水质工程学课程设计.docx
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水质工程学课程设计
水质工程学
（一）课程设计
说明书
学院：
环境科学与工程学院系名：
市政工程系
专业：
给水排水工程姓名：
学号：
班级：
给排1311
指导教师：
指导教师：
2015年12月25日
第一章设计基本资料和设计任务
设计基本资料
1.生活用水量
该地区现有人口万,人均用水量标准（最高日）为220L/cap
d
2.城市大用户集中用水量
工厂A：
万m
/d；工厂B：
万m
/d
工厂C：
万m
/d；工厂D：
万m
/d
3.一般工业用水量
一般工业用水量占生活用水量的180%.
4.第三产业用水量
第三产业用水量占生活用水量的85%.
5.最大日时变化系数为
6.原水水质及水文地质资料
（1）原水水质情况
序号
名称
最高数
平均数
备注
1
色度
40
15
2
PH值
3
DO溶解氧
4
BOD
5
COD
6
其余均符合国家地面水水源I级标准（温度为平均20度）
（2）水文地质及气象资料
a.河流水文特征
最高水位:
m,最低水位:
m,常年水位:
m
b.气象资料
历年平均气温:
20°C，年最高平均气温:
39°C，年最低平均气温:
-2°C
年平均降水量:
1290mm，年最高降水量:
1290mm，年最低降雨量:
1290mm
常年风向:
东南风，频率：
%
历年最大冰冻深度20cm
c.地质资料
第一层：
回填、松土层，承载力8kg/cm
深1～m；
第二层：
粘土层，承载力10kg/cm
深3～4m；
第三层：
粉土层，承载力8kg/cm
深3～4m；
地下水位平均在粘土层下 m。
设计任务
1.某水厂工艺设计,确定水厂建设规模、位置；
2.水厂工艺方案确定及可行性研究（进行两种方案比较）；
3.水厂构筑物设计计算,完成水厂平面布置图、高程图（完成设计图2张以上,其中手工图1张以上）；
4.设计计算说明书1份.
第二章水厂设计规模的确定
近期规模
已知:
该地区现有人口万,人均用水量标准（最高日）为220L/cap
d
工厂A：
万m
/d；工厂B：
万m
/d
工厂C：
万m
/d；工厂D：
万m
/d
一般工业用水量占生活用水量的180%
第三产业用水量占生活用水量的85%
最大日时变化系数为
由以上资料可得:
Q生活=25000×220=550（万L/d）=（万m
/d）
Q集中=+++=（万m
/d）
Q生产=Q生活×180%=×180%=（万m
/d）
Q三产=Q生活×85%=×85%=（万m
/d）
Q生活+Q生产+Q三产+Q集中=（万m
/d）
考虑管网漏失水量和未预计水量，系数β=，则最高日用水量：
Q=×=（万m
/d）
考虑水厂自用水量,系数α=，则：
Q总=×=（万m
/d）
所以近期水厂规模为6（万m
/d）
由于最大日时变化系数Kh=，则最高日最高时用水量：
Qh=Kh×Q=×=（万m
/d）
最高日平均每小时用水量：
Q=Qh/24=（万m
/d）
（注：
以下设计规模以12000m
/d进行设计）
水厂设计规模
近期规模12000m3/d，水处理构筑物按照近期处理规模进行设计。
第三章水厂工艺方案的确定
水处理构筑物类型的选择，应根据原水水质，处理后水质要求、水厂规模、水厂用地面积和地形条件等，通过技术经济比较确定.
