给水设计说明书.doc

水质工程学课程设计（I）

1总论
1.1设计任务及要求
四川某县城自来水厂初步设计，要求进行初步方案设计，简要写出一份设计计算说明书，对主要处理构筑物的工艺尺寸进行设计计算。确定水厂平面布置和高程布置，绘出水厂平面布置图、高程布置图、管线布置图、各个单体处理构筑物的平面图、剖面图并对所用设备进行选型。应做到设计合理、计算准确、图面清晰、语言简练、字体端正。
1.2基本资料
（1）现用水量：5×104m3/d
（2）给水水源：桃河
（3）水质资料：原不为穿城河流，取水口在城镇上游，水质较好，含砂量较低（平均含砂量0.4kg/m3），上游无工业污染和集中生活污水污染。
表格 1原水水质资料
项 目
含 量
项 目
含 量
浑 浊 度
300～1000mg/l
耗 氧 量
20mg/l
色 度
10度
总 硬 度
3度(德国度)
水 温
10～20℃
暂时硬度
3度(德国度)
PH 值
7.5～8.0
氯 化 物
21mg/l
细菌总数
12000个/ml
总 固 体
298mg/l
大肠菌数
33000个/l
碱 度
8度
臭 和 味
微 量

（4）地质资料
A.拟建水厂区域工程地质钻探资料
通过工程地质钻探，地层构造为：表层为0.5～0.7m厚的耕土，以下均为密实压粘土，地下12m处才有基岩露头。
地下水位在地表8m以下，地下水无浸蚀性。地基耐压力为15T/㎡。
B.该城镇地震资料
据记载，该地区未发生过破坏性地震，据地震监测总的记录，该地区最大震级为6级，地震裂度为6度。
由四川地震局推荐，该地区建筑设计按地震裂度7度设防。
（5）水文资料
桃河由西向东穿城而过，拐向镇东南流出城。河上设有两座通行汽车的大桥。
河流常年流量较大，上游设有一大型水库调节，因此河流枯水位及流量变化不大。
该河流为通航河流，船舶最大吨位700吨，并有木排放下，取水构筑物设计时应考虑放排和通航的影响。
最高洪水位：188.00m
最大流量： 150m3/s
常水位：185.40m
年平均流量：75m3/s
枯水位：183.00m
最小流量：50m3/s
取水口水深最小达：4.0m
（6）气象资料
A.风向：见右方风玫瑰图
B.气温
最冷月平均：4.0℃
最热月平均：34.1℃
极端最高气温：40℃
极端最低气温：-2℃
C.降水量：年平均降雨量：1185.4mm
一日最大降雨：197.1mm
D.土壤冰冻深度： 0m
（7）其它资料
该城镇为县政治、经济中心，交通便利，铁路、公路、水运均与省城及埠外相连接，该县地方材料丰富。
（8）水厂厂址地形图一张（见附录）
2总体设计
2.1工艺流程的确定
根据原水水质资料可知：原水浑浊度300-1000mg/l，细菌总数12000个/ ml，大肠菌数33000个/l，耗氧量20mg/l,有微量的臭和味，原水受到较为严重污染，细菌指标超标严重。色度10度，氯化物21mg/l，总硬度3度(德国度)，暂时硬度3度(德国度)，总固体298mg/l，这几项指标达到生活饮用水卫生标准。因此处理的重点在于降低浊度、耗氧污染物和杀灭细菌等病源微生物，根据现有的技术经济条件，选用常规水处理工艺进行处理。
投加消毒剂
↓
一级泵站→配水井→絮凝→沉淀→过滤→清水池→二级泵站
↑
投加混凝剂
现用水量5×104m3/d，水厂自用水系数取1.05，则给水厂设计处理能力为5.25×104m3/d。
2.2处理构筑物及设备型式的选择
采用岸边分建式取水构筑物取水，取水头部采用菱形箱式取水头，取水头取集的水通过两根钢管自流至一泵站集水间。为修建方便，一泵站采用矩形平面泵站，安装三台机组，两用一备。
取水泵站离水厂的距离不是很远，输水安全问题不是很大，考虑各台水泵共用一条压水管输水至配水井，管材采用钢管。
混凝剂选择PAC,药剂溶解设备选用机械搅拌溶药池，混凝剂的投加选用耐腐蚀隔膜式计量泵，药剂混合设备选择管式静态混合器。
絮凝沉淀采用往复式隔板絮凝池和平流式沉淀池，往复式隔板絮凝池和平流式沉淀池合建。
过滤采用V型滤池，消毒剂选择常规的氯消毒。由于城市供水区域所需水压未知，二泵站不进行设计，只按估计预留建设用地。
办公楼、职工宿舍、职工食堂、停车场等生活设施集中布置在远离处理构筑物的地方；水厂加药间、加氯间、药剂储存间、化验室合建，靠近处理构筑物布置在下风方向； 配电室、机修间、门卫室和喷水池、花坛等园林绿化设施按需要布置。
3取配水构筑物设计计算
3.1一泵站设计计算
为修建方便，一泵站采用矩形平面泵站，安装三台机组，两用一备。
从取水头部到取水泵站集水间自流输水管设两条，设计流速0.7m/s。
管径为：。
泵吸水管设计流速取1m/s。
则吸水管管径为：
原水从取水头部经自流输水管流至集水井，经泵的提升后由压力钢管输送至给水厂配水井，压力输水管设计流速取1.5m/s。
则压力输水管管径为：
3.2配水井设计计算
配水井设计规模为2187.5m3/h，配水井是为了改善进水泵池来水的水流条件，均匀分配原水至各组处理构筑物，确保运行的稳定性。配水井同时作为滤池上清液的接纳点。配水井水停留时间采用2.5min，配水井有效容积为91.1m3。
一泵站送来的原水经配水井流至处理构筑物，从配水井流至絮凝沉淀池的出水管管内流速取0.7m/s，则管径需。
4混凝构筑物和设备设计计算
混凝效果的好坏与混凝剂的品种有非常重要的关系，混凝剂的品种主要有：硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁、聚合氯化铝（碱式氯化铝）。聚合氯化铝（碱式氯化铝）对于高浊和微污染水的处理效果均较好且有很好的脱色作用，在本工艺中采用聚合氯化铝（碱式氯化铝PAC）。
4.1药剂调配池设计计算
最大投药量取，则可算出每日投药量为1650kg, 药液质量浓度取，每日调配一次药剂，则所需药剂调配池容积为16.5m3，设计药剂调配池的尺寸为：，另外需超高0.3m，实际药剂调配池的尺寸为：。
为便于调配药剂，药剂调配池的设计高度一般以在地平面以下或半地下为宜，池顶高出地面0.20m左右，以减轻劳动强度，改善操作条件。调配池的底坡不小于0.02，池底应有直径不小于100mm的排渣管。药剂调配池设置机械搅拌机一台，池壁设超高0.3m，防止搅拌溶液时溢出。
由于药液一般都具有腐蚀性，所以盛放药液的池子和管道及配件都应采取防腐措施。调配池一般采用钢筋混凝土池体，与混凝剂接触的池内壁、设备、管道和地坪，采取相应的防腐措施。
4.2药剂投配设备设计
采用隔膜式计量泵投加的方式投加药液，可通过改变计量泵行程或变频调速改变药液投加量，药剂注入管道的方式详见图纸设计。
4.3混合设备的设计计算
混合设备选用管式静态混合器，构造如图所示。

