沉淀与澄清 白底

第七章沉淀与澄清

7.1悬浮颗粒在静水中的沉淀7.2.1沉淀分类

1.自由沉淀（水中颗粒的体积浓度不超过0.2％时）单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的过程颗粒互不干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程中颗粒的大小、形状、密度保持不变，经过一段时间后，沉速也不变。2.絮凝沉淀在沉淀的过程，颗粒由于相互接触絮聚而改变大小、形状、密度，并且随着沉淀深度和时间的增长，沉速也越来越快，絮凝沉淀由凝聚性颗粒产生。3.拥挤沉淀当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒的浓度增加到一定值后，大量颗粒在有限水体中下沉时，被排斥的水便有一定的上升速度，使颗粒所受的摩擦阻力增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀。沉速减低系数β＝拥挤沉降速度／自由沉降速度（某一颗粒）

7.1.2悬浮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：(7-1)所受到的水的阻力：(7-2)CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。根据牛顿第二定律可知：(7-3)达到重力平衡时，加速度为零，令式（7-3）左边为零，加以整理，得沉速公式：（7-4）

CD与Re有关，见图6-1。

1.斯笃克斯公式当Re<1时：呈层流状态(7-5)斯笃克斯公式：(7-6)

2.牛顿公式

当1000<Re<25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入（7-5）得牛顿公式：（7-7）当1<Re<1000时，属于过渡区，CD近似为（7-8）代入得阿兰公式：（7-9）结论0.1mm泥沙颗粒的沉降速度约为9mm/s（可由stokes公式算出）,该颗粒在水中的沉降属于层流。一般在水处理领域，被去处颗粒的沉降速度远小于0.1mm泥沙颗粒的沉降速度，所以层流区的Stokes公式对水处理特别重要。由可知：层流状态下的颗粒的沉降速度与粒径的平方成正比，与水的粘滞系数成反比，即颗粒越粗，水温越高，其沉速越快。此外，颗粒的沉降速度还与密度差成正比，泥沙颗粒的密度差较大，沉降速度较快。Stokes公式的实际应用

测定细小颗粒（d＜0.1mm)杂质的粒径。细小颗粒的粒径难于直接测量，再一个形状也不规则，所以实际中不直接测量，而是测量颗粒沉速，然后用stokes公式推算出颗粒的粒径，这即为颗粒粒径的沉降分析：测定细小颗粒沉降速度，然后公式推算出颗粒的粒径。广泛应用于土壤和泥沙的分析中。而在水处理中更关心颗粒的沉降速度，所以常用颗粒的沉降速度作为颗粒尺寸的代表。7.1.3悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀

如图7-2，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。

前提：较高的颗粒体积浓度+粒径分布比较均匀的情况下拥挤沉降过程中会在清水和混水之间出现明显的界面，此界面成为浑水液面，此现象成为界面沉降。浑液面的沉降过程曲线：浑液面的沉速界面沉降现象，出现于黄河高浊度水的沉淀，澄清池中悬浮泥渣层沉降，活性污泥浓缩过程中。

2.肯奇沉淀理论

由图7-2可知曲线a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度均大于C0。设在c-d曲线任一点Ct作切线与纵坐标相交于a′点，得高度Ht。按照肯奇沉淀理论得：（7-10）作Ct点切线，这条切线的斜率表示浓度为Ct的交界面下沉速度：（7-11）

3.相似理论

当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面沉降过程曲线的相似性（见图7-3），即(7-12)

7.2理想沉淀池的特性分析平流式沉淀池是实际应用较多的一种沉淀池。中部沉淀区符合理想假设，为理想沉淀池。7.2.1非凝聚性颗粒的沉淀过程分析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。理想沉淀池的工作情况见图7-4。

原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为：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，u0称为截留速度。u≥u0的颗粒可以全部去除，u<u0的颗粒只能部分去除对用直线Ⅲ代表的一类颗粒而言，流速和都与沉淀时间有关（7-13）

（7-14）令（7-13）和（7-14）相等，代入（7-12）得：

（7-15）

即：（7-16）一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留速度，但含义不同。速度三角形相似于沉淀区的几何三角形设原水中沉速为ui（ui<u0）的颗粒的浓度为C，沿着进水区高度为h0的截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC，沿着m点以下的高度为hi的截面进入的颗粒的数量为hiBvC（见图7-4），则沉速为ui的颗粒的去除率为：（7-17）根据相似关系得：即（7-18）

