混合和絮凝池设计说明.doc

. 混合和絮凝池设计目录1. 机械搅拌混合池的设计设计基本要求浆板式搅拌器的设计参数搅拌所需功率例1-1 机械搅拌混合池计算2. 机械搅拌絮凝池设计设计基本要求设计规定设计计算搅拌器转速计算搅拌器功率计算例 2-1 水平轴式浆板搅拌絮凝池计算例 2-2 垂直轴式浆板搅拌絮凝池计算18 / 18混合和絮凝池设计存在于水和废水中的胶体物质一般都具有负的表面电荷，胶体的尺寸约在0.011.0m，颗粒间的吸引力大大小于同性电荷的相斥力，在稳定的条件下，由于布朗运动使颗粒处于悬浮状态，为了除去水中的胶体颗粒，在水处理工艺常使用投加化学药剂-混凝剂，使胶体颗粒脱稳并形成絮体，这一过程称之为“混凝”；为促使“混凝”过程产生的细而密的絮体颗粒间的接触碰撞凝聚成较大的絮体颗粒，这一过程称之为“絮凝”。只有当胶体颗粒获得完善的絮凝过程产生稠密的大颗粒絮体之后，才能在后序的沉淀池中藉重力被有效地除去。絮凝作用有两种形式：微絮凝和大絮凝。两种絮凝的基本区别在于涉与的粒子尺寸。微絮凝的粒子围为0.0011.0m，其颗粒的絮凝是基于布朗运动或随机热运动而完成的；大絮凝系指大于1-2m粒子的絮凝，则是通过诱发的速度梯度和粒子沉降速度差来完成。为了强化絮凝过程，可投加絮凝剂，絮凝剂可为天然的或有机合成的聚合物。由于“混凝”和“絮凝”两个过程所要求的水力条件是不相同的，在设计中常被置于混合池和絮凝池两个不同的单元去完成。1. 机械搅拌混合池的设计设计基本要求对混合池设计的基本要使投加的化学混凝剂与水体达到快速而均匀的混合，要在水流造成剧烈紊动的条件下投入混凝剂，一般混合时时间530秒，不大于2分钟。但对于高分子絮凝剂而言，只要达到均匀混合即可，并不苛求快速。混合池的设计以控制池水流的平均速度梯度G值为依据，G值一般控制在5001000秒-1围，过度的（G值超过1000S-1）和长时间的搅拌，会给后序的絮凝过程带来负面的影响。机械混合所使用的浆板，多数采用结构简单、制作容易的叶片式浆板混合搅拌器。图1为浆板式搅拌混合池示图。图1 机械搅拌混合池混合池通常设计成圆形或方形，水深与池径之比一般为0.81.5，干弦为0.30.5m。混合池应加设挡板，挡板的作用是消除被搅拌液体的整体旋转，将液体的切向流动转变为轴向或径向流动，增大液体的湍动程度，后而加强了混合效果。挡板一般设为4块，每块宽度B（）D（池径）。若池形为方池，则以当量直径De替代D，当量直径De1.13式中L、W为边长。浆板式搅拌器的设计参数叶浆式搅拌器设计参数如表1所示：表1 浆式搅拌器设计参数项目符号单位推荐参数搅拌器外缘线速度m/s1.05.0搅拌器直径dm()D搅拌器距池底高度Em(0.51.0)d搅拌器叶浆数Z2,4搅拌器宽度bm(0.10.25)d搅拌器层数e当1.21.3时，e1；当1.21.3时，e1搅拌器层间距离S0m（1.01.5）d安装位置要求相邻两层叶浆交叉90o安装搅拌所需功率为达到混合池某一速度梯度G所需的搅拌功率可按式计算：PG2··V 式中：P-搅拌功率（W）； G-速度梯度（S-1）；-被搅拌液体的动力粘度（N·S/m2）； V-混合池有效容积。VQ·t其中Q-搅拌流量（m3/s），t-停留时间（s）。根据表1设计参数而设计的搅拌器，其轴功率可按式计算： （KW）式中：CD-阻力系数，CD0.20.5；-液体密度，（kg/m3）;-搅拌器旋转角速度，（rad/s）其中 ： n-搅拌器转速，（r/min）；Z-搅拌器浆叶数，（片）；e-搅拌器层数；b-搅拌器浆叶宽度，（m）；R-搅拌器半径，（m）；g-重力加速度，（m/s2）。设计时要检查根据式计算的结果是否与式的要求相接近，否则应调整浆板直径、浆板外缘线速度以与搅拌器层数，如仍不能使之接近，就应考虑选用另外类型的搅拌器，如推进式搅拌器。例 机械搅拌混合池计算混合流量Q5000m3/d0.058m3/s，水温为15，试设计混合池与搅拌器尺寸。解：取混合时间t30 池平均速度梯度G600s-1 15时，水的动力粘度1.142×10-3（N·s/m2） 混合池体积VQ·t0.058×301.75m3为达到设定的G值，所需的搅拌功率根据式 设混合池水深与混合池直径之比为，H1.15D，V0.785D2·H0.785D2×1.15D0.9D3H1.15×1.251.43m取搅拌器直径，取d0.9m浆叶宽度 b0.2d0.2×0.90.18m叶片数Z2，单层设置。