（环境工程专业论文）平流式沉淀池优化设计研究.pdf

中文摘要 在水处理过程中，常常利用沉淀池进行固液分离。尽管沉淀池的形式多种多 样，但去除水中悬浮颗粒物的基本原理相同。平流式沉淀池由于其构造简单，管 理方便，运行费用低廉，适应水质变化能力强等优点，至今仍广泛应用于各类净 水厂与污水处理厂中。 国内的沉淀池设计通常采用经验方法，很少考虑悬浮物去除率与沉淀池面积 之间的关系，导致设计出的沉淀池相差较大。为了克服以上问题，实现快速、高 效的沉淀池设计，本文提出了基于沉淀实验数据的平流式沉淀池设计方法。 分析沉淀实验对于平流沉淀池设计的重要性，讨论自由沉淀实验与絮凝沉淀 实验两者的沉淀去除率之间的关系，证明两者可以统一按照自由沉淀实验的累积 分布曲线来计算总沉淀去除率。 研究沉淀实验数据的计算机辅助处理，通过m a t l a b 语言编程，对沉淀实 验数据进行插值和积分处理，将最后结果通过绘图的方法做出曲线，得到沉淀效 率与沉淀速度( 即沉淀池设计表面负荷) 及沉淀效率与沉淀时间的关系图，并与 传统的计算方法进行比较。 通过对沉淀实验数据的处理，可以得到沉淀效率与沉淀速度的关系曲线。根 据设计要求的沉淀去除率，选择合适的沉淀速度( 即沉淀池表面负荷值) 和沉淀 时间进行平流沉淀池设计。与根据常规方法设计的平流式沉淀池比较，可以节省 面积2 0 3 0 。可见，利用本文的方法得到的设计参数更为精确和经济。 关键词：平流式沉淀池沉淀实验插值沉淀效率数据处理 a b s t r a c t s e t t l i n gt a n k sa r eu s u a l l yu s e di nw a t e rt r e a t m e n tf o rt h er e m o v a lo fs u s p e n d e d s o l i d s ( s s ) b yg r a v i t a t i o n a ls e t t l i n g a l t h o u g ht h e r ea r e a l lk i n d so fs e t t l i n gt a n k s ，t h e b a s i ce l e m e n t so fs u s p e n d e dp a r t i c l e sr e m o v a la r et h es a m e d u et o i t s s i m p l e s t r u c t u r e s ，c o n v e n i e n tm a n a g e m e n t ，l o wo p e r a t i n gc o s t sa n ds t r o n ga d a p t a b i l i t i e st o t h ec h a n g e a b l ew a t e rq u a l i t y ，t h er e c t a n g u l a rs e t t l i n gt a n k sa r es t i l lw i d e l yu s e di n k i n d so fw a t e ra n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h ee m p i r i c a lm e t h o d sa r eu s u a l l ya d o p t e di nt h ed e s i g no fs e t t l i n gt a n k s ，r a r e l y c o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u s p e n d e ds o l i d sr e m o v a le f f i c i e n c ya n dt h e a r e a so ft h es e t t l i n gt a n k s i no r d e rt oo v e r c o m et h eq u e s t i o n sa n dr e a l i z et h ef a s t ， h i g h l ye f f e c t i v es e t t l i n gt a n k sd e s i g n ，ad e s i g n m e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h e c o l u m n - s e t t l i n gt e s t si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ei m p o r t a n c