化学及物理化学处理工艺原理.doc

第二篇 物理、化学及物理化学处理工艺原理+第三章重力沉降法第一节概述在重力作用下，使悬浮液中密度大于水的悬浮固体下沉，从而与水分离的水处理方法，称为重力沉降法。重力沉降法的去除对象，主要是悬浮液中粒径在um以上的可沉固体，即在h左右的自然沉降时间内能从水中分离出去的悬浮固体。 按照处理目的不同，重力沉降法可分为以获得澄清水位目的的沉淀（当悬浮物为絮凝产物时习称为澄清）和以获得高浓度污泥为目的的浓缩。它既可以作为唯一的处理工序，用于只含悬浮固体的废水处理，也可以作为处理系统中的某一工序，于其它处理单元配合使用。 根据水中悬浮固体浓度的高低、固体颗粒絮凝性能（即彼此粘结、团聚的能力）的强弱，沉降可分为以下四种类型。 1.自由沉降自由沉降也称为离散沉降。这是一种非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉降。由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。固体颗粒在沉沙池及初次沉淀池内的初期沉降就属于这种类型。 2.絮凝沉降这是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉降。虽然悬浮固体浓度也不高，但颗粒在沉降过程中接触碰撞时能互相聚集为较大的絮体，因而颗粒粒径和沉降速度随沉降时间的延续而增大。颗粒在初次沉降池内的后期沉降及生化处理中污泥在二次沉淀池内的初期沉降，就属于这种类型。 3.成层沉降成层沉降也称集团沉降、区域沉降或拥挤沉降。这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较高浓度悬浮液中的沉降。由于悬浮固体浓度较高，颗粒彼此靠的很近，吸附力将促使所有颗粒聚集为一个整体，但各自保持不变的相对位置共同下沉。此时，水于颗粒群体之间形成一个清晰的泥水界面，沉降过程就是这个界面随沉降历时下移的过程。生化处理中污泥在二次沉淀池内的后期沉降和在浓缩池内的初期沉降就属于这种类型。 4.压缩（沉降）当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之间便互相接触，彼此上下支承。在上下颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。生化污泥在二次沉淀池和浓缩池内的浓缩过程就属于这种类型。 第二节 离散颗粒的沉降规律离散颗粒的沉降规律，可分为单独颗粒的沉降规律和群体颗粒的的沉降规律两种情况来讨论。 一、单独颗粒的沉降规律 单独颗粒在稀悬浮液中的沉降，不受周围颗粒的影响，其沉降速度仅仅是液体性质及颗粒本身特性的函数。任何一个在静水中的固体颗粒，都受到两种基本力的作用，即重力Fg和浮力Ff。颗粒在水中的有效重量FS为两种力之差，即： （3-1） 式中 Vs-颗粒体积； s和l-分别为颗粒和水的密度； g-重力加速度。 当sl时，FgFf,颗粒便在合力（Fg-Ff）的作用下作加速下沉运动。这时，颗粒便受到第三种力，即水的阻力的作用。根据因次分析和试验验证，阻力Fd可按下式计算： （3-2） 式中 Cd-牛顿无因次阻力系数； As-颗粒在垂直于运动方向上的投影面积； us-颗粒的沉降速度。 颗粒在下沉运动过程中，净重Fs不变，而阻力则随沉速us的平方增大。因此，经过某一短暂时刻后，Fd便增大到与Fs相平衡，即Fd=Fs。此时，颗粒的加速度变为零，沉速us变为常数。由此可得颗粒自由沉降的沉降速度表达式为： （3-3） 设颗粒是直径为ds的球型颗粒，则有（Vs/As）=2ds/3，其中Vs为颗粒体积。代入公式（3-3），可得： （3-4） 此式称为牛顿定律，us称为离散颗粒的稳定沉降速度或最终沉降速度。阻力系数CD是颗粒沉降时周围液体绕流的雷诺数Re的函数，二者的关系如图3-2。依据Re值的大小，图面可分为层流区（斯托克斯区）、过渡流区（艾伦区）和紊流区（牛顿区）三个区域。在层流区和紊流区，CD与Re呈线形关系，在过渡区则呈指数函数关系。概括起来，可用通式表示为： （3-5） 式中 K、n-与Re值及颗粒形状有关的因数。 球型颗粒沉降的K、n值及其相应的CD-Re关系如表3-1。表3-1 球形颗粒的K、n值及相应的CD-Re关系Re绕流流态区域KnCDRe2层流区241.0CD=24/Re2Re500过度区100.5CD=10/Re0.5500Re105紊流区0.40.0CD=0.4将上表中的阻力系数CD的计算式和雷诺数Re的表达式Re=dsusl/=dsus/v代入公式（3-4），即可得到固体颗粒在三种绕流流态区域的稳定沉降速度表达式，即： 在Re2的层流区 （3-6） 式中、v-分别为液体的动力粘度和运动粘度； Ss-固体颗粒比重。 