第16章 沉淀與澄清

第16章沉淀和澄清平流式沉淀池斜板沉淀池幅流式沉淀池旋流式沉淀池第16章沉淀和澄清

16.1懸浮顆粒在靜水中的沉淀

沉淀：水中懸浮顆粒依靠重力作用，從水中分離出來(lái)的過(guò)程。自由沉淀：顆粒沉淀過(guò)程中，彼此互不干擾，只受到顆粒本身在水中的重力和水流阻力的作用。擁擠沉淀：顆粒沉淀過(guò)程中，彼此相互干擾，或者受到容器壁的干擾，沉淀速度較小。16.1.1懸浮顆粒在靜水中的自由沉淀假設(shè)沉淀的顆粒是球形，其所受到的重力為：所受到的水的阻力：

CD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：達(dá)到重力平衡時(shí)，加速度為零，令式左邊為零，加以整理，得沉速公式：CD與Re有關(guān)。1.斯篤克斯公式當(dāng)Re<1時(shí)：呈層流狀態(tài)斯篤克斯公式：2.牛頓公式當(dāng)1000<Re<25000時(shí)，呈紊流狀態(tài)，CD接近于常數(shù)0.4，代入得牛頓公式：

3.阿蘭公式當(dāng)1<Re<1000時(shí)，屬于過(guò)渡區(qū)，CD近似為代入得阿蘭公式：16.1.2懸浮顆粒在靜水中的擁擠沉淀

1．沉降過(guò)程分析

整個(gè)沉淀筒中可分為清水、等濃度區(qū)、變濃度區(qū)、壓實(shí)區(qū)等四個(gè)區(qū)。

2.肯奇沉淀理論由圖16-2可知曲線a-c段的懸浮物濃度為C0，c-d段濃度均大于C0。設(shè)在c-d曲線任一點(diǎn)Ct作切線與縱坐標(biāo)相交于a’點(diǎn)，得高度Ht。按照肯奇沉淀理論得：作Ct點(diǎn)切線，這條切線的斜率表示濃度為Ct的交界面下沉速度：

3.相似理論當(dāng)原水顆粒濃度一樣時(shí)，不同沉降高度的界面沉降過(guò)程曲線的相似性（見圖16-3），即

16.2平流沉淀池16.2.1非凝聚性顆粒的沉淀過(guò)程分析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(dòng)，在過(guò)水?dāng)嗝嫔希鼽c(diǎn)流速相等，并在流動(dòng)過(guò)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。原水進(jìn)入沉淀池，在進(jìn)水區(qū)被均勻分配在A-B截面上其水平流速為：考察頂點(diǎn)，流線Ⅲ：正好有一個(gè)沉降速度為的顆粒從池頂沉淀到池底，稱為截留速度u0。

u≥u0的顆粒可以全部去除，u<u0的顆粒只能部分去除。對(duì)用直線Ⅲ代表的一類顆粒而言，流速都與沉淀時(shí)間有關(guān)。即：一般稱為“表面負(fù)荷”或“溢流率”。表面負(fù)荷在數(shù)值上等于截留速度，但含義不同。設(shè)原水中沉速為ui（ui<u0）的顆粒的濃度為C，沿著進(jìn)水區(qū)高度為h0的截面進(jìn)入的顆粒的總量為QC=h0BvC，沿著m點(diǎn)以下的高度為hi的截面進(jìn)入的顆粒的數(shù)量為hiBvC，則沉速為ui的顆粒的去除率為：根據(jù)相似關(guān)系得：即：同理得：特定顆粒去除率：

