专利名称：一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法
技术领域：
本发明涉及一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，尤其用于污水深海排放扩散器的多上升管多喷口结构的设计方法。
背景技术：
污水进行深海排放是一种最环保经济的临港污水处置方法，得到沿海城市广泛采用。扩散器结构的优化设计是污水排海工程建设方案的关键技术之一，其结构方案主要包括扩散器的长度及管径、上升管个数间距及管径、喷口的水平方位角、射流角度及管径等因素。扩散器结构方案直接影响到污水稀释扩散效果和工程投资，研究各因素对污水稀释扩散的效果，并确定在达到污水排海环保要求的前提下减小投资是本次扩散器方案研究的主要目标。其中，扩散器上升管间距的计算分析主要是采用由浮射流扩散理论的圆形射流在最大高度发生干涉理论而得的上升管间距公式，目前Brooks、Wiullam、Agg Wakeford等提出的上升管间距公式被广泛应用。但是通过公式计算的上升管间距只是一个最小值，实际经济环保的扩散器间距选取一直是个瓶颈问题，亟待解决。
发明内容
本发明技术方案针对上述问题，本发明的目的是提供一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，有利于保证扩散器排污的稀释扩散效果，同时能更高精度的确定扩散器的长度，是进行扩散器设计的最环保经济的方法，为设计符合环保要求的扩散器提供技术支持和参考依据。为了实现上述目的，本方法采用的技术方案是提供一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，该方法的步骤包括:(I)扩散器上升管间距的估算及扩散器上升管间距初步方案确定根据Brooks、Wiullam和Agg Wakeford的静水和动水中的扩散器上升管间距公式确定上升管间距的最小值，其后结合实际工程中扩散器的长度进一步提出扩散器上升管间距的初步方案；(2)建立扩散器排污海域物理试验模型并对模型进行率定分析污水排海扩散器排污海域物理试验模型为正态模型，根据相似理论设计，遵守佛汝德数和雷诺数准则，在玻璃水槽开展模型试验:包括玻璃水槽、扩散器模型、水槽给排水系统、污水给水系统、采样分析系统等设备和装置，扩散器模型模拟各个上升管间距方案；水槽给排水系统由给水泵和尾门来实现水槽水流条件的控制；污水给水系统包括污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计，而实现扩散器排放污水；采样分析系统由采样器和分光光度计来实现采样分析功能；在建立上述物理试验模型的基础上，通过旋桨流速仪、玻璃转子流量计、液体比重计，对扩散器模型的长度、水位、流速、污水量、污水浓度进行验证；(3)扩散器上升管间距方案的物理模型试验
扩散器上升管间距方案物理模型试验是在步骤(2)建立的模型水槽中进行的，模型试验中通过采用具有不同上升管间距大小的扩散器模型模拟各个上升管间距方案，通过给水泵和尾门调节控制环境水流的水位和流速，通过污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计调节扩散器排放污水浓度和污水量，通过采样器和分光光度计对排污水体进行采样及浓度分析，最后根据采样分析结果得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布；(4)扩散器物理模型试验数据分析及上升管间距的确定在步骤(I)确定上升管间距初步方案和步骤(2)建立扩散器排污海域物理模型的基础上，通过步骤(3)中的扩散器上升管间距排污海域物理模型试验，得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布，并通过污染物表层和纵面的浓度分布分析，得到扩散器出流污水升顶和混合能同时发生的上升管间距方案，最后确定上升管的间距。本发明的效果是该方法综合采用扩散器上升管间距公式计算和扩散器排污海域物理模型试验模拟分析的方法，通过分析扩散器排污的表层和纵面浓度分布，尤其是污水出流后混合与升顶情况，准确的确定了扩散器的上升管间距，有效解决了一直以来扩散器间距只凭公式计算难以精确确定的现状，保证了扩散器排污的稀释扩散效果，使得距扩散器出口百米范围内稀释度最高可达上百倍，避免了扩散器间距过长造成的工程浪费，同时为扩散器长度的确定和环保经济的扩散器设计提供了技术支撑，为污水深海排放工程的发展奠定了基础。
