氧化沟的水头损失计算与导流板偏置的作用

赵星明¹，徐志伟²
（1山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271000；2泰安市污水处理工程管理处，山东泰安271000）

　　摘要：以T型氧化沟为例阐述了曝气转刷的提升水头与沟内水头损 失的关系，剖析了氧化沟两端弯道设置导流板的减阻作用，提出了导流板偏置可以避免弯道隔墙背流处的固体沉淀，减少导流板的数量。?
　　关键词：氧化沟；导流板；曝气转刷；水头损失
　　中图分类号：X703文献标识码：C文章编 号：1000-4602(2000)07-0035-03

　　T型氧化沟为三沟交替工作式氧化沟系统，曝气沉砂池来水经过配水井可根据需要进入各沟内。沟与沟相互连通，两侧沟设有启闭式可调堰，而剩余污泥一般从中沟排放。T型氧化沟系统运行灵活，曝气沉淀均在沟内交替进行，省去了污泥回流系统。通过合理地编排运行程序，还可以有效地实现脱氮功能。?
　　氧化沟采用的曝气转刷除具有充氧性能外，还需推动沟内混合液循环流动并能保证混合液 中的活性污泥不会发生沉淀，否则会降低混合液的浓度，影响处理效果。为保证混合液中的活性污泥处于悬浮状态，氧化沟最小平均断面流速必须在0.3m/s以上，并以此作为主要的设计参数计算氧化沟的沿程和局部水头损失，以确定曝气转刷的提升水头和水下推进器的型号及数量。?
　　在工程上，设计的T型氧化沟都具有脱氮功能，属延时曝气，停留时间较长，造成氧化沟的总长度很大，平面布置上必然出现多处弯道。弯道的局部阻力相对于沿程阻力来说是相当大的，约占90%左右，但曝气转刷的推动力有限，应采取导流板减阻措施，其减阻效果可以通过水力计算说明。导流板的偏置，增强了减阻效果并更有效地防止固体沉淀，也减少了工程投资。

1 水头损失的计算

　　污水经过预处理后进入氧化沟，由于氧化沟中的混合液沿沟渠循环流动，使沟中的循环流量远远大于进水流量。循环流量是由曝气转刷和水下推进器的推动所引起的，为了保持氧化沟中的固体呈悬浮状态而不致沉淀，沟内断面平均流速一般为0.3～0.5 m/s，沟底流速保证不低于0.1m/s。在实际运行过程中，如果水平流速达不到设计值，可以通过调节出水堰高度或曝气转刷的垂直位置来改变曝气转刷的浸没深度和调节曝气转刷的转速等措施来调节。?
　　对于T型氧化沟来说，其沟底坡度和进出水位差很小，靠曝气转刷和水下推进器的推动，在沟内产生局部的水位差推动水流，其水位差用来克服沿程和局部水头损失。实际上，起主要推动作用的是曝气转刷，它推动氧化沟混合液产生提升水头h，其与转刷浸没深度(I)和线速 度(Vr)有如下关系：

　　h=k(I^m/Y)V_r^{n 　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）}

　　式中　h——曝气转刷的提升水头，m
　　　　　I——转刷浸没深度，m
　　　　　Y——氧化沟水深，m
　　　　　V_r——转刷线速度，m/s
　　　　　k、m、n—— 试验常数

　　另外，从混合推动力（PC）指标来看^[1],

　　h=Fr/(ρgY)　　　　　　　　　　　　　(2)

　式中　h——曝气转刷的提升水头,m
　　　　Fr— 曝气转刷的混合推动力（表示沟内混合液达到0.3m/s的平均流速时，１m曝气转刷所能推动的混合液体积，单位为m³/m²,一般在200～250m3/m）

　　由以上两个公式看出，曝气转刷的提升水头与氧化沟的水深成反比。在设计氧化沟时应根据曝气转刷的推动力确定水深，否则氧化沟水深太大会降低沟底流速，容易造成悬浮固体的沉淀。可以采取减少沟底过水断面的措施，提高沟底流速。?
　　若对转刷轴线的上下游断面列能量方程，则曝气转刷的提升水头等于混合液循环一周的水头损失。若有多个曝气转刷，则其提升水头为流至下一台转刷的水头损失(计算沿程损失时，钢筋混凝土沟壁粗糙系数n取0.013)。?
　　根据氧化沟的构造情况，每台转刷下游均安装倾角为60°的倾斜挡流板，使水流折向沟底， 推动沟底水流流动，保证沟底混合液充分混合。也可在上游安装垂直挡流板，这样局部阻力系数包括弯道阻力系数k_b、垂直挡板阻力系数k_v和倾斜挡板阻力系数k_i。
　　对于弯道，其阻力系数k_b＝0.5～1.0；对于垂直和倾斜挡流板的阻力系数，有人得出如下关系^[1]：?
　　k_v＝5.4β^1.5
　　k_i＝4.3β^{1.5
　　式中　d——挡流板水下深度，m
　　　　　Y——氧化沟水深，m}

