求。

c.电动机功率

N3=N2n=22.860.85=26.89（kw）

N3——电动机轴功率；

n——传动机械效率，一般取0.85；

N2——计算轴功率；

4.5絮凝设施的设计

本设计絮凝反应池采用隔板往复式絮凝池

4.5.1设计参数

絮凝池设计n=2组，每组设1池，每池设计流量为

Q=7656.26/2=3818.13m3/h=1.06m³/s，絮凝时间T=20min。

4.5.2设计计算

1.絮凝池有效容积

絮凝池平均水深取2.5m，池宽平流沉淀池池宽相等，取B=15.0m。

2.絮凝池有效长度

式中：

H——平均水深（m）;本设计取超高0.5m，H=2.5m；

3.隔板间距

絮凝池起端流速取，末端流速取。

首先根据起，末端流速和平均水深算出起末端廊道宽度，然后按流速递减原则，决定廊道分段数和各段廊道宽度。

起端廊道宽度：

末端廊道宽度：

廊道宽度分成4段。

各段廊道宽度和流速见表2-1。

应注意，表中所求廊道内流速均按平均水深计算，故只是廊道真实流速的近似值，因为，廊道水深是递

减的。

四段廊道宽度之和

取隔板厚度=0.20m，共26块隔板，则絮凝池总长度L为：

4.水头损失计算

式中：

vi——第i段廊道内水流速度（m/s）；

——第i段廊道内转弯处水流速度（m/s）；

mi——第i段廊道内水流转弯次数；

——隔板转弯处局部阻力系数。

往复式隔板（1800转弯）=3；

——第i段廊道总长度（m）；

----第i段廊道过水断面水力半径（m）；

——流速系数，随水力半径Ri和池底及池壁粗糙系数n而定，通常按曼宁公式计算。

==0.28m

，

絮凝池采用钢筋混凝土及砖组合结构，外用水泥砂浆抹面，粗糙系数为n=0.013。

其他段计算结果得：

廊道转弯处的过水断面面积为廊道断面积的1.2-1.5倍，本设计取1.4倍，则第一段转弯处流速：

m/s

式中：

——第i段转弯处的流速（m/s）；

——单池处理水量（m3/h）；

——第i段转弯处断面间距，一般采用廊道的1.2-1.5倍；

——池内水深（m）。

其他3段转弯处的流速为：

各廊道长度为：

各段转弯处的宽度分别为0.84m；1.12m；1.4m；2.1m（1.4倍的廊道宽度）；

第1段水头损失为：

m

5.GT值计算（t=20时）与核算

<60,符合设计要求；

（在104-105范围之内）

絮凝池与沉淀池合建，中间过渡段宽度为1.5m。

4.6沉淀池的设计与计算

本设计采用平流沉淀池。

4.6.1设计流量

本设计采用两组池子，每组设计流量为

Q=7656.26/2=3828.13m3/h=1.06m3/s

4.6.2平面尺寸计算

1.单池容积为：

V=QT=3828.13×1.0=3828.13m3

式中：

V——沉淀池的有效容积，m3；

T——停留时间，h，一般采用1.0～3.0h，设计中取为1.0h。

2.沉淀池长为：

L=3.6vT=3.6×20×1=72m。

式中：

L——沉淀池长度，m；

v——水平流速，mm/s，一般采用10～25mm/s设计中取为20mm/s。

3.沉淀池宽为：

B=V/LH=3828/（72×3.5）=15.0m，取为15m

式中：

B——沉淀池宽度，m；

H——沉淀池有效深度，m，一般采用3.0～3.5m,设计中取为3.5m。

4.6.3校核

a.长宽比

沉淀池长宽比为L/B=72/15=4.8>4，满足要求。

b．长深比

沉淀池长深比为L/h=72/3.5=20.6>10，满足要求。

c．弗罗徳数

水力半径R=BH/（2H+B）=15×3.5/（2×3.5+15）=2.39m=239cm

弗劳德数Fr=v2/Rg=（20×10-1）2/（239×981）=1.7×10-5（在1×10-4~1×10-5之间），满足要求

Fr——弗劳德数；

v——水平流速，cm/s；

R——水力半径，cm；

g——重力加速度，cm/s2；

d．雷诺数

雷诺数Re=vR/ν=20×239/0.9691=4932（在4000~15000之间）,

为紊流状态，符合设计要求。

Re——雷诺数；

v——水平流速，cm/s；

R——水力半径，cm；

ν——水的运动粘度，22℃下为0.9691。

4.6.4进水穿孔墙

1.沉淀池进口处用砖砌穿孔墙布水，墙长15m，墙高3.5m（有效水深3.2m，用机械刮泥装置排泥，其积泥厚度0.1m，超高0.2m。

2.穿孔墙孔洞总面积

絮凝池与沉淀池之间采用穿孔花墙配水。

孔口总面积为

A=Q/v=1.06/0.2=5.3m2.

