水厂斜管沉淀池排泥系统设计

第5卷第4期2011年8月

供水技术

WATERTECHNOLOGYVol．5No．4Aug．2011

水厂斜管沉淀池排泥系统设计

赵

荣，张建锋，王

峰

（1．中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000；2．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；3．西安市水业运营

有限公司南郊水厂，陕西西安710054）

要：根据污泥的流动性确定了重力排泥沉淀池积泥斗的设计坡度和输送时管道阻力的

计算公式，进而计算得出穿孔排泥管道的直径、开孔孔径和开孔比。分析表明：泥斗坡度为50°时，

摘

能够有效排除含水率在98%以上的积泥；排泥管道的直径和开孔孔径分别为200和30mm，孔间距为0．3m，此时的开孔比KW=0．76，均匀度η=0．85。

沉淀池排泥；流变性；泥斗坡度；

中图分类号：TU991．23文献标志码：Adoi：10．3969/j．issn．1673－9353．2011．04．002关键词：

管道阻力；均匀度

文章编号：1673－9353（2011）04－0005－05

Designofinclined-tubesedimentationtankforsludge

dischargesysteminwaterworks

ZhaoRong1，ZhangJianfeng2，WangFeng3

（1．ChinaNorthwestMunicipalEngineeringDesignandResearchInstituteCo．，Ltd．，Lanzhou730000，China；2．SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China；3．SouthSuburbWaterworks

ofXi’anWaterOperationCo．，Ltd．，Xi’an710054，China）

Abstract：

Accordingtothefluidityofsludge，theslopedesignofsludgehopperofgravitysludge

dischargesedimentationtankandthecalculationformulaofpiperesistanceweredetermined，aswellasthediameter，holediameterandtheopeningratiooftheperforatedsludgedischargepipe．Theanalysisindicatedthat50°ofsludgehopperslopecouldeffectivelyremovethesludgeofthemoisturecontentmorethan98%，thepipediameterandholediameterwere200and30mmrespectively，theholespacingwas0．3m，theopeningratioKW=0．76，uniformityη=0．85。Keywords：sludgedischargeofsedimentationtank；resistance；

uniformity

题，对生产运行造成影响。笔者以污泥的流变性为基础，分析研究了净水处理中有关重力排泥系统的设计参数及其控制特性。1

fluidity；

sludgehopperslope；

pipe

斜管沉淀池具有体积小、沉淀效率高、对浑水异重流的适应性很好等特点，因而被广泛应用，其排泥系统通常采用穿孔排泥管。目前，对穿孔排泥系统进行设计时所采用设计参数多是依据设计手册推荐未能针对不同的沉泥性质进行具体分析。的经验值，

因而在实际应用过程中经常会出现排泥系统堵塞问

流变学的基本原理

根据流体的流变性，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体，水厂污泥一般为非牛顿流体（或称宾

第5卷第4期供水技术

排泥特点

2011年8月

汉流体），多表现为塑性或假塑性流体，可用滞性定律公式来表示：

τ=τ0+η

式中

dudy

3.1.2

（1）

开启泥斗底流排泥阀，在泥层达到一定高度时，

伴随排泥阀的开启，原有的泥层水力平衡被打破，水压作用方向发生改变，泥层在一定压力水头推动下

积做近似的垂直流动。在底流排泥阀开启的瞬间，泥层所受到的压力迅速变化，由单纯的浮力、重力作

用变成浮力、重力、水压力共同作用，此时的水压力不仅提供了流动所需的动力，还使积泥进一步压缩。泥斗边壁积泥压缩时间过长会造成板结，进而影响后续的排泥操作。因此，应选择合适的泥斗坡度。当排泥阀打开时，使沉泥由于重力而产生的下滑力等于或大于其流动所受到的阻力，积泥及时滑入泥堆主体，从而保证排泥的连续性和彻底性。3.2

V型斗槽坡度的确定

积泥系统中的沉泥多以半固状态或塑性状态存在，与颗粒状泥土的剪切坍滑相比，沉泥更容易产生相对滑动破坏。连接积泥颗粒的粘结力几乎不存在，主要表现为水分子间的粘结力，抗拉强度非常小，可以忽略不计，故其强度即是指积泥的抗剪强度。

