给水工程课件(五)

1、第5章沉淀与澄清 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 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um 100um 以上的颗粒。以上的颗粒。 给水处理给水处理混凝沉淀，高浊预沉混凝沉淀，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） 二沉池二沉池 （活性污泥与水分离）（活性污泥与水分离） 第一节 沉淀原理 （1 1）自由沉淀）自由沉淀( ( (D DD Di ii is ss sc cc cr rr re ee et tt te ee e S

2、 SS Se ee et tt tt tt tl ll li ii in nn ng gg g) ) )： 悬浮物质浓度不高；悬浮物质浓度不高； 颗粒之间互不碰撞，呈离散状态；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；沉速不变，各自独立完成沉淀过程； （2 2）絮凝沉淀）絮凝沉淀(Flocculent(Flocculent Settling)Settling)： 悬浮物质浓度为悬浮物质浓度为50-500mg/L50-500mg/L； 颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用；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，沉速不断加快颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速不断加

3、快 （3 3）区域沉淀（成层）区域沉淀（成层/ /拥挤沉淀）拥挤沉淀）(Zone (Zone Settling)Settling)： 悬浮物质浓度悬浮物质浓度500mg/L500mg/L； 相邻颗粒之间互相妨碍、干扰；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各自保持相对位置不变 颗粒群结合成一个整体向下沉淀颗粒群结合成一个整体向下沉淀 形成形成清晰的液清晰的液固界面固界面，沉淀显示为界面下，沉淀显示为界面下 沉沉 （4 4）压缩沉淀）压缩沉淀(Compression Settling)(Compression Se

4、ttling)： 颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤颗粒间互相支承，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；出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩； （一）、自由沉淀 颗粒在静水中的沉淀速度取决于：颗粒在静水中的沉淀速度取决于： 颗粒在水中的重力与浮力之差颗粒在水中的重力与浮力之差F F1 1 和颗粒下沉时所受水 和颗粒下沉时所受水 的阻力的阻力F F2 2. . 直径为直径为d d 的球形颗粒在静水中所受的重力与浮力之差为：的球形颗粒在静水中所受的重力与浮力之差为： p 6 1 1 3 )gF 1 d ( 其中：其中：p p 及 及1 1颗粒及水的密度；颗粒及水的密度

5、； g g重力加速度。重力加速度。 颗粒下沉时所受的阻力颗粒下沉时所受的阻力F F2 2与颗粒的糙度、大小、形与颗粒的糙度、大小、形 状和沉淀速度状和沉淀速度u u 有关，也与水中的密度和粘度有关，其有关，也与水中的密度和粘度有关，其 关系式为：关系式为： u 2 d 2 F2 CD 1 24 C CD D阻力系数，与雷诺数阻力系数，与雷诺数ReRe 有关；有关； 球形颗粒在垂直方向上的投影面积。球形颗粒在垂直方向上的投影面积。 2 4 d 根据牛顿第二定律可知：根据牛顿第二定律可知： 达到重力平衡时，加速度为零，令上式左边为零，加以整达到重力平衡时，加速度为零，令上式左边为零，加以整 理，得

6、沉速公式：理，得沉速公式： 式中式中 C CD D 与雷诺数 与雷诺数 Re Re 有关，雷诺数有关，雷诺数 Re=Re=u ud/d/，其中，其中 为水的运动粘度。通过实验，将观测到的为水的运动粘度。通过实验，将观测到的u u值代入公式中，值代入公式中， 可以求得可以求得 C CD D和和 Re Re 值。值。 24 32 1 6dt6 D1pp u d ) g C d 3 du 1 d 2 ( d 3 C D 1 4 g p 1 u 10 -3-2 10 -1 10 3 10 4 10 56 1010 10 10 10 10 1 0.4 0.1 C=24/Re C=10/Re 2 1101

