給水廠水處理工藝設(shè)計計算一、引言給水廠是城市供水系統(tǒng)的核心，其工藝設(shè)計計算直接決定了供水水質(zhì)、運行成本與系統(tǒng)可靠性。設(shè)計計算需以國家規(guī)范為依據(jù)（如《室外給水設(shè)計標準》GB____），結(jié)合原水水質(zhì)、用水需求與場地條件，通過量化分析確定各工藝單元的尺寸、參數(shù)與設(shè)備選型。本文系統(tǒng)梳理給水廠主要工藝單元的設(shè)計計算邏輯，強調(diào)實用性與規(guī)范性，為工程設(shè)計提供參考。二、設(shè)計計算基礎(chǔ)（一）設(shè)計依據(jù)1.法規(guī)與標準：《室外給水設(shè)計標準》GB____、《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB____、《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB____等。2.基礎(chǔ)資料：原水水質(zhì)報告（濁度、COD、氨氮、藻類、重金屬等）；城市總體規(guī)劃（人口規(guī)模、用水定額、管網(wǎng)布局）；場地地質(zhì)條件（地下水位、土壤承載力）、氣象資料（暴雨強度、冰凍期）。（二）核心參數(shù)確定1.設(shè)計規(guī)模設(shè)計規(guī)模以最高日用水量為基準，計算公式為：\[Q_d=(Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5)\times(1+\alpha)\]其中：\(Q_1\)：居民生活用水量（按用水定額計算，如____L/人·d）；\(Q_2\)：公共建筑用水量（占生活用水量的20%-30%）；\(Q_3\)：工業(yè)用水量（按工業(yè)產(chǎn)值或單位產(chǎn)品用水量計算）；\(Q_4\)：澆灑道路與綠地用水量（按面積計算，如2-3L/m2·d）；\(Q_5\)：消防用水量（按規(guī)范取一次滅火最大用水量，不計入日常設(shè)計規(guī)模，但需預(yù)留消防儲備）；\(\alpha\)：未預(yù)見用水量系數(shù)（10%-15%）。最高時用水量：\[Q_h=\frac{Q_d\timesK_h}{24}\]其中\(zhòng)(K_h\)為時變化系數(shù)（城市越大，\(K_h\)越小，一般1.3-1.8）。2.原水水質(zhì)參數(shù)需重點關(guān)注濁度（地表水源≤100NTU，地下水≤5NTU）、有機物（COD、BOD?）、氨氮（≤1.0mg/L）、藻類（≤10?個/L）等指標，這些參數(shù)直接決定工藝選擇（如高濁度水需強化混凝，高氨氮水需折點加氯）。三、各工藝單元設(shè)計計算（一）取水工程取水工程的核心是保證原水水量與水質(zhì)，常見類型包括岸邊取水、江心取水、地下水取水（井群）。1.取水頭部設(shè)計位置選擇：選在水流穩(wěn)定、水質(zhì)較好（遠離排污口）、水深足夠（枯水期水深≥2.5m）的區(qū)域。形式選擇：岸邊取水用喇叭口式，江心取水用樁架式或箱式。尺寸計算：喇叭口直徑\(D\)：\[D=\sqrt{\frac{4Q}{v\pi}}\]其中\(zhòng)(v\)為進水流速（0.3-0.5m/s，避免泥沙淤積）；\(Q\)為取水流量。2.進水管計算管徑選擇：按經(jīng)濟流速（0.6-1.2m/s）計算，公式：\[D=\sqrt{\frac{4Q}{v\pi}}\]水頭損失：沿程損失用達西-魏斯巴赫公式，局部損失用局部阻力系數(shù)（如彎頭取0.5-1.0）。3.取水泵站設(shè)計水泵選型：選高效離心泵，流量滿足最高時用水量+反沖洗用水量（若反沖洗水來自原水），揚程計算：\[H=H_0+h_f+h_j+h_z\]其中：\(H_0\)：靜揚程（取水口水位至清水池水位差）；\(h_f\)：沿程水頭損失；\(h_j\)：局部水頭損失；\(h_z\)：自由水頭（2-3m）。備用泵：設(shè)1-2臺備用泵，備用率≥20%。