东海岛自来水厂工程V型滤池计算与设计实例_申杰.pdf

水暖电DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315032东海岛自来水厂工程 V 型滤池计算与设计实例收稿日期:2023 01 17作者简介:申杰(1985 )，男，工程师，从事给排水设计工作申杰(北京通州投资发展有限公司，北京101119)摘要:以东海岛自来水厂工程为例，介绍了该自来水厂的具体工艺流程，对处理工艺中的 V 型滤池进行了尺寸计算、水力计算、设备参数计算，并从布置方式、过滤系统、冲洗系统、进水系统、排水系统等多个方面，对 V 型滤池进行了设计，经过实际运行，达到了预期效果。关键词:自来水厂;V 型滤池;反冲洗水泵中图分类号:TU991 35文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0123 05广东省湛江市东海岛在本项目建成前无自来水厂，当地的居民生活用水、工业用水主要依靠地下水。大部分居民用水未经处理就直接使用，水质指标不满足使用需求，而且地下水的开采还造成地下漏斗、地表下陷、地下水干涸等现象。因此亟需在当地建设自来水厂。广东省湛江市东海岛自来水厂工程分两期建设，一期设计规模为 15 万 m3/d，二期设计规模为 25 万 m3/d。本水厂水源为鉴江供水枢纽工程，目前已经正式通水，其水环境总体质量为 类，个别监测断面为 类。设计水处理工艺采用强化常规处理工艺。以本工程 V 型滤池的计算及设计为例，为同类工程的计算与设计提供借鉴参考。1设计水质及工艺流程本项目水源为鉴江供水枢纽工程，根据鉴江干流黄坡断面水质常规监测评价结果显示，鉴江黄坡断面无论枯水期、丰水期还是平水期，其水环境总体质量均为类。根据水环境质量补充监测与评价结果显示，在鉴江干流 5 个监测断面中，白庙水厂取水口由于划定了引用水源保护区，而且有塘尾分洪闸分洪，水体流动性较好，因此该区域水质现状较好，能满足类水质。其余 4 个监测断面现状水质均为类标准，主要表现在化学需氧量和氨氮超标，属于微污染原水。供水水质目标达到 2006 年 6 月颁布的 GB 57492006 生活饮用水卫生规范。鉴江原水通过进水泵房进入东海岛自来水厂，经网格絮凝、平流沉淀、滤池过滤的常规处理工艺，消毒加压后供给用户。当原水水质较差时，在前端投加高锰酸钾粉末活性炭，使用强化常规处理工艺处理后供给用户。污泥处理工艺中，网格絮凝池、平流沉淀池排泥水含固率小于 3%，来水经排泥池、污泥提升泵房、浓缩池，浓缩后使底泥达到脱水机房进水要求，底泥通过脱水机脱水，泥饼外运处理。工艺流程如图 1 所示。图 1自来水厂工艺流程图PAC加氨加碱反冲洗水反冲洗水原水格栅间及进水泵房机械混合池网格絮凝池平流沉淀池V型滤池清水池配水泵房管网加氯补氯排泥水排泥水上清液高锰酸钾粉末活性碳回流水池及泵房配水井排泥池集水池 污泥提升泵房上清液上清液浓缩池脱水机房泥饼外运2V 型滤池计算V 型滤池采用恒水位，等速过滤1、气水反冲均质砂滤料滤池，不分系列，采用双排布置将滤池分为 2 个独立单元，每单元分 4 格，共 8 格。V 型滤池平面示意图如图2 所示。图 2V 型滤池平面示意图滤池进水管反冲洗排水管滤池出水管反冲洗排水渠反冲洗排水渠V 型槽V 型槽下层：排水渠下层：排水渠下层：砾石承托层上层：石英砂滤料滤池进水管反冲洗排水管管道间配水口溢流口进水渠按下列数据控制设计指标:设计规模:15 万 m3/d。自用水系数:5 0%。设计滤速:v=6 m/h 10 m/h。强制滤速:v强=10 m/h 13 m/h(按1 格冲洗计算)。最大滤速:vmax13 m/h(按 1 格冲洗 1 格检修计算)。321第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug202321滤池过滤面积及滤速计算A=Qv。