水质工程学 第四章_沉淀1

1、第四章 沉淀 l内内 容容： 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 l重重 点：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 l难难 点：点： 沉淀基本理论及计算 l4.0 4.0 沉淀沉淀原理原理 利用颗粒与水的密度之差利用颗粒与水的密度之差, ,比重比重11，下沉，下沉 比重比重11，上浮，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去 除除100um100um以上的颗粒。以上的颗粒。 给水处理给水处理沉砂池，混凝沉淀，高浊预沉沉砂池

2、，混凝沉淀，高浊预沉 废水处理废水处理沉砂池（去除无机物）沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物）初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）二沉池（活性污泥与水分离） ： 颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗粒间互相支承，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；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活性污泥在二沉池中的沉淀具备上述四种类型的沉淀过沉淀过 程程； 4.1.1 4.1.1 杂质颗粒在静水中的自由沉淀杂质颗粒在静水中的自由沉淀 假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力与浮

3、力之差重力与浮力之差为：为： （4-1)4-1) 所受到的水的所受到的水的阻力阻力： （4-2) 4-2) C CD D为阻力系数，与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。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：根据牛顿第二定律可知： （4-3) 4-3) 达到平衡时，加速度达到平衡时，加速度( (（3-33-3）左边）左边) )为零，得沉速公式：为零，得沉速公式： （4-4） 3 10 1 Fdg 6 22 0 ud F 24 0 0 4 u 3 g d 2 100 1 F-F0 68 u dg 阻力系数是雷诺数的函数阻力系数是雷诺数的函数 当当Re1时：呈层流状

4、态时：呈层流状态 （4-5) 斯托克斯公式：斯托克斯公式： （4-6) 应用：被去除的颗粒沉速远小于应用：被去除的颗粒沉速远小于0.1mm泥砂沉速，即泥砂沉速，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，与粘度系数成反比密度差成正比，与粘度系数成反比 24 Re 0du Re 02 1 18 g ud 2. 牛顿公式牛顿公式 当当1000Re25000时，呈紊流状态，时，呈紊流状态，接近于常数接近于常数0.4代代 入（入（3-5）得牛顿公式：）得牛顿公式： （3-7） 3.阿兰公式阿兰公式 当当1Re1000时，属于过渡区，时

5、，属于过渡区，CD近似为近似为 （3-8） 代入得：代入得： （3-9） 10 Re 1 22 3 0 0 ()4 255 g ud 0 0 3 10 ugd 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。 0 u u V f C 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： n m Cv为颗粒物体积浓度，n为指数，m=1-Cv lg V KC 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。

6、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 n界面沉降外观现象和沉淀过程分析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），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整个过程就是界面下沉过程. . 清水区：浓度很小；（增加）清水区：浓度很小；（增加） 等浓度区：浓度均匀；大小颗粒不同；大小颗粒互相等浓度区：浓度均匀；大小颗粒不同；大

7、小颗粒互相 干扰，由于大颗粒沉速变慢、小颗粒变快，形成等速干扰，由于大颗粒沉速变慢、小颗粒变快，形成等速 下沉现象下沉现象 变浓度区：等浓度区和压实区的过渡区。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）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。临界沉降点：界面沉降速率开始减小。 0 H -H t u 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 平流沉淀池平流沉淀池 4.2.1 理想

8、沉淀池理论理想沉淀池理论 理想沉淀池的基本假设：理想沉淀池的基本假设： 颗粒处于自由沉淀状态。颗粒的颗粒处于自由沉淀状态。颗粒的沉速始终不变沉速始终不变。 水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速 相等，相等， 并在流动过程中并在流动过程中流速始终不变流速始终不变。 颗粒沉到底就被认为去除，颗粒沉到底就被认为去除，不再返回不再返回水流中。水流中。 在沉淀池的进口区域，水流的悬浮颗粒均匀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。分布在整个过水断面面上。 I.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

