四川某县城自来水厂的初步设计

1. 总论

1.1设计任务及要求

1.1.1设计题目

四川某县城自来水厂的初步设计

1.1.2设计目的

通过水厂的初步设计，使学生熟悉掌握水厂设计原则、步骤和方法；培养学生应用所学理论，分析解决实际工程设计问题的初步能力，使学生在设计运算、绘图、查阅资料和设计手册以及使用设计规范等基本技能上得到初步训练和提高。

1.2基本资料

1.2.1水质资料

(1)现用水量：50000m 3/d (2)给水水源：桃河

(3)水质资料：原不为穿城河流，取水口在城镇上游，水质较好，含砂量较低（平

均含砂量0.4kg/ m3），上游无工业污染和集中生活污水污染。

1.2.2地质资料

(1)拟建水厂区域工程地质钻探资料

a. 通过工程地质钻探，地层构造为：表层为0.5～0.7m 厚的耕土，以下均为密实压粘土，地下12m 处才有基岩露头。

b. 地下水位在地表8m 以下，地下水无浸蚀性。地基耐压力为15t/m2。 (2)该城镇地震资料

a. 据记载，该地区未发生过破坏性地震，据地震监测总的记录，该地区最大震级为6级，地震裂度为6度。

b. 由四川地震局推荐，该地区建筑设计按地震裂度7度设防。

1.2.3水文资料

(1)桃河由西向东穿城而过，拐向镇东南流出城。河上设有两座通行汽车的大桥。 (2)河流常年流量较大，上游设有一大型水库调节，因此河流枯水位及流量变化不大。

(3)该河流为通航河流，船舶最大吨位700吨，并有木排放下，取水构筑物设计时应考虑放排和通航的影响。

a. 最高洪水位：188.00m b. 最大流量： 150m 3/s c. 常水位：185.40m d. 年平均流量：75m 3/s e. 枯水位：183.00m f. 最小流量：50m 3/s

g. 取水口水深最小达：4.0m

1.2.4气象资料

(1)风向：见右方风玫瑰图 (2)气温

a. 最冷月平均：4.0°C b. 最热月平均：34.1°C c. 极端最高气温：40°C d. 极端最低气温：-2°C

(3)降水量：年平均降雨量：1185.4mm

一日最大降雨：197.1mm

(4)土壤冰冻深度：0m

1.2.5其它资料

(1)该城镇为县政治、经济中心，交通便利，铁路、公路、水运均与省城及埠外相连接，(2)该县地方材料丰富。

2. 总体设计

2.1设计规模

水厂处理水量50000m 3/d，考虑水厂自用水量10%，故该设计水量55000m 3/d。

2.2处理工艺

根据原水水质资料可知，原水浊度为300-1000mg/L，色度10度，pH 值为7.5-8.0，细菌总数为12000个/mL，大肠杆菌数为33000个/L，氯化物21mg/L，耗氧量20mg/L，水质污染较严重，微生物数量严重超标。总硬度3度，暂时硬度3度，总固体398mg/L，碱度8度，均已符合国家生活饮用水卫生标准。因此，工艺流程应从降低浊度、色度，减少水中大量细菌为目的，并且考虑技术与成本因素，选择传统水处理工艺流程。

工艺流程图：

2.3净水构筑物型式

(1)取水构筑物

取水构筑物采用岸边合建式，一泵站安装三台机组，两用一备，便于修检。

(2)药剂溶解池

为便于投置药剂，溶解池一般设计为或者半地下式为宜，由于药液具有腐蚀性，所以盛放药液的池体和管道及配件都应采取防腐措施。投药设备采用泵组与转子流量计联合的投加方式，可使用中央计算机改变泵组转速实行自动控制。药剂选用PAC 。