初步选定两套方案
方案一:
取水→一级泵站→管式静态混合器→水力循环澄清池→无阀滤池→清水池→二级泵房→用户
↑消毒剂
方案二:
取水→一级泵站→管式扩散混合器→平流沉淀池→V型滤池→清水池→二级泵房→用户
↑消毒剂
方案构筑物特性比较
表3-1
类别
管式静态混合器
管式扩散混合器
优点
设备简单，在管道上安装容易，维修管理方便；投资省不需土建构筑物，不需外加动力设备；在设计流量范围内，能快速混合，效果良好
管式孔板混合器前加装一个锥形帽，水流合药剂对冲锥形帽后扩散形成剧烈紊流，使药剂和水达到迅速混合；不需外加动力设备，不需土建构筑物，不占用地
缺点
混合效果受水量变化有一定影响
水头损失稍大；管中流量过小时，混合不充分
适用
适用于水量变化不大的各种规模水厂
适用于中等规模水厂
表3-2
类别
水力循环澄清池
平流沉淀池
优点
水力条件好，沉淀效率高；体积小，占地少；停留时间短；构造简单，无复杂机电设备
造价较低；操作管理方便，施工较简单；
对原水浊度适应性强，潜力大，处理效果稳定；带有机械排泥设备时，排泥效果好
缺点
抗冲击负荷能力差；排泥复杂；药耗高
占地面积较大；不采用机械排泥装置时，排泥较困难；需维护机械排泥设备
适用
一般用于大中型水厂
可用于各种规模水厂；宜用于老沉淀池的改建,扩建和挖潜；适用于需保温的低湿地区；单池处理水量不宜过大
表3-3
类别
无阀滤池
V型滤池
优点
无需大型阀门及相应的启闭装置，无需管道；无需真空设备，是可完全由自身水力自动的控制滤池；管道维护简单，能自动冲洗
运行稳妥可靠；采用较粗滤料，材料易得；滤床含污量大，周期长，滤速高；不会发生水力分级现象；具有气水反冲洗和水表面扫洗，冲洗效果好，使洗水量大大减少
缺点
阀门多；单池面积大；清砂不便
配套设备多；土建较复杂，池深比普通快滤池深
适用
适用于大中型水厂
进水浊度小于10；适用于大中型水厂
方案确立
根据技术性能比较,确定选择方案一,即:
取水→一级泵站→管式静态混合器→水力循环澄清池→无阀滤池→清水池→二级泵房→用户
↑消毒剂
第四章水厂各个构筑物的设计计算
一级泵站
1.一泵房吸水井
水厂地面标高，河流洪水位标高为，枯水位标高为，设计一泵站吸水井底标高为，进水管标高为，一泵站吸水井顶标高为米，宽为3m，长度也为3m。
2.一泵房
一泵房底标高为,一泵房顶标高为。
混凝剂的选择和投加
设计原则:
溶液池的底坡不小于，池底应有直径不小于100mm的排渣管。
池壁需设超高，防止搅拌溶液时溢出。
设计药剂溶解池时，为便于投置药剂，溶解池的设计高度一般以在地平面以上或半地下为宜，池顶宜高出地面左右，以减轻劳动强度，改善操作条件。
溶解池一般采用钢筋混凝土池体来防腐。
已知条件:
水厂构筑物设计流量Q=12000m3/d根据原水水质及水温，参考有关水厂的运行经验，选精致硫酸铝为混凝剂。
最大投加量为30mg/L，精致硫酸铝投加浓度为10%。
采用计量投药泵投加。
计算过程:
1.溶液池容积W1
W1=uQ/（417bn）
式中：
u—混凝剂（精致硫酸铝）的最大投加量，30mg/L;
Q—处理的水量，500m3/h;
b—溶液浓度（按商品固体重量计），10%；
n—每日调制次数，2次。
所以:
W1=30×500/（417×10×2）=
溶液池容积为2m3,有效容积为m3，有效高度为，超高为，溶液池的形状采用矩形，长×宽×高=1×1×2m.置于室内地面上，池底坡度采用.
