飲用水源過濾裝置及尺寸確定方法

安尼瓦·斯地克，穆哈西，杰恩斯·馬坦

(1.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049;2.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052;3.新疆水利廳改水防病辦，烏魯木齊 830000)

0 引 言

目前新疆大部分飲水工程都采用地下水，隨工農業的發展，地下水污染，水質達不到飲水標準，因此飲水工程的水源轉移到河道上游。河道上游地形復雜，修建清水池的難度大，河水一般通過開敞式清水池內沉淀2～3次沉淀過濾后才輸送到用戶。開敞式清水池易受外界環境的影響、防凍能力和過濾能力差，而且定期人工清理水池內的淤積，修建清水池所需投資(30～50萬元)大[1-3]。因此飲水水源的過濾及安全性是已成為亟待解決的問題。

本文研制了飲水工程規模相適應的，投資少、自動過濾、自清洗，防凍能力強的集水式自壓魚鰓過濾器。集水式自壓魚鰓過濾器是封閉性圓桶，由進水過濾部分、集水桶及魚鰓過濾器等三個部分組成[4-5]。進水過濾部分設在集水桶的外側，河水通過第一級濾網滲到粗砂(砂礫石)再過濾一次，然后經過第三級過濾后流入集水桶內。集水桶是兩層圓桶，兩層間填滿保溫材料，保溫材料起防凍作用。魚鰓過濾器是設在集水桶內出水管的進水口前端，進水管內設微型旋槳，微型旋槳設在擺動軸的重心。打開供水閥后水流帶動微型旋槳，微型旋槳帶動擺動軸，擺動軸的下面和進水管壁接觸處設排污孔，平時排污孔的口活動葉蓋住，擺動軸擺動時帶動活動葉不停地開、閉排污孔口，從而進水管內的雜物通過排污孔排到集水桶內。擺動軸的另一端與刷子連接，擺動軸擺動時帶動刷子，刷子不斷地來回刷過濾網，預防過濾網的堵塞。如果河水的含沙量少卸掉魚鰓過濾器仍然可持續利用。

本文將集水桶的進水量、集水桶的蓄水量與下游用戶用水量之間建立平衡關系，說明集水式自壓魚鰓過濾器容積計算和尺寸確定的方法。解決飲水水源的防凍、濾網的堵塞、投資大等問題。為解決農村飲水安工程設計提供依據。

1 材料與方法

(1)過濾網，粗砂(砂礫石)，集水桶，魚鰓過濾器。

(2)工作原理：把集水式自壓魚鰓過濾器埋入水源合適的位置，安裝后把粗砂或砂礫石填入前端隔層進水口，打開排氣閥后河水流入集水桶內，桶內水位上升逐漸保持穩定，集水桶蓄滿水后關閉排氣閥。再打開供水閥，通過集水桶內水位降低而集水桶內產生負壓，集水桶內降低水量通過負壓作用下不斷吸入河水保持穩定，河水向集水桶提供穩定的水量。此時進水量、蓄水量與用水量之間的平衡關系式為：

Q桶≥Q蓄≥Q用

(1)

式中：Q桶為集水桶的進水量，m3/s；Q蓄為集水桶的蓄水量，m3/s；Q用為下游用戶用水量，m3/s(以上單位也可用m3表示)。

首先計算確定用戶的用水量(Q用)，根據用戶用水量的多少計算確定集水桶的面積和體積。

圖1 集水式自壓魚鰓過濾器整體Fig.1 Since catchments type pressure filter as a whole fish gills 1-集水式弧形過濾部分；2-一級過濾網：水從過濾網滲入砂礫石再過濾一次，然后經過三級過濾網進入集水桶；3-保溫層：集水桶雙層間設的保溫材料；4-粗砂子(或砂礫石)起過濾作用；5-三級過濾網；6-蓋子；7-排污閥；8-排氣閥；9-合頁； 10-魚鰓過濾器

圖2 魚鰓過濾器結構Fig.2 Fish gills filter structure 10-魚鰓過濾器；11-進水濾管；12-過濾網；13-活動葉；14-支架；15-軸頭；16- 刷子；17-濾網；18-擺動軸；19-固定支架(可伸縮)；20-旋槳；21-轉動軸(旋獎帶動旋轉軸)；22- 搖擺軸(可伸縮)； 23- 出水管連接件；24-排污孔

2 生活用水量計算

2.1 人口發展指標的制定

(1)設計年限：設計年限是飲水工程建成后能滿足用戶用水要求的年數，根據農村經濟水平，村鎮發展的規劃等綜合因素考慮，一般按15年計。

(2)人口自然增長率：人口自然增長率應根據供水地州計劃生育辦公室認可的人口自然增長率,‰。

(3)用水人口：用水人口按下式計算確定：

P=P0(1+α)n

(2)