在2Re105的过度流区 （3-7） 在500Re105的紊流区 （3-8） 公式（3-6）、（3-7）和（3-8）分别称为斯托克斯公式、艾伦公式和牛顿公式。 虽然上述公式推导中的假设条件与实际有较大差异，不能直接用于固体颗粒沉降速度的计算，但这些公式却揭示了各有关因素对沉降速度影响的一般规律，从而为强化沉降过程提供了理论依据。这些规律主要有： （1）在三种绕流流态区域内，颗粒速度与颗粒直径de即固、液密度差（s-l）的不同次方成正比，与液体粘度和密度l的不同次方成反比。因此，增大颗粒粒径和密度，适当提高水温，都有助于增大颗粒沉速。颗粒沉降速度与颗粒直径及比重的关系见图3-3。显示图片 （2）当sl时， us为负值，颗粒上浮，us为上浮速度。因此,沉降理论也适用于上浮过程。当s=l时，us=0，颗粒既不下沉，也不上浮，此时不能用重力沉降和自然上浮法去除。 二、 群体颗粒的沉降速度 群体颗粒，实质某一体积悬浮液中具有某一粒径的单个颗粒的集合。设群体颗粒中单个颗粒的直径为ds,密度为s，比重为Ss，周围液体的密度为l ，颗粒群体的空隙率为，则根据群体颗粒达到稳定沉降速度us时所受净重力与所受阻力相平衡的原理，可得阻力系数为： (3-9) 式中f()-考虑周围颗粒对群体颗粒所受阻力的影响而加的修正系数。 斯坦诺（Steinour）根据试验，得出f()与Ss之间的经验关系式为f()=10-1.82（1-Ss）。 将f()和Ss关系式及层流、过渡流和紊流流态下的阻力系数表达式Cd=24/Re、Cd=10/Re0.5和Cd0.4分别代入公式（3-9），即可得群体颗粒在三种流态区域的沉降速度表达式为 （层流区） （3-10） （过渡流区） （3-11） （紊流区） （3-12） 比较单独颗粒和群体颗粒的沉速表达式可见，在相同流态下表达式的形式、因此和系数都基本相同，只不过在群体颗粒沉降公式推导中，由于考虑了空隙率和周围颗粒对其所受净重力和阻力的影响，因而依不同的绕流流态出现了的不同方次。 第三节 沉降试验和沉降曲线 水中的悬浮固体并非单一均匀的球形颗粒，而是大小、形状和密度各不相同的颗粒群，其浓度和絮凝性能也依水质类型和不同来源而异。因此，在实际应用中通常需要通过沉降试验来判定其沉降性能，并按试验数据绘制沉降曲线。 沉降曲线是在直角坐标上表示沉降效率与沉降时间或沉降效率与沉降速度之间关系的曲线。在进行沉淀池的设计计算时，需要根据要求达到的沉降效率，在沉降曲线查得相应的沉降时间和沉降速度这两个基本设计参数，因此，沉降曲线是沉淀池设计的基本依据。 一、自由沉降试验及其沉降曲线 自由沉降适用于悬浮固体浓度较低，且为非絮凝性或弱絮凝性的水质状况。试验是在设有一个取样口的透明沉降柱中进行的。柱的内径为100mm，有效高度为1.52.0m。取样口可设在工作水深为H的低部（图3-4（a），也可设在H/2的中部（图3-4（b），二者分别称为底部取样和中部取样。目前趋向于采用中点取样法，这是因为：随着沉降时间的延长，沉降柱内的悬浮固体浓度势必形成上稀下浓的线形不均匀分布态势，而我们要测定得失沉降柱内整个水层的残留SS浓度，用H/2处的SS浓度代表柱内的SS平均浓度，能减小采用底部取样带来的沉降效率的负偏差。显示图片 沉降试验及沉降曲线绘制的方法如下： （1）将水样在试验装置内循环搅拌均匀后，从取样口取两份100mL水样，用重量法测定初始SS浓度C0； （2）将柱内水位迅速调整至溢流口处，开始记时； （3）当累计沉降历时为t1、t2、t3tn(常取5、10、30、60、90和120min) 时，各取100mL水样两份，用来测定对应沉降时间的残留SS浓度C1、C2、C3Cn，同时记录各次取样后的水面累计下降高度h1、h2、h3hn-1； （4）列表计算与各沉降时间对应的沉降效率E； （5）在标准计算纸上绘制E-t和E-u沉降曲线。 目前常用的沉降试验数据处理方法有两种：一种是常规计算法，另一种是Camp图解积分法。前者计算简单，但误差较大，得到的E-t和E-u曲线；后者比较复杂，但结果精确，得到的是ET-t和ET-u曲线。 （一） 常规计算法 （1） 由沉降时间t(h)和对应的工作水深H（m）,按公式u=H/t计算 沉降速度u(m/h)式中的工作水深H是指由水面到柱底零断面的实际高度，而与取样口位置无关。 工作水深随沉降历时的变化情况如图3-5。