其中，A 为滤池总过滤面积，m2;Q 为滤池设计水量，m3/h;v 为滤池滤速，m/h。A=15 1041 05 24 (6 10)=1 093 75 m265625 m2。滤池分为 n=8 格，则单格面积为 136 7 m282 m2。设计取单格面积 A单=98 m2，长 14 m，宽 7 m。当 8 格 全 部 工 作 时，正 常 滤 速 v正=Qn A单=15 1041 058 24 98=8 37 m/h。当 1 格冲洗时，强制滤速:v强=Q(n 1)A单=15 10410524 (8 1)98=957 m/h。当 1 格冲洗，1 格检修时，最大滤速:vmax=Q(n 2)A单=15 1041 0524 (8 2)98=11 16 m/h。以上三种工况均满足设计规范对于设计滤速、强制滤速及最大滤速的要求。22滤料及承托层水损计算滤层:滤池采用单层均质石英砂滤层，厚度 1 20 m。物理特性:比重 2 65 t/m3。孔隙率:0 4。滤料层水头损失:h滤=(11)(1 m0)H滤。其中，1为滤料的相对密度;为水的相对密度;m0为滤料的孔隙率;H滤为滤料的厚度。h滤=(2 6511)(1 04)1 2=1 19 m。承托层:滤板上铺砾石承托层厚度 300 mm。反冲洗时，经砾石承托层支撑的水头损失按照下式计算:h托=0 022 H托 qL。其中，qL为水冲强度，6 L/(m2s);H托为承托层厚度，m;h托=0022 0 3 6=0 04 m。23滤池进水系统计算滤池进水系统包括进水渠、进水闸孔、配水堰、分水槽、V 型堰、溢流堰等。1)进水渠计算。每个单元滤池进水渠设计流量为:Q进=12Q24 3 600=1215 1041 0524 3 600=0911 m3/s。渠道宽 W=1 5 m，水深 H=1 4 m，进水渠起端流速v进=Q进(W H)=0 43 m/s。进水渠水头损失按照公式 h=L i 计算。其中，L 为水流过渠道的长度，m;i 为水力坡度，i=(nv2/3)2;n 为粗糙系数，取 0 013;v 为计算渠道的流速，m/s;为水力半径，m。进水渠水头损失计算详见表 1。表 1进水渠水头损失计算表格数/个 渠宽/m计算水深/m距离/m流量/(m3s1)水力坡度/%水头损失/m0 11 51 490 910 008 30 000 71 21 51 490 680 004 70 000 42 31 51 490 460 002 10 000 23 41 51 490 230 000 50进水渠进口与渠末端的水位差 h1=0001 3 m。2)进水孔计算2。配水槽与进水渠通过进水孔连通，进水孔尺寸 0 7 m 0 7 m，孔上设置板闸。1 格冲洗，1 格检修，6 格工作时进水孔水头损失最大，根据孔口流量公式反算，计算孔口水头损失 h2=0 06。3)配水堰计算。配水堰堰长取 4 5 m，堰上水头:h3=(q/1 84/L)2/3=0 1 m。4)堰后跌落水位。堰后跌落水位 h4=005 m。5)分水槽水头损失。分水槽宽为 0 8 m，槽内水深1 15 m，槽长取 4 2 m。槽内水头损失计算方法同进水渠。计算得 h5=0 001 m。6)V 型槽计算。V 型槽进口水头损失由进口急转弯损失、V 型槽入口损失、沿程水头损失(忽略)。局部水头损失按照 h=v2进/(2g)，计算得 h6=0 007 m。V 型槽侧壁设小孔，反冲洗时，滤池水位下降，V 型槽水位也随之下降，表面冲洗水经 V 型槽侧壁小孔进入池内，水平推动池内浮渣进入中央排水渠排至池外。扫洗水量为 0 18 m3/s。V 型槽侧孔直径为 0 03 m。V 型槽内侧孔淹没深度 06 m，外侧淹没深度 0 1 m。依据孔口出流公式计算孔口流速为 1 94 m/s。孔口总面积为 0 09 m2。双侧侧孔个数为 130 个。7)溢流堰。溢流堰布置在滤池进水渠的侧墙上，在进水孔两侧，对称布置。