图1本发明的用于污水深海排放扩散器上升管间距确定方法流程图；图2本发明的扩散器上升管结构示意图；图3本发明的扩散器排污海域物理模型试验装置系统示意图；图4本发明的扩散器排放污水的表层浓度分布图；图5本发明的扩散器排放污水的纵面浓度分布图。图中:1、扩散器主管2、扩散器上升管3、玻璃水槽4、造波机5、控制室6、扩散器模型7、双向泵8、污水箱9、玻璃转子流量计10、采样器
具体实施例方式结合附图对本发明的一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法加以说明。本发明的设计思想是基于综合采用扩散器上升管间距公式计算和扩散器排污海域物理模型试验模拟分析的方法，准确确定扩散器的上升管间距，具体方法步骤如图1，扩散器上升管结构如图2。本方法的一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，该方法的步骤包括:(I)扩散器上升管间距的估算及扩散器上升管间距初步方案确定根据Brooks、Wiullam和Agg Wakeford的静水和动水中的扩散器上升管间距公式确定上升管间距的最小值，其后结合实际工程中扩散器的长度进一步提出扩散器上升管间距的初步方案；
(2)建立扩散器排污海域物理试验模型并对模型进行率定分析污水排海扩散器排污海域物理试验模型为正态模型，根据相似理论设计，遵守佛汝德数和雷诺数准则，在玻璃水槽开展模型试验:包括玻璃水槽、扩散器模型、水槽给排水系统、污水给水系统、采样分析系统等设备和装置，扩散器模型模拟各个上升管间距方案；水槽给排水系统由给水泵和尾门来实现水槽水流条件的控制；污水给水系统包括污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计，而实现扩散器排放污水；采样分析系统由采样器和分光光度计来实现采样分析功能；在建立上述物理试验模型的基础上，通过旋桨流速仪、玻璃转子流量计、液体比重计，对扩散器模型的长度、水位、流速、污水量、污水浓度进行验证；(3)扩散器上升管间距方案的物理模型试验扩散器上升管间距方案物理模型试验是在步骤(2)建立的模型水槽中进行的，模型试验中通过采用具有不同上升管间距大小的扩散器模型模拟各个上升管间距方案，通过给水泵和尾门调节控制环境水流的水位和流速，通过污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计调节扩散器排放污水浓度和污水量，通过采样器和分光光度计对排污水体进行采样及浓度分析，最后根据采样分析结果得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布；(4)扩散器物理模型试验数据分析及上升管间距的确定在步骤(I)确定上升管间距初步方案和步骤(2)建立扩散器排污海域物理模型的基础上，通过步骤(3)中的扩散器上升管间距排污海域物理模型试验，得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布，并通过污染物表层和纵面的浓度分布分析，得到扩散器出流污水升顶和混合能同时发生的上升管间距方案，最后确定上升管的间距。本发明的一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法是这样实现的:实施主要分为以下四个步骤:
(I)扩散器上升管2间距的估算及扩散器上升管2间距初步方案确定由浮射流扩散理论可知，要使圆形射流在最大高度发生干涉，喷口间距应满足下面公式要求，通过公式计算确定扩散器上升管2的最小间距。根据Brooks和Wiullam的研究,在静水条件下,上升管2间距应大于S=0.3H式中:S—扩散器上升管2间距；H—一喷管至海面的高度根据Agg Wakeford的研究,在动水条件下,上升管2间距应大于