图 I管式静态混合器示意图
管式静态混合器是处理水与混凝剂瞬间混合的理想设备，具有占地面积小、投资省、设备简单、混合效果好和管理方便等优点。
管式静态混合器由二个一组的混合单元组成，在不需外加动力的情况下，水流通过混合器产生对分流、交叉混合和反向旋流三个作用而实现药剂与水的充分混合。
管式静态混合器水头损失计算如下：

处理水量5.25×104m3/d, ，则根据上式可计算得知管式静态混合器的水头损失为：0.086m，实际流速V=0.642m/s,1000i=0.429,从配水井至往复式隔板絮凝池的管道长度设为10m,则管道水头损失为：0.004m,则总水头损失为0.09m。选DN1100钢管内装3个混合单元的管式静态混合器。
4.4反应构筑物的设计计算
反应构筑物的作用在于使凝聚微粒通过絮凝形成具有良好沉淀性能的大的絮凝体。目前国内使用较多的是各种形式的水力絮凝池及其各种形式的组合，主要有隔板絮凝、栅条絮凝、折板絮凝和波纹板絮凝等。这几种形式的絮凝池在大、中型水厂中均有使用，具有絮凝效果好、水头损失小、絮凝时间短、便于管理等优点，并且都能达到良好的絮凝条件。
综合考虑，本设计采用往复式隔板絮凝池。絮凝时间取t=20min，平均水深2.5m，絮凝池和后面的平流式沉淀池宽度取14m。
设计水量。
往复式隔板絮凝池容积
往复式隔板絮凝池净平面面积
往复式隔板絮凝池长度
廊道内流速分为5档：
转弯处流速等于廊道流速的1/1.5-1/1.2，则各档流速廊道宽度为：
，

