唐友堯1，徐山源2，王松林1，何純堤3
1.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北武漢430074；
2.武漢市自來水公司，湖北武漢430034；
3.北京市市政設計研究院，北京100045

　　摘 要：針對沉淀池排泥過程中所存在的問題，研制了一種新型的排泥裝置——擴張管嘴排泥管。該裝置利用水力學中擴張管嘴進口流量系數大、流速系數高、收縮斷面處真空度高的原理，使其排泥效率顯著提高。另外，該裝置還具有運行可靠，造價低，操作方便等優點，可廣泛用于沉淀池排泥系統的新建和改造。
　　關鍵詞：沉淀池；排泥；擴張管嘴
　　中圖分類號：X703.3
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　目前國內常用的排泥方式主要有三類：①穿孔管排泥，是目前使用較多的一種。其裝置構造簡單、投資省，但孔眼易堵塞，因此管理要求嚴格，需及時排泥，否則易造成排泥困難，影響沉淀效果。在設計上穿孔管不能太長，一般≤12 m，而且還采用快開閥門。②多斗排泥，最早用于平流沉淀池。此種方式排泥比較可靠，由于無機械設備，上馬容易，管理簡單，維修工作量少。但由于斗內積泥，排泥時，只在排泥管端部形成影響半徑為0.7～1 m的圓臺式空腔，其余污泥仍然積在池內，嚴重影響產水量和出水水質，只能采用定期放空、人工排泥的方法來維持生產；又由于形狀做成斗式，要增加池深，相應也增加了土建造價，放空清洗比較困難。如排泥間隔時間過長，還可能出現管口堵塞現象。③機械排泥，分為牽引式刮泥和多口虹吸式吸泥。其排泥效果較好，管理簡單，可以自動控制。另外池底可做成平底，使池深減少，降低土建費用，但由于機械電氣設備多，一次性投資大，加工維修比較麻煩。還有在原水濁度過高的情況下，不能夠將池底積泥完全排除。針對以上排泥方式存在的問題，研制了一種新型的排泥裝置——擴張管嘴排泥管，并進行了現場試驗。

　　1　試驗裝置

　　1.1　沉淀池模型
　　池體用鋼板制作，尺寸為2 624 mm×1 074 mm×976 mm，如圖1所示。

　　距進口0.3m處焊接一塊擋板，高速進水水流與擋板撞擊后，降低了水流的動能，使得箱體內基本保持穩定狀態；上端為人孔口，箱體右蓋板可以拆卸，用以更換不同類型的試驗排泥管；垂直方向做成梯形，用以模擬沉淀池底部形狀，便于污泥的固體顆粒滑向底部；水箱內部底板上焊接兩個支撐板，用以支撐排泥，而且所做的4種排泥管長度、直徑相同，可更換。
　　1.2　排泥管
　　①甲型排泥管，即普通穿孔排泥管(見圖2)。

　　甲型排泥管長2 020 mm，直徑為100 mm，在與軸線垂直、兩邊斜向下45°方向每隔100 mm交錯布置孔口，孔口直徑為32 mm，共19個。穿孔管兩端各焊接一個法蘭盤，直徑為205 mm，用以和法蘭盤蓋、出口短管相連接。
　　②乙型排泥管，即擴張管嘴水平放置、垂直于穿孔管軸線的排泥管(見圖3)。
　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在與軸線垂直的水平方向兩邊每隔100 mm交錯布置擴張管嘴共19個。擴張管嘴長140 mm，小端直徑為20 mm，擴散角為6°。

　　③丙型排泥管，即擴張管嘴水平放置，且與穿孔管軸線成45°夾角的排泥管(見圖4)。

　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在水平平面上，與軸線成45°的方向兩邊每隔100 mm交錯布置擴張管嘴共19個，擴張管嘴尺寸與圖3相同。
　　④丁型排泥管，即擴張管嘴在管下方與軸線的垂直面成45°，且與軸線也成45°夾角的排泥管(見圖5)。

