沉淀池扩张管嘴排泥装置的研制

唐友尧1，徐山源2，王松林1，何纯堤3
1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074；
2.武汉市自来水公司，湖北武汉430034；
3.北京市市政设计研究院，北京100045

　　摘 要：针对沉淀池排泥过程中所存在的问题，研制了一种新型的排泥装置——扩张管嘴排泥管。该装置利用水力学中扩张管嘴进口流量系数大、流速系数高、收缩断面处真空度高的原理，使其排泥效率显著提高。另外，该装置还具有运行可靠，造价低，操作方便等优点，可广泛用于沉淀池排泥系统的新建和改造。
　　关键词：沉淀池；排泥；扩张管嘴
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2001)04-0001-05

Experimental Research on Perforated Pipe with Divergent Tube in Discharge of Sludge from Settler

TANG You-yao1，XU Shan-yuan2，WANG Song-lin1，HE Chun-di3(1.School of Environ.Sci.and Eng.,Huazhong Univ.of Sci.and Tech.,Wuhan 430074,China; 2.Wuhan Water Supply Co.,Wuhan 430034,China; 3.Beijing Munic.Eng.Design and Res.Institute,Beijing 100045,China)

　　Abstract：To counter the problems in discharge of sludge from settlers,a new type perforated pipe with divergent tube is developed.Based on the principle of hydraulics,the divergent tube is high in discharge coefficient and velocity coefficient at the inlet and high in vacuum at the contraction section,so the efficiency of sludge discharge increases significantly.It offered also such advantages as reliable and easy operation,lower cost,etc.,and can be used in the new construction and rebuild of sludge removal system of settlers.
　　Keywords:settler；sludge discharge；divergent tube

　　目前国内常用的排泥方式主要有三类：①穿孔管排泥，是目前使用较多的一种。其装置构造简单、投资省，但孔眼易堵塞，因此管理要求严格，需及时排泥，否则易造成排泥困难，影响沉淀效果。在设计上穿孔管不能太长，一般≤12 m，而且还采用快开阀门。②多斗排泥，最早用于平流沉淀池。此种方式排泥比较可靠，由于无机械设备，上马容易，管理简单，维修工作量少。但由于斗内积泥，排泥时，只在排泥管端部形成影响半径为0.7～1 m的圆台式空腔，其余污泥仍然积在池内，严重影响产水量和出水水质，只能采用定期放空、人工排泥的方法来维持生产；又由于形状做成斗式，要增加池深，相应也增加了土建造价，放空清洗比较困难。如排泥间隔时间过长，还可能出现管口堵塞现象。③机械排泥，分为牵引式刮泥和多口虹吸式吸泥。其排泥效果较好，管理简单，可以自动控制。另外池底可做成平底，使池深减少，降低土建费用，但由于机械电气设备多，一次性投资大，加工维修比较麻烦。还有在原水浊度过高的情况下，不能够将池底积泥完全排除。针对以上排泥方式存在的问题，研制了一种新型的排泥装置——扩张管嘴排泥管，并进行了现场试验。

　　1　试验装置

　　1.1　沉淀池模型
　　池体用钢板制作，尺寸为2 624 mm×1 074 mm×976 mm，如图1所示。

　　距进口0.3m处焊接一块挡板，高速进水水流与挡板撞击后，降低了水流的动能，使得箱体内基本保持稳定状态；上端为人孔口，箱体右盖板可以拆卸，用以更换不同类型的试验排泥管；垂直方向做成梯形，用以模拟沉淀池底部形状，便于污泥的固体颗粒滑向底部；水箱内部底板上焊接两个支撑板，用以支撑排泥，而且所做的4种排泥管长度、直径相同，可更换。
　　1.2　排泥管
　　①甲型排泥管，即普通穿孔排泥管(见图2)。