(3)混合设备

本设计采用水平轴机械搅拌混合器添加的对药剂进行混合。在混合池内安装搅拌设备，以电动机组驱动搅拌器完成药剂的混合。

(4)反应池

本设计采用了往复式隔板絮凝池，与斜管沉淀池合建。

(5)沉淀池

因技术、成本、占地大小等因素综合考虑，本设计采用斜管沉淀池，与往复式隔板絮凝池合建。

(6)滤池

本设计采用普通快滤池，大阻力配水系统，配备自动反冲洗系统。

(7)消毒设施

本设计消毒设施采用常规氯消毒，操作简单，价格低廉，且在管网中有持续消毒能力。

(8)二泵站

因目标城市数据未知，所以二泵站不进行设计。

(9)附属构筑物

办公楼、职工宿舍、停车场等办公生活建筑集中布置在远离处理构筑物的地方，配电室、机修间、门卫室和景观设施按需布置。

3. 混凝沉淀

3.1药剂投配设备

3.1.1溶液池设计方案

W 2=

a ⋅Q 417⋅c ⋅n

式中：

W 2 —— 溶液池容积，m 3； Q —— 处理水量，m 3/h；

a —— 混凝剂最大投加量，取a=25mg/L； c —— 溶液浓度，取10%； n —— 每日调制次数，取n=2；

W 2=

a ⋅Q 25⨯50000⨯1. 1

==6. 87m 3

417⋅c ⋅n 417⨯10⨯2⨯24

溶液池设置两个，每个容积W 2=6.87m3，保证连续投药。 取有效水深H 1=1.5m，超高H 2=0.2m，贮渣深度H 3=0.1m，则总高度H=H1+H2+H3=1.8m 溶液池采用矩形，尺寸为：

L×B×H=2.5m×2.0m×1.8m

PAC 投加搅拌示意图

3.1.2溶解池设计方案

(1)溶解池容积

W 1=0. 3⋅W 2=0. 3⨯6. 87=2. 1m 3

溶解池设计成正方形，设计有效水深H 1=0.5m，面积S=W1/H1=4.2m2，边长

a =S =2. 05m , 取保护高度H 2=0.2m, 贮渣深度H 3=0.1m

(2)溶解池高度

H=0.5+0.2+0.1=0.8m

(3)溶解池尺寸

L×B×H=2.05m×2.05m×0.8m

溶解池设置2个，一用一备。

溶解池的放水时间采用t=7min，则放水流量：

q 0=

W 13. 30⨯1000

==5. 0L /s ； 60t 7⨯60

根据水力计算表得放水管管径d 0=100mm，流速v 0=0.835m/s。

溶解池底部设管径DN100排渣管一根。

溶解池搅拌装置采用机械搅拌，以电动机驱动桨板搅动溶液。

3.1.3配水井设计方案

(1)配水井体积

设计流量Q=2291.67m3/h，水力停留时间T=4.0min， 则配水井体积为：

V =Q ⋅T =152. 78m 3，有效水深设计为H=3.2 m，面积S=V/S=47.74m2， (2)配水井尺寸

L×B=7m×7m=49m2

超高设计为0.5m ，配水井深3.7m 。

3.1.4加药间设计方案

(1)加药管路

投药管流量

q =

W 2⨯2⨯10006. 87⨯2⨯1000

==0. 16L /s

24⨯60⨯6024⨯60⨯60

根据水力计算表，投药管管径d=20mm，相应流速为0.83m/s。

(2)加药间尺寸

加药间内含溶液池×2，溶解池×2，还要考虑预留面积，过路面积，药品堆积面积，所

以加药间总面积S j =80m2，尺寸：

L×B=10m×8m

3.2混合设备设计方案

因为溶液池平面尺寸：L×B=2.5m×2.0m，总高度H y =1.8m。

挡水板：设计挡水板宽度0.15m ，长度0.8m ，距池底0.50m ，共4块。

搅拌器：搅拌器分为两层共4块叶片，每块叶片宽B=0.30m，半径r=0.60m。上下两层叶片90°交叉安装，下层叶片距池底0.50m ，两层叶片间距0.5m 。 搅拌功率：取搅拌器边缘线速度v=3.0m/s，则旋转角速度：

ω=

取C D =1.19，则：

3. 0

=5rad /s 0. 6

P =

4⨯1. 19⨯9800

⨯0. 3⨯53⨯0. 74=5351. 77W

8⨯9. 81

如果选用的搅拌机旋转速度n=48r/min，则搅拌机实际功率代入公式计算得：

P =0. 1434⨯4⨯1. 19⨯0. 3⨯483⨯0. 74=5437. 42W

电机功率P D =1.2P=6.0kW。

3.3反应设备设计方案

本设计采用往复式隔板絮凝池

往复式隔板絮凝池设计草图(与斜管式沉淀池合建)

