水质均化池容积计算方法

水质均化池容积计算方法

张玉镭

提要明确了水质均化的均化要求和两类水质均化的特征，给出了水质均化过程的数学模型及水质均化池最小有效容积的迭代计算算法。用多周期均化过程的计算示例，说明了该计算方法的使用。

关键词均化池工业废水水质均化调节池

对于一个水处理系统，当废水的水量和水质（浓度、水温等指标）变幅较大时，一般要设置均化池（也称为调节池）。通过水质均化可以均衡和稳定水质负荷从而改善废水的可处理性。在工业废水处理工艺中均化预处理操作常常是必要的、有时甚至是关键性的。均化池工艺计算主要是确定水质均化池最小有效容积；这个池容是在完全混合条件下的理论计算值，其大小由水质、水量的不均匀特性和后续工艺对水质及水量均化的要求决定。给出水质均化池最小有效容积的计算方法其意义不仅在于它对工艺设计中确定水质均化池容积是必要的；并且计算所得出水水质的时序数据，还可作为后续工艺进水的时序数据和工艺模拟的基础。

1计算方法

1.1直观的计算方法

现行水质均化池容积计算方法一般是：取浓度较大的若干时间段内进水体积之和作为理论容积，取这段时间内废水的平均水质数据为其均化出水的水质指标最大值；在确定水质均化池的实际设计容积时，考虑到池中废水流态不能完全符合瞬间完全混合的理论假设，对理论计算容积要作经验校正。

从总体上看，现行设计方法属于直观简便的方法，由于它没有体现出废水流量和浓度大小变化特征及水质水量变化特殊趋势的相互关联这两个基本因素，因而致使直观的方法很难做到合理地确定水质均化池容积。

1.2其它均化池容积计算方法

概率统计方法：当废水流量接近常数且废水水质为随机分布时可用概率统计方法确定均化池的池容。显然，废水的不均匀特性符合一定随机规律的情况不是多见的，因此概率统计方法的适用范围较小。

有限差分法：在连续流完全混合条件下，各种不均匀特性的废水进行定容积均化或变容积均化时，可对其混合过程数学模型用有限差分法求解。使用求得的浓度迭代式，取不同的池容作多次尝试以考察浓度的均化程度是否满足要求，刚好能满足要求的池容即为均化池最小有效容积。

这两种计算方法都可以更稳定且准确地算出水质均化池的理论容积[1][2]。

本文由简单的数学模型更简捷清晰地获得水质均化池最小有效容积的算法。

2水质均化池的均化要求

决定水质均化池容积的因素之一就是水处理系统对进水水质水量的均化要求。水质均化要求和流量均化要求是计算均化池最小有效容积的条件和算法依据之一。

一般水质均化池的后续工艺对水质均化池出水在流量上要求连续均匀出水，对水质要求均化到一定程度[1]。水质的均化程度可用如下方法表示：出水水质指标的（1）最大值与平均值之比，即峰值(用PF表示)；（2）平均值与最低值之比；（3）最大值与最小值之差；（4）最大限定值等。

按均化池功能不同，可把水质均化池分成两种类型：恒水位水质均化池和变水位水质均化池。为叙述方便，以下把浓度作为待均化的水质指标。

3恒水位水质均化池

3.1恒水位水质均化池特征

恒水位水质均化池是池内水量恒定而出水流量与进水流量相等的水质均化池。它仅对水质起到均匀化的作用、而对水量无均化作用。

3.2恒水位水质均化池数学模型

均化池容积恒为V；在废水不均匀变化周期内，水量和水质测定的时间间隔为Δt；第i个时间间隔内的平均废水流量为q i，平均溶质浓度为c i，i=0,1,2…n-1；当进入均化池时池中的溶质浓度为C i；假定溶质在水质均化池中无相转移和化学变化，并且废水在瞬间均匀混合；混合后浓度为C i+1，自池中流出流量为q i、浓度为C i+1的废水；如此往复进行使废水浓度得以均化。如图1所示：

第i时段:

q i ,C i+1

第i+1时段: 出水

图1 恒水位水质均化池时段变化示意图

物料衡算式：

c i q i Δt+VC i = C i+1q i Δt+VC i+1

整理，得迭代计算数学模型：

C i+1=

t

Δq V V C t Δq c i i

i i ++

给出c i 、q i (i=0,1,2…n-1)、Δt 、V 和C 0，则由上式迭代计算，可得C i+1。

讨论：

（1）均化池初始浓度C 0对一个周期的迭代运算结果略有影响，作多周期迭代计算时对结果无影响，为计算方便可取废水浓度测定值的平均值。

（2）每给出一个V 值，即可得到一个均化出水浓度系列值，可验证所取的V 值是否满足均化出水的浓度要求。多次尝试可得到一个满足均化出水浓度要求的最小V 值，即是恒水位水质均化池最小有效容积的计算值。

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变水位水质均化池

4.1 变水位水质均化池特征

变水位水质均化池按水量均化要求可连续均匀出水、池内水量按一定特征不断变化；它对水质和水量都有均化作用。变水位水质均化池容积不得小于只作相应水量均化的水量均化池的池容，在这个基础上池容积越大，水质均匀化程度越大。

4.2 变水位水质均化池数学模型

变水位水质均化池与恒水位水质均化池不同的只是两点：其一是池内存水体积V i 是变化的；其二是出水按照水量均化的要求应是均匀的，流量为q 。如图2所示：

第i 时段:

q , C i+1

第i+1时段: 出水 图2 变水位水质均化池时段变化示意图

物料衡算式：V i+1=q i Δt+V i -q Δt

c i q i Δt+V i C i = C i+1q Δt+V i+1C i+1 整理，得：C i+1=

t

Δq V C V t Δq c 1i i

i i i +++

V i+1 和C i+1两个迭代式即为变水位水质均化池迭代计算数学模型。

给出c i 、q i (i=0,1,2…n-1)、Δt 、V 0和C 0，则由上式迭代计算，可得V i+1和C i+1。

讨论：

（1）均化池初始浓度C 0对头一个周期的迭代运算结果略有影响，一般对两个周期以后的迭代计算结果无影响。为计算方便可取废水浓度测定值的平均值。

（2）每给出一个V 0值，即可得到一个均化出水浓度系列值C i 和池中水量系列值，可验证所取的V 0值是否满足均化出水的浓度要求。多次尝试V 0值可得到一个满足浓度要求的最小的V 0值，相应的V i 中的最大值即是变水位水质均化池最小有效容积。

（3）对于连续均匀出水的变水位水质均化池，池中初始水量为V 0，它的出水流量q 是整个废水不均匀周期中废水流量的算术平均值；

5

计算示例

5.1 恒水位水质均化池最小有效容积计算示例

按最大浓度与平均浓度之比PF ≤1.2作为水质均化浓度要求，根据恒水位水质均化池最小池容迭代计算数学模型，利用MathCAD7.0软件编制的工作表（见图3），进行5周期均化过程的迭代计算，经几次尝试后，满足废水均化要求的最小池容确定为109.5m 3。

图3 恒水位水质均化池容迭代计算MathCAD7.0软件工作表

5个周期的计算数据如下：