土力学中黏性土的抗剪强度见式（2）：

τf=C+σtanφ式中

——抗剪强度，N/m2；τf—

C———粘聚力，N/m2；

——破坏面上垂直压应力，N/m2；σ———内摩擦角或剪切抵抗角，°。φ—

将此概念引入液面下积泥中，可知泥面上垂直

压力越大，积泥的抗剪强度就越大。砂土的内摩擦角约为32°～40°，细砂和粉砂约为28°～36°，一般

C约为70kPa［1］。粘土为25°，

如图1所示，取积泥单元abcd，由自重产生的

沿斜面的下滑力为Gsinθ，在滑动面上由积泥的抗剪强度产生的摩擦力（抗滑力）为Gsinθtanφ+C，其中

tanφ相当于积泥的摩擦系φ是积泥的内摩擦角，数

［2］

——极限（初始）切应力，N/m；τ0—

——刚体系数（滞性系数），Pa·s；η—

du/dy———速度梯度，s。

－1

这种流体在静止时具有足够刚度的三维结构，

足以抵抗小于屈服应力τ0的任何外力。2

污泥流变性的本质及影响因素

流变性是流体物料力学性质的反映，即流体抵抗剪切变形的能力。污泥是多相液体，分散相存在一定的相互作用，在静止时形成网络结构；当剪切速

这种结构逐渐被破坏，污泥粒子沿流动方率增大时，

向定向排列，使流动阻力减小，表现为粘度降低。流

体运动的一般规律是分散相浓度越大，流体流动性越小；体系温度越高，流体流动性越大。污泥的流变参数由污泥的类型、含水量、粒度分布、连续相性质和污泥浆体组成中所含的添加剂共同决定，不存在两种完全相同的污泥浆体。不同水厂的混凝沉淀池SiO2、Fe2O3、Al2O3化合排泥的成分通常以CaCO3、

物为主，污泥中除混凝剂的残渣以外，其他成分主要而燃烧损失试验表来源于原水流经的地表层土壤，明，水厂污泥中有机物含量通常在15%～25%之间

［1］

（2）

。对于给水沉淀池的积泥，影响其流变性的主

要因素是颗粒的浓度，一般用含水率来表示，其次是积泥成分及粒度分布，主要表现为有机物的含量及药剂的投加量。这直接影响排泥水的浓度，因此排泥水的主要差异表现在浓度的差异上。33.1

积泥系统分析

积泥系统的特点

常见的斜管沉淀池多采用重力方式排泥，一般

积泥在池底设置V型斗槽。积泥系统在不同阶段，层有很大的变化，一般情况下可分为两个阶段进行

讨论：一是积泥阶段，二是排泥阶段。3.1.1

积泥过程的特点

V型斗槽的积泥过程，始于絮体颗粒均匀地沉絮积在V型斗槽的边壁上。随着沉积过程的进行，体在自身重力的作用下不断被压缩，由于V型斗槽边壁具有一定的倾角，重力沿边壁的分力会使絮体

泥液界随槽壁坍塌滑动。从V型斗槽横断面上看，面大致呈下凹圆弧状分布。

，积泥重量G=γszcosθ。

抗滑力：

Gcosθ+γ（z+h）］tanφ+Cτf=［

滑动力：

（3）（4）

式中

τ=Gsinθ——抗剪强度，N/m2；τf—

——滑动力，N/m2；τ—G———单位体积污泥的重力，N；——水的重度，N/m3；γ—

2011年8月赵荣，等：水厂斜管沉淀池排泥系统设计第5卷第4期

z———积泥面高度，m；z0———积泥面总高度，m；h———积泥面距水面的高度，m；——积泥的重度，N/m3；γs—

——V型槽倾角，°；θ—

C———摩擦力常数，N

。

下，后者的抗滑阻力较大。因此，积泥实际流动过程

泥层间首先发生滑动，在V型斗槽边壁上会留中，

下一个较薄的泥层。此时的泥层厚度较小，故可以忽略这部分积泥量。进而可以认为是泥层整体下滑，但摩擦系数应取泥面间的摩擦系数。

从表1可以看出，沉淀池排泥水含水率通常在98%左右，絮体主要由粘土构成，φ约为25°。根据式（6），用线性插值法可计算得出最小的倾斜角θ约为50°。

表1

Tab．1

城市水厂污泥含水量

［4］

Moisturecontentofsludgeinurbanwaterworks

含水量/%密度/（kg·L－198～99．91．02～1．0

601．595～97．51．05～1．0299．2～99．61．005～1．00896～981．02

图1

Fig．1

泥斗积泥的受力分析

污泥种类

水厂沉淀池排泥沉淀池的沉砂初沉池沉泥

活性污泥法二沉池污泥生物膜法二沉池污泥

Forceanalysisofsludgeinsludgehopper

44.1

排泥系统

沉淀池排泥浆体的特点①②

［5］

积泥的滑动分两种情况考虑：①积泥整体下滑，

主要考虑积泥与泥斗壁面之间的滑动摩擦；②积泥分层下滑，主要考虑积泥颗粒之间的滑动摩擦。

情况一，积泥层仅限z=z0时才能运动的条件为

［3］

沉淀池排泥浆体的泥沙含量较高，一般属于

宾汉流体，浑水阻力波动大，会出现阵流和滞流现象。沉淀池排泥管内含沙量较高的水挟带泥块或泥沙絮团流动是一种非均质复合浆体运动，在管管道阻力损失主道底部以推移方式移动甚至停滞，要来自水流阻力和内摩擦力。4.2

