沉淀池设计与计算

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第六节、普通沉淀池

沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池两大类。依照水在池内的总体流向，普通沉淀池又有平流式、竖流式和辐流式三种型式。

普通沉淀池可分为入流区、沉降区、出流区、污泥区和缓冲区5个功能区。入流区和出流区的作用是进行配水和集水，使水流均匀地分布在各个过流断面上，为提高容积利用、系数和固体颗粒的沉降提供尽可能稳定的水力条件。沉降区是可沉颗粒与水分开的区域。污泥区是泥渣贮存、浓缩和排放的区域。缓冲层是分隔沉降区和污泥区的水层，防止泥渣受水流冲刷而重新浮起。以上各部分相互联系，构成一个有机整体，以达到设计要求的处理能力和沉降效率。

一、平流沉淀池

在平流沉淀池内，水是按水平方向流过沉降区并完成沉降过程的。图3-16是没有链带式刮泥机的平流沉淀池。废水由进水槽经吞噬孔口进入池内。在孔口后面设有挡板或穿孔整流墙，用来消能稳流，使进水沿过流断面均匀分布。在沉淀池末端没有溢流堰(或吞噬孔口)和集水槽，澄清水溢过堰口，经集水槽排出。在溢流堰前也设有挡板，用以阻隔浮渣，浮渣通过可转动的排演管收集和排除。池体下部靠进水端有泥斗，斗壁倾角为50°～60°，池底以0.01～0.02的坡度坡向泥斗。当刮泥机的链带由电机驱动缓慢转动时，嵌在链带上的刮泥板就将池底的沉泥向前推入泥斗，而位于水面的刮板则将浮渣推向池尾的排渣管。泥斗内设有排泥管，开启排泥阀时，泥渣便在静水压力作用下由排泥管排出池外。[显示图片]链带式刮泥机的缺点是链带的支承和驱动件都浸没于水中，易锈蚀，难保养。为此，可改用桥式行车刮泥机，这种刮泥机不但运行灵活，而且保养维修都比较便利。对于较小的平流沉淀池，也可以不设刮泥设备，而在沿池的长度方向设置多个泥斗，每个泥斗各自单独排泥，既不相互干扰，也有利于保证污泥浓度。

沉淀池的设计包括功能构造设计和结构尺寸设计。前者是指确定各功能分区构件的结构形式，以满足各自功能的实现；后者是指确定沉淀池的整体尺寸和各构件的相对位置。设计良好的沉淀池应满足以下三个基本要求；有足够的沉降分开面积：有结构合理的人流相出流放置能均匀布水和集水；有尺寸适宝、性能良好的污泥和浮渣的收集和排放设备。进行沉淀池设计的基本依据是废水流量、水中悬浮固体浓度和性质以及处理后的水质要求。因此，必需确定有关设计参数，其中包括沉降效率、沉降速度(或表面负荷)、沉降时间、水在池内的平均流速以及泥渣容重和含水率等。这些参数一般需要通过试验取得；若无条件，也可根据相像的运行资料，因地制宜地选用经验数据。以-萨按功能分区介绍设计和计算方法。

1.入流区和出流区的设计

入流和出流区设计的基本要求，是使废水尽可能均匀地分布在沉降区的各个过流断面，既有利于沉降，也使出水中不挟带过多的悬浮物。

常用的配水方式如图3-17。紧靠池壁内侧是一条横向配水槽，其后的人流装置可以有三种不同组合。溢流堰的堰口要确保水平；底孔应沿池宽等距离分布且大小相等；为了减弱射流对沉降的干扰，整流墙的开孔率应在10～20％，孔口的边长或直径应为50～150mm，最上一排孔口的上缘应在水面以下0.12～0.15m处，最下一排的下缘应在泥层以上0.3～O.5m处；挡板需高出水面0.15～0.2m，吞噬深度不小于O.2m，距离进水口0.5～1.0m。[显示图片]

集水槽的布置有图3--18所示的三种基本方式。其中以(a)最为简单，但因长度短，流速大，简单挟带较多的悬浮物；(b)种加设了一组纵向支渠，水力条件最好，但结构较繁杂。目前，也有在沉淀池中、后部加设横向中途集水槽的。出流口常采用溢流堰和吞噬潜孔。前者可为自由堰，也可为锯齿形三角堰，堰前设置挡板，用以稳流和阻挡浮渣，挡板吞噬深度为0.3～O.4m，距溢流堰O.25～O.5m。出水溢流堰不仅控制着池内水面的高崖，而且对水流的与勺分布和出入水质古重要影M向，由此堰白必匆严格水平，以征证堰负荷(即单位堰长在单位时间的排水量)适中且各处相等。在采用吞噬潜孔时，要求孔径相等，并应沿池子宽度上均匀分布，吞噬深度征0.15-0.2m。[显示图片]2．沉降区的设计