（二）混凝工藝混凝是去除濁度、有機物的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括混合（快速分散藥劑）與絮凝（形成大礬花）。1.混合設(shè)備設(shè)計機械混合：常用槳葉式混合器，混合時間10-30s，速度梯度\(G=____\,\text{s}^{-1}\)，功率計算：\[P=\muVG^2\]其中\(zhòng)(\mu\)為水的動力粘度（20℃時\(\mu=1.002\times10^{-3}\,\text{Pa·s}\)）；\(V\)為混合池容積。水力混合：用管道混合器或靜態(tài)混合器，混合時間≤10s，流速0.8-1.2m/s。2.絮凝池設(shè)計絮凝池的核心是控制\(G\)值與\(GT\)值（\(G\)為速度梯度，\(T\)為停留時間，\(GT=10^4-10^5\)）。隔板絮凝池：分三段，\(G\)值依次為50、30、10\(\text{s}^{-1}\)，停留時間15-20min，廊道流速0.5-0.2m/s（逐漸減小）。機械絮凝池：用多層槳葉，每段\(G\)值遞減，停留時間15-25min，功率計算同機械混合。折板絮凝池：效率高于隔板絮凝，\(G\)值30-60\(\text{s}^{-1}\)，停留時間10-15min。3.混凝劑投加系統(tǒng)投加量確定：通過燒杯試驗確定，鋁鹽（PAC、硫酸鋁）投加量10-50mg/L，鐵鹽（三氯化鐵）投加量5-30mg/L。投加設(shè)備：用計量泵（隔膜泵），投加濃度（PAC為10%-20%），計算公式：\[Q_j=\frac{Q\timesc}{c_j\times1000}\]其中\(zhòng)(Q_j\)為混凝劑溶液流量（m3/h）；\(c\)為混凝劑投加量（mg/L）；\(c_j\)為溶液濃度（%）。（二）沉淀工藝沉淀的目的是去除絮凝形成的大礬花，常見類型包括平流沉淀池、斜管（板）沉淀池、輻流沉淀池。1.平流沉淀池設(shè)計參數(shù)：表面負荷1-3m3/(m2·h)，停留時間1.5-3.0h，水平流速10-25mm/s，有效水深2.5-3.5m。尺寸計算：池長\(L=v\timesT\times3.6\)（\(v\)為水平流速，mm/s；\(T\)為停留時間，h）；池寬\(B=\frac{Q}{v\timesH\times3.6}\)（\(H\)為有效水深，m）；池數(shù)\(n\)：取偶數(shù)（4-8個），每個池寬≤15m（便于施工）。2.斜管（板）沉淀池設(shè)計參數(shù)：表面負荷3-6m3/(m2·h)（是平流池的2-3倍），停留時間20-30min，斜管傾角60°（便于排泥），長度1.0-1.2m。尺寸計算：斜管區(qū)面積\(A=\frac{Q}{q}\)（\(q\)為表面負荷）；池寬\(B=\frac{A}{L\times\cos\theta}\)（\(L\)為斜管長度；\(\theta\)為傾角）；排泥系統(tǒng)：用穿孔管或機械排泥，排泥周期1-2天。3.輻流沉淀池設(shè)計參數(shù)：表面負荷2-4m3/(m2·h)，停留時間2-4h，池徑20-50m，有效水深3-4m。尺寸計算：池面積\(A=\frac{Q}{q}\)；池徑\(D=\sqrt{\frac{4A}{\pi}}\)；周邊流速0.005-0.01m/s（避免礬花破碎）。（三）過濾工藝過濾是進一步去除濁度（出水濁度≤1NTU）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常見類型包括快濾池、V型濾池、虹吸濾池。1.濾池類型選擇快濾池：傳統(tǒng)類型，適用于中小水廠，濾速5-10m/h，反沖洗強度12-15L/(m2·s)。V型濾池：高效濾池，濾速8-12m/h，反沖洗用氣水聯(lián)合（氣強度15-25L/(m2·s)，水強度3-5L/(m2·s)），出水水質(zhì)更穩(wěn)定。2.濾料層設(shè)計濾料選擇：石英砂（有效粒徑0.5-1.2mm，不均勻系數(shù)≤1.8）、無煙煤（有效粒徑1.0-2.0mm）、陶粒（輕質(zhì)濾料，適用于生物過濾）。