（市政工程专业论文）高密度沉淀区三维数值模拟与优化研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：亡三 b 同期：l d i1 年叶月“商 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发 行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：鼋 日期：l 年4 月 艚狮签名孵兹 同期：如l1 年气月【s 日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者躲飒 日期：w 年l j c 月日 指导教师签名耐 日期：却1 年午月( 歹日 摘要 高密度沉淀池作为“污泥循环型”沉淀池的代表，其应用前景相当广阔。它适 用于土地资源紧张、原水水质变化大、出水水质要求高的净水厂。因此，对高密 度沉淀池进行设计优化具有十分重要的现实意义。 本文在查阅相关文献的基础上，以重庆某大型给水厂( 6 0 万吨同) 为背景， 对高密度沉淀池沉淀区的水流流态、出水口水流流速分布、出水口污泥浓度分布 进行了三维数值模拟：分析了各种设计参数对其沉淀效果的影响程度；优化了高 密度沉淀池沉淀区的运行参数与结构参数。主要内容如下： 在对国内外沉淀池的研究工艺进展进行总结的基础上，分析了高密度沉 淀池的工作原理、运行流程、优势及应用前景。 以重庆某大型在建给水厂为背景，利用f l u e n t 软件建立了高密度沉淀池 沉淀区内水流流场、出水口水流流速分布、出水口污泥浓度分布的数值模型。 利用“相似性原理”建立了高密度沉淀池沉淀区的物理模型，验证了物 理模型出水口水流流速分布与数值模型出水口水流流速分布的一致性，证明了 f l u e n t 软件在沉淀池数值模拟中运算的准确性。 对高密度沉淀池沉淀效果影响参数进行了分析。本文分别分析了不同进 水口流速、不同导流墙形状、不同挡板的长度对高密度沉淀池沉淀效果的影响， 其结论如下： 1 ) 随着进水口水流流速的增加，沉淀池进水口处异重流的强度得到减轻， 沉淀池出水口前端短流现象得到缓解，预沉池一浓缩池中部的漩涡半径减小，漩 涡的强度减轻，水流流态得到了改善。但由于进水口水流流速的增加，沉淀池水 力停留时间缩短，沉淀效果变差。 2 ) 沉淀池中的水流流态决定了出水口的水流流速分布。由于沉淀池出水口 前端存在短流现象，预沉池一浓缩池中部存在漩涡，造成了沉淀池出水口的前端 与尾部水流速度偏大，中部水流速度较为稳定。 3 ) 将导流墙的左侧改为弧形后，进水口异重流现象强度得到减轻，出水口 前端短流现象得到缓解，同时，由于沉淀池的体积没有减少，水力停留时间没有 减少，沉淀效果会变好。 4 ) 将导流墙的两侧均改为弧形后，沉淀池的流态得到进一步的改善，但由 于沉淀池的体积减小，水力停留时间减少，沉淀效果变差。 5 ) 沉淀池的挡板的长度在一定范围内能起到改善出水口短流现象，增加沉 淀池水力停留时间，进而提高沉淀效果的作用。挡板的长度为l m 时，沉淀效果 最佳。挡板长度超过l m ，造成预沉池一浓缩池中部的漩涡靠近池底污泥层，带 动更多的污泥沿水流流向出水口的尾部，因此沉淀效果变羞。 6 ) 淀池水流流念与沉淀池水力停留时问是影响沉淀池沉淀效率的主要因 素，对沉淀池沉淀效果的具体影响如下： a 如果改变沉淀池的运行参数或结构参数，造成这两个因素均变得对沉淀过程更 加有利，那么沉淀池的沉淀效率必然会提高。 b 如果改变沉淀池的运行参数或结构参数，造成这两个因素中的一个有利于沉 淀，另一个对沉淀不利，那么就需要建立具体的数值模型并加以分析。 c 如果改变沉淀池的运行参数或结构参数，造成这两个因素均变得对沉淀过程不 利，那么沉淀池的沉淀效率必然会下降。 在对高密度沉淀池沉淀效果影响参数进行分析的基础上，综合考虑高密 度沉淀池同处理水量与出水水质这两方面因素，确定了高密度沉淀池沉淀区的最 佳运行参数与结构参数：进水口水流速度为0 0 2 m s ；导流墙左侧为弧形，右侧 与沉淀池的原始结构一样；沉淀池挡板高度为l m ；其它运行参数、结构参数与 经验设计参数相同。 本研究所得结论对给水厂中高密度沉淀池的设计与运行具有指导意义。所得 出的最佳运行参数与结构参数可以使高密度沉淀池的性能更加经济、高效且在重 庆地区的适应性更强。 