水质工程学第四章-沉淀

第四章沉淀,内容：4.1杂质颗粒在静水中的沉降4.2平流沉淀池4.3斜板、斜管沉淀池4.4澄清池4.5水中造粒4.6辐流沉淀池4.7气浮重点：沉淀基本理论/理想沉淀池理论沉淀池的沉淀类型及计算难点：沉淀基本理论及计算,4.0沉淀原理利用颗粒与水的密度之差,比重1，下沉比重1，上浮沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒。给水处理沉砂池，混凝沉淀，高浊预沉废水处理沉砂池（去除无机物）初沉池（去除悬浮有机物）二沉池（活性污泥与水分离）,（1）自由沉淀(DiscreteSettling)：悬浮物质浓度不高；颗粒之间互不碰撞，呈离散状态；沉速不变，各自独立完成沉淀过程；（2）絮凝沉淀(FlocculentSettling)：悬浮物质浓度为50-500mg/L；颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用；颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速不断加快,（3）区域沉淀（成层/拥挤沉淀）(ZoneSettling)：悬浮物质浓度500mg/L；相邻颗粒之间互相妨碍、干扰；沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒各自保持相对位置不变颗粒群结合成一个整体向下沉淀形成清晰的液固界面，沉淀显示为界面下沉（4）压缩沉淀(CompressionSettling)：颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩；活性污泥在二沉池中的沉淀具备上述四种类型的沉淀过程；,4.1.1杂质颗粒在静水中的自由沉淀假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力与浮力之差为：（4-1)所受到的水的阻力：（4-2)CD为阻力系数，与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。根据牛顿第二定律可知：（4-3)达到平衡时，加速度(（3-3）左边)为零，得沉速公式：（4-4）,阻力系数是雷诺数的函数,当Re1时：呈层流状态（4-5)斯托克斯公式：（4-6)应用：被去除的颗粒沉速远小于0.1mm泥砂沉速，即7mm/s,此时属于层流，沉速与粒径平方、颗粒与水的密度差成正比，与粘度系数成反比,2.牛顿公式当1000Re25000时，呈紊流状态，接近于常数0.4代入（3-5）得牛顿公式：（3-7）3.阿兰公式当1Re1000时，属于过渡区，CD近似为（3-8）代入得：（3-9）,4.1.2悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀,水中有大量颗粒物在有限的水体中沉降时，由于颗粒相互之间会产生影响，致使颗粒沉降速度较自由沉淀小，称为拥挤沉淀。,称为沉速减低系数，1，一般认为，其仅与颗粒体积浓度Cv有关。,对于非絮凝沉淀：,Cv为颗粒物体积浓度，n为指数，m=1-Cv,对于絮凝沉淀：,K为系数，此式在Cv=025%范围适用，当体积浓度再大时，絮凝颗粒会相互连接成网状构造。从而使=f（Cv）的关系破坏。,在较高的颗粒体积浓度和粒径分布比较均匀的情况下，拥挤沉降过程中会出现上部的澄清水和下部浑水之间出现明显的界面，这种现象称为界面沉降（成层沉淀）,沉降过程分析：沉淀筒分为清水、等浓度、过渡、淤积层等4区,界面沉降外观现象和沉淀过程分析基本特征：水沉降过程中出现清浑交界面（浊液面），整个过程就是界面下沉过程.清水区：浓度很小；（增加）等浓度区：浓度均匀；大小颗粒不同；大小颗粒互相干扰，由于大颗粒沉速变慢、小颗粒变快，形成等速下沉现象变浓度区：等浓度区和压实区的过渡区。淤积层：沉速很小，浓度很大。（增加）临界沉降点：界面沉降速率开始减小。,沉淀开始t=0，浑液面从水面开始沉降，浑液面起始高度为H0，于t时刻沉降到H的位置，则浑液面的沉速为：,高浊度的水、澄清池中的悬浮泥渣层沉降，污水活性污泥沉降和浓缩都会出现界面沉降。,4.2平流沉淀池4.2.1理想沉淀池理论理想沉淀池的基本假设：颗粒处于自由沉淀状态。颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。在沉淀池的进口区域，水流的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面面上。,当颗粒沉速uu0时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上图中的迹线xy与xy。