由上式可知，顆粒在理想沉淀池的沉淀效率只與表面負(fù)荷有關(guān)，而與其它因素（如水深、池長(zhǎng)、水平流速、沉淀時(shí)間）無(wú)關(guān)。（1）E一定，ui越大，則表面負(fù)荷越高，或q不變，ui越大，則E越高。ui的大小與混凝效果有關(guān)，應(yīng)重視加強(qiáng)混凝工藝。（2）ui一定，增大表面積A，可以增加產(chǎn)水量Q或增大E。當(dāng)容積一定時(shí)，增加A，可以降低水深―“淺池理論”。淺池理論在理想沉淀池中，因特定顆粒（截留速度u0所對(duì)應(yīng)的顆粒）的水平運(yùn)動(dòng)時(shí)間和垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)間一致，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可描述為：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。若原沉淀池高度為H，顆粒截留速度為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：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、斜管沉淀池淺池理論理想沉淀池的總?cè)コ仕心軌蛟诔恋沓刂腥コ模了傩∮趗0的顆粒的去除率為：沉速大于和等于u0的顆粒全部下沉，去除率為（1-p0），因此理想沉淀池的總?cè)コ蕿椋菏街衟0—沉速小于u0的顆粒重量占所有顆粒重量的百分率。

凝聚性顆粒的沉淀實(shí)驗(yàn)分析

非凝聚性顆粒在靜水中的沉淀實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)圓筒進(jìn)行。在圓筒水面h處開一個(gè)取樣口，要求顆粒在水中均勻分布，濃度為C0；然后在分別在t1、t2、…tn時(shí)取樣，分別測(cè)得濃度為C1、C2、…Cn，對(duì)應(yīng)的沉速分別為h/t1=u1、h/t2=u2、…h(huán)/tn=un。設(shè)p1、p2、…pn分別代表C1/C0、C2/C0、…Cn/C0，則1-pi表示所有速度大于等于ui的顆粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的顆粒所占的比例。具有沉速u1、u2的兩種顆粒之間的顆粒濃度分?jǐn)?shù)為p1-p2。

16.2.2凝聚性顆粒的沉淀過(guò)程分析1.實(shí)驗(yàn)采取沉淀試驗(yàn)筒，筒長(zhǎng)盡量接近實(shí)際沉淀池的深度，可采用2～3m，直徑不小于100mm，設(shè)5～6個(gè)取樣口。先均勻攪拌測(cè)定初始濃度，然后每隔一段時(shí)間，取出各取樣口的水測(cè)定懸浮物的濃度，計(jì)算相應(yīng)的去除百分?jǐn)?shù)。以沉淀筒高度h為縱坐標(biāo)，沉淀時(shí)間t為橫坐標(biāo)把去除百分比相同的各點(diǎn)連成光滑曲線，稱為“去除百分?jǐn)?shù)等值線”。含義：對(duì)應(yīng)所指明去除百分?jǐn)?shù)時(shí)，取出水樣中不復(fù)存在的顆粒的最遠(yuǎn)沉降途徑，深度與時(shí)間的比值指明去除百分?jǐn)?shù)時(shí)的顆粒的最小平均沉速。