eo ft h ec o l u m n - s e t t l i n gt e s t st ot h ed e s i g no fs e t t l i n gt a n k si s a n a l y z e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s c r e t ep a r t i c l es e t t l i n ga n df l o c c u l e n ts e t t l i n g i sd i s c u s s e d i ti sp r o v e dt h a tt h es a m em e t h o dn a m e l yt h ec u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n c u r v ec a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h et o t a lp r e c i p i t a t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , c o m p u t e r - a i d e dd a t ap r o c e s s i n gi nt h ec o l u m n s e t t l i n ge x p e r i m e n t i ss t u d i e d t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fm a t l a bi su s e dt od e s i g nap r o g r a mf o r t h ed a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h ei n t e r p o l a t i o na n di n t e g r a li sc a r r i e do nt op r o c e s st h e p r e c i p i t a t i o nd a t a t h er e l a t i o n c u r v ea m o n gt h es e t t li n ge f f i c i e n c y ，t h es e t t l i n g v e l o c i t yo fp a r t i c l e s ，a n dt h er e t e n t i o nt i m ec a nb ed r a w np r e c i s e l y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e ds e t t l i n ge f f i c i e n c y , t h ea p p r o p r i a t es e t t l i n gv e l o c i t y ( n a m e l yt h es u r f a c eo v e r f l o wr a t eo ft h es e t t l i n gt a n k s ) a n d t h ea p p r o p r i a t er e t e n t i o n t i m ec a nb ec h o s e nt od e s i g nt h es e t t l i n gt a n k s a sc o m p a r e dw i t ht h es e t t l i n gt a n k s w h i c ha r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s ，t h es e t t l i n gt a n k st h a ta r e d e s i g n e db yt h em e t h o di nt h i sp a p e rm a y s a v ea r e a2 0 - 一3 0 o b v i o u s l y ，t h ed e s i g n p a r a m e t e r so ft h es e t t l i n gt a n k sw h i c ha r eo b t a i n e db yt h em e t h o di n t h i sp a p e ra r e m o r ep r e c i s ea n de c o n o m i c k e yw o r d s ：r e c t a n g u l a rs e t t