(u YS = Hx 0.3 + 0.4x
V.KjJ式中:Ua—环境流速；Vj—喷口流速。在上述扩散器上升管2最小间距确定的基础上，结合扩散器主管I的长度和工程实际情况确定扩散器上升管2间距方案。如某实施例，通过上述公式确定了该实施例的上升管2最小间距大于3m,同时提出了其对应上升管2试验方案为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m。(2)建立扩散器排污海域物理试验模型并对模型进行率定分析污水排海扩散器物理模型，根据相似理论设计，为正态模型，遵守佛汝德数和雷诺数准则，整个模型试验在玻璃水槽3中开展，主要包括玻璃水槽3、扩散器模型6、水槽给排水系统、污水给水系统、采样分析系统等设备和装置，扩散器模型6，主要是指具有不同上升管2间距的扩散器；玻璃水槽给排水系统，用来模拟扩散器所在海域的水动力环境，主要通过造波机4、控制室5、双向泵7和尾门的开启度联合控制，其中开启度主要是通过水位和流速的测量值来确定；污水给水系统，用来模拟扩散器9中排放的污水，主要通过污水箱8、搅拌装置、污水泵、玻璃转子流量计9等实现；采样分析系统，主要是通过采样器10采取不同断面和不同深度的水样并用分光光度计对水样进行分析。在上述模型设备的基础上，对扩散器模型6的长度、水位、流速、污水量、污水浓度等通过旋桨流速仪、玻璃转子流量计9、液体比重计等进一步验证。模型试验系统及装置如图3所示。(3)扩散器上升管2间距方案的物理模型试验扩散器上升管2间距方案物理模型试验是在步骤(2)建立的模型水槽3进行的，模型试验中通过采用具有不同上升管2间距大小的扩散器模型6模拟了各个上升管2间距方案，上升管2间距方案由步骤(I)确定，试验中通过给水泵和尾门调节控制环境水流的水位和流速，通过污水箱8、搅拌装置、污水泵、玻璃转子流量计9等调节扩散器排放污水浓度和污水量，通过采样器10和分光光度计等对排污水体进行采样及分析，最后根据采样分析结果得到了不同上升管2间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布。例如某实施例通过计算，其上升管2间距应大于3m,最终对4m、5m、6m、7m、8m、9m、IOm等方案进行物理模型试验，得到的扩散器上升管2间距方案排放污水的浓度分布如图4和图5所示，图4为污染物表层浓度分布图，图中曲线代表污染物浓度值，同一条曲线上的污染物浓度是相同的，图5为污染物纵面浓度分布图，图中曲线代表污染物浓度值，同一条曲线上的污染物浓度是相同的。(4)扩散器物理模型试验数据分析及上升管2间距的确定此步骤是在步骤(I)确定上升管2间距初步方案和步骤(2)建立扩散器排污海域物理模型的基础上，进行了步骤(3)中的扩散器上升管2间距排污海域物理模型试验，得到不同上升管2间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布。试验所得浓度分布表明，污水从扩散器上升管2喷出后，一方面污水会在水体中逐渐的稀释扩散，这主要是由于水流和污水的紊动作用，另一方面污水还会不断的向水面运动直至升顶到达水体表面为止，这是由于污水受到浮力的作用。在紊动作用和浮力作用下，相邻射流经一定距离后，会相互交汇，上升管2间距越小喷口污水越易混合，发生混合的位置距离扩散器的距离越小，随着上升管2间距的增大，喷口污水混合位置距离扩散器的距离也增大，这是由于间距的增大，延长了喷口污水稀释扩散的时间，进而延长了混合距离。并且发现在某一特定上升管2间距下，出流污水升顶与混合会同时发生，而且当上升管2间距大于这个值后，上升管2间距的变化几乎不会引起排放污水稀释度的变化，可见无限制的加大上升管2间距并不能提高扩散器稀释效果，反而会增加工程费用，所以，只有当污水升顶与污水混合同步发生的上升管2间距才能使扩散器排放的污水取得最大的初始稀释度并有效地利用扩散器长度，这也是我们试验最终获取上升管2间距的标准。因此，通过污染物表层和纵面的浓度分布分析，得到扩散器出流污水升顶和混合能同时发生的上升管2间距方案，最后确定上升管2间距。