張紅專(zhuān)　李春森　萬(wàn)毅鋒　董秉直　梁　超　高乃云

　　提要 簡(jiǎn)述了測(cè)定沉淀池上升流速的兩種常用方法 , 即容積法和高錳酸鉀法。針對(duì)兩種方法存在的問(wèn)題 , 介紹了新研制出的一種方便有效的上升流速計(jì) , 并對(duì)其組成與原理、標(biāo)定試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)用情況作了闡述。
　　關(guān)鍵詞 沉淀池　上升流速　測(cè)定方法

前言

　　上升流速是斜板 ( 斜管 ) 沉淀池以及機(jī)械加速澄清池重要的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù) , 了解實(shí)際運(yùn)行的斜板 ( 斜管 ) 沉淀池和澄清池中的上升流速分布對(duì)水廠的運(yùn)行管理有重要的意義。但目前鮮見(jiàn)這方面的報(bào)道。國(guó)內(nèi)水廠常用的方法有兩種 :
　　(1) 容積法。將測(cè)定出水渠的水量除以每個(gè)出水渠所承擔(dān)的出水負(fù)荷面積 , 從而求得上升流速。這種方法操作難度很大 , 而且無(wú)法了解上升流速的分布狀況。
　　(2) 高錳酸鉀法。將底部裝有高錳酸鉀的有機(jī)玻璃管插入沉淀池內(nèi) , 同時(shí)用秒表記錄高錳酸鉀紅色溶液上升至水面的時(shí)間 , 從而求得上升流速。這種方法對(duì)于清澈的水體勉強(qiáng)可行 , 但沉淀池水體常常并不很清澈 , 所以目視常常無(wú)法看到清晰的高錳酸鉀上升線。而且高錳酸鉀制劑容易擴(kuò)散 , 所以此方法并不可靠。因此尋找一種方便有效的上升流速測(cè)定方法 , 是許多水廠的當(dāng)務(wù)之急 , 也是我們要對(duì)某水廠進(jìn)行制水能力測(cè)試所必須解決的課題。

1 上升流速計(jì)的組成與原理

1.1　儀器組成

　　上升流速計(jì)由有機(jī)玻璃管、彩球、鐵絲、格網(wǎng)等組成 ( 見(jiàn)圖 1) 。
　　(1) 有機(jī)玻璃管。材料為輕質(zhì)有機(jī)玻璃 , 直徑 54 mm , 管長(zhǎng) 1 1 5 m , 在距下端 1 m 處開(kāi)了 6 個(gè)直徑為 15 mm 的圓孔。管子原本兩端開(kāi)口 , 然后加工 , 在下端用格網(wǎng)進(jìn)行封口 , 使彩球不會(huì)掉下 , 但水流能以盡可能小的阻力通過(guò)。

　　(2) 彩球。均質(zhì)光滑球面 , 材料為無(wú)毒聚氯乙烯 , 密度略比水小 , 顏色為紅色 , 直徑為 2 cm 。
　　(3) 鐵絲。鐵絲一頭折彎幾圈成小盤(pán)狀 , 其余部分為直條 , 比有機(jī)玻璃管長(zhǎng) 5 ～ 10 cm , 用于把彩球壓至管底。
1.2　原理
　　將上升流速計(jì)先在實(shí)驗(yàn)室配上流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定 , 作出水流實(shí)際上升流速與彩球上升時(shí)間 ( 從底端上升至 1 m 刻度處 ) 的關(guān)系曲線 , 并回歸出一關(guān)系公式 , 于是將這上升流速計(jì)用于實(shí)際水體中測(cè)定 , 只需計(jì)下彩球的上升時(shí)間 , 便能從公式算得或從曲線查得其對(duì)應(yīng)的上升流速。

2 　標(biāo)定試驗(yàn)

2.1　試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)裝置由流量計(jì)、上升流速計(jì)、大小接頭、皮管、秒表等組成 ( 見(jiàn)圖 2) 。
2.2 　試驗(yàn)方法與步驟
　　(1) 通入水流 , 調(diào)節(jié)水量 , 使水量固定在某一值。
　　(2) 用鐵絲把彩球壓至管底 , 然后輕輕地提起鐵絲、放開(kāi)彩球 , 同時(shí)按下秒表 , 則彩球在水流作用下上升。當(dāng)上升至 1 m 刻度時(shí)再按下秒表 , 停止計(jì)時(shí) , 從而得出彩球上升時(shí)間。

　　(3) 在同一水量下 , 測(cè)三次彩球上升時(shí)間 , 然后取其平均值。
　　(4) 改變水量 , 重復(fù)上述過(guò)程。
2.3　試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
　　試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1 。

　　