同理得：（7-19）将式（7-18）和（7-19）代入（7-17）得特定颗粒去除率：

可知，其沉淀效率等于其沉降速度与截留沉速的比值。（7-20）将（7-16）代入（7-20）得：

(7-21)

7.2.2理想沉淀池理论由上式可知，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、水平流速、沉淀时间）无关。当处理水量Q一定时，沉淀效率仅仅与沉淀池的表面积有关，即沉淀池的表面积越大，沉淀效率越高。

7.2.3静水沉淀试验

由可知，均一粒径组成的颗粒杂质，沉淀效率等于其沉降速度与截留沉速的比值。

实际上，浑水中的杂质颗粒都是不均匀的。

水中颗粒杂质组成不同，其在理想沉淀区中的沉淀效率也不同。只有根据杂质颗粒组成情况，才能对理想沉淀区中的沉淀效率进行计算。

实际浑水的颗粒组成情况可以通过静水沉淀试验得到。先来讨论非凝聚性均匀颗粒的沉淀试验。（颗粒粒径、沉降速度不变）

7.2.4非凝聚性颗粒的沉淀实验分析先来讨论非凝聚性、均匀颗粒的沉淀试验。（颗粒粒径、沉降速度不变）用一个圆筒进行，如图在圆筒水面H处开一个取样口颗粒沉降速度保持不变，所以沉降过程线为一条倾斜的直线，其斜率为u，即颗粒沉降速度。

7.2.4非凝聚性颗粒的沉淀实验分析

再来讨论非凝聚性、粒径连续变化的的颗粒沉淀试验。（沉降速度不变）

由于粒径连续变化，可以按粒径划分成为许多组，则每一组可以认为是由均匀颗粒组成。设颗粒起始浓度（总浓度）为C0,各组分浓度为⊿C1⊿C2⊿C3….⊿Cn；颗粒沉降速度为u1>u2>….un。然后进行试验，分别在t1,、t2、…tn时取样，分别测得浓度为C1、C2、…Cn,对应的。沉速分别为h/t1=u1、h/t2=u2、…h/tn=un。

t=0时刻，沉淀桶中各处的颗粒浓度都相同，为C0，取样口处的浓度也是C0。沉淀ti时间后，取样，凡沉降速度≥ui(ui=H/ti)的颗粒组分已经沉淀到取样口以下，故在水中的浓度为0，凡沉降速度<ui的颗粒都没有沉降到取样口以下，故其浓度不变。所以由水样测出的颗粒浓度应为沉降速度〈ui的颗粒组分浓度之和。Ci=⊿Ci+1+….⊿Cn称为水中剩余颗粒浓度。将沉淀时间变换为沉降速度，沉速分别为h/t1=u1、h/t2=u2、…h/tn=un。剩余颗粒浓度C变换为剩余颗粒浓度比值P，即设p1、p2、…pn分别代表C1/C0、C2/C0、…Cn/C0。绘图连线。则1-pi表示所有速度大于等于ui的颗粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的颗粒所占的比例，见图。具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为p1-p2

7.2.3理想沉淀池的总去除率所有能够在沉淀池中去除的，沉速小于uo的颗粒的去除率为：（7-22）沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉去除率为（1-p0），因此理想沉淀池的总去除率为：

（7-23）式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量的百分率；

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、水平流速、沉淀时间）无关。

当处理水量Q一定时，沉淀效率仅仅与沉淀池的表面积有关，即沉淀池的表面积越大，沉淀效率越高。

7.3平流沉淀池的基本结构

7.3.1基本结构平流式沉淀池分为进水区、沉淀区、存泥区、出水区4部分。1.进水区进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。一般做法是使水流从絮凝池直接流入沉淀池，通过穿孔墙将水流均匀分布在沉淀池的整个断面上，见图7-9。为使矾花不宜破碎，通常采用穿孔花墙V<0.15-0.2m/s，洞口总面积也不宜过大。

2.沉淀区

沉淀区的高度一般约3～4m，平流式沉淀池中应减少紊动性，提高稳定性。

紊动性指标为雷诺数，

(7-25)稳定性指标为弗劳德数，(7-26)

一般平流式沉淀池总的雷诺数可达20000，远大于500，显然处于紊流状态，紊流降低了沉淀效率。

一般平流式沉淀池的弗劳德数要求大于1×10-5～10-4，增大弗劳德数可以减少异重流的影响，利于沉淀。

增大V，弗劳德数增大，沉淀池中浑水发生异重流的可能性比较小，但是雷诺数同时也增大，紊流加剧。能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低水力半径R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B>4,L/H>10，每格宽度应在3～8m不宜大于15m。