(1)池组设计

絮凝池设计n=2组，每组设1池，每池设计流量为

Q 1=

Q 55000

==1145. 83m 3/h =0. 318m 3/s 24n 24⨯2

设絮凝时间T=20min

(2)絮凝池有效容积为：

V =Q 1⋅T =

1146

⨯20=382m 3 60

因为考虑到往复式隔板絮凝池与斜管沉淀池合建，絮凝池平均水深取h 1=1.8m，池宽取

B=16m。

(3)絮凝池有效长度为：

L 1=

V 382

==13. 27m h ⋅B 1. 8⨯16

1取超高h 2=0.5m，则往复式隔板絮凝池总高度为H=2.3m

(4)隔板间距计算

絮凝池起端流速取v 0=0. 5m /s ，末端流速取v t =0. 2m /s 。 起端廊道宽度：

a 0=

Q 10. 318

v ⋅h =1. 8

=0. 353m 10. 5⨯末端廊道宽度：

a 11=

Q v ⋅h =0. 318

0. 2⨯1. 8

=0. 883m 1廊道宽度分成4段，廊道水深递减。

廊道流速计算表

四段廊道宽度之和：

b =2. 82+3. 71+4. 24+5. 30=16. 07m

取隔板厚度δ=0.20m，共27块隔板，则絮凝池总长度L 为

L 2=L 1+(27-1) ⨯0. 2=13. 27+26⨯0. 2=18. 47m

(5)水头损失

廊道水头损失计算公式：

v 22

h m it v i i =it ξ2g +C 2L i

i R i

式中：

m it ——第i 段廊道内水流转弯次数

ξ——隔板转弯处局部阻力系数，180°时ξ=3，90°时ξ=1

v it ——第i 段廊道内水流转弯处水流流速，等于廊道内流速的1/1.5-1/1.2 R i ——第i 段廊道过水断面水力半径

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C i ——第i 段廊道流速系数， C i =R i 6

n

n ——廊道壁面、池底粗糙系数，通常取n =0. 013或者n =0. 014

速度梯度：

G =

式中：

γ⋅H

μ⋅T

γ——水的重度，9800N /m 3

-3

时为1. 0⨯10Ps ⋅s μ——水的动力黏度，Ps ⋅s ，20°

各段水头损失计算表

G =

g ⋅h

C 设计要求 ==30. 06s -1 符合20°

60-T

GT =30. 06⨯20⨯60=36072∈[104, 105] 符合要求

絮凝池与沉淀池合建，中间过渡段宽度为2.0m 。配水廊道底部以2‰的坡度坡向水流流

动方向，在每道配水廊道底部设DN200的排泥管。

3.4沉淀澄清设备设计方案

3.4.1设计参数

本设计采用斜管沉淀池，与往复式隔板絮凝池合建，设计2座。每座沉淀池设计流量为27500m 3/d，表面负荷q=9m3/m2·h=2.5mm/s，斜管材料采用厚0.4mm 塑料板热压成正六角形

