水质工程学课程设计.docx
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水质工程学课程设计
水质工程学课程设计
学生姓名：
学号：
班级：
指导老师：
20xx年6月
1任务指导
课程设计教学目的及基本要求
通过课程设计，使学生熟悉并掌握给水厂的设计内容、设计原理、方法和步骤，学会根据设计资料正确计算,正确地选定设计方案，具备设计城镇水厂的初步能力。
要求学生对水厂总体布置的设计思想，从工艺流程、操作联系、生产管理以及物料运输等各方面考虑，而进行合理的布置设计。
掌握设计说明书、计算书的编写内容和编制方法，并绘制工程图纸。
设计内容
1 处理工艺流程的确定；
2 正确计算供水量；
3 水处理构筑物型式的比较与选择，拟定各构筑物的设计流量；构筑物的设计计算并绘草图；
4 确定混凝剂品种、投加量及投加方式、投加设备；
5 选择消毒剂品种、投加量及投加方式、投加设备；
6 确定水厂其它建、构筑物尺寸；
7 进行水厂平面及高程布置；
8 绘制本设计指定的技术图纸；
9 完成设计计算、说明书
设计资料
水源和水质
1 水源：
河水
2 水质：
水质符合《地面水环境质量标准》二级标准
城市规划与供水规模
规划到2020年，城市人口规模为5万人，日工业产值300万元，万元产值耗水量120m3/万元，综合生活用水量标准230L/人·d（最高日），未预见及管网漏失量20％Q最高日计。
据省计划委员会批文及近远期需水量预测，确定本工程供水规模为6万m3/d。
供水水质及水压
水厂出厂水质统一按现行国家生活饮用水卫生标准考虑。
水厂出厂水压为，以满足接管点处服务水头。
气象
该市属亚热带季风湿润气候，特征为：
气候温和，雨水充沛，光照充足，四季分明，冬夏长，春秋短，无霜期长，全年主导风向为北风，6～8月多为南风。
2总体设计
净水工艺流程的确定
根据《地面水环境质量标准》（GB－3838－02），原水水质符合地面水Ⅲ类水质标准，除浊度、菌落总数、大肠菌数偏高外，其余参数均符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749－2006）的规定。
水厂以地表水作为水源，工艺流程如图1所示。
图1水处理工艺流程
处理构筑物及设备型式选择
药剂溶解池
1 为便于投加药剂，溶解池高程一般以在地平面以下为宜，池顶高出地面左右，。
2 溶解池的底坡不小于，池底应有直径不小于100mm的排渣管，池壁需设超高，防止搅拌溶液时溢出。
3 溶液池一般采用钢筋混凝土池体，内壁需进行防腐处理。
4 投加量较小时，也可在溶液池上部设置淋浴斗以代替溶药池，使用时将药剂置于淋浴斗中，经水力冲溶后的药剂溶液流入溶液池。
5 投药设备采用计量泵投加的方式。
采用计量泵，不必另备计量设备，泵上有计量标志，可通过改变计量泵行程或变频调速改变药液投量，最适合用于混凝剂自动控制系统。
混合设备
混合设施比较：
混合设施
优点
缺点
使用条件
水力混合
构造简单
难适应水质和水量的变化，占地面积少
目前已很少使用
水泵混合
混合效果好，不需要另建混合设施，节省动力
备复杂，管理麻烦，机械搅拌混合耗能大，管理复杂
适用于一级泵房离处理构筑物120m以内的水厂
管式混合
占地极小、投资省、设备简单、混合效果好和管理方便
运行水量变化影响效果，水头损失大
适用于水量变化不大的各种规模的水厂
机械混合
混凝效果好，水头损失较小
需耗动能，管理维护较复杂，需建混合池
适用于各种规模的水厂
使用管式混合器对药剂与水进行混合。
在混合方式上，由于混合池占地大，基建投资高。
