重力沉降法剖析课件

第三章

重力沉降法3.1概述沉降法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉，以达到固液分离的一种过程。分离对象:粒径>10µm

可沉物沉降处理工艺的应用沉砂池：用以去除污水中的无机性易沉物初次沉淀池：较经济的去除悬浮有机物，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。自由沉降悬浮颗粒浓度不高；非絮凝性或弱絮凝性，沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉降，颗粒沉降轨迹呈直线。沉降过程中，颗粒的物理性质不变。发生在沉砂池中。根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉降可分成四种类型悬浮颗粒浓度不高（50-500mg/L）；沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉降轨迹呈曲线。沉降过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的。化学絮凝沉降属于这种类型。絮凝沉降成层沉降压缩沉降悬浮颗粒浓度较高（500mg/L以上）；颗粒的沉降受到周围其它颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发生。悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤压成团状结构，互相接触，互相支承，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉降。图3.1活性污泥在二沉池中的沉降过程分析的假定沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变颗粒为球形颗粒只在重力作用下沉降，不受器壁和其他颗粒影响。静水中悬浮颗粒开始沉降时，因受重力作用产生加速运动，经过很短的时间后，颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时，颗粒即成等速下沉。3.2沉降的基本原理悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力时，下沉；重力等于浮力时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。悬浮颗粒在水中的受力分析2.根据牛顿定律，水对自由颗粒的阻力为FD

式中：

Fd-水对颗粒的阻力；

Cd-牛顿无因次阻力系数；

As-自由颗粒的投影面积；

uS-颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。式中：As——运动方向的面积

Cd——牛顿无因次阻力系数；

us——颗粒沉降速度

当受力平衡时，沉速变为us（最终沉降速度）得球状颗粒自由沉降的沉速公式：球状颗粒自由沉降的沉速公式图3.2阻力系数与绕流雷诺数的关系层流区（亦称斯托克斯定律）：μ是水的动力粘度。过渡区（艾伦区）紊流区（牛顿区）颗粒沉降速度uS影响因素：颗粒us下沉悬浮状态 不能用沉降法去除；

颗粒us上浮浮上法正比，

反比，斯托克斯定律图3.3沉降速度与颗粒直径与比重的关系3.3沉降试验和沉降曲线自由沉降试验及其沉降曲线絮凝沉降试验及其沉降曲线一、自由沉降试验及沉降曲线试验装置沉降试验H0=1.5~2.0mφ100mmH=H0-△H试验装置示意图试验方法1试验步骤：取直径为80～100mm,高度为1.5～2.0m的沉降筒n个（6～8个）；将已知悬浮物浓度C0与水温T的水样，注入各沉淀筒，搅拌均匀后，同时开始沉淀；取样点设于水深H=1.2m处经t1历时后，在第1个沉淀筒取100mL水样，经t2历时后，在第2个沉淀筒取等量水样，依次取样分析各水样的悬浮物浓度C1，C2……，Cn在直角坐标纸上，作沉降效率E与沉淀历时t之间的关系曲线，沉降效率E与沉速u关系曲线试验方法1(数据记录与处理)EuCn…Ci…C3C2C1C0C

…H0…H0H0H0Htn…ti…t3t2t1t0tE沉降时间，t(min)图3-1E-t曲线最小沉速，uE图3-2E-u曲线试验方法1(数据记录与处理)

试验方法1存在的缺陷

给定的沉降时间t内：对于u≥u0的颗粒全部除去 1-p0

对于u<u0的颗粒可被部分去除 p0给定的沉降时间t内：对于d≥d0的颗粒全部除去 1-p0

对于d<d0的颗粒可被部分去除 p0？？：对于u<u0的颗粒，可去除部分所占比例是多少？去除率是多少？Hh试验方法2步骤试验步骤：取直径为80～100mm,高度为1.5～2.0m的沉降筒n个（6～8个）；将已知悬浮物浓度C0与水温T的水样，注入各沉淀筒，搅拌均匀后，同时开始沉淀；取样点设于水深H=1.2m处；经沉降时间t1，t2，，

……，tn时，分别取1＃，2＃，……，n＃的沉降筒内取样口以上的全部水样，分析各水样的悬浮物浓度C1，C2，

……，Cn沉降效率ETu＜u0的颗粒中，di

→di+dd范围内颗粒所占SS总量的百分率用dp表示；则在di→di+dd范围内能被去除部分颗粒占SS总量的百分率为：对于u＜u0的颗粒，其中可去除部分所占比例为：对于全部u<u0颗粒群体，可去除部分为：总沉降效率u≥u0部分颗粒所占百分率为1–p0则，总沉降效率为ET

