李光哲|楼房猪舍液泡粪排污浅析

随着楼房养猪的兴起,原有液泡粪模式在楼房猪舍使用中遇到一些问题,本文尝试对楼房猪舍液泡粪模式排放过程中的液体性质和流态进行分析,并针对提出一些建议。

  一、液泡粪混合物形态分析
  液泡粪液态最初可视为接近于初沉有机污泥,且储粪过程基本类同于重力浓缩。随着时间推移,液体内溶解氧被消耗,粪沟底部构成厌氧环境。随着时间推移以及固形物次第加入,固形物开始分层,底层固形物经历较长时间的厌氧过程,固形物性质开始接近活性污泥,黏度明显增大;上层固形物性质更接近初沉有机污泥,黏度较低。

  二、排粪沟流体特征分析
  1.沟内流速分析
  首先,在压力流阶段,流速较快,且伴随较大的水流扰动,已分层的固态物质中一部分被扰动浮起,一部分被水流冲刷带动。根据水力学泥沙模型,流速大于启动流速u0时,泥沙从静止状态转为运动状态,流速低于止动流速uH时,泥沙开始沉积。
  1)若止动流速参考明渠不淤流速,取明渠最小流速0.4m/s,,则启动流速为0.58m/s。
  2)若止动流速参考压力输泥管,取压力输泥管最小流速0.7m/s,则启动流速为1m/s。
  2.沟内流速核算
  粪沟净宽度取2300~2800mm,净高度取500mm,底部排水管取DN300,则最大截面面积比:

李光哲|楼房猪舍液泡粪排污浅析
李光哲|楼房猪舍液泡粪排污浅析

由以上计算可知,即使悬吊管内为流速最高的压力满管流,粪沟内截面流速也难以满足固态物质的启动流速,因此液体截面流动速度不足以将大多数已堆积一段时间的已分层沉淀物重新冲刷浮起,此阶段起到此作用的主要为虹吸效应在排水口(粪塞)处引起的水流扰动。

  三、悬吊管内理论流态分析
  悬吊管内理论流态大致可分为以下阶段:
  1)满管压力流阶段
  本阶段水面高度h远高于排水管入口,液体内掺气比几乎可忽略不计(气水比>95%时,既可近似视为不可压缩之恒定流)。

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图3-1第一阶段液面与液流状态

  此时管内流态为液态单相流,随着液体下泄,管内出现水塞、负压抽吸形成满流,系统的泄流量达到最大,此时管系内为满管压力流流态。

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图3-2悬挂系统压力流示意图

  悬吊管内满管压力流时,起端A点的压力可能是正压也可能是负压。随着悬吊管的流程增加,管内压力逐渐减低(负压值增大),至悬吊管末端与立管的连接处(B点)负压值最大,形成虹吸。

  立管中水流进入立管后,排液槽液面与排出出口之间的高差所形成的有效作用压力迅速增加,立管内的负压值迅速减小,至某一高度时压力为零。该点以下,管内压力呈正压,在立管与埋地管连接处(c点)达到最大正压值。
  在此阶段,系统泄流能力最大。系统泄流能力取决于水深、高度、摩阻和局部阻力。
  2)两相流阶段
  本阶段随着水面高度下降,气旋开始带入大量空气,液体内气体含量增大,流态主要为活塞流与泡沫流。
  此阶段由于气体带入管内,管内虹吸系统开始间隔性的被破坏,泄流能力下降,明显小于虹吸阶段。

李光哲|楼房猪舍液泡粪排污浅析
图3-3第二阶段液面与液流状态

  3)重力流阶段
  本阶段随着水面继续下降,空气进入量继续增大,进入完全重力流,在重力流状态下,液体在连接管内呈附壁流或水膜流,管中心空气畅通,管内压力接近大气压力;悬吊管中呈非满流,需要保证敷设坡度以保持管内有一定的流速。管内液面上的空气经连接管与大气相通;立管中的液流亦呈附壁流或水膜流。

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图3-4第三阶段液面与液流状态

  四、综合分析
  综上所述,楼房猪舍液泡粪排放过程流态较为复杂,理想排放过程大致经历压力流、两相流和重力流三个阶段,结合液泡粪流体性质,大致有以下特征:
  1.流体排放过程中,由于流态和变化,流体流速和流量呈从高到低的趋势。
  2.悬吊管流态从可能的压力流经两相流最终转为重力流。
  3.整体性质流态更接近排泥管道而非排水管道
  这些特征在楼房猪舍液泡粪排放过程中可能导致以下问题:
  1)流态变化可能导致管道位移进而导致渗漏
  排放过程中流态变化较大,可能导致悬吊管管体发生较大震动,从而引发立管错位位移,进而导致立管排水口与粪沟结合处受剪切应力破坏,最终造成渗漏。
  2)液体流速高低与污泥排放难易程度存在时间错配,导致淤积
  排放过程中,前期流速较高时,液体内污泥更接近初次污泥,黏度较低、流动性较好。后期流速较低时,需要排放的污泥更接近,较高黏度,因此导致后期污泥排放难度极大,容易在管内淤积。
  3)污泥自身特性导致悬吊管内淤积
  目前,悬吊管坡度多数参考建筑内排水设计,坡度取值为0.3%~0.5%。然而以2%含固量,dn300管径计算,重力流排泥管坡度在3%,现有设计坡度不能满足排泥要求,因此容易导致悬吊管内污泥淤积。

  五、设计建议
  针对以上情况,今后设计中提出以下建议
  1.排粪系统设计需考虑连接部的缓冲与消能;
  2.严格控制单个粪塞服务面积(长度);
  3.排粪沟立管接悬吊管横管处,须设置清洗口;
  4.严格控制悬吊管长度;
  5.尽量保证悬吊管坡度,通过减少管段长度,控制层高;
  6.在坡度难以满足重力排泥的前提下,塑料排污管考虑使用橡胶密封配件或增加伸缩节;
  7.是否排粪沟立管接悬吊管横管处考虑使用法兰连接,降低震动对立管的位移影响。

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