沉降区设计的主要内容是确定沉降区的长、览、浇尺寸和沉淀池座数或分格数，其主要内容如下：

(1)由设计流量Q(m3／h)和表面负荷q(m3／m2.h)，按A＝Q／q计算沉降区表面积A(m2)。(2)由与Q对应的水平流速v(mm／s)和沉降时间t，按L2＝3.6vt计算沉降区长L2(m)。一般取v≤5mm／s；t取l.5～2.0h。(3)

按B2＝A／L2计算池宽B2(m)，并按L2／b＝4～5的要求得单池或单格宽b(m)的近似尺寸。(4)由n＝B2／b确定沉淀池座数或分格数n。显然，由于n只能为正整数，而n、B2和b又相互关联，因此在确定n值后，需对b或B2作必要调整，但仍需满足L2／b≥4的要求。此外，在采用机械刮泥时，b值还必需与刮泥机的衍架宽度相匹配。为了便于检修倒换，n值不应小于2，但也不宜过大，以免增大造价。3．污泥区的设计

污泥斗的容积可由排泥周期内沉降的泥渣量确定。泥渣体积Vw(m3)按下式计算：(3-22)

式中Q--废水设计流量，m3／h；

C和C--分别为进水和出水的SS浓度，mg／L；P--泥渣含水率(%)；

γ--泥渣容重，kg／m3，当泥渣主要为有机物且含水率在95％以上时，可取1000kg／m3；

T--排泥周期，一般取1～2d。对倒正棱台形泥斗，其容积Vd(m3)按下式计算：(3-23)

式中a1和a2--分别为泥斗上、下底边长，m；

h4--泥斗高度，m；，a为泥斗壁烦角，按污泥滑动性取450～600。

设m为沉淀池的泥斗数，如mVd≥Vw，则能满足要求，否则应增加泥斗数或缩短排泥周期。

4．沉淀池的整体尺寸

设前、后挡板与进、出水口的距离分别为L1和L3，则沉淀池总长L(m)为：(3-24)

设缓冲层高度为h3，当没有刮泥机时，h3＝(hm+0.3)，hm为刮泥板高度；不设刮泥机时，h3取O.5m。为了适

应冲击负荷的水位变化，有效水深以上应有保护高度h1，常取0.3m。故沉淀池总高H(m)为：

二、竖流沉淀池(3-25)

竖流沉淀池多用于小流量废水中絮凝性悬浮固体的分开，池面多呈圆形或正多边形。图3-19为圆形竖流沉淀池的结构示意图，其上部圆筒形部分为沉降区，下部倒圆台部分为污泥区，二者之间有0.3～O.5m的缓冲层。沉淀池运行时，废水经进水管进入中心管，由管口出流后，借助反射板的阻挡向四周分布，并沿沉降区断面缓慢竖直上升。沉速大于水速的颗粒下沉到污泥区，澄清水则由周边的溢流堰溢入集水槽排出。溢流堰内侧设有半浸没式挡板来阻止浮渣被水带出。[显示图片]

竖流沉淀池的直径一般在4～8m，最大不超过10m，以1.5～2.0m的静水压力排泥。为保证水流的竖向运动，池径与沉降区深度之比不宜大于3。如池径大于8m，应增设径向集水槽。

竖流沉淀池内，水流水平分速为零，在静水中沉速为us的颗粒在池内的实际沉速为us与水上升流速v的矢量和(us-v)，颗粒被分开的条件为us＞v，而us≤v的颗粒始终不能沉底，因而其沉降效率与具有一致表面负荷的平流沉淀池相比减小了；即ET=(1-p0)100(％)。竖流沉淀池的设计参数如下：(1)表面负荷，按公式(3-20)计算，当无资料时，可按v＝(O.5∽0.8)mm／s，即q(2.0～3.O)m3／m2·h取用。(2)沉降时间按公式(3-20)求取；当无资料时，可取t＝(1.0～2.0)ha。

(3)管口不设反射板时，取中心管内流速v0≤0.03m/s；设反射板时，v0≤0.1m/s。(4)中心管与反射板之间的

流速v1一般不大于0.04m／s。(5)中心管及反射板的结构尺寸如图3-20。(6)保护高度取0.3～0.6m，缓冲层高度取0.3m，泥斗壁倾角取45°～55°。[显示图片]竖流沉淀池的设计计算内容如下：