廊道数的计算。取每一档流速廊道条数相同，即每一档流速水流在絮凝池中停留时间逐渐增大，则廊道条数：

取每一档流速廊道5条，共25条，水流转弯24次，絮凝池隔板间距之和

絮凝池隔板墙厚取0.1m，则絮凝池实际长度
廊道长度。各档流速廊道长度。其中，廊道宽1.2m，流速0.203m/s的一档最后一个廊道紧挨着穿孔花墙，不计入该档流速廊道的长度，则廊道长度变为70-14=56m。
一般水泥板或水泥砂浆抹面渠道水力粗糙系数n=0.013，取20℃时水的动力黏度。
各段廊道水头损失按下式计算：
式中：
——第i段廊道内水流转弯次数
——隔板转弯处局部阻力系数，180°时=3，90°时=1
——第i段廊道内水流转弯处水流流速，等于廊道内流速的1/1.5-1/1.2
——第i段廊道过水断面水力半径
——第i段廊道流速系数，
——廊道壁面、池底粗糙系数，通常取
速度梯度，式中：
——水的重度，
——水的动力黏度，，20°时为
表格 2各档流速廊道水头损失及速度梯度计算表
段数
转弯次数
直流段长度
廊道宽度

水力
半径

流速系数

廊道流速

转弯流速

水头损失
停留时间
速度梯度
1
5
70
0.5
0.227
60.0917
0.486
0.389
0.136
144
96.14
2
5
70
0.6
0.268
61.7600
0.405
0.324
0.091
173
72.03
3
5
70
0.8
0.345
64.4155
0.304
0.243
0.050
230
45.98
4
5
70
0.95
0.399
66.0056
0.256
0.205
0.035
273
35.30
5
4
56
1.20
0.484
68.1572
0.203
0.162
0.017
276
24.63

0.329
1096
54.21
平均速度梯度

配水廊道底部以2‰的坡度坡向水流流动方向，在每道配水廊道底部设DN200的排泥管。
5沉淀池设计计算
选用平流式沉淀池，平流式沉淀池抗冲击负荷，处理出水水质稳定，后期扩建时可以方便将其改建成斜管或斜板沉淀池。
设计数据选用：表面负荷，沉淀时间，水平流速。
5.1平流式沉淀池平面尺寸的确定
沉淀池面积
沉淀池长度
沉淀池宽度
实际沉淀池面积实际表面负荷
沉淀池有效水深，取水深H=3.20m，超高0.3m，池深3.5m。
沉淀池长宽比
沉淀池长深比
实际停留时间
实际水平流速
5.2穿孔花墙设计计算
絮凝池与沉淀池之间采用穿孔花墙布水，为布水均匀采用两道穿孔花墙。过孔流速取0.2m/s，则孔口总面积可计算得出需3.04m2，孔口尺寸取，则孔口个数为。为施工方便，沿水深方向开9排，每排开29个，共计261孔。
5.3集水槽、放空管、排泥设备设计计算
集水槽。取指型集水槽等于池长的1/10=8m，间距2m，共7条，，每条流量。
集水槽槽内起端水深取等于槽宽则

