唐友堯1，徐山源2，王松林1，何純堤3
1.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；
2.武漢市自來水公司，湖北武漢430034；
3.北京市市政設(shè)計(jì)研究院，北京100045

　　摘 要：針對(duì)沉淀池排泥過程中所存在的問題，研制了一種新型的排泥裝置——擴(kuò)張管嘴排泥管。該裝置利用水力學(xué)中擴(kuò)張管嘴進(jìn)口流量系數(shù)大、流速系數(shù)高、收縮斷面處真空度高的原理，使其排泥效率顯著提高。另外，該裝置還具有運(yùn)行可靠，造價(jià)低，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于沉淀池排泥系統(tǒng)的新建和改造。
　　關(guān)鍵詞：沉淀池；排泥；擴(kuò)張管嘴
　　中圖分類號(hào)：X703.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)04-0001-05

Experimental Research on Perforated Pipe with Divergent Tube in Discharge of Sludge from Settler

TANG You-yao1，XU Shan-yuan2，WANG Song-lin1，HE Chun-di3(1.School of Environ.Sci.and Eng.,Huazhong Univ.of Sci.and Tech.,Wuhan 430074,China; 2.Wuhan Water Supply Co.,Wuhan 430034,China; 3.Beijing Munic.Eng.Design and Res.Institute,Beijing 100045,China)

　　Abstract：To counter the problems in discharge of sludge from settlers,a new type perforated pipe with divergent tube is developed.Based on the principle of hydraulics,the divergent tube is high in discharge coefficient and velocity coefficient at the inlet and high in vacuum at the contraction section,so the efficiency of sludge discharge increases significantly.It offered also such advantages as reliable and easy operation,lower cost,etc.,and can be used in the new construction and rebuild of sludge removal system of settlers.
　　Keywords:settler；sludge discharge；divergent tube

　　目前國(guó)內(nèi)常用的排泥方式主要有三類：①穿孔管排泥，是目前使用較多的一種。其裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、投資省，但孔眼易堵塞，因此管理要求嚴(yán)格，需及時(shí)排泥，否則易造成排泥困難，影響沉淀效果。在設(shè)計(jì)上穿孔管不能太長(zhǎng)，一般≤12 m，而且還采用快開閥門。②多斗排泥，最早用于平流沉淀池。此種方式排泥比較可靠，由于無機(jī)械設(shè)備，上馬容易，管理簡(jiǎn)單，維修工作量少。但由于斗內(nèi)積泥，排泥時(shí)，只在排泥管端部形成影響半徑為0.7～1 m的圓臺(tái)式空腔，其余污泥仍然積在池內(nèi)，嚴(yán)重影響產(chǎn)水量和出水水質(zhì)，只能采用定期放空、人工排泥的方法來維持生產(chǎn)；又由于形狀做成斗式，要增加池深，相應(yīng)也增加了土建造價(jià)，放空清洗比較困難。如排泥間隔時(shí)間過長(zhǎng)，還可能出現(xiàn)管口堵塞現(xiàn)象。③機(jī)械排泥，分為牽引式刮泥和多口虹吸式吸泥。其排泥效果較好，管理簡(jiǎn)單，可以自動(dòng)控制。另外池底可做成平底，使池深減少，降低土建費(fèi)用，但由于機(jī)械電氣設(shè)備多，一次性投資大，加工維修比較麻煩。還有在原水濁度過高的情況下，不能夠?qū)⒊氐追e泥完全排除。針對(duì)以上排泥方式存在的問題，研制了一種新型的排泥裝置——擴(kuò)張管嘴排泥管，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

　　1　試驗(yàn)裝置

　　1.1　沉淀池模型
　　池體用鋼板制作，尺寸為2 624 mm×1 074 mm×976 mm，如圖1所示。

　　距進(jìn)口0.3m處焊接一塊擋板，高速進(jìn)水水流與擋板撞擊后，降低了水流的動(dòng)能，使得箱體內(nèi)基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；上端為人孔口，箱體右蓋板可以拆卸，用以更換不同類型的試驗(yàn)排泥管；垂直方向做成梯形，用以模擬沉淀池底部形狀，便于污泥的固體顆?；虻撞?；水箱內(nèi)部底板上焊接兩個(gè)支撐板，用以支撐排泥，而且所做的4種排泥管長(zhǎng)度、直徑相同，可更換。
　　1.2　排泥管
　　①甲型排泥管，即普通穿孔排泥管(見圖2)。

　　甲型排泥管長(zhǎng)2 020 mm，直徑為100 mm，在與軸線垂直、兩邊斜向下45°方向每隔100 mm交錯(cuò)布置孔口，孔口直徑為32 mm，共19個(gè)。穿孔管兩端各焊接一個(gè)法蘭盤，直徑為205 mm，用以和法蘭盤蓋、出口短管相連接。
　?、谝倚团拍喙?，即擴(kuò)張管嘴水平放置、垂直于穿孔管軸線的排泥管(見圖3)。
　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在與軸線垂直的水平方向兩邊每隔100 mm交錯(cuò)布置擴(kuò)張管嘴共19個(gè)。擴(kuò)張管嘴長(zhǎng)140 mm，小端直徑為20 mm，擴(kuò)散角為6°。

