趙星明¹，徐志偉²
（1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271000；2泰安市污水處理工程管理處，山東泰安271000）

　　摘要：以T型氧化溝為例闡述了曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭與溝內(nèi)水頭損 失的關(guān)系，剖析了氧化溝兩端彎道設(shè)置導(dǎo)流板的減阻作用，提出了導(dǎo)流板偏置可以避免彎道隔墻背流處的固體沉淀，減少導(dǎo)流板的數(shù)量。?
　　關(guān)鍵詞：氧化溝；導(dǎo)流板；曝氣轉(zhuǎn)刷；水頭損失
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C文章編 號(hào)：1000-4602(2000)07-0035-03

　　T型氧化溝為三溝交替工作式氧化溝系統(tǒng)，曝氣沉砂池來(lái)水經(jīng)過(guò)配水井可根據(jù)需要進(jìn)入各溝內(nèi)。溝與溝相互連通，兩側(cè)溝設(shè)有啟閉式可調(diào)堰，而剩余污泥一般從中溝排放。T型氧化溝系統(tǒng)運(yùn)行靈活，曝氣沉淀均在溝內(nèi)交替進(jìn)行，省去了污泥回流系統(tǒng)。通過(guò)合理地編排運(yùn)行程序，還可以有效地實(shí)現(xiàn)脫氮功能。?
　　氧化溝采用的曝氣轉(zhuǎn)刷除具有充氧性能外，還需推動(dòng)溝內(nèi)混合液循環(huán)流動(dòng)并能保證混合液 中的活性污泥不會(huì)發(fā)生沉淀，否則會(huì)降低混合液的濃度，影響處理效果。為保證混合液中的活性污泥處于懸浮狀態(tài)，氧化溝最小平均斷面流速必須在0.3m/s以上，并以此作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算氧化溝的沿程和局部水頭損失，以確定曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭和水下推進(jìn)器的型號(hào)及數(shù)量。?
　　在工程上，設(shè)計(jì)的T型氧化溝都具有脫氮功能，屬延時(shí)曝氣，停留時(shí)間較長(zhǎng)，造成氧化溝的總長(zhǎng)度很大，平面布置上必然出現(xiàn)多處彎道。彎道的局部阻力相對(duì)于沿程阻力來(lái)說(shuō)是相當(dāng)大的，約占90%左右，但曝氣轉(zhuǎn)刷的推動(dòng)力有限，應(yīng)采取導(dǎo)流板減阻措施，其減阻效果可以通過(guò)水力計(jì)算說(shuō)明。導(dǎo)流板的偏置，增強(qiáng)了減阻效果并更有效地防止固體沉淀，也減少了工程投資。

1 水頭損失的計(jì)算

　　污水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入氧化溝，由于氧化溝中的混合液沿溝渠循環(huán)流動(dòng)，使溝中的循環(huán)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量。循環(huán)流量是由曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器的推動(dòng)所引起的，為了保持氧化溝中的固體呈懸浮狀態(tài)而不致沉淀，溝內(nèi)斷面平均流速一般為0.3～0.5 m/s，溝底流速保證不低于0.1m/s。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果水平流速達(dá)不到設(shè)計(jì)值，可以通過(guò)調(diào)節(jié)出水堰高度或曝氣轉(zhuǎn)刷的垂直位置來(lái)改變曝氣轉(zhuǎn)刷的浸沒(méi)深度和調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速等措施來(lái)調(diào)節(jié)。?
　　對(duì)于T型氧化溝來(lái)說(shuō)，其溝底坡度和進(jìn)出水位差很小，靠曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器的推動(dòng)，在溝內(nèi)產(chǎn)生局部的水位差推動(dòng)水流，其水位差用來(lái)克服沿程和局部水頭損失。實(shí)際上，起主要推動(dòng)作用的是曝氣轉(zhuǎn)刷，它推動(dòng)氧化溝混合液產(chǎn)生提升水頭h，其與轉(zhuǎn)刷浸沒(méi)深度(I)和線(xiàn)速 度(Vr)有如下關(guān)系：

　　h=k(I^m/Y)V_r^{n 　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）}

　　式中　h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭，m
　　　　　I——轉(zhuǎn)刷浸沒(méi)深度，m
　　　　　Y——氧化溝水深，m
　　　　　V_r——轉(zhuǎn)刷線(xiàn)速度，m/s
　　　　　k、m、n—— 試驗(yàn)常數(shù)

