提高有效水力停留时间的清水池设计方法技术

提高有效水力停留时间的清水池设计方法属于水厂饮用水消毒技术领域。其特征在于，在清水池内设置至少一块导流板，所述导流板将清水池隔离为水流廊道，当增加水流廊道总长度和水流廊道宽度的比值时，有效水力停留时间增大；有效水力停留时间ｔ↓［１０］／Ｔ、水流廊道总长度和水流廊道的宽度满足：ｔ↓［１０］／Ｔ＝ａ＊Ｌｎ（Ｌ／Ｗ）－ｂ其中ａ为比例系数，其范围为０．１８＜ａ＜０．２０；ｂ为修正系数，其范围为－０．０５＜ｂ＜０．０５；Ｌ为水流廊道总长度，Ｗ为水流廊道的宽度。按照本发明专利技术设计的清水池，具有较高的有效水力停留时间。

【技术实现步骤摘要】

属于水厂饮用水消毒

技术介绍
自来水在流经清水池进入管网之前，必须投加消毒剂以杀灭水中致病微生物，保证饮用水安全。作为最广泛应用的消毒方法——氯消毒，最近几十年来发现原水经过氯消毒后会产生对人体健康有不利影响的消毒副产物，如三氯甲烷、卤乙酸等等，因此国内外不断出台相关法规对消毒副产物进行严格控制。而加强对饮用水的消毒和减少消毒副产物产生看来是相互矛盾的事情，所以必须优化消毒过程。有很多因素影响消毒的效率，比如消毒剂的种类，消毒剂降解动力学，水质条件以及清水池中的水力学特性。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，因此发达国家如美国十分重视清水池水力特性的研究。根据消毒动力学，消毒效率跟CT值成正比。其中C作为消毒剂浓度，T作为消毒接触时间。为了保证消毒效果，理论上希望某一时刻加入清水池的氯与水中的微生物接触时间都为水力停留时间T(V/Q)。但实际上要求所有的氯都有停留时间T是不现实的，因为实际的清水池由于内部结构的原因不可能达到理想推流，所以部分消毒剂在清水池内的停留时间低于水力停留时间T。因此为了采用保证90％的消毒剂能达到停留时间T，也即测定在某时刻加的消毒剂中首先从清水池出来的10％的量的停留时间是多少，这里就定义了有效水力停留时间t10，即在闭合反应器中某一时刻从进口进入反应器的物质首先从反应器出口出来的、占总量10％的组分的停留时间。以t10为接触时间来计算CT值。对于一般清水池而言，其有效水力停留时间和水力停留时间的比值(t10/T)一般比较固定，因此以t10/T作为清水池的水力效率的指标，t10/T越高表示水力效率越好。在同样的CT(T为t10)条件下，如果t10提高，则所需要的消毒剂的浓度可以减小，从而减少消毒副产物的产生。t10/T值与清水池内的导流板设置、进出口条件、廊道拐角等结构因素有很大的关系，不同的水力条件的清水池其t10/T值会不同，但目前没有提出具体的关系式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种从优化消毒角度。本专利技术的特征在于，在清水池内设置至少一块导流板，所述导流板将清水池隔离为水流廊道，当增加水流廊道总长度和水流廊道宽度的比值时，有效水力停留时间增大；有效水力停留时间t10/T、水流廊道总长度和水流廊道的宽度满足下述关系t10/T＝a*Ln(L/W)-b其中a为比例系数，其范围为0.18＜a＜0.20；b为修正系数，其范围为-0.05＜b＜0.05；L为水流廊道总长度，W为水流廊道的宽度。所述a为0.1894，b为0.0494。当所述L/W比值固定不变时，导流板长度满足下述条件有利于有效水力停留时间增大 其中L清水池指导流板长度方向的清水池长度，L导流板是导流板长度，W为水流廊道的宽度。试验证明按照本方法设计的清水池，具有较高的有效水力停留时间，达到了预期的目的。附图说明图1为清水池设计模型的示意图(图中1为清水池，2为导流板)；图2为液龄函数曲线；图3为累积液龄函数曲线；图4为中试t10与L/W的关系曲线；图5为笔架山2#清水池改进设计前后示意图；图6为d/W与t10/T的关系曲线。具体实施例方式本专利技术的提出是在一系列实验的基础上得到的，下面作具体介绍。(一)水流廊道总长宽比(L/W)对清水池t10/T值的影响测定清水池的t10/T方法主要通过公知的脉冲示踪试验获得以NaF作为示踪剂，通过脉冲示踪试验可以得到液龄分布函数E(t)，然后对E(t)进行积分得到累积液龄分布函数F(t)，F(t)＝0.1时对应的时间即为t10，而t10与平均水力停留时间T的比值t10/T即是衡量清水池水力特性的参数，t10/T值越大，水力特性越好，越有利于消毒。