关键词：高密度沉淀池；f l u e n t 三维数值模拟；沉淀效果；影响参数分析；优 化 a bs t r a c t a sar e p r e s e n t a t i v eo f ”s l u d g er e c y c l i n g ”s e t t l e r s ，h i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kh a sa n o t a b l yp o s i t i v ep e r s p e c t i v eo fv a r i o u sa p p l i c a t i o n s i ti ss u i t a b l ef o ra r e a sw h e r el a n dr e s o u r c e s a r es c a r c e ，t h er a ww a t e rq u a l i t yc h a n g e sf r e q u e n t l y , a n dt h es t a n d a r do fo u t l e tw a t e ri sr i g i d t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no fh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kh a sag r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i nt h i ss t u d y , b a s e do na p r o j e c t e dm a j o rw a t e r w o r k s ( 6 0 w t d ) i nc h o n g q i n g t h e3 一d n u m e r i c a lm o d e l so ft h ew a t e r f l o wp a t t e r ni nh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n k ，t h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o no fo u t l e tw a t e r , a n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o no fo u t l e tw a t e ra r ee s t a b l i s h e d ；t h e i n f l u e n c ee x t e n to fs e t t l i n ge f f e c ti m p a c tp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d ；t h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r s a n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fh i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ka r es e tu p t h em a i nc o n t e n t so ft h i s s t u d ya sf o l l o w s ： n e wd e v e l o p m e n t s t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e so ns e t t l e m e n tp r o c e s sa r e r e v i e w e d ，a n dt h ew o r kp r i n c i p l e ，o p e r a t i o np r o c e s s e s ，a d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t so f h i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ka r ea n a l y z e d b a s e dap r o j e c t e dw a t e r w o r k si n c h o n g q i n g ，t h e3 - d n u m e r i c a lm o d e l so ft h e w a t e r - f l o wp a t t e r ni nh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n k ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fo u t l e tw a t e r , a n d t h es l u d g ec o n c e n t r a t i o no fo u t l e tw a t e ra r ee s t a b l i s h e db yu t i l i z i n gf l u e n t a c c o r d i n gt o “s i m i l a r i t yc r i t e r i o n ”，ap