(1)中心管的断面A1(m2)和直径d(m)由单池流量Q／n(m3／h)及中心管流速v0(m／h)计算，其中Q为废水流量(m3／h)，n为池数

(2)由表面负荷q(m3／m2·h)及单池流量计算沉淀区断面积人A(m2)。(3)由A1和A2计算沉淀池表面积A(m2)和直径D(m)。

(4)由上升流速v(m／h)和沉降时间t(h)计算沉降区有效水深h2(m)。

(5)由中心管出流速度v(m／h)和喇叭口直径d1(m)计算喇叭口与反射板问高度h3(m)。(6)污泥体积Vw的计算同平流沉淀池，污泥斗实际体积Vd(m3)为：

式中h5--泥斗圆台部分高度(m)；

(3-26)

R和r--分别为圆台上、下底半径(m)。(7)沉淀池总高H(m)按下式计算：

式中h1--保护高度，m；h4--缓冲层高度，m。

(3-27)

三、辐流沉淀池

辐流沉淀池是一种直径较大的圆形池，其结构如图3-21。废水经进水管进入中心布水筒后，通过筒壁上的孔口和外围的环形穿孔整流挡板，沿径向呈辐射状流向池周，经温流堰或吞噬孔口汇入集水榴排出。沉于池底的泥渣，由安装于衍架底部的刮板以螺线形轨迹刮入泥斗，再借静压或污泥泵排出。[显示图片]

悬浮固体颗粒在辐流沉淀池中的沉降规律如图3-22。由于过流断面由中心向周边不断增大，水平分速逐渐减小，因此其沉降轨迹呈下垂曲线。如没中心筒半径为rl，池半径为R，沉降区水深为H，那么在半径为r的任意点上，颗粒在dt时间内在水平方向和竖直方向上的位移分别为dr=vdt和dH=udt。由于dH/u=dr/v，故颗粒的分开条件为

。将

代入，整理后可得：[显示图片]

或（3-28）

可见，辐流沉淀池中颗粒的分开条件与平流沉淀池一致，总沉降效率仍为

辐流沉淀池的直径一般为20～40m最大可达100m。池中心深度为2.5～5.0m，周边深度为1.5～3.0m。池底以0.06～0.08的坡度坡向泥斗。这种沉淀池的缺点主要是中心进水口处流速较大，且呈紊流，简单影响初期沉降效果。为此，目前已出现了一些新的池型，如回转悬槽配水式和向心辐流式等。

辐流沉淀池的表面负荷q和沉降时间t应通过沉降试验确定，对生活污水，q可取2.0～

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3.6m／m·h，t取1.5～2.0h。将效水深h2寻常取池半径1／2处的深度值。池表面积和直径的计算与竖流沉淀池一致；泥渣体积和波斗尺寸的计算与平流沉淀池一致，但排泥周期一般为4h。沉淀池总高H(m)按下式计算：(3-29)

式中h1--保护高度，取0.3m；

h3--缓冲层高度，计算方法同机械刮泥手流沉淀池；

h4--泥斗上缘到池半径1／2处的高度，h4＝Di／4，i为池底坡度；h5--污泥斗高度。第七节斜板和斜管沉淀池

斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理没汁的新型沉淀池。与普通沉淀池比较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。一、浅层沉降原理

设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为L、B和H，表面积为A，处理水量为Q，表面负荷为q0，颗粒沉速为u0，则由公式(3-19)，可得Q=u0A。由此可见，在A一定的条件下，若增大Q，则u0成正比增大，从而使u≥u0。的颗粒所占分率(1-p0)和u＜u0的颗粒中能被除去的分率u／u0都减小，总沉降效率ET相应降低：反之，要提高沉降效率，则必需减小u0，结果Q成正比减小。以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之间呈此长被落的负相关关系。

但是，假使象图3-23那样，将沉降区高度分隔为n层，即n个高度为h＝H／n的浅层沉降单元，那末在Q不变的条件下，颗粒的沉降深度由H减小到H／n，可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的u≥u0扩大到u≥u／n，沉速u＜u0的颗粒中能被除去的分率也由u/u0增大到nu／u0，从而使公值大幅度提高；反之，在ET值不变，即沉速为u0的颗粒在下沉了距离h后恰好运动到浅层的右下端点，那末由u0／v`=h／L和h＝H／n可得v`＝nv，即n个浅层的处理水量Q`＝HBnv=nQ，比原来增大了n倍。显然，分隔的浅层数愈多，ET值提高愈多或Q`值增加愈多。[显示图片]