由图可见，在t0,tn区间内，H随t呈跳跃式的不连续变化。如忽略t0,ti范围内所经历的各次水深变化，则工作水深可按下式近似计算： （3-13） （2）按下式计算各沉降时间的沉降效率E（%）： （3-14） （3）根据沉降时间t及对应的u、E数据，绘制如图3-6中的E-t和E-u曲线。显示图片 （二）图解积分法 这种方法的基本依据是：对于一个指定的沉降时间t，可由u=H/t求得相应得沉降速度u0。对于具有沉速uu0的固体颗粒，在t时间内能全部被除去；对于沉速uU0的颗粒，则只能部分被除去。总沉降效率ET为上述两种颗粒的去除率之和。u0的颗粒，则只能部分被除去。总沉降效率ET为上述两种颗粒的去除率之和。 如以p0表示沉速uu0U0的颗粒量占SS总量的分率，则因UU0而被除去的颗粒量占SS总量的分率即为（1-P0）。以DP表示Uu0的颗粒在t时间内的下沉距离，h的颗粒量占SS总量的分率，则因uu0而被除去的颗粒量占SS分量的分率即为(1-p0)。以dp表示uu0U0的颗粒量占SS总量的分率，则因UU0而被除去的颗粒量占SS总量的分率即为（1-P0）。以DP表示Uu0的颗粒在t时间内的下沉距离，h的颗粒中某一微小粒径范围的颗粒占SS总量的分率，其中被除去的部分占u/u0（或h/H，h为uu0U0的颗粒量占SS总量的分率，则因UU0而被除去的颗粒量占SS总量的分率即为（1-P0）。以DP表示Uu0的颗粒在t时间内的下沉距离，h的颗粒在t时间内的下沉距离，hH），则这种粒径范围的颗粒中能被除去的部分占SS总量的分率即为u/u0dp。当考虑的粒径范围由某一微小值扩展到整个uu0U0的颗粒量占SS总量的分率，则因UU0而被除去的颗粒量占SS总量的分率即为（1-P0）。以DP表示Uu0的颗粒在t时间内的下沉距离，h的颗粒群体时，它们所占SS总量的分率由0增大到p0，其中能被除去的部分占SS总量的分率U0的颗粒量占SS总量的分率，则因UU0而被除去的颗粒量占SS总量的分率即为（1-P0）。以DP表示Uu0的颗粒在t时间内的下沉距离，h即为 。这样，在t时间内悬浮固体的总沉降效率E%为： （3-15） 若以有限之和udp代替积分项中的 ，则上式可改写为： （3-16） 比较公式（3-16）和（3-14），E只包括uu0的固体颗粒的去除率，即公式（3-16）中的（1-P0），所以EET。反映在图3-6的沉降曲线上是E-t和E-u曲线分别位于ET-t和ET-u曲线的下方。ET0反应在图3-6的沉降曲线上是E-T和E-U曲线分别位于ET-T和ET-U曲线的下方。图解积分法的原理和方法如下： （1）按p=C/C0和u=H/t计算与一系列沉降时间t对应的p值和u值。以p对u作图，得到图3-7所示的沉速分布曲线p=f(u)。公式（3-16）中的udp是图上f(u)曲线与纵轴之间的一小块微小面积，而 (或udp )则是某一p0水平线以下阴影部分的曲边三角形的面积，其值可用图解积分法求取。显示图片 （2）图解积分法的实质，是把图中曲边三角形划分为若干个曲边梯形，再把每个曲边梯形转换为等面积的矩形，所有矩形面积之和udp即为 。为求udp值（如图3-8所示），由横轴上按H/t求得的各u0值分点作垂线，再由垂线与f(u)曲线的各点作水平线，由两相邻水平线在纵轴上的截距之差即为dp值。然后，由两相邻u0分点间的适当位置作横轴的垂线，将每个曲边梯形转换为等面积的矩形，各垂线的横坐标即为矩形的长u。在求与各t值对应的udp值时，只需由小到大依次增加一个矩形面积udp即可。显示图片 （3）按公式（3-16）计算与各t值对应的ET值，并按t、u和ET数据绘制ET-T和ET-u曲线（图3-6）。 例3-1用有效水深为1.5m的沉降柱对某离散型工业废水作静置沉降试验，取得表3-2所列的数据。试求u0=2.8m/min时的ET值是多少？ 表3-2 自由沉降实验数据表沉降时间t(min)0.51.02.55.06.810沉降速度u(m/min)3.01.500.600.300.220.15P值(即C/C0)0.551.460.330.210.110.03解据表3-2数据，作出图3-9所示的沉速分布曲线。由图查出，当u0=2.8m/min时，p0=0.544,即有54.4%的固体颗粒沉速小于u0。其中能被除去的部分占SS总量的分率 用图解积分法求取。为此进行图解，并列计算表如下。 dp10.100.120.130.084u0.150.250.430.952.0udp0.01650.0250.0510.1240.168udp0.01650.04150.09250.2170.385按公式（3-16）计算总沉降效率ET： 二、絮凝沉降试验及其沉降曲线 在絮凝沉降中，固体颗粒的形状、大小和密度都不断变化。