溶液池旁有宽度为工作台，以便操作管理，底部设放空管。
2.溶解池（搅拌池）容积W2
W2==×=m3
其有效高度为,超高为,设计尺寸为××1m,池底坡度为3%。
溶解池池壁设超高，以防止搅拌溶液时溢出。
溶解池为地下式，池顶高出地面，以减轻劳动强度和改善工作条件。
由于药液具有腐蚀性，所以盛放药液的池子和管道以及配件都采用防腐措施。
溶液池和溶解池材料采用钢筋混凝土材料，内壁涂衬以聚乙烯板。
为增加溶解速度及保持均匀的浓度，采用机械搅拌设备。
使用中心固定式平桨板式搅拌机。
桨直径750mm,桨板深度1400mm。
3.加药间和药库
加药间和药库合并布置，布置原则为:
药剂输送投加流程顺畅,方便操作与管理,力求车间清洁卫生,符合劳动安全要求,高程布置符合投加工艺及设备条件.储存量一般按最大投药量的期间的15-30天的用量计算。
混凝剂为精制硫酸铝，每袋的质量为40kg，每袋的体积为××m3，投药量为7g/m3，水厂设计水量为500m3/h，药剂堆放高度为1m，药剂贮存期为30d。
硫酸铝袋数N=24Qut/1000W
=24×500×7×30/（1000×40）=63袋
有效堆放面积A=NV/（1-e）
=63×××（1×）=㎡
取长宽均为2m×2m。
管式静态混合器
图4-1管式静态混合器
1.设计流量
每组混合器处理水量为12000m
/d=500m
/h=
s
2.水流速度和管径
由流量为12000m
/d，查水力计算表得:
v=s,
管径d=400mm,1000i=
水力循环澄清池
图4-2水力循环澄清池
根据水厂规模，采用设置三个相同的澄清池，以下计算以一个为例。
回流比采用4，总进水量q=
s，设计循环总流量q1=4q=
s，喷嘴流速v0=s，喉管流速v1=s，第一反应室出口流速v2=60mm/s，第二反应室出口流速v3=40mm/s.
清水区（分离室）上升流速v4=s喉管混合时间t1=，第一反应室反应时间t2=20s，第二反应室反应时间t3=100s，分离时间t4=40min。
尺寸计算：
1.喷嘴
d0=√4q/πv0=,取d0=100mm。
设进水管流速v=s，则进水管直径d=√4q/πv=，取d=225mm，
设喷嘴收缩角为°，则斜壁高为225mm。
喷嘴直段长度取100mm，则h0=375mm，
要求净作用水头hp==。
2.喉管
d1=√4q1/πv1=，取d1=320mm，
则实际喉管流速v1’=s，t1=，则h1=v1’t1=，取h1=1450mm
3.喉管喇叭口
d5=2d1则d5=，α0=45，则h5’’=tan45°（d5-d1）/2=160mm。
连接喇叭口大端圆筒部分高hs’=d1=320mm。
喷嘴与喉管间距S=2d0=200mm（并设调整装置）
4.第一反应室计算
上端出口直径d2=√4q1/πv2=，取d2=
上端出水口面积ω2=πd22/4=
则实际出水口流速为56mm/s（锥形筒夹角α取30°）
反应室高度h2=（d2-d1）/2tanα/2=，取h2=。
5.第二反应室计算
上端断面积ω3=q1/v3=
第二反应室直径d3=√[4（ω3+ω2）/π]=,取d3=
实际断面积ω3=
实际进口流速v3=q1/ω3=s
h6=4q1t3/π（d32-d22）=，取h6=
h4取，则h3=h6+h4=4m，即第二反应室高4m
d2’2=d2-2x=
下端断面积ω1=π（d32-d2’2）/4=
出口流速v5=q1/ω1=s
6.澄清池各部尺寸计算
澄清池长度D=√[4（ω2+ω3+ω4）/π]=，取D=
ω4=q/v4=
实际上升流速v4’=q/（πD2/4-ω2-ω3）=s。
h为喷嘴法兰距池底的距离，取
澄清池内第二反应室要求水深H3=h+h0+s+h1+h2+h4=
h4’为反应器保护高度，取h4’=
澄清池总高H=H3+h4=。
设池底部直径D0=，锥角β=40°
锥体部分高度H1=[（D-D0）/2]tanβ=
澄清池直壁H2=H-H1=。
各部容积及停留时间计算：
1.喉管混合时间t1=h1/v1’=
2.第一反应室容积w1=πh2[（d22+d2d1+d12）/4]=
第一反应室停留时间t2=w1/q1=23s
