说明书

《水质工程学》课程设计计算说明书

——某城市给水厂净水工艺初步设计

1.设计目的与任务

1.1设计目的

给水处理课程设计是本专业设计类课程教学活动的有机组成部分，它和理论教学、实习教学密切相关，构成课程教学活动的主体。课程设计的主要目的在于学习工程设计方法、培养工程观念。通过课程设计，使学生学会主要工程节点的基本设计方法，受到专业工程师应具备的基本技能的初步训练，为今后的进一步学习和系统训练打下基础。 1.2设计任务

完成给水处理厂方案设计，即在给出设计任务的基础上，完成所给资料的分析、整理，进行工艺流程选择，构筑物的选型，水厂的平面和高程布置以及处理构筑物的初步设计等工作。

2.方案技术比较

2.1工艺流程的选择

原水水质情况见表2-1所示：

表2-1 原水水质分析表资料 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 项目 色度 嗅和味 浑浊度 pH 总硬度 Fe2?单位 度 / 度 / mg /L mg/L mg/L 数据 10 无 50～1000 7.2 2.29 0.03 15.51 119.6 32.46 3.05 GB5749－2006 标准限值 15(铂钴色度单位) 无异臭异味 1NTU 6.5～8.5 450（以CaCO3计） 0.3 250 GB3838-2002 Ⅱ类标准限值 6～9 0.3 250 ?Fe?3?Cl ?3HCOCa2? mg/L mg/L mg/L Mg2?序号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

项目 ?单位 mg-N/L mg/L ?数据 2.75 14.26 8．46 17.2 139.0 0．002 0.09 0.01 1.78 0.5 38000 1300 GB5749－2006 标准限值 10 250 1000 0.002 0.01 3 100 每100ml不得检出 GB3838-2002 Ⅱ类标准限值 10 250 0.002 0.05 0.5 2000 NO3 CO2Na? ?K2?mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L 个/mL 个/mL SO4 溶解固体 酚 有机磷 砷 耗氧量 氨氮 细菌总数 大肠杆菌 当原水的含沙量或色度、有机物、致突变前体物等含量较高、臭味明显时，可在常规处理前增设预处理设施，根据《地表水环境质量标准》（GB3838－2002），原水水质符合地表水Ⅱ类水质标准，故不需要进行预处理和深度处理。水厂以地表水作为水源，可采用典型地表水处理工艺流程，具体处理工艺流程如图2-1所示，通过净水处理使各项指标应满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749－2006）的规定。

混凝剂 原水 消毒剂 隔板絮凝池 平流沉淀池 饮用水 V型滤池 清水池 配水井 管式混合器 图2.1 给水处理流程图 2.2设计水量计算

净水厂设计用水量为最高日平均时用水量与水厂自用水量之和，其中最高日平均时用水量为10万t/d，水厂自用水量按供水量得10%计算。则总用水量为：

Q?(1?10%)?10?10

4?1.1?10m/d

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2.3处理构筑物及设备型式选择 2.3.1药剂溶解池

设计药剂溶解池时，为便于投加药剂，溶解池的设计高度一般以在地平面以下或半地下为宜，池顶宜高出地面0.20m左右，以减轻劳动强度，改善操作条件。

溶解池池底坡不小于0.02，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。

由于药液一般都具有腐蚀性，所以盛放药液的池子和管道及配件都应采取防腐措施。溶解池一般采用钢筋混凝土池体，若其容量较小，可用耐酸陶土缸作溶解池。

投药设备采用计量泵投加的方式。采用计量泵（柱塞泵或隔膜泵），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。

2.3.2混合设备

混合方式基本分为两大类：水力和机械。水力混合简单但不适用于流量变化；机械混合能进行调节，适应各种流量变化，但需要一定机械维修量。较常用的水力混合方式有：水泵混合、管式静态混合器混合、扩散混合器混合、跌水混合、水跃混合等，各混合方式优缺点比较见《给水排水设计手册 第二版第三册》表7-14。

经比较可知：水泵混合设备复杂，安装、管理麻烦，机械搅拌混合耗能大，管理维护复杂，需建混合池，由于混合池占地大，基建投资高，相比之下，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，故选用管式静态混合器对药剂与水进行混合。

2.3.3絮凝池

絮凝池作用在于使投加混凝剂并经充分混合后的原水在水流作用下，使凝聚微粒通过相互接触碰撞，形成具有良好沉淀性能的大的絮凝体。

目前国内使用较多的是各种形式的水力絮凝及其各种组合形式，主要有栅条絮凝池、折板絮凝池和隔板絮凝池。这三种形式的絮凝池的主要优缺点及适用条件见《给水排水设计手册 第二版 第三册》图7-14。

由表可知各水力絮凝池都具有絮凝效果好、构造简单、都能达到良好的絮凝条件等优点，折板絮凝池和网格絮凝池易受水量变化的影响，机械絮凝池维修管理复杂，从经济与实用角度考虑，采用往复式隔板絮凝池。

2.3.4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。

较常见的沉淀池为平流式沉淀池和斜板（斜管）沉淀池，前者水力条件好，管理方便，适应性强，处理效果稳定，施工简单，易于与絮凝设备衔接，不过占地面积较大；斜板斜管沉淀池体积小、占地少，但维护管理复杂，耗材多，造价高，仅适用于小型水厂，通过比较选择平流式沉淀池。

2.3.5滤池

本次设计采用V型滤池对水体进行过滤处理。

V型滤池采用均质深层滤料，不均匀系数很小。此举能大大提高滤料层的孔隙率，使滤速得以提高，过滤周期延长（比一般滤池长2～3倍），滤料层利用率高，且滤后水质好。另外V型滤池采用先气冲，后气水混合洗，表面扫洗的独特形式，具有同时可节省冲洗水量和电耗，是一种高效节能型的过滤设施。具有高度自动化程序控制，可减少运行管理人员。单池面积可达150m2以上。经多方面的综合比较，本设计决定采用V型滤池。