　　該排泥管尺寸與普通穿孔管相同，在管下方與軸線的垂直面成45°，與軸線也成45°的方向兩邊每隔100 mm交錯布置擴張管嘴，共19個。擴張管嘴尺寸與圖3相同。

　　2 試驗方法與步驟

　　試驗分兩部分：清水試驗和泥水試驗，均在武漢市自來水公司余家頭水廠進行。
　　2.1清水試驗
　　清水試驗的目的是為了對比孔口出流和擴張管嘴出流的流量系數μ及其出流效率。
　　利用所做的試驗裝置，在出口端的垂直壁面上的適當位置鉆兩個孔口，其中一個直徑為20mm，另外一個直徑為32 mm，并且在直徑32 mm的孔口上，于模型池體內部焊接一擴張管嘴，小端直徑為16mm，擴散角為6°，長度為152 mm。
　　所鉆兩個孔口的位置要保證孔口出流和擴張管嘴出流的收縮為全部、完善收縮，因為孔口和擴張管嘴在壁面上的位置對收縮系數ε有直接影響。具體要求是它們與相鄰壁面的距離大于孔口和擴張管嘴尺寸的3倍，以使孔口出流的收縮不受距壁面遠近的影響。
　　清水試驗采用3種不同的水頭，分別是4.90、7.64、10.68 kPa。在各個水頭作用下，要求池體中水量能得到源源不斷地補充，使水頭保持不變。
　　試驗步驟如下：
　　①當孔口的出流在4.90 kPa水頭下變成恒定流時，用秒表掌握時間，用水桶盛裝、測量這段時間的出流量，然后用量筒測量水桶中的水量，再求出單位時間段的流量。
　　②按照以上方法測量10次。
　　③求出單位時間出流量的平均值。
　　④將孔口面積ω、水頭高H0和出流量Q代入孔口出流的基本公式，求出流量系數μ。
　　⑤將孔口出流的水頭再分別設定為7.64、10.68 kPa，用同樣的方法求出相應的流量系數μ。
　　⑥將上面求得的三個流量系數取平均值，該值即為試驗所得的孔口的流量系數μ。
　　⑦然后開始做擴張管嘴的試驗。在擴張管嘴出流的情況下，重復以上①～⑥，從而測得擴張管嘴的流量系數μ。
　　2.2泥水試驗
　　將擴張管嘴和孔口應用在排泥工況下進行對比，測試不同擴張管嘴布置形式的效果，目的是為了驗證擴張管嘴的排泥效果，得到最佳的擴張管嘴布置形式。泥水試驗裝置見圖6。試驗模型箱體的進水管口用軟管與水廠沉淀池的穿孔排泥管的出口相連；箱體頂部的人孔蓋板用螺栓密封；把甲型排泥管放置在箱體內部，用螺栓將兩端分別連接；軟管和人孔蓋板上的排氣孔用鐵絲連接；水表與箱體出口端用螺栓連接，水表出口端再加連一出口短管，可將泥水排至排泥渠。

　　試驗步驟如下：
　　①打開沉淀池甲型排泥管的閥門，泥水經軟管進入箱體，當看到人孔蓋板上排氣孔有泥水排出時，說明箱體內已經充滿泥水，此時即可開始測量。
　　②打開箱體出口端的閥門，用秒表計量時間，用水表計量該時間段內的流量，求出單位時間的出水流量(m3/s)。
　　③重復②，做10次計量，利用10次所測的單位時間的出水流量求出平均值。
　　④將箱體拆開，取出甲型排泥管，換之以乙型排泥管，再次封閉箱體。
　　⑤重復①～③。
　　⑥將箱體拆開，取出乙型排泥管，換之以丙型排泥管，再次封閉箱體。
　　⑦重復①～③。
　　⑧將箱體拆開，取出丙型排泥管，換之以丁型排泥管，再次封閉箱體。
　　⑨重復①～③。