集水槽两侧壁开d=35mm的圆孔收集清水，孔口淹没深度0.07m，则每孔流量

集水槽每边开孔个数可计算得知为62.3个，按每边开孔64个，每孔间距125mm设计。
集水槽收集的水流至出水渠，出水渠渠宽按1m计，则出水渠起端水深可计算得知为0.366m。
为保证集水槽能均匀集水，集水槽出水应自由跌落，出水渠渠底应低于沉淀池水面的高度=出水渠水深+集水槽水深+集水槽孔口跌落高度+集水槽孔口淹没高度=0.366+0.34+0.05+0.07=0.826m。
取出水渠宽1m，深1m。
放空管：沉淀池放空时间按3h计，则按变水头放空容器计算公式
，取DN=350mm。
排泥设施：为取得较好的排泥效果，采用虹吸式机械吸泥机排泥。
5.4水力条件校核
沉淀池池宽14m，考虑沿池长方向设纵向隔墙一道，池底部开300×300@1000联通孔。
沉淀池过水断面积
沉淀池湿周
水力半径
弗劳德数
雷诺数
6滤池设计计算
6.1滤池平面尺寸的确定
本设计选用V型滤池，设计滤速，强制滤速不大于，滤池工作周期24h。
假定滤池设n座，为保证当一座检修一座反冲洗时，该两座滤池原来的水量扣除表面扫洗水量平均分配到其他各座滤池后强制滤速不大于，则应满足以下不等式：
，解之得：
设计8座双排对称布置的V型滤池，每排4座，中间布置管廊。
单池流量，设计滤速，则单池过滤面积。
取单池平面尺寸为，则实际滤速为，当其中一座检修、一座反冲洗时，其他几座滤池的强制滤速为：
6.2滤池反冲洗系统设计
单独气冲洗：气冲强度，历时。
气水同时反冲洗：气冲强度，水冲强度，历时。
单独水冲洗：水冲洗强度，历时。
表面扫洗：表面扫洗强度，历时。
6.3滤池高度的确定
滤池配水、配气及集水室高度，滤板高度，承托层厚度，滤料层厚度，砂面上水深，滤池超高。则滤池总高度为：
7消毒设备设计计算
水的消毒处理是生活饮用水处理工艺的最后一道工序，其目的在于杀灭水中的有害病原微生物，防止水致传染病。本设计选用氯作为消毒剂，氯消毒操作过程简单，价格较低，且在管网中有持续消毒杀菌作用，是目前国内外应用最广的消毒剂。
水厂设计水量5.25×104m3/d，最大投氯量取a=1mg/L=1g/m3。
则加氯量为：，
氯的储存按一个月考虑，则储氯量为：
氯的投加采用自动加氯机，加注点选在从滤池到清水池之间的管道上。
8清水池设计计算
清水池的调节容积取日设计水量的10%，则调节容积：V1=52500×10%=5250m3，
发生火灾时的消防流量取45l/s，同时发生火灾次数取1次，火灾延续时间取2h,则消防容积：V2=45×1×2×3600÷1000=324 m3
清水池总容积为：V= V1+ V2 =5250+324=5574m3
有效水深取H=3.5m，则清水池的面积为：F=V/H=5574/3.5=1593 m2，取B×L=50×32=1600 m2，超高取0.3m，则清水池净高度为3.8m。清水池设计容积为：V‘=B×L×H=5600 m3。
清水池内导流墙占据的无效容积为：V3=2×40×0.3×3.5=84 m3
则清水池的有效容积为：V“= V‘-V3=5600-84=5516 m3
清水池进水管管径取DN800mm，出水管管径也取DN800mm。溢流管的直径与进水管管径相同，取DN800mm，在溢流管管端设喇叭口，管上不设阀门，出口设置网罩，防止虫类进入池内。清水池在检修时需要放空，因此应设放空管，清水池放空管管径取DN600mm。
在清水池内设置导流墙两道，间距为10m，防止池内出现水流死角，保证氯与水的接触时间不小于30分钟。在清水池顶部设圆形检修孔2个，直径为1200mm。为使清水池内空气流通，保证水质新鲜，在清水池顶部设通气孔，通气孔共设12个，每格设4个，通气管的管径为200㎜，通气管伸出地面的高度高低错落，便于空气流通。清水池顶部覆土厚度为1.0m，并加以绿化，美化环境。
9水厂总体布置
9.1水厂平面布置
综合考虑地形、地质、气象、水文、远期发展、环境影响等因素，力求达到净水厂流程合理、节约用地、建设投资省、管理方便、环境优美、并能与后期发展合理结合。
水厂的平面布置考虑以下几点原则：
（1）布置紧凑，以减少水厂占地面积和连接管渠的长度，并便于操作管理，各构筑物之间留必要的施工和检修间距；
（2）充分利用地形，力求挖填土方平衡以减少填、挖土方量和施工费用；
（3）各构筑物之间连接管尽量简单、短捷，尽量避免立体交叉，并考虑施工、检修方便。
（4）建筑物布置应注意朝向和风向；
（5）把生产区和生活区分开，尽量避免非生产人员在生产区通行和逗留，以确保生产安全；
（6）对分期建造的工程，既要考虑近期的完整性，又要考虑远期工程建成后整体布局的合理性，还应该考虑分期施工方便。
综合以上原则，本设计中水厂的平面布置亮点如下：
（1）充分利用地形高差，生产处理构筑物呈梯级布置，与等高线平行，尽量减少挖填方；
（2）构筑物之间紧密连接，尽量做到不浪费每一毫米水的重力势能，减少跌水能量损耗，以节约电耗；
（3）生产处理构筑物与生活区分开布置，减少相互之间的干扰，保证生产安全；
（4）整个水厂布置双车道7m宽的环形大道与城区道路相连，环形大道连接各生产生活建筑物构筑物，并有一条3.5m宽的单车道穿过清水池和滤池，交通顺畅，并便于抢险和消防；
（5）加药间、加氯间、药剂储存仓库、化验室集中布置在远离城市的偏僻的下风方向，减少对城市的污染；
（6）厂区雨水就近排入桃河，生产费水和生活污废水送入城市污水处理系统；
（7）整个厂区凡是空闲的地方均充分绿化，环境优雅，清水池池顶“水”字形的步道曲径通幽，诠释了自来水厂的主题。
9.2水厂管线布置
综合考虑布置生产管线、加药管线、加氯管线、超越管线、给水管线、雨水排水管线、污水排水管线、生产废水排水管线。厂区管线一般包括：给水管线、排水（泥）管线、加药和厂内自用水管线、动力电缆、控制电缆等。后两者不属于本设计的设计范畴。
1. 给水管线
给水管线包括原水管线、沉淀水管线、清水管线和超越管线。给水管道采用钢管，布置方式为埋地式。
2. 厂内排水
厂内生活污水与雨水采用分流制，雨水就近排入水体；污水排入城市下水道。
生产废水（沉淀池排泥水及滤池反冲洗水）出路：沉淀池排泥水经排泥槽汇集进行处理；滤池反冲洗水集中排入回收水池，上清液经回收泵送回原水配水井再次进行处理，底部沉泥由回收水池的放空管直接排入厂区下水道。
3. 加药管线
加药、加氯管线做成浅沟敷设，上做盖板。加药管采用硬聚氯乙烯管；氯气管采用无缝钢管。
4. 自用水管线
厂内自用水是指水厂生活用水、泵房、药间等冲洗溶解用水以及清洗水池用水。厂内自用水均单独成为管系，自二级泵房出水管接出。

