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一体化除氟装置预处理本体设计总结
杨彩凤
　　天津市兴源环境技术工程有限公司 300384

摘要：氟是人体生命必不可少的微量元素之一。适量的氟能使骨、牙坚固，减少龋齿发病率，但是氟长期积累于人体时能造成骨质松脆，牙齿斑釉，韧带钙化，关节僵硬甚至瘫痪，严重者丧失劳动能力，严重影响着人民群众的身体健康。
关键词：混凝沉淀　机械搅拌搅拌强度
1、引言 
　　天津市静海县朱家村，先前采用未经处理的深井水作为居民生活饮用水，该村地下水为地质性高氟水，属于典型的氟含量中度超标（氟含量大于1.0mg/L），其余水质指标基本符合农村实施《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）要求。由于长期饮用氟超标的地下水，该村居民多有氟斑牙、氟骨症等疾病。此次一体化除氟装置预处理本体设计以该村用水为例，根据农村用水标准，设计该村处理水量150 m3/d，可满足该村村民用水。
　　目前除氟工艺主要有混凝沉淀法、滤层吸附法、离子交换法、电凝聚法、电渗析法、反渗透法等。其中混凝法工艺具有运行简单、药剂易得，得到了广泛运用，因此在一体化除氟装置预处理中我们采用混凝沉淀法去除氟。
2、水质指标
1.1、原水水质指标
　　 pH值： 8.03
　　 F－： 1.46mg/L
　　 Cl－： 15.92mg/L
　　 SO4-： 8.21mg/L
　　浊度： 66.0－72.1NTU
1.2、出水水质指标
出水水质满足《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中对小型集中式供水指标要求。
　　 pH值：６．５～８．５
　　 F－：１．０mg/L
　　 Cl－：２５０mg/L
　　 SO4-：２５０mg/L
3、所谓混凝沉淀
　　混凝一般采用先快速搅拌(快速混合)，然后慢速搅拌(絮凝)的水力条件。快速搅拌的目的是为了使混凝剂瞬间、快速、均匀地分散到水中，以避免药剂分散不均匀，造成局部药剂浓度过高，影响混凝剂(如：硫酸铝)自身水解及其与水中胶体(或杂质颗粒)的作用。慢速搅拌是为了使快速搅拌时生成的微絮凝体进一步成长成粗大、密实的絮凝体，以实现固液分离。
　　快速搅拌(混合)条件和慢速搅拌(絮凝)条件，现阶段设计和生产中，通常是按某固定值进行设计和控制的，即按某固定G值(搅拌强度)、T值(搅拌时间)设计和控制，在实际情况还应该考虑搅拌条件随投药量、原水浊度、水温等的变化而变化。注意本设计只是常规考虑。
3.1、絮凝池设计
　　日处理水量150 m3/d，混凝反应设备采用一组三级不同搅拌强度的机械搅拌机。
3.1.1、絮凝池尺寸确定
　　小时处理水量：150÷24＝6.25 m3/h
　　则取进水流量为： 10m3/h（考虑回流）
　　每级反应池设计停留时间：T＝5 min
　　每级反应池所需有效容积为：V＝QT÷60＝10×5÷60＝0.833m3
　　取有效水深为：H＝1.975m
　　则每级絮凝池面积：A＝V÷H＝0.833÷1.975＝0.42m2
　　从综合工艺结构考虑絮凝池设为长方形：设宽度边长取0.6m，一、二、三级长度边长取0.8m
　　一、二、三级反应池实际有效容积为：V＝0.6×0.8×1.975＝0.948m3
　　一、二、三级反应池实际停留时间：T＝60V÷Q＝60×0.948÷10＝5.688min
　　反应池总长：L＝0.8×3＝2.4m
　　反应池总有效容积：2.4×0.6×1.975＝2.844m3
　　三级反应实际总停留时间为：5.688×3＝17.064min（满足絮凝时间T一般在15～20min之间）
　　取超高为0.3m，反应池总尺寸为2.4×0.6×（0.3＋1.975）＝3.276m3
3.1.2、三级搅拌机功率的确定
　　三级絮凝池匀速搅拌，采用垂直轴机械搅拌
3.1.2.1、桨板长度和宽度确定
　　叶轮直径取池宽的75% D＝0.6×75%＝0.45m，分别置于反应池水深下0.3m和1.4m处
　　桨板的长度l＝0.75D＝0.75×0.45＝0.3375m，取l＝0.35m,宽度b＝0.04m
　　每根轴上设4块浆板，分上下两层，桨板内缘旋转半径r1＝0.185m，外缘旋转半径r2＝0.225m
　　桨板总面积与水流截面积比为（4×0.35×0.04）÷（0.6×1.975）×100％＝4.7％，小于25％，符合设计规范
3.1.2.2、三级叶轮角速度ω确定
　　叶轮浆板中心点旋转直径D0为：D0＝（0.45－0.04）÷2×2＝0.41m
　　三级叶轮浆板中心点线速度分别采用：v1＝0.5m/s，v2＝0.35m/s，v3＝0.2m/s
　　三级叶轮转速分别为：
　　

