專利名稱：提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法屬于水廠飲用水消毒技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自來水在流經(jīng)清水池進(jìn)入管網(wǎng)之前，必須投加消毒劑以殺滅水中致病微生物，保證飲用水安全。作為最廣泛應(yīng)用的消毒方法——氯消毒，最近幾十年來發(fā)現(xiàn)原水經(jīng)過氯消毒后會產(chǎn)生對人體健康有不利影響的消毒副產(chǎn)物，如三氯甲烷、鹵乙酸等等，因此國內(nèi)外不斷出臺相關(guān)法規(guī)對消毒副產(chǎn)物進(jìn)行嚴(yán)格控制。而加強(qiáng)對飲用水的消毒和減少消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生看來是相互矛盾的事情，所以必須優(yōu)化消毒過程。
有很多因素影響消毒的效率，比如消毒劑的種類，消毒劑降解動力學(xué)，水質(zhì)條件以及清水池中的水力學(xué)特性。其中提高清水池水力效率是提高消毒效率的最有效的方法之一，因此發(fā)達(dá)國家如美國十分重視清水池水力特性的研究。
根據(jù)消毒動力學(xué)，消毒效率跟CT值成正比。其中C作為消毒劑濃度，T作為消毒接觸時間。為了保證消毒效果，理論上希望某一時刻加入清水池的氯與水中的微生物接觸時間都為水力停留時間T(V/Q)。但實(shí)際上要求所有的氯都有停留時間T是不現(xiàn)實(shí)的，因為實(shí)際的清水池由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因不可能達(dá)到理想推流，所以部分消毒劑在清水池內(nèi)的停留時間低于水力停留時間T。因此為了采用保證90％的消毒劑能達(dá)到停留時間T，也即測定在某時刻加的消毒劑中首先從清水池出來的10％的量的停留時間是多少，這里就定義了有效水力停留時間t10，即在閉合反應(yīng)器中某一時刻從進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器的物質(zhì)首先從反應(yīng)器出口出來的、占總量10％的組分的停留時間。以t10為接觸時間來計算CT值。
對于一般清水池而言，其有效水力停留時間和水力停留時間的比值(t10/T)一般比較固定，因此以t10/T作為清水池的水力效率的指標(biāo)，t10/T越高表示水力效率越好。在同樣的CT(T為t10)條件下，如果t10提高，則所需要的消毒劑的濃度可以減小，從而減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。t10/T值與清水池內(nèi)的導(dǎo)流板設(shè)置、進(jìn)出口條件、廊道拐角等結(jié)構(gòu)因素有很大的關(guān)系，不同的水力條件的清水池其t10/T值會不同，但目前沒有提出具體的關(guān)系式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種從優(yōu)化消毒角度提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法。
本發(fā)明的特征在于，在清水池內(nèi)設(shè)置至少一塊導(dǎo)流板，所述導(dǎo)流板將清水池隔離為水流廊道，當(dāng)增加水流廊道總長度和水流廊道寬度的比值時，有效水力停留時間增大；有效水力停留時間t10/T、水流廊道總長度和水流廊道的寬度滿足下述關(guān)系t10/T＝a*Ln(L/W)-b其中a為比例系數(shù)，其范圍為0.18＜a＜0.20；b為修正系數(shù)，其范圍為-0.05＜b＜0.05；L為水流廊道總長度，W為水流廊道的寬度。
所述a為0.1894，b為0.0494。
當(dāng)所述L/W比值固定不變時，導(dǎo)流板長度滿足下述條件有利于有效水力停留時間增大 其中L清水池指導(dǎo)流板長度方向的清水池長度，L導(dǎo)流板是導(dǎo)流板長度，W為水流廊道的寬度。