凝聚性顆粒沉淀實(shí)驗(yàn)及去除百分?jǐn)?shù)等值線

2.計(jì)算對(duì)于某一表面負(fù)荷而言，根據(jù)凝聚性顆粒去除百分?jǐn)?shù)等值線，可以得出總的去除百分?jǐn)?shù)。凝聚性顆粒的去除百分?jǐn)?shù)計(jì)算例：設(shè)計(jì)一座平流沉淀池，水深2.5m，沉淀時(shí)間2h，原水濁度50NTU。原水水質(zhì)分析結(jié)果見下表，按理想沉淀池計(jì)算，該沉淀池總?cè)コ蕿槎嗌?？解：特定顆粒沉速（截留速度）u0u0=h/t=2500/(2×3600)mm/s=0.35mm/s根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，表中所有大于0.35mm/s沉速的顆粒將全部去除，這些顆粒占80%。小于0.35mm/s的顆粒被部分去除。E=0.8+1/0.35×[1/2×(0.10+0.35)×(0.94-0.80)+1/2×(0.05+0.10)×(1-0.94)]=0.8+0.1=90%16.2.3影響平流式沉淀池沉淀效果的因素（1）沉淀池實(shí)際水流狀況對(duì)沉淀效果的影響（發(fā)生短流）短流的原因：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)存在導(dǎo)流壁和刮泥設(shè)施。（2）凝聚作用的影響原水通過(guò)絮凝池后，懸浮雜質(zhì)的絮凝過(guò)程在平流式沉淀池內(nèi)仍繼續(xù)進(jìn)行。此外，水中絮凝顆粒的大小也是不均勻的，它們將具有不同的沉速，沉速大的顆粒在沉淀過(guò)程中能追上沉速小的顆粒而引起絮凝。16.2.4平流沉淀池的構(gòu)造平流式沉淀池分為進(jìn)水區(qū)、沉淀區(qū)、存泥區(qū)、出水區(qū)4部分。（1）進(jìn)水區(qū)進(jìn)水區(qū)的作用是使流量均勻分布在進(jìn)水截面上，盡量減少擾動(dòng)。一般做法是使水流從絮凝池直接流入沉淀池，通過(guò)穿孔墻將水流均勻分布在沉淀池的整個(gè)斷面上。為使礬花不易破碎，通常采用穿孔花墻，v<0.1m/s（06規(guī)范），洞口總面積也不宜過(guò)大。（2）沉淀區(qū)沉淀區(qū)的高度一般約3～4m（有效水深3～3.5m），平流式沉淀池中應(yīng)減少紊動(dòng)性，提高穩(wěn)定性。紊動(dòng)性指標(biāo)為雷諾數(shù)，

穩(wěn)定性指標(biāo)為弗勞德數(shù)，能同時(shí)降低雷諾數(shù)和提高弗勞德數(shù)的方法只能是降低水力半徑R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B>4，L/H>10，每格寬度應(yīng)在3～8m，不宜大于15m。例：一平流沉淀池，水平流速v=18mm/s，B=3H，F(xiàn)r=0.6×10-5。在池的1/3、2/3處各加一道隔墻，忽略隔墻厚度，新池的Fr為多少？解：原池的水力半徑R1=3H×H/(2H+3H)=0.6H新池的水力半徑R2=H×H/(2H+H)=H/3Fr2/Fr1=0.6H/(H/3)=1.8

故Fr2=1.08×10-5平流式沉淀池及穿孔花墻（3）出水區(qū)通常采用：溢流堰（施工難），非淹沒孔口（容易找平）。孔口流速宜為0.6～0.7m/s，孔徑20～30mm，孔口在水面下12～15cm，水流應(yīng)自由跌落到出水渠。為了不使流線過(guò)于集中，應(yīng)盡量增加出水堰的長(zhǎng)度，降低流量負(fù)荷。堰口溢流率一般小于300m3/m·d（GB50013-2006），目前我國(guó)增加堰長(zhǎng)的辦法見圖16-14。指型集水槽（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(jī)械刮泥設(shè)備（池容不大時(shí)）。穿孔管排泥：需存泥區(qū)，池底水平略有坡度以便放空。機(jī)械排泥：帶刮泥機(jī)，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(shí)，用泥泵抽吸。還有一種單口掃描式吸泥機(jī)，無(wú)需成排的吸口和吸管裝置。沿著橫向往復(fù)行走吸泥。桁車及吸泥機(jī)

16.2.5平流沉淀池的工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)平流沉淀池的主要控制指標(biāo)是表面負(fù)荷或停留時(shí)間。應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、沉淀水質(zhì)要求、水溫等設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。停留時(shí)間一般采用1～3h。華東地區(qū)水源一般采用1～2h，重慶地區(qū)一般采用1～1.5h。低溫低濁水源停留時(shí)間往往超過(guò)2h。（1）按照表面負(fù)荷Q/A的關(guān)系計(jì)算出沉淀池表面積A

