水質(zhì)工程學(xué)第4章沉淀與澄清3

1、第四章 沉淀與澄清4-1沉淀理論 4-2沉淀構(gòu)筑物及其設(shè)計(jì) 沉淀理論4.1.1沉淀的功能及基本類型 4.1.2 沉淀試驗(yàn)及沉淀曲線分析 4.1.3 理想沉淀池效率分析 4.1.4 實(shí)際沉淀池與理想沉淀池的差別 沉淀的功能與基本類型一、沉淀和澄清在水處理中的功能 二、沉淀的分類 給水處理中的功能 沉淀分離經(jīng)混凝過(guò)程產(chǎn)生的絮體，常采用澄清池以得到澄清的出水，是飲用水處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要求濁度20 比濁法測(cè)定，將水樣和用高嶺土配制的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶比濁法測(cè)定，將水樣和用高嶺土配制的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行比較側(cè)度不高，并規(guī)定一升蒸餾水中含有液進(jìn)行比較側(cè)度不高，并規(guī)定一升蒸餾水中含有1 1毫克二氧化硅為一個(gè)濁度單

2、位毫克二氧化硅為一個(gè)濁度單位，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱1 1度。度。沉淀的分類 根據(jù)沉淀物質(zhì)的性質(zhì)、絮凝性、濃度分為四類。1、自由沉淀(discrete settling)2、絮凝沉淀（flocculation settling） 3、成層沉淀（zone settling） 4、壓縮沉淀（compress settling） 自由沉淀 顆粒在沉淀過(guò)程中呈離散狀態(tài)，其尺寸、質(zhì)量、形狀均不改變，下沉不受干擾。 絮凝沉淀 沉淀過(guò)程中，顆粒的尺寸、質(zhì)量隨深度增加而增大，沉速相應(yīng)提高。 成層沉淀 又叫擁擠沉淀。顆粒在水中的濃度較大，下沉過(guò)程中彼此干擾，形成清水與渾水的明顯界面并逐漸下移。 壓縮沉淀 顆粒在水中的濃度增

3、高到顆粒相互接觸并部分地受到壓縮物支撐。發(fā)生于沉淀池底及濃縮池中。 沉淀試驗(yàn)與沉淀曲線分析一、沉淀的基本理論 二、沉淀試驗(yàn)及沉淀曲線分析 雷諾數(shù)（Reynolds number）表征流體流動(dòng)情況的無(wú)量綱數(shù)，以Re表示，Re=vd/，其中v、分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。例如流體流過(guò)圓形管道，則d為管道直徑。利用ReRe可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力Re表示作用于流體微團(tuán)的慣性力與粘性力之比。ReRe越小越小意味著粘性力影響越顯著，越大則慣性力影響越顯著沉淀的基本理論 顆粒在水中的沉降速度是顆粒重力與浮力雙重作用的結(jié)果，可認(rèn)為受四個(gè)因素的影

4、響：),(sdfu1、沉速公式 2、計(jì)算示例 沉速公式 通常采用stokes公式描述水中顆粒的自由沉降（推導(dǎo)從略） 層流區(qū)： 2181gdus（4-1）該公式適用于d0.1mm，10-4Re1的情況 沉速公式 過(guò)度區(qū)： dgus31222254（4-2）該公式適用于0.1d2mm，1Re1000的情況 沉速公式 紊流區(qū)： gdus 82. 1（4-3）該公式適用于1000Re的情況 利用上述公式計(jì)算時(shí)，可先假定一個(gè)Re區(qū)，計(jì)算出u后帶入Re定義式進(jìn)行校核，若不符合假定，則重復(fù)上述步驟計(jì)算，直至符合為止。 沉速公式例：油珠直徑為80m，密度為0.8g/cm3，水溫20，計(jì)算油珠在水中的上升速度。