　　另外，從混合推動(dòng)力（PC）指標(biāo)來(lái)看^[1],

　　h=Fr/(ρgY)　　　　　　　　　　　　　(2)

　式中　h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭,m
　　　　Fr— 曝氣轉(zhuǎn)刷的混合推動(dòng)力（表示溝內(nèi)混合液達(dá)到0.3m/s的平均流速時(shí)，１m曝氣轉(zhuǎn)刷所能推動(dòng)的混合液體積，單位為m³/m²,一般在200～250m3/m）

　　由以上兩個(gè)公式看出，曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭與氧化溝的水深成反比。在設(shè)計(jì)氧化溝時(shí)應(yīng)根據(jù)曝氣轉(zhuǎn)刷的推動(dòng)力確定水深，否則氧化溝水深太大會(huì)降低溝底流速，容易造成懸浮固體的沉淀?？梢圆扇p少溝底過(guò)水?dāng)嗝娴拇胧?，提高溝底流速?
　　若對(duì)轉(zhuǎn)刷軸線(xiàn)的上下游斷面列能量方程，則曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭等于混合液循環(huán)一周的水頭損失。若有多個(gè)曝氣轉(zhuǎn)刷，則其提升水頭為流至下一臺(tái)轉(zhuǎn)刷的水頭損失(計(jì)算沿程損失時(shí)，鋼筋混凝土溝壁粗糙系數(shù)n取0.013)。?
　　根據(jù)氧化溝的構(gòu)造情況，每臺(tái)轉(zhuǎn)刷下游均安裝傾角為60°的傾斜擋流板，使水流折向溝底， 推動(dòng)溝底水流流動(dòng)，保證溝底混合液充分混合。也可在上游安裝垂直擋流板，這樣局部阻力系數(shù)包括彎道阻力系數(shù)k_b、垂直擋板阻力系數(shù)k_v和傾斜擋板阻力系數(shù)k_i。
　　對(duì)于彎道，其阻力系數(shù)k_b＝0.5～1.0；對(duì)于垂直和傾斜擋流板的阻力系數(shù)，有人得出如下關(guān)系^[1]：?
　　k_v＝5.4β^1.5
　　k_i＝4.3β^{1.5
　　式中　d——擋流板水下深度，m
　　　　　Y——氧化溝水深，m}

　　故氧化溝的總阻力系數(shù)K為：
　　K=k_f+∑k_b+∑k_v+∑k_i
　　氧化溝總的水頭損失為：
　　∑h=KV₂/(2g)

　　根據(jù)氧化溝總的水頭損失和所選用的轉(zhuǎn)刷臺(tái)數(shù)，可以校核轉(zhuǎn)刷總提升水頭能否克服總的水頭損失。若不能則應(yīng)增設(shè)轉(zhuǎn)刷或采用水下推動(dòng)器等輔助措施來(lái)保證達(dá)到混合推動(dòng)要求。?

2 導(dǎo)流板的作用

　　氧化溝直段上的沿程水頭損失相對(duì)于彎道的局部水頭損失來(lái)說(shuō)非常小，一般認(rèn)為僅為10%左 右。以某污水處理廠為例計(jì)算一個(gè)氧化溝的水頭損失：?
【例】一氧化溝的總長(zhǎng)度為300m，溝總寬20m，有效水深4m。

　　h_f=n²LV²/R^{4/3=0.0132×300×0.32/(10×4/(10+4+4)4/3)=0.00157m}

　　若彎道的阻力系數(shù)取1.0,則彎道的局部損失為：

　　hb=∑ζV²/(2g)=2×1.0×0.3²/2g=0.00918m

　　沿程水頭損失占彎道局部水頭損失的0.00157/0.00918×100%＝17%,其中還包括了T型氧化溝連通孔的局部水頭損失，其實(shí)僅占總的水頭損失約為10%。因此，理想的彎道設(shè)計(jì) 對(duì)于保證具有關(guān)鍵作用的渠中水平流速來(lái)說(shuō)是非常重要的。為了減少摩阻，氧化溝在每個(gè)轉(zhuǎn) 彎處都設(shè)一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)流板，可以防止或推遲混合液與壁面的分離，減小旋渦區(qū)和二次流的產(chǎn)生，達(dá)到降低彎道阻力系數(shù)的目的。設(shè)置導(dǎo)流板后，其阻力系數(shù)按下式計(jì)算：