浆体管道的输送形式

［6］

：dτdτf

＜dzdz

边界条件：当z=z0时，τ=τf。联立求解，可得最不利情况下：γs+γ2

cosθ

tanθ=

γs（1+h）d



tan

φ

（5）

固体颗粒运动形式不同，因此管道输送的水力

现有的管道固体输送可以概括为计算方法也不同，以下三种形式。

①

伪一相流管道输送

固体颗粒很细，与水混合后成为均质浆液，大多

情况二，无论沉积泥层有多厚，都能因水流作用

［3］

而进入运动的条件为：

dτdτf

＜dzdz可以解出：

γ+γs

tanθ=（6）cos2θtanφ

γs

从式（5）和式（6）可以看出，积泥滑动所受到的水深和浓度有关，整体滑动比分层阻力与积泥厚度、

滑动的阻力大；tanφ表示的意义有所不同，分别为泥层间的滑动摩擦系数和泥层与固体壁面间的滑动摩擦系数，一般情况下后者远大于前者，在相同条件

具有非牛顿流体的特征，在输送速度下始终保持颗

粒不沉，管道的输送阻力服从非牛顿体的管流阻力规律。浆液的重度及粘度因浓度的不同而不同。

②

以清水为液相的两相流管道输送

缺乏或没有细颗粒，在输送速度固体颗粒较粗，

下始终保持颗粒不沉，固体颗粒在运动中有明显的

沉降趋势，管道断面浓度分布很不均匀，推移质的颗粒占相当大的比重。

③

以浆液为液相的两相流管道输送

固体颗粒组成很不均匀，有一定数量的细颗粒

与水组成浆液，使粗颗粒的沉速下降，或使推移运动转变成悬移运动。在输送速度下，大部分颗粒保持

第5卷第4期供水技术

v2（v+dv）2

H+=H+dH++dhf

2g2g化简得：－dH=

dv+dhfg

2011年8月

悬移，少数处于悬移或推移的过渡阶段，因而管道的

这是最常见的输送形式。阻力明显减小，4.3

浆体管道的阻力计算

假设长度为l、内径为d的管道两端压差为ΔPs，在非均匀悬浮条件下这一压差被两部分能量损失所平衡，一部分是包括全部泥沙颗粒在内的浆体流动时对管壁的剪切力所产生的能量损失，另一部分则是固体颗粒沿管底推移所产生的摩阻损失。水厂的沉淀排泥水在管道内的流动多处于伪一相流状态，在输送流速下管道浓度分布十分均匀，颗粒在浓度很高的浆液中沉速（ω）接近于零，根据能量平

［6］

衡可以推导出阻力的计算公式：

4λSv2γSτ=

2gdγ——滑动力，N/m2；τ—

——泥浆管道范宁阻力系数；λ———水的重度，N/m3；γ—

——积泥的重度，N/m3；γS—D———管道内径，m；v———管内流速，m/s。

研究表明：管道断面浓度分布主要的影响因素是

颗粒的大小和固体浓度，而管道直径的大小对浓度分布几乎没有影响；流速对浓度的分布有一定的影响，粒径越粗，流速对浓度分布的影响越明显。4.4排泥管道阻力的确定

4.4.1管道内的压力分布及阻力计算［7］

在穿孔排泥管始端某处取一微分段dx，见图2。设微分段进口断面流量为q，流速为v，压力水头为H；微分出口断面流量为q+dq，流速为v+dv，压力水头为H+dH。穿孔管全长为L，横断面面积为A；管道起端流量、流速均为零，出口断面流量为q，流速为v0。假设排泥管积泥均匀，由微分段泥水流的

进口流量vA与转输流量（q/L）dx连续性方程可得，

之和等于出口流量（v+dv）A。对于出口断面有：

vA+x=（v+dv）A

简化得：

dv=dx（8）

v=v0考虑末端边界条件：x=L，

v0v=x

L由能量方程得：

（7）

式中

（10）

式中

dhf———为微分段沿程水头损失，m；沿程水头损失可用下式进行计算：

2λvdhf=dx

2Dg——泥浆管道范宁阻力系数。λ—

将式（9）和式（11）代入式（10）可得：

12v0

dH=－2（2x+x）dx

D2gL

（11）

H=H0，代入边界条件x=L时，可得：

22x2v0λLx3v0

H=H0+（1－2）+（1－3）

L2g3DL2g

式中（12）

式中H———管内外压力水头差，m；H0———管内出口处的水头，m。

图2

Fig．2

穿孔排泥管上的微元体

Microunitofperforatedsludgedischargepipe

故可令压力水头系数：x2x3λL

=（1－2）+（1－3）

3DLL

穿孔排泥管孔眼泥水流属于淹没式孔口出流，

孔眼流量：式中

q1=μA1q1———单孔积泥量，m3/s；A1———单孔面积，m2；

——淹没出流流量系数，μ—μ=0．62。由式（13）可知，穿孔排泥管沿管线均匀分布且孔径相等时，要使积泥均匀，则各积泥孔的作用水头相等，在管外压力均匀分布的情况下，要求管内压力

