饮用水源过滤装置及尺寸确定方法

安尼瓦·斯地克，穆哈西，杰恩斯·马坦

(1.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049;2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052;3.新疆水利厅改水防病办，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

目前新疆大部分饮水工程都采用地下水，随工农业的发展，地下水污染，水质达不到饮水标准，因此饮水工程的水源转移到河道上游。河道上游地形复杂，修建清水池的难度大，河水一般通过开敞式清水池内沉淀2～3次沉淀过滤后才输送到用户。开敞式清水池易受外界环境的影响、防冻能力和过滤能力差，而且定期人工清理水池内的淤积，修建清水池所需投资(30～50万元)大[1-3]。因此饮水水源的过滤及安全性是已成为亟待解决的问题。

本文研制了饮水工程规模相适应的，投资少、自动过滤、自清洗，防冻能力强的集水式自压鱼鳃过滤器。集水式自压鱼鳃过滤器是封闭性圆桶，由进水过滤部分、集水桶及鱼鳃过滤器等三个部分组成[4-5]。进水过滤部分设在集水桶的外侧，河水通过第一级滤网渗到粗砂(砂砾石)再过滤一次，然后经过第三级过滤后流入集水桶内。集水桶是两层圆桶，两层间填满保温材料，保温材料起防冻作用。鱼鳃过滤器是设在集水桶内出水管的进水口前端，进水管内设微型旋桨，微型旋桨设在摆动轴的重心。打开供水阀后水流带动微型旋桨，微型旋桨带动摆动轴，摆动轴的下面和进水管壁接触处设排污孔，平时排污孔的口活动叶盖住，摆动轴摆动时带动活动叶不停地开、闭排污孔口，从而进水管内的杂物通过排污孔排到集水桶内。摆动轴的另一端与刷子连接，摆动轴摆动时带动刷子，刷子不断地来回刷过滤网，预防过滤网的堵塞。如果河水的含沙量少卸掉鱼鳃过滤器仍然可持续利用。

本文将集水桶的进水量、集水桶的蓄水量与下游用户用水量之间建立平衡关系，说明集水式自压鱼鳃过滤器容积计算和尺寸确定的方法。解决饮水水源的防冻、滤网的堵塞、投资大等问题。为解决农村饮水安工程设计提供依据。

1 材料与方法

(1)过滤网，粗砂(砂砾石)，集水桶，鱼鳃过滤器。

(2)工作原理：把集水式自压鱼鳃过滤器埋入水源合适的位置，安装后把粗砂或砂砾石填入前端隔层进水口，打开排气阀后河水流入集水桶内，桶内水位上升逐渐保持稳定，集水桶蓄满水后关闭排气阀。再打开供水阀，通过集水桶内水位降低而集水桶内产生负压，集水桶内降低水量通过负压作用下不断吸入河水保持稳定，河水向集水桶提供稳定的水量。此时进水量、蓄水量与用水量之间的平衡关系式为：

Q桶≥Q蓄≥Q用

(1)

式中：Q桶为集水桶的进水量，m3/s；Q蓄为集水桶的蓄水量，m3/s；Q用为下游用户用水量，m3/s(以上单位也可用m3表示)。

首先计算确定用户的用水量(Q用)，根据用户用水量的多少计算确定集水桶的面积和体积。

图1 集水式自压鱼鳃过滤器整体Fig.1 Since catchments type pressure filter as a whole fish gills 1-集水式弧形过滤部分；2-一级过滤网：水从过滤网渗入砂砾石再过滤一次，然后经过三级过滤网进入集水桶；3-保温层：集水桶双层间设的保温材料；4-粗砂子(或砂砾石)起过滤作用；5-三级过滤网；6-盖子；7-排污阀；8-排气阀；9-合页； 10-鱼鳃过滤器

图2 鱼鳃过滤器结构Fig.2 Fish gills filter structure 10-鱼鳃过滤器；11-进水滤管；12-过滤网；13-活动叶；14-支架；15-轴头；16- 刷子；17-滤网；18-摆动轴；19-固定支架(可伸缩)；20-旋桨；21-转动轴(旋奖带动旋转轴)；22- 摇摆轴(可伸缩)； 23- 出水管连接件；24-排污孔

2 生活用水量计算

2.1 人口发展指标的制定

(1)设计年限：设计年限是饮水工程建成后能满足用户用水要求的年数，根据农村经济水平，村镇发展的规划等综合因素考虑，一般按15年计。

(2)人口自然增长率：人口自然增长率应根据供水地州计划生育办公室认可的人口自然增长率,‰。

(3)用水人口：用水人口按下式计算确定：

P=P0(1+α)n

(2)

式中：P为设计年限末用水人口数，人；P0为设计时当年人口数，人；α为年人口自然增长率，‰；n为设计年限。

(4)生活用水指标：生活用水指标是室内有给水龙头及卫生设备考虑，用水定额50～60 L/(人·d)计。

(5)生活用水量计算：生活用水量按下式计算确定：

(3)