　　故氧化沟的总阻力系数K为：
　　K=k_f+∑k_b+∑k_v+∑k_i
　　氧化沟总的水头损失为：
　　∑h=KV₂/(2g)

　　根据氧化沟总的水头损失和所选用的转刷台数，可以校核转刷总提升水头能否克服总的水头损失。若不能则应增设转刷或采用水下推动器等辅助措施来保证达到混合推动要求。?

2 导流板的作用

　　氧化沟直段上的沿程水头损失相对于弯道的局部水头损失来说非常小，一般认为仅为10%左 右。以某污水处理厂为例计算一个氧化沟的水头损失：?
【例】一氧化沟的总长度为300m，沟总宽20m，有效水深4m。

　　h_f=n²LV²/R^{4/3=0.0132×300×0.32/(10×4/(10+4+4)4/3)=0.00157m}

　　若弯道的阻力系数取1.0,则弯道的局部损失为：

　　hb=∑ζV²/(2g)=2×1.0×0.3²/2g=0.00918m

　　沿程水头损失占弯道局部水头损失的0.00157/0.00918×100%＝17%,其中还包括了T型氧化沟连通孔的局部水头损失，其实仅占总的水头损失约为10%。因此，理想的弯道设计 对于保证具有关键作用的渠中水平流速来说是非常重要的。为了减少摩阻，氧化沟在每个转 弯处都设一个或多个导流板，可以防止或推迟混合液与壁面的分离，减小旋涡区和二次流的产生，达到降低弯道阻力系数的目的。设置导流板后，其阻力系数按下式计算：

　　1/f_c=1/f_c1+1/f_c2+1/f_c3+......+1/f_cn

　　式中　　f_c1～f_cn——在由n-1个导流板分开的转弯处每一渠道的局部阻力系数

　　这种计算类似于电学上的并联电路。

　　下面再用一例子分析用导流板后局部阻力系数的变化情况：?
　　【例】有一氧化沟，其弯道处的阻力系数(f_C)等于10。当该渠道被二个导流板分开时，所形成的各支渠的局部阻力系数为f_C1＝15，f_C2＝07，f_C3＝05，那么，由于弯道分割渠道，其阻力系数f_C为：

　　1/f_c=1/f_c1+1/f_c2+1/f_c3=1/1.5+1/0.7+1/0.5

　　f_c=0.224

　　由此看出，这个转弯处的水头损失减少到没有分割前转弯处损失的24.4%，减阻效果非常明显。?
　　导流板通常是薄壁结构，因为薄壁导流板的阻力和摩阻通常是忽略不计的，否则就要考虑由于它对水流的阻力所产生的额外损失。但弯道的阻力系数总是较大，这主要是因为它的曲率半径较小。若导流板偏置于弯道处，即它的圆心不在氧化沟渠道的纵向中心线上，水流从大断面进从小断面出，这样可以增加氧化沟弯道出口的水流流速，加强其紊流程度和冲刷能力，防止固体在隔墙背流处沉淀。实际工程中，一般只设一道导流板，再增加导流板会增加工程费用，导流板偏置能够减少弯道隔墙背流处活性污泥等固体沉淀，从而减少导流板的数量，降低工程投资。山东省某污水处理厂采用偏置导流板，其在试运行过程中，发现T型氧化沟的直段全部产生污泥沉淀，但弯道处没有产生，从而说明了偏置的导流板具有较强的减阻效果和防沉作用。?

3 结语?

　　①沟中断面平均流速的动力主要来自于曝气转刷和水下推进器，通过提升水头和水头损失的计算，可以保证断面平均流速达到设计值，保证混合和推流达到设计要求，保持氧化沟中固体呈悬浮状态而不致沉淀。?
　　②弯道局部阻力在整个氧化沟中比较大，设置导流板可降低弯道阻力，导流板的偏置可减少导流板的数量并防止弯道隔墙背流处的固体沉淀。

参考文献：?
［1］王涛，邓荣森，廖日红等氧化沟曝气转刷提升水头与水头损失的关系及应 用给水排水，1999，25(1)：5-7?
［2］周谟仁液体力学 泵与风机北京：中国建筑工业出版社，1994?
［3］许荫椿，胡德保，薛朝阳水力学北京：科学出版社，1990 ?

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收稿日期：2000-01-10