2.3.6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，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故采用液氯虑后消毒。

3水处理构筑物设计计算

3.1配水井设计计算 3.1.1设计参数

配水井设计规模为10×10000×1.1/24=4583.3m3/h

3.1.2设计计算

（1）配水井有效容积

取配水井水力停留时间T=2min,则配水井有效容积为：

V2=QT=4583.3×2/60=152.8m3

（2）进水管管径D1

配水井进水管的设计流量为Q=4583.3m3/d=1.27 m3/s，查水力计算表知，当进水管管径D1=1200m3时，V=1.132m/s（在1.0～1.2m/s范围内） （3）溢流堰

进水从圆形配水井底中心进入，经等宽度薄壁溢流堰流入2个水斗再由管道接入2座后续处理构筑物。每个后续处理构筑物得分配流量为q=4583.3/2=2291.65m3/h=0.637m3/s。

溢流堰的流量公式为：

3/2q?mb2gH

式中：q——矩形堰流量，m3/s；

m——流量系数，初步设计时采用m=0.42； H——堰上水头，取H=0.15m，

已知q=0.637m3/s,m=0.42,b=2m，代入下式，则溢流堰宽度为：

b?qm2gH3/2?0.6370.42?2?9.8?0.153/2?5.9

（4）配水井结构设计

配水井外径取7m，内径取5m，井内有效水深为4m，考虑堰上水头和一定的保护高度，取配水井总高度为4.2m。

D2（5）配水管管径

由前面的计算可知，每个后续处理构筑物得分配流量为q=0.637m3/s，查水

D2力计算表知，当配水管管径 =900mm时，流速v=1.01m/s。

3.2混合工艺设计计算

混合设施根据混凝剂的品种进行设计，使药剂与水进行恰当、急剧充分的混合。一般混合时间10～30s。具体采用何种混合方式，根据水厂工艺布置、水质、水量、投加药剂品种及维修条件等因素确定。常用混合方式的主要特点及使用见表3-5。

表3.2.1 常用混合方式的主要特点及使用 方 式 特 点 及 使 用 条 件 管道 混合简单，无需另建混合设施，混合效果不稳定，流速管混合 低时，混合不充分 式静态 混构造简单，无运动设备，安装方便，混合快速均匀；当混合合 流量降低时，混合效果下降 器 混合效果好，不许增加混合设施，节省动力，但使用腐水泵混合 蚀性药剂时，对水泵有腐蚀作用。适用于取水泵房与水厂间距小于150m的情况 混合效果好，且不受水量变化影响，适用于各种规格的机械混合 水厂，但需增加混合设备和维修工作 本设计的混合设施采用“管式静态混合器”，见图3-6所示。管式静态混合器有其独特的优点，构造简单、安装方便、维修费用低。又由于水厂运行稳定，并不存在“流量降低，混合效果下降”的情况，所以选用管式静态混合器。

管式静态混合器工作原理：混合器内安装若干混合单元，每一混合单元有若干固定叶片按一定角度交叉组成。水流和药剂通过混合器时，将被单元体多次分割，改向并形成涡流，达到混合目的。

考虑设絮凝池两座，混合采用管式静态混合器对药剂与水进行混合（见下图）。进水管投药口靠近水流方向的第一个混合单元，投药管插入管径的1/3处，且投药管上多处开孔，使药液均匀分布。水厂进水管投药口至絮凝池的距离为50m,进水管采用两条钢管，管径为DN900，水流设计流速v=1.01m/s，i=1.28‰。管式静态混合器的具体构造见下图3.2.1

药剂管道混合单元体管道原水静态混合器

图3.2.1 管式静态混合器

（1）混合器的计算

静态混合器采用3节，混合时间T=4s，水头损失h=0.1184×

校核G：G=

?h?T0.6370.94.42×3=0.23m

=

9800?0.231.009?10?3?3=863s?1<1000s?1，符合要求

（2）混合器选择：

静态混合器采用3节，总长度4040mm，管径为900mm，投药口之间直径65mm 3.3投药工艺及投药间的设计计算 3.3.1设计参数

本设计选用硫酸铝为混凝剂，根据处理水质，确定最大投加量a=30mg/L，溶液调配浓度c取10﹪，每日投加次数n=3次，则溶液调配池容积：

W1=

aQ417cn=

30?4583.3417?10?3=11.0m

3溶液池按两个设计，一次使用一个池子，两个池子交替使用。溶液池的平面形状采用正方形，溶液池的设计尺寸为：长×宽×池深=2.5×2.5×2=12.5m，溶液池的有效池深为1.8m。溶液池建于地面以下，四周池壁、中间隔墙和池底厚0.2m，溶液池超高0.2m。溶液池池底设DN200的排渣管一根，采用钢筋混凝土池体，内壁衬以环氧树脂防腐。 3.3.2溶解池容积

W2=0.3W1=0.3×12=3.6m

3溶解池设计尺寸为：长×宽×池深=1.6×1.6×1.8=4.61m，共两座，一用一备，有效池深为1.6m，超高0.2m。

溶解池的放水时间t=10min，则放水流量为：

q0?W260t?3.660?10?6L/s

3

放水管管径取DN80，流速v=1.21m/s。溶解池底部设管径DN200的排渣管一

根，溶解池采用钢筋混凝土池体，内壁衬以环氧树脂防腐。

投药量的流量q=

W1?3?1024?36003=

12?3?1024?36003=0.42L/s，投药量管径取DN40，

流速v=0.36m/s。

每个溶解池设搅拌机一台，选用ZJ-700型折浆式搅拌机，功率为4KW，转速为85r/min。

3.3.3加药间设计： （1）混凝剂存放间

本水厂使用的混凝剂硫酸铝以固体包装成袋存放，储存量按最大投药期间的1个月用量计算。每袋质量40kg，每袋体积为0.5×0.4×0.2=0.04m。堆放时整齐排列，堆放高度取2m,并留1.5m宽通道，方便汽车进出。

