上向流懸浮濾料濾池的濾板設計與施工?

路洪波

(中國市政工程西北設計研究院有限公司 蘭州730000)

引言

目前,上向流懸浮濾料濾池已經在大型污水處理廠中廣泛應用,該濾池的原理是將污水由下向上透過濾料及抗浮濾板達到過濾的效果。其主要優勢在于納污能力強,易沖洗,水頭損失小,無氣水反沖設備,是一種處理效果較好的高效節能型濾池[1,2]。如圖1 所示,該濾池包括原水區、布水區、過濾區和清水區四大功能區,其中,過濾區內設有輕質懸浮濾料層,采用EPS(可發性聚苯乙烯)輕質懸浮濾料,該濾料具有很強的吸附污染物的能力,但由于該濾料的密度遠小于水的密度,一旦經由濾板孔隙流出,不僅污染環境,更會導致濾池徹底失去過濾作用,這就要求該濾板不但起到承受自身荷載的作用,同時也必須能夠承受濾料與水的上浮力[3,4]。本文結合工程流體力學原理,通過建立并求解濾板受力的數學模型,給出了抗浮濾板的配筋結果。

圖1 上向流懸浮濾料濾池示意Fig.1 The anti floating filter plate for up-flow filter

1 設計原理

在上向流懸浮濾料濾池中,設置抗浮濾板的主要目的在于防止濾料隨水流穿過濾板孔隙而溢出,穩定濾池內部水壓,承受水流向上的浮力,同時支撐自身重量,因此在濾板的設計中結合工程流體力學原理[5],采取特殊的結構形式可以解決上向流懸浮濾料濾池中對該濾板的特殊受力要求,滿足濾池的功能要求,達到很好的過濾效果。

在濾板的受力分析中,由于EPS 濾料的密度比水小很多,因此EPS 濾料上面的抗浮濾板會受到濾料向上的浮力作用,需要考慮水頭差的存在,故濾板所受最大浮力為水頭差H所引起的水壓。濾板上設有濾頭芯,起到泄壓的作用,由于濾料對水的粘滯阻力減小了泄壓作用,故在計算濾孔的泄壓作用時,結合現場工程經驗,以濾池中間區域的一塊濾板為受力對象,通過建立并求解濾板受力的數學模型,求得抗浮濾板的配筋結果。抗浮濾板配筋的詳細計算方法如下:

首先,建立濾板抗浮的平衡方程:

其中:

(1)水頭差H引起的水壓力F1

式中:F1為水頭差H引起的水壓力;H為配水渠內設計水位至濾板底的液位高差; Δh為考慮運行過程中可能會出現的水位超高或操作失誤引起的超高,取配水渠內設計水位至池頂的高差。

(2)考慮濾料對水的粘滯阻力后的泄壓作用F2

式中:F2為考慮濾料對水的粘滯力后的泄壓作用;ν為濾料對水的粘滯力影響系數,根據實驗測量及現場經驗ν取值0.5 ～0.8;n1為一塊濾板上濾頭的個數,根據工藝計算及過濾效果通常n1取49;d為濾頭內徑。

(3)濾板自重提供的抗浮力F3

式中:F3為濾板自重提供的抗浮力;h2為濾板厚度,根據現場安裝及造價等因素h2通常取100mm;A為一塊濾板的面積;γ砼為混凝土容重,根據《建筑結構荷載規范》,γ砼取21kN/m3～23kN/m3。

(4)濾板錨筋的錨固力F4

式中:F4為濾板錨筋的錨固力;As為單肢錨筋的面積;fy為錨筋的設計強度值;n2為濾板每側鋼筋的錨固點數。

然后,將上述式(2) ～式(5)中的計算結果分別代入式(1),計算可得每塊濾板每側鋼筋的錨固點數n2。

2 制備安裝

2.1 制備抗浮濾板

(1)組裝模具: 如圖2 所示,模具包括預留有安裝濾頭套筒圓孔的底板和四塊側壁板,組裝完成,涂抹隔離劑,將濾頭套筒固接在模具底板預留的圓孔中,再用濾頭壓板將濾頭套筒上部壓住。