总堰宽 30 4 m，单格溢流堰堰宽 3 8 m。堰上水头 0 1 m。24滤池配水配气系统1)滤板及滤头布置。V 型滤池采用滤板及长柄滤头小阻力配水系统。根据滤池尺寸，滤板选取 14 m 3 5 m，厚度取 0 2 m。每个 V 型滤池安装 2 块。滤头按照 50 个/m2设计，每个滤池安装 4 900 个滤头。2)滤池底部集(配)水空间。滤池底部集(配)水空间设计高度 0 98 m，反冲洗时气垫层厚度 0 2 m，气水联合反冲洗时水深 078 m。3)集(配)水渠。集(配)水渠设于排水槽下部，与排水槽同宽，宽度 1 m。过滤时，该渠为集水渠;冲洗时，为配水渠。集(配)水渠高度随排水槽底坡变化。渠长14 m。421第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑4)配气孔。集(配)水渠顶部设配气孔，孔顶与滤板板底相平。配气孔直径为 0 05 m。配气孔流速 12 m/s。气冲强度为 16 L/(m2s)。反冲洗时单格通气量按下式计算:Q气=kqgF 1 000。其中，Q气为反冲洗时单格通气量，m3/s;k 为漏损系数，取 1 1;qg为气冲强度，L/(m2s);F 为单格过滤面积，m2。Q气=1 1 16 98 1 000=1 725 m3/s。单格滤池孔口总面积为 0 117 8 m2。孔口个数60 个，每侧 30 个。5)配水孔。在配水渠两侧侧壁根部布置配水孔。过滤时，滤后水从两侧经配水孔进入中央集水渠，进入出水管。反冲洗时，由中央水渠经配水孔进入两侧滤池，向上反冲。反冲洗时，水冲强度为 6 L/(m2s)。配水孔流速不大于 1 5 m/s，本设计按照 0 467 m/s 设计。配水孔总面积为 S=Q水 v=6 98 1 000 0467=1 26 m2。配水孔尺寸按照 0 15 m 0 15 m 设计，则实际需设置 56 个孔洞。反冲洗时孔洞水头损失按照 h=v2/2/(2g)，计算得h=0 03 m。正常过滤时，同理计算孔洞水头损失为 0 004 m，一格检修时孔洞水头损失为 0 006 m。25滤池出水系统计算出水系统包括出水管、出水气动调节阀、滤后水槽、出水堰、出水总渠、出水干管等。1)出水管。滤池出水管连接滤池底部出水渠及管道间内的出水槽，每格滤池设出水管一根。滤池出水管管径 DN600，单格过滤 流量为 0 28 m3/s，校 核 流 速 为081 m/s。滤池出水管水头损失按照局部水头损失计算公式计算得 h8=0 15 m。2)滤后水槽、出水堰。设出水堰宽 b出为 2 m，根据滤池 设 计 水 量 及 堰 上 水 头 公 式 计 算 堰 上 水 头 为0 16 m，取 0 2 m。堰后跌落水位取 0 1 m。堰前后水位差为 0 3 m。3)出水总渠。出水总渠连接 8 格滤后水槽，接收所有滤后出水，设计水量为 1 82 m3/s。滤后总渠宽度与管道间同宽，取 9 m，水深取 1 8 m，流速为 0 11 m/s。4)出水总管。设 1 根出水干管，出水管流速取12 m/s，设计管径为 DN1 400。26滤池反冲洗排水系统计算滤池工作周期:24 h。冲洗方式:采用气水联合冲洗，总冲洗时间 12 min，每次只允许冲洗 1 格。两次冲洗间隔均匀。冲洗程序及冲洗强度见表 2。表 2冲洗程序及冲洗强度表程序冲洗强度/L(m2s)1冲洗时间/min先气冲164气冲加水冲气 16，水 34水冲64表冲1 812反冲洗水量 Q冲=qL A单=(6+1 8)1 000 98=0 764 m3/s。其中，qL为水冲+表冲的冲洗强度，L/(m2s)。1)排水槽宽度计算。反冲洗排水渠宽 b=0 9Q0 4冲=0 9 0 7640 4=0 81 m，取 1 0 m。滤池排水槽槽长 L排=14 m，槽底坡 i=005。排 水 槽 堰 长 取14m，堰 上 水 头:h3=(q/184/L排)2/3=0 06 m，取 01 m。