h y s i c a lm o d e lh a sb e e nb u i l t ，t h ec o n s i s t e n c y b e t w e e nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fo u t l e tw a t e ri np h y s i c a lm o d e la n dn u m e r i c a lm o d e lw a sv e r i f i e d t h ev e r a c i t yo ff l u e n to ns e d i m e n t a t i o nt a n ks i m u l a t i o nw a sp r o v e d t h ei n f l u e n c e so fs e t t l i n ge f f e c tb yd i f f e r e n ti n l e tw a t e rv e l o c i t i e s ，d i f f e r e n ts h a p e so ft h e g u i d ew a l l ，d i f f e r e n tl e n g t h so ft h eb a f f l ea r ea n a l y z e d m a i nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 ) a st h ev e l o c i t yo fi n l e tw a t e ri n c r e a s e s ，t h ei n t e n s i t yo fd e n s i t yf l o wa tt h ew a t e ri n l e tw i l l b ea l l e v i a t e d ，t h es h o r tf l o wa tt h ew a t e ro u t l e tw i l lb ea m e l i o r a t e d ，t h er a d i u so fv o r e xa tt h e m i d d l eo ft h e p r e - s e t t l i n g - t h i c k e n i n gz o n ew i l l b ed e c r e a s e dt h e p a t t e r no fw a t e r f l o wi n h i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kw i l lb eb e t t e r , b u th y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew i l lb es h o r t e n t h es e t t l i n ge f f e c tg e t sw o r s e 2 ) t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fo u t l e tw a t e ri sd e t e r m i n e db yt h ep a t t e r no fw a t e r f l o wi nt h e h i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n k d u et ot h es h o r tf l o wa tt h ef r o n to ft h ew a t e ro u t l e ta n dt h e v o r t e xa tt h em i d d l eo ft h ep r e - s e t t l i n g t h i c k e n i n gz o n e ，t h ev e l o c i t yo fo u t l e tw a t e rw h i c ha tt h e h o n ta n dt a i le n do ft h ew a t e ro u t l e ti sh i g h e r ，t h ev e l o c i t yo fo u t l e tw a t e ra tt h em i d d l eo fw a t e r o u t l e ti ss t e a d y 3 ) c h a n g et h es h a p eo ft h eg u i d ew a l l sl e f ts i d ei n t oc a m b e r ，t h ep a t t e r no fw a t e r f l o wi n h i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kw i l lb eb e t t