存放间储存的硫酸铝袋数N=式中：Q——设计处理水量，m33Qat1000W （1）

/d;a为混凝剂投加量，mg/L;

T——储存天数，d;

W——每袋混凝剂质量，kg；

有效堆放面积A=

NVH(1?e)2 （2）

式中:A——有效堆放面积，m；

N——堆放袋数；

V——每袋混凝剂所占体积，m；

H——堆放高度，m；P为堆放时空隙率，取0.3； 将Q=4583.3m33/h，a=30mg，t=30，W=40kg代入式（1），得

N=

10?10004?30?301000?403=2250袋

将N=2250袋，V=0.04m，H=2m,e=0.3代入式（2），得

A=

2250?0.042?(1?0.3)=64.3m

3（2）溶解池和溶液调节池布置

混凝剂投配间与混凝剂存放间建在一起，混凝剂溶解池设在混凝剂存放处和溶液调配池中间，并留有1.5m的通道，混凝剂投加计量泵、调速装置单独另设一间，同时设置值班室。

3.4往复式隔板絮凝池的设计计算

絮凝池设两座，取絮凝时间t=20min。考虑到絮凝池与沉淀池合建，为配合沉淀池，单座絮凝池实际宽度B取15m，絮凝池平均水深取2.5m。 3.4.1絮凝池净长度计算

单池流量为：

Q?1100002?55000m3/d?2291.67m33/h?0.637m/s

单池容积为：W?Qt60?2291.67?2060?763.89m，取W=765m3

单池的平面面积为：

F?WH?7652.5?306m2

絮凝池净长度为L?FB?30615?20.4m

3.4.2廊道宽度设计

絮凝池起端流速取v=0.5m/s，末端流速取v=0.2m/s。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： b末端廊道宽度： b??QHvQHv??0.6372.5?0.50.6372.5?0.2?0.51m?1.27m

廊道宽度分成4段。各段廊道宽度和流速见表3.4.1。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。

表3.4.1各廊道宽度和流速

廊道分号数 各段廊道宽度ai（m） 各段廊道流速vi（m） 各段廊道数n 各段廊道总净宽（m）

四段廊道宽度之和?b?3.57?4.56?5?6.35?19.48 取隔板厚度??0.1m，共23块隔板，则絮凝池总长度L为：

L?19.48+0.1×23=21.78m

1 0.51 0.50 7 3.57 2 0.76 0.34 6 4.56 3 1.00 0.25 5 5.00 4 1.27 0.20 5 6.35

3.4.3各廊道水头损失计算

各廊道水头损失计算公式为：

hi??mivit22g?vi22CiRili

式中： vi——第i段廊道内水流速度（m/s）； vit——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；

li——第i段廊道总长度(m)；

； Ri——第i段廊道过水断面水力半径（m）

随水力半径Ri和池底及池壁粗糙系数n而定，通常按曼Ci——流速系数，宁公式Ci?1nR1/6计算。

絮凝池采用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n=0.013，20℃时水的运动粘度??1.01?10?6m2/s。

第1段廊道水头损失和速度梯度的计算过程如下：

R1?a1Ha1?2H1nR1/6?0.51?2.50.51?2?2.51?0.231/6?0.23

C1??0.013?60.2113m0.5/s

为减小水流转弯处的水头损失，取转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.4倍，水流转弯处尽量做成圆弧形。第1段廊道转弯宽度为1.4×0.51=0.714m，转弯处流速为：

v1t?Q1.4a1H?0.6371.4?0.51?2.5?0.36m/s

廊道总长度l1=n×（B—0.714）=7×（15—0.714）=100.0m 则第1段廊道水头损失为：

hi??m1v1t222g?v12C1R1l1

=3?7?0.3622?9.8?0.52260.21?0.23?100.0

=0.166m 水流在第1廊道的停留时间为：t1?gh1B?nv1?15?7/0.5?210s

水流的速度梯度为：G1??tt1?9.8?0.1661.01?10?6?210?87.692s

?1同理可求得其他各段廊道的水头损失和速度梯度，见下表所示：

表3.4.2 各廊道水头损失及速度梯度计算结果

转弯次段数 数mi 7 6 5 5 廊道转弯宽度ai(m) 度(m) 廊道宽水力半径Ri(m) 流速系数Ci 廊道流速vi(m/s) 转弯处流速vit(m/s) 水头损失hi (m) 速度梯停留时间ti(s) 度Gi(s?1) 1 2 3 4 0.51 0.76 1.00 1.27 0.714 1.064 1.400 1.778 0.23 0.33 0.42 0.51 60.21 63.95 66.57 68.76 0.50 0.34 0.25 0.20 0.36 0.24 0.18 0.14 0.166 0.060 0.028 0.017 210 265 300 375 87.578 46.871 30.093 20.973 由表2可知：

?hi?h1?h2?h3?h444

=0.166?0.060?0.028?0.017=0.271m

G?gh?9.8?0.2711.01?10?6?T?20?60?46.81s?1（在20—70s?1范围内），

符合设计要求

GT?46.81?20?60?56172（在104~105范围内），符合设计要求

3.5沉淀池设计计算:

为了节约钢材和水泥，同时结合国内经验，设计中考虑设两座平流式沉淀池沉淀池。为使进水能达到在整个水流断面上配水均匀，在进口处设置配水槽及花墙，在出口处采用指形槽集水。

