生物所某浆站废水处理排放系统改造问题探讨

刘静晓 牛 勇 高向荣

（上海净邦建筑工程有限公司，上海 200331；兰州生物制品研究所有限责任公司，甘肃兰州 730046）

1 污水处理排放系统问题的提出

生物所某浆站位于兰州市某郊县，其污水主要成分为NH4+、悬浊物和血浆乳浊液，浆站污水处理主要是靠加入碱离子和絮凝剂后沉淀来去除水中的这些物质，但排放系统自建成半年来，一直存在排水不及的问题，开始怀疑过进水水量变化过大、水中铁细菌腐蚀排水口造成排水不畅、排水口孔径过小等方面的原因，但经测试小时水量较为均匀，排水口经多次疏通处理，未解决问题，只能加大开口孔径，却影响处理效果，混凝土污水沉淀池上清液检测发现三种污染物去除效果较差，不能满足排放要求。于是，所里专门组织技术力量对此问题进行了分析、解决。

2 现场情况调查

经查，本污水系统采用重力自流将需处理的废水收集到一个5 m3的水箱中，经过加药处理后再排入钢筋混凝土污水处理池，见图1。

通过详细了解，此浆站污水量约为3.5 m3/h，主要为清洗、消毒废水、NH4+、悬浊物和血浆乳浊液为主的污染成分，在工作时间水量相对稳定，水中杂质较少，进入水箱的水管共两条，分别来自二楼和三楼，水管管径均为DN50，下泄入混凝土池的开口为圆形，直径约为20 mm，开始运行时排水量一直不能满足进水要求，出现溢水，曾采取加大开口孔径至50 mm、做分支管直接接入混凝土池等措施，但加大开口孔径后出水效果难以满足要求，只能做分支管引入混凝土池，在混凝土池中也做加药处理，出水水质又难以稳定。

图1 原有排水系统示意图

3 模拟模型的建立和计算处理

在多方分析后，我们建立了排水模拟模型，认为开口水箱自由出流满足孔口自由出流条件，见图2：

图2 孔口自由出流模型示意图

开口尺寸e 为20 mm，小于水深H=1 000 mm 的1/10，认为其为小孔口；开孔处的壁厚远比开口尺寸e小，认为其为薄壁。由于流动的惯性，自孔口喷出时，流股会出现收缩，在距开口e/2 处断面达到最小，此断面成为收缩断面，c～c，根据连续方程c～c 断面的流速VC最大。

式中 φ — 流速系数，无单位；取值大约为0.97；

H0— 作用水头，单位是m。

H 是o-o 断面的总水头，此容器很大，水面流速很小，忽略上游速度水头。则作用水头近似为上游水位H，式中以H 代替H0作为流速公式[1]。由于收缩的影响，c-c 断面的面积A0比开口面积A 小，定义收缩系数为：

完善收缩的薄壁小孔口出流的收缩系数€=0.64，根据连续方程，出流的流量可以写成：

式中，µ=φ €称为流量系数，完善收缩的薄壁小孔口µ 值约为0.62，经过计算，流量约为3.15 m3/h，实际测算的出流量为3 m3/h，略小于计算值，小于3.5 m3/h 的实际排水量。

找到原因后，大家开始分析简单的解决办法，经查资料，管嘴出流的出流量会稍大于孔口出流。根据分析我们准备从两方面入手，一是推算管嘴出流的出流量能到多少，是否能满足要求，二是通过孔口出流倒算开口直径，看在推算直径下的出水水质是否能满足要求。

所谓管嘴出流，是通过在容器的开口接一与开口直径相同，长度为3～4 被开口直径的短管，此时通过短管的出流称为管嘴出流[2]，见图3。

图3 管嘴出流模型示意图

圆柱形外管嘴出流最为常见，最典型的管嘴出流，其出流速度，流量分别为：

两式中符号的意义与孔口出流的情况完全相同，但出流断面为b-b 断面，与开口断面相同，收缩系数€=1，流速系数φ=0.82，所以，流量系数µ=φ €=0.82。可见，在开口直径、作用水头相同的前提下，孔口出流的流速大于管嘴出流的流速，而孔口出流的流量小于管嘴出流的流量。经过计算，管嘴出流的流量可以达到4.06 m3/h。

倒算孔口出流开口孔径，可得开口孔径为DN21，考虑到部分余量，建议开口孔径为DN25，拆除原来扩口后封堵的钢板，重新增加开口为DN25 钢板后，测得实际出水水量可达到4.6 m3/h，出水水质满足要求，再考虑以后增容，又在孔口处增加一长度为80 mm 的短管，测得实际出水水量达到5.8 m3/h，改造完成，达到使用要求。水量水质均得到了保证。见图4。

图4 现有排水系统示意图

4 结束语

采用管嘴出流代替小孔口自由出流，直观上给人的感觉是增加了沿程阻力和局部阻力，出水量会变少，但通过计算和实际应用发现结果恰恰相反，这说明在工业实际应用中不能仅凭主观判断，还要做详细的理论推理和实际试验，才能得到正确的结果。

管嘴出流在实际的工程中有较多应用，在风管清洗、排水等方面都可以根据水量和管口直径关系来进行推算，有一定的经济效益，而且如果原来为孔口出流，改动较少，具有较大的使用前景。

[1] 西南交通大学水力教研室.水力学[M].北京：北京高等教育出版社，1991.

[2] 李玉柱、苑明顺.流体力学[M].北京：北京高等教育出版社，1998.

[3] 刘鹤年.水力学[M].武汉：武汉大学出版社，2001.