沉降柱内SS浓度上稀下浓的不均匀分布，不仅由颗粒从上向下的浓度造成，而且由颗粒直径不断增大二产生的加速下沉运动造成，从而时SS浓度随水深的变化呈非线形分布。因此絮凝沉降试验要采用多点取样，沉降曲线的绘制也不同与自由沉降。 多点取样沉降柱为如图3-10所示的透明筒体，内径为140150mm有效高度为2.02.5m，柱体一侧设有45个取样口，两相邻取样口的间距为500mm。显示图片 多点取样的试验步骤与单点取样基本相同，只是用以测定原始SS浓度C0的水样是由中间取样口采集；沉降开始后每隔510min，同时从各取样口取相同体积的水样两份，用来测定不同时间不同水深处的残留SS浓度C0对试验数据进行处理，即可绘制不同水深处的E-t曲线和SS等去除率曲线，并按下式计算指定水深H处不同沉降时间的SS总沉降效率ET（%）： （3-17） 或 （3-18） 式中Et时间内水深H处沉速uu0的去除率； Ei不同水深处uu0的SS去除率增量； hi-不同去除率增量之间的平均水深； ui-水深hi处的颗粒沉速； u0-水深H处的颗粒沉速。 公式（3-18）实际上是公式（3-15）的近似式。式中的Et相当于（1-P0），而积分式中 则是用有限项的总和 来代替。 E值分得愈小， 就愈趋近于。 例3-2已知某种废水中絮凝性悬浮固体浓度为430mg/L。通过絮凝沉降试验，取得了表3-3所列的结果。试计算沉降时间为40min,水深1.5m处的SS总沉降效率ET。 解ET值的计算按以下方法分布进行。 （1）按E=(C0-C)/C0*100计算不同水深处各沉降时间的SS去除率Ei，其结果列于表3-4。 表3-3 多点取样沉降实验数据不同水深处的残留SS浓度(mg/L)0.5m1.0m1.5m5356.9387.0395.610309.6346.2365.520251.6298.9316.130197.8253.7288.140163.4230.1251.650144.1195.7232.260116.1178.5204.375107.5143.2180.6表3-4 不同水深处沉降时间的SS去除率沉降时间(min)Et(%)0.5m1.0m1.5m517.710.08.01028.819.515.02041.530.526.53054.041.033.04062.046.541.55066.554.546.06073.058.552.57575.066.758.0(2)根据表3-3数据，绘制不同水深的SS去除率与沉降时间的关系曲线如图3-11。 （3）绘制SS的等去除率曲线，其步骤是：在图3-11的三条曲线上查出与某些特定去除率（如5%、10%、20%70%）相对应的沉降时间，结果列于表3-5。然后，再以时间为横轴、以水深为纵轴的直角坐标系的0.5、1.0和1.5m三条等深线上点绘出各沉降时间所对应的SS去除率。将去除率相同的点依次连接起来，就得到图3-12所示的等去除率曲线。表3-5 在不同水深处达到某些特定去除率的沉降时间沉降时间沉 降 时 间 (min)0.5m1.0m1.5m51.22.02.5102.54.05.5206.710.514.03011.719.025.04018.030.038.55027.044.056.56028.561.581.57555.087.5（4）由等去除率曲线和公式（3-17）求图ET值。由图3-12可见，在t=40min时，水深1.5m处有40%的SS因沉速uu0而能被完全除去，即Et=40%。沉速uu0的颗粒去除率按 计算。为此，在图3-12上用内插法绘出45、55、65和85%4条中间去除率曲线，它们在40min等时线分别交于a、b、c、d4点，这4点的水深（即hi）及相应的Ei值如表3-6。据此，即可计算SS总沉降效率ET： =57.80(%) 对于其它沉降时间，也可用同样的方法求得相应的ET值。最后，绘制与图3-6形式相同的ET-t和ET-u曲线，作为澄清池设计或校核的基础资料使用。 表3-6 40min等时线与中间去除率曲线交点的hi和Ei值交点交点水深hi(m)SS去除率范围（%）Ei(%)a1.125405010b0.680506010c0.410607010d0.1507010030第四节 理想沉淀池进行重力沉降分离的构筑物称为沉淀池。为了分析固体颗粒在沉淀池内的运动规律及其分离效果，哈增（Hazen）和坎普（Camp）提出了理想沉淀池的概念。