水質(zhì)工程學(xué) 第四章-沉淀1

第四章沉淀

內(nèi)容：4.1雜質(zhì)顆粒在靜水中的沉降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輻流沉淀池4.7氣浮重點：沉淀基本理論/理想沉淀池理論沉淀池的沉淀類型及計算

難點：沉淀基本理論及計算

4.0沉淀原理利用顆粒與水的密度之差,比重>1，下沉比重<1，上浮沉淀工藝簡單，應(yīng)用極為廣泛，主要用于去除100um以上的顆粒。給水處理――沉砂池，混凝沉淀，高濁預(yù)沉廢水處理――沉砂池（去除無機物）初沉池（去除懸浮有機物）二沉池（活性污泥與水分離）（1）自由沉淀(DiscreteSettling)：懸浮物質(zhì)濃度不高；顆粒之間互不碰撞，呈離散狀態(tài)；

沉速不變，各自獨立完成沉淀過程；（2）絮凝沉淀(FlocculentSettling)：

懸浮物質(zhì)濃度為50-500mg/L；

顆粒之間可能互相碰撞產(chǎn)生絮凝作用；

顆粒粒徑與質(zhì)量逐漸加大，沉速不斷加快（3）區(qū)域沉淀（成層/擁擠沉淀）(ZoneSettling)：

懸浮物質(zhì)濃度〉500mg/L；相鄰顆粒之間互相妨礙、干擾；

沉速大的顆粒也無法超越沉速小的顆粒

各自保持相對位置不變

顆粒群結(jié)合成一個整體向下沉淀

形成清晰的液—固界面，沉淀顯示為界面下沉（4）壓縮沉淀(CompressionSettling)：

顆粒間互相支承，上層顆粒在重力作用下，擠出下層顆粒的間隙水，使污泥得到濃縮；活性污泥在二沉池中的沉淀具備上述四種類型的沉淀過程；

4.1.1雜質(zhì)顆粒在靜水中的自由沉淀假設(shè)沉淀的顆粒是球形，其所受到的重力與浮力之差為：（4-1)

所受到的水的阻力：（4-2)CD為阻力系數(shù)，與顆粒大小、形狀、粗造度、沉速有關(guān)。根據(jù)牛頓第二定律可知：（4-3)達(dá)到平衡時，加速度(（3-3）左邊)為零，得沉速公式：（4-4）

阻力系數(shù)是雷諾數(shù)的函數(shù)

當(dāng)Re<1時：呈層流狀態(tài)（4-5)斯托克斯公式：（4-6)應(yīng)用：被去除的顆粒沉速遠(yuǎn)小于0.1mm泥砂沉速，即7mm/s,此時屬于層流，沉速與粒徑平方、顆粒與水的密度差成正比，與粘度系數(shù)成反比

2.牛頓公式

當(dāng)1000<Re<25000時，呈紊流狀態(tài)，η接近于常數(shù)0.4代入（3-5）得牛頓公式：（3-7）3.阿蘭公式當(dāng)1<Re<1000時，屬于過渡區(qū)，CD近似為（3-8）代入得：（3-9）4.1.2懸浮顆粒在靜水中的擁擠沉淀

水中有大量顆粒物在有限的水體中沉降時，由于顆粒相互之間會產(chǎn)生影響，致使顆粒沉降速度較自由沉淀小，稱為擁擠沉淀。β稱為沉速減低系數(shù)，β<1，一般認(rèn)為，其僅與顆粒體積濃度Cv有關(guān)。對于非絮凝沉淀：Cv為顆粒物體積濃度，n為指數(shù)，m=1-Cv對于絮凝沉淀：K為系數(shù)，此式在Cv=0~25%范圍適用，當(dāng)體積濃度再大時，絮凝顆粒會相互連接成網(wǎng)狀構(gòu)造。從而使Β=f（Cv）的關(guān)系破壞。在較高的顆粒體積濃度和粒徑分布比較均勻的情況下，擁擠沉降過程中會出現(xiàn)上部的澄清水和下部渾水之間出現(xiàn)明顯的界面，這種現(xiàn)象稱為界面沉降（成層沉淀）

