氧化溝的水頭損失計算與導流板偏置的作用
摘 要：氧化溝采用的曝氣轉刷除具有充氧性能外，還需推動溝內混合液循環流動并能保證混合液 中的活性污泥不會發生沉淀，否則會降低混合液的濃度，影響處理效果。為保證混合液中的活性污泥處于懸浮狀態，氧化溝最小平均斷面流速必須在0.3m/s以上，并以此作為主要的設計參數計算氧化溝的沿程和局部水頭損失，以確定曝氣轉刷的提升水頭和水下推進器的型號及數量。
T型氧化溝為三溝交替工作式氧化溝系統，曝氣沉砂池來水經過配水井可根據需要進入各溝內。溝與溝相互連通，兩側溝設有啟閉式可調堰，而剩余污泥一般從中溝排放。T型氧化溝系統運行靈活，曝氣沉淀均在溝內交替進行，省去了污泥回流系統。通過合理地編排運行程序，還可以有效地實現脫氮功能。
氧化溝采用的曝氣轉刷除具有充氧性能外，還需推動溝內混合液循環流動并能保證混合液 中的活性污泥不會發生沉淀，否則會降低混合液的濃度，影響處理效果。為保證混合液中的活性污泥處于懸浮狀態，氧化溝最小平均斷面流速必須在0.3m/s以上，并以此作為主要的設計參數計算氧化溝的沿程和局部水頭損失，以確定曝氣轉刷的提升水頭和水下推進器的型號及數量。
在工程上，設計的T型氧化溝都具有脫氮功能，屬延時曝氣，停留時間較長，造成氧化溝的總長度很大，平面布置上必然出現多處彎道。彎道的局部阻力相對于沿程阻力來說是相當大的，約占90%左右，但曝氣轉刷的推動力有限，應采取導流板減阻措施，其減阻效果可以通過水力計算說明。導流板的偏置，增強了減阻效果并更有效地防止固體沉淀，也減少了工程投資。
1 水頭損失的計算
污水經過預處理后進入氧化溝，由于氧化溝中的混合液沿溝渠循環流動，使溝中的循環流量遠遠大于進水流量。循環流量是由曝氣轉刷和水下推進器的推動所引起的，為了保持氧化溝中的固體呈懸浮狀態而不致沉淀，溝內斷面平均流速一般為0.3～0.5 m/s，溝底流速保證不低于0.1m/s。在實際運行過程中，如果水平流速達不到設計值，可以通過調節出水堰高度或曝氣轉刷的垂直位置來改變曝氣轉刷的浸沒深度和調節曝氣轉刷的轉速等措施來調節。
對于T型氧化溝來說，其溝底坡度和進出水位差很小，靠曝氣轉刷和水下推進器的推動，在溝內產生局部的水位差推動水流，其水位差用來克服沿程和局部水頭損失。實際上，起主要推動作用的是曝氣轉刷，它推動氧化溝混合液產生提升水頭h，其與轉刷浸沒深度(I)和線速 度(Vr)有如下關系：
h=k(Im/Y)Vrn （１）
式中h——曝氣轉刷的提升水頭，m
I——轉刷浸沒深度，m
Y——氧化溝水深，m
Vr——轉刷線速度，m/s
k、m、n—— 試驗常數
另外，從混合推動力（PC）指標來看[1]，
h=Fr/(ρgY)(2)
式中h——曝氣轉刷的提升水頭，m
Fr— 曝氣轉刷的混合推動力（表示溝內混合液達到0.3m/s的平均流速時，１m曝氣轉刷所能推動的混合液體積，單位為m3/m2，一般在200～250m3/m）
由以上兩個公式看出，曝氣轉刷的提升水頭與氧化溝的水深成反比。在設計氧化溝時應根據曝氣轉刷的推動力確定水深，否則氧化溝水深太大會降低溝底流速，容易造成懸浮固體的沉淀。可以采取減少溝底過水斷面的措施，提高溝底流速。
若對轉刷軸線的上下游斷面列能量方程，則曝氣轉刷的提升水頭等于混合液循環一周的水頭損失。若有多個曝氣轉刷，則其提升水頭為流至下一臺轉刷的水頭損失(計算沿程損失時，鋼筋混凝土溝壁粗糙系數n取0.013)。
根據氧化溝的構造情況，每臺轉刷下游均安裝傾角為60°的傾斜擋流板，使水流折向溝底， 推動溝底水流流動，保證溝底混合液充分混合。也可在上游安裝垂直擋流板，這樣局部阻力系數包括彎道阻力系數kb、垂直擋板阻力系數kv和傾斜擋板阻力系數ki。