式中：P為設計年限末用水人口數，人；P0為設計時當年人口數，人；α為年人口自然增長率，‰；n為設計年限。

(4)生活用水指標：生活用水指標是室內有給水龍頭及衛生設備考慮，用水定額50～60 L/(人·d)計。

(5)生活用水量計算：生活用水量按下式計算確定：

(3)

式中：Q1為最高日生活用水量，m3/d；P為設計年限末用水人口數，人；q1為最高日生活用水指標，L/(人·d)。

2.2 牲畜用水量計算

(1)牲畜自然增長率：牲畜自然增長率是根據供水地州畜牧局制定認可的牲畜自然增長率(%)。

(2)用水牲畜數：用水牲畜數換算為標準樣計算，安縣實際算確定：

X=X0(1+α牲)n

(4)

式中：X為設計年限末用水牲畜數(標準羊頭)；X0為設計時當年牲畜數(標準羊頭)；α牲為年牲畜平均自然增長率，2.5%；n為設計年限。

(3)牲畜用水指標：牲畜數低于1萬頭時，設計取10 L/(只·d)。

(4)牲畜用水量計算：牲畜用水量按下式計算:

(5)

式中：Q2為最高日牲畜用水量，m3/d；X為設計年限末用水牲畜數(標準頭)；Q2為最高日牲畜用水指標，L/(人·d)。

2.3 鄉鎮企業用水量

綜合現狀的當地鄉鎮企業用水情況，如有鄉鎮企業要考慮此項，如沒有鄉鎮企業設計不考慮鄉鎮企業用水量。

Q3=0

(6)

(1)管網漏失水量：管網漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉鎮企業用水量之和的5%～10%取值。

Q4=(Q1+Q2+Q3)×10%

(7)

(2)未預見水量：未預見水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉鎮企業用水量之和的10%～20%取值。

Q5=(Q1+Q2+Q3)×20%

(8)

(3)消防用水量：參照《建筑設計防火規范》(GBJ16)和《村鎮建筑設計防火規范》GBJ39的有關規定確定。

(4)總供水量為以上各項用水量之和，即：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(9)

(5)給水系統各組成部分計算水量：配水管網設計流量Q設。

(10)

式中：時變化系數應按供水方式和用水情況確定，K時為時變化系數，取2.0。

2.4 管網流量計算

(1)比流量：輸配水管網每米管長流出的流量叫做單位管長比流量。按下式計算：

qs=(Q-∑q)/∑L

(11)

式中：qs為單位管長比流量，L/(s·m)；Q為管網設計流量，L/s；∑q為管網集中供水流量總和，L/s；∑L為有用戶用水管段長度的總和，m。

(2)沿線流量：某一管段的配水流量稱之為沿線流量，按下式計算：

qp=qsL

(12)

式中：qp為某一管段的配水流量，L/s；L為某一管段的計算量,m；qs為單位管長比流量,L/(s·m)。

(3)節點流量計算：節點流量即每個節點流出的水量，等于該節點相交的各管段的沿線流量總和的一半，即：

(13)

式中：qi為某節點的流量，L/s；∑qp為交匯于該節點的各管段沿量之和，L/s。

(4)管段流量計算：配水管網中各節點流量平衡條件是：流入任一節點的全部流量之和等于流出這一節點的流量之和。如果以流入節點的流量為正值，流出節點的流量為負值，則上述關系可表示為：∑Q=0，利用這個關系，就可從樹枝狀管網供水終點的節點流量開始計算，先計算出這一節點的各管段的計算流量，再依次推算，就可得出各管段的計算流量，最后求出總設計流量等于該管段下游節點的流出流量之和。總設計流量(Q設)即用戶用水量(Q用)。

3 過濾裝置主要設計參數

(1)集水桶負荷率：集水桶表面負荷率是指集水桶單位面積的產水量，其數值上等于設計標準粒徑泥沙顆粒的沉速，即：

(14)

式中：q用為設計流量(下游用水量Q設)，m3/h；v0為表面負荷率，m3/h；Ac為集水桶表面積，m2；如果泥沙中細沙比例較大，集水桶的表面負荷率宜選較小值，具體數值應根據水質情況和系統對水質的要求選用[6-9]。

(2)集水桶儲水量的水平流速：水平流速一般取30～90 m/h。

(3)停留時間：應根據水源水質的要求確定水在集水桶中的停留時間，一般取1～3 h。

(4)集水桶的長寬比：集水桶形式為圓形，因此集水桶的直徑與高度之比來計算。

(5)集水桶直徑的計算：設計流量和表面負荷率確定后，集水桶直徑按下式計算確定：

d=2r=vt

(15)

式中：d為集水桶直徑，m；r為集水桶半徑，m；v為水平流速，m/h；其余符號同上。

(6)集水桶有效水深計算：有效水深是指出水管徑底之集水桶頂部的距離，按下式計算確定：

(16)

式中：Hy為有效水深，m；q為設計流量，m3/h；Ac為集水桶表面積，m2；t為水在集水桶中停留時間，h；

(7)集水桶存泥深度計算：集水桶存泥深度是指出水管徑底之集水桶底部間距，按下式計算確定：

(17)