（13）

（9）

也应均匀分布。但由式（12）可知，管内压力是沿流向不断变化的，所以穿孔排泥管积泥并不均匀。

2011年8月赵荣，等：水厂斜管沉淀池排泥系统设计第5卷第4期

若要保持积泥完全均匀，需要根据管内压力的变化

实际工程中多采用等孔径等适当调整孔径或孔距，

但必须适当控制开孔比以满足实际间距布置方式，

工程对均匀度的要求。由式（13）可知，由于管内压力线沿程变化而沉淀池水面线变化不大，导致孔口作用水头不同而出现积泥不均匀，其积泥均匀度由首末两孔眼处的积泥量之比确定，即：

η=

qmin

=qmax

min

=hmax

1+2μ2K2W

——流量系数，μ—μ=0．62。

则总水头损失：h=hf+hτ

池单个排泥管总的开孔数。

在排泥管管径和开孔孔径选定后，应按公式进行计算，比较总水头损失h和所能提供的有效水头H'0（池内水平面距排泥管的水平高差，一般在4m左右），应使H'0＞h，并保持一定的富裕量。否则应适当放大管径和孔径或者选用摩阻较小的管材。4.4.2设计计算

以一穿孔排泥管为例，计算其孔眼的合理分布。该穿孔排泥管长度L=5．0m，管径D=200mm，孔眼直径d=30mm，λ=0．045，取孔口流速v1=2．5m/s，此时所需的作用水头：

v21

（）2μH'==0．83m

取均匀度η=0．85，则管道特性系数2=1．375，KW=0．76，n≈34。

布孔间距：

Lb==0．29m

η+1

假设沉淀池排泥经过处理后，可以近似看作是伪一相流体，可由公式（15）得出：

v20

hf=2=0．28m

为验证假设的有效性，在计算过程中以开孔处为界，分段确定各段阻力，计算结果见表2。

（17）

n1为沉淀其中单根排泥管的总流量q0=n1q1，

式中2=1+λL/3D；KW是集水管孔口总面积与集KW=nA1/A。当孔眼水管横截面积之比（开孔比），

流量系数可视为常数时，穿孔排泥管的积泥均匀度

只与排泥管管道特性系数和开孔比有关，当排泥管给定后，即给定了管道特性系数，可以通过调整开孔比来满足积泥均匀度的要求。

由于排泥管上积泥孔的数量均匀增加，则沿水流方向，排泥管内流量沿管长分段增加，故可以近似地认为是均匀增加。

将式（9）代入式（11）积分后得出，有流动时的沿程损失：

v20

hf=2

过孔损失可以用下式计算：

KAρv21

hτ=2（16）

μ2gKA———水头损失修正系数，可采用1．0～

1．1；

——泥浆密度，kg/m3；ρ—v1———孔眼流速，m/s；

（15）

（14）

式中

序号12323334∑

相对均匀度0．8540．8590．9910．9961．00031．525

过孔流量/（m3·s－1）0．0020．0020．0020．0020．0020．060

表2管段水头损失Tab．2Headlossofpipeline过孔流速/各段流量/

过孔损失/m－1

（m·s）（m3·s－1）2．3010．7970．0022．3130．8050．0032．6701．0720．0562．6821．0820．0582．6941．0910．060

各段流速/

（m·s－1）0．0520．1041．7901．8501．911

各段水头损失/m0．0000．0000．0430．0460．0490．554

从表2可知：在保证适当的均匀度（开孔比）时，计算结果与实际结果能够较好地符合。但是计算结果会小于实际值（0．28＜0．55），故在设计时应该选取较高的开孔比。

KAρv21

hτ=2=0．94m

μ2g

实际过孔损失为0．8～1．1m，与假设计算结果

（下转第13页）

2011年8月

续表3混凝剂

FeCl3混合液（1∶2．5）PAC

FeCl3混合液（1∶1）+PACFeCl3混合液（1∶1．25）+PACFeCl3混合液（1∶1．5）+PACFeCl3混合液（1∶2．0）+PAC

李爱斌，等：处理低温低浊滦河原水的混凝剂选择试验（Continue）

/加药成本/（mg·L－1）（元·m－3）

1017．510+2．510+2．510+2．510+2．5

0．01690．01720．01310．01420．01520．0148

第5卷第4期

3结论

FeCl3混合液、PAC作为混凝采用FeCl3单铁、

在不同投加条件下对低温低浊滦河水进行处理，剂，

采取复合投加FeCl3混合液和PAC的方式对浊度和CODMn的去除情况最好，且药剂成本最低。最佳复合投加量为10mg/L铁碱比为1∶1的FeCl3混合液

3+2．5mg/LPAC，药剂成本为0．0131元/m。如果

也可以单独投加10mg/L铁缺少复合投加的条件，

由表3可知，单独投加铁碱比为1∶1．25的

FeCl3混合液的药剂成本最高，为0．0205元/m；单

碱比为1∶2．0的FeCl3混合液。水厂实际运行时，可根据水质的变化适当调整投加量。参考文献：

［1］石明岩．给水处理系统高效经济运行的试验研究

［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2000．［2］龚云峰，．华吴春华，丁桓如．低温低浊水处理技术［J］