理想沉淀池的假设条件是：（1）在沉淀池内各过流断面的所有点上，水都以流速v作水平流动；（2）进水中的悬浮固体颗粒沿水深呈均匀分布，其水平分速等于水速v，并以竖直分速u匀速下沉；（3）颗粒已经沉到池底即被除去而不在重新浮起。图3-13是理想沉淀池的示意图。按功能的不同，整个沉淀池可分为入流区、沉降区、出流区和污泥区4个部分。其中沉降区的长、宽、深分别为L、B和H。根据上诉假设，固体颗粒随水流进入沉降区后，其运动轨迹为斜率等于u/v的直线。为了完全分离沉速为u0的颗粒，就必须使从水面上o点入流的这种颗粒在池内运动了水平距离L后到达沉降区的端点x,其运动轨迹为直线ox。此时由图中三角形相似关系，可得u0/v=H/L。对于uu0的颗粒，有u/vH/L，其运动轨迹为斜率等于和大于ox的直线，因而能全部被除去，沉降效率等于公式（3-15）中的(1-p0)100(%)。对于uu0的颗粒，如果是从o点入流,则其运动轨迹为斜率小于u0/v的斜线ox，它们在沉到池底前就被水流带出沉淀池，因而不能被除去。如果由x点作ox的平行线，交入流断面于o，设o的水深为h，则有u/vh/L。因此，从o点及其以下入流的uu0的颗粒能被完全除去。显然，这种颗粒中能被除去的部分占其总量的分率等于h/H或u/u0，其沉降效率为公式(3-15)中的 。上述两种固体颗粒的总沉降效率为 。可见，在静置沉降中得到的沉降规律也适用于理想沉淀池。对于絮凝沉降，由于在沉降过程中颗粒之间发生相互聚集，因而竖直分速u随运动距离的延长而增大，其运动轨迹呈图3-13中点划线所示的下垂曲线，沉降效率仍按公式（3-15）计算。如果沉淀池沉降区的表面积为A，处理水量为Q，则有： (3-19)上式中的Q/A是沉淀池设计的一个重要参数，称为表面负荷或表面溢流率，以q0表示，其单位是m3/m2h。由公式可知：（1）表面负荷q0在数值上等于从a点入流，到c点除去的那种颗粒的沉速u0，因而由E-u曲线上查到与某一E值对应的u0值后，即可按A=Q/q0计算沉降区的表面积。（2）表面负荷q0值愈小，沉速uu0的颗粒占SS总量的分率愈大，沉速uu0中能被除去的分率也愈大，总沉降效率ET也就愈高。（3）在离散型沉降中，与表面负荷紧密相关的沉降效率仅仅是沉降区表面积的函数，而与水深无关。当沉降区容积一定时，水深愈浅，则表面积愈大。据此，产生了“浅层沉降”的应用。在实际沉淀池中，理想沉淀池的假设条件都不存在。除了颗粒沉速这个基本因素外，温度差引起的对流，密度差引起的异重流，池内死角和水与池壁摩擦引起的滞流，风力和水力搅动以及配水、集水装置不可能绝对合理等引起的短路流和紊流，都会造成池内水流和水中固体颗粒在三维空间作局部或整体的不规则运动。这些因素的不利影响是：固体颗粒的沉速降低，并导致(1-p0)和u/u0都减小；水流水平分速v可能超过颗粒冲起速度vc，使已沉降的颗粒被重新冲起。二者的综合效果是只有采用比理想条件更长的沉降时间和更小的表面负荷，才能达到预期的分离效果。因此，将静置沉降曲线用于沉淀池的设计时，常按以下的经验公式确定设计表面负荷q和沉降时间t: 和 （-20）式中 u0、t0分别为由沉降曲线上查得的理论沉降速度和沉降时间。第五节 沉沙池沉沙池一般设置在泵站或沉淀池之前，用以分离废水中比重较大的砂粒、灰渣等无机固体颗粒，使水泵和管道免受磨损和阻塞，同时也减轻沉淀池的无机负荷，使污泥具有良好的流动性，便于排放输送。按照池内水流方向的不同，沉砂池可分为平流式和竖流式两种，其中以平流式应用最为广泛。近年来，曝气沉砂池也得到了推广应用。 一、平流沉砂池 这种沉砂池的构造如图3-14。他的上部过水部分，是一条加宽了的明渠，渠的两端设有控制闸板，池底设有12个倒棱台形的贮砂斗，斗底有带闸阀的排砂管。 平流沉砂池的主要设计参数如下：（1）流量 当废水以自流方式进入时,应取最大小时流量;当用泵送入时，应取工作水泵的最大组合流量。（2）分格数 分格数一般不小于2，并按方式运行。运行格数的多少随实际流量大小而定。（3）流速 应控制在最大流速0.3m/s和最小流速0.15m/s之间，以保证比重较大的无机颗粒下沉，而让有机悬浮物随水流出。(4）停留时间 流量最大时，废水在池内的停留时间不小于30s，一般为3060s。（5）结构尺寸 有效水深一般为0.251.0m，不大于1.2m；超高不小于0.3m；每格宽不小于0.6m；沉砂量依水质不同而异，对城市污水可按每106m3废水产生3m3沉砂考虑，对工业废水需由实验确定。贮砂斗容积一般按2日以内的沉砂量设计，斗壁倾角不小于55；池底以0.010.02的坡度坡向砂斗。