管式混合具有占地极小、投资省、设备简单、混合效果好和管理方便等优点而具有较大的优越性。
絮凝池
常用絮凝池的比较：
形式
优缺点
适用条件
隔板
絮凝池
往复式
优点：
1、絮凝效果较好
2、结构简单，施工方便
缺点：
1、絮凝时间较长
2、水头损失较大
3、转折处絮粒易破碎
4、出水流量不易分配均匀
1、水量大于30000m
/d的水厂
2、水量变动小
回转式
优点：
1、絮凝效果较好
2、水头损失较小
3、构造简单，管理方便
缺点：
出水流量不易分配均匀
1水量大于30000m
/d的水厂
2、水量变动小
3、适用于旧池改建和扩建
折板絮凝池
优点：
1、絮凝时间较短
2、絮凝效果好
缺点：
1、构造较复杂
2、水量变化影响絮凝效果
水量变化不大的水厂
网格絮凝池
优点：
1、絮凝时间较短
2、絮凝效果好
3、构造简单
缺点：
水量变化影响絮凝效果
水量变化不大的水厂
单池能力以万m3/d为宜
机械絮凝池
优点：
1、絮凝效果较好
2、水头损失较小
3、可适应水质、水量的变化
缺点：
需机械设备和经常维修
大小水量均适用，并适用水量变化较大的水厂
综上比较，选用折板絮凝池。
相比其他絮凝池，折板絮凝池对水质水量适应性强，停留时间短，絮凝效果好，，又能节约絮凝药剂。
沉淀池
原水经投药、混合与絮凝后，水中悬浮杂质已形成粗大的絮凝体，要在沉淀池中分离出来以完成澄清的作用。
常用沉淀池的比较：
沉淀池
平流式
斜管式
优点
1、造价较低
2、操作管理方便，施工较简单
3、对原水浊度适应性较强，潜力大，处理效果稳定
4、带有机械排泥设备时，排泥效果好
1、沉淀效率高
2、池体小，占地少
缺点
1、占地面积较大
2、不采用机械排泥装置时，排泥较困难
3、需维护机械排泥设备
1、耗材较多，老化后尚需更换，费用较高
2、对原水浊度适应性较平流池差
3、不设机械排泥装置时，排泥较困难；机械排泥时，维护管理较麻烦
使用条件
一般用于大中型净水厂
1、可用于各种规模水厂
2、宜用于老沉淀池的改造，扩建和挖槽
3、适用于需保温的低温地区
4、单池处理水量不宜过大
设计采用斜管沉淀池，沉淀效率高、占地少。
相比之下，平流式沉淀池虽然具有适应性强、处理效果稳定和排泥效果好等特点，但是，平流式占地面积大。
而且斜管沉淀池因采用斜管组件，使沉淀效率大大提高，处理效果比平流沉淀池要好。
常用滤池的比较：
滤池类型
优点
缺点
适用条件
普通快滤池
材料易得，价格低；大阻力配水系统，单池面积较大，可采用减速过滤，水质好
阀门多，价格高，易损坏，需设有全套冲洗设备
般用于大中水厂，单池面积不宜大于100
V型滤池
采用气水反冲洗，有表面横向扫洗作用，冲洗效果好，节水；配水系统一般采用长柄滤头冲洗过程自动控制
采用均质滤料，滤层较厚，滤料较粗，过滤周期长
适用于大中型水厂
虹吸滤池
不需大型阀门，易于自动化操作，管理方便
土建结构复杂，池深大单池面积小，冲洗水量大；等速过滤，水质不如变速过滤
适用于中型水厂，单池面积不宜大于25-30
双阀滤池
材料易得，价格低，大阻力配水系统，单池面积可大，可采用减速过滤，水质好，减少两只阀门
必须有全套冲洗设备，增加形成虹吸的抽气设备
适用于中型水厂，单池面积不宜大于25-30
移动罩滤池
造价低，不需要大型阀门设备，池深浅，结构简单；自动连续运行，不需冲洗设备；占地少，节能
减速过滤，需移动冲洗设备，罩体与隔墙间密封技术要求高；起始滤速较高，因而平均设计滤速不宜过高
适用于大中型水厂，单格面积小于10
从实际运行状况，V型滤池来看采用气水反冲洗技术与单纯水反冲洗方式相比，主要有以下优点：
（1）较好地消除了滤料表层、内层泥球，具有截污能力强，滤池过滤周期长，反冲洗水量小特点。