2)排水槽深计算。排水槽至排水总渠设计为方形空洞，尺寸为 0 8 m 0 8 m，孔口流速 v孔=0 764 0 8 0 8=1 19 m/s。孔中心以上水头按下式计算:h孔=v2孔2g2。其中，h孔为孔中心以上水头，m;v孔为孔口流速，m/s;为孔口系数，取 0 62。h孔=11922 98 0 622=019 m。排水槽内末端水深为 0 8 2+019=0 59 m。临界水深 hk=(Q2冲gb2)13=039 m。排水槽内起端水深计算公式为:h0=2h2k+(hkiL3)20 52iL3。其中，h0为排水槽内起端水深，m;hk为临界水深，m;L 为排水槽长度，m;i 为排水槽坡度。h0=2 0392+(039 0 05 143)20 52 0 05 143=011 m。超高按照0 3 m 设计，则排水槽起端槽深为041 m，末端槽深为 0 41+14 0 05=1 11 m。排水槽上顶高于砂面 0 65 m。3V 型滤池设计31滤池总体布置滤池由进水渠、滤池、廊道组成。滤池采用双排布置，共8 格。滤池单格面积98 m2，池体高度500 m，中间设宽度为 1 0 m 排水槽，排水槽下部为集配水、配气渠。32过滤及配水、配气系统滤层:滤池采用单层均质石英砂滤层，厚度 120 m。物理特性:比重 2 65 t/m3，容重 2 15 t/m3。521第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月申杰:东海岛自来水厂工程 V 型滤池计算与设计实例有效粒径:d10=1 0 mm。不均匀系数:K601 4。承托层:滤板上铺砾石承托层厚度 300 mm，d=2 mm 32 mm 按 6 层铺设，每层厚度 50 mm。砾石:比重 2 65 t/m3。有效粒径:2 mm 32 mm。承托层分层表见表 3。表 3承托层分层表自上至下粒径/mm厚度/mm第 1 层16 3250第 2 层8 1650第 3 层2 450第 4 层4 850第 5 层8 1650第 6 层16 3250承托层厚度300滤池采用长柄滤头小阻力配水系统，50 个/m2，滤板下配水室高度为920 mm。每池侧壁设 D=700 检修孔2 个。砂面上水深:过滤时 145 m，冲洗时 0 75 m。33冲洗系统工作周期 24 h。冲洗方式:采用气水联合冲洗，总冲洗时间 12 min，每次只允许冲洗 1 格。两次冲洗间隔均匀。冲洗程序及冲洗强度详见表 2。34进水系统滤池进水部分由进水渠、进水孔、配水堰、分水槽、V型槽、溢流堰等组成。每单元滤池设一根 DN1 000 进水管，进入宽 1 5 m总进水渠，每格滤池设 1 个 07 m 07 m 进水孔和气动调节板闸。0 7 m 0 7 m 进水气动板闸具有在滤池过滤时板闸全开，反冲洗时可调节板闸开度，滤池检修时全关的功能，随后进入宽 0 8 m 分进水渠。滤池配水堰设不锈钢堰板，堰宽 4 5 m，堰上水头 01 m，与混凝土固定堰螺栓连接，每个堰顶安装高差小于 2 mm。分水槽长85 m，与单格滤池总宽度同。每格滤池设 2 条 V 型槽，单槽长度 14 m，沿长度方向设 D=30 侧孔 65 个。35配水、配气系统滤池采用小阻力配水系统。采用钢筋混凝土 C 型整体滤板、长柄滤头，每平方米滤板安装滤头约50 个，每格滤池共安装滤头约4 900 个，滤板加工时需预埋滤头套管。滤池底部设集配水、配气空间，深度取 0 98 m，两侧设有 150 mm 150 mm 配水孔 28 2=56 个和 D=50 配气孔 30 2=60 个，每池集配水渠两侧各设置 D=700 压力检修人孔 1 个，共 2 个。集配水、配气渠设置于排水槽底部，渠宽与配水槽相同为 1 0 m，高度随排水槽底坡变化，在过滤时起集水作用，在冲洗时起配水、配气作用。36出水系统出水系统包括滤池出水管、出水气动调节阀、滤后稳流水槽等。