5、解 ： 已 知 d = 0 . 0 0 8 m ， 查 表 2 0 時(shí)=0.0101g/cm3s，帶入式（4-1）中（相當(dāng)于假定為層流）計(jì)算得：u=0.0691cm/s運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)=0.0101cm2/s，帶入Re定義式可得： 10547. 0udRe2181gdus沉淀試驗(yàn)與沉淀曲線分析作用：用于分析靜置沉淀；確定水中懸浮顆粒的沉降特性1、自由沉淀試驗(yàn) 2、絮凝沉淀3、擁擠沉淀（高濃度懸浮液的沉淀試驗(yàn)） 自由沉淀試驗(yàn) 自由沉淀一般采用單筒沉淀柱試驗(yàn)確定懸浮顆粒的沉降特性。1）試驗(yàn)裝置 2）試驗(yàn)方法 3）沉淀效率的求取 自由沉淀試驗(yàn)沉淀柱有效水深H，懸浮物原始濃度為C0。在時(shí)間t1時(shí)從水深H處

6、取樣測(cè)得C1，則認(rèn)為沉速大于u u1 1（H/t1）的顆粒均已通過(guò)H，殘余顆粒必然具有小于u1的沉速，則沉速小于u1的顆粒與全部顆粒的比例x x1 1=C=C1 1/C/C0 0。在時(shí)間t2、t3.時(shí)重復(fù)試驗(yàn)，可得出對(duì)應(yīng)的u2、u3.和x2、x3.，將這些數(shù)據(jù)整理可繪出（粒度分布曲線）。 （粒度分布曲線）自由沉淀試驗(yàn) 設(shè)要求的最小沉速為u0，則uu0的顆粒在t0時(shí)可全部去除，而uu0的顆?？刹糠秩ココ壤秊閔/H，h代表在t0時(shí)剛好沉到底部的某種顆粒某種顆粒的沉降距離。 0000uutuutHh（4-4）故uu0的顆粒在t0內(nèi)按u/u0的比例去除 自由沉淀試驗(yàn)t0時(shí)間內(nèi)顆粒的總?cè)コ蕿椋?

7、000011xudxux（4-5） 上式中第一項(xiàng)由u0求得，第二項(xiàng)對(duì)粒度分布曲線圖解積分求得。 絮凝沉淀試驗(yàn)1）試驗(yàn)裝置2）試驗(yàn)方法 3）-t曲線，等效沉淀曲線 擁擠沉淀試驗(yàn)1）形成擁擠沉淀的條件 2）沉淀特征（見(jiàn)圖4-1-3） 3）沉淀曲線（界面高度與時(shí)間的關(guān)系） 4）研究擁擠沉淀的方法 擁擠沉淀試驗(yàn)濃度：礬花 23g/L 活性污泥 1g/L 泥砂 5g/L 顆粒間的粒度差異：dmax/dmin6 擁擠沉淀試驗(yàn)分為四個(gè)層：澄清液層、受阻沉降層、過(guò)度層、壓縮層清水與固體有清晰界面，該界面等速下降壓縮區(qū)內(nèi)部自上而下，沉速遞減沉淀過(guò)程中，清水區(qū)高度不斷增加A澄清液層、B受阻沉降層、C過(guò)渡層、D壓縮

8、層擁擠沉淀試驗(yàn)利用沉淀過(guò)程線分析：Kynch法、Fitch法 建立沉速濃度函數(shù)關(guān)系v=f（C）（多筒試驗(yàn)）：固體通量法、吉岡法 一、基本假定 二、推導(dǎo) 三、公式的物理意義 理想沉淀池效率分析基本假定a水在池內(nèi)沿水平方向水平方向作等速流動(dòng)，水平流速為v，從入口到出口的流動(dòng)時(shí)間為t；b在入流區(qū)，顆粒沿截面均勻分布均勻分布并處于自由沉淀狀態(tài)，顆粒的水平分速等于水平流速v；c懸浮物以等速下沉等速下沉；d顆粒一碰到池底即認(rèn)為被去除 推導(dǎo)以平流式理想沉淀池為例（如圖4-1-5所示） 截留速度： 00tHu（4-6）水平流速： HBQv （4-7）LvHuuHvL00（4-8）平流沉淀池平流沉淀池工作原理圖