式中：

A——孔口总面积，m2；

v——孔口流速，m/s，一般取值不大于0.15～0.2m/s设计中取为0.2m/s。

3.孔洞个数

每个孔口尺寸定为15cm×8cm，则孔口数为5.3/（0.15×0.08）=442个。

4.进口水头损失：

h1=ξv12/2g=0.004m

式中：

h1——进口水头损失，m；

ξ——孔洞阻力系数，此处取为2。

4.6.5出水系统

1.出水堰深度

采用薄壁堰出水，堰口应保证水平。

出水堰的堰口标高能通过螺栓上下调节，以适应水位变化。

出水堰起端水深为：

h2=1.73=1.73=0.8m

式中：

h2——出水渠起端水深，m；

B——渠道宽度，取为1.0m。

为了保证自由溢水，出水渠的超高规定为0.1m，则渠道深度为0.9m。

2.渠道内水流速度：

v2=Q/（bh2）=1.06/（1.0×0.8）=1.33m/s

3.沉淀池的出水管管径

管径初定为DN1000，此时管内流速为

v3=4Q/（πD2）=4×1.06/（π×1×1）=1.35m/s

4.6.6沉淀池的放空管

沉淀池放空时间按3h计，则放空管直径为

d===0.362m

采用DN=400mm。

T——放空时间，此处按3h计；

H——池内平均水深，此处为3.5m；

4.6.7排泥设施选择

沉淀池底部设泥斗，污泥斗深0.6m。

采用机械排泥。

4.6.8沉淀池的总高度

H总=h3+h4+H=0.5+0.6+3.5=4.6m

式中：

H总——沉淀池总高度，m；

h3——沉淀池超高，m，一般采用0.3～0.5m，设计中取为0.5m；

h4——泥斗高度，m。

图3-3平流沉淀池简图

4.7过滤设施的设计与计算

本设计采用V型滤池，其设计计算过程如下：

4.7.1设计参数

滤池分两组，每组滤池设计水量Q=91875m³/d,设计滤速ν=12m/h，过滤周期48h；

滤层水头损失：

冲洗前的滤层水头损失采用1.8m

第一步气冲冲洗强度q气1=15L/（s·m2），气冲时间t1=3min；

第二步气-水同时反冲，空气强度q气2=15L/（s·m2），水强度q水1=4L/（s·m2），

气水反冲时间t2=4min；

第三步水冲强度q水2=5L/（s·m2），单独水反冲时间t3=5min；

冲洗时间共计t=12min=0.2h；反冲洗周期T=48h；反冲横扫强度1.8L/（s·m2）。

4.7.2池体设计与计算

1.池体工作时间t′

t′=24-t=24-0.1=23.9h（式中未考虑排放初滤水）

2.滤池面积F

每组滤池面积为：

F===320m2

滤池总面积640㎡。

3.滤池的分格

为节省占地选双格V型滤池，池底板用混凝土，单格宽B=4m，长L=10m，面积40m2。

每组滤池设置N=4座，每座滤池面积f=80m2，一组滤池总面积320m2，两两合建共2组，故滤池总面积640㎡。

4.校核强制滤速

v′===16m/h<17m/h，满足要求。

5.滤池高度的确定

滤池超高H5=0.3m

滤层上的水深H4=1.5m

滤料层厚H3=1.0m

滤板厚H2=0.13m

滤板下布水区高度H1=0.9m

则滤池总高为：

H=H1+H2+H3+H4+H5=0.9+0.13+1.0+1.5+0.3=3.83m

6.水封井的设计

滤池采用单层加厚均粒滤料，粒径0.95～1.35mm，不均匀系数1.2～1.6

均粒滤料层的水头损失按下式计算：

ΔH1=180l0v

式中：

ΔH1——水流通过清洁滤料层的水头损失，cm；

V——水的运动黏度，cm2/s，22℃时为0.009691㎝²/s；

g——重力加速度，取为981cm/s2；

m0——滤料孔隙率，取为0.5；

d0——与滤料体积相同的球体直径，取为0.1cm；

l0——滤层厚度，cm,取为100cm；

v——滤速，12m/h=0.33cm/s；

φ——滤料颗粒球度系数，取为0.8。

故ΔH1==180××=18.34㎝

根据经验，滤速为8～12m/h时，清洁滤料层的水头损失一般为30～50㎝，计算值比经验值低，取经验值的下限30㎝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≤0.22m，忽略其他水头损失，则每次反冲洗后刚开始过滤时的水头损失为

ΔH2=0.3+0.22=0.52m

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2m×2m，堰底板比滤池底板低0.3m，水封井出水堰总高

H水封=0.3+H1+H2+H3==0.3+0.9+0.13+1.0=2.33m

每座滤池过滤水量：

Q单=vf=12×80=960m3/h=0.27m3/s

所以水封井出水堰堰上水头由矩形堰的流量公式Q=计算得：

===0.175m

则反冲洗结完毕，清洁滤料层过滤时，滤池液面比滤料层高0.175+0.52=0.695m。

4.7.3反冲洗管渠系统设计

本设计采用长柄滤头配水配气系统,冲洗水采用冲洗水泵供应,为适应不同冲洗阶段对冲洗水量的要求,冲洗水泵采用两用一备的组合,水泵宜于滤池合建,且冲洗水泵的安装应符合泵房的有关设计规定。

