上向流悬浮滤料滤池的滤板设计与施工∗

路洪波

(中国市政工程西北设计研究院有限公司 兰州730000)

引言

目前,上向流悬浮滤料滤池已经在大型污水处理厂中广泛应用,该滤池的原理是将污水由下向上透过滤料及抗浮滤板达到过滤的效果。其主要优势在于纳污能力强,易冲洗,水头损失小,无气水反冲设备,是一种处理效果较好的高效节能型滤池[1,2]。如图1 所示,该滤池包括原水区、布水区、过滤区和清水区四大功能区,其中,过滤区内设有轻质悬浮滤料层,采用EPS(可发性聚苯乙烯)轻质悬浮滤料,该滤料具有很强的吸附污染物的能力,但由于该滤料的密度远小于水的密度,一旦经由滤板孔隙流出,不仅污染环境,更会导致滤池彻底失去过滤作用,这就要求该滤板不但起到承受自身荷载的作用,同时也必须能够承受滤料与水的上浮力[3,4]。本文结合工程流体力学原理,通过建立并求解滤板受力的数学模型,给出了抗浮滤板的配筋结果。

图1 上向流悬浮滤料滤池示意Fig.1 The anti floating filter plate for up-flow filter

1 设计原理

在上向流悬浮滤料滤池中,设置抗浮滤板的主要目的在于防止滤料随水流穿过滤板孔隙而溢出,稳定滤池内部水压,承受水流向上的浮力,同时支撑自身重量,因此在滤板的设计中结合工程流体力学原理[5],采取特殊的结构形式可以解决上向流悬浮滤料滤池中对该滤板的特殊受力要求,满足滤池的功能要求,达到很好的过滤效果。

在滤板的受力分析中,由于EPS 滤料的密度比水小很多,因此EPS 滤料上面的抗浮滤板会受到滤料向上的浮力作用,需要考虑水头差的存在,故滤板所受最大浮力为水头差H所引起的水压。滤板上设有滤头芯,起到泄压的作用,由于滤料对水的粘滞阻力减小了泄压作用,故在计算滤孔的泄压作用时,结合现场工程经验,以滤池中间区域的一块滤板为受力对象,通过建立并求解滤板受力的数学模型,求得抗浮滤板的配筋结果。抗浮滤板配筋的详细计算方法如下:

首先,建立滤板抗浮的平衡方程:

其中:

(1)水头差H引起的水压力F1

式中:F1为水头差H引起的水压力;H为配水渠内设计水位至滤板底的液位高差; Δh为考虑运行过程中可能会出现的水位超高或操作失误引起的超高,取配水渠内设计水位至池顶的高差。

(2)考虑滤料对水的粘滞阻力后的泄压作用F2

式中:F2为考虑滤料对水的粘滞力后的泄压作用;ν为滤料对水的粘滞力影响系数,根据实验测量及现场经验ν取值0.5 ～0.8;n1为一块滤板上滤头的个数,根据工艺计算及过滤效果通常n1取49;d为滤头内径。

(3)滤板自重提供的抗浮力F3

式中:F3为滤板自重提供的抗浮力;h2为滤板厚度,根据现场安装及造价等因素h2通常取100mm;A为一块滤板的面积;γ砼为混凝土容重,根据《建筑结构荷载规范》,γ砼取21kN/m3～23kN/m3。

(4)滤板锚筋的锚固力F4

式中:F4为滤板锚筋的锚固力;As为单肢锚筋的面积;fy为锚筋的设计强度值;n2为滤板每侧钢筋的锚固点数。

然后,将上述式(2) ～式(5)中的计算结果分别代入式(1),计算可得每块滤板每侧钢筋的锚固点数n2。

2 制备安装

2.1 制备抗浮滤板

(1)组装模具: 如图2 所示,模具包括预留有安装滤头套筒圆孔的底板和四块侧壁板,组装完成,涂抹隔离剂,将滤头套筒固接在模具底板预留的圆孔中,再用滤头压板将滤头套筒上部压住。