7、0 雷诺数Re 阻力系数CD 分析：分析： 1）斯笃克斯公式）斯笃克斯公式 当当Re1时：呈层流状态：时：呈层流状态： (16-5) 斯笃克斯公式：斯笃克斯公式： (16-6) e 24 CD R gd 2 18 p 1 u 1 2） 牛顿公式牛顿公式 当当1000Re25000时，呈紊流状态，时，呈紊流状态，CD接近于常数接近于常数0.4代入代入 （16-4）得牛顿公式：）得牛顿公式： （16-7） 3）阿兰公式）阿兰公式 当当1Re1000时，属于过渡区，时，属于过渡区，CD近似为近似为 （16-8） 代入得阿兰公式：代入得阿兰公式： （16-9） 1 p 1 dg u 1.83 Re 1

8、0 D C 1 3 1 1 )2 2 4 p g d ( u 255 18 u 1 p 1 gd2 1 u1.83 p 1dg 1 ) 2 2 3 p1 g d 4( u 255 1 4、结论：、结论： 上述公式是在不同情况范围上述公式是在不同情况范围 内的基本公式内的基本公式16-4的特定形的特定形 式，但该公式无法直接求出式，但该公式无法直接求出u。 但可以了解但可以了解u 的的影响因素影响因素 （粒径，密度，粘度）（粒径，密度，粘度）。 此外，一般此外，一般 d 难以测定，难以测定，u 比比 较容易测定。较容易测定。在实用上常用沉在实用上常用沉 速代表某一特定颗粒而不追究速代表某一特定颗

9、粒而不追究 颗粒粒径。颗粒粒径。 3C D 1 u 4 g p 1 d CD=f（Re） Re=ud/ 适宜适宜： 粒粒 径小于径小于 0.1mm的颗的颗 粒物粒物 粒粒径径0.1mm- 2mm的颗粒的颗粒 物物 粒径大于粒径大于 2mm的颗粒的颗粒 物物 因此，实际过程中，自由沉淀规律常通 过沉淀试验得到。沉淀试验内容与排水 工程中相关内容重复，不再赘述。 （二）成层沉淀 自由沉淀自由沉淀可以看成单个颗粒在无边无际的水体中可以看成单个颗粒在无边无际的水体中 下下 沉，此时颗粒排挤开同体积的水，水将以无限小沉，此时颗粒排挤开同体积的水，水将以无限小 的速的速 度上升。度上升。 当大量颗粒在有限

10、的水中下沉时，被排挤的水便当大量颗粒在有限的水中下沉时，被排挤的水便 有有 一定的速度，使颗粒所受到的阻力有所增加，颗一定的速度，使颗粒所受到的阻力有所增加，颗 粒处粒处 于互相干扰状态，此过程称为于互相干扰状态，此过程称为拥挤沉淀拥挤沉淀，此时，此时 的沉淀的沉淀 速度称为速度称为拥挤沉速拥挤沉速。 高浊度水的拥挤沉淀试验高浊度水的拥挤沉淀试验 C0 H H H 浓度Ct Ct A B C D a b c d t1 t 时间t (b)(c) t (d) H0 Ht 交界面 a C0 1 1 2 2 沉淀管水深H1 沉淀管水深H2 0 A、区 交 界 P1 P Q1 Q2 沉 淀时间t 图16

11、-3 不 同 沉 淀 高 度 的 沉 降 过 程 清水和浑水交界面下降曲线 第二节理想沉淀池的沉淀原理 符合以下三个假定符合以下三个假定 1.1.颗粒处于自由沉淀状态。颗粒处于自由沉淀状态。 即在沉淀过程中颗粒之间互不即在沉淀过程中颗粒之间互不 干扰，不再凝聚和破碎，干扰，不再凝聚和破碎， 颗粒的大小、形状和密度不变，因此颗粒沉速始终不变。颗粒的大小、形状和密度不变，因此颗粒沉速始终不变。 2.2.水流沿着水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等。水流沿着水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等。 并且在流动过程中，并且在流动过程中，v v始终不变。始终不变。 3.3.颗粒沉到池底即认为已被去