濾層厚度：石英砂層0.7-0.9m，無煙煤-石英砂雙層濾料1.2-1.5m。3.濾池尺寸計算濾池面積：\[A=\frac{Q}{v\times(1-\beta)}\]其中\(zhòng)(v\)為濾速（m/h）；\(\beta\)為反沖洗水占比（5%-10%）。池數(shù)：4-8個，每個池面積≤100m2（便于反沖洗）。4.反沖洗系統(tǒng)設(shè)計反沖洗強度：石英砂濾料12-15L/(m2·s)，氣水聯(lián)合沖洗時水強度3-5L/(m2·s)。反沖洗時間：5-10min（石英砂），氣水聯(lián)合沖洗時氣沖3-5min，水沖5-8min。反沖洗水量：\[Q_f=q\timesA\timest\]其中\(zhòng)(q\)為反沖洗強度（L/(m2·s)）；\(t\)為反沖洗時間（s）。反沖洗水箱：容積需滿足一次反沖洗水量，水箱高度≥反沖洗水頭（3-5m）。（四）消毒工藝消毒的目的是殺滅病原微生物，常見方式包括氯消毒、次氯酸鈉消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒。1.消毒方式選擇氯消毒：成本低，效果可靠，適用于大多數(shù)水廠，需滿足接觸時間≥30min，游離氯殘留0.3-0.5mg/L。次氯酸鈉消毒：無液氯的危險性，適用于小型水廠，投加量略高于氯消毒。二氧化氯消毒：不產(chǎn)生三鹵甲烷（THMs），適用于有機物含量高的原水，投加量0.5-2.0mg/L。臭氧消毒：殺菌能力強，無殘留，但需后續(xù)加氯保持管網(wǎng)余氯，適用于高品質(zhì)供水。2.加氯量計算\[加氯量=需氯量+剩余氯量\]需氯量：根據(jù)原水有機物、氨氮含量確定，如原水氨氮≥0.5mg/L，需采用折點加氯（需氯量=1.5×氨氮量+0.5mg/L）。剩余氯量：按規(guī)范取0.3-0.5mg/L（管網(wǎng)末端≥0.05mg/L）。3.加氯設(shè)備設(shè)計液氯投加：用加氯機（轉(zhuǎn)子加氯機、真空加氯機），小時加氯量：\[G=\frac{Q_h\timesc}{1000}\]其中\(zhòng)(c\)為加氯量（mg/L）；\(Q_h\)為最高時用水量（m3/h）。安全措施：加氯間設(shè)通風(fēng)系統(tǒng)（換氣次數(shù)≥12次/h）、漏氯報警裝置、中和裝置（用氫氧化鈉溶液吸收漏氯）。（五）清水池設(shè)計清水池的作用是調(diào)節(jié)水量（平衡供水管網(wǎng)的晝夜流量變化）、儲存消防用水、提供反沖洗用水。1.有效容積計算\[V=V_1+V_2+V_3\]其中：\(V_1\)：調(diào)節(jié)容積（最高日用水量的10%-20%，或按\(V_1=(Q_h-Q_avg)\timesT\)，\(T\)為調(diào)節(jié)時間，一般2-4h）；\(V_2\)：消防儲備容積（按規(guī)范取2小時消防用水量，如1000m3）；\(V_3\)：反沖洗儲備容積（一次反沖洗水量×濾池數(shù)，如每個濾池反沖洗水量600m3，4個濾池則\(V_3=600\times1=600\,\text{m3}\)）。2.結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計形狀選擇：矩形（便于布置）或圓形（受力均勻）。尺寸計算：池長\(L\)、寬\(B\)、深\(H\)滿足\(V=L\timesB\timesH\)，有效水深3-5m（過深會增加造價，過淺會影響調(diào)節(jié)效果）。防滲措施：池壁用鋼筋混凝土，抗?jié)B等級P6-P8，底板設(shè)防水層。（六）送水泵站設(shè)計送水泵站的作用是將清水池中的水加壓輸送至管網(wǎng)，核心是水泵的選型與揚程計算。1.水泵流量與揚程計算流量：滿足最高時用水量+消防用水量（消防時需啟動備用泵），公式：\[Q_p=Q_h+Q_f\]其中\(zhòng)(Q_f\)為消防用水量（m3/h）。