图2 抗浮滤板示意Fig.2 The anti floating filter

(2)绑扎及固定钢筋。滤板中锚筋规格型号根据结构受力计算进行设置,并考虑与滤梁钢筋布置位置相一致,预留长度应满足锚固要求,同时应避开滤板的预留企口位置并均匀设置; 滤板钢筋与滤梁钢筋采用点焊并保证可靠的连接长度。

(3)浇筑混凝土,设有燕尾槽形突起的两块侧壁板浇筑后形成抗浮滤板上下相对的上、下企口,用于后期填充微膨胀混凝土,振捣密实后进行混凝土养护。

(4)抗浮滤板达到初凝强度后进行拆模,拆模后继续养护直到完全达到强度,制成单块抗浮滤板,重复上述方法制成若干单块抗浮滤板。

2.2 安装抗浮滤板

(1)在滤池两端池壁上预制滤梁,将滤梁上的钢筋预留到位,浇筑混凝土的滤梁,并进行滤梁混凝土的常规养护。

(2)安装抗浮滤板: 将抗浮滤板吊装就位,滤板四边整齐、无翘缺,并保证抗浮滤板与滤梁的预留钢筋处于同一位置、同一高度,采用点焊方式保证连接可靠。

(3)单块抗浮滤板沿其纵向与其相邻的抗浮滤板通过上、下企口对接咬合构成具有燕尾式板缝的整体抗浮滤板,使用微膨胀混凝土浇筑燕尾式板缝,养护浇缝微膨胀混凝土。

(4)安装完毕后清扫抗浮滤板,将滤头芯螺接到滤头套筒内。

3 工程实例

本抗浮滤板已经实际应用于西安市某大型污水处理厂的上向流悬浮滤料滤池中,该污水处理厂日处理规模为15 万t/d,滤池共分为15 格,每格处理能力为1 万t/d,每格滤池使用抗浮滤板50 块。每块抗浮滤板平面尺寸920mm×990mm,厚100mm; 企口长度35mm,厚50mm;每块抗浮滤板重量约为450kg。每块抗浮滤板上共有49 个滤头。抗浮滤板混凝土强度为C30,抗渗等级P6,抗冻等级F150,采用HRB400 级直径10mm 钢筋。

根据本文第1 节计算原理,并结合以往工程经验,本工程中每块滤板每侧锚固点取4 个即可满足受力要求,抗浮滤板实际布置形式如图3 所示。

图3 上向流悬浮滤料滤池Fig.3 The anti floating filter plate for up-flow filter

本工程池体运行过程中,正常过滤时进水控制阀开启,污水自下而上流经滤料层,通过滤料的过滤作用来达到过滤污水的效果。抗浮滤板起到阻挡滤料的作用,防止滤料随水流出,污水通过滤孔透过抗浮滤板,由集水渠流出滤池。本抗浮滤板采用了企口结构形式,解决了板缝施工过程中浇筑及支模困难的问题; 使用微膨胀混凝土的浇筑,使得浇筑质量得到了很大的提高,解决了漏水、漏料的问题; 由于抗浮滤板两端及滤梁上预留了钢筋环,使得抗浮滤板的固定、连接变得更加方便、快捷,不仅节省了人工成本还保证了安全性; 抗浮滤板充分利用自身的重量及滤孔的泄压作用来很好得达到了抗浮的效果,不仅满足了出水水质的要求同时还合理地利用了材料,节省了工程造价。

该抗浮滤板在滤池运行中应用良好,污水处理厂在目前三年连续运行中水质达标,实践证明,该上向流悬浮滤料滤池的抗浮滤板满足工艺运行要求,应用效果良好。

4 结语

1.上向流悬浮滤料滤池的抗浮滤板应用了工程流体力学原理,同时采用了新型的企口结构形式,起到了基本的抗浮功能,同时具有安全、可靠、简便、实用等特点。

2.该抗浮滤板在该污水处理厂工程实际应用中效果良好,作为滤池的主要部件对于保障出水水质达标起到了重要作用,能够满足工艺运行要求。