当颗粒沉速u10，每格宽度应在38m不宜大于15m。,总结,平流沉淀池的构造及工作特点,4)存泥区及排泥措施泥斗排泥：靠静水压力1.52.0m，下设有排泥管，多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时采用）穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度以便放空。机械排泥(效率高,多选用)：带刮泥机，池底需要一定坡度，适用于3m以上虹吸水头的沉淀池，当沉淀池为半地下式时，用泥泵抽吸。还有一种单口扫描式吸泥机，无需成排的吸口和吸管装置。沿着横向往复行走吸泥。,影响平流式沉淀池沉淀效果的因素1.沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响主要为短流的影响，产生的原因有：(1)进水的惯性作用；(2)出水堰产生的水流抽吸；(3)较冷或较重的进水产生的异重流；(4)风浪引起的短流；(5)池内存在的导流壁和刮泥设施等2.凝聚作用的影响。实际沉淀时间和水深所产生的絮凝过程均影响了沉淀效果，实际沉淀池也就偏离了理想沉淀池的假定条件。,3.沉淀区有效容积V1或4.沉淀池长度L式中：v最大设计流量时的水平流速,mm/s；。5.沉淀池总宽度B,平流式沉淀池的设计,7.污泥区容积对于生活污水，污泥区的总容积V：式中：S每人每日的污泥量，N设计人口数，人；T污泥贮存时间，d。,平流式沉淀池的设计,平流式沉淀池的设计,9.污泥斗的容积V1式中:S1污泥斗的上口面积,m2；S2污泥斗的下口面积，m2。10.污泥斗以上梯形部分污泥容积V2式中：L1梯形上底边长,m；L2梯形下底边长，m。,沉速公式及使用条件,h1,B,0,t,A,t,自由沉淀的静水试验,h,取样口,直径100mm；高度15002000mm沉淀筒,自由沉淀颗粒去除率1.T=0,水中悬浮颗粒在整个水深中均匀分布,悬浮固体浓度为C0，去除率为0;2.随着时间的推移，在t1、t2、t*、tn等时刻取样，分别测得悬浮固体浓度为C1、C2、C*、Cn。3.那么在t1、t2、t*、tn等时刻，沉速分别为h/t1=V1;h/t2=v2;h/t*=v*;h/tn=vn；4.令p1、p2p*pn表示水中的悬浮物浓度占原有悬浮物浓度C0的比值，称为剩余量，即：P1=C1/C0;P2=C2/C0P*=C*/C0Pn=Cn/C0相应的去除量为：1-P1、1-P21-P*1-Pn,取样口水样中的残余悬浮物浓度与沉速关系,v=h/t,1P*,以沉速为v分析整个水样中悬浮物的去除量：1.t*时刻，沉速大于v的颗粒在取样口上部的整个高度h中被100去除了，这些颗粒的去除量为：1P*2.沉速小于v的颗粒Vn2，由于颗粒当时所处的位置不同，因此，在取样口上部的整个水样高度h中还残存一部分，以沉速Vn2的颗粒为例，在沉淀时间t内的下沉距离为hn-2=t*Vn2，在hn-2的距离内不含Vn2这些颗粒了，Vn2的颗粒去除率为：所有沉速小于V*的颗粒去除率：总去除率：1P*+,4.2.2非凝聚性颗粒的沉淀实验分析非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验用一圆筒进行。在圆筒水面h处开一个取样口，要求颗粒在在水中均匀分布，浓度为C0；然后在分别在t1,、t2、tn时取样，分别测得浓度为C1、C2、Cn,对应的沉速分别为/t1=u1、h/t2=u2、h/tn=un。设p1、p2、pn分别代表C1/C0、C2/C0、Cn/C0，则1-pi表示所有速度大于等于ui的颗粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的颗粒所占的比例。具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为p1-p2。,4.2.3凝聚性颗粒的沉淀实验分析1.实验方法采取沉淀试验筒，筒长尽量接近实际沉淀池的深度，可采用23m,直径不小于100mm，设56个取样口。先均匀搅拌测定初始浓度，然后试验，每隔一段时间，取出各取样口的水测定悬浮物的浓度，计算相应的去除百分数。以沉淀筒高度h为纵坐标，沉淀时间t为横坐标把去除百分比相同的各点连成光滑曲线，称为“去除百分数等值线”.含义：对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的颗粒的最远沉降途径，深度与时间的比值指明去除百分数时的颗粒的最小平均沉速。,2.计算对于某一表面负荷而言，根据凝聚性颗粒去除百分数等值线，可以得出总的