：

沉降速度uu01-p0p0p0沉降速度uu01△p3沉降速度分布曲线沉降速度分布曲线的图解U＜u0颗粒分率，p颗粒分率，pu02u03u3u2u1△p2△p1两种方法比较(由数据绘制沉降曲线)E沉降时间，t(min)E-t曲线最小沉速，uEE-u曲线ET-tE-tET-uE-u 例题3-1：污水悬浮物浓度C0＝400mg/L，用第二种试验方法的结果见表3-1，试求：①需去除u0＝2.5mm/s（0.15m/min）的颗粒的总去除率？②需去除u0＝1.0mm/s（0.06m/min）的颗粒的总去除率？表3-1沉降试验记录取样时间（min）悬浮物浓度（mg/L）去除量1-P0＝(C0-Ci)/C0沉速剩余量P0＝Ci/C0mm/sm/min0C0＝40000.000.0015C1＝240(400-240)/400＝0.41200/(5*60)＝4.000.24240/400＝0.615C2＝2080.481.330.080.5230C3＝1840.540.670.040.4645C4＝1600.60.440.030.460C5＝1320.670.330.020.3390C6＝1080.730.220.010.27120C7＝880.780.170.010.22图3-1剩余量P0－沉速u关系曲线表3-2 图解计算法ut(mm/s)dPutdPΣudPut(mm/s)dPutdPΣudP0.110.040.00440.00440.880.030.02640.12340.250.060.0150.01941.170.020.02340.14680.370.10.0370.05641.670.020.03340.18020.580.070.04060.0972.30.020.0460.2262要求去除u0＝2.5mm/s颗粒的总去除率为：从图3-1查得u0＝2.5mm/s时，剩余量P0＝0.56；沉速ut<u0=2.5mm/s的颗粒的去除量＝0.226（由表3-2），总去除率为： 即ut≥2.5mm/s的颗粒，可去除44％；ut<2.5mm/s的颗粒，可去除9％要求去除沉速u0＝1.0mm/s的颗粒的总去除率为：从图3-1查得u0＝1.0mm/s时，剩余量P0＝0.5；沉速ut<u0的颗粒的去除量＝0.1234（由表3-2），总去除率为： 即ut≥u0＝1.0mm/s的颗粒，可去除50％；ut<u0＝1.0mm/s的颗粒，可去除12.3％。例3-2：用有效水深为1.5m的沉降柱对某离散型工业废水作静止试验，取得表3-3所列的数据，试求u0＝2.8m/min时的ET值时多少？表3-3自由沉降试验数据表时间（min）0.512.556.810沉速(m/min)3.001.500.600.300.220.15P0＝Ci/C00.550.460.330.210.110.03根据表3-3数据，作出图3-2所示的沉速分布曲线，由图中查出，当u0＝2.8m/min时，p0＝0.544，即有54.4％的固体颗粒沉速小于u0，其中能被去除的部分占SS总量的分率 用图解积分法求取。计算结果见表3-4。

图3-2剩余量P0－沉速u关系曲线表3-4 图解计算法dP0.110.100.120.130.84u0.150.250.430.952.0udP0.1650.0250.0510.1240.168ΣudP0.1650.4150.9250.2170.385二、絮凝沉降试验及沉降曲线

絮凝沉降的特点：颗粒的形状、大小、密度在沉降过程中改变；浓度上稀下浓；SS浓度随水深度变化而变化，且呈现非线性变化。u随d而增大。1.絮凝沉降试验装置：

φ140~150mm，H=2.0~2.5m；

4~5个取样口，间距500mm1.絮凝沉降试验试验步骤：（1）试验开始时，将已知悬浮物浓度C0，水温T的水样注入沉淀筒，注满沉淀筒，搅拌均匀，开始计时；（2）每隔一定的时间间隔（5～10min），同时从各取样口取水样（两份，求平均浓度），确定不同时间、不同水深处残留的SS的浓度C1、C2、…、Ci、…、Cn；（3）计算水样悬浮物的去除率；（4）绘制不同深度的E～t曲线和SS等去除率曲线；（5）计算在某一个指定水深处，在某一沉降时间t下悬浮物的总沉降率Et（％）总沉降率Et（％）例3-3：已知某种废水中絮凝性悬浮固体浓度为430mg/L。通过絮凝沉降试验，取得表3-5所列的结果。试计算沉降时间为40min时，水深1.5m处的SS总沉降效率Et？表3-5多点取样沉降试验数据沉降时间（min）不同水深处的残留SS浓度（mg/L）0.5m1.0m1.5m5356.9387395.610309.6346.2365.520251.6298.9316.130197.8253.7288.140163.4230.1251.650144.1195.7232.260116.1178.5204.375107.5143.2180.6（1）计算不同水深处各沉降时间的SS去除率Et。沉降时间（min）Et（％）0.5m1.0m1.5m517.010.08.01028.019.515.02041.530.526.53054.041.033.04062.046.541.55066.554.546.06073.058.552.57575.066.758.0（2）绘制不同水深的SS去除率与沉降时间关系曲线。图3-3Et－t关系曲线（3）绘制SS等去除率曲线表3-740min等时线与中间去除率曲线交点的hi和△Ei值（4）计算ET值。3.4理想沉淀池理想沉淀池假设：沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。当某一颗粒进入沉淀池后另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u。一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速v等于水流速度；颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为i=u/v。3.4理想沉淀池污泥区入流区出流区Q①②③④oxx’vu0理想沉淀池示意图BhHLyo’沉降区3.4理想沉淀池3.4理想沉淀池同样地有：可见，静沉试验所得到的沉降规律也可适用于理想沉淀池。3.4理想沉淀池表面负荷q03.4理想沉淀池理想沉淀池中，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。∴只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H无关，即与池的体积V无关。3.4理想沉淀池实际沉淀池∵在实际沉淀池，理想沉淀池的假设是不存在的，颗粒的运动是不规则运动。3.4理想沉淀池絮凝沉降 颗粒之间并聚变大，或变大，u也会之变大。其运动轨迹发生变化：