9、底被去除，即左上图中的 迹线xy与xy。 II.当颗粒沉速uu0时，位于 水面的颗粒不能沉到池底， 会随水流出，如左下图中 轨迹xy所示；而当其位 于水面下的某一位置时， 它可以沉到池底而被去除， 如图中轨迹xy所示。 说明对于沉速u小于指定颗 粒沉速u0的颗粒，有一部 分会沉到池底被去除。 在进水区被均匀分配在过流断面上其水平流速为：在进水区被均匀分配在过流断面上其水平流速为： （4-17） 正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留 速度速度 。 u 的颗粒可以全部去除，的颗粒可以全部去除，u0.20.7，两种水体交界面 不能保

10、持稳定，互相混杂； Fr4, L/H10，每格宽度应在38m不宜大于15m。 总结 平平 流流 沉沉 淀淀 池池 的的 构构 造造 及及 工工 作作 特特 点点 4) 存泥区及排泥措施存泥区及排泥措施 l 泥斗排泥：靠静水压力泥斗排泥：靠静水压力 1.5 2.0m，下设有排，下设有排 泥管，多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时泥管，多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时 采用）采用） l 穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度以穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度以 便放空。便放空。 l 机械排泥机械排泥(效率高效率高,多选用多选用)：带刮泥机，池底需：带刮泥机，池底需 要一定坡度，适

11、用于要一定坡度，适用于3m以上虹吸水头的沉淀池，当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。沉淀池为半地下式时，用泥泵抽吸。 l 还有一种单口扫描式吸泥机，无需成排的吸口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。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：主要为短流的影响，产生的原因有： (1)进水的惯性作用；进水的惯性作用； (2)出水堰产生的水流抽吸；出水堰产生的水流抽吸； (3)较

12、冷或较重的进水产生的异重流；较冷或较重的进水产生的异重流； (4)风浪引起的短流；风浪引起的短流； (5)池内存在的导流壁和刮泥设施等池内存在的导流壁和刮泥设施等 2.凝聚作用的影响。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。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 1.沉淀池的表面积A Qmax 最大设计流量,m3/s； q 表面水力负荷,m3/(m

13、2h), 初沉池一般取1.53 m3/(m2h)， 二沉池一般取12m3/(m2h)。 2.沉淀区有效水深h2 式中：t 沉淀时间,h,初沉池 一般取12h,二沉池一般取1.5 2.5h。 沉淀区有效水深h2通常取23m。 q Q A 3600 max tqh 2 21 hAV 3600 max1 tQV 6 . 3tvL LAB/ 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。 6.沉淀池的个数n 式中: b每个沉淀池宽度。 平流式沉淀池的长度一般为 3050m，为了保证污水在

14、池内 分布均匀，池长与池宽比不小于 4，以45为宜。长深比不宜小于8 / bBn 1000 SNT V 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。 8.沉淀池的总高度h 式中：h1 沉淀池超高, m;一般 取0.3m； h2 沉淀区的有效深度，m； h3 缓冲层高度，m；无机械 刮泥设备时,取0.5m；有机械刮 泥设备时，其上缘应高出刮板 0.3m； h4 污泥区高度，m； h

15、4泥斗高度，m； h4梯形的高度，m。 44321 4321 hhhhh hhhhh )( 3 1 212141 SSSShV bh LL V 4 21 2 ) 2 ( 沉速公式及使用条件沉速公式及使用条件 h h h1 1 B B 0 0 t t A A t t 自由沉淀的静水试验自由沉淀的静水试验 h h 取样口取样口 直径直径100mm100mm；高度；高度150015002000mm2000mm沉淀筒沉淀筒 自由沉淀颗粒去除率自由沉淀颗粒去除率 1.1.T T=0,=0,水中悬浮颗粒在整个水深中均匀分布水中悬浮颗粒在整个水深中均匀分布, ,悬浮固体浓度为悬浮固体浓度为 C C0 0，去

16、除率为，去除率为0; 0; 2. 2.随着时间的推移，在随着时间的推移，在t t1 1、 t t2 2 、t t* *、 t tn n等时刻取样，等时刻取样， 分别测得悬浮固体浓度为分别测得悬浮固体浓度为C C1 1、C C2 2、C C* *、C Cn n。 3.3.那么在那么在t t1 1、 t t2 2 、t t* *、 t tn n 等时刻，沉速分别为等时刻，沉速分别为h h/ /t t1 1 = =V V1;1;h h/ /t t2=2=v v2;2; ; h h/ /t t* *= =v v* *; ; h h/ /t tn n= =v vn n； 4.4.令令p1p1、p p2

