沉淀池上升流速计介绍

张红专　李春森　万毅锋　董秉直　梁　超　高乃云

　　提要 简述了测定沉淀池上升流速的两种常用方法 , 即容积法和高锰酸钾法。针对两种方法存在的问题 , 介绍了新研制出的一种方便有效的上升流速计 , 并对其组成与原理、标定试验和实际运用情况作了阐述。
　　关键词 沉淀池　上升流速　测定方法

前言

　　上升流速是斜板 ( 斜管 ) 沉淀池以及机械加速澄清池重要的设计和运行参数 , 了解实际运行的斜板 ( 斜管 ) 沉淀池和澄清池中的上升流速分布对水厂的运行管理有重要的意义。但目前鲜见这方面的报道。国内水厂常用的方法有两种 :
　　(1) 容积法。将测定出水渠的水量除以每个出水渠所承担的出水负荷面积 , 从而求得上升流速。这种方法操作难度很大 , 而且无法了解上升流速的分布状况。
　　(2) 高锰酸钾法。将底部装有高锰酸钾的有机玻璃管插入沉淀池内 , 同时用秒表记录高锰酸钾红色溶液上升至水面的时间 , 从而求得上升流速。这种方法对于清澈的水体勉强可行 , 但沉淀池水体常常并不很清澈 , 所以目视常常无法看到清晰的高锰酸钾上升线。而且高锰酸钾制剂容易扩散 , 所以此方法并不可靠。因此寻找一种方便有效的上升流速测定方法 , 是许多水厂的当务之急 , 也是我们要对某水厂进行制水能力测试所必须解决的课题。

1 上升流速计的组成与原理

1.1　仪器组成

　　上升流速计由有机玻璃管、彩球、铁丝、格网等组成 ( 见图 1) 。
　　(1) 有机玻璃管。材料为轻质有机玻璃 , 直径 54 mm , 管长 1 1 5 m , 在距下端 1 m 处开了 6 个直径为 15 mm 的圆孔。管子原本两端开口 , 然后加工 , 在下端用格网进行封口 , 使彩球不会掉下 , 但水流能以尽可能小的阻力通过。

　　(2) 彩球。均质光滑球面 , 材料为无毒聚氯乙烯 , 密度略比水小 , 颜色为红色 , 直径为 2 cm 。
　　(3) 铁丝。铁丝一头折弯几圈成小盘状 , 其余部分为直条 , 比有机玻璃管长 5 ～ 10 cm , 用于把彩球压至管底。
1.2　原理
　　将上升流速计先在实验室配上流量计进行标定 , 作出水流实际上升流速与彩球上升时间 ( 从底端上升至 1 m 刻度处 ) 的关系曲线 , 并回归出一关系公式 , 于是将这上升流速计用于实际水体中测定 , 只需计下彩球的上升时间 , 便能从公式算得或从曲线查得其对应的上升流速。

2 　标定试验

2.1　试验装置
　　试验装置由流量计、上升流速计、大小接头、皮管、秒表等组成 ( 见图 2) 。
2.2 　试验方法与步骤
　　(1) 通入水流 , 调节水量 , 使水量固定在某一值。
　　(2) 用铁丝把彩球压至管底 , 然后轻轻地提起铁丝、放开彩球 , 同时按下秒表 , 则彩球在水流作用下上升。当上升至 1 m 刻度时再按下秒表 , 停止计时 , 从而得出彩球上升时间。

　　(3) 在同一水量下 , 测三次彩球上升时间 , 然后取其平均值。
　　(4) 改变水量 , 重复上述过程。
2.3　试验结果与数据分析
　　试验所得数据见表 1 。

　　

2.4　结果讨论

　　彩球的上升速度 v ′由水流上升流速 v 和彩球在静水中的上浮速度 v 0 ( 由彩球和水的密度差引起 ) 两部分组成 , 即 v ′ = v + v 0 。又彩球的上升速度与彩球上升时间的关系式为 :

式中 ρ 水 为水的密度 ; ρ 球 为球的密度 ; g 为重力加速度 ; d 为彩球直径 ; C D 为阻力系数。当有机玻璃管的尺寸已确定 , 在同一水体中 , v 0 为常数。因此 , 式 (2) 可作为理论公式检验试验结果 , 发现试验所得彩球上升时间与水流上升速度的关系曲线符合理论要求。所以研制出的上升流速计在理论上具有可靠性和精确性。

3 　测定方法与实际运用

3.1 　测定方法与步骤

　　(1) 将经过标定的上升流速计垂直放入实际水体中 , 先用铁丝把彩球压至管底 , 然后在放开铁丝的同时按下秒表开始计时 , 待彩球上升至 1 m 刻度处 , 再立刻按下秒表 , 停止计时 , 从而得彩球上升时间 , 重复以上过程三次 , 最后取其平均值。
　　(2) 将彩球的上升时间 , 在上升流速标定曲线图 ( 图 3) 中对照 , 得水流实际上升流速。
3.2 　实际应用
　　我们在对上海某水厂制水能力测试的过程中 , 应用此上升流速计测定了 6 座斜管沉淀池或澄清池 , 每座沉淀池或澄清池均布 10 ～ 20 个测点。下面各取 1 座澄清池和 1 座斜管沉淀池为例 , 说明此上升流速计在实际中的应用。
3.2.1 　澄清池
　　(1) 澄清池中的测点分布见图 4 。

　　(2) 各点所测彩球上升时间及对应流速见表 2 。
　　(3) 由图 4 及表 2 , 可见此澄清池平均上升流速为 1 1 18 mm/ s , 与设计值 1 mm/ s 较接近。
　　(4) 由图 4 及表 2 , 可见此澄清池最大上升流速为 1 1 81 mm/ s , 最小上升流速为 0 1 76 mm/ s , 上升流速分布不太均匀 , 东南部上升流速大 , 西北部上升流速小

3.2.2 　斜管沉淀池
　　(1) 斜管沉淀池中的测点分布见图 5 。

　　

　　(2) 各测点彩球上升时间及对应水流上升流速见表 3 。
　　(3) 由图 5 及表 3 可以看到这座沉淀池平均上升流速为 2 1 75 mm/s, 与设计值 (2 1 7 mm/ s) 比较接近。
　　(4) 由表 3 可见此斜管沉淀池最大上升流速为 4 1 66 mm/ s , 最小上升流速为 2 1 1 mm/ s , 上升流速分布很不均匀 , 这是由于集水槽不水平造成的 , 建议将集水槽整平。实践证明研制的上升流速计操作简单 , 使用方便 , 不影响生产的正常运行。

4 注意事项与结论

4.1 　注意事项
　　(1) 标定试验时 , 注意实行淹没标定 , 即找一个大水体 , 让上升流速计的 6 个小孔淹没于水面下 , 因为在实际测定中 , 小孔总是淹没于水面下 , 这样才能消除标定与实际之间的误差。
　　(2) 测试时上升流速计一定要竖直 , 避免彩球碰到管壁。
4.2 结语
　　经理论分析和应用实践证明 , 研制的上升流速计具有以下特点 :
　　①设备简单 , 使用方便 , 成本低廉 ;
　　②具有可靠性和精确性 ;
　　③使用时不影响水厂正常运行 ;
　　④适用范围广 , 适合于各种水质 , 多种场合 ;
　　⑤仪器便于推广。