(1)液龄分布函数E(t)，也称为停留时间分布密度函数，其定义是在同时进入反应器的流体微粒中，其中停留时间介于t1与t1+dt时间间隔内所占的分数等于E(t1)dtl。因此，从分布函数的定义可得∫0∞E(t1)dt1=1]]>(2)累积液龄分布函数F(t)，也称为停留时间分布函数，其定义是在同时进入反应器的流体微粒中，其停留时间从0到t的累积分数。即F(t)=∫0tE(t)dt]]>中试实验以863示范工程深圳水务集团笔架山水厂2#清水池为原型建立其中试模型，通过改变清水池内导流板的数量，进行示踪实验，来研究各种结构条件对中试清水池的水力效率的影响。中试试验数据如表1所示表1 图2和图3分别是中试试验所得的E(t)和F(t)函数。根据中试实验结果可以发现水流廊道总长宽比对水力效率有着很大的影响，t10/T随着总长宽比增大而增大，呈对数关系，若令Y＝t10/T，x＝L/W值，有Y＝a*Ln(x)-b。对L/W和t10/T进行拟合(如图4所示)，得到t10/T值与清水池内的水流廊道总长宽比(L/W)的关系式t10/T＝a*Ln(L/W)-b(1)其中a为比例系数，0.18＜a＜0.20；b为修正系数，-0.05＜b＜0.05；L为水流廊道总长度，W为廊道宽度。L＝L清水池*(m+1)，m为导流板块数。清水池模型如图1所示。(二)导流板长度对清水池t10/T值的影响在保持水流廊道总长度和宽度不变的情况下，使用计算流体力学的方法进一步研究了导流板长度对清水池水力特性的影响。通过二维CFD方法(计算流体力学的方法)模拟清水池流场，改变导流板长度，得到不同的t10/T的值，得到当L/W固定时，导流板长度满足下述条件使得有效水力停留时间增大， 其中(0.6<dW<1.2)]]> 其中L清水池是导流板长度方向的清水池长度，L导流板是导流板长度，W为水流廊道宽度，d为拐角过流宽度。(三)对公式(1)、(2)的验证与应用实际清水池示踪研究选择的是深圳水务集团三个代表性水厂笔架山水厂、梅林水厂和大涌水厂。根据中试和生产性试验结果，对笔架山示范工程的1#清水池和2#清水池原来的设计方案按照公式(1)对清水池进行了改造，以提高消毒效率并减少消毒副产物的产生。t10/T＝a*Ln(L/W)-b，其中a取值0.1894，b取值0.0494；表2为试验结果数据，图5所示为笔架山2#清水池改进设计前后示意图。由表2可见，经过改造后的清水池，其t10/T值有了显著提高。表2 利用二维CFD方法对公式(2)进行验证。过程如下(1)通过二维CFD方法(计算流体力学的方法)得到清水池中试模型的流场。由于CFD是近年来发展起来的一种新方法，与示踪试验比较而言，具有快捷经济的优势，且研究表明其结果可与示踪试验等效。(2)在已得到流场的基础上利用CFD方法进行模拟示踪试验，得到液龄分布函数E(t)。通过步骤(1)所得流场，使用离散的粒子进行模拟示踪试验，然后对各粒子在模型内停留的时间进行统计分析，可得函数E(t)。(3)对液龄分布函数E(t)进行积分，得到累积液龄函数F(t)。(4)F(t)＝0.1时对应的时间(t10)和平均停留时间T的比值t10/T即为衡量水力特性的指标。(5)改变清水池导流板长度，重复步骤1-4，得到相应的t10/T，结果如图6所示。由图可见，导流板的长度存在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
提高有效水力停留时间的清水池设计方法，其特征在于，在清水池内设置至少一块导流板，所述导流板将清水池隔离为水流廊道，当增加水流廊道总长度和水流廊道宽度的比值时，有效水力停留时间增大；有效水力停留时间ｔ↓［１０］／Ｔ、水流廊道总长度和水流廊道的宽度满足下述关系：ｔ↓［１０］／Ｔ＝ａ＊Ｌｎ（Ｌ／Ｗ）－ｂ其中ａ为比例系数，其范围为０．１８＜ａ＜０．２０；ｂ为修正系数，其范围为－０．０５＜ｂ＜０．０５；Ｌ为水流廊道总长度，Ｗ为水流廊道的宽度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文君，杜志鹏，梅锐，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]