水质工程学第4章沉淀与澄清3

1、第四章 沉淀与澄清 4-1沉淀理论 4-2沉淀构筑物及其设计 沉淀理论 4.1.1沉淀的功能及基本类型 4.1.2 沉淀试验及沉淀曲线分析 4.1.3 理想沉淀池效率分析 4.1.4 实际沉淀池与理想沉淀池的差别 沉淀的功能与基本类型 一、沉淀和澄清在水处理中的功能 二、沉淀的分类 给水处理中的功能 沉淀分离经混凝过程产生的絮体，常采用 澄清池以得到澄清的出水，是饮用水处理的 一个重要环节，要求浊度20 比浊法测定，将水样和用高岭土配制的浊度标准溶比浊法测定，将水样和用高岭土配制的浊度标准溶 液进行比较侧度不高，并规定一升蒸馏水中含有液进行比较侧度不高，并规定一升蒸馏水中含有1 1 毫克二氧化

2、硅为一个浊度单位，简称毫克二氧化硅为一个浊度单位，简称1 1度。度。 沉淀的分类 根据沉淀物质的性质、絮凝性、浓度分为 四类。 1、自由沉淀(discrete settling) 2、絮凝沉淀（flocculation settling） 3、成层沉淀（zone settling） 4、压缩沉淀（compress settling） 自由沉淀 颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其尺寸、 质量、形状均不改变，下沉不受干扰。 絮凝沉淀 沉淀过程中，颗粒的尺寸、质量随深度增 加而增大，沉速相应提高。 成层沉淀 又叫拥挤沉淀。颗粒在水中的浓度较大， 下沉过程中彼此干扰，形成清水与浑水的明 显界面并逐渐下移。

3、 压缩沉淀 颗粒在水中的浓度增高到颗粒相互接触并 部分地受到压缩物支撑。发生于沉淀池底及 浓缩池中。 沉淀试验与沉淀曲线分析 一、沉淀的基本理论 二、沉淀试验及沉淀曲线分析 雷诺数（Reynolds number） 表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示， Re=vd/， 其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长 度。例如流体流过圆形管道，则d为管道直径。利用ReRe可区分流体 的流动是层流或湍流，也可确定物体在流体中流动所受到的阻力 Re表示作用于流体微团的惯性 力与粘性力之比。 ReRe越小越小意味着粘性力影响越显 著，越大则惯性力影响越显著 沉淀的基本理论 颗粒在水中的沉降

4、速度是颗粒重力与浮力 双重作用的结果，可认为受四个因素的影响： ),( s dfu 1、沉速公式 2、计算示例 沉速公式 通常采用stokes公式描述水中颗粒的自由 沉降（推导从略） 层流区： 2 18 1 gdu s （4-1） 该公式适用于d0.1mm，10-4Re1的情况 沉速公式 过度区： dgu s 3 1 2 2 225 4 （4-2） 该公式适用于0.1d2mm，1Re1000的情 况 沉速公式 紊流区： gdu s 82. 1 （4-3） 该公式适用于1000Re的情况 利用上述公式计算时，可先假定一个Re区， 计算出u后带入Re定义式进行校核，若不符 合假定，则重复上述步骤计

5、算，直至符合为 止。 沉速公式 例：油珠直径为80m，密度为0.8g/cm3，水 温20，计算油珠在水中的上升速度。 解 ： 已 知 d = 0 . 0 0 8 m ， 查 表 2 0 时 =0.0101g/cm3s，带入式（4-1）中（相当于 假定为层流）计算得：u=0.0691cm/s 运动粘滞系数=0.0101cm2/s，带入Re定义式 可得： 10547. 0 ud Re 2 18 1 gdu s 沉淀试验与沉淀曲线分析 作用：用于分析静置沉淀；确定水中悬 浮颗粒的沉降特性 1、自由沉淀试验 2、絮凝沉淀 3、拥挤沉淀（高浓度悬浮液的沉淀试验） 自由沉淀试验 自由沉淀一般采用单筒沉淀柱

6、试验确定悬 浮颗粒的沉降特性。 1）试验装置 2）试验方法 3）沉淀效率的求取 自由沉淀试验 沉淀柱有效水深H， 悬浮物原始浓度为C0。 在时间t1时从水深H处取样测得C1，则认为沉速大于 u u1 1（H/t1）的颗粒均已通过H，残余颗粒必然具有小 于u1的沉速，则沉速小于u1的颗粒与全部颗粒的比例 x x1 1=C=C1 1/C/C0 0。 在时间t2、t3.时重复试验，可得出对应的u2、 u3.和x2、x3.，将这些数据整理可绘出 （粒度分布曲线）。 （粒度分布曲线） 自由沉淀试验 设要求的最小沉速为u0， 则uu0的颗粒在t0时可全部去除， 而uu0的颗粒可部分去除，去除比例为h/H，

