《油田污水处理》第二章 沉淀法

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第2章

沉淀法

(Sedimentation)

目的要求：

1掌握沉淀的基本原理

2了解沉淀的分类与特点及其应用

3掌握化学沉淀法重点难点：沉淀的基本原理；沉淀实验；化学沉淀法教学内容2.1概述2.2自由沉降试验2.3理想沉淀池2.4沉淀池2.5沉砂池2.6隔油池2.7化学沉淀法2.1概述2.1.1定义

重力沉降法是依靠废水中悬浮物密度与水密度不同这一特点来分离废水中固体悬浮物的方法。

原理：

当悬浮物的密度大于水的密度时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物(sludge)。当悬浮物的密度小于水的密度时，悬浮物将上浮到水面形成浮渣（scum），通过收集沉淀物与浮渣，使废水得到净化的过程就是重力分离的方法。(1)当悬浮物密度大于水时，悬浮物下沉与水分离。

——沉淀(2)当悬浮物密度小于水时，悬浮物上浮与水分离。

——上浮①砂粒②化学沉淀③混凝絮体④生物污泥⑤污泥浓缩沉砂池浓缩池沉淀池

2.1.2沉淀去除的对象及构筑物2.1.3沉降在废水处理系统中的作用

(1)在一级处理的废水处理系统中，沉降是主要处理工艺，废水处理效果的高低，基本取决于沉淀池的沉淀效果。

(2)在二级处理的废水处理系统中，沉降具有多种功能。在生物处理设备前设初次沉淀池，以减轻后继处理设备的负荷，保证生物处理设备净化功能的正常发挥。2.1.3沉降在废水处理系统中的作用：在生物处理设备后设二次沉淀池，用以分离生物污泥，使处理水得到澄清。

(3)在灌溉或排入氧化塘前，废水也必须进行沉降处理，以稳定水质，去除寄生虫卵和能够堵塞土壤孔隙的固体颗粒。

重力沉降过程是一个看起来简单，实际上很复杂的过程，下面我们详细介绍重力沉降过程。2.1.4沉降过程的分类根据废水中可沉降物质颗粒的大小、凝聚性能的强弱及其浓度的高低，按观察到的现象可把沉降可分为四种类型：

※自由沉降(discretesettling)

※絮凝沉降(flocculentsettling)

※成层沉降(集团沉降、干涉沉降）(zone,settlinggroupsettling,hinderedsettling)

※压缩沉降(compressionsettling)颗粒性质和浓度对沉降类型的影响

自由沉淀絮凝沉淀成层（拥挤）沉淀压缩沉淀沉淀分散颗粒强絮凝颗粒高值低值固体％

(1)自由沉淀

水中悬浮物颗粒浓度低，呈离散状态；互不干扰，各自完成沉淀过程。颗粒在下沉过程中的形状、尺寸、密度、不发生变化。例如：沉砂池

自由沉降过程示意图液面t=0时t=t1时t=t2时t=无穷大时在搅拌的作用下分布均匀随着沉降的进行，上部变清到一定时间，沉降完成。离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变

(2)絮凝沉淀

水中悬浮物浓度不高，但有絮凝性能。在沉淀过程中互相碰撞发生凝聚，其粒径和质量均随沉淀距离增加而增大，沉淀速度加快。

例如：二沉池；混凝沉淀絮凝沉降的特点：发生条件：

固体浓度也不高，但具有凝聚性颗粒。特征：

※在沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结合成较大的絮凝体而沉降；

※沉降的过程中颗粒的尺寸不断变化；颗粒的沉降速度是变化的。现象：

水也是逐渐变清的，但可观察到颗粒的絮凝现象。

(3)拥挤沉淀(成层沉淀)

水中悬浮物浓度较高，颗粒下沉受到周围其它颗粒的干扰，沉速降低，颗粒碰撞互相“凝聚”而共同下沉，形成一明显的泥、水界面。沉淀过程实质是泥、水界面下降的过程，沉淀速度为界面下降速度。