17、2p p* *p pn n表示水中的悬浮物浓度占原有悬浮物浓度表示水中的悬浮物浓度占原有悬浮物浓度 C0C0的比值，称为剩余量，即：的比值，称为剩余量，即： P P1=1=C C1/1/C C0;0;P P2=2=C C2/2/C C0 0P P* *= =C C* */ /C C0 0P Pn n= =C Cn/n/C C0 0 相应的去除量为：相应的去除量为：1-1-P P1 1、1-1-P P2 21-1-P P* *1-1-P Pn n 取样口水样中的残余悬浮物浓度与沉速关系取样口水样中的残余悬浮物浓度与沉速关系 v=h/t * 1p * p 0 dp 以沉速为以沉速为v v 分析整个

18、水样中悬浮物的去除量： 分析整个水样中悬浮物的去除量： 1.t1.t* *时刻，沉速大于时刻，沉速大于v v 的颗粒在取样口上部的整个高度 的颗粒在取样口上部的整个高度h h中被中被100100去除了，去除了， 这些颗粒的去除量为：这些颗粒的去除量为：1 1P P* * 2.2.沉速小于沉速小于v v 的颗粒 的颗粒 V Vn n 2 2 ，由于颗粒当时所处的位置不，由于颗粒当时所处的位置不同，因此，同，因此， 在取样口上部的整个水样高度在取样口上部的整个水样高度h h中还残存一部分，以沉速中还残存一部分，以沉速V Vn n 2 2的颗粒为 的颗粒为 例，在沉淀时间例，在沉淀时间t t 内的下

19、沉距离为 内的下沉距离为h hn-2= n-2= t t* * V Vn n2 2，在 ，在h hn-2 n-2的距离内不含 的距离内不含 V Vn n 2 2这些颗粒了， 这些颗粒了，V Vn n 2 2的颗粒去除率为： 的颗粒去除率为： 所有沉速小于所有沉速小于V V* *的颗粒去除率：的颗粒去除率： 总去除率：总去除率： 1 1P P* * + + 2n * 2n 2n * *2n 2n 2n p V V p tV tV p h h p 0 * 2n * 2n dp v v p V V p 0 * dp v v 4.2.2 4.2.2 非凝聚性颗粒的沉淀实验分析非凝聚性颗粒的沉淀实验分析

20、 非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验用一圆筒进行。在非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验用一圆筒进行。在 圆筒水面圆筒水面h h处开一个取样口，要求颗粒在在水中均匀分处开一个取样口，要求颗粒在在水中均匀分 布，浓度为布，浓度为C C0 0； 然后在分别在然后在分别在t t1 1, , 、 t t2 2 、 、 t tn n时取样，分别测得浓时取样，分别测得浓 度为度为C C1 1 、C C2 2 、 、 C Cn n, ,对应的沉速分别为对应的沉速分别为/t/t1 1=u=u1 1、 h/th/t2 2=u=u2 2 、h/th/tn n=u=un n 。设。设p p1 1、p p2 2、p pn n

21、分别代表分别代表C C1 1/C/C0 0、 C C2 2/C/C0 0、C Cn n/C/C0 0， ，则 则1-p1-pi i表示所有速度大于等于表示所有速度大于等于u ui i的颗粒的颗粒 所占的比例，所占的比例，p pi i代表沉速小于代表沉速小于u ui i的颗粒所占的比例。的颗粒所占的比例。 具有沉速具有沉速u u1 1、u u2 2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为p1-p1- p2p2。 t=0t=ti h i p i dp u u pp 0 0 0 0) 1 ( 4.2.3 4.2.3 凝聚性颗粒的沉淀实验分析凝聚性颗粒的沉淀实验分析 1.1.实验方法实验方法 采取沉淀试验筒，筒长尽量采取沉淀试验筒，筒长尽量接近实际沉淀池接近实际沉淀池的深度，的深度， 可采用可采用2 23m,3m,直径不小于直径不小于100mm100mm，设，设5 56 6个取样口。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，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，计算相应的去取出各取样口的水测定悬浮物的浓度，计算相