l i n gt a n k s ，c o l u m n - s e t t l i n gt e s t s ，i n t e r p o l a t i o n ， s e t t l i n ge f f i c i e n c y ，d a t ap r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤窒盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 唧年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定； 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：趣幕 导师签名： 签字日期： 川年 二月7 日 签字日期：釉7 闺耷 1 年多月7 日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着经济建设速度的加快，人民的生活水平明显提高，生活用水量出现大幅 度增长。据统计，1 9 4 9 年的生活用水量为1 0 3 0 亿立方米，到2 0 0 4 年，已经增 长到5 5 4 8 亿立方米。初步估算，目前的用水量大约是1 0 条黄河的水量。然而， 我国的水资源并不是十分丰富。尽管我国的河川年径流总量占到世界第六位，但 是，如果按人口平均占有经济流量计算，每人每年平均仅约为2 2 0 0 立方米，只 相当于世界人均占有量的四分之一1 2 1 。与此同时，随着工农业生产的增长和人1 5 1 增长，我国水资源污染问题日益严峻，全国已有三分之一以上的河段受到污染。 据专家预测，我国每年由于水污染造成的直接经济损失约为15 0 亿元，在 1 9 8 5 2 0 0 0 年间，水污染造成的损失更是高达2 7 3 5 亿元【j j 。为了满足大规模增长 的用水量需求，各地建设了大批的给水厂，同时，为了保护环境，实现可持续发 展，在各级政府的有力推动下，也兴建了大批的城市污水处理厂。我国出现了前 所未有的给排水工程建设高潮。 沉淀池作为常规的水处理构筑物，无论在给水处理厂还是污水处理厂都发挥 着相当重要的作用。沉淀是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方 法。沉淀法可以用于去除水中的砂粒、化学沉淀物、混凝处理所形成的絮体和生 物处理的污泥，也可用于沉淀污泥的浓缩。 在给水处理中，沉淀池根据其沉淀目的不同可以分为预沉池、滤前沉淀池以 及污泥浓缩池三种类型。在污水处理中，按其沉淀目的不同，也可以分为以下四 利t 形式，即用于污水预处理工序的沉砂池、用于污水进入生物处理构筑物前的初 次沉淀池、用于生物处理后的二次沉淀池以及用于污泥处理阶段的污泥浓缩池。 可见，沉淀方法作为水处理中的基本工艺，在水处理的不同阶段都发挥着重 要的作用。在一般情况下，沉淀池在整个净水系统中担负着去除8 0 9 0 悬浮 固体的重任，沉淀池设计运行的好坏直接关系到整个水处理系统的处理效果。同 时，沉淀池的建设费用在水厂的总建设费用中约占2 5 ，对其进行优化设计对保 证整个系统的处理效果具有十分重要的意义1 4 j 。 第一章绪论 1 2 课题的提出 我国水资源污染问题日益严峻，水源水质不断恶化。与此同时，为了全面提 高市政供水水质，政府相继颁布了一系列的标准与规范以严格控制水质标准。由 于浊度既能反映水中悬浮物的浓度，同时又是人的感官对水质的最直接的评价， 它的测定简单快速。因此，浊度一直是一个很重要的水质参数。 面对水源水质恶化与饮用水水质标准的不断提高之间日益激烈的矛盾，供水 企业不得不采取各种手段以提高处理系统的净化能力。有能力的水厂增加预处理 和深度处理，条件一般的水厂强化常规处理工艺。我国9 5 以上的水厂都是常规 处理工艺，普遍增加预处理和深度处理设备短期内还很难实现，强化常规处理工 艺成为我国现阶段大多数供水企业普遍采用的有效措施。由于沉淀出水浊度的高 低直接影响到混凝剂投量及冲洗过滤的效能，改变着沉淀、过滤环节处理负荷的 分配，决定了出水水质的好坏【5 】。在生产运行中，大部分水厂都是通过强化混凝、 沉淀和过滤工艺，尽量降低沉淀水浊度以确保水厂出水满足要求。 回顾历史可以发现，伴随着水质标准的修订历程，出水浊度目标值的要求不 断严格，水厂的沉淀水浊度控制目标值也不断降低。在1 9 8 5 年以前，滤后出水 浊度要求低于5 n t u ，沉淀水浊度在1 0 n t u 以上就可以满足要求；1 9 8 5 年以后， 要求滤后出水浊度低于3 n t u ，城市给水处理厂相继将沉淀水浊度降低到5 n t u 左右。