如：二沉池的上部；污泥浓缩池上部

发生条件：

废水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后发生的。

特征：

每个颗粒的沉淀将受到其周围颗粒存在的干扰，沉速有所降低，在聚合力的作用下，颗粒群结合成为一个整体，各自保持相对不变的位置共同下沉。

现象：

实验时可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面，沉降的过程实际上是该界面下沉的过程。成层沉降的特点：FLASH

(4)压缩沉淀当悬浮物浓度很高、颗粒互相接触、互相支承，在上层颗粒的重力作用下将下层颗粒间的水挤出，使颗粒群浓缩。

例如：二沉池污泥斗;

浓缩池底部压缩沉降的特点：发生条件：

废水中悬浮物的浓度很高时发生的。特征：

此时固体颗粒互相接触，互相支承，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的液体被挤出界面，固体颗粒群被浓缩。现象：

粒群与水之间也有明显的界面，但颗粒群部分比成层沉降时密集，界面的沉降速度很慢。不同沉降过程示意图

A－澄清区(clearwaterzone)；B－沉降区(hinderedsettlingzone)；C－过渡区(transitionzone)；D－压缩区(compressionzone)开始时在搅拌的作用下是分布均匀清水区，此处等于出水的水质沉降区，该区内浓度基本相同，且不随时间变化过渡区，该区内浓度随深度变化压缩区，该区内浓度基本相同，但比沉淀区高沉降区和清水区有明显的界面，沉降的过程是该界面以等速下沉2.2自由沉降试验2.2.1颗粒自由沉降速度的确定实际中水流状态、悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂的，影响颗粒沉淀的因素很多。为了解颗粒在水中自由沉降过程的动力学本质，计算颗粒沉降速度(terminalsettlingvelocity)的假设：

（1）颗粒为球形，不可压缩，也无凝聚性，沉降过程中其大小、形状和质量等均不变；（2）水处于静止状态；（3）颗粒沉降仅受有效重力和水的阻力作用。在以上假设的条件下可以得出球形颗粒的沉降速度公式。

假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的有效重力为：

所受到的水的阻力：

阻力系数

λ与颗粒大小、形状、粗糙度、沉速有关。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，加以整理，得沉速公式：

λ与Re有关水流状态：层流状态：Re<1时，——Stokes式过渡状态：1<Re<103

时，——Fair式紊流状态：103<Re<105时，λ=0.44——Newton式阻力系数λ

A.Stocks公式当Re<1时：呈层流状态Re=ρud/μStokes公式

B.Newton公式

当1000<Re<25000时，呈紊流状态，λ接近于常数0.4代入得Newton公式：C.Fair公式当1<Re<1000时，属于过渡区，λ近似为代入得Fair公式：Stokes公式说明的问题

（1）颗粒与水的密度差（p－l）愈大，它的沉速也愈大，成正比关系。

当p>l时u>0，颗粒下沉；

当p<l时,u<0，颗粒上浮；

当p=l时，u=0，颗粒既不下沉也不上浮。

Stokes公式说明的问题

（2）水的粘度愈小，沉速愈快，成反比关系。因粘度与水温成反比，故提高水温有利于沉降

Stokes公式说明的问题

（3）颗粒直径愈大，沉速愈快，成平方关系。因此随粒度的下降，颗粒的沉降速度会迅速降低。实际水处理过程中，水流呈层流状态的情况较少，所以一般沉降只能去除d>20m的颗粒。Stokes公式应用举例：油珠的直径为50m，密度为800kg/m3。试计算油珠在20℃水中的上浮速度。（水粘度为0.00101Pa·s）Stokes公式应用举例：油珠的直径为50m，密度为800kg/m3。试计算油珠在20℃水中的上浮速度。（水粘度为0.00101Pa·s）解:油珠d＝50m=5×l0-5m，20℃水的粘度＝0.0010lPa·s，代入Stokes公式得：u=9.81(1000-800)×(5×10-5)2/18×1.01×10-3

=2.7×10-4m/s=0.97m/h核对Ｒｅ＝2.7×10-4×10３×5×10-5/1.01×10-3

＝０.０１３＜１2.2.2自由沉降去除率的确定

目的：颗粒自由沉降虽然能够计算，但其计算公式推导过程有许多假设，实际情况与这些假设相差较大，因此实际沉降要复杂得多，需要通过试验才能确定设计沉淀池的参数。2.2自由沉降试验31