12、除。颗粒沉到池底即认为已被去除。 一、理想沉淀池 进水区 出水区沉淀区 A v u0 m u0 v 出水 污泥区 u0截留沉速。凡是沉速等于或大于沉速u0的颗粒能够全部被沉掉. 反映的是沉淀池所能去除颗粒中的最小颗粒的沉速。 u Q A 0 理想沉淀池理想沉淀池 u (1)(1)HazenHazen理论理论：悬浮颗粒在理想沉淀池的去除率只与颗粒沉降：悬浮颗粒在理想沉淀池的去除率只与颗粒沉降 速率及沉淀池的表面负荷有关，与其他因素无关。（水深，速率及沉淀池的表面负荷有关，与其他因素无关。（水深， 沉淀时间等）沉淀时间等） (2)(2)混凝效果与沉淀效果的关系：混凝效果与沉淀效果的关系：混凝效果好

13、，则混凝效果好，则u ui i大，沉淀效大，沉淀效 果好。果好。 (3)(3)浅池理论：浅池理论：当颗粒沉速一定，有效池容积一定时，池身浅当颗粒沉速一定，有效池容积一定时，池身浅 些，则表面积大，去除率高。些，则表面积大，去除率高。 具有沉速具有沉速u ui i（ u ui i 0 0 u10-5 改善水流状况：改善水流状况：降低降低ReRe，提高，提高FrFr 减小水力半径减小水力半径R R RRg Re vRR 二、絮凝作用的影响 实际沉淀池偏离理想沉淀池。实际沉淀池偏离理想沉淀池。 V沿宽度方向的不均匀 (存在速度梯度，继续絮凝） 池深越大、停留时间越长，絮凝越完善，效果越好。池深越大、

14、停留时间越长，絮凝越完善，效果越好。 注意：沉淀和混凝是两个密不可分的单元。 结论：结论： 在实际沉淀池中，情况要比理想沉淀池复杂得多，在实际沉淀池中，情况要比理想沉淀池复杂得多， 前面的理想沉淀池假定都会因紊流、风吹、水温温差前面的理想沉淀池假定都会因紊流、风吹、水温温差 和密度差引起的对流以及池内水流死角等影响而产生和密度差引起的对流以及池内水流死角等影响而产生 偏差。这些因素影响的综合结果，使达到一定沉淀效偏差。这些因素影响的综合结果，使达到一定沉淀效 率所需的停留时间比理论沉降时间要长。率所需的停留时间比理论沉降时间要长。 设计沉淀池时，除了对表面负荷有要求外，还对停设计沉淀池时，除了

15、对表面负荷有要求外，还对停 留时间，池深，进出水构造、排泥方式等均有要求。留时间，池深，进出水构造、排泥方式等均有要求。 第四节 斜板与斜管沉淀池 1.浅池原理 2.构造和特征 3.设计计算 1. 原理 由沉淀效率由沉淀效率公式可知：公式可知： 在原体在原体 积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提 高。高。 斜板（管）沉淀池与水平面成一定的角度斜板（管）沉淀池与水平面成一定的角度 （一般（一般6060左右）的板（管）状组件置于沉淀左右）的板（管）状组件置于沉淀 池中构成，水流可从上向下或从下向上流动，池中构成，水流可从上向下或从下向上流动， 颗粒沉于斜

16、管底部，而后自动下滑。颗粒沉于斜管底部，而后自动下滑。 斜板（管）沉淀池的沉淀面积明显大于平斜板（管）沉淀池的沉淀面积明显大于平 流式沉淀池，因而可提高单位面积的产水量或流式沉淀池，因而可提高单位面积的产水量或 提高沉淀效率。提高沉淀效率。 u i E Q / A 此外，浅池湿周长，水力半径大大降低， 因此： a Re大大降低，水流为层流状态，减少了水 流及外界因素造成的紊流； bFr大为提高，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） 2.构造特征 斜板（斜管）式沉淀池是根据浅池理论，在沉淀斜板（斜管）式沉淀池