例如实施例，扩散器上升管2间距方案根据步骤(I)确定了最小的扩散器上升管2间距方案为大于3m,进而可以确定扩散器上升管2间距方案为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m等，通过步骤(2)、(3)中的试验发现，当喷口间距为3米到7米时，喷口污水升顶前即发生混合，但是当喷口间距大于7米时，包括8米、9米、10米方案的研究，喷管污水都是先升顶，之后喷管间的污水才缓慢混合，同时发现只有当上升管2间距为7米时，出流污水混合时刚好升顶，这时扩散器出流污水升顶时同步充分混合，这样的上升管2间距排污方案有效利用了扩散器的长度，同时又保证了扩散器排污稀释效果的要求，由此确定此实施例最佳的上升管2间距为7米。
权利要求
1.一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，该方法包括有以下步骤: (1)扩散器上升管间距的估算及扩散器上升管间距方案初步确定 根据Brooks、Wiullam和Agg Wakeford的静水和动水中的扩散器上升管间距公式确定上升管间距的最小值，其后结合实际工程中扩散器的长度进一步提出扩散器上升管间距的初步方案； (2)建立扩散器排污海域物理试验模型并对模型进行率定分析 污水排海扩散器排污海域物理试验模型为正态模型，根据相似理论设计，遵守佛汝德数和雷诺数准则，在玻璃水槽开展模型试验:包括玻璃水槽、扩散器模型、水槽给排水系统、污水给水系统、采样分析系统等设备和装置，扩散器模型模拟各个上升管间距方案；水槽给排水系统由给水泵和尾门来实现水槽水流条件的控制；污水给水系统包括污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计，实现扩散器排放污水；采样分析系统由采样器和分光光度计来实现采样分析功能；在建立上述物理试验模型的基础上，通过旋桨流速仪、玻璃转子流量计、液体比重计，对扩散器模型的长度、水位、流速、污水量、污水浓度进行验证； (3)扩散器上升管间距方案的物理模型试验 扩散器上升管间距方案物理模型试验是在步骤(2)建立的模型水槽中进行的，模型试验中通过采用具有不同上升管间距大小的扩散器模型模拟各个上升管间距方案，通过给水泵和尾门调节控制环境水流的水位和流速，通过污水箱、搅拌装置、污水泵、转子流量计调节扩散器排放污水浓度和污水量，通过采样器和分光光度计对排污水体进行采样及浓度分析，最后根据采样分析结果得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布； (4)扩散器物理模型试验数据分析及上升管间距的确定 在步骤(I)确定上升管间距初步方案和步骤(2)建立扩散器排污海域物理模型的基础上，通过步骤(3)中的扩散器上升管间距排污海域物理模型试验，得到不同上升管间距扩散器在海域排污的表层和纵面的浓度分布，并通过污染物表层和纵面的浓度分布分析，得到扩散器出流污水升顶和混合能同时发生的上升管间距方案，最后确定上升管的间距。
全文摘要
本发明公开一种污水深海排放扩散器上升管间距确定的方法，包括以下步骤扩散器上升管间距的估算及扩散器上升管间距初步方案确定；建立扩散器排污海域物理试验模型并对模型进行率定分析；扩散器上升管间距方案的物理模型试验；扩散器物理模型试验数据分析及上升管间距的确定。本发明通过综合采用公式计算和物理模型试验的方法，准确的确定了扩散器的上升管间距长度，有效解决了以往扩散器间距只凭公式计算难以精确确定的现状，保证了扩散器排放污染物在海域的稀释扩散效果，使得距扩散器出口百米范围内稀释度最高可达上百倍，避免了扩散器间距过长造成的工程浪费，同时为扩散器长度的确定和经济环保型扩散器的设计提供了技术支撑，为污水深海排放工程的发展奠定了基础。
文档编号E03F1/00GK103206008SQ201310113750
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者彭士涛, 王心海, 白景峰, 于航, 赵宏鑫, 陈瑶泓伶 申请人:交通运输部天津水运工程科学研究所