2.2.2自由沉降去除率的确定

自由沉降试验所用的沉降柱(settlingcolumn)示意图

每次试验用5–7个相相同的沉降柱溢流口取样口试验步骤：（1）根据废水的性质和希望达到的去除率估计所需的总沉降时间、沉降时间间隔和取样的次数。

一般为5–7次，取样太多，测定所需的时间和费用高，数据处理也麻烦，次数太少则准确性差。

把沉降柱编号、沉降时间间隔写在记录表中。（2）将待测废水搅拌均匀，加入到各沉降柱中直至水从上部溢流口溢出为止，搅拌均匀并测定原始浓度c0；（3）搅拌均匀后开始计时，并按确定好的时间间隔，顺序从不同的沉降柱取样口取样，分别测定相应的悬浮物浓度c1、c2、c3…cn。（4）计算各沉降时间的沉降速度ui=H/ti。它的意义是在时间ti内能沉降H高度的最小颗粒的沉降速度；（5）计算剩余固体分数x（xi=ci/c0），它的意义是悬浮物中沉降速度小于ui的颗粒占悬浮物总量的分数。 因为在沉降ti时间时，悬浮物中沉降速度大于ui的颗粒已全部沉降过了取样口，而沉降速度小于ui的颗粒的浓度不变。所得数据见下表。35

试验记录用表格沉降柱编号123…

n沉降时间/mint1t2t3…

tn试样固体浓度/（mg/L）c1c2c3…

cn沉降速度/（m/s）ui=H/tiu1u2u3…

un剩余固体分数xi=ci/c0x1x2x3…

xn（6）以沉降速度u为横坐标，x为纵坐标作图，得到下图所示曲线：X悬浮物沉淀累积分布曲线

(7)沉淀效率计算▲

u≥u0颗粒去除率：t0时间内，沉淀距离H,全部去除。

▲u<u0某一颗粒的去除：在t0时间内其沉淀距离为h<H,有部分颗粒通过取样面被去除,去除比例为h/HX去除率为(1-x0)x0表示沉速u<u0的颗粒与全部颗粒的比。▲u<u0所有颗粒的去除率：某一颗粒与颗粒总量的比例为dx，被去除的颗粒为：沉速u<u0所有颗粒的去除率应为：

在t0时间内，各种颗粒沉淀的总去除率为：

X（8）按上述方法求出不同沉降时间的总去除率，再以沉降时间t为横坐标，总去除率Et为纵坐标作图，即可得到右图所示的总去除率与沉降时间之间的关系。例：某废水静置沉淀试验数据如下表所示，试验有效水深H=1.2m，试求各沉淀时间的颗粒去除率。沉淀时间/min01530456090180xi=ci/c010.960.810.620.460.230.06沉淀时间/min01530456090180xi=ci/c010.960.810.620.460.230.06u=H/t/(cm/min)-842.6721.330.67Et以60min时为例，u0=2cm/minx0=0.46u0=2cm/minx0=0.46沉淀时间/min01530456090180xi=ci/c010.960.810.620.460.230.06u=H/t/(cm/min)-842.6721.330.67Et0.82沉淀时间60min时，颗粒总去除率为82%，其中沉速大于2cm/min的颗粒占54%，小于的占28%沉淀时间/min01530456090180xi=ci/c010.960.810.620.460.230.06u=H/t/(cm/min)-842.6721.330.67Et0.340.580.750.820.910.982.3理想沉淀池前面所述沉淀曲线是静止沉淀试验的结果，虽然它比较真实地反映了废水中不同的悬浮颗粒沉降的特性，但是并不能反映实际沉淀池中水流运动对悬浮颗粒沉降的种种复杂影响。为了分析悬浮颗粒在沉淀池内运动的普遍规律及分离结果，哈增和坎普提出了一种概念化的沉淀池——理想沉淀池。理想沉淀池的假定条件：