可节省反冲洗水量40～60%，降低水厂自用水量，降低生产运行成本。
（2）不易产生滤料流失现象，滤层仅为微膨胀，提高了滤料使用寿命，减少了滤池补砂、换砂费用。
（3）采用粗粒、均质单层石英砂滤料，保证滤池冲洗效果和充分利用滤料排污容量，使滤后水水质好。
根据设计资料，综合比较选用目前较广泛使用的V型滤池。
消毒方法
水的消毒处理是生活饮用水处理工艺中的最后一道工序，其目的在于杀灭水中的有害病原微生物（病原菌、病毒等），防止水致传染病的危害。
采用被广泛应用的氯及氯化物消毒，氯消毒的加氯过程操作简单，价格较低，且在管网中有持续消毒杀菌作用。
虽然二氧化氯，消毒能力较氯强而且能在管网中保持很长时间，但是由于二氧化氯价格昂贵，且其主要原料亚氯酸钠易爆炸，国内目前在净水处理方面应用尚不多。
3混凝沉淀
混凝剂投配设备的设计
混凝剂的投加分为干投法和湿投法两种，干投法指混凝剂为粉末固体直接投加，湿投法是将混凝剂配制成一定浓度溶液投加。
我国多采用后者，采用湿投法时，混凝处理工艺流程如图1所示。
图1湿投法混凝处理工艺流程
本应根据原水水质分析资料，用不同的药剂作混凝试验，并根据货源供应等条件，确定合理的混凝剂品种及投药量。
由于缺少必要的条件，所以参考分析相似水源有关水厂的经验数据，药剂投加如下表1所示。
表1水厂投加药剂参考数值
取水水源
原水悬浮物含量（mg/L）
混凝剂种类
混凝剂投加量（mg/L）
助凝剂投加（mg/L）
最高
最低
活化硅酸
河水
100～1000
聚合氯化铝
50
10
2
聚合铝，包括聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铝（PAS）等，具有混凝效果好、对人体健康无害、使用方便、货源充足和价格低廉等优点，因而使用聚合铝作为水处理的混凝剂。
取混凝剂最大投加量为50mg/L。
溶液池
溶液池一般以高架式设置，以便能依靠重力投加药剂。
池周围应有工作台，底部应设置放空管。
必要时设溢流装置。
溶液池容积按下式计算：
式中W2－溶液池容积，；
Q－处理水量，m3/h；
a－混凝剂最大投加量，mg/L,取50mg/L；
c－溶液浓度，5%-20%,取15%；
n－每日调制次数，取n＝3。
代入数据得：
溶液池设置两个，每个容积为，一备一用，以便交替使用，保证连续投药。
取有效水深H1＝，总深H＝H1+H2+H3＝++＝（式中H2为保护高，取；H3为贮渣深度，取）。
溶液池形状采用矩形，尺寸为长×宽×高＝×2m×。
溶解池
（1）溶解池容积W2=～W1,取，即
W2==×=
（2）溶解池一般取正方形，有效水深H1＝，则：
面积F＝W1/H1,边长a＝F1/2＝；取边长为。
溶解池深度H＝H1+H2+H3＝++＝（式中H2为保护高，取；H3为贮渣深度，取）。
和溶液池一样，溶解池设置2个，一用一备。
（3）溶解池的放水时间采用t＝10min，则放水流量
查水力计算表得放水管管径d0=50mm，采用塑料给水管；溶解池底部d=100mm的排渣管一根。
设计流速v=s，i=‰。
（4）溶解池搅拌装置采用机械搅拌，以电动机驱动浆板或涡轮搅动溶液。
投药管
投药管流量
查水力计算表得投药管管径d＝25mm，实际流速为s。
混合设备的设计
在给排水处理过程中原水与混凝剂，助凝剂等药剂的充分混合是使反应完善，从而使得后处理流程取得良好效果的最基本条件，同时只有原水与药剂的充分混合，才能有效提高药剂使用率，从而节约用药量，降低运行成本。
管式静态混合器是处理水与混凝剂、助凝剂、消毒剂实行瞬间混合的理想设备：
具有高效混合、节约用药、设备小等特点，它是有二个一组的混合单元件组成，在不需外动力情况下，水流通过混合器产生对分流、交叉混合和反向旋流三个作用，混合效益达90-95%，构造如图2所示：