式中：Q1为最高日生活用水量，m3/d；P为设计年限末用水人口数，人；q1为最高日生活用水指标，L/(人·d)。

2.2 牲畜用水量计算

(1)牲畜自然增长率：牲畜自然增长率是根据供水地州畜牧局制定认可的牲畜自然增长率(%)。

(2)用水牲畜数：用水牲畜数换算为标准样计算，安县实际算确定：

X=X0(1+α牲)n

(4)

式中：X为设计年限末用水牲畜数(标准羊头)；X0为设计时当年牲畜数(标准羊头)；α牲为年牲畜平均自然增长率，2.5%；n为设计年限。

(3)牲畜用水指标：牲畜数低于1万头时，设计取10 L/(只·d)。

(4)牲畜用水量计算：牲畜用水量按下式计算:

(5)

式中：Q2为最高日牲畜用水量，m3/d；X为设计年限末用水牲畜数(标准头)；Q2为最高日牲畜用水指标，L/(人·d)。

2.3 乡镇企业用水量

综合现状的当地乡镇企业用水情况，如有乡镇企业要考虑此项，如没有乡镇企业设计不考虑乡镇企业用水量。

Q3=0

(6)

(1)管网漏失水量：管网漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、乡镇企业用水量之和的5%～10%取值。

Q4=(Q1+Q2+Q3)×10%

(7)

(2)未预见水量：未预见水量按最高生活用水量、牲畜用水量、乡镇企业用水量之和的10%～20%取值。

Q5=(Q1+Q2+Q3)×20%

(8)

(3)消防用水量：参照《建筑设计防火规范》(GBJ16)和《村镇建筑设计防火规范》GBJ39的有关规定确定。

(4)总供水量为以上各项用水量之和，即：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(9)

(5)给水系统各组成部分计算水量：配水管网设计流量Q设。

(10)

式中：时变化系数应按供水方式和用水情况确定，K时为时变化系数，取2.0。

2.4 管网流量计算

(1)比流量：输配水管网每米管长流出的流量叫做单位管长比流量。按下式计算：

qs=(Q-∑q)/∑L

(11)

式中：qs为单位管长比流量，L/(s·m)；Q为管网设计流量，L/s；∑q为管网集中供水流量总和，L/s；∑L为有用户用水管段长度的总和，m。

(2)沿线流量：某一管段的配水流量称之为沿线流量，按下式计算：

qp=qsL

(12)

式中：qp为某一管段的配水流量，L/s；L为某一管段的计算量,m；qs为单位管长比流量,L/(s·m)。

(3)节点流量计算：节点流量即每个节点流出的水量，等于该节点相交的各管段的沿线流量总和的一半，即：

(13)

式中：qi为某节点的流量，L/s；∑qp为交汇于该节点的各管段沿量之和，L/s。

(4)管段流量计算：配水管网中各节点流量平衡条件是：流入任一节点的全部流量之和等于流出这一节点的流量之和。如果以流入节点的流量为正值，流出节点的流量为负值，则上述关系可表示为：∑Q=0，利用这个关系，就可从树枝状管网供水终点的节点流量开始计算，先计算出这一节点的各管段的计算流量，再依次推算，就可得出各管段的计算流量，最后求出总设计流量等于该管段下游节点的流出流量之和。总设计流量(Q设)即用户用水量(Q用)。

3 过滤装置主要设计参数

(1)集水桶负荷率：集水桶表面负荷率是指集水桶单位面积的产水量，其数值上等于设计标准粒径泥沙颗粒的沉速，即：

(14)

式中：q用为设计流量(下游用水量Q设)，m3/h；v0为表面负荷率，m3/h；Ac为集水桶表面积，m2；如果泥沙中细沙比例较大，集水桶的表面负荷率宜选较小值，具体数值应根据水质情况和系统对水质的要求选用[6-9]。

(2)集水桶储水量的水平流速：水平流速一般取30～90 m/h。

(3)停留时间：应根据水源水质的要求确定水在集水桶中的停留时间，一般取1～3 h。

(4)集水桶的长宽比：集水桶形式为圆形，因此集水桶的直径与高度之比来计算。

(5)集水桶直径的计算：设计流量和表面负荷率确定后，集水桶直径按下式计算确定：

d=2r=vt

(15)

式中：d为集水桶直径，m；r为集水桶半径，m；v为水平流速，m/h；其余符号同上。

(6)集水桶有效水深计算：有效水深是指出水管径底之集水桶顶部的距离，按下式计算确定：

(16)

式中：Hy为有效水深，m；q为设计流量，m3/h；Ac为集水桶表面积，m2；t为水在集水桶中停留时间，h；

(7)集水桶存泥深度计算：集水桶存泥深度是指出水管径底之集水桶底部间距，按下式计算确定：

(17)