e r , t h ev o l u m eo ft h eh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o na n d h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew i l lb em a i n t a i n e d ，s ot h es ot h es e t t l i n ge f f e c tg e t sb e t t e r 4 ) c h a n g et h es h a p e so fb o t hs i d e so fg u i d ew a l li n t oc a m b e r , t h ep a t t e r no fw a t e r f l o wi n h i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kw i l lb eb e t t e r , b u tt h ev o l u m eo ft h eh i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o n w i l lb ed e c r e a s e d ，a n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ew i l lb es h o r t e n ，s ot h es e t t l i n ge f f e c tg e t sw o r s e 5 ) k e e p i n gt h el e n g t ho ft h eb a f f l ew i t h i nac e r t a i nr a n g ec a ni m p r o v et h ep h e n o m e n o no f “s h o r tf l o w ”o nw a t e ro u t l e t ，i n c r e a s eh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，a n de n h a n c et h es e t t l i n ge f f e c t 6 ) t h ep a t t e r no fw a t e r f l o wi nh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ka n dh y d r a u l i cr e t e n t i o n t i m ea r em a i nf a c t o r sw h i c hr e l a t e dt ot h es e t t l i n ge f f e c t ： a i fb o t ho ft h ef a c t o r sb e c o m em o r ec o n t r i b u t et ot h ep r o c e s so fs e t t l i n gb yc h a n g i n gt h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h es e t t l i n ge f f e c tm u s tb eb e t t e r b i fo n eo ft h ef a c t o r sb e c o m em o r ec o n t r i b u t et ot h ep r o c e s so fs e t t l i n ga n da n o t h e ri so nt h e c o n t r a r yb yc h a n g i n gt h eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h es e t t l i n ge f f e c tc a n o n l yb ea n a l y z e db ye s t a b l i s h i n gt h en u m e r i c a lm o d e l s c i fb o t ho ft h ef a c t o r sb e c o m em o r eu n f a v o r a b l et ot h ep r o c e s so fs e t t l i n gb yc h a n g i n gt h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h es e t t l i n ge f f e c tm u s tb ew o r s e b a s e do na n a l y s i so ft h es e t t l i n ge f f e c