2 0 0 5 年发布的城市供水水质标准( c j t 2 0 6 2 0 0 5 ) 和2 0 0 6 年颁布的生 活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 都规定出水浊度目标值为1 n t u l 6 j ，沉淀水 浊度需要再次降低。许多水厂已经将沉淀水浊度目标值控制在2 n t u 以下，深圳 水务集团各水厂的沉淀池出水浊度甚至低于1 5 n t u i ，j 。 在常规水处理中，通过重力沉淀作用去除悬浮物( s s ) 是目前最常用的方法。 沉淀池负担着去除原水中大量悬浮物的任务，是必不可少的主体工艺。沉淀池按 池内水流方向的不同可分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池、竖流式沉淀池和斜板 斜管沉淀池凹种。 平流式沉淀池由于其构造简单，管理方便，耐冲击负荷强，同时运行费用低 廉，工作较可靠，适应水质变化能力强等优点，使得它在生产中得到非常广泛的 应用。 目前，常用的平流沉淀池的设计计算方法主要有以下三种1 8 j ： ( 1 ) 按沉淀时间和水平流速计算( 常用方法) ； ( 2 ) 按悬浮物质在静水中的沉降速度及悬浮物去除的百分率计算； ( 3 ) 按表面负荷率( 或称溢流率) 计算。 国内沉淀池的工艺设计主要以经验方法为主，即根据规范或者其他准则，选 2 第一章绪论 用较长的停留时问或采用较低的表面负荷率来设计，设计参数的取值范围较大。 实际上，不同地域的原水，水质会大不相同。例如长江的浊度月平均值为2 7 n t u ， 而黄涌江月平均浊度为7 2 n t u ，是长江水的2 7 倍1 9 】。对于不同地域、不同水质 的污水，即使沉淀池采用相同的工艺，其设计参数也要有所不同，如沉淀时间、 对s s 的去除率等 i o l 。这对于刚开始从事设计行业，经验较少的设计人员来说很 难操作。同时，根据经验方法设计的沉淀池，有时甚至忽略了不同水质之间千差 万别和千变万化的差异，不经沉淀实验就直接套用现场运行参数或结构尺寸，导 致其出水浊度不能够达到所期望的目标值也不能满足生产要求j 。因此，为了要 达到沉淀池出水浊度的目标值，而根据设计所要求的去除率来确定平流沉淀池的 准确的设计参数是至关重要的。 1 3 国内外研究现状 目前，常用的沉淀池设计方法一般有以下两种：一是根据沉淀实验来进行设 计；二是根据规范以及类似工程的资料来进行设计。沉淀池的设计计算常采用后 一种方法，设计时存在许多不确定性因素，影响设计的精确性。就此，国内外许 多学者作了大量的研究。这些研究大致可以分为以下三个方向：基于沉淀实验的 沉淀池设计方法；基于池内水流数值模拟的沉淀池设计方法；以及基于沉淀池费 用函数的沉淀池设计方法。 1 3 1 基于沉淀实验的沉淀池设计方法 沉淀实验是沉淀池设计的主要依据，就沉淀实验的数据分析，国内外一些学 者做了大量的工作。 在国内，一些学者就沉淀实验的累积分布曲线求解过于繁琐以及由经验数据 对沉淀池进行设计所存在的问题做了大量的工作。周鑫根【l2 】和李佐斌l ”】用图解 法( 等面积法) 对沉淀池进行设计计算，并与传统的经验设计方法比较，认为由 该方法进行设计，可满足所要求的沉淀效率，使池子的设计合理，不会出现过大 或过小尺寸的设计结果。 杨镭和赵乾【1 4 】同样运用图解法( 最大切线法，即将颗粒群中占全部颗粒份 额最大的颗粒组分去除的截留沉速) 对沉淀池进行设计，根据得出的沉速与总去 除率来确定沉淀池的面积，其结果满足沉淀要求；杨镭| 15 j 又在此基础上提出了平 流沉淀池的理论最大产水量，认为在以该沉速为设计截留沉速时，其相应的值就 是平流沉淀池的理论最大产水量：张林生和经一芬j 16 j 通过试验测试平流沉淀池的 水力特性，研究了表面负荷率与悬浮物分离效率及短流率的关系，提出在不同浓 第一章绪论 度原水时，为达到所要求的悬浮物去除率，均存在一最大的表面负荷率，当池深 满足要求时，该表面负荷率可作为沉淀池的设计依据。张玉先j 提出沉淀剩余率 的概念，利用累积分布曲线求出颗粒临界沉速，计算其沉淀面积，其结果满足沉 淀要求；南国英1 18 】对自由沉淀平流式沉淀池设计时，以拟合法计算理论为基础， 把推流反应器的计算模式应用于自由平流沉淀池的设计计算，求得主导设计参数 表面负荷及停留时间的数值。张凯红l l9 j 提出将沉淀颗粒群中份额最大的颗粒沉速 作为沉淀池的经济截留沉速，在实际操作中只要控制好平流沉淀池的运行条件， 就可以提高平流沉淀池的产水量。盛义平1 2 0 】提出了沉淀池中分级效率的概念，即 沉淀速度u 。