9、推導(dǎo)把（4-7）代入（4-8）可得： AQqBLQu00（4-9）式中：q0表面負(fù)荷率或過(guò)流率，m3/m2h 截留速度剛好等于單位時(shí)間單位面積上流過(guò)的水量截留速度剛好等于單位時(shí)間單位面積上流過(guò)的水量公式的物理意義 顆粒在沉淀池中的截留速度剛好等于單位時(shí)間單位面積上流過(guò)的水量，為沉淀池的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 若定義：具有沉速uiu0的顆粒的去除比例為該顆粒的去除效率去除效率，則： 00quuuiii（4-10） 說(shuō)明i與水深、沉淀時(shí)間、水平流速、池長(zhǎng)無(wú)關(guān)。（Hazen理論） 公式的物理意義a若i一定，則ui增大，q0增大；q0一定，則ui增大，i增加b若Q一定、ui一定，則A增加，i增加；Q、u

10、i一定時(shí)，對(duì)相同體積的池子，H減小，則A增大，i增加。 Hazen理論提供了提高沉淀池效率的依據(jù) 實(shí)際沉淀池與理想沉淀池的差別一、水的流動(dòng)狀態(tài) 二、其它因素 水的流動(dòng)狀態(tài)1、短流 2、紊流 短流 實(shí)際的平均停留時(shí)間較理想的短，稱為短流現(xiàn)象。短流的存在，使池子的容積利用率降低。引起短流的原因: 流速分布不均勻 進(jìn)出口配水的不均勻，造成死區(qū)；異重流 池子的構(gòu)造 紊流 進(jìn)水時(shí)產(chǎn)生射流，如穿孔墻孔眼流速為0.10.2m/s 其它因素池深:絮凝效果；防止已沉顆粒沖刷上浮 沉淀時(shí)間:絮凝沉淀 因此，設(shè)計(jì)沉淀池時(shí)，除了對(duì)表面負(fù)荷率有要求外，還對(duì)停留時(shí)間、池深、進(jìn)出水構(gòu)造、排泥方式等均有要求。通常，對(duì)于靜置沉

11、淀得出的試驗(yàn)結(jié)果，在用于設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮一定的安全系數(shù)。一般在設(shè)計(jì)時(shí)： q=q0/1.251.75，T=（1.52.0）T0沉淀池概述一、平流式沉淀池(horizontal flow Sedimentation Tank) 二、豎流式沉淀池(vertical flow ST) 三、斜板（管）沉淀池（tilted-plate ST） 四、澄清池（clarifier，clarification tank） 概述 沉淀池是一種主要的固液分離構(gòu)筑物。在生物處理工藝中起預(yù)處理作用的沉淀池稱為初沉池，生物處理后起澄清出水和濃縮污泥的稱為二沉池。除在生物處理中作為固液分離的主要構(gòu)筑物外，在別的工藝中也常作為固

12、液分離的主要構(gòu)筑物。 根據(jù)水流，一般將沉淀池分為三種:平流式(矩形)、豎流式(園、方、正多邊形)和輻流式(多為園形，也可為方形) 概述沉淀池構(gòu)造根據(jù)功能分為五個(gè)區(qū):進(jìn)水區(qū):保證進(jìn)水均勻分布在整個(gè)進(jìn)水?dāng)嗝嫔?，避免短流，減少死角和紊流影響，提高容積利用系數(shù)。出水區(qū):均勻出水(目的同上)，阻攔浮渣沉淀區(qū):污水與顆粒分離，工作區(qū)污泥區(qū):污泥貯放、濃縮、排除 緩沖區(qū):分隔沉淀區(qū)，保證沉下的顆粒不因水流攪動(dòng)而再次浮起進(jìn)入沉淀區(qū)。 平流式沉淀池1 構(gòu)造形式（見(jiàn)圖4-2-3 ）2 主要設(shè)計(jì)參數(shù) 3 設(shè)計(jì)計(jì)算 構(gòu)造形式進(jìn)水區(qū)整流、布水構(gòu)造：均勻布水、消能、防止短流、異重流及沖刷污泥橫向潛孔 + 擋板（如圖4-2