ti m p a c tp a r a m e t e r s ，t h eb e s to p e r a t i n gp a r a m e t e r s a n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ka r es e tu pb yc o n s i d e r i n gt h ew a t e r y i e l do ft h eh i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ka n dt h es t a n d a r do fo u t l e tw a t e r ：t h ev e l o c i t yo fi n l e t w a t e ri s0 0 2 r n s ；t h es h a p eo ft h eg u i d ew a l l sl e f ts i d ei sc a m b e r , a n dt h er i g h ts i d ei st h es a m ea s o r i g i n a l ；t h el e n g t ho ft h eb a f f l ei sl m ；o t h e ro p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r si st h e s a m ea so r i g i n a l t h ec o n c l u s i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h i ss t u d yc a nb ei m p l e m e n t e di n t of u t u r e d e s i g na n do p e r a t i n go fh i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n ki nw a t e r w o r k s b yu s i n gt h eo p e r a t i o n p a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h i ss t u d y , t h eh i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n kw i l lb e m o r ee c o n o m y , m o r ee f f i c i e n c y , a n dm o r ea d a p t a b l ei nc h o n g q i n g k e y w o r d s ：h i g h s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n k ；f l u e n t ；t h r e e d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；s e t t l i n ge f f e c t ；i m p a c tp a r a m e t e r sa n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景1 1 - 2 研究的意义2 1 3 沉淀工艺的发展2 1 3 1 沉淀理论概述一2 1 3 2 沉淀工艺研究现状3 1 3 3 沉淀池的发展。4 1 3 4 沉淀池的种类7 1 4 沉淀池研究中存在的不足8 1 5 研究内容9 第二章沉淀池数值模拟中常用模型介绍与选择1 0 2 1 湍流模型简介与选择1 0 2 1 1 单方程( s p a l a r t a l l m a r a s ) 模型1 0 2 1 2 标准的k 一模型1 2 2 1 3 经重整化群后的k e 模型1 2 2 1 4 带旋流修正的k 一模型1 3 2 1 5 可实现的k 一模型1 4 2 1 6 雷诺应力模型( r s m ) 1 4 2 1 7 本研究所选用的湍流模型1 5 2 2 固液两相流模型简介与选择1 5 2 2 1 固液两相流的基本理论1 5 2 2 2 三种常用的固液两相流模型1 8 2 2 3 本研究所采用的固液两相流模型2 3 第三章高密度沉淀池沉淀区三维数值模拟2 4 3 1 经验设计工况下商密度沉淀池沉淀区的三维数值模拟。2 4 3 2 高密度沉淀池沉淀区数值模型的验证一2 8 3 2 1 流动相似性原理简介2 9 3 2 2 高密度沉淀池沉淀区物理模型的建立3 2 3 2 3 数值模型的验证3 3 第四章高密度沉淀池沉淀效果影响参数分析3 7 4 1 不同进水口流速对沉淀效果的影响分析3 7 4 2 不同导流墙形状对沉淀效果的影响分析4 6 4 3 不同挡板长度对沉淀效果的影h 向分析5 1 第五章高密度沉淀池沉淀区优化研究5 9 5 1 优化的思路5 9 5 1 1 进水口流速的选择6 0 5 1 2 导流墙形状的选择6 2 5 1 3 挡板长度的选择6 3 5 2 最优组合的建立。