3.第二反应室容积w2=πd32h3/4－πh6/3×[（d22+d2d2’+d2’2）/4]=
第二反应室停留时间t3=w2/q1=153s
4.反应室停留时间t4=/v4’=66min
5.净水历时T’=t1+t2+t3+t4=
6.澄清池总容积w=πD2[H-（H1-H0）]/4+πH1（D2+DD0+D02）/12=224m3
总停留时间T=w/3600q=
无阀滤池
图4-3无阀滤池
1.设计水量
设计流量Q1=12000m3/d，考虑5%的冲洗水量，分为3组，每组采用双格组合，则每组滤池设计处理水量Q=4=4200m3/d=175m3/h=s。
2.设计数据
滤池采用石英砂滤料，设计滤速v=9m/h
平均冲洗强度q=15L/（m2*s），冲洗时间t=6min
期终允许水头损失H=
排水井堰顶标高采用（室外地面标高）
滤池入土深度先考虑取。
3.设计计算
1）滤池面积
滤池净面积F=Q/V=，分为两格,N=2
单格面积f=F/N=，单格尺寸采用×
四角连通渠考虑采用边长为的等腰直角三角形，其面积f2’=
并考虑连通渠斜边部分混凝土壁厚为120mm的面积，则每边长=+×√2=，f2=
则单格滤池实际净面积f净=
实际滤速u’=Q/2f净=h（在7-9m/h之间，符合要求）
2）进出水管
进水管流速u1=s，断面面积ω1=Q/u1=
单格进水总管管径D1=√（2ω1/π）=，取DN250
进水管总管径D=√4ω1/π=，取DN350,校核流速v2=s
水力坡度i=，管长L1=11m，考虑滤层完全堵塞时，进水全部沿DN350虹吸上升管至虹吸破坏口，流速v3为s，水力坡度i2=，管长L2=4m，则单格进水管水头损失为：
h进=i1L1+∑ξ1v22/2g+i2L2+ξ22v32/2g=。
（式中，局部阻力损失系数ξ1包括管道进口、3个90°弯头和三通，ξ2为60°弯头，进入分配箱堰顶采用的安全高度，则进水分配箱堰顶比虹吸辅助管管口高出）
3）冲洗水箱
平均冲洗强度q=15L/（m2*s），冲洗历时t=6min，单格滤池实践净面积f净=
则冲洗水箱容积v=×f净×t=
冲洗水箱面积F’=
冲洗水箱高度H冲=v/2F’=
考虑冲洗水箱隔墙上连通孔的水头损失，冲洗水箱高度取。
4）滤池高度
表4-1
高度H
数值（m）
底部集水区
钢筋混凝土滤板
承托层
石英砂滤料层
净空高度（考虑反冲洗时滤料膨胀高度，再加安全高度）
顶盖高度（顶盖面与水平面夹角15°顶盖厚度180mm）
冲洗水箱高度
超高
总高度
滤池总高度取，根据滤池的入土深度，冲洗水箱平均水位标高为+。
5）反冲洗水头损失
平均冲洗流量Q冲=qf净=s=h
因冲洗时滤池仍在进水，单格滤池进水管流量Q单=h
Q虹吸=Q冲+Q单=h。
连通渠水头损失
根据谢才公式i=Q2/A2CrR，其中A=
Q=Q冲/4=h=s
连通渠内流速v=Q/A=s，i=
连通渠长度约为，反冲洗连通渠总水头损失h1=iL+ξv2/2g=。
孔板水头损失
采用小阻力配水系统，采用钢筋混凝土板，板厚100mm，流量系数α=，开孔比β=%，
反冲洗时配水系统水头损失h2=[（q/αβ）2×10-6]/2g=。
承托层水头损失
承托层厚度为200mm，水头损失h3==。
滤层水头损失
采用石英砂滤料，粒径，厚度L=700mm，膨胀度45%，膨胀前的孔隙率m0=，相对密度γ1=，则滤料层水头损失h4=[（γ1/γ）-1]×（1-m0）×L=。
配水管水头损失h5=
虹吸管内水头损失
虹吸管上升管管径取DN350
由配水板至DN350×250，三通处流量Q冲=h，流速为v=s，水力坡度i=，长度约为，则总水头损失h7=iL+ξv2/2g=。
反冲洗水头损失
∑H1=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7+h8=。
校核虹吸水位差
冲洗水箱平均水位标高为+，排水井堰顶标高为，则平均冲洗水头Ha=>，满足要求，实际冲洗强度略大，可通过强度调节器加以调整。
消毒
设计计算:
1.加氯量
已知条件:
设计水量Q1=12000m3/d=500m3/h，
清水池最大投加量a为1mg/L.