2004，32（11）：14－16．东电力，

［3］刘宏江．水力条件对絮凝效果影响的研究［J］．广东有

2003，13（1）：41－45．色金属学报，

独投加铁碱比为1∶2．0的FeCl3混合液的药剂成本

相对较低，为0．0148元/m；复合投加的药剂成本

为0．0131元/m。因此，在低温低浊期，采取最低，

FeCl3混合液和PAC复合投加的方式最好，最佳复合投加量为10mg/L铁碱比为1∶1的FeCl3混合液+2．5mg/LPAC；如果缺少复合投加的条件，也可单独投加10mg/L铁碱比为1∶2．0的FeCl3混合液。

水厂实际运行时，可根据水质的变化适当调整投加E-mail：liaibin0203@126．com量。收稿日期：2011－05－13

（上接第9页）

相近，因此采取均匀假设是合理的，可以简化计算的复杂性。此时：

H'+hf+hτ=0．83m+0．28m+0．94m=

2．05m＜4．0m

流动所需的最小水头为2．05m，小于一般沉淀池所能够提供的水头，并且有一定的富余水头，满足污泥可以在管道内顺利流动。要求，5

较大的均匀度。

在确定排泥管管径和开孔孔径时，应进行

使流动阻力小于可用水头，否则应适当必要的复核，

⑤

放大管径和孔径或者选用摩阻较小的管材。参考文献：

［1］王圃，龙腾锐，李江涛，等．城市给水厂污泥处理与能J］．重庆建筑大学学报，2005，27（4）：77－80．耗［

［2］唐芬，．北京：人民交唐德兰．土力学与地基基础［M］

2004．通出版社，

［3］松罔元．土力学［M］．罗汀，姚仰平，编译．北京：中国

2001．水利水电出版社，

［4］钱宁，M］．北京：科学出版社，万兆惠．泥沙运动力学［

2003．［5］李圭白，．北京：中国建筑工业张杰．水质工程学［M］

2005．出版社，

［6］傅文德，．北京：中国建许保玖．高浊度给水工程［M］

1994．筑工业出版社，

［7］钱宁．高含砂水流运动［M］．北京：清华大学出版社，

1989．

E-mail：z_rong0326@163．com收稿日期：2011－06－17

结论

①②

污泥属伪塑性非牛顿流体，其流变性与温

度及剪切变形速率有关，随温度的升高而增大。经过预处理的浆体属伪一相流，其管道阻

4λSv2γS

力可根据τ=。

2gdγ

③流变性分析表明，泥斗坡度为50°时，能够有效排除含水率大于98%的积泥；排泥管道顺利排出积泥时，其直径和开孔孔径分别为200和30mm，孔间距为0．3m，此时的开孔比Kw=0．76，均匀度η=0．85。

均匀假设计算的管道损失比实际损失略

小，其大小与开孔的均匀度有关，设计时尽可能选取

④

第5卷第4期2011年8月

供水技术

WATERTECHNOLOGYVol．5No．4Aug．2011

水厂斜管沉淀池排泥系统设计

赵

荣，张建锋，王

峰

（1．中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000；2．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；3．西安市水业运营

有限公司南郊水厂，陕西西安710054）

要：根据污泥的流动性确定了重力排泥沉淀池积泥斗的设计坡度和输送时管道阻力的

计算公式，进而计算得出穿孔排泥管道的直径、开孔孔径和开孔比。分析表明：泥斗坡度为50°时，

摘

能够有效排除含水率在98%以上的积泥；排泥管道的直径和开孔孔径分别为200和30mm，孔间距为0．3m，此时的开孔比KW=0．76，均匀度η=0．85。

沉淀池排泥；流变性；泥斗坡度；

中图分类号：TU991．23文献标志码：Adoi：10．3969/j．issn．1673－9353．2011．04．002关键词：

管道阻力；均匀度

文章编号：1673－9353（2011）04－0005－05

Designofinclined-tubesedimentationtankforsludge

dischargesysteminwaterworks

ZhaoRong1，ZhangJianfeng2，WangFeng3

ofXi’anWaterOperationCo．，Ltd．，Xi’an710054，China）

Abstract：

Accordingtothefluidityofsludge，theslopedesignofsludgehopperofgravitysludge

uniformity

题，对生产运行造成影响。笔者以污泥的流变性为基础，分析研究了净水处理中有关重力排泥系统的设计参数及其控制特性。1

fluidity；

sludgehopperslope；

pipe

因而在实际应用过程中经常会出现排泥系统堵塞问

流变学的基本原理

根据流体的流变性，可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体，水厂污泥一般为非牛顿流体（或称宾