6 5 第六章结论与建议7 2 6 1 结论7 2 6 2 建议7 3 致谢7 4 参考文献7 5 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 8 附录7 9 第一章绪论 1 1 研究的背景 第一章绪论 随着人口增长、经济发展及人类，上活水平的提高，人类对水的需求卜j 益增长。 水资源又是一种有限的，而且是不可替代的宝贵资源【1 1 。中国水资源总量少于巴 西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位，若按人均水资源占有 量这一指标来衡量，则仅占世界平均水平的1 4 ，排名在第一百一十名之后。缺 水状况在中国普遍存在，而且有不断加剧的趋势1 2 l 。全国约有6 7 0 个城市中，一 半以上存在着不同程度的缺水现象。其中严重缺水的有一百一十多个。中国水资 源总量虽然较多，但人均量并不丰富。水资源的特点是地区分布不均，水土资源 组合不平衡；年内分配集中，年际变化大；连丰连枯年份比较突出；河流的泥沙 淤积严重；同时，中国水资源南多北少，地区分布差异很大。这些特点造成了中 国容易发生水旱灾害，水的供需产生矛盾，这也决定了中国对水资源的开发利用、 江河整治的任务十分艰巨。在不久的将来，淡水资源紧缺的问题将成为世界各国 普遍面临的严峻问题【3 1 。战略家预言“2 1 世纪是石油让位于水的世纪”，以缺水、 水域污染和饮用水质量下降这“三大挑战”为核心的水危机，将成为2 1 世纪的最 大危机。 重庆市作为西部唯一直辖市、国家中心城市和新特区，按照国家统筹城乡综 合配套改革试验区的要求，在未来的一段时期里，各级政府将采取有效措施，逐 步缩小城乡差距，加快城乡一体化发展。预计在今后1 0 年内，重庆市约4 0 0 万 农业人口将完成城市化进程【4 l 。 在这一大的背景下，重庆市主城区的三北地区( 江北区、北部新区、渝北区) ， 在现有良性发展的基础上无疑又会有一个更大的发展。因此，依据2 0 0 7 年6 月 2 7 同国务院第1 8 2 次常务会议审议并原则通过的重庆市城乡总体规划( 2 0 0 7 2 0 2 0 年) ，在五片、六中心、十六组团中的渝北区悦来镇，建设规划远期总规 模为日供水6 0 万吨，预计的服务面积为2 0 8 平方千米，服务人口当量为1 2 4 万 人的悦来水厂。其中，悦来水厂一期工程建成后可日供水2 0 力吨，解决目前及 今后一段时期三北地区的发展用水问题。 本研究结合重庆某大型自来水厂一期设计项目，对该厂高密度沉淀池的设计 进行优化研究，所得结论对该水厂高密度沉淀池的设计具有一定的理论指导意 义。 2 第一章绪论 1 2 研究的意义 近些年来，城市水厂大量扩建改建，我国出现了前所未有的给水：工程建设高 潮。并且，城市水厂的规模也越术越大，净水厂中，规模多为1 0 - 4 0 力m 3 d ， 不少大城市，已兴建了5 0 - 1 0 0 万m a d 的大型水厂【5 1 。水厂规模扩大，其建设费 用也相应的增加。目前我困经济技术尚不发达，在给水处理厂投资和运行成本上 大多偏高，能耗较高，浪费较大，因此，直接的结果就是我同城市给水处理厂建 设发展的速度缓慢，效率不高【6 】。要加快我国城市给水处理厂建设发展速度，完 成我国国民经济发展计划和满足水污染防治规划中城市给水处理规划要求，必须 大力开发简易、高效的给水处理新技术，研究和探索城市给水处理工艺优化途径 及节能降耗途径，从根本上改变城市给水处理厂高投资、高成本和复杂的运行管 理的现状。 沉淀池作为水厂的常规水处理构筑物，在水处理厂中发挥重要的作用。沉淀 即利用水中悬浮颗粒的沉降性能，在重力场的作用下产生下沉作用，以达到固液 分离的一种过程。可见，作为水处理中最基本方法的沉淀法，在水处理的不同阶 段都发挥着重要的作用川。沉淀过程的好坏直接关系到整个水处理工艺的优劣。 沉淀过后出水浊度的高低，对后续进行的过滤过程影响很大，沉淀过后出水浊度 较大将加重过滤的负荷，导致经济成本的提高和出水效果的不理想。若沉淀效果 良好，大量的悬浮物和杂质在沉淀中被去除，这样就能提高出水质量，降低成本。 沉淀池在水厂的总建设费用中约占2 5 。因此选择正确的沉淀池及对沉淀池进行 优化设计对水质保证和水厂的总体建设费用都具有十分重要的意义。 本研究提出之时，正值重庆某大型在建给水处理厂一期建设时期，由于该厂 选用未在国内广泛应用的高密度沉淀池，故将本研究定为与此次改造工程横向联 系的研究，所有的实验模拟均在以该给水处理厂高密度沉淀池沉淀区的结构原形 模型上完成，本研究将运用计算机数值模拟对高密度沉淀池沉淀效果影响参数进 行分析，找出改善的方法和途径，并尝试将把研究的成果应用到改造设计中。