平流沉砂池的设计计算要点如下：（1）池长由设计流量下的水平流速和停留时间按确定。（2）过水面积F由设计流量Q和水平流速，按 确定。（3）池子总宽B由过水面积和有效水深h2确定， ；单格宽度b由总宽和分格数n按b=B/n确定。（4）计算沉砂池有效水深h2,确定保护高度h1。（5）核算最小流速（即最小流量时的流速） （m/s）,如 为可行，否则应调整单宽b和水深h2。（6）按下式计算单个贮砂斗容积V1(m3): (3-21)式中Q-沉砂池设计流量，m3/s;X-单位体积废水的沉砂量，m3/m3T-排砂周期，即两次相邻排砂的间隔时间，取12d;K-废水流量变化系数，对生活污水按流量大小取1.21.3，对工业废水按生产工艺确定； n-分格数； m-每格贮砂斗数，一般为2个。确定V1后，可结合单格宽和砂斗壁倾角，进一步确定上、下底宽a1、a2和h3。二、曝气沉砂池 普通沉砂池因池内水流分布不均，流速多变，致使对无机颗粒的选择性截流效率不高，沉砂容易厌氧分解而腐败发臭。曝气沉砂池集曝气和除砂于一身，不但可使沉砂中的有机物降低至5%以下，而且还有预曝气、除臭、除油等多种功能。 曝气沉砂池（图3-15）是一个狭长渠道，沿渠壁一侧的整个长度上设置曝气装置。为增强曝气推动水流回旋的作用，可在曝气器的外侧装设倒流挡板。池底内侧设有集砂斗，池底以0.10.5的坡度破向砂斗。废水进入沉砂池后，在水平和回旋的双重推力作用下，以螺旋形轨迹向前流动。设计合理时，由曝气造成的横向环流有稳定的环流速度，足以保证较重的无机颗粒沉下，而较轻的有机颗粒悬浮于水中，并通过颗粒间的碰撞摩擦和水流的剪切力作用，把附着在砂粒上的有机质淘洗于水中，获得较为洁净的沉渣。显示图片曝气沉砂池的主要设计参数如下：(1)废水在池内的水平流速一般取0.08O.12ms，在过水断面周边的最大旋转线速为0.250.4ms。(2)废水在池内的停留时间取46 min，最大流量时为13min。(3)有效水深取23m，宽深比为(1l.5)：1，长宽比可达5：1。(4)曝气装置多采用穿孔管曝气器，孔径2.56.O mm，曝气管安装于池壁一侧距池底O609m处，曝气量为02m3(空气)/m3(水)或15m3(空气)/m3(池容)h。 曝气沉砂池的设计计算要点如下：(1)总有效容积V(m3)由最大设计流量Q(m3/s)和相应的停留时间t(min)计算。(2)过水断面积F(m2)由Q和相应的水平流速v1(ms)计算。(3)池长L(m)由V和F计算。(4)池总宽B(m)由F和有效水深h2(m)计算。(5)空气需用量qa(m3/h)由Q和1m3废水所需空气量d(m3/m3)确定。第六节普通沉淀池沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池两大类。按照水在池内的总体流向，普通沉淀池又有平流式、竖流式和辐流式三种型式。普通沉淀池可分为入流区、沉降区、出流区、污泥区和缓冲区5个功能区。入流区和出流区的作用是进行配水和集水，使水流均匀地分布在各个过流断面上，为提高容积利用、系数和固体颗粒的沉降提供尽可能稳定的水力条件。沉降区是可沉颗粒与水分离的区域。污泥区是泥渣贮存、浓缩和排放的区域。缓冲层是分隔沉降区和污泥区的水层，防止泥渣受水流冲刷而重新浮起。以上各部分相互联系，构成一个有机整体，以达到设计要求的处理能力和沉降效率。一、平流沉淀池 在平流沉淀池内，水是按水平方向流过沉降区并完成沉降过程的。图3-16是没有链带式刮泥机的平流沉淀池。废水由进水槽经淹没孔口进入池内。在孔口后面设有挡板或穿孔整流墙，用来消能稳流，使进水沿过流断面均匀分布。在沉淀池末端没有溢流堰(或淹没孔口)和集水槽，澄清水溢过堰口，经集水槽排出。在溢流堰前也设有挡板，用以阻隔浮渣，浮渣通过可转动的排演管收集和排除。池体下部靠进水端有泥斗，斗壁倾角为500600，池底以0010，02的坡度坡向泥斗。当刮泥机的链带由电机驱动缓慢转动时，嵌在链带上的刮泥板就将池底的沉泥向前推入泥斗，而位于水面的刮板则将浮渣推向池尾的排渣管。泥斗内设有排泥管，开启排泥阀时，泥渣便在静水压力作用下由排泥管排出池外。链带式刮泥机的缺点是链带的支承和驱动件都浸没于水中，易锈蚀，难保养。为此，可改用桥式行车刮泥机，这种刮泥机不但运行灵活，而且保养维修都比较方便。对于较小的平流沉淀池，也可以不设刮泥设备，而在沿池的长度方向设置多个泥斗，每个泥斗各自单独排泥，既不相互干扰，也有利于保证污泥浓度。沉淀池的设计包括功能构造设计和结构尺寸设计。前者是指确定各功能分区构件的结构形式，以满足各自功能的实现；后者是指确定沉淀池的整体尺寸和各构件的相对位置。