取叶浆外缘线速度v3.5m/s。搅拌器转速 搅拌器旋转角速度 rad/s搅拌器轴功率：按式 取CD0.51000kg/m3 (kw) > P0.715 kw，（可）此时池的平均速度梯度G。 （s-1）>600 （s-1）设挡板4块每块宽度 长度 搅拌器距池底高度 E0.6d0.6×0.90.54m2. 机械搅拌絮凝池设计设计基本要求承接于混合池出水的絮凝池，要求其在池的水流速度由大变小逐渐转换。在较大的反应速度下使水中的胶体粒子发生较充分的碰撞吸附凝聚，在较小的反应速度下使水中的胶体颗粒结成较大而稠密的絮体（绒体），以便在沉淀池除去。为了确保沉淀池的沉淀效果，在絮凝池结成较大的絮体需要有足够的絮凝时间与相应的水力条件。一般的絮凝时间为10-30分钟，并控制絮凝速度使其平均速度梯度G值达到1075s-1（一般控制在3050s-1），使GT值在104105围以保证絮凝过程的充分和完善。也有相关的报导称，在废水处理中的典型絮凝过程其停留时间在3060min，速度梯度为50100s-1。絮凝池宜与沉淀池合建，可避免已形成的絮体在水流经过连接收道时被打碎。如确需分建，则连接收道的水流速度应小于0.2m/s，并且要避免流速的突然升高或水头跌落。目前常用的机械搅拌絮凝池有水平轴式和垂直轴式浆板搅拌器两种形式。设计规定· 池数应与沉淀池相协调，通常不小于2座；· 絮凝池搅拌器排数一般为3-4排（不少于3排），水平式搅拌轴应设于池中水深的1/2处，垂直式搅拌轴应设于池中间；· 叶轮浆板中心处的线速度，第一排采用0.40.6m/s，最后一排采用0.2m/s，各排线速度应逐渐减小；· 水平轴式叶轮直径应比池深小0.3m，叶轮尽端与池子倒壁间距不应大于0.2m；· 垂直轴式叶轮上层浆板顶端应设于池子水面下0.3m处，下层浆板底端应设于距池底0.5m处；· 搅拌叶轮的浆板数目一般为46块，浆板长度不大于叶轮直径的75；· 每根搅拌轴上浆板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过25。每块浆板宽度为浆板长的1/101/15，一般采用1030cm；· 必须注意不要产生水流短流现象，此外，为避免池子水流与浆板同步旋转，垂直轴式搅拌器应在池壁设固定挡板，其做法与混合池设计同；· 絮凝池深度应按水力高程系统的布置确定，一般为34m，立式絮凝池的深度可视具体情况适当加大；· 为适应水量、水质以与药剂品种的变化，宜采用变速转动装置；· 置于池的搅拌装置必须做防腐处理。设计计算搅拌器转速计算常用的有两种计算方法：a 根据已定的搅拌器线速度计算设n档搅拌器，第n档搅拌器转速应为： （r/min）式中：vn-第n档搅拌器浆叶中心处的线速度（m/s） D0-搅拌器浆叶中心处直径（m）中间几档搅拌器的转速可直接计算：如设三档不同搅拌强度的搅拌机，第二档搅拌器转速为： （r/min） 如设四档不同搅拌强度的搅拌机，第二、第三档的搅拌器的转速分别为： （r/min） （r/min） b 根据已知速度梯度计算设n档搅拌器，第n档搅拌器转速，按下式计算： （r/min） 式中：Gn-第n档搅拌速度梯度（s-1）；-液体的动力粘度（N·s/m2）；V-絮凝池每格容积（m3）；C4-拖拽系数，与流体状态和运动物体和流体面积形状有关，紊流状态下，C40.22.0，对于正交运动的柱体和薄板C42.0；Kn第n档液体旋转速度与浆叶旋转速度的比值，各档K值自第一档的0.24逐渐变化至末档0.32；A-每片浆叶的面积（m2）；RPn-第n片浆叶中心点的旋转半径（m），（）。