沉降過程分析：

沉淀筒分為清水、等濃度、過渡、淤積層等4區(qū)界面沉降外觀現(xiàn)象和沉淀過程分析基本特征：水沉降過程中出現(xiàn)清渾交界面（濁液面），整個過程就是界面下沉過程.清水區(qū)：濃度很??；（增加）等濃度區(qū)：濃度均勻；大小顆粒不同；大小顆粒互相干擾，由于大顆粒沉速變慢、小顆粒變快，形成等速下沉現(xiàn)象變濃度區(qū)：等濃度區(qū)和壓實區(qū)的過渡區(qū)。淤積層：沉速很小，濃度很大。（增加）臨界沉降點：界面沉降速率開始減小。

沉淀開始t=0，渾液面從水面開始沉降，渾液面起始高度為H0，于t時刻沉降到H的位置，則渾液面的沉速為：高濁度的水、澄清池中的懸浮泥渣層沉降，污水活性污泥沉降和濃縮都會出現(xiàn)界面沉降。

4.2平流沉淀池4.2.1理想沉淀池理論理想沉淀池的基本假設(shè)：①顆粒處于自由沉淀狀態(tài)。顆粒的沉速始終不變。②水流沿水平方向流動，在過水?dāng)嗝嫔希鼽c流速相等，并在流動過程中流速始終不變。③顆粒沉到底就被認(rèn)為去除，不再返回水流中。④在沉淀池的進(jìn)口區(qū)域，水流的懸浮顆粒均勻分布在整個過水?dāng)嗝婷嫔稀?/p>

當(dāng)顆粒沉速u≥u0時，無論這種顆粒處于進(jìn)口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上圖中的跡線xy與x′y′。當(dāng)顆粒沉速u<u0時，位于水面的顆粒不能沉到池底，會隨水流出，如左下圖中軌跡xy″所示；而當(dāng)其位于水面下的某一位置時，它可以沉到池底而被去除，如圖中軌跡x′y所示。說明對于沉速u小于指定顆粒沉速u0的顆粒，有一部分會沉到池底被去除。

在進(jìn)水區(qū)被均勻分配在過流斷面上其水平流速為：（4-17）正好有一個沉降速度為的顆粒從池頂沉淀到池底，稱為截留速度。u≥的顆?？梢匀咳コ?，u<的顆粒只能部分去除對沉速大于等于的顆粒而言，流速與沉淀時間有關(guān)。（4-18）

（4-19）

令（4-18）和（4-19）相等，得：

（4-20）

將上式帶入式中并簡化后得出

Qv/A——反映沉淀池效力的參數(shù)，一般稱為沉淀池的表面負(fù)荷率，或稱沉淀池的溢流率，用符號q表示：理想沉淀池中，u0與q在數(shù)值上相同，但它們的物理概念不同：u0的單位是m/h；q表示單位面積的沉淀池在單位時間內(nèi)通過的流量，單位是m3/（m2·h）。故只要確定顆粒的截留速度u0，就可以求得理想沉淀池的溢流率或表面負(fù)荷率。

對于沉速大于u0的顆粒，能全部沉淀去除，而沉速小于u0的顆粒，只有位于高度h一下的顆粒才能沉淀下來。所以其沉淀效率為h/H。對沉速為u0的顆粒，由水面沉至池底的時間為t0=H/u0,沉速為u的顆粒由h高度處沉至池底的時間t0=h/u。所以，H/u0=h/u，所以，沉速小于u0的顆粒的去除效率為：

可知，沉速小于u0的顆粒只有部分能沉淀下來，其沉淀效率等于沉速與截留沉速的比值。沉淀池由五部分組成：進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)的功能是使水流的進(jìn)入與流出保持平穩(wěn)，以提高沉淀效率。沉淀區(qū)是沉淀進(jìn)行的主要場所。貯泥區(qū)貯存、濃縮與排放污泥。緩沖區(qū)避免水流帶走沉在池底的污泥。緩沖區(qū)4.2.4渾水異重流及平流沉淀池的構(gòu)造特點密度大的渾水進(jìn)入沉淀池后，在重力作用下會潛入池的下部流動，形成所謂渾水異重流，也稱密度流。