式中：Hn为集水式桶存泥深度,m；C0为进入集水桶水流含设计标准及其以上粒径泥沙的浓度，kg/m3；γ为集水桶最长的工作时间段长度，h；其余符号意义同前。

(8)集水桶深度H的计算：集水桶深度按下式计算：

H=Hy+Hn

(18)

(9)集水桶水力条件复核：集水桶水力条件复核包括水流紊动性复核和集水桶稳定性复核方面的内容。

(10)水流紊动性复核：集水桶内水流的紊动性用雷诺数 来判别：

(19)

式中：Re为雷诺数；R为水力半径，m；v0为水的运动黏滞性系数，m3/s；其余符号意义同前。

集水桶中水流一般呈紊流状态，其雷诺数为4 000～15 000。水流除水平流速外，尚有上下左右4个方向的脉动分速，且伴有小的涡流体，这些情况都不利于颗粒的沉淀。应设法降低雷诺数 以利于颗粒沉淀。降低雷诺数的有效措施是减小水力半径R。采用池中纵向分格的方法可以达到这一目的。

(11)集水桶稳定性复核：水流稳定性用弗劳德数 来判别：

(20)

式中：Fr为弗劳德数；g为重力加速度，9.8 m/s2；其余符号意义同前。

弗劳德数增大，表明惯性力作用相对增加，重力作用相对减少，对水流相对密度差、温度差、异重流及压差等影响的抵抗能力强，使池中的流态保持稳定，集水桶Fr值宜大于10-5。增大Fr值得有效措施是减少水力半径R，采用池中纵向分格的方法可以达到这一目的。圆形集水桶面积：按下式计算：

A=πR2

(21)

圆形集水桶体积：按下式计算：

V=AH

(22)

式中：符号意义同前。

进水量按淹没出流公式计算[10]，满足等式(1)为止。

4 实用实例

(1)计算依据：根据《新疆农村人畜饮水工程初步设计编制纲要》，并参照《农村供水工程技术要点》、《村镇供水工程技术规范》、当地实际用水需求，确定本次人畜饮水工程用水包括：居民生活用水、牲畜用水、乡镇企业用水、消防用水、管网漏失水量和其他未预见用水量。依据《新疆农村人畜饮水工程初步设计编制纲要》标准生活用水量室内有给水龙头，但无卫生设备时每人每天最高按30～60 L计；牲畜用水量按大纲要求牲畜数超过1万头只时每头(标准头)每天5 L计，低于1万头只时每头(标准头)每天10 L计算；管网漏失水量及未预见水量按人、畜用水总量的10%计；消防用水量可通过临时减少其他用户的用水量来解决；用水人口>3 000人时，时变化系数在1.6；人口自然增长率为12‰，牲畜自然增长率按照县畜牧局提供的数据自然增长率为2.5%。工程控制人口5 179人，牲畜5 100头(只)，设计年限15 a。

(2)计算结果：经计算设计年限末用水人口数为6 194人，项目区生活用水量为310 m3/d；设计年限末项目区用水牲畜数7 386标准头，供水区牲畜用水量为73.86 m3/d；本次设计不考虑乡镇企业用水量Q3=0；管网漏失水量按最高生活用水量、牲畜用水量、乡镇企业用水量之和的5%取，Q4=19.1(m3/d)；未预见水量按最高生活用水量、牲畜用水量、乡镇企业用水量之和的10%计，Q5=38.2 (m3/d)；根据以上计算总供水量441.2 m3/d；日总供水量Q=441.2 m3/d。

(3)集水桶尺寸的确定：集水桶调节容积，按最高日用水量的15%计，安全储水量最高日用水量的5%计，经计算集水桶容积88.2 m3，为了保险起见集水式容积定为100 m3。经计算可得：集水桶存泥深度Hn=0.5 m，H=4.1 m，内径R=3 m，集水有效深度(出水管管径以上的深度)Hy=3.6 m，相应面积A=28.26 m2时，满足容积V=100 m3的要求。

5 结 论

(1)集水桶和自压鱼鳃过滤器连成一体直接进行5级过滤，自压鱼鳃过滤器后部可连接不同管径的管道。

(2)集水桶由两层隔水层间设保温材料，防冻能力强，鱼鳃过滤器内部设置来回摆动的刷子不断地刷过滤网，过滤网不易堵塞。

(3)节省大口进、引水渠道(或引水管)、水槽及清水池等工程投资，可节省29～49万元的投入，集水式自压鱼鳃过滤器投资少、抗冻能力强、工程占地面积小，采用压差和水动力原理，同时解决过滤、排沙、自清洗及防冻及供水问题。

(4)根据水源泥沙含量的多少和供水范围，可增加集水桶进水孔目数，可推广到所有自压供水工程。集水式水自压鱼鳃过滤器代替清水池，适合用于新疆水源及输水管道系统。

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