13、-4所示） 豎向潛孔 + 擋板（如圖4-2-5所示） 穿孔花墻（如圖4-2-6所示） 構(gòu)造形式出水區(qū)構(gòu)造：均勻集水、攔截漂浮物、防止短流、溝流，定容薄壁(平頂)堰、鋸齒堰、淹沒(méi)式孔口出流（如圖4-2-7所示）堰:控制池內(nèi)水位，均勻出水；須保證單位堰長(zhǎng)上溢流量相等(堰頂嚴(yán)格水平)， 且不宜過(guò)大，否則滯泥。若單寬流量不能滿足，應(yīng)增大堰長(zhǎng)。增加堰長(zhǎng)的方法舉例（見(jiàn)圖4-2-8） 構(gòu)造形式集泥、貯泥: 設(shè)泥斗 多斗式 單斗式：刮泥機(jī)（鏈帶式、行車式刮泥機(jī)） 排泥: 重力（靜壓）排泥 排泥管（見(jiàn)圖4-2-9） 吸泥車 排泥井（見(jiàn)圖4-2-10） 主要設(shè)計(jì)參數(shù)控制沉淀效率的工藝參數(shù):表面負(fù)荷率(截留速度)

14、沉淀時(shí)間通過(guò)試驗(yàn)獲得: q設(shè) = qo/(1.251.75) t設(shè) = (1.52.0)to 有效水深H經(jīng)驗(yàn)(常用):見(jiàn)表4-2-1主要設(shè)計(jì)參數(shù)考慮布水均勻，減小紊流，增大穩(wěn)定性: 水平流速： 5mm/s 每格長(zhǎng)/寬：45長(zhǎng)/高：812 （校核！） 出流堰上負(fù)荷率：初沉池2.9l/s.m 二沉池 1.7l/s.m主要設(shè)計(jì)參數(shù)超高 0.3m，有效水深宜24m池?cái)?shù)n2貯泥斗容積：初沉池一般 2日污泥量；二沉池一般 2小時(shí)污泥量排泥水頭：靜壓排泥時(shí)，初沉池靜水壓頭 1.5m，二沉池在生物膜法后應(yīng) 0.9m，曝氣池后 1.2m豎流式沉淀池1 構(gòu)造形式（見(jiàn)圖4-2-11） 2 沉淀效率 3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

15、 4 設(shè)計(jì)計(jì)算 構(gòu)造形式平面多為圓形或正方形，D(或邊取)7m時(shí)考慮設(shè)輻射式出水槽進(jìn)水口以上為沉淀區(qū)，以下緩沖、浮泥區(qū)(泥斗) 排泥:靜水壓力，排泥管 沉淀效率豎流沉淀池的表面負(fù)荷率 = 上升流速v uv(去除)沉下u3；中心管流速 30mm/s；中心管下口應(yīng)設(shè)喇叭口及反射板，底板面距泥面 0.3m 其余同平流沉淀池 斜板（管）沉淀池1 淺池原理 2 提高效果的原因 3 構(gòu)造和特征 4 設(shè)計(jì)計(jì)算 淺池原理 在如圖4-2-17所示的理想沉淀池中，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可描述為： 0uvHL（4-8） 當(dāng)L、v不變時(shí)，H越小，則可截留的顆粒的u0越小。此即淺池原理。 淺池原理 若原沉淀池高度為H，顆粒截留

16、速度為u0，停留時(shí)間為t=H/u0。當(dāng)沉淀池高度變?yōu)樵瓉?lái)的1/n時(shí)，則： tnnuHunHt1001（4-22） 該式說(shuō)明：采用淺池原理設(shè)計(jì)的沉淀池可大大縮短停留時(shí)間。實(shí)踐中，采用淺池原理設(shè)計(jì)的沉淀池有斜板、斜管沉淀池 提高效果的原因a淺池中水流為層流狀態(tài)，減少了水流及外界因素造成的紊流；b水流狀態(tài)穩(wěn)定，利于顆粒沉降缺點(diǎn)：因H小，排泥問(wèn)題難解決，易堵塞。（因此，對(duì)于懸浮物濃度高的沉淀池一般不推薦使用斜板） 構(gòu)造特征 根據(jù)水流方向，可分為同向流、異向流、側(cè)向流三種 同向流（見(jiàn)圖3-2-18） 異向流(豎流式+斜板) （見(jiàn)圖3-2-19） 側(cè)向流(豎流式+斜板，輻流式+斜板) （見(jiàn)圖3-2-20） 設(shè)計(jì)計(jì)算理論公式推導(dǎo)（見(jiàn)圖4-2-21）設(shè)有n塊斜板，流量為Q，沉淀池池長(zhǎng)為L(zhǎng)，寬為B，經(jīng)推導(dǎo)可得：