一种基于离散原理计算氯接触池有效接触时间计算方法与流程

1.本发明属于污水处理领域。


背景技术：

2.在市政给水及市政污水处理领域，《室外给水设计标准》(gb50013)中规定，采用氯消毒时，有效接触时间不得小于30min。一般工程设计时，在计算接触消毒池接触时间时，往往采用接触消毒池的水力停留时间替代。氯接触池的反应器模型为平推流反应器。水力停留时间是在平推流反应器处于理想状态下的计算结果，但实际运用过程中均为非理想状态，因此水力停留时间并不能代表有效接触时间，且水力停留时间大于有效接触时间。有效接触时间会直接影响有效池容的计算，当运用水力停留时间替代计算时，如果选值为30min，实际上氯剂有效接触时间会不足30min，消毒效果会有影响；而水力停留时间取值过大会浪费池容，抬高工程费用。因此，需要将影响非理想流动的主要因素——流体轴向分散考虑进计算过程，通过理论计算判断合理取值，选取适当池容，既能保证氯接触池的有效接触时间，又能最大程度上节省池容。除了接触时间以外，现有计算往往将平推流反应器的推流效率忽略掉，实际上推流效率往往与池型相关。本发明提出两种评价体系，一是推流效率评价，二是有效接触时间评价，可解决池型判断与池容选取的问题，帮助在设计时选取合适值。
3.先明确两个概念：一、水力停留时间，是指有效池容与设计规模比值；二、有效接触时间，是指氯剂与污水反应能够达到其效果的停留时间。
4.现有技术及计算指导书籍中仅要求了氯剂的有效接触时间为30min，并未指导过计算细节。工程技术人员在设计计算时往往用水力停留时间替代有效接触时间，或者按预留10％～20％的停留时间量来计算有效池容。
5.氯接触消毒池采用的反应器型式为平推流反应器。平推流反应器从进口到出口，将其轴向分成无数个小单元。理想平推流反应器每一个小单元内，消毒剂与水反应都是一样的；而在我们实际工程中，造成反应器非理想状态最大的一个因素就是流体的轴向分散，而轴向分散会导致所有小单元与其前后相邻小单元的反应差异，部分消毒剂会因轴向分散而先于这个单元流出反应器。因此，如果用水力停留时间替代其有效接触时间，会导致有部分消毒剂在水力停留时间内先流出反应器，造成消毒效果不能达到预期。因此，想要更大程度上实现消毒效果，又要保证池容最小，需要用一个准确的计算方法计算有效接触时间来代替水力停留时间。