7、 h代表在t0时刚好沉到底部的某种颗粒某种颗粒的沉降距离。 000 0 u u tu ut H h （4-4） 故uu0的颗粒在t0内按u/u0的比例去除 自由沉淀试验 t0时间内颗粒的总去除率为： 0 0 0 0 1 1 x udx u x （4-5） 上式中第一项由u0求得，第二项对粒度分布 曲线图解积分求得。 絮凝沉淀试验 1）试验装置 2）试验方法 3）-t曲线，等效沉淀曲线 拥挤沉淀试验 1）形成拥挤沉淀的条件 2）沉淀特征（见图4-1-3） 3）沉淀曲线（界面高度与时间的关系） 4）研究拥挤沉淀的方法 拥挤沉淀试验 浓度：矾花 23g/L 活性污泥 1g/L 泥砂 5g/L 颗粒间

8、的粒度差异：dmax/dmin6 拥挤沉淀试验 分为四个层：澄清液层、受阻沉降层、 过度层、压缩层 清水与固体有清晰界面，该界面等速 下降 压缩区内部自上而下，沉速递减 沉淀过程中，清水区高度不断增加 A澄清液层、B受阻沉降层、C过渡层、D压缩层 拥挤沉淀试验 利用沉淀过程线分析：Kynch法、Fitch 法 建立沉速浓度函数关系v=f（C） （多筒试验）：固体通量法、吉冈法 一、基本假定 二、推导 三、公式的物理意义 理想沉淀池效率分析 基本假定 a水在池内沿水平方向水平方向作等速流动，水平流 速为v，从入口到出口的流动时间为t； b在入流区，颗粒沿截面均匀分布均匀分布并处于自 由沉淀状态，

9、颗粒的水平分速等于水平流速v； c悬浮物以等速下沉等速下沉； d颗粒一碰到池底即认为被去除 推导 以平流式理想沉淀池为例（如图4-1-5所示） 截留速度： 0 0 t H u （4-6） 水平流速： HB Q v （4-7） L vH u u H v L 0 0 （4-8） 平流沉淀池 平流沉淀池工作原理图 推导 把（4-7）代入（4-8）可得： A Q q BL Q u 00 （4-9） 式中：q0表面负荷率或过流率，m3/m2h 截留速度刚好等于单位时间单位面积上流过的水量截留速度刚好等于单位时间单位面积上流过的水量 公式的物理意义 颗粒在沉淀池中的截留速度刚好等于单位 时间单位面积上流过

10、的水量，为沉淀池的设 计提供了理论依据。 若定义：具有沉速uiu0的颗粒的去除比 例为该颗粒的去除效率去除效率，则： 00 q u u u ii i （4-10） 说明i与水深、沉淀时间、水平流速、池 长无关。（Hazen理论） 公式的物理意义 a若i一定，则ui增大，q0增大；q0一定， 则ui增大，i增加 b若Q一定、ui一定，则A增加，i增加； Q、ui一定时，对相同体积的池子，H减小， 则A增大，i增加。 Hazen理论提供了提高沉淀池效率的依据 实际沉淀池与理想沉淀池的差别 一、水的流动状态 二、其它因素 水的流动状态 1、短流 2、紊流 短流 实际的平均停留时间较理想的短，称为短

11、流现象。短流的存在，使池子的容积利用率 降低。 引起短流的原因: 流速分布不均匀 进出口配水的不均匀，造成死区； 异重流 池子的构造 紊流 进水时产生射流，如穿孔墙孔眼流速为 0.10.2m/s 其它因素 池深:絮凝效果；防止已沉颗粒冲刷上浮 沉淀时间:絮凝沉淀 因此，设计沉淀池时，除了对表面负荷率有要 求外，还对停留时间、池深、进出水构造、排泥 方式等均有要求。通常，对于静置沉淀得出的试 验结果，在用于设计时还需考虑一定的安全系数。 一般在设计时： q=q0/1.251.75，T=（1.52.0）T0 沉淀池 概述 一、平流式沉淀池(horizontal flow Sedimentation

12、 Tank) 二、竖流式沉淀池(vertical flow ST) 三、斜板（管）沉淀池（tilted-plate ST） 四、澄清池（clarifier，clarification tank） 概述 沉淀池是一种主要的固液分离构筑物。在生 物处理工艺中起预处理作用的沉淀池称为初 沉池，生物处理后起澄清出水和浓缩污泥的 称为二沉池。除在生物处理中作为固液分离 的主要构筑物外，在别的工艺中也常作为固 液分离的主要构筑物。 根据水流，一般将沉淀池分为三种: 平流式(矩形)、竖流式(园、方、正多边形)和 辐流式(多为园形，也可为方形) 概述 沉淀池构造根据功能分为五个区: 进水区:保证进水均匀分布在