图2管式静态混合器
Q=万m3/d=2713m3/h=s
静态混合器设在絮凝池进水管中，设计流速v=s，则管径为：
采用D=1000mm，则实际流速v=s。
混合单元数
取N=3，则混合器的长度为：
校核GT值
在700～1000s-1之间，符合设计要求。
GT=×=﹥2000
水力条件符合设计要求。
折板絮凝池的设计
设计水量
折板絮凝池设两个系列
设计计算
折板絮凝池每个系列设计成4组。
（1）单组絮凝池有效容积
式中，V--单组絮凝池有效面积
Q1--单组设计处理水量
T--絮凝时间，一般采用10～15min
设计中取T=12min，
（2）絮凝池长度
式中，L′--絮凝池长度
H′--有效水深
B--单组池宽
设计中取H′=，B=6m，则
，取。
絮凝池长度方向用隔墙分成三段，首段和中段、末段的各格格宽均为，末段格宽为，隔墙厚为，则絮凝池总长度为：
（3）各段分格数
与斜管沉淀池组合的絮凝池池宽为，用三道隔墙分成四组，每组池宽：
首段分成10格，则每格长度:
首段每格面积：
通过首段单格的平均流速：
中段分成8格，末段分成7格，则中段、末段的各格格长、面积、平均流速分别为：
，
，
（4）停留时间计算
首段停留时间计算：
T1=10×÷=≈
中段停留时间计算：
T2=8×÷=≈
末段停留时间计算：
T3=7×÷=≈
实际总停留时间
T=T1+T2+T3=++=
（5）隔墙孔洞面积和布置
水流通过折板上下转弯和隔墙上过水孔洞流速，首、中、末分别为s、s和s，则水流通过各段每格隔墙上孔洞面积为：
，取，孔宽为，则孔高为，实际通过首段每格隔墙上孔洞流速为：
，取，孔宽为，则孔高为，实际通过中段每格隔墙上孔洞流速为：
，取，孔宽为，则孔高为，实际通过末段每格隔墙上孔洞流速为：
孔洞在隔墙上上、下交错布置。
（6）折板布置
折板布置首段采用峰对峰，中段采用两峰对齐，末段采用平行直板。
折板间距采用。
（7）水头损失计算
①相对折板
式中，h1--折板渐放段水头损失
v1--峰处流速，一般取～s
v2--谷处流速，一般取～s
设计中取v1=s，v2=s
式中，h2--折板渐缩段水头损失
F1--相对峰的断面积
F2--相对谷的断面积
设计中取F1=,F2=
式中，hi--转弯或孔洞的水头损失
ζ3--阻力系数
v0--转弯或孔洞流速，为s
式中，Σh--首段相对折板总水头损失
n--折板水流收缩和放大次数，共40次
②平行折板
式中，h--折板水头损失
v--板间流速，一般采用～s
设计中取v=s
式中，hi--上、下转弯或孔洞时的水头损失
vi--转弯或穿过孔洞时的流速
设计中取vi=s
上转弯时：
下转弯或孔洞时：
式中，Σh--平行折板总水头损失
n--90°转弯次数，共24次
ni--上、下转弯处的水头损失
③平行折板
式中，h--转弯水头损失
v--平均流速，一般采用～s
设计中v=s
（n为180°转弯个数）
④折板絮凝池总水头损失
h2=相对折板+平行折板+平行直板
=++=
（8）G值和GT值
①首段G值和GT值
式中，G1--首段速度梯度
ρ--水的密度
h1--首段水头损失
μ--水的动力黏度
T--反应时间
设计中取h1=，
（水温t=20s℃时），h1=，T1=
中段和末端G值和GT值分别为：
②折板絮凝池总G值和GT值
折板絮凝池布置
在絮凝池各段每格隔底部设200mm×200mm排泥孔，池底％坡度坡向沉淀池，管径DN200。
折板絮凝池布置图3所示：
图3折板絮凝池
4斜管沉淀池设计计算
设计流量
设置两个斜管沉淀池，单个沉淀池设计水量：