3.5.1设计参数

絮凝池设独立的两座，故沉淀池与之相对应，设2座。沉淀池示意图见图3-8。 图3-8 沉淀池示意图

已知水厂设计产水量Q?11?104m3/d?4583.3m3/h，沉淀池分2格，每格处理水量Q??Q2?0.637m3/h，沉淀时间t=1.5h，水平流速

v=14mm/s。

3.5.2池体尺寸设计： （1）尺寸计算：

单池容积W?Qt?1.5n?4583.32?3.44?103m3

池平面面积S?W3.44?1032H?3?1150m（H为有效水深，范围为3.0～

3.5m，取3.0m）

池长L＝3.6vT=3.6×14×1.5=75.6m，取76m

池宽B?S2L?115076?15.1m，取15m

沉淀池有效水深H?QtBL?344015?76?3.02m，考虑安全因素，取水深

H0?3.2m，池体超高0.3m，则池深为3.5m。

实际水力停留时间t?BLH76?3.2Q?15?2291.65?1.59h

水流实际水平流速v?L?76t1.59?3.6?13.3mm/s

（2）池体尺寸校核

长宽比L/B=76/15=5.1>4，长深比L/H=76/3.2=23.8>10，符合要求。 由于沉淀池宽度较大，沿纵向设置3道200mm的隔墙将沉淀池分成4格，每格宽为3.6m，则

水流断面积??3.6?3.2?11.52m2

水力湿周??3.6?2?3.2?10m

水力半径R???v?11.5210?1.152m

2弗劳德数Fr?间，符合要求。）

雷诺数Re?gR?0.013329.8?1.52?1.188?10?5（Fr在1?10?4?1?10?5之

vR??0.0133?1.1521.011?10?6?15155?15000（在4000－15000

之间，符合要求） 可见Fr,Re均均满足要求。

（2）沉淀池的进水设计：

沉淀池进口处采用砖砌穿孔墙布水（穿孔墙在池底积泥面以上0.5m 处至池底部分不设孔眼），尽量使进水断面上水流分布均匀，避免已形成的絮体破碎。单座池墙长15m，墙高3.5m，有效水深3.2m，布水墙见图3-9。

图3-9 砖砌穿孔布水墙

① 孔眼尺寸：

穿孔墙孔眼形式采用矩形的半砖空洞，取孔口流速v=0.15m/s，则孔口总面积为0.637/0.15=4.25m2,每个孔口尺寸取：15cm×8cm，单个孔眼面积为0.012m2，则孔口数为4.25/0.012=355个。

② 孔眼布置：

为便于施工，沿水深方向开6排孔，没排孔眼数为355/6≈60个，水平方向孔眼间距取160mm，则计算的水平长度为：60×0.08+59×0.16=14.24m，竖直方向间距取200mm，最上一排孔眼的淹没深度假定为0.5m，最下一排孔眼距池底为0.5m，则竖直方向的计算高度为：0.15×6+0.2×5+0.5+0.5=2.9，均符合要求

（3）沉淀池的集水系统：

沉淀池的出口布置要求在池宽方向上均匀集水，并尽量汲取上层澄清水，减小下层沉淀水的卷起，目前采用的办法多为采用指形槽出水。 ① 指形槽的个数 ： N=6 ② 指形槽的中心距 ：a?③ 指形槽中的流量：q0?BN?126?2m

?0.106m3QN?0.6376/s，考虑到池子的超载系

数?为20%，故槽中流量为：q0?1.2?0.106?0.127m3/s ④ 指形槽的尺寸：

槽宽b?0.9?q00.4?0.9?0.1270.4?0.39m，为便于施工，取b?0.4m。

指形槽长度L=55000/(500×6×2)=9.17,取槽长L=10m，则堰上负荷为

/m?d)，符合要求[堰上负荷一般小于50055000/（10×6×2）=458.33m3（m（/m?d)]

3起点槽中水深：H1?0.75b?0.75?0.4?0.3m 终点槽中水深：H2?1.25b?1.25?0.4?0.5m 为便于施工，槽中水深统一取H2?0.5m。

⑤ 槽的高度：

集水方法采用孔口自由出流方式，孔口深度取0.08m，跌落高度取0.05m，槽的超高取0.15m。则指形槽的总高度

⑥ 孔眼计算 ⅰ孔眼总面积?

由q0?????2gh，得

q0?2gh?0.1270.62?2?9.8?0.08?0.164m

2ⅱ单孔面积?0

孔眼直径采用d=20mm,则单孔面积为：

?0??4?d2??4?0.022?3.14?10?4m

2ⅲ孔眼个数n

n???0?0.1643.14?10?4?522.3，取n?525

ⅳ指形槽每边孔眼个数n?525/(6?2）?44个 ⅴ孔眼中心距离S0?⑦ 集水槽的设计：

集水槽的槽宽b??0.9Q0.4?0.9?0.6370.8m。

0.410?100044?1?182mm

?0.75m，为便于施工，取

起点槽中水深：H1?0.75b??0.75?0.8?0.6m 终点槽中水深：H2?1.25?b'?1.25?0.8?1.0m

为便于施工，槽中水深统一取1.0m。自由跌水高度取0.07m。则集水槽的总高度为：H?0.78?0.07?1.0?1.85m。 (4)沉淀池排泥：

排泥是否顺畅关系到沉淀池净水效果，当排泥不畅、泥渣淤积过多时，将严重影响出水水质。排泥方法有多斗重力排泥、穿孔管排泥和机械排泥。机械排泥具有排泥效果好、可连续排泥、池底结构简单、劳动强度小、操作方便可以配合自动化等优点。故本设计采用虹吸式机械排泥。