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排泥特点

2011年8月

汉流体），多表现为塑性或假塑性流体，可用滞性定律公式来表示：

τ=τ0+η

式中

dudy

3.1.2

（1）

开启泥斗底流排泥阀，在泥层达到一定高度时，

伴随排泥阀的开启，原有的泥层水力平衡被打破，水压作用方向发生改变，泥层在一定压力水头推动下

积做近似的垂直流动。在底流排泥阀开启的瞬间，泥层所受到的压力迅速变化，由单纯的浮力、重力作

V型斗槽坡度的确定

土力学中黏性土的抗剪强度见式（2）：

τf=C+σtanφ式中

——抗剪强度，N/m2；τf—

C———粘聚力，N/m2；

——破坏面上垂直压应力，N/m2；σ———内摩擦角或剪切抵抗角，°。φ—

将此概念引入液面下积泥中，可知泥面上垂直

压力越大，积泥的抗剪强度就越大。砂土的内摩擦角约为32°～40°，细砂和粉砂约为28°～36°，一般

C约为70kPa［1］。粘土为25°，

如图1所示，取积泥单元abcd，由自重产生的

沿斜面的下滑力为Gsinθ，在滑动面上由积泥的抗剪强度产生的摩擦力（抗滑力）为Gsinθtanφ+C，其中

tanφ相当于积泥的摩擦系φ是积泥的内摩擦角，数

［2］

——极限（初始）切应力，N/m；τ0—

——刚体系数（滞性系数），Pa·s；η—

du/dy———速度梯度，s。

－1

这种流体在静止时具有足够刚度的三维结构，

足以抵抗小于屈服应力τ0的任何外力。2

污泥流变性的本质及影响因素

流变性是流体物料力学性质的反映，即流体抵抗剪切变形的能力。污泥是多相液体，分散相存在一定的相互作用，在静止时形成网络结构；当剪切速

这种结构逐渐被破坏，污泥粒子沿流动方率增大时，

向定向排列，使流动阻力减小，表现为粘度降低。流

物为主，污泥中除混凝剂的残渣以外，其他成分主要而燃烧损失试验表来源于原水流经的地表层土壤，明，水厂污泥中有机物含量通常在15%～25%之间

［1］

（2）

。对于给水沉淀池的积泥，影响其流变性的主

积泥系统分析

积泥系统的特点

常见的斜管沉淀池多采用重力方式排泥，一般

积泥在池底设置V型斗槽。积泥系统在不同阶段，层有很大的变化，一般情况下可分为两个阶段进行

讨论：一是积泥阶段，二是排泥阶段。3.1.1

积泥过程的特点

泥液界随槽壁坍塌滑动。从V型斗槽横断面上看，面大致呈下凹圆弧状分布。

，积泥重量G=γszcosθ。

抗滑力：

Gcosθ+γ（z+h）］tanφ+Cτf=［

滑动力：

（3）（4）

式中

τ=Gsinθ——抗剪强度，N/m2；τf—

——滑动力，N/m2；τ—G———单位体积污泥的重力，N；——水的重度，N/m3；γ—

2011年8月赵荣，等：水厂斜管沉淀池排泥系统设计第5卷第4期

z———积泥面高度，m；z0———积泥面总高度，m；h———积泥面距水面的高度，m；——积泥的重度，N/m3；γs—

——V型槽倾角，°；θ—

C———摩擦力常数，N

。

下，后者的抗滑阻力较大。因此，积泥实际流动过程

泥层间首先发生滑动，在V型斗槽边壁上会留中，

下一个较薄的泥层。此时的泥层厚度较小，故可以忽略这部分积泥量。进而可以认为是泥层整体下滑，但摩擦系数应取泥面间的摩擦系数。

从表1可以看出，沉淀池排泥水含水率通常在98%左右，絮体主要由粘土构成，φ约为25°。根据式（6），用线性插值法可计算得出最小的倾斜角θ约为50°。

表1

Tab．1

城市水厂污泥含水量

［4］

Moisturecontentofsludgeinurbanwaterworks

含水量/%密度/（kg·L－198～99．91．02～1．0

601．595～97．51．05～1．0299．2～99．61．005～1．00896～981．02

图1

Fig．1

泥斗积泥的受力分析

污泥种类

水厂沉淀池排泥沉淀池的沉砂初沉池沉泥

活性污泥法二沉池污泥生物膜法二沉池污泥

Forceanalysisofsludgeinsludgehopper

44.1

排泥系统

沉淀池排泥浆体的特点①②

［5］

积泥的滑动分两种情况考虑：①积泥整体下滑，

主要考虑积泥与泥斗壁面之间的滑动摩擦；②积泥分层下滑，主要考虑积泥颗粒之间的滑动摩擦。

情况一，积泥层仅限z=z0时才能运动的条件为

［3］

沉淀池排泥浆体的泥沙含量较高，一般属于

浆体管道的输送形式

［6］

：dτdτf

＜dzdz

边界条件：当z=z0时，τ=τf。联立求解，可得最不利情况下：γs+γ2

cosθ

tanθ=

γs（1+h）d



tan

φ

（5）

固体颗粒运动形式不同，因此管道输送的水力

现有的管道固体输送可以概括为计算方法也不同，以下三种形式。

①

伪一相流管道输送