平面尺寸计算
沉淀池清水区面积
式中，A--斜管沉淀池的表面积
q--表面负荷，一般采用～（m2·h）
设计中取q=10m3/（m2·h）
沉淀池长度及宽度
设计中取沉淀池长度L=24m，则沉淀池宽度：
设计中取6m。
为了配水均匀，进水区布置在24m长度方向一侧，在6m的宽度中扣除无效长度约，则净出口面积：
式中，A1--净出口面积
k1--斜管结构系数，取
沉淀池总高度
式中，H--沉淀池总高度
h1--保护高度，一般采用～
h2--清水区高度，一般采用～
h3--斜管区高度，斜管长度为，安装倾角60°，则
h3=sin60°=
h4--配水区高度，一般不小于～
h5--排泥槽高度
设计中取h1=，h2=，h4=，h5=
H=++++=
进出水系统
沉淀池进水设计
沉淀池进水采用穿孔花墙，孔口总面积
式中，A2--孔口总面积
v--孔口流速，一般取不大于～s
设计中取v=s
每个孔口的尺寸定为15cm×8cm，则孔口数为175个。
进水孔位置应在斜管以下、沉泥区以上部位。
沉淀池出水设计
沉淀池的出水采用穿孔集水槽，出水孔流速v1=s，则穿孔总面积：
式中，A3--出水孔总面积
设每个孔口的直径为4cm，则孔口的个数
式中，F--每个孔口的面积，
个
设每条集水槽的宽度为，间距，共设10条集水槽，每条集水槽一侧开孔数为40个，孔间距为20cm。
10条集水槽汇水至出水总渠，出水总渠宽度，深度。
出水的水头损失包括孔口损失和集水槽内损失。
孔口损失
式中，
--孔口水头损失
--进口阻力系数，取
=2
集水槽内水深取，槽内水流速度为s，槽内水力坡度按计，槽内水头损失：
式中，
--集水槽内水头损失
i--水力坡度
l--集水槽长度
设计中取i=，l=10m
出水总水头损失：
，设计中取为
沉淀池斜管选择
斜管长度一般为～，设计中取为；斜管管径一般为25～35mm，设计中取为30mm；斜管为聚丙烯材料，厚度为～。
沉淀池排泥系统设计
采用穿孔管进行重力排泥，每天排泥一次。
穿孔管管径为200mm，管上开孔孔径为5mm，孔间距15mm。
沉淀池底部为排泥槽，共12条。
排泥槽顶宽，底宽，斜面与水平夹角约为45°，排泥槽斗高为。
斜管沉淀池布置
斜管沉淀池示意图如图4：
图4斜管沉淀池示意图
核算
（1）雷诺数Re
斜管内的水流速度为：
式中，
--斜管内的水流速度
--斜管安装倾角，一般采用60°～75°
设计中取
=65°
雷诺数：
式中，R--水力半径，R=d/4=30/4==
v--水的运动黏度
设计中当水温t=20℃时，水的运动黏度v=s
满足设计要求
弗劳德数Fr
Fr介于～之间，满足设计要求。
（3）斜管中的沉淀时间
式中，l1--斜管长度
设计中取l1=
介于2～5min之间，符合设计要求。
5V型滤池
平面尺寸计算
（1）设置一个V型滤池，
式中，F--每组滤池所需面积
Q--滤池设计流量
v--设计滤速，一般采用8～15m/h
设计中取v=10m/h
（2）单格滤池面积：
式中，f--单格滤池面积
N--每组滤池分格数
设计中取N=4，则
一般规定V型滤池的长宽比为2:
1～4:
1，滤池的长度一般不宜小于11m；滤池中央气、水分配槽将滤池宽度分成两半，每一半的宽度不宜超过4m。
单格滤池的实际面积：
式中，f′--单格滤池的实际面积
B--单格池宽
L--单格池长，一般大于11m。
设计中取长宽比为:
1，即取L=12m，B=。
（4）正常过滤时的实际流速
一格冲洗时其他滤格的滤速
一般采用10～14m/h，符合设计要求。
进水系统
进水总渠
式中Ｈ1—进水总渠内水深
B1—进水总渠净宽
V1—进水总渠内流速,一般采用～s。
设计中取H1=,v1=s