滤池按恒水位等速过滤工作设计，每格滤池出水阀均采用气动调节阀，不断调节其开启度，以保持恒水位过滤。为保证砂滤池冲洗时工作滤池池内过滤水头恒定，设置出水堰保持水位恒定。每系列的砂滤池出水汇至管廊底层的总出水渠，由总出水渠北侧各 1 条DN1 000 的出水管道出水后至清水池。37溢流系统进水总渠设置溢流堰，在进水孔两侧，对称布置。总堰宽 304 m，单格溢流堰堰宽 38 m。堰上水头 01 m。38排水系统每格砂滤池设置 1 条排水槽，宽度为 B排=1 m，槽长与砂滤池相同，L排=14 m，排水槽底部坡度为 5%。端部设置排水孔及 0 8 m 0 8 m 气动闸门。砂滤池反冲洗水排入进水渠下部的排水渠。39V 型滤池反冲洗设备间滤池采用气水联合冲洗，由设备间的反冲洗水泵和罗茨式 鼓 风 机 供 水 供 气。先 气 冲 4 min，气 冲 强 度16 L/(m2s);然 后 气 水 联 合 冲 洗 4 min，气 冲 强 度16 L/(m2s);水冲强度 3 L/(m2s);最后单独水冲4 min，水 冲 强 度 6 L/(m2 s);全 程 表 面 冲 洗 强 度1 8 L/(m2s)，总历时 12 min。反冲洗水通过 DN700的反冲洗管道进入砂滤池的管廊间，而后进入配水配气室，配水室下侧设置反冲洗进水孔对砂滤池进行配水冲洗。反冲洗空气通过 DN400 的反冲洗气管进入每系列砂滤池的管廊间，而后进入配水配气室，配水室下侧设置配气孔对砂滤池进行配气冲洗。滤池设备间内设冲洗水泵 3 台，2 用 1 备，单台水泵流量 Q=1 058 4 m3/h，扬程 H=11 5 m，电机功率 N=70 kW。气水联合冲洗时，1 台水泵工作，冲洗强度可达3 L/(m2s);单独水冲时，2 台水泵并联工作，水冲强度可达 6 L/(m2s)。设备 间 内 设 鼓 风 机 2 台，1 用 1 备，风 量 Q=1035 m3/min，风压 H=044 bar，电机功率 N=130 kW。设备 间 内 设 空 压 机 2 台，1 用 1 备，流 量 Q=2 1 m3/min，压力 H=7 bar，电机功率 N=15 kW。空压机空气经气体净化装置除尘干燥后，给滤池的气动阀门的操作提供气源。从设备间北侧穿出 1 根气源管，接入砂滤池管廊。反冲洗水泵从滤池总出水渠设 1 个 DN1 000 吸水管吸水，为了水泵能自灌起动，3 台冲洗水泵安装于设备间下层;鼓风机、空压机安装于设备间上层。为检修和安装方便，滤池设备间设 5 t 电动单梁悬挂式起重机 1 台，Lk=7 5 m，起升高度 12 m。为排除设备间内设备检修及盘根漏水，沿水泵基础吸水管和出水管两侧各铺设一根 DN100 的排水管，连接至设备间东侧 集水 坑。集 水 坑尺寸 为 L B H=2 000 mm 1 500 mm 2 500 mm。集水坑内设 2 台排水621第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑泵，单台水泵流量 Q=22 m3/h，扬程 H=70 m，电机功率N=1 5 kW。排水井内设液位计 1 个，液位控制排水泵开停。集水坑内的水经泵排至室外厂区污水管道。本项目 V 型滤池现场图见图 3。图 3本项目 V 型滤池现场4结论广东省湛江市东海岛自来水厂工程主要处理工艺采用强化常规处理的给水处理方法，本文对处理工艺的主要构筑物 V 型滤池进行了详细的尺寸计算、水力计算、设备参数计算，进而介绍了 V 型滤池的具体设计，可为同类型工程提供借鉴。本项目 2017 年 12 月开始建设，2019 年 12 月运行调试，2020 年 6 月份出水达到 GB 57492006 生活饮用水卫生规范标准，表明工艺选择合理，V 型滤池的设计施工达到预期效果。