圖2 抗浮濾板示意Fig.2 The anti floating filter

(2)綁扎及固定鋼筋。濾板中錨筋規格型號根據結構受力計算進行設置,并考慮與濾梁鋼筋布置位置相一致,預留長度應滿足錨固要求,同時應避開濾板的預留企口位置并均勻設置; 濾板鋼筋與濾梁鋼筋采用點焊并保證可靠的連接長度。

(3)澆筑混凝土,設有燕尾槽形突起的兩塊側壁板澆筑后形成抗浮濾板上下相對的上、下企口,用于后期填充微膨脹混凝土,振搗密實后進行混凝土養護。

(4)抗浮濾板達到初凝強度后進行拆模,拆模后繼續養護直到完全達到強度,制成單塊抗浮濾板,重復上述方法制成若干單塊抗浮濾板。

2.2 安裝抗浮濾板

(1)在濾池兩端池壁上預制濾梁,將濾梁上的鋼筋預留到位,澆筑混凝土的濾梁,并進行濾梁混凝土的常規養護。

(2)安裝抗浮濾板: 將抗浮濾板吊裝就位,濾板四邊整齊、無翹缺,并保證抗浮濾板與濾梁的預留鋼筋處于同一位置、同一高度,采用點焊方式保證連接可靠。

(3)單塊抗浮濾板沿其縱向與其相鄰的抗浮濾板通過上、下企口對接咬合構成具有燕尾式板縫的整體抗浮濾板,使用微膨脹混凝土澆筑燕尾式板縫,養護澆縫微膨脹混凝土。

(4)安裝完畢后清掃抗浮濾板,將濾頭芯螺接到濾頭套筒內。

3 工程實例

本抗浮濾板已經實際應用于西安市某大型污水處理廠的上向流懸浮濾料濾池中,該污水處理廠日處理規模為15 萬t/d,濾池共分為15 格,每格處理能力為1 萬t/d,每格濾池使用抗浮濾板50 塊。每塊抗浮濾板平面尺寸920mm×990mm,厚100mm; 企口長度35mm,厚50mm;每塊抗浮濾板重量約為450kg。每塊抗浮濾板上共有49 個濾頭。抗浮濾板混凝土強度為C30,抗滲等級P6,抗凍等級F150,采用HRB400 級直徑10mm 鋼筋。

根據本文第1 節計算原理,并結合以往工程經驗,本工程中每塊濾板每側錨固點取4 個即可滿足受力要求,抗浮濾板實際布置形式如圖3 所示。

圖3 上向流懸浮濾料濾池Fig.3 The anti floating filter plate for up-flow filter

本工程池體運行過程中,正常過濾時進水控制閥開啟,污水自下而上流經濾料層,通過濾料的過濾作用來達到過濾污水的效果。抗浮濾板起到阻擋濾料的作用,防止濾料隨水流出,污水通過濾孔透過抗浮濾板,由集水渠流出濾池。本抗浮濾板采用了企口結構形式,解決了板縫施工過程中澆筑及支模困難的問題; 使用微膨脹混凝土的澆筑,使得澆筑質量得到了很大的提高,解決了漏水、漏料的問題; 由于抗浮濾板兩端及濾梁上預留了鋼筋環,使得抗浮濾板的固定、連接變得更加方便、快捷,不僅節省了人工成本還保證了安全性; 抗浮濾板充分利用自身的重量及濾孔的泄壓作用來很好得達到了抗浮的效果,不僅滿足了出水水質的要求同時還合理地利用了材料,節省了工程造價。

該抗浮濾板在濾池運行中應用良好,污水處理廠在目前三年連續運行中水質達標,實踐證明,該上向流懸浮濾料濾池的抗浮濾板滿足工藝運行要求,應用效果良好。

4 結語

1.上向流懸浮濾料濾池的抗浮濾板應用了工程流體力學原理,同時采用了新型的企口結構形式,起到了基本的抗浮功能,同時具有安全、可靠、簡便、實用等特點。

2.該抗浮濾板在該污水處理廠工程實際應用中效果良好,作為濾池的主要部件對于保障出水水質達標起到了重要作用,能夠滿足工藝運行要求。