3

出水区

通常采用：溢流堰（施工难），淹没孔口（容易找平）见图7-10。孔口流速宜为0.6～0.7m/s，孔径20～30mm，孔口在水面下15cm，水流应自由跌落到出水渠。为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰的长度，降低流量负荷。堰口溢流率一般不宜超过300m3/md，目前我国增加堰长的办法如图7-11。

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）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：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。

穿孔管静压排泥适应于具有3米以上水头。

缺点：吸泥动力小。适应于水位差小的半地下式沉淀池

缺点：消耗动力特点：无需成排的吸口和吸管装置

7.3.2影响平流式沉淀池沉淀效果的因素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；

7.4平流沉淀池的工艺设计

设计平流沉淀池的主要控制指标是表面负荷或停留时间。应根据原水水质、沉淀水质要求、水温等设计资料、运行经验确定。

停留时间一般采用1～3h。华东地区水源一般采用1～2h。低温低浊水源停留时间往往超过2h。出水浊度一般低于10度，特殊情况不超过15度。池数或分格数不少于2座，并考虑一座故障时全部流量分配

一、各参数间关系沉淀池内平均水平流速一般为10—25mm/s有效水深一般为3~3.5m，超高一般为0．3—0.5m。池的长宽比应不小于4：1，每格宽度或导流墙间距一般采用3—8m，不宜大于15m。池的长深比应不小于10：1。采用吸泥机排泥时，池底为平坡。出水堰负荷不大于20m3/h.m。(7-27)

(7-28)

(7-29)

二、第一种设计计算方法（实验计算方法）

1.根据沉淀实验结果选取u0

，用uo=Q/A可以计算得到沉淀池的面积A；2.选取沉淀时间t和沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得到沉淀池的长度L；3.用公式B=A/L得到B；4.用公式H=Qt/A得到H；

三、第二种计算方法（经验计算方法）

1.根据经验选取平流式沉淀池的沉淀时间t，得到其体积V=Qt2.选取沉淀池的深度H，用公式A=V/H得到沉淀池的面积A；3.选取沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得到沉淀池的长度L；4.用公式B=A/L得到B；

7.5斜板（管）沉淀池的特点与工艺设计7.5.1原理由沉淀效率公式可知：在原体积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提高。“浅池理论”：U0和V都不变的情况下，减少沉淀池的深度，就能相应地减少沉淀时间和缩短沉淀池的长度。所以平流式沉淀池水平分层所得到的多层沉淀池理论上应该高效。但排泥困难，无法推广。

7.5斜板（管）沉淀池的特点与工艺设计

“浅池理论”理论的实际应用在60年代才实现了突破。博伊科特（Boycott）发现倾斜的试管可以加快血液的沉降。斜板（管）沉淀池与水平面成一定的角度（一般60°左右）的板（管）状组件置于沉淀池中构成，水流可从上向下或从下向上流动，颗粒沉于斜管底部，而后自动下滑。斜板（管）沉淀池的沉淀面积明显大于平流式沉淀池，因而可提高单位面积的产水量或提高沉淀效率。

有异向流、同向流、横向流三种平向流（横向流）斜板沉淀斜板间距50-100mm，斜板长度1.5-2.0m,角度60斜板沉淀设备的表面负荷q为平流沉淀池表面负荷q0的倍Nl(取L＝1500，间距s=50角度为60，其值为13)。

异向流斜板、斜管沉淀目前在实际工程中应用的是异向流斜板（管）沉淀池。上向流斜管间距25-30mm，长度为1.0m.角度60影响斜管、斜板沉淀效率的因素水流状态的影响相对于平流沉淀池，斜管斜板沉淀设备：雷诺数较低：斜板：Re＝100左右<2000，属于层流，紊动小蜂窝斜管：水力半径更小，Re更小。实际上，由于进出水存在干扰，仅在斜管的中部为层流状态。弗罗德数较大：斜板：Fr＝0.00013，水流稳定性较好。蜂窝斜管：Fr＝0.00026影响斜管、斜板沉淀效率的因素后续絮凝的影响相对于平流沉淀池，斜管斜板沉淀设备：沉淀时间很短。仅为20min左右。所以，不能像平流沉淀池那样，絮体在沉淀池中能继续絮凝从而一定程度上提高沉淀效果。所以，要求水在进入斜管沉淀池之前，进行更充分的絮凝反应。影响斜管、斜板沉淀效率的因素异重流的影响