此外，沉淀池的分隔还能大大改善沉降过程的水力条件，当水以速度v流过当量直径为de的断面时，雷诺数Re＝devρ1/μ，de＝4R(R为水力半径)。若原沉淀池内水流的雷诺数为Re，则分隔为n个浅层后的雷诺数Re`＝(B+H)Re／(nB+H)。假使再沿纵向将池宽B也分为n格，即相当于n2个管形沉降单元，那末其雷诺数Re\＝Re／n。显然，只Re\＜R`＜Re。实际上，普通沉淀池中，Re＝4.O×103-1.5×105，水流处于紊流状改而在斜板和斜管沉淀池内则可分别降至500和100，远小于各自的层流临界雷诺数103和2.0×lO3，可使颗粒在稳定的层流状态下沉降。其次，由于浅层和管形沉降单元的水力半径R很小，表征水流稳定性的佛劳德数Fr＝v2／Rg可增大至10-3～10-4以上。上述沉降面棚大和水力条件改善的双重有利因素，不但使斜板、斜管沉淀池能在接近于理想的稳定-条件下高效率运行，而且也大大缩小了处理单位水量所需的池容。二、斜板、斜管沉淀池的构造

将浅层沉降原理应用于工程实际时，必需解决沉泥从隔板上侧顺利滑入泥斗的问题。为此，要把隔板倾斜放置，而且相邻隔板之间要留有适当的间隔。一块隔板和它上面间隔雌的空间就构成…个斜板沉降单元。假使再用垂直于斜板的隔板进行纵向分隔，每个斜板单元就变为若干个斜管沉降单元。斜板倾角θ寻常按污泥的滑动性及其滑动力向与水流方向是否一致取300～600，为了安装和检修的便利，寻常将大量斜板或斜管预制成规格化的整体，然后安装在沉淀池内，就构成如图3-24所示的斜板或斜管沉淀池。图中，安装斜板或斜管的区域为沉降区，沉降区以下依次为入流区和污泥区，沉降区上面为出流区。沉淀池工作时，水从斜板之间或斜管内流过，沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自动滑入泥斗。这种沉淀池常用穿孔整流墙布水，以穿孔管或吞噬孔口集水，也可在池面上增设潜孔式中途集水槽使集水更趋均匀。集泥常采用多斗式，以穿孔管靠静压或泥泵排泥。沉降区高度大多为0.6～1.Om，入流、出流区高度分别为0.6～1.2m和0.5～1.0m。为防止水流短路，须在池壁与斜板或斜管体间隙处安装阻流板。[显示图片]

根据沉降区内水流与污泥的相对运动方向，斜板、斜管沉淀池分为异向流、同向流和横向流三种。异向流可采用斜板或斜管单元，而同向流和横向流则只能采用斜板单元。目前主要采用异向流。

斜板和斜管体常用薄塑料板模压和粘结制成。斜板可用平板或波纹板。斜管断面有正六边形、菱形、圆形和正方形，其中以前两种最为常用。斜板断面与斜管断面并无严格的界限，若以R和d分别代表水力半径和断面高度，则当R＞d／3时称为斜板，而R≤d／3时则称为斜管。

三、斜板、斜管沉淀池的设计计算

异向流斜板、斜管沉淀池及同向流斜板沉淀池的设计参数如表3-7。

表3-7斜板、斜管沉淀池的设计参数设计表面负荷安装倾斜板斜管斜板斜管断入流区高出流区高斜板斜管利q(m3/m2.角(0)长度l(m)面高度d(mm)度h4(m)度h2(m)用系数kh)4～64～650～600.8～1.250～600.8～1.0上段1.5～2.030～40同向流斜板10～15下段0.5～0.850～60

图3-25为固体颗粒在异向流、同向流和横向流斜板沉降单元内的沉降规律图尔。没斜板长为l，宽为w，倾角为θ，板间净距为d，单元内的水速为v，颗粒沉速为u0，则颗粒的运动由v和u0合成。按图3-25(a)中的几何关系，可得：[显示图片]

50～800.6～1.20.5～1.00.8～0.980～10050～800.6～1.20.5～1.00.90～0.950.5～1.00.5～1.00.85～0.9异向流斜板异向流斜管(3-30)

因通过每个沉降单元的流量，即q=v·w。将其代入上式，则可得：d·w，即v=q/d·

(3-31)

上式中的lwcosθ为一个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积，用af表示；dw/sinθ为沉降单元的水平底面积，用a表示。af+a即为一个沉降单元的总沉降面积。若沉降单元数为n，斜板利用系数为k，则有：(3-32)

式中Q--沉淀池设计流量；Af--所有沉降单元的斜板的总水平投影面积；A--所有沉降单元的水平底面积。同理可以证明，对同向流斜板沉淀池有：

对横向流沉淀池有：