17、是根据浅池理论，在沉淀 池池 的沉淀区加斜板或斜管而构成。它由的沉淀区加斜板或斜管而构成。它由进水配水进水配水 区、区、 斜板斜板( (管管) )沉淀区、清水出水区和污泥区沉淀区、清水出水区和污泥区组成。组成。 目前目前 我国应用较多的是斜管沉淀池。我国应用较多的是斜管沉淀池。 按斜板或斜管间水流与污泥的相对运动方向来区按斜板或斜管间水流与污泥的相对运动方向来区 分，斜流式沉淀池有同向流和异向流两种。目前常分，斜流式沉淀池有同向流和异向流两种。目前常 采用升流式异向流斜流沉淀池采用升流式异向流斜流沉淀池. . 分类： 接絮凝池 斜管组件产品 斜管填料 3.斜管沉淀池设计计算斜管沉淀池设计计算主

18、要设计参数主要设计参数 1.沉淀池表面负荷沉淀池表面负荷q应为应为5-9m3/m2h. 2.斜管材料应为无毒材料，多采用聚氯乙烯塑料，斜管斜管材料应为无毒材料，多采用聚氯乙烯塑料，斜管 断面为正六边形，断面内径断面为正六边形，断面内径30-40mm，斜管长，斜管长1m，倾，倾 角为角为60度。度。 3. 斜管顶部以上的清水区高度斜管顶部以上的清水区高度为为1.0-1.5m，斜管底部以，斜管底部以 下配水区高度不小于下配水区高度不小于1.5m，机械排泥时，应大于，机械排泥时，应大于 1.6m，便于安装和检修。，便于安装和检修。 4. 絮凝池和沉淀池之间应有整流措施，配水孔流速应小絮凝池和沉淀池之

19、间应有整流措施，配水孔流速应小 于絮凝池出口流速。于絮凝池出口流速。 5. 出水采用穿孔管或穿孔集水槽，类似平流池，排泥可出水采用穿孔管或穿孔集水槽，类似平流池，排泥可 用穿孔管或机械排泥，与平流池类似。用穿孔管或机械排泥，与平流池类似。 6. 斜管中水流的斜管中水流的Re小于小于500，Fr数为数为10-310-4， ，斜管中水 斜管中水 力停留时间在力停留时间在2-5min （校核）（校核） 计算公式： 1 1、表面面积、表面面积 斜板（管）沉淀池的表面负荷率为：斜板（管）沉淀池的表面负荷率为： q=Q/A 式中式中 Q流量，流量，m 3 /h； A沉淀池总平面面积沉淀池总平面面积 （清水

20、区表面积），（清水区表面积），m 2 。 故故 A=Q/q 2 2、斜管内流速、斜管内流速 式中式中 v 斜管内流速；斜管内流速； Q 沉淀池流量；沉淀池流量； 斜斜 板倾角板倾角 A/ 斜管的净出口面积。斜管的净出口面积。 A/ sin Q v 注意：注意： 斜板（斜管）沉淀池的表面负荷率是沉淀池斜板（斜管）沉淀池的表面负荷率是沉淀池总平总平 面面 面积面积而言的，沉淀池总平面面积而言的，沉淀池总平面面积A 包括斜板（管）包括斜板（管） 净出净出 口面积口面积 A，斜板（管）板材所占面积，无效面，斜板（管）板材所占面积，无效面 积积A （如第一块斜板所占面积等）部分。（如第一块斜板所占面积等

21、）部分。 斜板（斜管）总平面面积：斜板（斜管）总平面面积： A=KA+A 式中式中 A 沉淀池的总平面面积；沉淀池的总平面面积； A斜板斜板 （管）净出口面面积；（管）净出口面面积； A 沉淀池中的无效面积；沉淀池中的无效面积； K 斜板（管）的结构系数。它表示斜板或斜管斜板（管）的结构系数。它表示斜板或斜管 所占面积比例（一般所占面积比例（一般 K=1.031.1）。）。 3 3、斜管沉淀池高度、斜管沉淀池高度 （1）上部清水区高度）上部清水区高度h2 不宜小于不宜小于1m。 （2）下部布水区高度）下部布水区高度 h4 不宜小于不宜小于 1.5m。 （3）斜管高度）斜管高度h3 按斜管长度折

