水质工程学 第四章-沉淀1

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Re<1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1000<Re<25000时，呈紊流状态，η接近于常数0.4代入（3-5）得牛顿公式：（3-7）3.阿兰公式当1<Re<1000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。β称为沉速减低系数，β<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=0~25%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Β=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：①颗粒处于自由沉淀状态。颗粒的沉速始终不变。②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。③颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。④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u≥u0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x′y′。当颗粒沉速u<u0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x′y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：（4-17）正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。u≥的颗粒可以全部去除，u<的颗粒只能部分去除对沉速大于等于的颗粒而言，流速与沉淀时间有关。（4-18）

（4-19）

令（4-18）和（4-19）相等，得：

（4-20）

将上式带入式中并简化后得出

Qv/A——反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的溢流率，用符号q表示：理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m3/（m2·h）。故只要确定颗粒的截留速度u0，就可以求得理想沉淀池的溢流率或表面负荷率。

对于沉速大于u0的颗粒，能全部沉淀去除，而沉速小于u0的颗粒，只有位于高度h一下的颗粒才能沉淀下来。所以其沉淀效率为h/H。对沉速为u0的颗粒，由水面沉至池底的时间为t0=H/u0,沉速为u的颗粒由h高度处沉至池底的时间t0=h/u。所以，H/u0=h/u，所以，沉速小于u0的颗粒的去除效率为：

可知，沉速小于u0的颗粒只有部分能沉淀下来，其沉淀效率等于沉速与截留沉速的比值。沉淀池由五部分组成：进水区、出水区的功能是使水流的进入与流出保持平稳，以提高沉淀效率。沉淀区是沉淀进行的主要场所。贮泥区贮存、浓缩与排放污泥。缓冲区避免水流带走沉在池底的污泥。缓冲区4.2.4浑水异重流及平流沉淀池的构造特点密度大的浑水进入沉淀池后，在重力作用下会潜入池的下部流动，形成所谓浑水异重流，也称密度流。

浑水异重流发生时，清、浑水交界面应能保持稳定而不相互混杂。式中v——水流的流速；ρm——浑水的密度；Δρ——池内浑水与清水的密度差；H——池内水的深度；0.2~0.7——临界值。

Fr'>0.2~0.7，两种水体交界面不能保持稳定，互相混杂；Fr'<0.2~0.7，交界面保持稳定。弗罗德数的另一种表达式:条件：泥沙浓度100mg/L，0.5℃温差；或泥沙浓度275mg/L

R为沉淀池的水力半径。在给定条件中，此式可用于判别沉淀池中是否会出现浑水异重流。同时，判别式指出，增大Fr可减轻浑水异重流的影响。当池内发生异重流时，即使用布水板在进水断面上均匀布水，进池浑水还是会潜入池下部流动，所以在进水端面沿着深度方向均匀布水意义不大，重要的是沿池宽方向需均匀布水为了适应异重流的影响，许多水厂开始从池表面积水，有的还将集水槽向池中部延伸，甚至达到池长1/4的距离，仍能取到清澈的沉淀水。平流沉淀池常采用溢流堰活穿孔集水槽。以溢流堰长度除出水流量，得到出水单宽流量，沉淀池出水溢流堰的单宽流量一般不宜超过20m3/（h.m）。（5.56L/(s.m)）除浑水异重流外，还有以下一些因素影响池内水流：①.温差引起的温度密度流；

②.进水布水不均和出水集水不均等引起的短流；

③.风浪引起的环流、水流的紊动等。池内水流的流态，可由雷诺数来判定：明渠中的水流，雷诺数大于500即判定为紊流。所以，平流沉淀池中的水流一般皆为紊流。紊流会降低池中杂质颗粒的去除率。

增大水流的Fr可减小浑水异重流的影响，同时也可减小其他上述各种水流的不良影响，所以现代平流沉淀池采用较高的流速，一般为10~20mm/S，最高可达50mm/S。提高流速有一定的限度，以免流速过大，水流紊动过强，使沉下的杂质重新被水冲起。采用较小的水深，可使R减小，从而增大Fr，提高水流稳定性。平流沉淀池池深一般采用2.5~3.5m。在平流沉淀池中设置多条导流墙，可增加水流断面湿周，从而使得R减小。所以，现代的平流沉淀池常具有窄而长的池型。L/B>4,L/H>10，每格宽度应在3～8m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1.5–2.0m，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B1.沉淀池的表面积AQmax——最大设计流量,m3/s；q——表面水力负荷,m3/(m2·h),初沉池一般取1.5~3m3/(m2·h)，二沉池一般取1~2m3/(m2·h)。2.沉淀区有效水深h2式中：t——沉淀时间,h,初沉池一般取1~2h,二沉池一般取1.5~2.5h。沉淀区有效水深h2通常取2~3m。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30~50m，为了保证污水在池内分布均匀，池长与池宽比不小于4，以4~5为宜。长深比不宜小于8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；h4′——泥斗高度，m；h4″——梯形的高度，m。沉速公式及使用条件h

h1

B

0

t

A

t

自由沉淀的静水试验

h

取样口

直径≥100mm；高度1500～2000mm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、p2…p*…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/C0…P*=C*/C0…Pn=Cn/C0相应的去除量为：1-P1、1-P2…1-P*…1-Pn取样口水样中的残余悬浮物浓度与沉速关系v=h/t1－P*

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：1－P*

2.沉速小于v＊的颗粒…Vn－2…，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Vn－2的颗粒为例，在沉淀时间t＊内的下沉距离为hn-2=t*×Vn－2，在hn-2的距离内不含Vn－2这些颗粒了，Vn－2的颗粒去除率为：

所有沉速小于V*的颗粒去除率：总去除率：

1－P*+

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