揚程：\[H_p=H_1+H_2+H_3+H_4\]其中：\(H_1\)：靜揚程（清水池最低水位至管網(wǎng)最不利點水位差）；\(H_2\)：管網(wǎng)水頭損失（沿程+局部，按管網(wǎng)總長的10%-15%估算）；\(H_3\)：最不利點自由水頭（2-3m）；\(H_4\)：泵站內(nèi)部水頭損失（1-2m）。2.水泵選型類型選擇：選高效離心泵（如IS型、SH型），揚程與流量應(yīng)在水泵高效區(qū)（效率≥80%）。臺數(shù)選擇：2-4臺工作泵+1-2臺備用泵（備用泵揚程與工作泵相同，流量可略大）。3.泵站工藝設(shè)計吸水管：流速0.8-1.2m/s，避免氣囊（設(shè)偏心異徑管）。壓水管：流速1.0-1.5m/s，設(shè)止回閥、閘閥、壓力表。泵房布置：水泵間距≥0.8m，通道寬度≥1.2m，便于設(shè)備檢修。四、設(shè)計計算案例（一）工程概況某縣級市給水廠，設(shè)計規(guī)模5萬m3/d，水源為長江（枯水期濁度≤50NTU，氨氮≤0.5mg/L），采用“岸邊取水-機械混合-隔板絮凝-斜管沉淀-快濾池-氯消毒-清水池-送水泵站”工藝。（二）設(shè)計參數(shù)最高日用水量\(Q_d=____\,\text{m3/d}\)；時變化系數(shù)\(K_h=1.5\)，最高時用水量\(Q_h=\frac{____\times1.5}{24}=3125\,\text{m3/h}\)；混凝劑（PAC）投加量20mg/L（溶液濃度15%）；斜管沉淀池表面負荷5m3/(m2·h)；快濾池濾速8m/h，反沖洗強度15L/(m2·s)；加氯量2.0mg/L（需氯量1.5mg/L，剩余氯0.5mg/L）；清水池有效容積取最高日用水量的15%（7500m3）。（三）各工藝單元計算1.機械混合池混合時間20s，\(G=50\,\text{s}^{-1}\)；容積\(V=\frac{3125}{3600}\times20=17.4\,\text{m3}\)；攪拌器功率\(P=\muVG^2=1.002\times10^{-3}\times17.4\times50^2=4.36\,\text{kW}\)（選5kW攪拌器）。2.隔板絮凝池分三段，\(G\)值依次為50、30、10\(\text{s}^{-1}\)，\(GT=10^5\)；總停留時間15min，容積\(V=\frac{3125}{60}\times15=781.25\,\text{m3}\)；每段容積260.4m3，廊道寬度1.5m，水深3.0m，長度\(L=\frac{260.4}{1.5\times3.0}=58\,\text{m}\)。3.斜管沉淀池表面負荷5m3/(m2·h)，面積\(A=\frac{3125}{5}=625\,\text{m2}\)；斜管傾角60°，長度1.2m，斜管區(qū)面積\(A_1=\frac{625}{\cos60°}=1250\,\text{m2}\)；池寬10m，池長\(L=\frac{1250}{10}=125\,\text{m}\)，有效水深3.0m。4.快濾池濾速8m/h，面積\(A=\frac{3125}{8}=390.6\,\text{m2}\)；取4個濾池，每個面積97.6m2（尺寸10m×9.8m）；反沖洗強度15L/(m2·s)，反沖洗時間8min，每個濾池反沖洗水量\(Q_f=15\times97.6\times8\times60/1000=693\,\text{m3}\)；反沖洗水箱容積700m3（滿足一次反沖洗）。5.氯消毒加氯量2.0mg/L，小時加氯量\(G=\frac{3125\times2.0}{1000}=6.25\,\text{kg/h}\)；選2臺轉(zhuǎn)子加氯機（3kg/h×2），備用1臺。6.清水池有效容積7500m3，尺寸30m×25m×10m（有效水深9m）；消防儲備容積按2小時消防用水量（1000m3），調(diào)節(jié)容積6500m3。7.送水泵站靜揚程：取水口水位20m，清水池水位35m，管網(wǎng)最不利點水位45m，靜揚程\(H_1=45-20=25\,\text{m}\)；管網(wǎng)水頭損失\(H_2=5\,\text{m}\)，自