1.洗用水量的计算

反冲洗用水流量按水洗强度最大时计算，单独水洗时反洗强度最大为

5L/（m².s）

Q反=q水2f=5×80=400（L/s）=0.4（m³/s）=（440m³/h）

V型滤池反冲洗时表面扫洗同时进行，其流量为：

Q表=q表f=0.0018×80=0.14（m³/s）

2.反冲洗配水系统的断面计算

配水干管（渠）进口流速应为1.5m/s左右，配水干管（渠）的截面积

A=Q反/v进=0.40/1.5=0.27m2

反冲洗配水干管用钢管，DN600，流速1.41m/s。

反冲洗水由反冲洗配水干管输送至气水分配渠，由气水分配渠底侧的布水方孔配水到滤池底部的布水区。

反冲洗水通过布水方孔的流速按反冲洗配水支管的流速取值。

配水支管流速或孔口流速为1～1.5m/s左右，取v支=1.0m/s，则配水支管（渠）的截面积为：

A支=Q反/v支=0.40/1.0=0.40m2

此即配水方孔总面积。

沿渠长方向两侧各均匀布置20个配水方孔，共40个，孔中心间距0.6m，每个孔口面积：

A孔=0.40/40=0.01m2

每个孔口尺寸取0.1m×0.1m。

3.反冲洗用气量的计算

Q气=q气f=15×80=1200L/s=1.20m3/s

4.配气系统的断面计算

配气干管（渠）进口流速应为5m/s左右，则配气干管（渠）的截面积

A气1=Q气/v气进=1.20/5=0.24m2

反冲洗配气干管用钢管，DN600，流速4.2m/s。

反冲洗用空气由反冲洗配气干管输送至气水分配渠，由气水分配渠底侧的布气小孔配气到滤池底部的布水区。

布气小孔紧贴滤板下缘，间距与布水方孔相同，共计40个。

反冲洗用空气通过布气小孔的流速按反冲洗配气支管的流速取值。

反冲洗用配气支管流速或孔口流速为10m/s左右，则配气支管（渠）的截面积为：

A气2=Q反气/v气支=1.20/10=0.12m2

每个布气小孔面积

A布=0.12/40=0.003m2

孔口直径为

=0.06m，取60mm。

每孔配气量为

Q气孔=Q反气/40=1.20/40=0.03m3/s=108m3/h

5.气水分配渠的断面设计

对气水分配渠断面面积要求的最不利条件发生在气水同时反冲洗时，亦即气水同时反冲洗时要求气水分配渠断面面积最大。

因此气水分配渠的断面设计按气水同时反冲洗的情况设计。

气水同时反冲洗时反冲洗水的流量

Q气水反=q水1f=4×80=320L/s=0.32m3/s

气水同时反冲洗时反冲洗用空气的流量

Q气=q气f=15×80=1200L/s=1.20m3/s

气水分配渠的气、水流速均按相应的配水、配气干管流速取值。

则气水分配干渠的截面积

A气水=Q气水反/v进+Q反气/v气进=0.32/1.5+1.20/5=0.45m2

4.7.4滤池管渠设计与计算

1.反冲洗管渠

（1）气水分配渠

气水分配渠起端宽取0.4m，高取1.5m，末端宽取0.4m，高取1.0m。

则起端截面积0.6m2，末端截面积0.4m2。