　　甲型排泥管长2 020 mm，直径为100 mm，在与轴线垂直、两边斜向下45°方向每隔100 mm交错布置孔口，孔口直径为32 mm，共19个。穿孔管两端各焊接一个法兰盘，直径为205 mm，用以和法兰盘盖、出口短管相连接。
　　②乙型排泥管，即扩张管嘴水平放置、垂直于穿孔管轴线的排泥管(见图3)。
　　该排泥管尺寸与普通穿孔管相同，在与轴线垂直的水平方向两边每隔100 mm交错布置扩张管嘴共19个。扩张管嘴长140 mm，小端直径为20 mm，扩散角为6°。

　　③丙型排泥管，即扩张管嘴水平放置，且与穿孔管轴线成45°夹角的排泥管(见图4)。

　　该排泥管尺寸与普通穿孔管相同，在水平平面上，与轴线成45°的方向两边每隔100 mm交错布置扩张管嘴共19个，扩张管嘴尺寸与图3相同。
　　④丁型排泥管，即扩张管嘴在管下方与轴线的垂直面成45°，且与轴线也成45°夹角的排泥管(见图5)。

　　该排泥管尺寸与普通穿孔管相同，在管下方与轴线的垂直面成45°，与轴线也成45°的方向两边每隔100 mm交错布置扩张管嘴，共19个。扩张管嘴尺寸与图3相同。

　　2 试验方法与步骤

　　试验分两部分：清水试验和泥水试验，均在武汉市自来水公司余家头水厂进行。
　　2.1清水试验
　　清水试验的目的是为了对比孔口出流和扩张管嘴出流的流量系数μ及其出流效率。
　　利用所做的试验装置，在出口端的垂直壁面上的适当位置钻两个孔口，其中一个直径为20mm，另外一个直径为32 mm，并且在直径32 mm的孔口上，于模型池体内部焊接一扩张管嘴，小端直径为16mm，扩散角为6°，长度为152 mm。
　　所钻两个孔口的位置要保证孔口出流和扩张管嘴出流的收缩为全部、完善收缩，因为孔口和扩张管嘴在壁面上的位置对收缩系数ε有直接影响。具体要求是它们与相邻壁面的距离大于孔口和扩张管嘴尺寸的3倍，以使孔口出流的收缩不受距壁面远近的影响。
　　清水试验采用3种不同的水头，分别是4.90、7.64、10.68 kPa。在各个水头作用下，要求池体中水量能得到源源不断地补充，使水头保持不变。
　　试验步骤如下：
　　①当孔口的出流在4.90 kPa水头下变成恒定流时，用秒表掌握时间，用水桶盛装、测量这段时间的出流量，然后用量筒测量水桶中的水量，再求出单位时间段的流量。
　　②按照以上方法测量10次。
　　③求出单位时间出流量的平均值。
　　④将孔口面积ω、水头高H0和出流量Q代入孔口出流的基本公式，求出流量系数μ。
　　⑤将孔口出流的水头再分别设定为7.64、10.68 kPa，用同样的方法求出相应的流量系数μ。
　　⑥将上面求得的三个流量系数取平均值，该值即为试验所得的孔口的流量系数μ。
　　⑦然后开始做扩张管嘴的试验。在扩张管嘴出流的情况下，重复以上①～⑥，从而测得扩张管嘴的流量系数μ。
　　2.2泥水试验
　　将扩张管嘴和孔口应用在排泥工况下进行对比，测试不同扩张管嘴布置形式的效果，目的是为了验证扩张管嘴的排泥效果，得到最佳的扩张管嘴布置形式。泥水试验装置见图6。试验模型箱体的进水管口用软管与水厂沉淀池的穿孔排泥管的出口相连；箱体顶部的人孔盖板用螺栓密封；把甲型排泥管放置在箱体内部，用螺栓将两端分别连接；软管和人孔盖板上的排气孔用铁丝连接；水表与箱体出口端用螺栓连接，水表出口端再加连一出口短管，可将泥水排至排泥渠。