①进出水均匀分布在整个横断面，亦即沉淀池中各进水断面上各点流速均相同；

②悬浮物在沉淀过程中以等速下沉；

③悬浮物在沉降过程中的水平分速度等于水流速度，水流是稳定的。

④悬浮物落到池底污泥区，不再上浮，即被除去。

◆在沉淀区的每个颗粒一面下沉，一面随水流水平运动，其轨迹是向下倾斜的直线。◆沉速大于u0的颗粒可全部除去；沉速<u0的颗粒因处于水面以下，也可以除去一部分。例如：沉速为u的颗粒被除去率为h/H或u/u0。

理想平流式沉淀池式意图

宽度(B)高H/长度(L)

设：处理水量Q(m3/s)

水平流速度v(m/s)

沉淀池宽度B(m)，长度L(m)，高度H(m)

水面面积A(m2)：A=BL

沉淀池容积V(m3)：V=BLH

故：颗粒在沉淀池内的沉淀时间t为：

t=L/v=H/u0V=Qt=HBLQ=V/t=HBL/t=BL(H/t)=Au0

有：u0=Q/A=q0u0=Q/A=q0

Q/A的物理意义是：在单位时间内通过沉淀池单位面积的流量，称为表面负荷或溢流率，用q0表示。表面负荷的量纲m3/(m2·s)或m3/(m2·h)。表面负荷q0的数值等于颗粒沉速u0(m/s)

。结论：

★

若沉速u0确定（由停留时间和水深确定）后，则沉淀池的表面负荷q0值同时被确定。

★由于u0=q0=Q/A，表明沉淀效率取决于颗粒沉速或表面负荷，与池长和水流速度无关。

★通过静止沉淀试验，根据要求达到的沉淀总效率，求出颗粒沉速后，也就确定了沉淀池的表面负荷(过流率)。

例如：某废水静置沉淀试验数据如下表所示，试验有效水深H=1.2m，要求处理后颗粒的总去除率高于90%，试求该沉淀装置的最大表面负荷。沉淀时间/min01530456090180xi=ci/c010.960.810.620.460.230.06u0=H/t=120/94=1.28cm/minq0=Q/A=u0=1.28cm/min=2.1310-4

m3/(m2·s)

①主要是由于池进口及出口构造的局限，使水流在整个断面上分布不均匀，整个池子的有效容积未能得到充分利用，一些沉淀池还存在死水区，因此，废水在沉淀池中实际停留的时间要比理论停留时间短。②由于紊流的影响，悬浮颗粒的实际沉速比理想沉速小。③实际沉速还受水温，风吹等因素的影响。实际沉淀池与理想沉淀池是有区别的。2.4沉淀池

平流式沉淀池竖流式沉淀池辐流式沉淀池斜板式沉淀池按池内水流方向分类

2.4.1平流式沉淀池平流式沉淀池是废水从池的一端进入，从另一端流处，水流在池内作水平运动，池平面形状呈长方形，可以是单个或多个串联。FLASH

平流式沉淀池有进水区、沉淀区、出水区和污泥区四部分组成。(1)、进水区

进水区的作用是使水流均匀分布在整个断面上，尽可能减少扰动。入口流速小于25mm/s。为了保证不冲刷已有的底部沉积物，水的流入点应高出污泥层面0.5m以上。水流入沉淀池后应尽快消能，防止在池内形成短流或股流。设置整流装置。

沉淀池进口整流多采用穿孔槽外加挡板（或穿孔墙）的方法，沉淀池进水口布置形式如图示：

(2)、沉淀区

如前所述，要降低沉淀池中水流的Re数和提高水流的Fr数（弗鲁德数），必须设法减少水力半径，采用导流墙，对平流式沉淀池进行纵向分格等，均可减小水力半径，改善水流条件。

沉淀区的高度（有效水深H）与其前后有关处理构筑物的高程布置有关，一般约3-4m。沉淀区的长、宽、深之间相互关联，应综合考虑，还应核算表面负荷。

一般，L/B≥4，L/H≥10，每格宽度3-8m，不宜大于15m。(3)、出水区

沉淀后出水应尽量在出水区均匀流出。沉淀池常见出水口布置形式。

(4)、污泥区（积泥区和排泥区）

及时排出沉于池底的污泥是使沉淀池工作正常，保证出水水质的一项重要措施。沉淀池排泥方式有斗形底排泥、穿孔管排泥及机械排泥。目前基本都采用机械排泥，不需留存泥区，池底水平，略带坡度以便放空。排泥方式：