渾水異重流發(fā)生時，清、渾水交界面應(yīng)能保持穩(wěn)定而不相互混雜。式中v——水流的流速；ρm——渾水的密度；Δρ——池內(nèi)渾水與清水的密度差；H——池內(nèi)水的深度；0.2~0.7——臨界值。

Fr'>0.2~0.7，兩種水體交界面不能保持穩(wěn)定，互相混雜；Fr'<0.2~0.7，交界面保持穩(wěn)定。弗羅德數(shù)的另一種表達(dá)式:條件：泥沙濃度100mg/L，0.5℃溫差；或泥沙濃度275mg/L

R為沉淀池的水力半徑。在給定條件中，此式可用于判別沉淀池中是否會出現(xiàn)渾水異重流。同時，判別式指出，增大Fr可減輕渾水異重流的影響。當(dāng)池內(nèi)發(fā)生異重流時，即使用布水板在進(jìn)水?dāng)嗝嫔暇鶆虿妓?，進(jìn)池渾水還是會潛入池下部流動，所以在進(jìn)水端面沿著深度方向均勻布水意義不大，重要的是沿池寬方向需均勻布水為了適應(yīng)異重流的影響，許多水廠開始從池表面積水，有的還將集水槽向池中部延伸，甚至達(dá)到池長1/4的距離，仍能取到清澈的沉淀水。平流沉淀池常采用溢流堰活穿孔集水槽。以溢流堰長度除出水流量，得到出水單寬流量，沉淀池出水溢流堰的單寬流量一般不宜超過20m3/（h.m）。（5.56L/(s.m)）除渾水異重流外，還有以下一些因素影響池內(nèi)水流：①.溫差引起的溫度密度流；

②.進(jìn)水布水不均和出水集水不均等引起的短流；

③.風(fēng)浪引起的環(huán)流、水流的紊動等。池內(nèi)水流的流態(tài)，可由雷諾數(shù)來判定：明渠中的水流，雷諾數(shù)大于500即判定為紊流。所以，平流沉淀池中的水流一般皆為紊流。紊流會降低池中雜質(zhì)顆粒的去除率。

增大水流的Fr可減小渾水異重流的影響，同時也可減小其他上述各種水流的不良影響，所以現(xiàn)代平流沉淀池采用較高的流速，一般為10~20mm/S，最高可達(dá)50mm/S。提高流速有一定的限度，以免流速過大，水流紊動過強，使沉下的雜質(zhì)重新被水沖起。采用較小的水深，可使R減小，從而增大Fr，提高水流穩(wěn)定性。平流沉淀池池深一般采用2.5~3.5m。在平流沉淀池中設(shè)置多條導(dǎo)流墻，可增加水流斷面濕周，從而使得R減小。所以，現(xiàn)代的平流沉淀池常具有窄而長的池型。L/B>4,L/H>10，每格寬度應(yīng)在3～8m不宜大于15m。總結(jié)平流沉淀池的構(gòu)造及工作特點

4)存泥區(qū)及排泥措施泥斗排泥：靠靜水壓力1.5–2.0m，下設(shè)有排泥管，多斗形式，可省去機械刮泥設(shè)備（池容不大時采用）穿孔管排泥：需存泥區(qū)，池底水平略有坡度以便放空。機械排泥(效率高,多選用)：帶刮泥機，池底需要一定坡度，適用于3m以上虹吸水頭的沉淀池，當(dāng)沉淀池為半地下式時，用泥泵抽吸。還有一種單口掃描式吸泥機，無需成排的吸口和吸管裝置。沿著橫向往復(fù)行走吸泥。

