曝气沉砂池水力设计方程

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1、曝气沉砂池水力设计方程JerzyM.Sawicki1摘要：本论文主要解决曝气沉砂池的尺寸问题。迄今为止对于曝气沉砂池尺寸的设计都是基于大量的运行经验，这些方法并没有考虑到曝气强度Qp和横向环流Qc.两者之间的关系。为了消除原有设计方法的缺点，本文提出了四种解释构想（原来是解释空气提升泵的），并加以分析。实验验证了这四种构想里面的三种，并且提出了Qp和Qc之间的关系。其次，提出了横向环流的简化模型。通过计算，得出恰当设计的曝气沉砂池的底部合成流速不会超过，沉砂池可去除的小颗粒的不淤流速。本文还以用了两个曝气沉砂池的实际工程实例（格丹斯克和格丁尼亚两个地方的污水厂的曝气沉砂池）。关键词：水力设计，

2、污水处理，沉淀，水循环，气泡Introduction前言曝气沉砂池是一种特殊的沉淀池，专门用来去除砂，灰粒，碎玻璃，种子，以及其他统称为“砂粒”的悬浮颗粒。沉砂池内设有曝气系统。曝气系统通常沿着沉砂池的一边设置在池子底部附近，曝气系统产生的气泡造成横向环流，横向环流与废水的纵向流动结合并且形成典型的螺旋流。曝气系统可被一组水力喷嘴代替。此时，横向运动由水的射流引起。然而，通常不建议采用水力喷嘴。循环量必须足够高，能使比较轻的物质，如有机物、小颗粒，保持悬浮状态，但是循环强度又不能破坏重砂粒的沉淀。实际经验表明，曝气沉砂池与传统沉砂池相比存在一定的优点。主要表现为：•污水水量变化的情况下，砂粒的

3、去除率保持不变。•相对来说，沉砂里面含有的有机物低。•对污水进行了预曝气处理。•水头损失小，（远低于传统沉砂池。传统的沉砂池为保持恒定的速度需设置线性测流堰，因此水头损失大）。•强化的横向环流可使污水与投加的化学药剂很好的混合。然而，曝气沉砂池也存在以下缺点：•基建成本高（含有曝气系统）。•运行成本高（动力消耗大，需要单独的人来运行维护）。•污水中可能会散发出一些挥发性有机物和气味。曝气沉砂池的设计有许多技术资料。这些建议通常为设计指南或者是简单的物理和数学表达式。然而，现有设计方法存在一个非常重要的缺点，那就是这些技术资料均没有表达沉砂池内的曝气量Qp与横向环流量Qc之间的可靠联系。横向环流

4、量和底部速度之间的经验关系可以在Brenner和Diskin中找到。然而，这种表示是基于，横向环流由水的射流引起的沉砂池，因此不适用于典型曝气沉砂池。缺乏对Qp和Qc之间联系的讨论，制造了一些重要问题，因此技术手册上对之进行了强调。比如，如果想去设计新型的沉砂池，或者去改造现有沉砂池设施，就必须确定由于曝气量变化引起的速度场的变化。本论文的主要目的是寻找描述Qp和Qc.之间的定性关系的数学方程。曝气沉砂池的计算计划通常的，沉砂池的横断面是多边形的（图-1实线所示）或者是椭圆形的（图-1虚线所示）。这种光滑曲线形断面形状由德国调查员提出，可以减少废水速度场的水力干扰。然而，椭圆形断面的沉砂池施工

5、麻烦，而且造价高。此外，椭圆形横断面的在设计方面也存在一定困难，因为深度H和宽度B是变量：H=H（y），B=B（z）。本文假设，曝气沉砂池的计算形状图解为多边形（五边形），见图-1所示。形状的最后“整圆”由设计师单独完成。至于另外一种情况，下面提出的方法的技术方案不适用，并且应重充分利用断面，即，微分，变量[见方程（32），（34），或者详尽阐述的建议，例如OlsenandSkoglund(1995)]。曝气沉砂池尺寸设计参数有（见图-1）：长度L，宽度B，深度H，排水槽深度h,，容积V，横断面S，底部与左墙壁的距离BL，底部与右墙的距离BR，(BL+BR=B)，曝气系统的淹没深度HA，空气提

6、升区域的宽度bB,垂直挡板的高度HB,挡板上部间隙高度(HG)，挡板下部间隙高度(HD)，有效停留时间TR,废水量Q（沿着沉砂池），横向环流量QC,供气量QP（或者QP1，单位长度气量），平均纵向速度v，悬浮液临界颗粒的自由沉淀速度vsi(i=1,...,Ic)。Fig.1.CharacteristicdimensionsofaeratedgritchambercrossSection图-1曝气沉砂池横断面典型尺寸曝气沉砂池的一个重要单元是垂直挡板。根据实际建议[参照,，Albrecht（1967）;ASCE（1992）],，挡板可以改进沉砂池的作用，因此在所有的沉砂池设计中，大都出现挡板。然

7、而，污水厂所配备的传统沉砂池通常是是不设置挡板的。本文也将考虑这种不设挡板的传统沉砂池。曝气沉砂池要达到的效率令人惊奇的是，在可利用的设计文献里面，没有关于砂粒的预计去除率的精确的公式化的要求。因此，参照传统建议是合理的，对于正常工作的曝气沉砂池：•粒径大于0.2mm的粗砂粒可以100%的去除粒径大于0.1mm小于0.2mm的颗粒可以去除65%~75%。另外，沉砂里面所含有的有机物成分不能超过10