3.1.2.3、浆板旋转时克服水的阻力所耗功率N确定
　　絮凝搅拌一般功率计算公式：
　　
　　式中 ZR——同一旋转半径上桨叶数
　　 ρ——水的密度，ρ=1000（kg/m3）
　　 L——桨叶长度(m)
　　 R1——搅拌器桨叶外缘的半径(m)
　　 R2——搅拌器桨叶内缘的半径(m)
　　 g——重力加速度,g=9.81(m/s2)
　　 CD——阻力系数；
　　 ω——搅拌器旋转角速度(rad/s)
　　
　　其中n——搅拌器转速(r/min)
　　确定CD值方法：一是采用CD0.2～0.5。二是根据桨叶宽度b与长度l之比确定，当值增大，系数CD也增大，见表1：
　　表1 阻力系数CD值

小于1
1～2
2.5～4
4.5～10
10.5～18
大于18
CD
0.55
0.575
0.595
0.645
0.70
1.00
一级絮凝搅拌功率：

其中：浆板宽长比b/l=0.04/0.35＜1，查表CD=0.55
同样方法可求得二级、三级反应的搅拌轴功率分别为N2=1.4w、N3=0.26w。
3.1.2.4、核算速度梯度G值及GT值
（考虑水温为10℃，水动力粘滞系数μ=1.31×10-3Pa·s）
一级反应：
二级反应：
三级反应：
絮凝反应池平均速度梯度：
GT=33.94×17.064×60=3.47×104
经核算G值和GT值均较合适。
（1）考虑到试验中一级反应转速能调整至50r/min，则ω=5.23rad/s，则N=68 w
取搅拌设备总机械效率η1=0.75，传动效率η2=0.75
因此选择一级反应电机及减速机功率为180w，转速10~50r/min。
（2）考虑到试验中二级反应转速能调整至40r/min，则ω=4.19 rad/s，则N=35w
取搅拌设备总机械效率η1=0.75，传动效率η2=0.75
因此选择二级反应电机及减速机功率为180w，转速10~40rpm。
（3）考虑到试验中三级反应转速能调整至30r/min，则ω=3.14 rad/s，则N=14.7w
取搅拌设备总机械效率η1=0.75，传动效率η2=0.75
因此选择三级反应电机及减速机功率为180w，转速10~30rpm。
5、沉淀池设计
5.1、已知条件：
处理量：150m3/d，假设完全回流，
则进水流量：Q=300m3/d=12.5 m3/h=0.003472 m3/s
颗粒沉降速度：μ＝0.35mm/s
设清水区上升流速：v=2.5mm/s
采用塑料片热压六边形蜂窝管，管厚＝0.4mm，边距d=30mm，水平倾角θ=60°。
5.2、清水区面积A确定
清水区面积： ,其中斜管结构占用面积按3％计，则
实际清水区需要面积：＝1.3888×1.03＝1.43（㎡）
若清水区面积A=2㎡时，
为了配水均匀、以及从结构成本等综合考虑，采用斜管区平面尺寸为1.6m×1.2m，使进水区沿1.2m长一边布置
5.3、斜管长度l确定
斜管倾斜60°放置，则θ=60°
管内流速：
斜管长度：
考虑管段紊流、积泥等因素，过渡区采用250㎜
斜管总长：=250+404=654,按700㎜计
5.4、池子总高H确定
清水区和保护高度：0.5m
布水区高度：1.15m
穿孔排泥斗槽高：0.25m
斜管总高：＝
池子总高：H＝0.5＋1.15＋0.25＋0.6＝2.5m
5.5、管路及孔洞
沉淀池进口采用均布方孔，排泥采用穿孔管，集水系统采用穿孔管，以上各项计算均同一般沉淀池或沉清池设计。
5.6、沉淀时间T确定
复算管内雷诺数及沉淀时间：

式中水力半径：
管内流速：
运动粘度：（当t=20℃时），
管内雷诺数：
沉淀时间：（满足沉淀时间T一般在4～8min之间）
6、预处理本体设计
总上所述：絮凝池的结构尺寸为2.4m×0.6m×2.275m
沉淀池的结构尺寸为2.4m×1.2m×2.5m
所以，预处理本体的结构尺寸确定为2.4m×1.8m×2.5m
7、结论：
（1）一体化除氟装置的絮凝时间一般为 15～20min，据此确定絮凝池尺寸；
（2）一体化除氟装置的沉淀时间一般为 4～8min，据此确定沉淀池尺寸；
（3）一体化除氟装置本体设计高度为2.5～5.0m之间，有条件的情况下尽可能增加设计高度,确保采用曝气去除膜表面可逆污染时充分利用气量，一般设计超高为0.4m；
（4）一体化除氟装置本体结构尺寸应考虑：现场允许的空间、膜组件的尺寸及布置方式、长宽高比例的协调等。
参考文献
《给水排水设计手册第9册—专用机械第二版》中国建筑工业出版社上海市政工程设计研究院主编 2006年6月第二版

作者简介：杨彩凤天津市兴源环境技术工程有限公司电话：13821132306
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