q ( q 为沉淀池表面负荷) 的颗粒，分级效率r l = 1 ；沉淀速度u i q 的颗粒，分级效率t l 0 式中 f 一沉淀池建设费用，万元； q 一处理水量，m 3 h ； b 一沉淀池的宽度，m ；l 一沉淀池的长度，m ； f 一沉淀时间，h ；v 一水平流速，m h ； h 一沉淀池的有效水深，m ； ，7 一沉淀效率； k 一长宽比：p = 3 ，j = l ，2 ，3 ； 屁一常数项系数；，一一次项系数： 屈，一交互项系数；，一二次项系数； z ，一分别代表选定的各因素，即长宽比k 、沉淀时间t 和沉淀效率叩。 王玲玲嗍在沉淀池设计中考虑不确定性因素，引入了不确定性模糊非线性规 划模型，利用处理效率与沉淀池尺寸之间的关系，求解过程引入区间数和模糊算 子。以沉淀池总费用( 包括建设费用和运行费用) 为目标函数，以处理效率和设 计尺寸为约束条件，建立沉淀池的不确定性模糊非线性优化模型。其形式如式 ( 1 6 ) 所示。 m i n m = 口l a 届+ 彳岛 m a x r = f ( l ，日) h f i l i 。sh h 。 。专 m m 一 叩。 a = 陟z 7 ( 1 6 ) 第一章绪论 式中一沉淀池的宽度，m ： ，一沉淀池的长宽比； 三一沉淀池的长度，m ； 一沉淀池的深度，m ； a 一沉淀池面积，m2 ： ，7 一沉淀效率； m 一沉淀池总费用，万元； q ，口，一费用统计系数： 届，厦一费用统计系数。 1 4 研究内容 沉淀池作为水处理中最基本的构筑物，在水处理的不同阶段均发挥着重要作 用，其设计运行的好坏直接关系到整个系统的处理效果，并且其建设费用约占水 厂总建设费用的四分之一。因而，沉淀池的优化设计对维持整个系统的处理效果， 降低水厂的总体建设费用至关重要。 平流式沉淀池由于其构造简单，管理方便，同时运行费用低廉，适应水质变 化能力强等优点，使得它仍然广泛应用于生产中。为实现快速、高效的沉淀池设 计，减轻设计人员工作量，节省沉淀池的建设费用，本课题具体研究内容为： ( 1 ) 分析沉淀实验对于平流沉淀池设计的重要性，讨论自由沉淀实验与絮 凝沉淀实验两者的沉淀去除率之间的关系，证明两者可以统一按照自由沉淀实验 的累积分布曲线来计算总沉淀去除率。 ( 2 ) 研究沉淀实验数据的计算机辅助处理，通过m a t l a b 语言编程，对沉 淀实验数据进行插值和积分处理，将最后结果通过绘图的方法做出曲线，得到沉 淀效率与沉淀速度( 即沉淀池设计表面负荷) 及沉淀效率与沉淀时间的关系图， 并与传统的计算方法进行比较。 ( 3 ) 通过对沉淀实验数据的处理，可以得到沉淀效率与沉淀速度的关系曲 线。根据设计要求的沉淀去除率，选择合适的沉淀速度值( 即沉淀池表面负荷值) 进行平流沉淀池设计，并与常规设计方法进行比较，证明利用本课题的方法得到 的设计参数更为精确和经济。 8 第二章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 第二章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 平流式沉淀池虽然是最早使用的一种沉淀设备，但由于它具有操作简单，工 作较可靠，适应水质变化能力强等优点，目前仍广泛应用于各类净水厂与污水处 理厂中。通过对平流式沉淀池的研究，可以对各种沉淀设备的水力学条件以及工 艺设计等有关参数起一般理解性作用。因而，目前对沉淀池所做的各种沉淀理论 研究及设计均以平流式沉淀池为例。 2 1 沉淀池的理论基础 2 1 1 理想沉淀池 理想沉淀池是各种形式沉淀池的理论基础。所谓理想沉淀池，应该满足以下 三个假定： ( 1 ) 悬浮颗粒在沉淀过程中处于自由沉淀状态，即在沉淀过程中，颗粒物 之间互不干扰，颗粒的大小、形状和密度都不发生改变。颗粒物以等速下沉，颗 粒的水平分速等于水平流速； ( 2 ) 水流沿着水平方向流动，进出水均匀分布在整个横断面上，在过水断 面上，各点的流速相等，并在流动过程中流速始终不变； ( 3 ) 颗粒物沉到池底即认为已被去除，不再返回水流中。 一。? ? 一l ? 心 图2 1 理想沉淀池工作模型示意图 9 第_ 章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 按照上述假定，理想沉淀池的工作状况如图2 1 所示。进入沉淀池的水流在 进水区被均匀分配在a b 断面上。从a 点进入的颗粒，它们的速度是水平流速u 和。f 沉速度v 的矢量合。直线i 代表从a 点开始下沉并能在到达池底最远的b 点之前沉淀到池底的颗粒运动轨迹，直线i i 代表从a 点开始下沉并且没有沉淀 到池底的颗粒运动轨迹，直线i i l 代表从a 点开始下沉并刚好在到达池底最远的b 点时沉淀到池底的颗粒运动轨迹。