22、算。按斜管长度折算。 （4）积泥区高度）积泥区高度h5 按泥量设计计算。按泥量设计计算。 （5）超高）超高h1=0.30.5m。 4 4、水力条件校核，沉淀时间核算、水力条件校核，沉淀时间核算 1、雷诺数、雷诺数Re 一般小于一般小于500； 2、弗劳德数、弗劳德数Fr 在在10 -310 -4之间；之间； 3、斜管中的沉淀时间、斜管中的沉淀时间T=l/v 在在25 分钟分钟 之间。之间。 h1 h3 h2 h4 h5 例题：设计单池产水量例题：设计单池产水量为为15000m3/d的的 斜管沉淀池。水厂自用水量按斜管沉淀池。水厂自用水量按5%计计 1.设计参数 设计流量 Q=15000*1.0

23、5=650m3/h=0.18m3/s 表面负荷取q=10m3/m2h=2.8mm/s 斜管材料 采用厚0.4mm塑料板热压成正六角形 管，内切圆直径25mm，长1000mm，水平倾 角60度。 2.计算 清水区面积 A=Q/q=0.18/0.0028=64.5m2 采取沉淀池尺 寸5.5*12m=66m2， 为了配水均匀，沉淀池进 水区布置在12m长的一 侧，在5.5m的长度中扣除无效长度0.5m。因 此净出口面积（考虑斜管结构系数1.03） A=(5.5-0.5)*12/1.03=58m2 接絮凝池 采用保护高0.3m，清水区高度1.2m，配水区 高度1.5m，穿孔排泥槽高0.8m，斜管高度

24、 h=lsin60=0.87m，池子总高度 H=0.3+1.2+1.5+0.87+0.8=4.67m 沉淀池进口采用穿孔墙，排泥采用穿孔管，集 水系统采用穿孔管。 3.校核 （1）雷诺数Re(应小于500） 水力半径 R=d/4=6.25mm 管内流速 v=Q/Asin=0.18/58sin60=0.36cm/s Re=Rv/v 水温20度时，水的运动粘度v为 0.01cm2/s,代入得Re=0.625*0.36/0.01=22.5 （2）弗劳德数Fr（10-310-4） Fr=v2/Rg=0.362/0.625*981=2.1*10-4 (3)斜管中沉淀时间 T=l/v=1000/3.6=2

25、80s=4.6min(2-5min) 适用条件 适用于大、中、小型水厂。 适用于新建、改建和扩建水厂。为提高产水量 和 挖掘潜力，可在平流沉淀池和各种澄清池内加设 斜 管或斜板。 受到建设场地限制，不能用平流沉淀池时。 优缺点： 优点：停留时间短，容积小，沉淀效率高 缺点：斜管费用高，斜管内容易滋生藻类 和积泥， 同时由于斜管沉淀池内停留时间 短，要求配套的絮凝 池有良好的絮凝效果。 第五节 澄清池 一、澄清池特点一、澄清池特点 1 1、澄清池将混凝和沉淀两个工艺过程综合于一个构筑物中、澄清池将混凝和沉淀两个工艺过程综合于一个构筑物中 完成，原水在池中的净化是由混凝剂对水中微粒的脱稳，完成，原