技术实现要素：

6.本专利是一种考虑轴向分散的氯接触消毒池消毒时间计算方法。整个计算过程中涉及两个核心评价体系，第一，推流效率评价，评价指标为分散度d；第二，有效接触时间评价，评价指标为平均流量下90％氯消毒剂接触时间≥30min且≤32min。
7.整个计算过程分为五个步骤，分别如下。
8.s1是为了确定初始渠宽、总渠长、有效水深。关键参数需先通过计算水力停留时间初步获得，不至于计算偏差过大，渠宽是指单渠道宽度，用w表示，总渠长是指流道的总长度，用l表示，有效水深用h表示。初始数据取水力停留时间约30～40min，宽深比约为0.6～1.0，通过计算确定，有效水深根据规模不同在2m～5m范围内取值。
9.s2是为计算平均流量下的分散度。d
→
∞时，意味着反应器完全混合；d＝0，为理想平推流。d的计算方法表述为：
[0010][0011]
其中，d代表分散度，无量纲。在轴向分散模型中，d表征了轴向分散的范围。d＝0时为理想平推流，d＝∞时，为完全混合。d为轴向分散系数v为流体前进流速，l为流道总长度。
[0012]
氯接触池模型为湍流流态，d的计算方法表述为：
[0013][0014]
nr为雷诺数，v为流体前进流速。
[0015]
在湍流流态下，nr的计算方法表述为：
[0016][0017]
其中，v为流体前进流速，r为水力半径，μ为动力学粘度。
[0018]
将上述计算方法整理推导，可得出d的计算方法，表述为：
[0019]
而式中μ、ρ为常数，整个公式变量有5个分别是q、w、h、l及d，自由度＝4。
[0020]
代入q及w、h、l进行计算，判定分散度d是否小于0.015，如果不是，通过微调s1中输入数值w、h、l，使其满足分散度条件；如果满足，进入s3计算。此步完成了推流效率评价的第一步分散度评价。
[0021]
s3中peclet数的计算方法表述为：
[0022][0023]
其中，pe为peclet数，其代表了平移和分散引起的传质比。pe数为分散度d的倒数；根据化学反应工程轴向分散模型原理所述，为了模拟带有轴向分散的平推流反应器，完全混合反应器串联的个数n近似等于pe数除以2，因此在计算过程中将pe数除以2的结果向下圆整得到n，用n个完全混合反应器串联来模拟实际应用情况下的氯接触反应池。
[0024]
s4中编制串联n个完全混合反应器的校正停留时间分布(rtd)曲线计算表。rtd曲线由两条曲线构成，e(θ)为停留时间分布函数，f(θ)为累积停留时间分布函数，f(θ)由e(θ)积分而得。f(θ)及e(θ)计算公式如下：
[0025]
[0026][0027]
θ为校正停留时间，其代表的意义为：带有轴向分散的平推流反应器有效接触时间与水力停留时间的比值；n为完全混合反应器个数。将θ值从0开始以δθ＝0.01为间隔分别计算e(θ)及f(θ)值，编制rtd计算表。rtd曲线为连续曲线，可以通过计算机编程进行拟合取值，但在常规项目设计计算中，可简化为表格形式，方便计算读取。rtd图形示例见附图，计算示例表见附表。
[0028]
s5，《室外给水设计标准》(gb50013-2018)中消毒一节所述，接触时间需采用保证90％消毒剂能达到的停留时间。因此需要在表格取f(θ)大于0.1且最接近0.1的值，假设其为f(m)，而f(m)对应的θ值为m，那f(m)代表的意义为在m的水力停留时间过去以前，约f(m)的流量已将氯剂带离氯接触池。因此，将f(θ)取为大于0.1且最接近0.1的值，意味着，在m这个时间点前，90％的氯剂仍然保留在池内，即满足有效接触时间。m值为校正停留时间，其与水力停留时间的乘积，即为90％氯剂的有效接触时间。得到90％氯剂的有效接触时间后，判断其是否在30min～32min以内，如果在，结束计算；不满足要求的，调整s1中输入值，直至满足上述要求。此步完成了有效接触时间评价。
[0029]
图3为本发明专利在具体实施流程中，通过计算机编程，对数据进行展示的一种方案。要求保护的展示方案要包括但不限于此种展示形式。
附图说明
[0030]
图1是本发明算法流程图。
[0031]
图2是rtd曲线示意图
[0032]
图3是实施案例计算结果的展示方案
具体实施方式
[0033]
以下以一个案例来具体演示，假设处理规模为20000m3/d，设置1座池体，共1个流道。按本发明所述步骤s1，取其水力停留时间为30min粗算，则其有效池容约为417m3，假设其渠道宽度w为2.5m，有效水深h为2.5m，则其水流总长度l假设为68m，计算后水力停留时间为30.6min。则按本发明所述步骤s2，计算其分散度d＝0.0114，满足d＜0.015的条件，通过。按本发明所述s3，计算其pe数为87.7，完全混合反应器串联的个数n为43。按本发明所述s4，编制e(θ)及f(θ)计算表。按本发明所述s5，在计算表中取f(θ)＝10.64％，此时θ值为0.81，经水力停留时间校正后，实际有效接触时间只有24.79min，因此不满足要求，返回s1调整。s1调整时，可以固定w及h，仅调整l，本案例将l调整至84m时，其有效接触时间为31.37min。符合有效接触时间在30min～32min范围的要求，计算结束。
[0034]
1.本计算方法给出一种详细步骤的有效接触时间计算逻辑及实现方法。
[0035]
2.本发明提出两种评价体系，一是推流效率评价，二是有效接触时间评价。
[0036]
3.本发明的第一个优化是，考虑了推流效率评价，充分考虑了氯接触反应池的轴向分散带来的反应效率降低，给出了分散度判断指标，需满足d＜0.015，。或者说设计了一种纠偏机制，当达到d＜0.015时，继续步骤s4，否则，重复步骤s1；。
[0037]
4.本发明的另一个优化是，在反应效率上规定了满足90％氯剂有效消毒时间即可，严格控制90％氯剂有效消毒时间在30min～32min内，在满足消毒效果的条件下，节约了池容。或者说设计了一种纠偏机制，当达到90％时，就输出结果，否则就报错，重复步骤s1。
[0038]
5.所有计算过程仅需要编制好计算逻辑，不断调整s1中三项数值，便可以通过验证程序得到最优结果。
[0039]
6.s4步骤中的δθ继续向小取值至0.005，甚至更小至0.0001，可以得到更为精确的计算结果。
[0040]
rtd曲线计算表示例
[0041][0042]