2.4　結(jié)果討論

　　彩球的上升速度 v ′由水流上升流速 v 和彩球在靜水中的上浮速度 v 0 ( 由彩球和水的密度差引起 ) 兩部分組成 , 即 v ′ = v + v 0 。又彩球的上升速度與彩球上升時(shí)間的關(guān)系式為 :

式中 ρ 水 為水的密度 ; ρ 球 為球的密度 ; g 為重力加速度 ; d 為彩球直徑 ; C D 為阻力系數(shù)。當(dāng)有機(jī)玻璃管的尺寸已確定 , 在同一水體中 , v 0 為常數(shù)。因此 , 式 (2) 可作為理論公式檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果 , 發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)所得彩球上升時(shí)間與水流上升速度的關(guān)系曲線符合理論要求。所以研制出的上升流速計(jì)在理論上具有可靠性和精確性。

3 　測(cè)定方法與實(shí)際運(yùn)用

3.1 　測(cè)定方法與步驟

　　(1) 將經(jīng)過(guò)標(biāo)定的上升流速計(jì)垂直放入實(shí)際水體中 , 先用鐵絲把彩球壓至管底 , 然后在放開(kāi)鐵絲的同時(shí)按下秒表開(kāi)始計(jì)時(shí) , 待彩球上升至 1 m 刻度處 , 再立刻按下秒表 , 停止計(jì)時(shí) , 從而得彩球上升時(shí)間 , 重復(fù)以上過(guò)程三次 , 最后取其平均值。
　　(2) 將彩球的上升時(shí)間 , 在上升流速標(biāo)定曲線圖 ( 圖 3) 中對(duì)照 , 得水流實(shí)際上升流速。
3.2 　實(shí)際應(yīng)用
　　我們?cè)趯?duì)上海某水廠制水能力測(cè)試的過(guò)程中 , 應(yīng)用此上升流速計(jì)測(cè)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 個(gè)測(cè)點(diǎn)。下面各取 1 座澄清池和 1 座斜管沉淀池為例 , 說(shuō)明此上升流速計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用。
3.2.1 　澄清池
　　(1) 澄清池中的測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖 4 。

　　(2) 各點(diǎn)所測(cè)彩球上升時(shí)間及對(duì)應(yīng)流速見(jiàn)表 2 。
　　(3) 由圖 4 及表 2 , 可見(jiàn)此澄清池平均上升流速為 1 1 18 mm/ s , 與設(shè)計(jì)值 1 mm/ s 較接近。
　　(4) 由圖 4 及表 2 , 可見(jiàn)此澄清池最大上升流速為 1 1 81 mm/ s , 最小上升流速為 0 1 76 mm/ s , 上升流速分布不太均勻 , 東南部上升流速大 , 西北部上升流速小

3.2.2 　斜管沉淀池
　　(1) 斜管沉淀池中的測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖 5 。

　　

　　(2) 各測(cè)點(diǎn)彩球上升時(shí)間及對(duì)應(yīng)水流上升流速見(jiàn)表 3 。
　　(3) 由圖 5 及表 3 可以看到這座沉淀池平均上升流速為 2 1 75 mm/s, 與設(shè)計(jì)值 (2 1 7 mm/ s) 比較接近。
　　(4) 由表 3 可見(jiàn)此斜管沉淀池最大上升流速為 4 1 66 mm/ s , 最小上升流速為 2 1 1 mm/ s , 上升流速分布很不均勻 , 這是由于集水槽不水平造成的 , 建議將集水槽整平。實(shí)踐證明研制的上升流速計(jì)操作簡(jiǎn)單 , 使用方便 , 不影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

4 注意事項(xiàng)與結(jié)論

4.1 　注意事項(xiàng)
　　(1) 標(biāo)定試驗(yàn)時(shí) , 注意實(shí)行淹沒(méi)標(biāo)定 , 即找一個(gè)大水體 , 讓上升流速計(jì)的 6 個(gè)小孔淹沒(méi)于水面下 , 因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)定中 , 小孔總是淹沒(méi)于水面下 , 這樣才能消除標(biāo)定與實(shí)際之間的誤差。
　　(2) 測(cè)試時(shí)上升流速計(jì)一定要豎直 , 避免彩球碰到管壁。
4.2 結(jié)語(yǔ)
　　經(jīng)理論分析和應(yīng)用實(shí)踐證明 , 研制的上升流速計(jì)具有以下特點(diǎn) :
　　①設(shè)備簡(jiǎn)單 , 使用方便 , 成本低廉 ;
　　②具有可靠性和精確性 ;
　　③使用時(shí)不影響水廠正常運(yùn)行 ;
　　④適用范圍廣 , 適合于各種水質(zhì) , 多種場(chǎng)合 ;
　　⑤儀器便于推廣。