水质工程学第四章沉淀1

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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(Discrete Settling)： 悬浮物质浓度不高； 颗粒

2、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(Flocculent Settling)： 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）(Zone Settling)： 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(Compression Settling)： 颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗粒

3、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Re1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

4、. 牛顿公式 当1000Re25000时，呈紊流状态，接近于常数0.4代入（3-5）得牛顿公式： （3-7） 3.阿兰公式 当1Re1000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。,称为沉速减低系数，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=025%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

5、使=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=

6、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： 颗粒处于自由沉淀状态。颗粒的沉速始终不变。 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。 颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。 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uu0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xy。 当颗粒沉速u

7、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xy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

8、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/（m2h）。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

9、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；m浑水的密度；池内浑水与清水的密度差；H池内水的深度；0.20.7临界值。,Fr0.20.7，两种水体交界面不能保持

10、稳定，互相混杂；Fr0.20.7，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

11、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：,. 温差引起的温度密度流； . 进水布水不均和出水集水不均等引起的短流； . 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1020mm/

12、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2.53.5m。 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/B4, L/H10，每格宽度应在38m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

13、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

14、.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B,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。,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。,沉速公式及使用条件,h1,B,0,t,A,t,自由沉淀的静水试验,h,取样口,直径

15、100mm；高度15002000mm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、p2p*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/C0P*=C*/C0Pn=Cn/C0 相应的去除量为：1-P1、1-P21-P*1-Pn,取样口水样中的残余悬浮物浓度与沉速关系,v=h/t,1P*,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：1P* 2.沉速小于v的颗粒 Vn2 ，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Vn2的颗粒为例，在沉淀时间t内的下沉距离为hn-2= t* Vn2，在hn-2的距离内不含Vn2这些颗粒了，Vn2的颗