　　③丙型排泥管，即擴(kuò)張管嘴水平放置，且與穿孔管軸線成45°夾角的排泥管(見圖4)。

　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在水平平面上，與軸線成45°的方向兩邊每隔100 mm交錯(cuò)布置擴(kuò)張管嘴共19個(gè)，擴(kuò)張管嘴尺寸與圖3相同。
　?、芏⌒团拍喙?，即擴(kuò)張管嘴在管下方與軸線的垂直面成45°，且與軸線也成45°夾角的排泥管(見圖5)。

　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在管下方與軸線的垂直面成45°，與軸線也成45°的方向兩邊每隔100 mm交錯(cuò)布置擴(kuò)張管嘴，共19個(gè)。擴(kuò)張管嘴尺寸與圖3相同。

　　2 試驗(yàn)方法與步驟

　　試驗(yàn)分兩部分：清水試驗(yàn)和泥水試驗(yàn)，均在武漢市自來水公司余家頭水廠進(jìn)行。
　　2.1清水試驗(yàn)
　　清水試驗(yàn)的目的是為了對(duì)比孔口出流和擴(kuò)張管嘴出流的流量系數(shù)μ及其出流效率。
　　利用所做的試驗(yàn)裝置，在出口端的垂直壁面上的適當(dāng)位置鉆兩個(gè)孔口，其中一個(gè)直徑為20mm，另外一個(gè)直徑為32 mm，并且在直徑32 mm的孔口上，于模型池體內(nèi)部焊接一擴(kuò)張管嘴，小端直徑為16mm，擴(kuò)散角為6°，長(zhǎng)度為152 mm。
　　所鉆兩個(gè)孔口的位置要保證孔口出流和擴(kuò)張管嘴出流的收縮為全部、完善收縮，因?yàn)榭卓诤蛿U(kuò)張管嘴在壁面上的位置對(duì)收縮系數(shù)ε有直接影響。具體要求是它們與相鄰壁面的距離大于孔口和擴(kuò)張管嘴尺寸的3倍，以使孔口出流的收縮不受距壁面遠(yuǎn)近的影響。
　　清水試驗(yàn)采用3種不同的水頭，分別是4.90、7.64、10.68 kPa。在各個(gè)水頭作用下，要求池體中水量能得到源源不斷地補(bǔ)充，使水頭保持不變。
　　試驗(yàn)步驟如下：
　?、佼?dāng)孔口的出流在4.90 kPa水頭下變成恒定流時(shí)，用秒表掌握時(shí)間，用水桶盛裝、測(cè)量這段時(shí)間的出流量，然后用量筒測(cè)量水桶中的水量，再求出單位時(shí)間段的流量。
　?、诎凑找陨戏椒y(cè)量10次。
　　③求出單位時(shí)間出流量的平均值。
　?、軐⒖卓诿娣eω、水頭高H0和出流量Q代入孔口出流的基本公式，求出流量系數(shù)μ。
　?、輰⒖卓诔隽鞯乃^再分別設(shè)定為7.64、10.68 kPa，用同樣的方法求出相應(yīng)的流量系數(shù)μ。
　?、迣⑸厦媲蟮玫娜齻€(gè)流量系數(shù)取平均值，該值即為試驗(yàn)所得的孔口的流量系數(shù)μ。
　?、呷缓箝_始做擴(kuò)張管嘴的試驗(yàn)。在擴(kuò)張管嘴出流的情況下，重復(fù)以上①～⑥，從而測(cè)得擴(kuò)張管嘴的流量系數(shù)μ。
　　2.2泥水試驗(yàn)
　　將擴(kuò)張管嘴和孔口應(yīng)用在排泥工況下進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試不同擴(kuò)張管嘴布置形式的效果，目的是為了驗(yàn)證擴(kuò)張管嘴的排泥效果，得到最佳的擴(kuò)張管嘴布置形式。泥水試驗(yàn)裝置見圖6。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖潴w的進(jìn)水管口用軟管與水廠沉淀池的穿孔排泥管的出口相連；箱體頂部的人孔蓋板用螺栓密封；把甲型排泥管放置在箱體內(nèi)部，用螺栓將兩端分別連接；軟管和人孔蓋板上的排氣孔用鐵絲連接；水表與箱體出口端用螺栓連接，水表出口端再加連一出口短管，可將泥水排至排泥渠。