固体颗粒很细，与水混合后成为均质浆液，大多

情况二，无论沉积泥层有多厚，都能因水流作用

［3］

而进入运动的条件为：

dτdτf

＜dzdz可以解出：

γ+γs

tanθ=（6）cos2θtanφ

γs

从式（5）和式（6）可以看出，积泥滑动所受到的水深和浓度有关，整体滑动比分层阻力与积泥厚度、

滑动的阻力大；tanφ表示的意义有所不同，分别为泥层间的滑动摩擦系数和泥层与固体壁面间的滑动摩擦系数，一般情况下后者远大于前者，在相同条件

具有非牛顿流体的特征，在输送速度下始终保持颗

粒不沉，管道的输送阻力服从非牛顿体的管流阻力规律。浆液的重度及粘度因浓度的不同而不同。

②

以清水为液相的两相流管道输送

缺乏或没有细颗粒，在输送速度固体颗粒较粗，

下始终保持颗粒不沉，固体颗粒在运动中有明显的

沉降趋势，管道断面浓度分布很不均匀，推移质的颗粒占相当大的比重。

③

以浆液为液相的两相流管道输送

固体颗粒组成很不均匀，有一定数量的细颗粒

与水组成浆液，使粗颗粒的沉速下降，或使推移运动转变成悬移运动。在输送速度下，大部分颗粒保持

第5卷第4期供水技术

v2（v+dv）2

H+=H+dH++dhf

2g2g化简得：－dH=

dv+dhfg

2011年8月

悬移，少数处于悬移或推移的过渡阶段，因而管道的

这是最常见的输送形式。阻力明显减小，4.3

浆体管道的阻力计算

［6］

衡可以推导出阻力的计算公式：

4λSv2γSτ=

2gdγ——滑动力，N/m2；τ—

——泥浆管道范宁阻力系数；λ———水的重度，N/m3；γ—

——积泥的重度，N/m3；γS—D———管道内径，m；v———管内流速，m/s。

研究表明：管道断面浓度分布主要的影响因素是

4.4.1管道内的压力分布及阻力计算［7］

进口流量vA与转输流量（q/L）dx连续性方程可得，

之和等于出口流量（v+dv）A。对于出口断面有：

vA+x=（v+dv）A

简化得：

dv=dx（8）

v=v0考虑末端边界条件：x=L，

v0v=x

L由能量方程得：

（7）

式中

（10）

式中

dhf———为微分段沿程水头损失，m；沿程水头损失可用下式进行计算：

2λvdhf=dx

2Dg——泥浆管道范宁阻力系数。λ—

将式（9）和式（11）代入式（10）可得：

12v0

dH=－2（2x+x）dx

D2gL

（11）

H=H0，代入边界条件x=L时，可得：

22x2v0λLx3v0

H=H0+（1－2）+（1－3）

L2g3DL2g

式中（12）

式中H———管内外压力水头差，m；H0———管内出口处的水头，m。

图2

Fig．2

穿孔排泥管上的微元体

Microunitofperforatedsludgedischargepipe

故可令压力水头系数：x2x3λL

=（1－2）+（1－3）

3DLL

穿孔排泥管孔眼泥水流属于淹没式孔口出流，

孔眼流量：式中

q1=μA1q1———单孔积泥量，m3/s；A1———单孔面积，m2；

（13）

（9）

也应均匀分布。但由式（12）可知，管内压力是沿流向不断变化的，所以穿孔排泥管积泥并不均匀。

2011年8月赵荣，等：水厂斜管沉淀池排泥系统设计第5卷第4期

若要保持积泥完全均匀，需要根据管内压力的变化

实际工程中多采用等孔径等适当调整孔径或孔距，

但必须适当控制开孔比以满足实际间距布置方式，

η=

qmin

=qmax

min

=hmax

1+2μ2K2W

——流量系数，μ—μ=0．62。

则总水头损失：h=hf+hτ

池单个排泥管总的开孔数。

v21

（）2μH'==0．83m

取均匀度η=0．85，则管道特性系数2=1．375，KW=0．76，n≈34。

布孔间距：

Lb==0．29m

η+1

假设沉淀池排泥经过处理后，可以近似看作是伪一相流体，可由公式（15）得出：

v20

hf=2=0．28m

为验证假设的有效性，在计算过程中以开孔处为界，分段确定各段阻力，计算结果见表2。

（17）

n1为沉淀其中单根排泥管的总流量q0=n1q1，

式中2=1+λL/3D；KW是集水管孔口总面积与集KW=nA1/A。当孔眼水管横截面积之比（开孔比），

流量系数可视为常数时，穿孔排泥管的积泥均匀度

只与排泥管管道特性系数和开孔比有关，当排泥管给定后，即给定了管道特性系数，可以通过调整开孔比来满足积泥均匀度的要求。

由于排泥管上积泥孔的数量均匀增加，则沿水流方向，排泥管内流量沿管长分段增加，故可以近似地认为是均匀增加。

将式（9）代入式（11）积分后得出，有流动时的沿程损失：

v20

hf=2

过孔损失可以用下式计算：

KAρv21

hτ=2（16）

μ2gKA———水头损失修正系数，可采用1．0～

1．1；