試驗證明按照本方法設(shè)計的清水池，具有較高的有效水力停留時間，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1為清水池設(shè)計模型的示意圖(圖中1為清水池，2為導(dǎo)流板)；圖2為液齡函數(shù)曲線；圖3為累積液齡函數(shù)曲線；圖4為中試t10與L/W的關(guān)系曲線；圖5為筆架山2#清水池改進(jìn)設(shè)計前后示意圖；圖6為d/W與t10/T的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的提出是在一系列實(shí)驗的基礎(chǔ)上得到的，下面作具體介紹。
(一)水流廊道總長寬比(L/W)對清水池t10/T值的影響測定清水池的t10/T方法主要通過公知的脈沖示蹤試驗獲得以NaF作為示蹤劑，通過脈沖示蹤試驗可以得到液齡分布函數(shù)E(t)，然后對E(t)進(jìn)行積分得到累積液齡分布函數(shù)F(t)，F(xiàn)(t)＝0.1時對應(yīng)的時間即為t10，而t10與平均水力停留時間T的比值t10/T即是衡量清水池水力特性的參數(shù)，t10/T值越大，水力特性越好，越有利于消毒。
(1)液齡分布函數(shù)E(t)，也稱為停留時間分布密度函數(shù)，其定義是在同時進(jìn)入反應(yīng)器的流體微粒中，其中停留時間介于t1與t1+dt時間間隔內(nèi)所占的分?jǐn)?shù)等于E(t1)dtl。因此，從分布函數(shù)的定義可得∫0∞E(t1)dt1=1]]>(2)累積液齡分布函數(shù)F(t)，也稱為停留時間分布函數(shù)，其定義是在同時進(jìn)入反應(yīng)器的流體微粒中，其停留時間從0到t的累積分?jǐn)?shù)。即F(t)=∫0tE(t)dt]]>中試實(shí)驗以863示范工程深圳水務(wù)集團(tuán)筆架山水廠2#清水池為原型建立其中試模型，通過改變清水池內(nèi)導(dǎo)流板的數(shù)量，進(jìn)行示蹤實(shí)驗，來研究各種結(jié)構(gòu)條件對中試清水池的水力效率的影響。中試試驗數(shù)據(jù)如表1所示表1

圖2和圖3分別是中試試驗所得的E(t)和F(t)函數(shù)。
根據(jù)中試實(shí)驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)水流廊道總長寬比對水力效率有著很大的影響，t10/T隨著總長寬比增大而增大，呈對數(shù)關(guān)系，若令Y＝t10/T，x＝L/W值，有Y＝a*Ln(x)-b。對L/W和t10/T進(jìn)行擬合(如圖4所示)，得到t10/T值與清水池內(nèi)的水流廊道總長寬比(L/W)的關(guān)系式t10/T＝a*Ln(L/W)-b(1)其中a為比例系數(shù)，0.18＜a＜0.20；b為修正系數(shù)，-0.05＜b＜0.05；L為水流廊道總長度，W為廊道寬度。L＝L清水池*(m+1)，m為導(dǎo)流板塊數(shù)。清水池模型如圖1所示。
(二)導(dǎo)流板長度對清水池t10/T值的影響在保持水流廊道總長度和寬度不變的情況下，使用計算流體力學(xué)的方法進(jìn)一步研究了導(dǎo)流板長度對清水池水力特性的影響。通過二維CFD方法(計算流體力學(xué)的方法)模擬清水池流場，改變導(dǎo)流板長度，得到不同的t10/T的值，得到當(dāng)L/W固定時，導(dǎo)流板長度滿足下述條件使得有效水力停留時間增大，

其中(0.6<dW<1.2)]]>
其中L清水池是導(dǎo)流板長度方向的清水池長度，L導(dǎo)流板是導(dǎo)流板長度，W為水流廊道寬度，d為拐角過流寬度。
(三)對公式(1)、(2)的驗證與應(yīng)用實(shí)際清水池示蹤研究選擇的是深圳水務(wù)集團(tuán)三個代表性水廠筆架山水廠、梅林水廠和大涌水廠。根據(jù)中試和生產(chǎn)性試驗結(jié)果，對筆架山示范工程的1#清水池和2#清水池原來的設(shè)計方案按照公式(1)對清水池進(jìn)行了改造，以提高消毒效率并減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