设水平流速为u ，按直线i i l 运动的颗粒的沉速 为v s ，则凡是沉速大于v s 的颗粒均能降落在池底，而沉速小于v s 的颗粒只能 部分降落在池底。因而，可将v s 称为截留沉速。它反映了沉淀池所能全部去除 的最小颗粒的沉速。 k ：u h ：u h b ：垒：g 3 ll ba i ( 2 1 ) 式中u 一水平流速，m s ； h 一沉淀区的有效水深，m ； l 一沉淀区的长度，m ； b 一池宽，i t i ； q 一处理水量，m 3 i s ； a 一池表面积，m 2 ： q 一表面负荷，在数值上等于截留沉速v s 。 设沉速 k 的颗粒重量占全部颗粒重量的咖，其可被去除的量为 ( k k ) 咖，则沉速小于k 的颗粒被沉淀去除的量为1 kr 杉咖，理想沉淀池的 总去除效率可以表示为式( 2 2 ) 的形式。 e = ( 1 一风) + i 1 。e p o v i d p 2 1 2 沉淀池表面负荷率与截留沉速的关系 ( 2 2 ) 表面负荷率与截留沉速是沉淀池的两个重要的设计参数。理想平流沉淀池的 表面负荷率在数值上恰好等于截留沉速。 表面负荷率( q a ) 是沉淀池单位表面积的产水量，它表明了沉淀池的产水 能力。表面负荷率越高，沉淀池的产水量越大。 截留沉速( ) 是指沉淀池中可以全部去除的颗粒中粒径最小的颗粒沉速。 1 0 第二章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 它表明沉淀池的沉淀效率。截留沉速越小，沉淀池去除悬浮物颗粒的效率就越高， 出水浊度就越低。 对于截留沉速为的理想平流沉淀池，有q a = u o ，即产水量q 可以表示 为q = u o a 。悬浮颗粒的去除率e 为： 纠h ) + 去n 咖， ( 2 3 ) 式中一截留沉速； 材一小于z f 0 的颗粒沉速； p o 一沉速小于的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分数； p i 一沉速小于弘的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分数。 由式( 2 3 ) 可以看出，要使平流沉淀池的出水浊度降低，则平流沉淀池的设 计截留沉速u o 应该越小越好，但是，u o 过小，沉淀池的产水量就会降低，不经济。 如果增大u o ，则可以提高平流沉淀池的产水量，但悬浮颗粒的去除率会降低，出 水浊度会增大，甚至出现不能满足工艺要求的现象。当u o 一定时，增加沉淀池表 面积可以提高去除率。当沉淀池容积一定时，池身越浅则表面积越大，去除率可 以相应提高。这就是通常所说的“浅池理论”。 2 2 沉淀池的分类及比较 沉淀池根据具体布置可以设计成多种形式。按照池内水流方向的不同，可以 分为竖流式沉淀池、辐流式沉淀池、平流式沉淀池及斜板斜管沉淀池四种。 ( 1 ) 竖流式沉淀池 沉淀池内的水流方向从下到上，从池底到水面依次为集泥区、进口区、沉淀 区和出口区四个区【3 9 】。在2 0 世纪5 0 年代设计的小型水厂中，有不少采用了竖流 式沉淀池。但是这种沉淀池的水力条件不佳，沉淀效果较差，目前多为澄清池所 代替。 ， ( 2 ) 辐流式沉淀池 常见的辐流式沉淀池多为圆形，原水从池子中心进水，周边出水。直径大约 为6 m - - - 6 0 m ，最大可达1 0 0 m ，池周水深约为1 5 m 一- , 3 0 m 。辐流式沉淀池多用 作自然沉淀，适用于高浊度原水的预沉池。目前，国内污水处理厂的二次沉淀池 大都采用辐流式沉淀池。 第二章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 ( 3 ) 平流式沉淀池 平流沉淀池是一个矩形构型的池子，因此也称矩形沉淀池。池内的水流方向 为水平方向。平流沉淀池是应用较早也较普遍的一种沉淀形式，它既可以用作滤 前沉淀( 初沉池) 处理，也可用作预沉( 沉砂) 或最终沉淀( 二沉池) 处理。其 主要特征是构造简单，池深较浅，造价低，沉淀效果稳定，操作管理方便。主要 缺点是占地面积较大，池深较浅，常常限制后续滤池的选用【4 。 ( 4 ) 斜板斜管沉淀池 斜板斜管沉淀池是把与水平面成一定角度( 一般为6 0 。左右) 的众多斜板或 斜管放置于沉淀池中构成，水从下向上流动( 也有从上向下、或水平方向流动) ， 颗粒则沉于斜板或斜管底部。当颗粒累积到一定程度时，便自动滑下。斜板斜管 沉淀池具有沉淀表面积大，沉淀效率高，占地面积少等优点1 1 9 l ，但是对小颗粒矾 花的去除率较低。 2 3 平流式沉淀池的基本结构 平流式沉淀池大都为矩形水池，其结构形式如图所示。整个池子可分为进口 区、沉淀区、出口区和集泥排泥区阴部分。