异重流对于平流式斜板沉淀池，有一定的影响，要求不能在整个过水断面上集水。低浊水影响不明显。

上向流斜管、斜板沉淀池最能适应浑水异重流的特点，不会产生不利影响。因为密度大的浊水在下，清水在上，构成了一个力学稳定的体系。

因而上向流斜管、板沉淀池可以用于高浊水的处理，是应用最广泛的斜板沉淀方式。

下向流则构成了不稳定的力学体系，容易发生浑水下潜，污染出水。所以下向流斜板沉淀只适用于浊度很低的水的沉淀处理。

异向流斜管、斜板沉淀池此类沉淀池得到了广泛应用。其结构见图7-12。斜管比斜板应用的更广泛。

7.5.3优缺点优点：1.有效沉淀面积增大；2.表面负荷大（为平流式的4倍，（理论为12倍））沉淀效率高，产水量大；3.水力条件好，Re小，Fr大，有利于沉淀；缺点：1.由于停留时间短20min，其缓冲能力差；2.对混凝要求高；3.维护管理较难，使用一段时间后需更换斜板（管）斜管沉淀池设计参数表面负荷9~11m3/m2.h（2.5~3.0mm/s）。斜管内水流流速3.0~4.0mm/s。斜管断面采用蜂窝六角形，内径25~35mm，斜管长度0.8~1.0m，水平倾角采用600。清水区高度不小于1米；配水区高度不小于1.5米，超高一般取0.3米。进口处设穿孔墙或栅条等整流措施。斜管沉淀池出水可采用穿孔管或穿孔集水槽。斜管沉淀池设计计算清水区面积：F=Q/q确定沉淀池尺寸：L、B斜管的静出口面积：F=（L-0.5）B/1.03校核斜管内水流流速：v=Q/(Fsinθ)沉淀区高度：H=h1+h2+h3+h4+h5h3=lsinθ式中：h1为超高0.3m，h2为清水层高度1.0-1.2mh3为自身高度常约1.0m，h4为配水区高度1.0-1.5mh5为污泥斗高度0.8m

7.6竖流式沉淀池

水流向上运动，要求颗粒沉降速度大于水流上升速度，故该池表面水力负荷偏小，限制了使用。

构造：圆形或方形。

为了池内水流分布均匀，直径（或边长）4-7m，一般不大于10m，径深比不大于3。

沉淀区呈圆柱体，污泥斗为倒锥体，污泥斗倾角450-600，静压排泥，静水压力为1.5-2.0m，中心管内流速不宜大于100mm/s，末端设喇叭口及反射板。

7.6.1设计参数

1.

2.t=1.5～2h3.沉淀区上升速度V=0.5～1mm/s

7.7辐流式沉淀池

辐流式沉淀池为圆形的扁平池子，中心进水，周边出水。沉淀的泥渣有刮泥机刮至中心的积泥坑，经过排泥管外排。

辐流式沉淀池排泥性能良好，可将大量的泥渣及时排除，利用沉淀的持续进行，所以特别适用于悬浮物浓度高，沉淀泥量大的沉淀处理。比如高浊度水的沉淀池，污水处理的第一沉淀池和第二沉淀池。

工作示意图

直径6～60m，可达100m、池内水深1.5～3.0m,机械排泥,池底坡度不小于0.05,。为使布水均匀,设穿孔挡板,穿孔率10％～20％.

类型：中心进水周边出水、周边进水中心出水、周边进水周边出水

7.7.1设计参数1.沉淀时间t2.表面负荷q（m3/m2.h）3.Qmax

4.H有效≤4m7.7.2设计要求1.D/H有效=6～12m2.池底坡度0.053.机械刮泥、静水压力排泥4.进、出水有三种布置方式(1)中心进水，周边出水：辐流式(2)周边进水，中心出水：向心式(3)周边进水，周边出水 5.刮泥机旋转角度：1～1.5m/min（周边线速）6.穿孔挡板开孔面积为挡板处池断面面积的10～20%

7.7.3设计计算1.每座沉淀池表面积A1与池径D（7-41）2.有效水深h2沉淀时间：初沉池1-1.5h,二次沉淀池：2-2.5h

7.7.3设计计算3.污泥区容积（7-42）

4.总高度（H）和周边处的高度（Hˊ）其中：h1为超高0.3，h2为有效水深q0*t，h3为缓冲高度层0.3-0.5，h4为底坡落差，h5为污泥斗高度。

7.8澄清池

絮凝和沉淀是属于两个单元过程。

澄清池将絮凝和沉淀过程综合于一个构筑物完成，主要依靠活性泥渣层达到澄清目的。当脱稳杂质随水流与泥渣层接触时被阻留下来使水获得澄清的现象，称为接触絮凝。在原水中加入较多絮凝剂，并适当降低负荷，经过一段时间，便能形成泥渣层，澄清池充分利用了活性泥渣的絮凝作用。常用于给水处理。澄清池分为泥渣悬浮型和泥渣循环型两种。