影響平流式沉淀池沉淀效果的因素

1.沉淀池實際水流狀況對沉淀效果的影響主要為短流的影響，產(chǎn)生的原因有：(1)進(jìn)水的慣性作用；(2)出水堰產(chǎn)生的水流抽吸；(3)較冷或較重的進(jìn)水產(chǎn)生的異重流；(4)風(fēng)浪引起的短流；(5)池內(nèi)存在的導(dǎo)流壁和刮泥設(shè)施等2.凝聚作用的影響。實際沉淀時間和水深所產(chǎn)生的絮凝過程均影響了沉淀效果，實際沉淀池也就偏離了理想沉淀池的假定條件。3.沉淀區(qū)有效容積V1或4.沉淀池長度L式中：v——最大設(shè)計流量時的水平流速,mm/s；。5.沉淀池總寬度B1.沉淀池的表面積AQmax——最大設(shè)計流量,m3/s；q——表面水力負(fù)荷,m3/(m2·h),初沉池一般取1.5~3m3/(m2·h)，二沉池一般取1~2m3/(m2·h)。2.沉淀區(qū)有效水深h2式中：t——沉淀時間,h,初沉池一般取1~2h,二沉池一般取1.5~2.5h。沉淀區(qū)有效水深h2通常取2~3m。平流式沉淀池的設(shè)計7.污泥區(qū)容積對于生活污水，污泥區(qū)的總?cè)莘eV：

式中：S——每人每日的污泥量，

N——設(shè)計人口數(shù)，人；

T——污泥貯存時間，d。6.沉淀池的個數(shù)n式中:b′——每個沉淀池寬度。

平流式沉淀池的長度一般為30~50m，為了保證污水在池內(nèi)分布均勻，池長與池寬比不小于4，以4~5為宜。長深比不宜小于8平流式沉淀池的設(shè)計平流式沉淀池的設(shè)計9.污泥斗的容積V1式中:S1——污泥斗的上口面積,m2；

S2——污泥斗的下口面積，m2。10.污泥斗以上梯形部分污泥容積V2式中：L1——梯形上底邊長,m；

L2——梯形下底邊長，m。8.沉淀池的總高度h式中：h1——沉淀池超高,m;一般取0.3m；

h2——沉淀區(qū)的有效深度，m；

h3——緩沖層高度，m；無機械刮泥設(shè)備時,取0.5m；有機械刮泥設(shè)備時，其上緣應(yīng)高出刮板0.3m；

h4——污泥區(qū)高度，m；h4′——泥斗高度，m；h4″——梯形的高度，m。沉速公式及使用條件h

h1

B

0

t

A

t

自由沉淀的靜水試驗

h

取樣口

直徑≥100mm；高度1500～2000mm沉淀筒

自由沉淀顆粒去除率1.T=0,水中懸浮顆粒在整個水深中均勻分布,懸浮固體濃度為C0，去除率為0;2.隨著時間的推移，在t1、t2、…t*、…tn等時刻取樣，分別測得懸浮固體濃度為C1、C2、…C*、…Cn。3.那么在t1、t2、…t*、…tn等時刻，沉速分別為h/t1=V1;h/t2=v2;…;h/t*=v*;h/tn=vn；4.令p1、p2…p*…pn表示水中的懸浮物濃度占原有懸浮物濃度C0的比值，稱為剩余量，即：P1=C1/C0;P2=C2/C0…P*=C*/C0…Pn=Cn/C0相應(yīng)的去除量為：1-P1、1-P2…1-P*…1-Pn取樣口水樣中的殘余懸浮物濃度與沉速關(guān)系v=h/t1－P*

以沉速為v＊分析整個水樣中懸浮物的去除量：1.t*時刻，沉速大于v＊的顆粒在取樣口上部的整個高度h中被100％去除了，這些顆粒的去除量為：1－P*

2.沉速小于v＊的顆粒…Vn－2…，由于顆粒當(dāng)時所處的位置不同，因此，在取樣口上部的整個水樣高度h中還殘存一部分，以沉速Vn－2的顆粒為例，在沉淀時間t＊內(nèi)的下沉距離為hn-2=t*×Vn－2，在hn-2的距離內(nèi)不含Vn－2這些顆粒了，Vn－2的顆粒去除率為：

所有沉速小于V*的顆粒去除率：總?cè)コ剩?/p>

1－P*+

4.2.2非凝聚性顆粒的沉淀實驗分析非凝聚性顆粒在靜水中的沉淀實驗用一圓筒進(jìn)行。在圓筒水面h處開一個取樣口，要求顆粒在在水中均勻分布，濃度為C0；然后在分別在t1,、t2、…tn時取樣，分別測得濃