由絮凝池出来的水先进入沉淀池的进 口区，沿进口区的断面均匀分布整个沉淀池的流量和其中所含颗粒物，然后进入 沉淀区内进行沉淀，最后由出口区排出。水中的悬浮颗粒沉于池底集泥区，沉泥 被连续或定期排出池外。平流式沉淀池的基本结构如图2 - 2 所示。 图2 2 平流式沉淀池的基本结构示意图 沉淀区是平流沉淀池的核心部分。在整个沉淀区内通常假定下列条件成立： ( 1 ) 水平流速皆为v ； ( 2 ) 悬浮颗粒以它的沉速u 和水平流速v 的合成速度向下沉淀。 截留沉速u o 直接决定了沉淀区的长度与深度间的关系，也间接决定了沉淀池 1 2 第二章平流式沉淀池的基本原理和设计方法 的长度和深度，因为其它各区的尺寸变化不大。 2 4 平流式沉淀池的设计方法及设计参数 2 4 1 设计方法 平流式沉淀池沉淀区主要几何尺寸( 长、宽、高) 的计算方法，大致有以下 几种1 8 j 。 ( 1 ) 按沉淀时间和水平流速计算( 此法目前多用) 。 ( 2 ) 按悬浮物在静水中的沉降速度及悬浮物去除百分率计算。 ( 3 ) 按过流率( 或称面积负荷，即单位时问内每平方米池子所通过的水量， 其单位常用( m 3 d m 2 ) 表示) 计算。一般过流率为3 0 5 0 m 3 ( d m 2 ) 。 目前，由于对平流式沉淀池已经积累了不少实测资料和数据，一般均按照第 一种方法计算。这三种方法的计算公式及符号说明详见表2 1 。 2 4 2 设计参数 平流式沉淀池的主要设计参数包括以下几种f 4 1 4 3 】： ( 1 ) 混凝沉淀时，出水悬浮物含量一般不超过l o m g l 。 ( 2 ) 沉淀时间应根据原水水质和沉淀后的水质要求，通过实验或参照相似 地区的沉淀资料确定，一般采用1 0 - - - 3 o h 。当处理低温、低浊度水或高浊度水 时，沉淀时间应适当延长。 ( 3 ) 池内平均水平流速，混凝沉淀一般为1 0 2 5 m m s ；自然沉淀一般不超 过3 m m s 。 ( 4 ) 有效水深一般为3 0 3 5 m 。一次净化水及工业用水或采用斗底重力排 泥时，可采用下限。超高一般为0 3 0 5 m 。 一 ( 5 ) 池的长深比一般不小于1 0 ：l 。 ( 6 ) 池的长宽比应不小于4 ：1 ，每格宽度或倒流墙问距一般采用3 8 m ，最 大为15 m 。 ( 7 ) 沉淀池的水力条件用弗劳德数f r 复核控制。一般f r 控制在 1 x 1 0 一1 l o - 4 之间。 第二章甲流式沉淀池的基本原理和设计方法 乃：三 r g r ：竺：旦 p 2 h + b 式中，一池内平均水平流速，c m s ； 缈一水流断面积，c m 2 ： g 一重力加速度，c m s 2 ； 尺一水力半径，c m ； p 一湿周，c m ： b 一池宽，c m ； 日一池内有效水深，c m 。 1 4 ( 2 4 ) 第二章甲流式沉淀池的基本原理和设计方法 表2 1 平流式沉淀池计算公式表 计算公式设计数据及符号说明 第一种计算方法： ( 1 ) 池长l = 3 6 v t ( m )v 一池内平均水平流速( m m s ) ( 2 ) 池平面积丁一沉淀时间( h ) f ：丝( m 2 ) q 一设计水量( m 3 h ) 月 h 一有效水深( m ) 池宽拈丢c m ， 一池长宽比 ( 4 ) 弗劳德数计算 v 一池内平均水平流速( c m s ) 丹：兰 r 一水力半径( c m ) r g ( - 0 一水流断面积( c m 2 ) r ：竺 p 一湿周( c m ) p g 一重力加速度( c m s 2 ) ( 5 ) 雷诺数r e ：一v r y 一水的运动粘度 第二种计算方法： ( 1 ) 沉降速度b 一沉淀速度u = 1 2 m m s 时的悬浮物去除百分率，在经过 甜=1lboj2 彳一e ( m m ，s ) 混凝的水中，作沉淀实验得出 b 一彳 彳一沉淀速度z f = o 2 m m s 时的悬浮物去除百分率，在经过 ( 2 ) 沉淀性指数 混凝的水中，作沉淀实验得出 s ：= a b s 一沉淀前水中悬浮物含量( m g h ) ( 3 ) 要求悬浮物玄除百分率 & 一沉淀后水中悬浮物含量( m g h ) e ：墅鱼1 0 0 口一考虑因紊流及池子结构上的缺陷系数，一般采用1 2 s 1 5 ，水量大取大值 ( 4 ) 池长工：口v h ( m ) v 一池内平均水平流速( m m s ) ( 5 ) 池过水断面厂：垒( m 2 ) 日一池内有效水深( m ) q 一设计水量( m 3 s ) ( 6 ) 池竞6 = f h ( m ) u 一沉降速度( m s ) 第三种计算方法： ( 1 ) 池平面积 q 一设计水量( m 3 s ) f ：旦( m 2 ) 风一表面负荷率，在数值上等于”( m s ) a o v 一池内平均水平流速( m m s ) ( 2 ) 池长l = 3 6 v t ( m ) 丁一沉淀时间( h ) ( 3 ) 池宽6 = i f ( m ) 第三章沉淀实验数据的计算机辅助处理 第三章沉淀实验数据的计算机辅助处理 无论是天然水中的泥砂，还是经过混凝过程的水中絮体，都是由许多粒径不 同的颗粒组成。