参考文献:1 石啸 V 型滤池恒水位控制及滤池自动反冲洗控制方案 J 净水技术，2015，34(增刊 1):53 56 2孙鹏，林蔓，武文龙 V 型滤池进水系统设计探讨 J 供水技术，2008(4):41 42The calculation and design example of V-shaped filter in Donghai Island WaterworksShen Jie(Beijing Tongzhou Investment Development Co，Ltd，Beijing 101119，China)Abstract:Taking the Donghai Island Waterworks engineering as an example，this paper introduced the specific process flow ofthe waterworks，made size calculation，hydraulic calculation and equipment parameters calculation of the V-shaped filter intreatment process，and designed the V-shaped filter from the layout ways，filtration system，flushing system，water inlet sys-tem，drainage system and other aspects，through actual operation，achieved the expected effectKey words:waterworks;V-shaped filter;backwash water pump(上接第 104 页)7 王怀春，黄庆发 某高层住宅楼混凝土五天不凝固原因分析及防治措施 J 混凝土，2002(9):63 64 8 黄宗凯 缓凝剂对混凝土性能的影响J 江西建材，2012(6):22 23 9 郭鹏飞 不同缓凝剂的缓凝效果及其对水泥水化的影响 J 新型建筑材料，2022(4):22 25 10卢春丽 水泥中缓凝剂与砼外加剂相容性研究 J 商丘师范学院学报，2021(3):33 35 11 徐云华 缓凝剂在水泥稳定粒料中的应用研究 J 路基工程，2021(4):154 157Effect of retarder on the performance of cement concreteWang Zhongming，Xin Youyang(Huanghuai University，Zhumadian Henan 463000，China)Abstract:The retarders are classified and described in this study Meanwhile the action mechanism of different retarders is de-scribed By conducting experiments on several commonly used retarders and analyzing the experimental data，the influence ofretarders on the performance of cement concrete at different dosages are elaborated，and general rules are obtained，which canprovide technical reference for engineering applicationKey words:retarder;mechanism of action;cement;concrete721第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月申杰:东海岛自来水厂工程 V 型滤池计算与设计实例