氧化溝的水頭損失計算與導(dǎo)流板偏置的作用
摘 要：氧化溝采用的曝氣轉(zhuǎn)刷除具有充氧性能外，還需推動溝內(nèi)混合液循環(huán)流動并能保證混合液 中的活性污泥不會發(fā)生沉淀，否則會降低混合液的濃度，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)計參數(shù)計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)器的型號及數(shù)量。
T型氧化溝為三溝交替工作式氧化溝系統(tǒng)，曝氣沉砂池來水經(jīng)過配水井可根據(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)。通過合理地編排運行程序，還可以有效地實現(xiàn)脫氮功能。
氧化溝采用的曝氣轉(zhuǎn)刷除具有充氧性能外，還需推動溝內(nèi)混合液循環(huán)流動并能保證混合液 中的活性污泥不會發(fā)生沉淀，否則會降低混合液的濃度，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)計參數(shù)計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)器的型號及數(shù)量。
在工程上，設(shè)計的T型氧化溝都具有脫氮功能，屬延時曝氣，停留時間較長，造成氧化溝的總長度很大，平面布置上必然出現(xiàn)多處彎道。彎道的局部阻力相對于沿程阻力來說是相當(dāng)大的，約占90%左右，但曝氣轉(zhuǎn)刷的推動力有限，應(yīng)采取導(dǎo)流板減阻措施，其減阻效果可以通過水力計算說明。導(dǎo)流板的偏置，增強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 水頭損失的計算
污水經(jīng)過預(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，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。在實際運行過程中，如果水平流速達(dá)不到設(shè)計值，可以通過調(diào)節(jié)出水堰高度或曝氣轉(zhuǎn)刷的垂直位置來改變曝氣轉(zhuǎn)刷的浸沒深度和調(diào)節(jié)曝氣轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)速等措施來調(diào)節(jié)。
對于T型氧化溝來說，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，在溝內(nèi)產(chǎn)生局部的水位差推動水流，其水位差用來克服沿程和局部水頭損失。實際上，起主要推動作用的是曝氣轉(zhuǎn)刷，它推動氧化溝混合液產(chǎn)生提升水頭h，其與轉(zhuǎn)刷浸沒深度(I)和線速 度(Vr)有如下關(guān)系：
h=k(Im/Y)Vrn （１）
式中h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭，m
I——轉(zhuǎn)刷浸沒深度，m
Y——氧化溝水深，m
Vr——轉(zhuǎn)刷線速度，m/s
k、m、n—— 試驗常數(shù)
另外，從混合推動力（PC）指標(biāo)來看[1]，
h=Fr/(ρgY)(2)
式中h——曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭，m
Fr— 曝氣轉(zhuǎn)刷的混合推動力（表示溝內(nèi)混合液達(dá)到0.3m/s的平均流速時，１m曝氣轉(zhuǎn)刷所能推動的混合液體積，單位為m3/m2，一般在200～250m3/m）
由以上兩個公式看出，曝氣轉(zhuǎn)刷的提升水頭與氧化溝的水深成反比。在設(shè)計氧化溝時應(yīng)根據(jù)曝氣轉(zhuǎn)刷的推動力確定水深，否則氧化溝水深太大會降低溝底流速，容易造成懸浮固體的沉淀？梢圆扇p少溝底過水?dāng)嗝娴拇胧，提高溝底流速?br />
若對轉(zhuǎn)刷軸線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。若有多個曝氣轉(zhuǎn)刷，則其提升水頭為流至下一臺轉(zhuǎn)刷的水頭損失(計算沿程損失時，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， 推動溝底水流流動，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)kb、垂直擋板阻力系數(shù)kv和傾斜擋板阻力系數(shù)ki。
對于彎道，其阻力系數(shù)kb＝0.5～1.0；對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]：
kv＝5.4β1.5
ki＝4.3β1.5
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=kf+∑kb+∑kv+∑ki
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)刷或采用水下推動器等輔助措施來保證達(dá)到混合推動要求。
2 導(dǎo)流板的作用
氧化溝直段上的沿程水頭損失相對于彎道的局部水頭損失來說非常小，一般認(rèn)為僅為10%左 右。以某污水處理廠為例計算一個氧化溝的水頭損失：
【例】一氧化溝的總長度為300m，溝總寬20m，有效水深4m。
hf=n2LV2/R4/3=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，其實僅占總的水頭損失約為10%。因此，理想的彎道設(shè)計 對于保證具有關(guān)鍵作用的渠中水平流速來說是非常重要的。為了減少摩阻，氧化溝在每個轉(zhuǎn) 彎處都設(shè)一個或多個導(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)按下式計算：
1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3+......+1/fcn
式中fc1～fcn——在由n-1個導(dǎo)流板分開的轉(zhuǎn)彎處每一渠道的局部阻力系數(shù)
這種計算類似于電學(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)(fC)等于10。當(dāng)該渠道被二個導(dǎo)流板分開時，所形成的各支渠的局部阻力系數(shù)為fC1＝15，fC2＝07，fC3＝05，那么，由于彎道分割渠道，其阻力系數(shù)fC為：
1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3=1/1.5+1/0.7+1/0.5
fc=0.224
由此看出，這個轉(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)，因為薄壁導(dǎo)流板的阻力和摩阻通常是忽略不計的，否則就要考慮由于它對水流的阻力所產(chǎn)生的額外損失。但彎道的阻力系數(shù)總是較大，這主要是因為它的曲率半徑較小。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，加強其紊流程度和沖刷能力，防止固體在隔墻背流處沉淀。實際工程中，一般只設(shè)一道導(dǎo)流板，再增加導(dǎo)流板會增加工程費用，導(dǎo)流板偏置能夠減少彎道隔墻背流處活性污泥等固體沉淀，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，其在試運行過程中，發(fā)現(xiàn)T型氧化溝的直段全部產(chǎn)生污泥沉淀，但彎道處沒有產(chǎn)生，從而說明了偏置的導(dǎo)流板具有較強的減阻效果和防沉作用。
3 結(jié)語
①溝中斷面平均流速的動力主要來自于曝氣轉(zhuǎn)刷和水下推進(jìn)器，通過提升水頭和水頭損失的計算，可以保證斷面平均流速達(dá)到設(shè)計值，保證混合和推流達(dá)到設(shè)計要求，保持氧化溝中固體呈懸浮狀態(tài)而不致沉淀。
②彎道局部阻力在整個氧化溝中比較大，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。
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