由于水中所含悬浮物的组成十分复杂，颗粒粒径不均匀，形状多 种多样，密度也有差异。因此，常常无法通过理论公式计算沉淀速度和沉淀效率。 当水中悬浮物的浓度不高，足以假定出现自由沉淀现象时，用沉淀柱对水样 进行简单的沉淀实验，便可以获得水的沉淀性质的基础资料，从而为沉淀设备寻 找到合适的设计参数。 通过使用m a t l a b 语言编程计算，对实验数据进行处理，自动绘出沉淀效 率与沉淀速度的关系曲线，为平流式沉淀池设计提供必要的设计参数。 3 1 沉淀的基本理论 3 1 1 沉淀的基本类型 沉淀是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。当悬浮物的密 度大于水时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物【4 4 1 。根据水中悬浮物的密度、 浓度及凝聚性，沉淀可分为四种基本类型【4 5 l 。如图3 1 所示。 图3 1 根据s s 含量和颗粒特性区分的四种沉淀现象 1 6 第三章沉淀实验数据的计算机辅助处理 ( 1 ) 自由沉淀 自由沉淀也称为离散沉淀。颗粒在沉淀过程中呈离散状态，互不干扰，其形 状、尺寸、密度等均不改变，f 沉速度恒定不变。悬浮物浓度不高且无絮凝时常 发生这类沉淀。平流式沉淀池的沉淀过程即为典型的自由沉淀，沉淀效果由原水 的水平流速和停留时间决定。 ( 2 ) 絮凝沉淀 当水中悬浮物浓度不高，但有絮凝性时，会发生絮凝沉淀。在沉淀过程中， 颗粒互相凝聚，其粒径和质量增大，沉淀速度加快。初次沉淀池中的颗粒在经过 短暂的自由沉淀之后，即转变为絮凝沉淀。 ( 3 ) 成层沉淀 成层沉淀也称为拥挤沉淀。悬浮物浓度较高，每个颗粒下沉都受到周围其他 颗粒的干扰，颗粒互相牵扯形成网状的“絮毯”整体下沉。在颗粒群与澄清水层 之间存在明显的界面，沉淀速度就是界面下移的速度。 ( 4 ) 压缩沉淀 压缩沉淀也称为污泥的浓缩。当悬浮物浓度很高，颗粒互相接触，互相支承 时，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间的水被挤出来，污泥层被压缩。 3 1 2 自由沉淀理论 自由沉淀有两个含义，一是颗粒沉淀时不受容器壁的干扰影响；二是颗粒沉 淀时不受其他颗粒的影响。一般认为，如果颗粒距容器壁的距离大于5 0 d ( d 为 颗粒的直径) 时就不会受容器壁的干扰；当泥砂浓度小于5 0 0 0 m g l 时，颗粒之 间就不至于互相干扰。 由于水中所含颗粒物的大小、形状和性质都是十分复杂的，因而影响颗粒沉 淀的因素很多。为了简化讨论，常常做如下的假定。 ( 1 ) 颗粒的外形为球形，不可压缩，也没有絮凝性； ( 2 ) 颗粒在沉淀的过程中，其大小、形状和重量等均不发生变化； ( 3 ) 水处于静止状态； ( 4 ) 颗粒沉淀仅受自身重力和水的阻力作用。 静水中悬浮颗粒开始沉淀时，受到重力作用而产生加速运动，但同时水的阻 力也增大。经过一个很短时间后，颗粒在水中的有效重量与阻力达到平衡，此后 则做等速下沉运动1 4 6 1 。等速沉淀的速度被称为沉淀末速度，简称沉速。 由于实际原水中所含悬浮物的组成十分复杂，性质多变，常常无法采用理论 公式来计算沉淀速度和沉淀效率，因此，只能通过沉淀实验来寻找沉淀设备的设 计参数。 1 7 第三章沉淀实验数据的计算机辅助处理 3 2 沉淀实验 由于水中所含悬浮物的密度、浓度及凝聚性存在差异。因此，为了获得水的 沉淀性质而进行的沉淀实验也有所不同，主要可以分为自由沉淀实验和絮凝沉淀 实验两种类型。 3 2 1 自由沉淀实验 颗粒自由沉淀实验是研究浓度较稀时的单颗粒的沉淀规律。一般通过沉淀柱 静沉实验，获取颗粒沉淀曲线。它不仅具有理论指导意义，而且也是给排水处理 工程中沉淀池设计的重要依据。 浓度较稀的、粒状颗粒的沉淀属于自由沉淀，其特点是静沉过程中颗粒互不 干扰、等速下沉，其沉速在层流符合s t o k e s ( 斯笃克斯) 公式。 但由于水中颗粒的复杂性，颗粒粒径、颗粒比重很难或无法准确地测定，因 而沉淀效果、特性无法通过公式求得而是通过静沉实验确定。 由于自由沉淀时颗粒等速下沉，下沉速度与沉淀高度无关，因而自由沉淀可 以在一般沉淀柱内进行，但其直径应足够大，一般应使d 1 0 0 m m 以免颗