各档搅拌机浆叶的形式是相同的，如第一档搅拌器的转速为n1，则第n档搅拌器的转速为： （r/min） 搅拌功率计算絮凝搅拌功率计算有两种方法：a 一般计算法：(kw)式中：ZR-同一旋转半径上的浆叶数；-水的密度，1000kg/m3；L-浆叶长度，(m)；R1-搅拌器浆叶外缘的半径，(m)；R2-搅拌器浆叶缘的半径，(m)；g-重力加速度，(g9.81m/s2）；CD-阻力系数；-搅拌器旋转角速度，(rad/s）CD值的确定方法一是采用0.20.5，二是根据浆叶宽度b与长度L之比确定，见下表2：表2 阻力系数CD值D/L小于1122.544.51010.518>18CD0.550.5750.5950.6450.701.00b T·R·Camp计算法： (kw) 式中：C4-拖拽系数，取C42； e-搅拌器层数； vn-第n片浆叶中心点线速度，(m/s); A-每片浆叶的面积，(m2)；-搅拌液体的密度，(kg/m3)； g-重力加速度，g9.81m/s2。 (m/s)设计时考虑到横梁与斜拉杆的拖拽和机械消耗，每档搅拌功率须在式计算值基础上再增加20。例2-1 水平轴式浆板搅拌絮凝池计算已知设计流量Q60000m3/d2500m3/h，采用两座絮凝池，每座设计流量1250 m3/h。解：絮凝池尺寸：絮凝时间取20min，则絮凝池有效容积：根据水力高程布置，水深H取3.6m，并采用三排搅拌器，絮凝池长度：式中：Z-搅拌器排数-系数，一般采用1.01.5 H-絮凝池水深 (m)取1.3L1.3×3×3.614m池宽 搅拌器尺寸每排采用三个搅拌器，每个搅拌器长度l(8.3-4×0.2)/3=2.5m式中：0.2-为搅拌器之间的净距和距池壁的距离0.2m。 搅拌器外径：D3.6-2×0.153.3m式中： 0.15-为搅拌器上缘离水面与下缘距池底的距离0.15m。每个搅拌器上设有4块叶片（如图2所示）；叶片宽度b0.18m，每根轴上浆板总面积A2.5×0.18×4×35.4m2，占水流截面积8.3×3.629.88m2的18。图2 水平轴式机械絮凝池计算示意 每个搅拌器旋转时克服水阻力所消耗的功率计算：设各排叶轮浆板中心点线速度分别取为：v10.5m/s；v20.35m/s和v30.2m/s。叶轮浆板中心点旋转直径D03.3-0.183.12m，叶轮转速与角速度分别为：第一排： (r/min)； (rad/s)第二排： (r/min)； (rad/s)第三排： (r/min)； (rad/s)第一排每个叶轮所消耗功率：用同样方法求得：第二排所需功率：N23×0.0420.125 kw第三排所需功率：N33×0.0080.024 kw总功率：NN1N2N30.336+0.125+0.0240.485 kw核算平均速度梯度G值与GT值（按水温20计，1.0×1.0-3 N·s/m2）第一排： (s-1)第二排： (s-1)第三排： (s-1)絮凝池平均速度梯度： (s-1)GT=34×20×604.1×104经核算，G值与GT值均较适宜。例 2-2 垂直轴式浆板搅拌絮凝池计算设计数据 设计流量 Q6000m3/d=250m3/h；设三档絮凝搅拌器，絮凝池分为三格； 絮凝时间取t20min； 各档搅拌速度梯度G值在2070s-1之间； 絮凝池水的平均温度取20，动力粘度1.00×10-3（ N·s/m2）。解： 絮凝池尺寸：根据水力高程布置取有效水深H3.8m，絮凝池分为3格，每格尺寸：长×宽×深2.7×2.7×3.8m，容积27.7m3。计算示图见图3，图3 垂直轴式浆板絮凝池计算示图浆叶设计a 每档设二层浆式搅拌器，每层设4块浆板，二层搅拌器90°交叉安装。浆叶宽度b0.12m，长度L1.4m，浆叶总面积A0.12×1.4×4×21.344m2，占水流截面积2.7×2.77.29m2的18.4。取液体旋转速度与浆叶旋转速度的比值K10.24；K30.32，则b 浆叶旋转半径外浆叶：R11.1m，R2=0.98m，1.04m浆叶：R10.55m，R20.43m，0.49mc 搅拌器转速计算根据设定的速度梯度计算：第一档：G1=70S-1，K10.24第二档：G245S-1，K20.28第三档：G320S-1，K30.32d 搅拌功率计算：按T·R·Camp计算进行计算第一档：外浆板：浆板： kw第二档： kw第三档： kw参考文献：1. 水质控制物理化学方法美小沃尔特·J韦伯著市政工程译2. 废水处理与回用（第四版）美梅特卡夫和埃迪公司裕珩等译化学工业3. 给水排水设计手册（城市给水）4. 给水排水设计手册（专用机械）