　　試驗(yàn)步驟如下：
　?、俅蜷_沉淀池甲型排泥管的閥門，泥水經(jīng)軟管進(jìn)入箱體，當(dāng)看到人孔蓋板上排氣孔有泥水排出時(shí)，說明箱體內(nèi)已經(jīng)充滿泥水，此時(shí)即可開始測(cè)量。
　?、诖蜷_箱體出口端的閥門，用秒表計(jì)量時(shí)間，用水表計(jì)量該時(shí)間段內(nèi)的流量，求出單位時(shí)間的出水流量(m3/s)。
　?、壑貜?fù)②，做10次計(jì)量，利用10次所測(cè)的單位時(shí)間的出水流量求出平均值。
　?、軐⑾潴w拆開，取出甲型排泥管，換之以乙型排泥管，再次封閉箱體。
　?、葜貜?fù)①～③。
　?、迣⑾潴w拆開，取出乙型排泥管，換之以丙型排泥管，再次封閉箱體。
　?、咧貜?fù)①～③。
　?、鄬⑾潴w拆開，取出丙型排泥管，換之以丁型排泥管，再次封閉箱體。
　?、嶂貜?fù)①～③。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1　清水試驗(yàn)
　　清水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表1、2。
　　已知孔口的面積ω₁=πd²/4=3.14×0.02×0.02/4=3.14×10^-4 m²，擴(kuò)張管嘴小端的面積為ω₂=πd²/4=3.14×0.016×0.016/4=2.01×10^-4 m²，將它們及表1、2中的數(shù)據(jù)分別代入

　　μ=Q/(ω(2gH₀)^0.5)
　　式中　Q——流量，m³/s
　　　　　H₀——水頭，kPa
　　　　　ω——斷面面積，m²
　　　　　μ——流量系數(shù)

　　由式(1)可以得到：孔口出流系數(shù)平均值為0.571，與理論值0.62接近；擴(kuò)張管嘴出流系數(shù)平均值為1.835，后者比前者提高了221.3%。由式(1)知，在ω和H0一定的情況下，由于擴(kuò)張管嘴的流量系數(shù)比孔口大，故在進(jìn)口處造成較大的進(jìn)口流速，產(chǎn)生較大的真空度。
　　3.2泥水試驗(yàn)
　　甲型、乙型、丙型和丁型排泥管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見表3～6。

　　3.3 箱體內(nèi)積泥情況及流量系數(shù)比
　　對(duì)甲型排泥管，測(cè)量完畢后，拆開箱體發(fā)現(xiàn)，模型管子下都有積泥，距離遠(yuǎn)端(即進(jìn)水口)箱體壁面85 cm處的管子周圍開始積泥，55 cm處中等淤積，35 cm處沉泥完全淹沒模型管子；對(duì)乙型、丙型排泥管，模型管子下都有積泥，管子周圍積泥比較平均，均沒有淹沒擴(kuò)張管嘴的小端孔口；丁型排泥管，箱體底部基本上沒有多少積泥。
　　由于泥水特性與清水不一樣，故其流量系數(shù)比清水小得多，但在同等的試驗(yàn)條件下，擴(kuò)張管嘴出流效率比孔口出流提高了156.41%。
　　通過對(duì)比可以看出，丁型排泥管流量系數(shù)μ最大，箱體內(nèi)的積泥最少，因此這種擴(kuò)張管嘴的布置方式最佳。

　　4　結(jié)論

　　①排泥效率。在清水試驗(yàn)條件下，擴(kuò)張管嘴比孔口的出流效率提高了221.37%，擴(kuò)張管嘴在管下方與軸線的垂直面成45°，且與穿孔管軸線也成45°夾角的排泥管在同等水頭的泥水工作條件下，比普通穿孔管的排泥效率提高了156.41%。由此可見，擴(kuò)張管嘴可以更快速地將沉泥排走。
　?、谂拍嗫煽啃?。由于擴(kuò)張管嘴出流時(shí)，在收縮斷面處形成高真空，也就是相當(dāng)于在排泥管內(nèi)安裝了一臺(tái)真空泵，具有很大的抽吸能力，能夠?qū)U(kuò)張管嘴附近的沉泥抽吸干凈，所以排泥后基本上不存在積泥，不會(huì)影響生產(chǎn)；另外在沉淀池內(nèi)部不會(huì)導(dǎo)致紊動(dòng)，不影響出水水質(zhì)。
　?、垩b置的造價(jià)。由于該材料采用普通鋼板，制作工藝簡(jiǎn)單，所以造價(jià)較低，只比普通穿孔管的造價(jià)稍高一些。如果用于普通穿孔排泥管的更新改造，則只需將擴(kuò)張管嘴焊接到普通穿孔管上即可。
　?、懿僮骱?jiǎn)便性。如果水廠安裝了自動(dòng)控制系統(tǒng)，則排泥時(shí)運(yùn)行管理人員只需在主控室內(nèi)打開氣閥即可，操作簡(jiǎn)便、工作環(huán)境好。
　　總之，該裝置具有排泥效率高、運(yùn)行可靠、造價(jià)低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛于用沉淀池排泥系統(tǒng)的新建和改造。

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　　作者簡(jiǎn)介：唐友堯(1941-)，男，漢族，湖南邵陽(yáng)人，華中科技大學(xué)教授，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)。
　　電　　話：(027)87808129
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　　收稿日期：2000-12-08