设计良好的沉淀池应满足以下三个基本要求；有足够的沉降分离面积：有结构合理的人流相出流放置能均匀布水和集水；有尺寸适宝、性能良好的污泥和浮渣的收集和排放设备。进行沉淀池设计的基本依据是废水流量、水中悬浮固体浓度和性质以及处理后的水质要求。因此，必须确定有关设计参数，其中包括沉降效率、沉降速度(或表面负荷)、沉降时间、水在池内的平均流速以及泥渣容重和含水率等。这些参数一般需要通过试验取得；若无条件，也可根据相似的运行资料，因地制空地选用经验数据。以-萨按功能分区介绍设计和计算方法。 1.入流区和出流区的设计入流和出流区设计的基本要求，是使废水尽可能均匀地分布在沉降区的各个过流断面，既有利于沉降，也使出水中不挟带过多的悬浮物。常用的配水方式如图3-17。紧靠池壁内侧是一条横向配水槽，其后的人流装置可以有三种不同组合。溢流堰的堰口要确保水平；底孔应沿池宽答距离分布且大小相等；为了减弱射流对沉降的干扰，整流墙的开孔率应在1020，孔口的边长或直径应为50150mm，最上一排孔口的上缘应在水面以下0.120.15m处，最下一排的下缘应在泥层以上0.3O.5m处；挡板需高出水面O.15O.2m，淹没深度不小于O.2m，距离进水口0.51.0m。集水槽的布置有图3-18所示的三种基本方式。其中以(a)最为简单，但因长度短，流速大，容易挟带较多的悬浮物；(b)种加设了一组纵向支渠，水力条件最好，但结构较复杂。目前，也有在沉淀池中、后部加设横向中途集水槽的。出流口常采用溢流堰和淹没潜孔。前者可为自由堰，也可为锯齿形三角堰，堰前设置挡板，用以稳流和阻挡浮渣，挡板淹没深度为0.3O.4m，距溢流堰O.25O.5m。出水溢流堰不仅控制着池内水面的高 崖，而且对水流的与勺分布和出入水质古重要影M向，由此堰白必匆严格水平，以征证堰负荷(即单位堰长在单位时间的排水量)适中且各处相等。在采用淹没潜孔时，要求孔径相等，并应沿池子宽度上均匀分布，淹没深度征015-02m。显示图片 2沉降区的设计 沉降区设计的主要内容是确定沉降区的长、览、浇尺寸和沉淀池座数或分格数，其主要内容如下： (1)由设计流量Q(m3h)和表面负荷q(m3m2oh)，按AQq计算沉降区表面积A(m2)。 (2)由与Q对应的水平流速v(mms)和沉降时间t，按L23.6vt计算沉降区长L2(m)。一般取v5mms；t取l.52.0h。 (3)按B2AL2计算池宽B2(m)，并按L2b45的要求得单池或单格宽b(m)的近似尺寸。 (4)由nB2b确定沉淀池座数或分格数n。显然，由于n只能为正整数，而n、B2和b又互相关联，因此在确定n值后，需对b或B2作必要调整，但仍需满足L2b4的要求。此外，在采用机械刮泥时，b值还必须与刮泥机的衍架宽度相匹配。为了便于检修倒换，n值不应小于2，但也不宜过大，以免增大造价。3污泥区的设计污泥斗的容积可由排泥周期内沉降的泥渣量确定。泥渣体积Vw(m3)按下式计算： (3-22)式中Q-废水设计流量，m3h； C和C-分别为进水和出水的SS浓度，mgL； P-泥渣含水率(%)； -泥渣容重，kgm3，当泥渣主要为有机物且含水率在95以上时，可取1000kgm3； T-排泥周期，一般取12d。 对倒正棱台形泥斗，其容积Vd(m3)按下式计算： (3-23) 式中a1和a2-分别为泥斗上、下底边长，m； h4-泥斗高度，m； ，a为泥斗壁烦角，按污泥滑动性取450600。设m为沉淀池的泥斗数，如mVdVw，则能满足要求，否则应增加泥斗数或缩短排泥周期。4沉淀池的整体尺寸 设前、后挡板与进、出水口的距离分别为L1和L3，则沉淀池总长L(m)为： (3-24) 设缓冲层高度为h3，当没有刮泥机时，h3(hm+0.3)，hm为刮泥板高度；不设刮泥机时，h3取O.5m。为了适应冲击负荷的水位变化，有效水深以上应有保护高度h1，常取0.3m。故沉淀池总高H(m)为： (3-25)二、竖流沉淀池 竖流沉淀池多用于小流量废水中絮凝性悬浮固体的分离，池面多呈圆形或正多边形。图3-19为圆形竖流沉淀池的结构示意图，其上部圆筒形部分为沉降区，下部倒圆台部分为污泥区，二者之间有0.3O.5m的缓冲层。沉淀池运行时，废水经进水管进入中心管，由管口出流后，借助反射板的阻挡向四周分布，并沿沉降区断面缓慢竖直上升。沉速大于水速的颗粒下沉到污泥区，澄清水则由周边的溢流堰溢入集水槽排出。溢流堰内侧设有半浸没式挡板来阻止浮渣被水带出。竖流沉淀池的直径一般在48m，最大不超过10m，以1.52.0m的静水压力排泥。为保证水流的竖向运动，池径与沉降区深度之比不宜大于3。