入流区出流区污泥区絮凝沉降颗粒运动轨迹但是，为保守起见，沉降效率依然按照：进行计算。

3.4理想沉淀池3.5沉砂池沉砂池的作用沉砂池的工作原理沉砂池的几种型式1、沉砂池的作用从污水中去除砂子、煤渣等比重较大的无机颗粒，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。2、沉砂池的工作原理以重力或离心力分离为基础，即将进入沉砂池的污水流速控制在只能使比重大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走。3、沉砂池主要设计参数城市污水厂一般均设置沉砂池，并且沉砂池的只数或分格数应不小于2；工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。3、沉砂池主要设计参数设计流量应按分期建设考虑。最大时流量、最大组合流量、合流制流量沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2mm以上。城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为60%，容重约1500kg/m3。贮砂斗的容积应按2日沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55º。排砂管直径不应小于200mm。沉砂池的超高不宜小于0.3m。4、平流式沉砂池平流式沉砂池的设计参数①流量Q：按Qmax设计；自流时，按最大流量；泵输送时，按泵的最大组合流量②分格数n：n≥2③水平流速v：0.15~0.3m/s④停留时间：t≥30~60s平流式沉砂池的设计内容工艺和结构尺寸工艺设备

1.长度L

式中：v-最大设计流量时的速度，m/s; t-最大设计流量时的停留时间，s。

2.水流断面面积A式中：

Q-最大设计流量，m3/s。平流式沉砂池：工艺尺寸

3.池总宽度b

式中：

h2-设计有效水深，m。

4.贮砂斗所需容积V

式中：X-城市污水的沉砂量，一般采用3m3/105m3

（污水）

T-排砂时间的间隔，d；

kz–生活污水流量的总变化系数。平流式沉砂池：工艺尺寸

5.贮砂斗个部分尺寸计算设贮砂斗底宽b1=0.5m；斗壁与水平面的倾角为60º；则贮砂斗的上口宽b2为：贮砂斗的容积V1：式中：h’3-贮砂斗高度，m； S1，S2-贮砂斗上口和下口的面积。

6.贮砂室的高度h3设采用重力排砂，池底坡度i=6%，坡向砂斗，则平流式沉砂池：工艺尺寸7.池总高度h式中：h1-超高，0.3m； h3-贮砂斗高度，m。8.核算最小流速vmin

式中：

Qmin-设计最小流量，m3/s； n1-最小流量时工作的沉砂池数目

Amin-最小流量时沉砂池中的水流断面面 积，m2。平流式沉砂池：工艺尺寸平流式沉砂池：工艺装备输砂泵（机械排泥）、砂水分离器、刮渣设备、行车等。5、曝气沉砂池曝气沉砂池的特点沉砂中含有机物的量低于5%由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡作用以及加速污水中油类的分离等作用。5、曝气沉砂池曝气沉砂池的构造曝气沉砂池是一个长型渠道，沿渠道壁一侧的整个长度上，距池底约60~90cm处设置曝气装置；在池底设置沉砂斗，池底有i=0.1~0.5的坡度，以保证砂粒滑入砂槽。为了使曝气能起到池内回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧装设挡板。曝气沉砂池的工作原理污水在池中存在着两种运动形式，其一为水平流动（一般流速0.1m/s），同时在池的横断面上产生旋转流动（旋转流速0.4m/s），整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。由于曝气以及水流的螺旋旋转作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦、并受到气泡上升时的冲刷作用，使粘附在砂粒上的有机污染物得以去除，沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，长期搁置也不至于腐化。上海嘉定水质净化厂上海曲阳水质净化厂曝气沉砂池的设计参数水平流速一般取0.08~0.12m/s；污水在池内的停留时间为4~6min；当雨天最大流量时为1~3min。如作为预曝气，停留时间为10~30min；池的有效水深为2~3m，池宽与池深比为1~1.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板；曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.5~6.0