气动隔膜阀口的阀口面积
式中 Ａ—气动隔膜阀口面积
Q2—每格滤池的进水量（m3/s），Q2=
;
v2—通过阀门的流速（m/s），一般采用～s。
设计中取v2=s
气动隔膜阀阀口处的水头损失
式中 ξ--气动隔膜阀阀口处的局部阻力系数。
设计中取ξ＝
h1=×（2×=
进水堰堰上水头
h2=（
）2/3
式中 h２—堰上水头（m）;
m—薄壁堰流量系数，一般采用～;
b—堰宽（m）。
设计中取m=,b=3m
h２=（
）2/3=
V型进水槽
式中 h3—V型进水槽内水深（m）;
Q3—进入V型进水槽的流量（m3/s）;
v3—V型进水槽内的流速（m/s）;一般采用～s。
a—V型槽夹角，a＝50°～55°。
设计中每格滤池设两个V型进水槽，则
，取v3＝s,a=50°
h３=
=
V型槽扫洗小孔
式中 Q4—表面扫洗流量（m3/s）;
q—表面扫洗水强度【L/（s﹒m2）】,一般采用1,4～L/（s﹒m2）;
A１—小孔总面积（m2）;
—孔口流量系数；
d—小孔直径（mm）;
n2—小孔数目（个）。
设计中取q2=L/（s﹒m2），μ=,取每个V型槽上扫洗小孔数目28个，则n2＝56个
验算小孔流速v4
反冲洗系统
气水分配渠（按反冲洗水流量计算）
式中 Q3—反冲洗水流量（m3/s）;
q1—反冲洗强度【L/（s﹒m2）】,一般采用4～6L/（s﹒m2）;
v5—气水分配渠中水的流速（m/s）,一般采用～s;
H2—气水分配渠内水深（m）;
B2—气水分配渠宽度（m）。
设计中取q1=5L/（s﹒m2）,v5=s,B2=
配水方孔面积和间距
式中 F1—配水方孔总面积（m2）;
v6—配水方孔流速（m/s）,一般采用v6=s;
f1—单个方孔的面积（m2）;
n3—方孔个数（个）；
设计中取v6＝s,f1=×
个
在气水分配渠两侧分别布置35个配水方孔，孔口间距。
布气圆孔的间距和面积
布气圆孔的数目及间距和配水方孔相同，采用直径为60mm的圆孔，其单孔面积为,所有圆孔的面积之和为56×=。
空气反冲洗时所需空气流量
式中，Q气—空气反冲洗时所需空气流量（m3/s）;
q气—空气冲洗强度[L/（s﹒m2）]，一般采用13～17L/（s﹒m2）。
设计中取q气＝15L/（s﹒m2）
空气通过圆孔的流速为
底部配水系统
1 底部配水系统采用ＱＳ型长柄滤头，材质为ABS工程塑料，数量为55只/m2，滤头安装在混凝土滤板上，滤板搁置在梁上。
滤头长；滤帽上有缝隙36条。
滤板、滤梁均为钢筋混凝土预制件。
滤板制成矩形或正方形，但边长最好不要超过。
滤梁的宽度为10cm,高度和长度根据实际情况决定。
2 为了确保反冲洗时滤板下面任何一点的压力均等，并使滤板下压入的空气可以尽快形成一个气垫层，滤板与池底之间应有一个高度适当的空间。
一般来讲，滤板下面清水区的高度为～,该高度足以使空气通过滤头的孔和缝得到充分的混合并均匀分布在整个滤池面积之上，从而保证了滤池的正常过滤和反冲洗效果。
设计中取滤板下清水区的高度H5为。
过滤系统
滤池选用石英砂，粒径～,不均匀系数k80=～,滤层厚度一般采用～,设计中取滤层厚度H6为。
滤层上水深一般采用～,设计中取滤层上水深H7为。
排水系统
排水渠终点水深
式中 H3—排水渠起端水深（m）
v
—排水渠流速（m/s）,一般采用v
≥s
设计中取排水渠和气水分配渠等宽，即B
=,v
=s
排水渠起端水深
式中 H4—排水渠起端水深（m）;
hk—排水渠临界水深（m）;
i—排水渠底坡;
l—排水渠长度（m）;
设计中
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