沉淀池長(zhǎng)度：沉淀池寬度：（2）按照停留時(shí)間T首先計(jì)算出有效容積V=QT，然后選定H、L

沉淀池寬度：平流式沉淀池的放空排泥管直徑，根據(jù)水力學(xué)中變水頭放空容器公式計(jì)算：當(dāng)渠道底坡度為零時(shí)，渠道起端水深可根據(jù)下式計(jì)算：沉淀速度參考數(shù)值16.3斜板與斜管沉淀池16.3.1斜板與斜管沉淀池的特點(diǎn)1.原理由沉淀效率公式可知：在原體積不變時(shí)，增加沉淀面積，可使顆粒去除率提高。斜板（管）沉淀池與水平面成一定的角度（一般60°左右）的板（管）狀組件置于沉淀池中構(gòu)成，水流可從上向下或從下向上流動(dòng)，顆粒沉于斜管底部，而后自動(dòng)下滑。斜板（管）沉淀池的沉淀面積明顯大于平流式沉淀池，因而可提高單位面積的產(chǎn)水量或提高沉淀效率。2.分類有異向流、同向流、橫向流三種，或者稱為上向流、下向流、側(cè)向流，目前在實(shí)際工程中應(yīng)用的是異向流斜板（管）沉淀池。3.優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）沉淀面積增大；（2）沉淀效率高，產(chǎn)水量大；（3）水力條件好，Re小，F(xiàn)r大，有利于沉淀；缺點(diǎn)：（1）由于停留時(shí)間短，其緩沖能力差；（2）對(duì)混凝要求高；（3）維護(hù)管理較難，使用一段時(shí)間后需更換斜板（管）16.3.2設(shè)計(jì)計(jì)算1.沉淀池面積A

選定表面負(fù)荷（5.0~9.0m3/m2.h）（新規(guī)范），計(jì)算得到面積A。2.沉淀池總高度

H=h1+h2+h3+h4+h5式中：h1為超高0.3mh2為清水層高度不宜小于1.0mh3為自身高度0.87mh4為配水區(qū)高度不宜小于1.5mh5為污泥斗高度例：一上向流斜管沉淀池，設(shè)計(jì)能力20000m3/d，平面凈尺寸10m×10m，結(jié)構(gòu)系數(shù)1.03，斜管長(zhǎng)l=1m，安裝角60°，斜管內(nèi)軸向流速為多少mm/s？解：斜管凈出口面積A′=(10-lcosθ)×10/1.03=92.23m2斜管內(nèi)軸向流速v=Q/(A′sinθ)=20000/24/(92.23×sin60°)=10.43m/h=2.89mm/s注：斜管凈出口面積不應(yīng)計(jì)算斜管不能出水的部分。斜管結(jié)構(gòu)系數(shù)來(lái)自于斜管壁厚使得凈出口面積減少。

輻流式沉淀池輻流式沉淀池（圓形、正方形）直徑6～60m，池內(nèi)水深1.5～3.0m，機(jī)械排泥。用于污水處理中的二沉池較多。

16.4澄清池

16.4.1澄清池特點(diǎn)澄清池將絮凝和沉淀過(guò)程綜合于一個(gè)構(gòu)筑物完成，主要依靠活性泥渣層達(dá)到澄清目的。當(dāng)脫穩(wěn)雜質(zhì)隨水流與泥渣層接觸時(shí)被阻留下來(lái)使水獲得澄清的現(xiàn)象，稱為接觸絮凝。在原水中加入較多絮凝劑，并適當(dāng)降低負(fù)荷，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，便能形成泥渣層，常用于給水處理。

16.4.2澄清池的分類簡(jiǎn)介

2大類：泥渣懸浮型澄清池和泥渣循環(huán)型澄清池（1）泥渣懸浮型澄清池加藥后的原水自下而上通過(guò)懸浮狀態(tài)的泥渣層，水中脫穩(wěn)雜質(zhì)與高濃度的泥渣顆粒碰撞凝聚并被泥渣層攔截，類似過(guò)濾作用。上升水流使顆粒所受到的阻力恰好等于其在水中的重力，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，上升流速等于懸浮泥渣的擁擠沉速u′。