（1）刮泥：设置刮泥机（车），池底设计坡度0.01-0.02。（2）污泥泵排泥；（3）静水压力排泥（静水压力1.5-3.0m水头，排泥管径不小于200mm）。（4）如设有多个泥斗时，则无需刮泥装置，每个泥斗设独立的排泥管及排泥阀。2.4.2竖流沉淀池

竖流沉淀池水流方向与颗粒沉淀方向相反，其截流速度与水流上升速度相等。

2.4.2竖流沉淀池

竖流沉淀池水流方向与颗粒沉淀方向相反，其截流速度与水流上升速度相等。

结构：

竖流式沉淀池多为圆形，直径介于4-7m之间。沉淀池的上部为圆筒形的沉淀区，下部为截头圆锥状的污泥区，中间为缓冲层。竖流沉淀池特点

竖流沉淀池水流方向与颗粒沉淀方向相反，其截流速度与水流上升速度相等。（1）当颗粒发生自由沉淀时，其沉淀效果比平流式沉淀池中低得多。（2）当颗粒具有絮凝性时，则上升的小颗粒和下沉的大颗粒之间相互接触、碰撞而絮凝，使粒径增大，沉速加快。（3）沉速等于水流上升速度的颗粒将在池中形成一悬浮层，对上升的小颗粒起拦截和过滤作用，因而沉降效率比平流沉淀池高。沉淀池的设计：（1）沉淀时间t=1.5-3.5h；（2）表面负荷q0=1.0-1.5m3/m2.h；对应u0=q0（3）有效水深H=q0t；

池径D与有效水深（H）的比值不超过3：1。（4）池径D（4-7m）（5）中心管设计竖流沉淀池中心管内流速对悬浮物的去除有很大影响。中心管设计方法

中心管沉速小于30mm/s。

（6）缓冲层:反射板底距污泥表面为缓冲层,高度为0.3-0.5m。（7）污泥斗：贮泥斗倾角为45º-60º，可采用静压排泥或污泥泵排泥。（8）集水槽多采用平顶堰或三角形锯齿堰，堰口最大负荷为1.5L/m·s。当池的直径大于7m时，为集水均匀，还可设置辐射式集水槽。2.4.3辐流式沉淀池辐流式沉淀池是直径较大（20-30m）的圆池，最大直径可达100m。中心深度为3.5-5.0m，周边深度为1.5-3.0m。辐流式沉淀池结构FLASH中心进水周边进水进水方式

排泥方式：辐流式沉淀池大多数采用机械刮泥，将污泥收集到中心泥斗，通过静压力或污泥泵排出，刮泥机一般每小时转2-4周。主要设计参数：

1、有效水深H不大于4m；

2、池直径D不宜小于16m，D/H=6-12。

3、沉淀时间初沉池1-2h

二沉池1.5-3.5h4、表面负荷q0=1.5-3.0m3/m2.h；

5、池底坡度为0.05-0.10；中心泥斗坡度0.12-0.16。2.4.4斜板(管)沉淀池(一)浅池沉降理论对一深度为H、体积为V的平流式理想沉淀池，其处理水量：

结论一：通过降低沉淀池的深度可以提高沉淀池的效率结论二：如果把沉淀池分成n层，理论上在不改变流量和处理效率的条件下，沉淀池的体积可以缩小为原来的1/n；在不改变沉淀池体积的条件下可以把处理量提高到原来的n倍。

结论三：

在实际应用中，沉淀池的分格和分层还可改善水力条件，降低水的紊动性、提高水流稳定性，增大池的容积利用系数，从而提高去除效率。

工程应用：

在工程实际应用中，采用分层沉淀池，排泥十分困难，所以一般将分层的隔板倾斜一个角度，以便能自行排泥，这种形式即为斜板沉淀池。如各斜隔板之间还进行分格，即称为斜管沉淀池。进水区分离区出水区污泥区配水区清水区（二）斜板(管)沉淀池FLASH结构特点：