7.8.1泥渣悬浮澄清池又称为泥渣过滤型澄清池，有悬浮澄清池和脉冲澄清池1.悬浮澄清池颗粒受到的上升流的阻力等于颗粒重力其结构见图7~22。悬浮澄清池结构简单，一般用于小水厂，运行适应性差（水温、水量、变化时，泥渣层工作不稳定），目前已很少用。

2．脉冲澄清池

特点是澄清池的上升流速发生周期性的变化，这种变化是由脉冲发生器引起的。靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和膨胀，见图7~23。脉冲澄清池的特点如下：(1)有利于颗粒和悬浮层接触；(2)悬浮层污泥趋于均匀。(3)还可以防止颗粒在池底沉积(4)处理效果受水量、水质、水温影响较大；(5)构造复杂。70年代设计较多，现在已少用

7.8.2泥渣循环型澄清池泥渣在池内循环流动，可充分发挥泥渣的接触絮凝作用1.机械搅拌澄清池机械搅拌澄清池的构造如图7~24所示

2.设计要点

机械搅拌澄清池的设计要点：①清水区上升流速为0.8~1.1mm/s；②水在澄清池内总的停留时间可采用1.2~1.5h；③叶轮提升流量为进水流量的3~5倍；④原水进水管、三角配水槽的水流流速分别为1m/s、0.4m/s；⑤第一絮凝室的容积：第二絮凝室的容积（含导流室）：分离室为2：1：7，第二絮凝室与导流室的水流流速一般为40~60mm/S；⑥直径大于6m时用6~8条集水槽，直径小于6m时用4~6条集水槽

机械搅拌澄清池的优点：

①处理效果好，稳定；②适用于大、中水厂

机械搅拌澄清池的缺点：

①维修维护工作量较大；②启动时有时需人工加土和加大加药量。

7.8.3水力循环澄清池水力循环澄清池的简图如图7-25所示，喉管和喇叭口的高度可用池顶的升降阀来进行调节，达到调节回流比的目的，回流比1：2～4。水力循环澄清池的优点：不需机械搅拌，结构简单。但回流比不容易控制。水力循环澄清池的缺点：絮凝室较小，絮凝时间较短，效果较差。耗药量较大，运行不稳定，泥渣回流控制较难，不能适应水温、水质、水量的变化，只能用于小水厂。水力循环澄清池现已很小使用。

7.8.3水力循环澄清池

7.10沉砂池沉砂池功能：沉砂池的主要作用有：去除比重较大（约2.65）的无机颗粒。如泥砂、煤渣等；减轻磨损；减轻沉淀池的负荷.位置：泵站前、倒虹管前、初次沉淀池前。以减轻机械、管道的磨损或减轻沉淀池负荷，改善污泥处理条件。沉砂池的主要类型：平流式沉砂池，曝气沉砂池，多尔沉砂池，钟式沉砂池.7.10.1平流式沉砂池

7.10沉砂池7.10.1平流式沉砂池构造：由入流渠、出流渠、闸板、水流部分及沉砂斗组成。常用排砂方法：重力排砂与机械排砂。大中型污水处理一般采用机械排砂方式。特点：具有结构简单，截留无机颗粒效果较好，工作稳定，构造简单，排沉砂方便等优点，主要缺点是沉砂中约夹杂15%的有机物，增加了后续处理难度

1.设计参数（1）Q设计污水重力自流进入污水厂，按Qmax设计污水由泵提升进入，按泵房最大组合流量设计（2）vmax=0.3m/s,vmin=0.15m/s使无机颗粒下沉，而有机颗粒不会下沉（按砂粒比重2.65，去除d≥0.2mm砂粒来设计（3）t停留≥30"，一般为30"~60"（4）H有效=0.25~1.0m,≤1.20m,每格宽度b≥0.6m（5）沉砂量标准生活污水：0.01~0.02l/人.d城市污水：3m3/105m3污水砂含水率60%，容重1500㎏/m3，贮砂斗的容积按2d沉砂量计算，砂斗倾角55º~60º（6）超高≥0.