　　试验步骤如下：
　　①打开沉淀池甲型排泥管的阀门，泥水经软管进入箱体，当看到人孔盖板上排气孔有泥水排出时，说明箱体内已经充满泥水，此时即可开始测量。
　　②打开箱体出口端的阀门，用秒表计量时间，用水表计量该时间段内的流量，求出单位时间的出水流量(m3/s)。
　　③重复②，做10次计量，利用10次所测的单位时间的出水流量求出平均值。
　　④将箱体拆开，取出甲型排泥管，换之以乙型排泥管，再次封闭箱体。
　　⑤重复①～③。
　　⑥将箱体拆开，取出乙型排泥管，换之以丙型排泥管，再次封闭箱体。
　　⑦重复①～③。
　　⑧将箱体拆开，取出丙型排泥管，换之以丁型排泥管，再次封闭箱体。
　　⑨重复①～③。

　　3 试验结果分析

　　3.1　清水试验
　　清水试验数据分别见表1、2。
　　已知孔口的面积ω₁=πd²/4=3.14×0.02×0.02/4=3.14×10^-4 m²，扩张管嘴小端的面积为ω₂=πd²/4=3.14×0.016×0.016/4=2.01×10^-4 m²，将它们及表1、2中的数据分别代入

　　μ=Q/(ω(2gH₀)^0.5)
　　式中　Q——流量，m³/s
　　　　　H₀——水头，kPa
　　　　　ω——断面面积，m²
　　　　　μ——流量系数

　　由式(1)可以得到：孔口出流系数平均值为0.571，与理论值0.62接近；扩张管嘴出流系数平均值为1.835，后者比前者提高了221.3%。由式(1)知，在ω和H0一定的情况下，由于扩张管嘴的流量系数比孔口大，故在进口处造成较大的进口流速，产生较大的真空度。
　　3.2泥水试验
　　甲型、乙型、丙型和丁型排泥管的试验数据分别见表3～6。

　　3.3 箱体内积泥情况及流量系数比
　　对甲型排泥管，测量完毕后，拆开箱体发现，模型管子下都有积泥，距离远端(即进水口)箱体壁面85 cm处的管子周围开始积泥，55 cm处中等淤积，35 cm处沉泥完全淹没模型管子；对乙型、丙型排泥管，模型管子下都有积泥，管子周围积泥比较平均，均没有淹没扩张管嘴的小端孔口；丁型排泥管，箱体底部基本上没有多少积泥。
　　由于泥水特性与清水不一样，故其流量系数比清水小得多，但在同等的试验条件下，扩张管嘴出流效率比孔口出流提高了156.41%。
　　通过对比可以看出，丁型排泥管流量系数μ最大，箱体内的积泥最少，因此这种扩张管嘴的布置方式最佳。

　　4　结论

　　①排泥效率。在清水试验条件下，扩张管嘴比孔口的出流效率提高了221.37%，扩张管嘴在管下方与轴线的垂直面成45°，且与穿孔管轴线也成45°夹角的排泥管在同等水头的泥水工作条件下，比普通穿孔管的排泥效率提高了156.41%。由此可见，扩张管嘴可以更快速地将沉泥排走。
　　②排泥可靠性。由于扩张管嘴出流时，在收缩断面处形成高真空，也就是相当于在排泥管内安装了一台真空泵，具有很大的抽吸能力，能够将扩张管嘴附近的沉泥抽吸干净，所以排泥后基本上不存在积泥，不会影响生产；另外在沉淀池内部不会导致紊动，不影响出水水质。
　　③装置的造价。由于该材料采用普通钢板，制作工艺简单，所以造价较低，只比普通穿孔管的造价稍高一些。如果用于普通穿孔排泥管的更新改造，则只需将扩张管嘴焊接到普通穿孔管上即可。
　　④操作简便性。如果水厂安装了自动控制系统，则排泥时运行管理人员只需在主控室内打开气阀即可，操作简便、工作环境好。
　　总之，该装置具有排泥效率高、运行可靠、造价低、操作简便等优点，可广泛于用沉淀池排泥系统的新建和改造。

　　参考文献：
　［1］于天壁.斜管沉淀池排泥系统的改进［J］.给水排水，1994，20(4):47-50.　
　［2］钟德玲.斜管沉淀池配水与排泥系统设计一则［J］.给水排水，1994，20(12　):13-16.
　　

　　作者简介：唐友尧(1941-)，男，汉族，湖南邵阳人，华中科技大学教授，研究方向为水处理技术。
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　　收稿日期：2000-12-08