因 此，本研究研究具有重大的理论及工程实际意义。 1 3 沉淀工艺的发展 1 3 1 沉淀理论概述 水处理中的沉淀工艺是指在重力作用下悬浮固体从水中的分离过程。沉淀所 要研究的是固相在液相中的迁移运动【8 1 。利用沉淀工艺以达到净水的目的，早在 第一章绪论3 古代己为人们熟悉和应用。在现代净水技术中，沉淀仍是应用广泛的处理：l = 艺。 从简单的沉砂池，预沉，到混凝沉淀和软化后悬浮物的去除，以及污泥的浓缩， 都属于沉淀工艺f 9 】。沉淀工艺之所以被，“泛采用主要是由于沉淀截留的污泥量 大，而且构造简单，管理方便以及经营费h j 较低。 1 3 2 沉淀工艺研究现状 。 在水处理中，根据悬浮液中固体的浓度和颗粒特性，悬浮固体的分离沉降可 以分为以下几种基本形式【1 0 l h i 【1 2 ：i 分散颗粒的自由沉降 当颗粒浓度较低或者不具有絮凝性能，也就是颗粒相互接触后不产生聚集， 沉淀属于分散颗粒的自由沉降f 1 3 】。此时颗粒在其沉降过程中沉速将不会发生变 化，同时颗粒所交换的液体，在上升时不造成对其他颗粒沉速的影响。水处理中 低浓度的除砂和预沉属于这种类型。 在重力场中，颗粒受到重力作用而下沉，同时颗粒受到液体浮力以及颗粒下 沉时液体对颗粒的摩擦阻力作用。当这些作用力达到平衡时，颗粒将以等速下沉， 此时的沉降速度称为稳定沉速。当颗粒为球形时，其沉降速度为： 式中：u 。颗粒的沉速，m s ； d 颗粒的直径，m ； g 重力加速度，m s 2 ； p ，及p 颗粒和液体的密度，始川3 。 由实验可知，阻力系数与雷诺数( r e ) 有关。也就是说，阻力系数( c d ) ，随 着沉降阻力中粘滞力与惯性力的作用大小而有所区别。对于不同的雷诺数( r e ) ， 可以采用不同的公式进行计算。 絮凝颗粒的自由沉降 在混凝沉淀池中悬浮物大多具有絮凝性能，因而其沉降不再像分散颗粒那 样保持沉速不变。当颗粒碰撞而聚集后，其沉速加快。大多数混凝沉淀都属于 这一种。对于絮状结构颗粒沉速的研究，目前还不多见【1 5 l 。丹保宪仁利用沉降管 和摄影的方法，对絮凝颗粒的粒径、有效密度和沉速进行了测定，并建立了絮 凝颗粒的密度公式。 拥挤沉淀 时，颗粒间的间隙相应减小，颗粒下沉所交换的液体体积 的下沉产生影响。颗粒的实际沉降速度将是由自由沉降时 4第一章绪论 的沉速减去液体的上涌速度【1 6 1 。当颗粒浓度不太高时，只产生对沉淀速度的一定 降低，颗粒还可保持个别的沉速形式。随着颗粒浓度的继续增大，经过一段时 问的平衡，沉速较快的颗粒沉至下层，相应增加了下层的浓度，使下层的上涌 速度加大，最终使：悬浮液的全部颗粒以接近相同的沉速下沉，形成界面形式的 沉降，故义称作层状下降【1 7 11 1 8 1 。水处理中高浊度水的沉淀以及澄清池中澄清水 和泥渣的分离都属于这一类。拥挤沉降时单位颗粒的沉速将小于同一颗粒在自 由沉降时的沉速。此时的沉降速度为： “：= f l u p u ， ( 一1 2 ) “j 2 s l z ， 式中：沉速降低系数，卢 1 。 压缩沉降 压缩沉降液称为污泥的浓缩。当沉降颗粒积聚在沉淀池的底部后，先沉降 的颗粒将承受上部沉积污泥的重量。颗粒间的空隙水将由于压力增加和结构的 变形而被挤出，使污泥的浓度提高【1 9 i1 2 0 1 。因此污泥的浓缩过程也是不断排出空 隙水的过程。各种污泥浓缩池及沉淀池积泥区的污泥浓缩均属于这一类。 关于压缩沉降的计算，常以k y n c h 沉淀理论为基础。k y n c h 沉淀理的基本 假设为：( 1 ) 悬浮固体层的任何水平面内固体的浓度是均匀的，且颗粒以相同的 沉速下沉；( 2 ) 颗粒的沉速只是其所在位置处颗粒浓度的函数，即uaf ( c ) ；( 3 ) 整个沉降高度的初始浓度分布是均匀的，或者是沿着沉降深度逐渐增加【2 1 】【2 2 。l 根据上述假设，k y n c h 建立了高度为h 处的颗粒运动应符合以下公式： “。竺；一a g , ( 1 3 )“= = t lj ， d td c 式中：u 固体颗粒的沉速，m s ； d 颗粒所处高度，m ； 矽固体颗粒通量 固体颗粒通量l f ，= u c ，k g ( m2 - 0 ： c 固体颗粒浓度，堙朋3 。 1 3 3 沉淀池的发展 在2 0 世纪6 0 年代以前主要采用平流式、竖流式和辐流式沉淀池，6 0 年代 起各种澄清池盛行一时，7 0 年代后，主要是斜板、及机械加速沉淀池1 。 在经历了平流沉淀池，斜板沉淀池和机械加速澄淀池之后，高密度沉淀池这 一新型的沉淀池登上了历史的舞台。该池在欧洲已经应用多年，目前开始进入中 国市场。由于该池占地面积小、效率高、适用性广，因而在中国各城市用地同益 短缺的情况下，采用这种高效的沉淀池技术成为一种适宜的选择弘i 1 2 5 1 。 第章绪论 5 高密度沉淀工艺是住传统的平流沉淀池的基础上，充分利用了动态混凝、加 速絮凝原理和浅池理论，把混凝、强化絮凝、斜管沉淀三个过程进行优化，从而 达到比常规技术更加优越的性能。