如池径大于8m，应增设径向集水槽。竖流沉淀池内，水流水平分速为零，在静水中沉速为us的颗粒在池内的实际沉速为us与水上升流速v的矢量和(us-v)，颗粒被分离的条件为usv，而usv的颗粒始终不能沉底，因而其沉降效率与具有相同表面负荷的平流沉淀池相比减小了 ；即ET=(1-p0) 100()。竖流沉淀池的设计参数如下：(1)表面负荷，按公式(3-20)计算，当无资料时，可按v(O.50.8)mms，即q (2.03.O)m3m2h取用。(2)沉降时间按公式(3-20)求取；当无资料时，可取t(1.02.0)ha。(3)管口不设反射板时，取中心管内流速v00.03ms；设反射板时，v0O.1ms。(4)中心管与反射板之间的流速v1一般不大于0.04ms。(5)中心管及反射板的结构尺寸如图3-20。(6)保护高度取O.30.6m，缓冲层高度取0.3m，泥斗壁倾角取450550。竖流沉淀池的设计计算内容如下： (1)中心管的断面 A1(m2)和直径d(m)由单池流量Qn(m3h)及中心管流速v0(mh)计算，其中Q为废水流量(m3h)，n为池数 (2)由表面负荷q(m3m2h)及单池流量计算沉淀区断面积人A(m2)。(3)由A1和A2计算沉淀池表面积A(m2)和直径D(m)。(4)由上升流速v(mh)和沉降时间t(h)计算沉降区有效水深h2(m)。(5)由中心管出流速度v(mh)和喇叭口直径d1(m)计算喇叭口与反射板问高度h3(m)。 (6)污泥体积Vw的计算同平流沉淀池，污泥斗实际体积Vd(m3)为： (3-26)式中 h5-泥斗圆台部分高度(m)； R和r-分别为圆台上、下底半径(m)。(7)沉淀池总高H(m)按下式计算： (3-27) 式中h1-保护高度，m； h4-缓冲层高度，m。三、辐流沉淀池辐流沉淀池是一种直径较大的圆形池，其结构如图3-21。废水经进水管进入中心布水筒后，通过筒壁上的孔口和外围的环形穿孔整流挡板，沿径向呈辐射状流向池周，经温流堰或淹没孔口汇入集水榴排出。沉于池底的泥渣，由安装于衍架底部的刮板以螺线形轨迹刮入泥斗，再借静压或污泥泵排出。悬浮固体颗粒在辐流沉淀池中的沉降规律如图3-22。由于过流断面由中心向周边不断增大，水平分速逐渐减小，因此其沉降轨迹呈下垂曲线。如没中心筒半径为rl，池半径为R，沉降区水深为H，那么在半径为r的任意点上，颗粒在dt时间内在水平方向和竖直方向上的位移分别为dr=vdt和dH=udt。由于dH/u=dr/v，故颗粒的分离条件为 。将 代入，整理后可得： 或 （3-28）可见，辐流沉淀池中颗粒的分离条件与平流沉淀池相同，总沉降效率仍为 辐流沉淀池的直径一般为2040队最大可达100m。池中心深度为2.55.Om，周边深度为1.53.0m。池底以0.06O.08的坡度坡向泥斗。这种沉淀池的缺点主要是中心进水口处流速较大，且呈紊流，容易影响初期沉降效果。为此，目前已出现了一些新的池型，如回转悬槽配水式和向心辐流式等。辐流沉淀池的表面负荷q和沉降时间t应通过沉降试验确定，对生活污水，q可取2.03.6m3m2h，t取1.52.0h。将效水深h2通常取池半径12处的深度值。池表面积和直径的计算与竖流沉淀池相同；泥渣体积和波斗尺寸的计算与平流沉淀池相同，但排泥周期一般为4h。沉淀池总高H(m)按下式计算： (3-29)式中h1-保护高度，取O3m； h3-缓冲层高度，计算方法同机械刮泥手流沉淀池；h4-泥斗上缘到池半径12处的高度，h4Di4，i为池底坡度；h5-污泥斗高度。第七节 斜板和斜管沉淀池斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理没汁的新型沉淀池。与普通沉淀池比较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。一、浅层沉降原理 设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为L、B和H，表面积为A，处理水量为Q，表面负荷为q0，颗粒沉速为u0，则由公式(3-19)，可得Q=u0A。由此可见，在A一定的条件下，若增大Q，则u0成正比增大，从而使uu0。的颗粒所占分率(1-p0)和uu0的颗粒中能被除去的分率uu0都减小，总沉降效率ET相应降低：反之，要提高沉降效率，则必须减小u0，结果Q成正比减小。以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之间呈此长被落的负相关关系。但是，如果象图3-23那样，将沉降区高度分隔为n层，即n个高度