　　1/f_c=1/f_c1+1/f_c2+1/f_c3+......+1/f_cn

　　式中　　f_c1～f_cn——在由n-1個(gè)導(dǎo)流板分開(kāi)的轉(zhuǎn)彎處每一渠道的局部阻力系數(shù)

　　這種計(jì)算類(lèi)似于電學(xué)上的并聯(lián)電路。

　　下面再用一例子分析用導(dǎo)流板后局部阻力系數(shù)的變化情況：?
　　【例】有一氧化溝，其彎道處的阻力系數(shù)(f_C)等于10。當(dāng)該渠道被二個(gè)導(dǎo)流板分開(kāi)時(shí)，所形成的各支渠的局部阻力系數(shù)為f_C1＝15，f_C2＝07，f_C3＝05，那么，由于彎道分割渠道，其阻力系數(shù)f_C為：

　　1/f_c=1/f_c1+1/f_c2+1/f_c3=1/1.5+1/0.7+1/0.5

　　f_c=0.224

　　由此看出，這個(gè)轉(zhuǎn)彎處的水頭損失減少到?jīng)]有分割前轉(zhuǎn)彎處損失的24.4%，減阻效果非常明顯。?
　　導(dǎo)流板通常是薄壁結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸”趯?dǎo)流板的阻力和摩阻通常是忽略不計(jì)的，否則就要考慮由于它對(duì)水流的阻力所產(chǎn)生的額外損失。但彎道的阻力系數(shù)總是較大，這主要是因?yàn)樗那拾霃捷^小。若導(dǎo)流板偏置于彎道處，即它的圓心不在氧化溝渠道的縱向中心線(xiàn)上，水流從大斷面進(jìn)從小斷面出，這樣可以增加氧化溝彎道出口的水流流速，加強(qiáng)其紊流程度和沖刷能力，防止固體在隔墻背流處沉淀。實(shí)際工程中，一般只設(shè)一道導(dǎo)流板，再增加導(dǎo)流板會(huì)增加工程費(fèi)用，導(dǎo)流板偏置能夠減少?gòu)澋栏魤Ρ沉魈幓钚晕勰嗟裙腆w沉淀，從而減少導(dǎo)流板的數(shù)量，降低工程投資。山東省某污水處理廠采用偏置導(dǎo)流板，其在試運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)T型氧化溝的直段全部產(chǎn)生污泥沉淀，但彎道處沒(méi)有產(chǎn)生，從而說(shuō)明了偏置的導(dǎo)流板具有較強(qiáng)的減阻效果和防沉作用。?

3 結(jié)語(yǔ)?

　　①溝中斷面平均流速的動(dòng)力主要來(lái)自于曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器，通過(guò)提升水頭和水頭損失的計(jì)算，可以保證斷面平均流速達(dá)到設(shè)計(jì)值，保證混合和推流達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保持氧化溝中固體呈懸浮狀態(tài)而不致沉淀。?
　?、趶澋谰植孔枇υ谡麄€(gè)氧化溝中比較大，設(shè)置導(dǎo)流板可降低彎道阻力，導(dǎo)流板的偏置可減少導(dǎo)流板的數(shù)量并防止彎道隔墻背流處的固體沉淀。

參考文獻(xiàn)：?
［1］王濤，鄧榮森，廖日紅等氧化溝曝氣轉(zhuǎn)刷提升水頭與水頭損失的關(guān)系及應(yīng) 用給水排水，1999，25(1)：5-7?
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收稿日期：2000-01-10