第三章沉淀与澄清

1、第三章 沉淀与澄清(Sedimentation, or settling and Clarification)第1节 沉淀原理与分类一、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）二、分类 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 （沉砂池、初沉池前期） 絮凝沉淀：絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀） 拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层（高浊水、二沉池、污泥

2、浓缩池） 压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩。 第2节 自由沉淀(discrete particle settling)一、颗粒沉速公式（Stokes law）假设沉淀的颗粒是球形 所受到的重力为F1= 1/6 p d3 (rp - rl ) g 所受到的水的阻力F2=CD rl u2/2 p d2/4CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。平衡时：F1F2可得到沉速(terminal velocity)计算公式（对球形颗粒）：对于非球形颗粒：f：形状系数CD与Re有关。Re<1, CD= 24/Re m：水的动力粘度，Pa s该公式难以反映实际

3、，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。但可以了解u的影响因素。此外，一般d难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定u，算出d（注意是名义上的）。二、颗粒沉淀实验t=0t=tih1. 在ti时，从底部取样，测定Ci2. 计算 tiÞ ui = h/ti Ci Þ pi = Ci/C0 pi：沉速小于ui的颗粒占全部颗粒的比重3. pu 曲线（颗粒粒度分布曲线）pu=h/t4.颗粒去除率 在t0 时， u³u0 的颗粒全部去除 u<u0 的颗粒部分去除 hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0通过实验可绘制以下曲线： E-t 曲线 Eu曲线（与水深无关

4、）中部取样法： P= (C0-C)/C0 *100%三、理想沉淀池假设：1 颗粒为自由沉淀2 水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。3 颗粒到底就被去除。水平流速v=Q/(h0 B) B: 池宽 考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。 u³u0的颗粒可以全部去除 u<u0的颗粒只能部分去除 去除率为Eui/u0 = ui/(Q/A) q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率对于颗粒沉速小于u0的颗粒来讲，去除率为 Eui/u0 = ui/(Q/A) 由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、

5、水平流速、沉淀时间）无关。 (Hazen 理论,1904年） 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题： 1）E一定，ui越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。 2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深“浅层理论”。第3节 絮凝沉淀(flocculent settling)一、特点 在沉淀过程中，颗粒变大，沉淀变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。 无理论描述公式，只能通过沉淀实验预测沉淀效果。二、沉淀实验沉淀柱高度实际沉淀池深度1）在时间ti，不同深度测Ci2) 计算各深度处

6、的颗粒去除百分率 p(C0-Ci)/C0 *100%3）绘制去除百分率等值线4）计算颗粒去除率方法1：按自由沉淀来类推（参考图169）方法2：中部取样法P（C0-C）/C0*100% C：h/2处的浓度三、沉淀效率、表面负荷和停留时间之间的关系要求一定的去除率- 设计停留时间和表面负荷假定不同的水力停留时间t-计算总去除率 P得出相应的表面负荷 q 绘制三者之间的关系曲线注意：曲线与水深有关。停留时间表面负荷沉淀效率第4节 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling)一、特点发生在SS浓度较高的情况分层沉淀，出现清水浑水交接面 出现4个区，参见图162。A：清水区B：等浓度区

7、（与原水颗粒浓度相同）或称受阻沉降层 颗粒沉速等于界面（11面）沉降速度，等速下降（Vs）C：变浓度区 颗粒浓度由小变大D：压实区 颗粒沉速从大小 悬浮物缓慢下沉是这一区内悬浮物缓慢压实过程 界面（22面）以一定速度上升沉淀开始，11面下降，22面上升当ttc时，11面和22面相遇时，临界沉降点当再延长沉降时间，污泥层就会发生压实。分区的条件：最大颗粒粒径/最小颗粒粒径<6发生在：混凝后的矾花（>2-3g/L） 活性污泥>1g/L 高浓度泥沙>5g/L二、沉降过程曲线 以11界面的高度为坐标，可以作出沉降过程曲线。 b-c的斜率代表11界面的等速沉降 Cc为临界点 最后

8、压实高度为H¥l 沉降过程曲线的相似性，与水深无关（当原水颗粒浓度一样时）。A11A21B11B21OA1/OA2OB1/OB2由一个水深的沉降过程曲线可以作出其它水深条件下的曲线证明见：Kynch理论l 界面沉降速度Vs与颗粒浓度有关Vs= f(C)对于活性污泥Vs=a c-n （n>1）l 临界点图解近似求解法第5节 沉淀池一、分类平流式竖流式辐流式斜流式二、平流式沉淀池进水区、沉淀区、存泥区、出水区1构造1）进水区 流量均匀分布 可采用配水孔或者缝 给水中，通常采用穿孔花墙 v<0.15-0.2 m/s2）沉淀区 水力条件要求： 减少紊动性：紊动性指标Re = vR

9、/n n：运动粘度 提高稳定性：弗劳德数Fr v2/Rg （Fr高，表明对温差、密度差异重流和风浪的抵抗能力强。 同时满足的只能降低水力半径R，措施是加隔板 L/B>4, L/H>10水流速度的控制也很重要适宜范围：10-25 mm/s（给水） 57mm/s（污水）3）出水区出水均匀。通常采用：溢流堰（施工难） 三角堰（对出水影响不大） 淹没孔口（容易找平） 控制单位堰长的出水量： 给水：<500 m3/(m d) 初沉：<2.9L/(m s) 二沉：1.5- 2.9 L/(m s)4）存泥区及排泥措施l 泥斗排泥靠静水压力 1.5 2.0m，下设有排泥管 多斗形式，可