26、水在池中的净化是由混凝剂对水中微粒的脱稳，池池 中悬浮泥渣层中悬浮泥渣层对微絮粒的对微絮粒的接触絮凝接触絮凝及泥渣的沉降分离等过程及泥渣的沉降分离等过程 完成。完成。 2 2、接触絮凝：微絮粒一旦在运动中与相对巨大的、接触絮凝：微絮粒一旦在运动中与相对巨大的 泥渣颗粒泥渣颗粒 接触碰撞接触碰撞，就被，就被吸附吸附于泥渣颗粒上于泥渣颗粒上, ,发生发生聚合聚合形形 成絮粒，与成絮粒，与 水分离，从而被迅速去除（悬浮泥渣层作为接水分离，从而被迅速去除（悬浮泥渣层作为接 触介质的净水触介质的净水 过程）。过程）。 泥渣层形成方法：泥渣层形成方法：运行初期在原运行初期在原 水中投入较多凝聚剂并降水中投

27、入较多凝聚剂并降 低负荷，经过一段时间后逐渐形低负荷，经过一段时间后逐渐形 成。成。 保持悬浮状态且浓度相对均匀的泥渣区是处理效果保证保持悬浮状态且浓度相对均匀的泥渣区是处理效果保证 的关键。的关键。 二、澄清池的分类二、澄清池的分类 澄清池的种类和形式很多，基本上可分为两大类：澄清池的种类和形式很多，基本上可分为两大类： 1 1、泥渣悬浮型澄清池、泥渣悬浮型澄清池 加药后的原水向上通过处于悬浮状态的泥渣层，水加药后的原水向上通过处于悬浮状态的泥渣层，水 中脱稳杂质与高浓度的泥渣碰撞凝聚并被泥渣层拦截下中脱稳杂质与高浓度的泥渣碰撞凝聚并被泥渣层拦截下 来，（类似于过滤作用）。浑水通过悬浮层可获

28、得澄清。来，（类似于过滤作用）。浑水通过悬浮层可获得澄清。 由于悬浮层拦截了进水中的杂质，悬浮颗粒变大，这样由于悬浮层拦截了进水中的杂质，悬浮颗粒变大，这样 就大大地就大大地提高了颗粒的沉速提高了颗粒的沉速，从而可以提高水流上升流，从而可以提高水流上升流 速或产水量。速或产水量。-依靠上升水流能量形成悬浮泥渣层。依靠上升水流能量形成悬浮泥渣层。 2 2、 泥渣循环型澄清池泥渣循环型澄清池 泥渣在垂直方向上不断地循环，在泥渣循环的过程泥渣在垂直方向上不断地循环，在泥渣循环的过程 中，中， 主动积极地来扑捉水中的杂质，进行接触絮凝作主动积极地来扑捉水中的杂质，进行接触絮凝作 用，使用，使 杂质从水

29、中分离出来，泥渣在循环过程中不断地杂质从水中分离出来，泥渣在循环过程中不断地 壮大自壮大自 己，因此，本身己，因此，本身沉速不断提高沉速不断提高，从而提高沉淀效，从而提高沉淀效 率率。- - -让泥渣在竖直方向上循环在运动中捕集微絮粒。让泥渣在竖直方向上循环在运动中捕集微絮粒。 泥渣悬浮型澄清池泥渣悬浮型澄清池 悬浮澄清池悬浮澄清池 加过药剂的原水经过气水分离器后，从穿孔配水加过药剂的原水经过气水分离器后，从穿孔配水 管进入澄清池室，由下向上穿过悬浮泥渣层中进行絮凝管进入澄清池室，由下向上穿过悬浮泥渣层中进行絮凝 和沉淀。和沉淀。 原水由池底进入，靠向上的流速使絮凝体悬浮。原水由池底进入，靠向上的流速使絮凝体悬浮。 因絮凝作用悬浮层逐渐膨胀，当超过一定高度时，则通因絮凝作用悬浮层逐渐膨胀，当超过一定高度时，则通 过排泥窗口自动排入泥渣浓缩室，压实后定期排出池外。过排泥窗口自动排入泥渣浓缩室，压实后定期排出池外。 进水量或水温发生变化时，会使悬浮工作不稳定，现已进水量或水温发生变化时，会使悬浮工作不稳定，现已 很少采用。很少采用。 特点：特点： （1 1）构