?63（1000?10)?10?54.45m/d，假设含水率为①干泥量Q干?55000?98％

②去除污泥量Qs?Q干/(1?0.98)?2722.5m3/d?113.43m3/h

③吸泥机往返一次所需的时间：

t?2lv?2?761?152min（桁架行进速度v?1m/min）

④虹吸管计算：

设吸泥管管数为10根，管内流速为1.5m/s，单侧排泥最长虹吸管长为20m,采用连续式排泥，管径为：

D?0.333?QS?106?v1z?0.333113.43?1063.14?1.5?10?51mm

选用DN50水煤气管，管内流速v?113.43/360014???0.05?102?1.6m/s。

⑤吸口的断面确定：

吸口的断面与管口断面相等，已知吸管的断面积

A???0.0542?0.00m2

Al2设吸口宽度l=0.2m，则吸口宽度b?⑥吸泥管管路水头损失计算：

?0.002/0.2?0.01m

进口?1?0.1，出口?2?1，90o弯头2个，?3?1.975?2，则局部水头损

失为：

hi?(0.1?1?1.975?2)?1.622?9.8?0.66m

管道部分水头损失：含水率为98％，水流状态一般为紊流，则管道水

头损失为：

hj??lv22D0g?0.026?200.05?1.622?9.8?1.36m

总水头损失：h?hi?hj?0.66?1.36?2.02m，考虑到管道使用年久等

因素，实际H?1.3h?1.3?2.02?2.63m (5)放空管管径确定：

规定沉淀池放空时间不超过6h，取3h，则放空管管径为：

d?0.7BLHt0.50?0.7?15?76?3.23?36000.5?0.364mm

放空管管径取DN350。

3.6过滤工艺：V型滤池的设计计算： 3.6.1 设计参数：

设计水量为Q?110000m3/d?1.27m3/s （包括10%水厂自用水量） 设计滤速采用v?12m/h，强制滤速v?≤20m/h。

滤池采用单层加厚石英砂均粒滤料，冲洗方式采用：先气冲洗，再气-水同时冲洗，最后再用水单独冲洗。 （1）冲洗强度：

第一步气冲冲洗强度q气1?15L/(m2?s)；第二步气-水同时反冲洗,空气强度

q气2?15L/(m?s),水冲洗强度q水1?4L/(m?s)；第三步水冲洗强度

22q水2?4L/(m?s)。

2（2）冲洗时间：

第一步气冲洗时间t气?3min,第二步气-水同时反冲洗时间t气水?3min,单独水冲时间t水?4min；冲洗时间共计为: t?10min；

冲洗周期T?48h,

反冲洗横扫强度为1.8L/(m2?s)。 3.6.2 设计计算： （1）池体设计:

①滤池工作时间t?：

t??24?t24T?24?1060?2448?23.9h (式中未考虑排放初滤水)

②滤池总面积F:

F?Qvt??1.1?10512?23.9?383.5m

2③滤池分格:

为节省占地，选双格V型滤池,池底板用混凝土,单格宽B单?3.5m,长

L?14m,面积49m,分为并列的两组，每组两座，总共四座,每座面积为98 m，

2

2

总面积392m2。

④校核强制滤速v':

v??NVN?1?4?124?1?16m/h?20m/h(满足设计要求）

⑤滤池的高度确定:

滤板下布水区高度取H1?0.8m，滤板厚度H2?0.13m（滤板采用0.05m厚预制板,上浇0.08m混凝土层），承托层厚取H3＝0.1m，滤层厚度H4?1.0m，滤层上水深H5?1.5m,滤池超高H6?0.3m。

滤池的总高度为:

H?H1?H2?H3?H4?H5?H6?0.8?0.13?0.1?1.0?1.5?0.3?3.83 ⑥水封井的设计:

滤池采用单层加厚均粒滤料,均粒滤料清洁滤料层的水头损失按下式计算:

?H清?1?m0??1???180????l0v 3gm0??d0?22式中: ?H清?水流通过清洁滤料层的水头损失,cm;

??水的运动黏度,cm/s,20℃时为0.0101cm/s;

22g?重力加速度,981cm/s;

22m0?滤料孔隙率;取0.5;

d0?与滤料体积相同的球体直径,cm,根据厂家提供的数据0.1cm. l0?滤层厚度,cm,l0?100cm;

v?滤速，cm/s,v?12m/h?0.33cm/s;

??滤料颗粒球度系数，天然砂粒为0.75-0.8,取0.8.

代入以上数据得:

?H清＝180?0.0101981??1?0.5?0.532??????100?0.33?19.11cm ?0.8?0.1?12根据经验,滤速为8-10m/h时,清洁滤料层水头损失一般为30-40cm,计算值比经验值低,取经验值的底限30cm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?h?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: ?H开始?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。 水封井出水堰总高为:

H水封?0.3?H1?H2?H3?0.2?0.3?0.8?0.13?0.1?0.2?2.43m

因为每座滤池的过滤水量: Q??vf?12?98?1176m3/h?0.33m3/s。所以

3水封井出水堰上水头由矩形堰的流量公式Q?1.84bh2计算得:

h水封?[Q?/(1.84b堰)]2/3?[0.33/(1.84?2)]2/3?0.5m

反冲洗完毕,初次投入运行时，清洁滤料层过滤，滤池液面比滤料层高0.5+0.52+0.2=1.22m。 （2）反冲洗管渠系统: ①反冲洗用水流量Q反水

反冲洗水量按水洗强度最大时计算。单独水洗时反洗强度最大,为4L/( m2.s)

Q反水?q水f?4?98?392L/s?0.392m/s。

3V型滤池反冲洗时,表面扫洗同时进行,其流量为：

Q表水?q表水f?0.0018?98?0.18m/s。

3②反冲洗配水系统的断面计算:

配水干管进口流量应为1.5m/s,配水干管(渠)的截面积:

A水干?Q反水v水干?0.3921.5?0.26m。

3反冲洗配水干管选用DN700的钢管,流速为1.02m/s。反冲洗水由反洗配水干管输送到气水分配渠,由气水分配渠底侧的布水方孔配水到滤池底部布水区。反冲洗水通过配水方孔的流速按反冲洗配水支管的流速取值。

配水支管或孔口的流速取v水支＝1m/s，则配水支管的截面积也即配水方孔总面积为:

A方孔?Q反是v水支?0.3921?0.392m

2沿渠长方向两侧各布置20个配水方孔,共40个,孔中心间距0.6m，每个方孔的面积: A?0.39240?0.01m，每个孔口尺寸取0.1m×0.1m。

2③反冲洗用气量Q气:

反冲洗用气流量按气冲强度最大时的空气流量计算,这时气冲的强度为

15L（/m?s),反冲洗用气来为：

Q反气?q气f?15?98?1470L/s

2④配气系统的断面计算:

配气干管(渠)进口流速取5m/s,则配气干管(渠)的截面积：

A气干?Q反水v气干?1.47/4?0.29m2

反冲洗配气干管用钢管,DN600,流速为5.60m/s,反冲洗用空气,由反冲洗配气干管输送至气水分配渠,由气水分配渠两侧的布气小孔到滤池底部布水区。布气小孔紧贴滤板下缘,间距与布水方孔相同,共计40个。反冲洗用空气通过配气小孔的流速按反冲洗配气支管的流速取值。

反冲洗配气支管流速或孔口流速取v气支?10m/s,则配气支管(渠)的截面积为:

A气支?Q反气v气支?1.4710?0.15m2。

每个布气小孔面积:

A气孔?A气支40?0.1540?0.00375m

2孔口直径为：d气孔?(每孔配气量:

Q孔气?4A气孔?)0.5?(4?0.00375?)0.5?0.07m

2Q反气40?1.4740?0.0368m/s?132.48m/h

33⑤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量为:

Q反气水?q水f?4?98?392L/s?0.392m/s3

气水同时反冲洗时,反冲洗时用空气的流量:

Q反气?q气f?15?98?1470L/s?1.47m/s3

气水分配渠的气水流速均应按相应的配气配水干管流速取值,则气水分配干渠的断面积:

A气水?Q反气水v水干?Q反气v气支?0.391.5?1.475?0.26?0.294?0.55m2

(3)滤池管渠的布置: ①反冲洗管渠: ⅰ气水分配渠:

气水分配渠起端宽取1.0m,高取1.5m,末端宽取1.0m,高取1.0m,则起端截面积1.5m2,末端截面积1m2。两侧沿程各布置20个配气小孔和20个布水方孔,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

0.550.4?0.014m2?末端截面积0.4m2满足要求。

ⅱ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起端?H1?H2?H3?H4?0.5?1.5?0.8?0.13?0.1?1.0?0.5?1.5?1.03m

1.5m为气水分配渠起端高度。排水槽末端高度为:

H末端?H1?H2?H3?H4?0.5?1.0?0.8?0.13?0.1?1.0?0.5?1.0?1.53m

底坡: i?(H末端?H起端)/l?(1.53?1.03)/14?0.0357(l为滤池长度） ⅲ排水集水槽排水能力校核:

由矩形断面暗沟(非满流,n=0.013)计算公式校核集水槽排水能力。设集水槽超高为0.25m,则槽内水位高h排集?1.03?0.25?0.78m，,槽宽b排集＝1.0m。

湿周??b?2h?1.0?2?0.78?2.56m， 水流断面: A排渠＝bh=1.0?0.83=0.83m2 水力半径: R?水流速度:

过流能力: Q排渠＝A排渠v?0.83?7.22?5.99m3/s

33实际过水量: Q反＝Q反水＋Q表水＝0.504?0.168?0.672m/s?5.99m/s，

A排渠?＝0.832.66?0.312m

满足要求。

排水系统布置示意

②进水总渠: a.进水总渠:

四座滤池,分成独立的两组,每组进水总渠过水流量按强制过滤流量计,滤速为0.8-1.2m/s，取V＝1.0 m/s。

强制过滤流量Q强＝963002＝48150m/d?0.557m/s33

进水总渠水流断面积:

A进总＝Q强v?0.5571?0.557m2

进水总渠宽1m,高0.6m，考虑超高0.3m。则进水总渠高为0.9m，考虑到施工方便，进水总渠高与配水渠高相同，故取1.0m。

b.每座滤池的进水孔:

每座滤池由进水侧壁开3个进水孔。两侧进水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,供给反冲洗表扫用水。孔口面积按孔口淹没出流公式Q?0.64A2gh计算.其总面积按滤池强制过滤水量计,孔口两侧水位差取0.1m,

A孔＝Q强?0.642gh??0.5570.64?2?9.8?0.1?0.62m

2中间孔面积及表面扫洗水量的计算:

A中孔＝A孔?（Q表水Q强）＝0.62?0.168??0.19m0.557?2

孔口宽B中孔＝1.0m,高H中孔＝0.2m

两个侧孔口设闸门,采用橡胶囊充气阀,每个侧孔面积:

A侧＝?A孔－A中孔?/2??0.62?0.19?/2?0.22m 2孔口宽B侧孔＝0.5m,高H侧孔＝0.44m c.每座滤池内设的宽顶堰:

为保证进水的稳定性,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,堰上水头由矩形堰的流量公式

3Q?1.84bh2得,

22h宽顶＝?3?Q强?3?0.557＝???0.16m ??1.84b1.84?5??宽顶???? d.每座滤池的配水渠:

进入每座滤池的浑水经过宽顶堰溢流至配水渠,由配水渠两侧的进水孔进入滤池内的V型槽.滤池配水渠宽b配渠＝0.5m,渠高为1.0m,渠总长等于滤池总宽.则渠长L配渠＝7m＋0.4m?7.4m.当渠内水深h配渠＝0.6m时,流速(进来

的浑水由分配渠中段向渠两侧进水孔流去,每侧流量为Q强/2) ：

v配渠＝Q强?2b配渠h配渠?＝0.557?2?0.5?0.6??0.93m/s,基本满足滤池进水管

渠流速在0.8-1.2m/s的要求。

e.配水渠过水能力校核: 配水渠的水力半径:

R配渠＝b配渠h配渠?2h2配渠＋b配渠?＝0.5?0.6?2?0.6?0.5??0.18m

配水渠的水力坡降:

?i渠＝?nv渠?2R渠32???3＝0.013?1.20.18????0.002 ???2渠内水面降落量:

?h渠＝i渠L配渠2＝0.002?7.42?0.0074m

因为配水渠最高水位h配渠＋?h渠＝0.6?0.0074?1m (渠高),所以配水渠的过水能力满足要求。

③V型槽的设计: V型槽的设计 a. 扫洗水布水孔

V型槽底部开有水平布水孔，表面扫洗水经此布水。布水孔沿槽长方向均匀布置，内径一般为20～30mm，过孔流速为2.0m/s左右，本设计采用dv孔?0.025m，

vv孔?2.0m/s。

每座滤池V型槽的水平布水孔总截面积为：

Av孔?Q表水vv孔?0.1682.0?0.084m

2每座滤池V型槽的水平布水孔总数为：

N孔?Av14孔?20.08414?3.14?0.0252?168个

?dv孔每座滤池单侧V型槽的水平布水孔数为n孔?80个，布水孔间距为 0.15m。

b. V型槽垂直高度的确定

滤池冲洗时槽内水面低于斜壁顶约50～100mm，本设计采用h1?0.1m。 根据孔口出流公式Q?0.64A2gh，则表面扫洗时V型槽内水位高出滤池反冲洗时液面的高度h2为：

?Q?h2??表水?2?0.64?A??表孔??20.168?/?2g??0.55m ?2g???2?0.64?0.04??2扫洗水布水孔中心一般低于用水单独冲洗时池内水面50～150mm，本设计采用h3?0.15m。

取V型槽槽底的高度低于表扫水出水孔中心为h4?0.21m。

反冲洗时排水集水槽的堰上水头由矩形堰的流量公式Q?1.84bh3/2求得，其中b为集水槽长，b?L?12m；Q为单格滤池反冲洗水量，

Q反单＝Q反2＝0.6722?0.336m/s，则反冲洗时排水集水槽的堰上水头h5为：

322?Q?3?0.336?3h5＝?反单?????0.06m 1.84b1.84?12????????V型槽的垂直高度为：

h1?h2?h3?h4?0.1?0.55?0.15?0.21=1.01m

V型槽斜壁顶与排水集水槽顶的垂直距离为：

h1?h2?h5?0.1?0.55?0.06=0.71m

V型槽的倾角采用45?。 c. 校核过滤时V型槽流速

V型槽在滤池过滤时处于淹没状态，槽内设计始端流速不大于0.6m/s。 V型槽过滤时始端的截面积为：

Av始?12?0.95?0.451m22

单格滤池过滤时V型槽的流量为：

Q单滤?Q滤/8?1.115/8?0.139m/s

3滤池过滤时V型槽始端流速为：

vv始?Q单滤/Av始?0.139/0.451?0.31m/s?0.6m/s，满足要求

d. 校核反冲洗时V型槽流速

V型槽内设计始端流速不大于0.6m/s。 V型槽反冲洗时始端的截面积为：

Av始?12?0.85?0.36m22

单格滤池反冲洗时V型槽的流量为：

Q单反?Q表水/2?0.168/2?0.084m/s

3滤池反冲洗时V型槽始端流速为：

vv始?Q单反/Av始?0.084/0.36?0.23m/s?0.6m/s，满足要求。

（4）冲洗水的供应：

可选用冲洗水泵或冲洗水箱供水，本设计采用冲洗水泵。

a.冲洗水泵到滤池配水系统的管路水头损失?h1

反洗配水干管用钢管，DN700,管内流速为 1.31m/s,1000i=2.88m，布置管长总计为50m。则反冲洗总管的沿程水头损失

?hf??iL?0.00288?50?0.144m

主要配件及局部阻力系数?见下表： 配件名称 90o弯头 DN600闸阀 等径四通 数量/个 2 2 2 ?8.34?1.312g2局部阻力系数? 2?1.02?2.04 2?0.15?0.3 2?3.0?6.0 ???hj???v2 ?0.73m

8.34 2g则冲洗水泵到滤池配水系统的管路损失

?h1???hf???hj??0.144?0.73?0.874m

b.清水池最低水位与排水槽堰顶的高差H0?5m c.滤池配水系统的水头损失?h2

（a）气水分配渠的水头损失按最不利条件，即气水同时反冲洗时计算。此时渠上部是空气，下部是反冲洗水，按矩形暗管（非满流，n=0.013）近似计算。

气水同时反冲洗时，Q反气水＝0.336m3/s?0.34m3/s则气水分配渠内的水面高为：

h反水＝Q反气水?v水干b气水?＝0.34?1.5?0.4??0.57m

水力半径R反水＝b气水h气水水力坡降i反渠＝nv渠R渠?2h223反水＋b气水?＝0.4?0.572?2?0.57?0.4??0.15m

?0.005

??＝?0.013?1.50.153?2渠内的水头损失?h反水＝i反水l反水＝0.005?12=0.06m （b）气水分配干渠底部配水方孔水头损失?h方孔

气水分配干渠底部配水方孔水头损失按孔口淹没出流公式，Q＝0.8A2gh计算。其中Q为Q反气水，A为配水方孔的总面积。由反冲洗配水系统的断面计算部分内容可知，配水方孔的实际总面积为A方孔＝0.576m2。则

?h方孔＝??Q反气水?0.8A方孔???22g???0.34?0.8?0.576???22g?0.028m

（c）查手册，反洗水经过滤头的水头损失?h滤?0.22m （d）气水同时通过滤头时增加的水头损失?h增

气水同时反冲洗时气水比n?154?3.75，长柄滤头配气系统的滤帽缝隙总面积与滤池过滤总面积之比约为1.25%，则长柄滤头中的水流速度

v柄＝Q反气水?1.25%f??0.34?1.25%?84??0.3m/s

通过滤头时增加的水头损失

?h增＝9810n?0.01?0.01v?0.12v2?2?9810?3.75??0.01?0.01?0.3?0.12?0.3?655Pa?0.067mH2O?