预加氯量为0
清水池加氯量Q==×1×500=h
二泵站加氯量不做考虑
2.储氯量
仓库储备量按30d最大用量计算：
G=24QT=24××30=360kg
3.氯瓶配置
选用500kg的氯瓶1个，氯瓶长L=1800mm，直径D=400mm。
加氯间中将氯瓶和加氯机分隔布置。
加氯间有直接通向外部的门,保持通风。
加氯间外布置防毒面具、抢救材料和工具箱，照明和通风设备在室外设开关。
清水池
设计计算:
已知条件:
设计水量Q=12000m3/d
1.清水池调节容积取设计流量即最高日用水量的10%，则调节容积为：
W1=10%×Q=1200m3
2.消防用水量按同时发生两次火灾,一次灭火用水量取25L/s
连续灭火为2h,则消防容积为:
W2=25×2×3600/1000=180m3
3.水厂自用水（用于冲洗滤池，沉淀池排泥等）的贮备容积为:
W3=5%×Q（已在设计流量考虑范围内）
4.安全储量:
不做考虑W4=0
5.清水池总容积为:
W=W1+W2+W3+W4=1200+180+0=1380m3
6.水厂内建2座矩形清水池,容量为W/2=690m3
清水池有效水深取3m,超高，则清水池的平面尺寸为15m×16m。
有效容积为15m×16m×3m=720m3
7.清水池进水管
进入单个清水池内的流量Q1=12000/（24×3600）=s
进水管内流速一般在（）m/s之间，取v=s
则进水管管径为D=√（4Q1/πv）=
采用D=450mm的管道，则实际流速为v=s（符合要求）。
8.清水池出水管
由于用户的用水量时时变化，清水池的出水管应按出水最高日最高时流量确定，变化系数Kh=，则最高日最高时流量为：
Q2=12000×（24×3600）=s
出水管管内流速取v=s
则出水管管径为D2=√（4Q2/πv）=
采用D=550mm的管道，则实际流速为v=s
9.溢流管设计
溢流管管径一般与进水管相同，即D=450mm，管端为喇叭口，管上不得安装阀门。
溢流管应包扎尼龙网罩，以防止爬虫沿溢流管进入清水池，清水池溢流管的出口接入水厂下水道。
溢流管上喇叭口直径D≥~D=×450=630mm，取650mm，喇叭口设于最高水位之上处。
10.放空管设计
清水池内的水在检修时需要放空，因此应设排空管并采用2%的坡度并设排水集水坑。
排空管的管径按1h内将池水放空计算，放空管内流速按s，则需排空流量为Q3=15m×16m×3m/1=720m3/h=s，则排空管管径为D3=√（4Q3/πv）=
采用D=500mm管道，则实际流速为v=s。
11.清水池设有水位连续测量装置，供水位自动控制和水位报警之用。
附属设备：
1.导流墙
在清水池内设置导流墙，以防止池内出现死角，保证氯与水的接触时间。
导流墙顶砌筑到清水池最高水位，使顶部空间保持畅通。
导流墙底部每隔3m设尺寸为×的过水方孔。
2.检修孔
一共设3个，池内的进水管，出水管，溢流管和集水坑附近各设一个。
DN为1200mm，孔顶设防鱼盖板；
3.通气孔
池顶设DN为200mm的通风孔，高出池顶覆土面，并用防护网，防止虫、蝇、雨水等进入水中。
4.覆土厚度
清水池顶面应有（）m的覆土厚度，取为。
二级泵站
1.吸水井
水厂地面标高，河流洪水位标高为，枯水位标高为。
设计二泵站吸水井顶标高为。