u′=u(1-Cv)nu為泥渣顆粒自由沉速，Cv為沉渣體積濃度當(dāng)上升流速一定時(shí)，懸浮層濃度和厚度一定，懸浮層表面位置不變。增加的新鮮泥渣量必須等于排除的陳舊泥渣量，以維持動(dòng)態(tài)平衡。1）懸浮澄清池懸浮澄清池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般用于小水廠，運(yùn)行適應(yīng)性差（水溫、水量、變化時(shí)，泥渣層工作不穩(wěn)定），目前已很少用。2）脈沖澄清池特點(diǎn)是澄清池的上升流速發(fā)生周期性的變化，這種變化是由脈沖發(fā)生器引起的?？棵}沖方式進(jìn)水，懸浮層發(fā)生周期性的收縮和膨脹。脈沖澄清池的特點(diǎn)：①有利于顆粒和懸浮層接觸；②懸浮層污泥趨于均勻。③還可以防止顆粒在池底沉積④處理效果受水量、水質(zhì)、水溫影響較大；⑤構(gòu)造復(fù)雜。（2）泥渣循環(huán)型澄清池

1）機(jī)械攪拌澄清池

機(jī)械攪拌澄清池的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①清水區(qū)上升流速為0.8~1.1mm/s（清水區(qū)表面負(fù)荷）；②水在澄清池內(nèi)總的停留時(shí)間可采用1.2~1.5h；③葉輪提升流量為進(jìn)水流量的3~5倍；④原水進(jìn)水管、三角配水槽的水流流速分別為1m/s、0.4m/s；⑤第一絮凝室的容積：第二絮凝室的容積（含導(dǎo)流室）：分離室為2：1：7，第二絮凝室與導(dǎo)流室的水流流速一般為40~60mm/S；⑥直徑大于6m時(shí)用6~8條輻射形集水槽，直徑小于6m時(shí)用4~6條輻射形集水槽機(jī)械攪拌澄清池優(yōu)點(diǎn)：①處理效果好，穩(wěn)定；②適用于大、中水廠缺點(diǎn)：①維修維護(hù)工作量較大；②啟動(dòng)時(shí)有時(shí)需人工加土和加大加藥量。

2）水力循環(huán)澄清池水力循環(huán)澄清池現(xiàn)已很少使用。優(yōu)點(diǎn)：不需機(jī)械攪拌，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：反應(yīng)時(shí)間短，運(yùn)行不穩(wěn)定，泥渣回流控制較難，不能適應(yīng)水溫、水質(zhì)、水量的變化，只能用于小水廠。例：機(jī)械攪拌澄清池泥水分離室中部有一層依靠向上水流托起的懸浮泥渣層，觀測(cè)出懸浮層厚度L=1000mm，懸浮泥渣層密度ρ1=1.15g/cm3，水的密度ρ2=1.0g/cm3。從導(dǎo)流室進(jìn)入分離室的水流經(jīng)過(guò)懸浮泥渣層的水頭損失等于6.0mm，則懸浮泥渣層重量濃度等于多少mg/L？解：懸浮泥渣層水頭損失h=[(ρ1-ρ2)/ρ2]×(1-m)×L

式中：m—泥渣層膨脹后的孔隙率

L—泥渣層膨脹后的高度6=[(1.15-1.0)/1.0]×(1-m)×1000解得m=0.96根據(jù)懸浮泥渣層中干泥渣量不變的原理（即質(zhì)量守恒），可列出下式：1000A×(1-0.96)×1.15=1000AC

式中：A—懸浮泥渣層表面積

C—懸浮泥渣層重量濃度C=0.046g/cm3=46000mg/L例：處理水量為30000m3/d的機(jī)械攪拌澄清池，清水區(qū)上升流速為1.0mm/s。從導(dǎo)流室進(jìn)入分離區(qū)的上升水體中取樣分析得知，懸浮物含量為30mg/L，含有不同沉速顆粒占所有顆粒的比例見下表：為了提高澄清池去除懸浮物顆粒的效率，在分離區(qū)加設(shè)斜板，斜板水平投影總有效面積為521m2。按理論計(jì)算，加設(shè)斜板后出水懸浮物濃度為多少mg/