　　3 試驗結果分析

　　3.1　清水試驗
　　清水試驗數據分別見表1、2。
　　已知孔口的面積ω₁=πd²/4=3.14×0.02×0.02/4=3.14×10^-4 m²，擴張管嘴小端的面積為ω₂=πd²/4=3.14×0.016×0.016/4=2.01×10^-4 m²，將它們及表1、2中的數據分別代入

　　μ=Q/(ω(2gH₀)^0.5)
　　式中　Q——流量，m³/s
　　　　　H₀——水頭，kPa
　　　　　ω——斷面面積，m²
　　　　　μ——流量系數

　　由式(1)可以得到：孔口出流系數平均值為0.571，與理論值0.62接近；擴張管嘴出流系數平均值為1.835，后者比前者提高了221.3%。由式(1)知，在ω和H0一定的情況下，由于擴張管嘴的流量系數比孔口大，故在進口處造成較大的進口流速，產生較大的真空度。
　　3.2泥水試驗
　　甲型、乙型、丙型和丁型排泥管的試驗數據分別見表3～6。

　　3.3 箱體內積泥情況及流量系數比
　　對甲型排泥管，測量完畢后，拆開箱體發現，模型管子下都有積泥，距離遠端(即進水口)箱體壁面85 cm處的管子周圍開始積泥，55 cm處中等淤積，35 cm處沉泥完全淹沒模型管子；對乙型、丙型排泥管，模型管子下都有積泥，管子周圍積泥比較平均，均沒有淹沒擴張管嘴的小端孔口；丁型排泥管，箱體底部基本上沒有多少積泥。
　　由于泥水特性與清水不一樣，故其流量系數比清水小得多，但在同等的試驗條件下，擴張管嘴出流效率比孔口出流提高了156.41%。
　　通過對比可以看出，丁型排泥管流量系數μ最大，箱體內的積泥最少，因此這種擴張管嘴的布置方式最佳。

　　4　結論

　　①排泥效率。在清水試驗條件下，擴張管嘴比孔口的出流效率提高了221.37%，擴張管嘴在管下方與軸線的垂直面成45°，且與穿孔管軸線也成45°夾角的排泥管在同等水頭的泥水工作條件下，比普通穿孔管的排泥效率提高了156.41%。由此可見，擴張管嘴可以更快速地將沉泥排走。
　　②排泥可靠性。由于擴張管嘴出流時，在收縮斷面處形成高真空，也就是相當于在排泥管內安裝了一臺真空泵，具有很大的抽吸能力，能夠將擴張管嘴附近的沉泥抽吸干凈，所以排泥后基本上不存在積泥，不會影響生產；另外在沉淀池內部不會導致紊動，不影響出水水質。
　　③裝置的造價。由于該材料采用普通鋼板，制作工藝簡單，所以造價較低，只比普通穿孔管的造價稍高一些。如果用于普通穿孔排泥管的更新改造，則只需將擴張管嘴焊接到普通穿孔管上即可。
　　④操作簡便性。如果水廠安裝了自動控制系統，則排泥時運行管理人員只需在主控室內打開氣閥即可，操作簡便、工作環境好。
　　總之，該裝置具有排泥效率高、運行可靠、造價低、操作簡便等優點，可廣泛于用沉淀池排泥系統的新建和改造。

　　參考文獻：
　［1］于天壁.斜管沉淀池排泥系統的改進［J］.給水排水，1994，20(4):47-50.　
　［2］鐘德玲.斜管沉淀池配水與排泥系統設計一則［J］.給水排水，1994，20(12　):13-16.
　　

　　作者簡介：唐友堯(1941-)，男，漢族，湖南邵陽人，華中科技大學教授，研究方向為水處理技術。
　　電　　話：(027)87808129
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　　收稿日期：2000-12-08