——泥浆密度，kg/m3；ρ—v1———孔眼流速，m/s；

（15）

（14）

式中

序号12323334∑

相对均匀度0．8540．8590．9910．9961．00031．525

过孔流量/（m3·s－1）0．0020．0020．0020．0020．0020．060

表2管段水头损失Tab．2Headlossofpipeline过孔流速/各段流量/

过孔损失/m－1

（m·s）（m3·s－1）2．3010．7970．0022．3130．8050．0032．6701．0720．0562．6821．0820．0582．6941．0910．060

各段流速/

（m·s－1）0．0520．1041．7901．8501．911

各段水头损失/m0．0000．0000．0430．0460．0490．554

KAρv21

hτ=2=0．94m

μ2g

实际过孔损失为0．8～1．1m，与假设计算结果

（下转第13页）

2011年8月

续表3混凝剂

FeCl3混合液（1∶2．5）PAC

FeCl3混合液（1∶1）+PACFeCl3混合液（1∶1．25）+PACFeCl3混合液（1∶1．5）+PACFeCl3混合液（1∶2．0）+PAC

李爱斌，等：处理低温低浊滦河原水的混凝剂选择试验（Continue）

/加药成本/（mg·L－1）（元·m－3）

1017．510+2．510+2．510+2．510+2．5

0．01690．01720．01310．01420．01520．0148

第5卷第4期

3结论

FeCl3混合液、PAC作为混凝采用FeCl3单铁、

在不同投加条件下对低温低浊滦河水进行处理，剂，

采取复合投加FeCl3混合液和PAC的方式对浊度和CODMn的去除情况最好，且药剂成本最低。最佳复合投加量为10mg/L铁碱比为1∶1的FeCl3混合液

3+2．5mg/LPAC，药剂成本为0．0131元/m。如果

也可以单独投加10mg/L铁缺少复合投加的条件，

由表3可知，单独投加铁碱比为1∶1．25的

FeCl3混合液的药剂成本最高，为0．0205元/m；单

碱比为1∶2．0的FeCl3混合液。水厂实际运行时，可根据水质的变化适当调整投加量。参考文献：

［1］石明岩．给水处理系统高效经济运行的试验研究

［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2000．［2］龚云峰，．华吴春华，丁桓如．低温低浊水处理技术［J］

2004，32（11）：14－16．东电力，

［3］刘宏江．水力条件对絮凝效果影响的研究［J］．广东有

2003，13（1）：41－45．色金属学报，

独投加铁碱比为1∶2．0的FeCl3混合液的药剂成本

相对较低，为0．0148元/m；复合投加的药剂成本

为0．0131元/m。因此，在低温低浊期，采取最低，

水厂实际运行时，可根据水质的变化适当调整投加E-mail：liaibin0203@126．com量。收稿日期：2011－05－13

（上接第9页）

相近，因此采取均匀假设是合理的，可以简化计算的复杂性。此时：

H'+hf+hτ=0．83m+0．28m+0．94m=

2．05m＜4．0m

流动所需的最小水头为2．05m，小于一般沉淀池所能够提供的水头，并且有一定的富余水头，满足污泥可以在管道内顺利流动。要求，5

较大的均匀度。

在确定排泥管管径和开孔孔径时，应进行

使流动阻力小于可用水头，否则应适当必要的复核，

⑤

放大管径和孔径或者选用摩阻较小的管材。参考文献：

［1］王圃，龙腾锐，李江涛，等．城市给水厂污泥处理与能J］．重庆建筑大学学报，2005，27（4）：77－80．耗［

［2］唐芬，．北京：人民交唐德兰．土力学与地基基础［M］

2004．通出版社，

［3］松罔元．土力学［M］．罗汀，姚仰平，编译．北京：中国

2001．水利水电出版社，

［4］钱宁，M］．北京：科学出版社，万兆惠．泥沙运动力学［

2003．［5］李圭白，．北京：中国建筑工业张杰．水质工程学［M］

2005．出版社，

［6］傅文德，．北京：中国建许保玖．高浊度给水工程［M］

1994．筑工业出版社，

［7］钱宁．高含砂水流运动［M］．北京：清华大学出版社，

1989．

E-mail：z_rong0326@163．com收稿日期：2011－06－17

结论

①②

污泥属伪塑性非牛顿流体，其流变性与温

度及剪切变形速率有关，随温度的升高而增大。经过预处理的浆体属伪一相流，其管道阻

4λSv2γS

力可根据τ=。

2gdγ

均匀假设计算的管道损失比实际损失略

小，其大小与开孔的均匀度有关，设计时尽可能选取

④

水厂斜管沉淀池排泥系统设计

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