（1）斜板（管）倾角多采用60º，斜板（管）长一般在1.0-1.2m左右，板间距一般不小于50mm。斜管管径25-35mm。（2）斜板材料：大多采用聚氯乙烯平板或波纹板；斜管多为塑料片、波形石棉板、波形玻璃钢板粘合而成的蜂窝状管，断面有正六边形、圆形、椭圆形等，常制成组装件，便于安装。

（3）斜板沉淀池的结构形式：包括：异向流、同向流及横向流。

（4）进水方式：大多采用异向流。（5）斜板（管）上部清水区为0.7-1.0m，斜板（管）下部为配水区大于1.5m（目的：布水均匀），布水区下部为污泥区。（6）出水方式：采用穿孔集水管集水。（7）排泥方式：采用多斗排泥。

斜板（管）沉淀池的优点：

（1）水力条件好。水流雷诺数可降至200以下，弗罗德数可达10-3-10-4数量级。（2）处理能力比一般沉淀池大得多，

表面负荷通常9-11m3/m2.h（设计负荷）。（3）处理效率高。2.5沉砂池

（1）沉砂池的功能：从废水中分离比重较大的无机颗粒，如砂粒、炉灰渣、煤渣等。（2）沉砂池位置：设在泵站及沉淀池之前。（3）沉砂池作用：

A、保护水泵及管道免受磨损；

B、使沉淀池中的污泥具有良好的流动性，能防止排放与输送管道堵塞；

C、使无机颗粒和有机颗粒分离，便于分别处理和处置。（4）沉砂池的形式：

A、平流式沉砂池

B、竖流式沉砂池

C、曝气沉砂池A平流式沉砂池平流式沉砂池是最常用的一种沉淀池，它的截流效果好，工作稳定，构造简单，而且易于排除泥砂。FLASH结构特点：

平流式沉砂池的水流部分，实际上是一个加深加宽的明渠，两端设有闸板，以控制水流。在池底部设1-2个贮砂斗，下设排砂管。开启贮砂斗的闸阀，即能将沉砂排出。还可利用射流泵和螺旋泵排除泥砂，或利用高地或将沉砂池筑于高地，也利于排砂。B曝气沉砂池（一）工作特点普通沉砂池的一大缺点是其截流的沉砂中夹杂一些有机物。对被有机物包覆的砂砾的截流效果不高，而且沉渣容易腐败发臭，难以处置。曝气沉砂池能够克服上述缺点。

沉砂中有机物的含量低于5%，一般长期存放不腐败。

FLSAH

曝气的作用：①水力旋流使砂粒与有机物分离，沉渣不易腐败；②气浮油脂并吹脱挥发性物质；③预曝气充氧、氧化部分有机物，防止污水厌氧分解（脱臭）。

2.6.1含油废水的特征（a）油品在废水中分散的颗粒较大，粒径大于100m，称为浮油，在含油废水中，这种油占水中总含油量的60％－80％，是废水中油的主要部分，这种油易于从废水中分离出来；（b）油品在废水中分散的粒径很小，呈乳化状态，称乳化油，不易从废水中分离出来；（c）小部分油品呈溶解状态，称为溶解油，溶解度约为5－15mg/L。2.6隔油池(oilseparator)2.6.2隔油池的原理与构造隔油池是用自然上浮法分离、去除含油废水中可浮油的处理构筑物。废水从池的一端流入池内，从另一端流出。在流经隔油池的过程中，由于流速降低，密度小于1.0而粒径较大的油类杂质得以上浮到水面上，密度大于1.0的杂质则沉于池底。在出水一侧的水面上设集油管。91

平流式隔油池

FLASH1-配水槽；2-进水孔；3-进水间；4-排渣间；5-排渣管；6-刮油刮泥机；7-集油管92

波纹斜板式隔油池

教学内容2.1概述2.2自由沉降试验2.3理想沉淀池2.4沉淀池2.5沉砂池2.6隔油池2.7化学沉淀法一、基本概念化学沉淀法是向水中投加某些化学药剂，使之与水中溶解性物质发生化学反应，生成难溶化合物，然后通过沉淀或气浮加以分离的方法。这种方法可用