13、整个进水断 面上，避免短流，减少死角和紊流影响，提 高容积利用系数。 出水区:均匀出水(目的同上)，阻拦浮渣 沉淀区:污水与颗粒分离，工作区 污泥区:污泥贮放、浓缩、排除 缓冲区:分隔沉淀区，保证沉下的颗粒不 因水流搅动而再次浮起进入沉淀区。 平流式沉淀池 1 构造形式（见图4-2-3 ） 2 主要设计参数 3 设计计算 构造形式 进水区整流、布水构造：均匀布水、消 能、防止短流、异重流及冲刷污泥 横向潜孔 + 挡板（如图4-2-4所示） 竖向潜孔 + 挡板（如图4-2-5所示） 穿孔花墙（如图4-2-6所示） 构造形式 出水区构造：均匀集水、拦截漂浮物、 防止短流、沟流，定容 薄壁(平顶)堰

14、、锯齿堰、淹没式孔口出 流（如图4-2-7所示） 堰:控制池内水位，均匀出水；须保证单位 堰长上溢流量相等(堰顶严格水平)， 且不宜过大，否则滞泥。若单宽流量不能满 足，应增大堰长。增加堰长的方法举例（见 图4-2-8） 构造形式 集泥、贮泥: 设泥斗 多斗式 单斗式：刮泥机（链带式、行车式刮泥机） 排泥: 重力（静压）排泥 排泥管（见图4-2-9） 吸泥车 排泥井（见图4-2-10） 主要设计参数 控制沉淀效率的工艺参数: 表面负荷率(截留速度) 沉淀时间 通过试验获得: q设 = qo/(1.251.75) t设 = (1.52.0)to 有效水深H 经验(常用):见表4-2-1 主要设计

15、参数 考虑布水均匀，减小紊流，增大稳定性: 水平流速： 5mm/s 每格长/宽：45长/高：812 （校核！） 出流堰上负荷率：初沉池2.9l/s.m 二沉池 1.7l/s.m 主要设计参数 超高 0.3m，有效水深宜24m 池数n2 贮泥斗容积：初沉池一般 2日污泥量； 二沉池一般 2小时污泥量 排泥水头：静压排泥时，初沉池静水压 头 1.5m，二沉池在生物膜法后应 0.9m， 曝气池后 1.2m 竖流式沉淀池 1 构造形式（见图4-2-11） 2 沉淀效率 3 主要设计参数 4 设计计算 构造形式 平面多为圆形或正方形，D(或边取)7m时考虑设 辐射式出水槽 进水口以上为沉淀区，以下缓冲、

16、浮泥区 (泥斗) 排泥:静水压力，排泥管 沉淀效率 竖流沉淀池的表面负荷率 = 上升流速v uv(去除)沉下u3；中心管流速 30mm/s； 中心管下口应设喇叭口及反射板，底板面距 泥面 0.3m 其余同平流沉淀池 斜板（管）沉淀池 1 浅池原理 2 提高效果的原因 3 构造和特征 4 设计计算 浅池原理 在如图4-2-17所示的理想沉淀池中，颗粒 的运动轨迹可描述为： 0 u v H L （4-8） 当L、v不变时，H越小，则可截留的颗粒 的u0越小。此即浅池原理。 浅池原理 若原沉淀池高度为H，颗粒截留速度为u0， 停留时间为t=H/u0。当沉淀池高度变为原来 的1/n时，则： t nnu

17、 H u n H t 1 00 1 （4-22） 该式说明：采用浅池原理设计的沉淀池 可大大缩短停留时间。实践中，采用浅池 原理设计的沉淀池有斜板、斜管沉淀池 提高效果的原因 a浅池中水流为层流状态，减少了水流及外 界因素造成的紊流； b水流状态稳定，利于颗粒沉降 缺点：因H小，排泥问题难解决，易堵塞。 （因此，对于悬浮物浓度高的沉淀池一般不 推荐使用斜板） 构造特征 根据水流方向，可分为同向流、异向流、 侧向流三种 同向流（见图3-2-18） 异向流(竖流式+斜板) （见图3-2-19） 侧向流(竖流式+斜板，辐流式+斜板) （见 图3-2-20） 设计计算 理论公式推导（见图4-2-21） 设有n块斜板，流量为Q，沉淀池池长为L， 宽为B，经推导可得：