式中：Hn為集水式桶存泥深度,m；C0為進入集水桶水流含設計標準及其以上粒徑泥沙的濃度，kg/m3；γ為集水桶最長的工作時間段長度，h；其余符號意義同前。

(8)集水桶深度H的計算：集水桶深度按下式計算：

H=Hy+Hn

(18)

(9)集水桶水力條件復核：集水桶水力條件復核包括水流紊動性復核和集水桶穩定性復核方面的內容。

(10)水流紊動性復核：集水桶內水流的紊動性用雷諾數 來判別：

(19)

式中：Re為雷諾數；R為水力半徑，m；v0為水的運動黏滯性系數，m3/s；其余符號意義同前。

集水桶中水流一般呈紊流狀態，其雷諾數為4 000～15 000。水流除水平流速外，尚有上下左右4個方向的脈動分速，且伴有小的渦流體，這些情況都不利于顆粒的沉淀。應設法降低雷諾數 以利于顆粒沉淀。降低雷諾數的有效措施是減小水力半徑R。采用池中縱向分格的方法可以達到這一目的。

(11)集水桶穩定性復核：水流穩定性用弗勞德數 來判別：

(20)

式中：Fr為弗勞德數；g為重力加速度，9.8 m/s2；其余符號意義同前。

弗勞德數增大，表明慣性力作用相對增加，重力作用相對減少，對水流相對密度差、溫度差、異重流及壓差等影響的抵抗能力強，使池中的流態保持穩定，集水桶Fr值宜大于10-5。增大Fr值得有效措施是減少水力半徑R，采用池中縱向分格的方法可以達到這一目的。圓形集水桶面積：按下式計算：

A=πR2

(21)

圓形集水桶體積：按下式計算：

V=AH

(22)

式中：符號意義同前。

進水量按淹沒出流公式計算[10]，滿足等式(1)為止。

4 實用實例

(1)計算依據：根據《新疆農村人畜飲水工程初步設計編制綱要》，并參照《農村供水工程技術要點》、《村鎮供水工程技術規范》、當地實際用水需求，確定本次人畜飲水工程用水包括：居民生活用水、牲畜用水、鄉鎮企業用水、消防用水、管網漏失水量和其他未預見用水量。依據《新疆農村人畜飲水工程初步設計編制綱要》標準生活用水量室內有給水龍頭，但無衛生設備時每人每天最高按30～60 L計；牲畜用水量按大綱要求牲畜數超過1萬頭只時每頭(標準頭)每天5 L計，低于1萬頭只時每頭(標準頭)每天10 L計算；管網漏失水量及未預見水量按人、畜用水總量的10%計；消防用水量可通過臨時減少其他用戶的用水量來解決；用水人口>3 000人時，時變化系數在1.6；人口自然增長率為12‰，牲畜自然增長率按照縣畜牧局提供的數據自然增長率為2.5%。工程控制人口5 179人，牲畜5 100頭(只)，設計年限15 a。

(2)計算結果：經計算設計年限末用水人口數為6 194人，項目區生活用水量為310 m3/d；設計年限末項目區用水牲畜數7 386標準頭，供水區牲畜用水量為73.86 m3/d；本次設計不考慮鄉鎮企業用水量Q3=0；管網漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉鎮企業用水量之和的5%取，Q4=19.1(m3/d)；未預見水量按最高生活用水量、牲畜用水量、鄉鎮企業用水量之和的10%計，Q5=38.2 (m3/d)；根據以上計算總供水量441.2 m3/d；日總供水量Q=441.2 m3/d。

(3)集水桶尺寸的確定：集水桶調節容積，按最高日用水量的15%計，安全儲水量最高日用水量的5%計，經計算集水桶容積88.2 m3，為了保險起見集水式容積定為100 m3。經計算可得：集水桶存泥深度Hn=0.5 m，H=4.1 m，內徑R=3 m，集水有效深度(出水管管徑以上的深度)Hy=3.6 m，相應面積A=28.26 m2時，滿足容積V=100 m3的要求。

5 結 論

(1)集水桶和自壓魚鰓過濾器連成一體直接進行5級過濾，自壓魚鰓過濾器后部可連接不同管徑的管道。

(2)集水桶由兩層隔水層間設保溫材料，防凍能力強，魚鰓過濾器內部設置來回擺動的刷子不斷地刷過濾網，過濾網不易堵塞。

(3)節省大口進、引水渠道(或引水管)、水槽及清水池等工程投資，可節省29～49萬元的投入，集水式自壓魚鰓過濾器投資少、抗凍能力強、工程占地面積小，采用壓差和水動力原理，同時解決過濾、排沙、自清洗及防凍及供水問題。

(4)根據水源泥沙含量的多少和供水范圍，可增加集水桶進水孔目數，可推廣到所有自壓供水工程。集水式水自壓魚鰓過濾器代替清水池，適合用于新疆水源及輸水管道系統。

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