二泵房吸水井底标高为，二泵房吸水井水面标高为。
2.泵房高度
二泵房室内低坪标高为,泵房所在的室外地坪标高为，二泵房室内地面低于室外，泵房为半地下室。
泵房地下高度为，泵房高度H=10m。
附属构筑物
附属构筑物包括生产辅助建筑物和生活附属建筑物。
1.生产辅助建筑物
主要有机修车间、配电房、药库、氯库和化验间等。
2.生活附属建筑物
生活附属建筑物包括水厂的办公楼、车库、值班宿舍、控制室、食堂、值班室等。
水厂内绿化面积很多,绿地由草地、绿篱、花坛、树木配合构成，面积大的可以在中间设建筑小品和人行走道形成小型花园.在建筑物的前坪，道路交出口的附近都设绿地.在建筑物或构筑物与道路之间的带状空地进行绿化布置，形成绿带.在需要围护的地方设绿篱，既起到隔离的作用，又可以达到美化的效果.水厂四周设置高米的防护围墙，采用砖砌围墙。
各附属构筑物尺寸面积表5-1
序号
名称
面积（㎡）
尺寸（m×m）
1
办公楼
450
30×15
2
停车场
120
12×10
3
仓库
48
8×6
4
食堂
160
16×10
5
门卫
36
6×6
6
机修间
80
8×10
7
配电站
16
4×4
第五章水厂平面和高程布置
平面布置
平面布置时，应考虑一下几点：
1.布置紧凑，以减少水厂占地和连接管渠的长度，但是各构筑之间应留出必要的施工和检修空间和管道位置。
2.充分利用地形，力求挖填方平衡以减少施工量。
3.各构筑物之间连接管应简单、短捷，尽量避免立体交叉，并考虑施工、检修方便。
4.沉淀池排泥及滤池冲洗废水排除方便，力求重力排污。
5.厂区内应有管、配件等露天堆场。
6.建筑物布置应注意朝向和风向。
7.有条件时最好把生产区和生活区分开。
8.应考虑水厂扩建可能。
9.水厂的工艺流程采用直线型布置，流程力求简短，适当增加绿地，使水厂立面丰富。
高程布置
水头损失估算表表5-1
名称
水头损失/m
名称
水头损失/m
管式静态混合器
混合器到澄清池
水力循环澄清池
澄清池至滤池
无阀滤池
滤池至清水池
清水池
其他
视管道长度而定
计算：
1.清水池
清水池的水面标高=地面标高=
清水池的池底标高=清水池的水面标高-有效水深=超高采用。
2.无阀滤池
滤池的水面标高=清水池的水面标高+滤池到清水池之间的水头损失+滤池自身的水头损失=++=。
滤池的池底标高=滤池的水面标高-有效水深=。
超高采用。
3.水力循环澄清池
澄清池的水面标高=滤池的水面标高+澄清池到滤池之间的水头损失+澄清池自身的水头损失=++=。
澄清池的池底标高=澄清池的水面标高-有效水深=。
超高采用。
4.吸水井
吸水井的水面标高=清水池的水面标高-清水池到吸水井之间的水头损失=。
吸水井的池底标高=吸水井的水面标高-有效水深=。
各管线水头损失与标高表5-2
管线的水头损失及流程标高计算（相对标高m）
连接管
构筑物
沿程及局部
构筑物
构筑物水位
一泵站到混合池
混合池
混合池至澄清池
水力循环澄清池
澄清池至滤池
无阀滤池
滤池至清水池
清水池
清水池至吸水井
吸水井
构筑物标高和水位标高表5-4
构筑物
水位标高（m）
池底标高（m）
池顶标高（m）
水力循环澄清池
无阀滤池
清水池
吸
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