9.3水厂高程布置
处理工艺流程中，各构筑物之间水流为重力流，两构筑物之间水面差即为流程中的水头损失，包括构筑物本身，连接管道，计量设备等水头损失在内。

表格 3水厂生产管线沿程水头损失计算表

管径mm
管长m
流量m3/s
流速m/s
1000i
沿程水损m
配水井—反应池
1100
10
0.608
0.639
0.429
0.004
沉淀池—滤池
800
20
0.304
0.604
0.586
0.012
滤池—清水池
1100
5
0.608
0.639
0.429
0.002
清水池—吸水井
1100
40
0.608
0.639
0.429
0.017

表格 4水厂生产管线局部水头损失计算表

局部水头损失部位
局部阻力系数ζ
Σζ
流速m/s
局部水损m
配水井—反应池
进口
1.0
2.7
0.639
0.056

出口
0.5

DN1100 90°弯头4个
0.30×4
沉淀池—滤池
进口
1.0

DN800弯头4个
0.6×6
5.1
0.604
0.095

出口
0.5
滤池—清水池
进口
1.0

DN1100 90°弯头2个
0.30×2
2.1
0.639
0.044

出口
0.5
清水池—吸水井
进口
1.0
2.4
0.639
0.050

DN1100 90°弯头3个
0.30×3

出口
0.5

表格 5水厂生产构筑物水头损失估算表
水厂生产构筑物
水厂生产构筑物头损失m
往复式隔板絮凝池
0.329
平流式沉淀池
0.250
V型滤池
2.50

表格 6水厂生产构筑物间总水头损失计算表

沿程水损m
局部水损m
总水头损失m
配水井-往复式隔板絮凝池
0.004
0.06
0.39
往复式隔板絮凝池-平流式沉淀池
0.000
0.33
0.36
平流式沉淀池-V型滤池
0.03
0.12
0.15
V型滤池-清水池
0.04
2.50
2.54

各处理构筑物水面标高及构筑物地面标高见总图。
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