管，内切圆直径d=25mm，长1000mm , 水平倾角θ=60°。

3.4.2计算草图

斜管沉淀池设计草图

3.4.3设计方案

(1)尺寸计算

a. 沉淀池清水区面积

A =

Q q =275009⨯24=127. 31m 2

式中：

q ——表面负荷，一般采用9.0~11.0 m3/(m2·h) ，本设计取9 m3/(m2·h) b. 沉淀池长宽

沉淀池宽度设计为B=16m，则长L=8m，尺寸为

L×B=8m×16m=128m2

为配水均匀，进水区布置在16m 一侧。在8m 的长度中扣除0.05m 的无效长度，则净出口面积为：

A ' =

8⨯16-0. 05⨯16

1. 03=123. 50m 2

式中：

k 1——斜管结构系数，取1.03 c. 沉淀池总高度

H=h1+h2+h3+h4+h5=0.3+1.5+0.87+1.5+0.80=4.97m

式中：

h 1——保护高度，取0.3m h 2——清水区高度，取1.5m

h 3——斜管区高度，斜管长度为1.0m ，安装倾角60°，则h 3=sin60°=0.87m

h 4——配水区高度，取1.5m h 5——排泥槽高度，取0.8m

(2)进出水系统计算

a. 进水方案

进水采用穿孔花墙方案，孔口总面积为：

A =

Q 27500=1. 77m 2v 0. 18⨯24⨯3600

式中：

v ——孔口速度，取0.18m/s

每个孔口的尺寸设计为15cm×8cm，则孔口个数n=148个。 进水孔位置应在斜管以下、沉泥区以上部位。

(3)出水系统方案

a. 穿孔总面积

出水系统采用穿孔集水槽，出水孔口流速设计为v 1=0.6m/s，则穿孔总面积为：

A =

Q 27500==0. 53m 2 v 10. 6⨯24⨯3600

设每个孔口的直径为d=5cm，面积为19.63cm 2，则孔口的个数n=270个 b. 集水槽高度

设沿池长方向布置8条穿孔集水槽，中间为1条集水渠，槽底平坡，集水槽中心距为：L’=8m/8=1m，每条集水槽长L=(16-1)/2=7.5m。沉淀池超载系数设计为20%，故槽中流量为：

q’=1.2q=1.2×0.018=0.0216m3/s

槽宽度：

b=0.9q’0.4=0.9×0.02160.4=0.19m

起点槽中水深

H 1=0.75b=0.75×0.19=0.15m

终点槽中水深

H 2=1.25b=1.25×0.19=0.24m

因此槽中水深为H 2=0.24m。集水方式采用淹没式自由跌落，淹没深度取H 3=0.05m，跌落高度取H 4=0.05m，槽的超高取H 5=0.15m。则集水槽总高度为：

H=H2+H3+H4+H5=0.35+0.05+0.05+0.15=0.49m

c. 集水渠高度

集水槽为双侧开孔型，孔径直径d=25mm，每侧50个孔，孔间距15cm 。

8条集水槽汇水至集水渠，集水渠流量按0.17m 3/s，集水渠起端的水流截面为正方形，则出水渠宽度为：

b=0.9Q0.4=0.9×0.170.4=0.44m

起端水深0.44m ，集水槽自由跌落高度取H 2’=0.05m，则集水渠总高度为：

H’=0.05+0.44+0.44=0.93m

d. 水头损失

孔口损失：∑h1=0.037

集水槽内水深为H 2=0.24m，槽内水力坡度设计为i=0.01，槽内水头损失为：

∑h2=iL=0.01×7.5=0.075m；

总水头损失为:

∑h=∑h1+∑h2=0.037+0.075=0.112m

4. 过滤

4.1滤池设计方案

本设计采用普通快滤池。

普通快滤池设计草图

4.1.1滤池尺寸

(1)滤池面积

滤池工作周期设计为24h ，冲洗周期设计为12h 。则滤池的工作时间为：

T =24-0. 1⨯24=23. 8h 12

过滤速度设计为v 1=9m/h，则滤池面积为：

S =

Q 55000==256. 77m 2 v 1⋅T 9⨯23. 8

(2)滤池尺寸

每座滤池单格数为N=8，布置呈对称双行排列。则每个滤池的面积为： 11

s =

S =32. 1m 2 N 采用滤池长宽比为4，则滤池的设计尺寸为12m×3 m, 实际虑速为8.02m/h

(3)校核强制滤速

强制滤速为：

v 2=

N ⋅v 1=9. 17m /h N -1

4.1.2滤池高度

承托层高H 1=450mm。采用双层滤料，厚度H 2=800mm，其中无烟煤厚360mm ，石英砂厚440mm 。滤层上最大水深H 3=1800mm。超高H 4=0.3m。滤池总高度H 为：

H=H1+H2+H3+H4=450+800+1800+300=3350 mm=3.35m

4.1.3滤池配水系统

(1)支管

支管的中心距离为a j =0.2m，每座滤池支管数量为：

n j =

每根支管的入口流量为： 2⋅L 2⨯3==30个 a j 0. 2

q j =q g

n j =11. 5L /s

支管起端流速为2.0m/s, 支管管径为80mm 。

(2)孔眼

支管孔眼总面积与滤池面积之比K 采用0.25%，则孔眼总面积：

S k =k ⋅S =0. 25%⨯36=0. 09m 2=90000mm 2

采用孔眼直径为10mm ，每个孔眼总面积为78.54 mm²，则孔眼总数为：

N k =

每根支管孔眼数为： S k 90000==1146个 s k 78. 54

n k =N k 1146==38个 n j 30

每根支管孔眼布置成两排，与垂线成45°夹角向下交错排列。 每根支管长度为：

l j =0. 5⨯(9-0. 6) =4. 2m

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