高密度沉淀工艺通过投加不同的药剂，可以去 除部分悬浮物和碳污染物以及大部分的磷，以减轻后续处理构筑物的负荷。具体 工作原理如图1 1 所示。 图1 1 高密度沉淀池工作原理图 f i g 1 1w o r k i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g h - s l u d g es e d i m e n t a t i o nt a n k 一般的，高密度沉淀池为三个单元的综合体：反应池、预沉浓缩池和斜 板分离区。 反应池 反应池采用理化反应，如晶质的沉淀一絮凝或其它特殊类型的沉淀反应均在 该池中发生。反应池分两部分，每部分的絮凝能量有所差别。中部絮凝速度快， 由一个轴流叶轮进行搅拌，该叶轮使水流在反应器内循环流动。周边区域的活塞 流善导致絮凝速度缓慢。 投入混凝剂的原水通常进入搅拌反应器的底部。絮凝剂加在涡轮桨的底部。 聚合物的投加受高密度沉淀池的原水控制。在该搅拌区域内悬浮固体( 矾花或沉 淀物) 的浓度维持在最佳水平。污泥的浓度通过来自污泥浓缩区的浓缩污泥的外 因砂能量低，保证了矾花增大和密实。反应池独特的设 大块的、密实的、均匀的矾花，这些矾花以比现今其它 多的速度进入预沉区。 沉区时，矾花移动速度放缓。这样可以避免千万矾花的 6 第章绪论 破裂及避免涡流的形成，也使绝大部分的：悬浮固体在该区沉淀并浓缩。泥板装有 锥头刮泥机。部分浓缩污泥在浓缩池抽出并泵送回至反应池入口。浓缩区可分为 两层：一层在锥形循环筒上面，一层在锥形循环筒下面。从预沉池一浓缩池的底 部抽出剩余污泥。 斜板沉淀区 在斜板沉淀区除去剩余的矾花。精心的设计使斜板区的配水十分均匀。正是 因为在整个斜板面积上均匀的配水，从而使得沉淀在最佳状态下完成。 经沉淀处理后的水由一个收集槽系统收集。矾花堆积在沉淀池下部，形成的 污泥也在这部分区域浓缩。根据装置的尺寸，污泥靠白重收集或刮除或被循环至 反应池前部。 作为一种经济、高效且适应性强的新型沉淀池，高密度沉淀池较其他传统池 型具以下优点： 占地而积小。将混合、絮凝、沉淀、污泥浓缩综合于一座方形池体内， 进出池体只有三种功能的管道，布置简洁，有利于水厂总图的安排。 絮凝沉淀时间短。由于污泥回流，可形成至少5 0 0 0 m g 1 以上的高浓度混 合液，大大提高了絮凝效果，缩短了机械搅拌阶段的絮凝时间；沉淀时由于沉降 性能大幅度提高再加上助凝剂的采用，因而分离区上升流速液可以大幅提高，提 高了表面负荷。 絮凝区与沉淀区自然平稳的结合，使絮凝后的水均匀稳定地浸入沉淀区。 由于絮凝效果好，在斜管沉淀区下部，大部分絮粒就已沉除，通过斜管沉淀进一 步降低浊度。 水厂可不设浓缩池。由于沉淀池底部采用浓缩刮泥，污泥含固率高，因 此在未来污泥处理工艺中无需设浓缩池，可直接进行脱水处理。 抗冲击能力强，适用水质广泛。高密度沉淀技术抗冲击能力强，当流量、 原水浊度、药量有些变化时，出水浊度稳定，其原因是，沉淀池加强了接触絮凝 作用，使得沉淀池按3 5 m m s 的上升流速设计时尚有很大潜力。并且此项工艺设 备对处理低温低浊水、低温高浊水、及微污染水来说都是非常有效的。 耗药量低。由于循环使污泥和水之间的接触时间较长，从而使耗药量低 于其他传统沉淀池型。 制水成本低。由于采用高效的混合及反应设备，可节省投药量3 0 以上， 同时无机械设备，管理人员少，节省电费及运行费管理费，因此制水成本低。 运行启动方便，操作简单。该工艺设备运行初期不需复杂的启动调试， 工艺设备安装完毕后，投药正常，2 小时既可得到理想的出水水质。整个工艺无 需机械设备。采用泥斗电动蝶阀排泥，使操作更简单。 第一章绪论7 f 1 前，嘉兴石臼漾水厂扩容工程中设计的8 w t d 高密度沉淀池已投入使用， 该池结构较传统池型更加紧凑合理，占地面秋节约了1 0 一- - 1 5 ，与其后的臭氧 活性炭工艺相结合，取得了令人满意的效果。另外，乌鲁木齐2 0 w t d 的水 厂，上海杨树浦水厂示范工程、北京九水一2 a 沉淀池改造l 程以及河北保定饮 用水厂等均采用了这一新技术。重庆某人型在建水厂已确定使用高密度沉淀池作 为深度处理工艺，作为整个西南地区首次使用高密度沉淀技术的水厂，该水厂远 期规模为6 0 w t d ，是现阶段规划中重庆市最大规模的给水处理厂。 近两年，国内相关人员致力于对现有高密度沉淀池进行优化改进，重点是 改善配水均匀性、单池处理水量及水流流势合理性等问题，使出水水质更有保 证，造价投资更加节省。此外，国内有实力的生产厂家对高密度沉淀池作系统 的研究和系列化的开发，使其完全国产化。这些举措都将使高密度沉淀池的适 用范围更广泛、应用前景更加广阔。 1 3 4 沉淀池的种类 沉淀池根据具体布置可以设计成多种形式【2 6 1 【2 7 】【2 8 1 ： 竖流式沉淀池 在2 0 世纪5 0 年代设计的小型水厂中有不少