10、省去机械刮泥设备（池容不大时） l 机械排泥带刮泥机，池底需要一定坡度虹吸吸泥车2设计计算1）设计参数的确定² u0或T0由沉淀实验得到 选u0时，絮凝性颗粒-池深要与实验柱高相等 选T0时，无论颗粒的性质如何-池深要与实验柱高相等考虑水流的影响u设u0/1.25-1.75 T设1.5-2.0 T0 在数值上，q设u设根据经验： q设（m3/m2h） T设(h) 给水处理（混凝后） 12 1-3初次沉淀池 1.5-3 1-2 2）设计计算² 以q来计算A Q/q设L=3.6 v T；T：水力停留时间 水流流速v10-25mm/s（给水） 57mm/s（污水）宽度BA/L&#

11、178; 以T来计算计算有效体积V Q T选池深H（3.0-3.5m）计算BV/(LH) L=3.6 v T校核水流的稳定性，Fr 10-410-5之间。二、竖流式沉淀池水流上升速度v颗粒沉速>v，下沉 £v, 沉不下来根据沉淀实验得u0-u设；v设u设沉淀去除率1p0无沉淀资料时，对于生活污水，v设1.5- 3 m/h, T设1 2.0 h由v设A=Q/v设 注意：A的算法 直径f由T设Hv设T设f/H<3，使水流接近竖流，f<10m注意：中心管的流速不宜太大，<30mm/s 适用于小水深，池深大，但沉淀效果较差 排泥方便，占地小。三、幅流式沉淀池1中央进水

12、幅流式 带刮泥机：中央驱动式 周边驱动式（使用较多） f2030mm，f>16mm 适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差 由于水流速度由大小 颗粒沉降轨道是曲线。 计算：由q设AQ/q设 Hu设T设u设:1.5-3m/h; T设2向心幅流式 周边进水中心进水：进水断面大，进水易均匀 周边进水周边出水 向心式的表面负荷可提高约1倍。四、斜板（管）沉淀池1原理沉淀效率ui/Q/A 在原体积不变时，较少H，加大A，可以提高沉淀效率或提高Q Þ浅层理论 1904年 Hazen 提出 1945年 Camp认为池浅为好 1955年 多层沉淀池产生（Fr和Re可以同时满足） 1959

13、年 日本开始应用斜板 1972年中国汉阳正式应用断面形状：圆形、矩形、方形、多边形除园性以外，其余断面均可同相邻断面共用一条边。水力半径 R>d/3 -斜板 Rd/3 -斜管斜管比斜板的水力条件更好。材质： 轻质，无毒纸质蜂窝、薄塑料板（硬聚氯乙烯、聚丙烯）2构造1）异向流异向流基本参数： q60度，L1-1.2m 板间距 50150mm 清水区 0.5-1.0 m 布水区 0.5-1.0 m u0=0.2-0.4 mm/s, v£3 mm/s Q设hu0（A斜A原） h：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积2）同向流水流促进泥的下滑，斜角可减少到3040

14、度沉淀效果提高，但构造比较复杂，使用少 Q设hu0（A斜A原）3）横向流 使用少，结构和平流式沉淀池较接近，易于改造，但水流条件差（Re大），难支撑 Q设hu0A斜3优缺点 优点：沉淀面积增大，水深降低，产水量增加 q911m3/(m2 h) 平流式q<2 m3/(m2 h) 层流状态Re<200，平流式>500 缺点：停留时间短（几分钟），缓冲能力差 对混凝要求高 耗材，有时堵，常用于给水处理，和污水隔油池五、沉砂池原理与沉淀池相同。功能：去除比重较大的无机颗粒（如泥沙、煤渣等）保证措施：流速控制常用的有：平流沉砂池、曝气沉砂池平流式沉砂池：最大流速0.3 m/s, 最小流

15、速0.15m/s最大流量时的停留时间不少于30s, 一般30-60s曝气沉砂池：旋流速度：0.25-0.3 m/s最大流量时的T：1-3min, 水平流速：0.1 m/s第6节 澄清池(Clarifier) 污泥再悬浮起来，池中保持大量矾花，脱稳胶体靠接触凝聚粘附在活性泥渣上。 ®（混合）®澄清 常用于给水处理 需保持矾花一定浓度，通过排泥控制沉降比在2030。 泥渣悬浮型（过滤型）：矾花容易冲出去，但对细小矾花具有过滤作用 如悬浮澄清池、脉冲澄清池 泥渣循环型（分离型）：效果与上相反 如机械加速澄清池、水力循环澄清池一、加速澄清池 1920年 美国 infilco公司发明

16、的 1935年有工程实例 1965年我国开始使用一反应区容积：1520分Q二反应区容积：710分Q分离区v上11.2 mm/st总11.5h，比平流式快需定期排泥回流泥量Q35Q第2：第1：清水区1：2：7优点：处理效果好，稳定，适应性强, 适用于大、中水厂缺点：机电维修启动时有时需人工加土和加大加药量二、水力循环澄清池喷嘴速度过大、过小都不行，v47m/s喉管v23m/s一反应室出口v=60mm/s t1530s二反应室下降v4050mm/s 出口v5mm/s t80100s分离区v11.2mm/s, t1h回流泥量24Q优点：不需机械搅拌，结构简单缺点：反应时间短，运行不稳定，泥渣回流控制较难，适应性差，适用于小水厂。三