则滤池配水系统的水头损失?h2

?h2??h反水＋?h方孔＋?h滤＋?h增＝0.06?0.028?0.22?0.067?0.38m

d.砂滤层的水头损失?h3

滤料为石英砂，容重?1＝2.65t/m3，水所谓容重为??1t/m3，石英砂滤料膨胀前的孔隙率m0?0.41，滤料层膨胀前的厚度H3?1.0m。则滤料层的水头损失

?h3???1??1??1?m0?H3??2.65?1??1－0.41??1.0?0.97m e.富裕水头?h4取1.5m。 则反冲洗水泵的最小扬程为：

H水泵＝H0＋?h1??h2??h3??h4?5?0.87?0.38?0.97?1.5?8.72m

选四台250S14单级双吸离心泵，三用一备。扬程为11米时，每台泵的流量为576m3/h。

(5)反洗空气的供给

①长柄滤头的气压损失?p滤头

气水同时反冲洗时，反冲洗用空气流量Q反气＝1.344m3/s。长柄滤头采用网状布置，约55个/m2,则每座滤池共计安装长柄滤头n?55?84?4620个

每个滤头的通气量1.344?10004620?0.29L/s

根据厂家提供的数据，在该气体流量下的压力损失最大为：

?p滤头＝3000Pa?3kPa

②气水分配渠配气小孔的气压损失?p气孔 反冲洗时气体通过配气小孔的流速

v气孔Q气孔A气孔＝0.03360.00332?10.12m/s 计算

压力损失按孔口出流公式Q?3600?A2g式中

?－孔口流量系数，?＝0.6;

A?p?－孔口面积，m2；

水柱；

?p－压力损失，mmg－重力加速度，g?9.8m2/s； －气体流量，m3/h；

Q?－水的相对密度，1。

则气水分配渠配气小孔的气压损失

?p气孔＝?Q气孔?2??2?36002?A气孔g?22 ?113.42?2?36002?0.62?0.003322?9.8?

?14.5mmH2O③配气管道的总压力损失?p管 a.配气管道的沿程压力损失?p1 反冲洗空气流量1.344m3/s，配气干管用DN600钢管，流速4.75m/s，满足配气干管（渠）流速为为5m/s左右的条件。反冲洗空气管总长为50m，气水分配渠内的压力损失忽略不计。

反冲洗管道内的空气气压计算公式

?9.8 p气压＝（1.5?H气压）式中，p气压－空气压力，kPa;

H气压－长柄滤头距反冲洗水面的高度，m，H气压＝1.5m。

则反冲洗时空气管内的气体压力

p空气＝?1.5?H气压??9.8??1.5?1.5??9.8?29.4kPa

空气温度按30℃考虑，查表，空气管道的摩阻为9.8kPa/1000m。 则配气管道沿程压力损失为?p1?9.8?501000?0.49kPa

b.配气管道的局部压力损失?p2 主要配件及长度换算系数K见下表

配件名称 DN60090o弯头 DN600闸阀 等径三通 数量/个 4 3 2 长度换算系数K 0.7?4?2.8 0.25?3?0.75 1.33?2?2.66 ?K 6．21 当量长度的换算公式：l0?55.5KD1.2 式中:l0－管道当量长度，m；

DK－管径，m； －长度换算系数。

空气管配件换算长度l0?55.5KD1.2?55.5?6.21?0.61.2?186.7m 则局部压力损失?p2?186.7?9.81000?1.83kPa 配气管道的总压力损失

?p管＝?p1??p2?0.49?1.83?2.32kPa

④气水分配室中的冲洗水水压p水压（只计算设水塔反冲洗的情况，设水泵反冲洗的计算方法相同）

p水压＝?H水泵－?h1??h反水－?h小孔??9.81??8.32?0.87?0.06?0.028??9.81?76.1kPa

本系统采用气水同时反冲洗，对气压的要求最不利情况发生在气水同时反冲

洗时。此时要求鼓风机或贮气罐调压阀出口的静压为：

p出口＝p管＋p气＋p水压＋p富

式中

p管p气－输气管道的压力总损失，kPa;

－配气系统的压力损失，kPa，本设计

p气＝?p滤头＋?p气孔＝3＋0.14?3.14kPa；

p水压p富－气水冲洗室中的冲洗水水压，kPa;

－富余压力，4.9 kPa。

所以，鼓风机或储气罐调压阀出口的静压为：

p出口＝p管＋p气?p水压＋p富＝2.32?3.14?76.1?4.9?86.46kPa

⑤设备选型

根据气水同时反冲洗时反冲洗系统对空气的压力、风压要求选C90－1.5型离心鼓风机2台，一用一备。风量为90m3/min，风压为100kPa，电动机功率为110kw。

(5)回收水池及回收水泵

将滤池反冲洗排水集中排入回收水池，经回收泵送回原水配水井中再次进行处理。

① 回收水池 回收水池容积为：

W?（fq水1t气水?q水2t水）?Q表水t

－3?84?（4?10?3?4?60?6?10?3?5?60）?2?10?84?12?60?353m3

回收水池尺寸：水池有效水深采用3.5m，超高0.3m，池长为10m，池宽为10m。

② 回收水泵

设水泵工作时间为1h，则水泵的流量为：

q?W/t?353/1?353m/h

3水泵的扬程经粗略计算，确定为H?12m左右，选泵的型号为

IS150?125?250B，两用一备。

回收水泵房建于回收水池上，泵房净宽6m，长9m，高4.5m。

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