t10/T＝a*Ln(L/W)-b，其中a取值0.1894，b取值0.0494；表2為試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，圖5所示為筆架山2#清水池改進(jìn)設(shè)計前后示意圖。由表2可見，經(jīng)過改造后的清水池，其t10/T值有了顯著提高。
表2

利用二維CFD方法對公式(2)進(jìn)行驗證。過程如下(1)通過二維CFD方法(計算流體力學(xué)的方法)得到清水池中試模型的流場。由于CFD是近年來發(fā)展起來的一種新方法，與示蹤試驗比較而言，具有快捷經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢，且研究表明其結(jié)果可與示蹤試驗等效。
(2)在已得到流場的基礎(chǔ)上利用CFD方法進(jìn)行模擬示蹤試驗，得到液齡分布函數(shù)E(t)。通過步驟(1)所得流場，使用離散的粒子進(jìn)行模擬示蹤試驗，然后對各粒子在模型內(nèi)停留的時間進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得函數(shù)E(t)。
(3)對液齡分布函數(shù)E(t)進(jìn)行積分，得到累積液齡函數(shù)F(t)。
(4)F(t)＝0.1時對應(yīng)的時間(t10)和平均停留時間T的比值t10/T即為衡量水力特性的指標(biāo)。
(5)改變清水池導(dǎo)流板長度，重復(fù)步驟1-4，得到相應(yīng)的t10/T，結(jié)果如圖6所示。由圖可見，導(dǎo)流板的長度存在一個最優(yōu)值，即d/w在0.6-1.2范圍時，t10/T的值明顯高于其它部分。當(dāng)拐角處的過流寬度d相對于廊道寬度W較大時，在拐角處會形成較大面積的死區(qū)；當(dāng)拐角處的過流寬度相對于廊道寬度W較小時，拐角處的混合作用增強(qiáng)，流態(tài)偏離推流，這兩種效應(yīng)都會導(dǎo)致t10/T的減小，因此d/W存在最優(yōu)值，該值在0.6-1.2之間。
權(quán)利要求
1.提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法，其特征在于，在清水池內(nèi)設(shè)置至少一塊導(dǎo)流板，所述導(dǎo)流板將清水池隔離為水流廊道，當(dāng)增加水流廊道總長度和水流廊道寬度的比值時，有效水力停留時間增大；有效水力停留時間t10/T、水流廊道總長度和水流廊道的寬度滿足下述關(guān)系t10/T＝a*Ln(L/W)-b其中a為比例系數(shù)，其范圍為0.18＜a＜0.20；b為修正系數(shù)，其范圍為-0.05＜b＜0.05；L為水流廊道總長度，W為水流廊道的寬度。
2.如權(quán)利要求1所述的提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法，其特征在于，所述a為0.1894，b為0.0494。
3.如權(quán)利要求1所述的提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法，其特征在于，當(dāng)所述L/W比值固定不變時，導(dǎo)流板長度滿足下述條件有利于有效水力停留時間增大 其中L清水池指導(dǎo)流板長度方向的清水池長度，L導(dǎo)流板是導(dǎo)流板長度，W為水流廊道的寬度。
全文摘要
提高有效水力停留時間的清水池設(shè)計方法屬于水廠飲用水消毒技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，在清水池內(nèi)設(shè)置至少一塊導(dǎo)流板，所述導(dǎo)流板將清水池隔離為水流廊道，當(dāng)增加水流廊道總長度和水流廊道寬度的比值時，有效水力停留時間增大；有效水力停留時間t
文檔編號C02F1/00GK101033085SQ20071006350
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日
發(fā)明者劉文君, 杜志鵬, 梅銳 申請人:清華大學(xué)