對于彎道，其阻力系數kb＝0.5～1.0；對于垂直和傾斜擋流板的阻力系數，有人得出如下關系[1]：
kv＝5.4β1.5
ki＝4.3β1.5
式中d——擋流板水下深度，m
Y——氧化溝水深，m
故氧化溝的總阻力系數K為：
K=kf+∑kb+∑kv+∑ki
氧化溝總的水頭損失為：
∑h=KV2/(2g)
根據氧化溝總的水頭損失和所選用的轉刷臺數，可以校核轉刷總提升水頭能否克服總的水頭損失。若不能則應增設轉刷或采用水下推動器等輔助措施來保證達到混合推動要求。
2 導流板的作用
氧化溝直段上的沿程水頭損失相對于彎道的局部水頭損失來說非常小，一般認為僅為10%左 右。以某污水處理廠為例計算一個氧化溝的水頭損失：
【例】一氧化溝的總長度為300m，溝總寬20m，有效水深4m。
hf=n2LV2/R4/3=0.0132×300×0.32/(10×4/(10+4+4)4/3)=0.00157m
若彎道的阻力系數取1.0，則彎道的局部損失為：
hb=∑ζV2/(2g)=2×1.0×0.32/2g=0.00918m
沿程水頭損失占彎道局部水頭損失的0.00157/0.00918×100%＝17%，其中還包括了T型氧化溝連通孔的局部水頭損失，其實僅占總的水頭損失約為10%。因此，理想的彎道設計 對于保證具有關鍵作用的渠中水平流速來說是非常重要的。為了減少摩阻，氧化溝在每個轉 彎處都設一個或多個導流板，可以防止或推遲混合液與壁面的分離，減小旋渦區和二次流的產生，達到降低彎道阻力系數的目的。設置導流板后，其阻力系數按下式計算：
1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3+......+1/fcn
式中fc1～fcn——在由n-1個導流板分開的轉彎處每一渠道的局部阻力系數
這種計算類似于電學上的并聯電路。
下面再用一例子分析用導流板后局部阻力系數的變化情況：
【例】有一氧化溝，其彎道處的阻力系數(fC)等于10。當該渠道被二個導流板分開時，所形成的各支渠的局部阻力系數為fC1＝15，fC2＝07，fC3＝05，那么，由于彎道分割渠道，其阻力系數fC為：
1/fc=1/fc1+1/fc2+1/fc3=1/1.5+1/0.7+1/0.5
fc=0.224
由此看出，這個轉彎處的水頭損失減少到沒有分割前轉彎處損失的24.4%，減阻效果非常明顯。
導流板通常是薄壁結構，因為薄壁導流板的阻力和摩阻通常是忽略不計的，否則就要考慮由于它對水流的阻力所產生的額外損失。但彎道的阻力系數總是較大，這主要是因為它的曲率半徑較小。若導流板偏置于彎道處，即它的圓心不在氧化溝渠道的縱向中心線上，水流從大斷面進從小斷面出，這樣可以增加氧化溝彎道出口的水流流速，加強其紊流程度和沖刷能力，防止固體在隔墻背流處沉淀。實際工程中，一般只設一道導流板，再增加導流板會增加工程費用，導流板偏置能夠減少彎道隔墻背流處活性污泥等固體沉淀，從而減少導流板的數量，降低工程投資。山東省某污水處理廠采用偏置導流板，其在試運行過程中，發現T型氧化溝的直段全部產生污泥沉淀，但彎道處沒有產生，從而說明了偏置的導流板具有較強的減阻效果和防沉作用。
3 結語
①溝中斷面平均流速的動力主要來自于曝氣轉刷和水下推進器，通過提升水頭和水頭損失的計算，可以保證斷面平均流速達到設計值，保證混合和推流達到設計要求，保持氧化溝中固體呈懸浮狀態而不致沉淀。
②彎道局部阻力在整個氧化溝中比較大，設置導流板可降低彎道阻力，導流板的偏置可減少導流板的數量并防止彎道隔墻背流處的固體沉淀。
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