两侧沿程各布置20个配水方孔和20个配气小孔，孔间距0.6m，共40个配气小孔和40个配水方孔，气水分配渠末端所需最小截面积为0.45/40=0.011m2<末端截面积0.4m2，满足要求。

（2）排水集水槽

排水集水槽顶端高出滤料层顶面0.5m，则排水集水槽起端槽高

H起=H1+H2+H3+0.5-1.5=0.9+0.13+1.0+0.5-1.5=1.03m

式中H1、H2、H3同前，1.5m为气水分配渠起端高度。

排水集水槽末端高

H末=H1+H2+H3+0.5-1.0=0.9+0.13+1.0+0.5-1.0=1.53m

式中H1、H2、H3同前，1.0m为气水分配渠末端高度。

底坡i=（1.53-1.03）/L=0.5/13=0.0385

（3）排水集水槽排水能力校核

集水槽超高0.3m，则槽内水位高h1=0.73m，槽宽b槽=0.4m，n=0.013

水流截面积ω=bh=0.4×0.73=0.292m2

水流湿周χ=b+2h=0.4+0.73×2=1.86m

水力半径R=A/ω=0.292/1.86=0.157m

水流速度v=R2/3i1/2/n=（0.1572/3×0.03851/2）/0.013=4.37m/s

过流能力Q排集=ωv=0.292×4.37=1.27m3/s

实际过水量Q水=Q反+Q表=0.40+0.14=0.54m3/s<过流能力Q排集=1.27m3/s

2.进水管渠

（1）进水总渠

四个滤池分成独立的两组，每组进水总渠过水流量按强制过滤流量设计，流速0.8～1.2m/s，则强制过滤流量为：

Q强=（91875/3）×2=61250m3/d=0.709m3/s

进水总渠水流断面积为：

A进总=Q强/v进总=0.709/1.0=0.709m2

进水总渠宽1.0m，水面高0.8m。

（2）每座滤池的进水孔

每座滤池由进水侧壁开三个进水孔，进水总渠的浑水通过这三个进水孔进入滤池。

两侧进水孔孔口在反冲洗时关闭，中间进水孔孔口设手动调节闸板，在反冲洗时不关闭，供给反洗表扫用水。

调节阀门的开启度，使其在反冲洗时的进水量等于表扫水用水量。

孔口总面积按滤池强制过水量设计，孔口两侧水位差取0.1m，则孔口总面积为：

A孔=Q强/（0.8）=0.709/（0.8）=0.63m2

中间孔口面积按表面扫洗水量设计：

A中孔=A孔（Q表/Q强）=0.63×（0.14/0.709）=0.12m2

孔口宽B中孔=0.12m,高H中孔=0.1m。

两个侧孔口设阀门，采用橡胶囊充气阀，每个侧孔面积为：

A侧=（A孔-A中孔）/2=（0.63-0.12）/2=0.26m2

孔口宽B孔=0.52m，高H侧孔=0.1m。

（3）每座滤池内设的宽顶堰

为保证进水稳定性，进水总渠引来的浑水经过宽顶堰进入每座滤池内的配水渠，再经滤池内的配水渠分配到两侧的V型槽。

宽顶堰堰宽b宽顶=5m，宽顶堰与进水总渠平行设置，与进水总渠侧壁相距0.5m。

堰上水头为：

h宽顶=[Q强/（1.84b宽顶）]2/3=[0.709/（1.84×5）]2/3=0.18m

（4）每座滤池的配水渠

进入每座滤池的浑水经过宽顶堰流至配水渠，由配水渠两侧的进水孔