沉淀池設(shè)計(jì)與計(jì)算

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第六節(jié)、普通沉淀池

沉淀池可分為普通沉淀池和淺層沉淀池兩大類。依照水在池內(nèi)的總體流向，普通沉淀池又有平流式、豎流式和輻流式三種型式。

普通沉淀池可分為入流區(qū)、沉降區(qū)、出流區(qū)、污泥區(qū)和緩沖區(qū)5個(gè)功能區(qū)。入流區(qū)和出流區(qū)的作用是進(jìn)行配水和集水，使水流均勻地分布在各個(gè)過流斷面上，為提高容積利用、系數(shù)和固體顆粒的沉降提供盡可能穩(wěn)定的水力條件。沉降區(qū)是可沉顆粒與水分開的區(qū)域。污泥區(qū)是泥渣貯存、濃縮和排放的區(qū)域。緩沖層是分隔沉降區(qū)和污泥區(qū)的水層，防止泥渣受水流沖刷而重新浮起。以上各部分相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的處理能力和沉降效率。

一、平流沉淀池

在平流沉淀池內(nèi)，水是按水平方向流過沉降區(qū)并完成沉降過程的。圖3-16是沒有鏈帶式刮泥機(jī)的平流沉淀池。廢水由進(jìn)水槽經(jīng)吞噬孔口進(jìn)入池內(nèi)。在孔口后面設(shè)有擋板或穿孔整流墻，用來消能穩(wěn)流，使進(jìn)水沿過流斷面均勻分布。在沉淀池末端沒有溢流堰(或吞噬孔口)和集水槽，澄清水溢過堰口，經(jīng)集水槽排出。在溢流堰前也設(shè)有擋板，用以阻隔浮渣，浮渣通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的排演管收集和排除。池體下部靠進(jìn)水端有泥斗，斗壁傾角為50°～60°，池底以0.01～0.02的坡度坡向泥斗。當(dāng)刮泥機(jī)的鏈帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，嵌在鏈帶上的刮泥板就將池底的沉泥向前推入泥斗，而位于水面的刮板則將浮渣推向池尾的排渣管。泥斗內(nèi)設(shè)有排泥管，開啟排泥閥時(shí)，泥渣便在靜水壓力作用下由排泥管排出池外。[顯示圖片]鏈帶式刮泥機(jī)的缺點(diǎn)是鏈帶的支承和驅(qū)動(dòng)件都浸沒于水中，易銹蝕，難保養(yǎng)。為此，可改用橋式行車刮泥機(jī)，這種刮泥機(jī)不但運(yùn)行靈活，而且保養(yǎng)維修都比較便利。對(duì)于較小的平流沉淀池，也可以不設(shè)刮泥設(shè)備，而在沿池的長度方向設(shè)置多個(gè)泥斗，每個(gè)泥斗各自單獨(dú)排泥，既不相互干擾，也有利于保證污泥濃度。

沉淀池的設(shè)計(jì)包括功能構(gòu)造設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)。前者是指確定各功能分區(qū)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，以滿足各自功能的實(shí)現(xiàn)；后者是指確定沉淀池的整體尺寸和各構(gòu)件的相對(duì)位置。設(shè)計(jì)良好的沉淀池應(yīng)滿足以下三個(gè)基本要求；有足夠的沉降分開面積：有結(jié)構(gòu)合理的人流相出流放置能均勻布水和集水；有尺寸適寶、性能良好的污泥和浮渣的收集和排放設(shè)備。進(jìn)行沉淀池設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是廢水流量、水中懸浮固體濃度和性質(zhì)以及處理后的水質(zhì)要求。因此，必需確定有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，其中包括沉降效率、沉降速度(或表面負(fù)荷)、沉降時(shí)間、水在池內(nèi)的平均流速以及泥渣容重和含水率等。這些參數(shù)一般需要通過試驗(yàn)取得；若無條件，也可根據(jù)相像的運(yùn)行資料，因地制宜地選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以-薩按功能分區(qū)介紹設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

1.入流區(qū)和出流區(qū)的設(shè)計(jì)

入流和出流區(qū)設(shè)計(jì)的基本要求，是使廢水盡可能均勻地分布在沉降區(qū)的各個(gè)過流斷面，既有利于沉降，也使出水中不挾帶過多的懸浮物。

常用的配水方式如圖3-17。緊靠池壁內(nèi)側(cè)是一條橫向配水槽，其后的人流裝置可以有三種不同組合。溢流堰的堰口要確保水平；底孔應(yīng)沿池寬等距離分布且大小相等；為了減弱射流對(duì)沉降的干擾，整流墻的開孔率應(yīng)在10～20％，孔口的邊長或直徑應(yīng)為50～150mm，最上一排孔口的上緣應(yīng)在水面以下0.12～0.15m處，最下一排的下緣應(yīng)在泥層以上0.3～O.5m處；擋板需高出水面0.15～0.2m，吞噬深度不小于O.2m，距離進(jìn)水口0.5～1.0m。[顯示圖片]

集水槽的布置有圖3--18所示的三種基本方式。其中以(a)最為簡單，但因長度短，流速大，簡單挾帶較多的懸浮物；(b)種加設(shè)了一組縱向支渠，水力條件最好，但結(jié)構(gòu)較繁雜。目前，也有在沉淀池中、后部加設(shè)橫向中途集水槽的。出流口常采用溢流堰和吞噬潛孔。前者可為自由堰，也可為鋸齒形三角堰，堰前設(shè)置擋板，用以穩(wěn)流和阻擋浮渣，擋板吞噬深度為0.3～O.4m，距溢流堰O.25～O.5m。出水溢流堰不僅控制著池內(nèi)水面的高崖，而且對(duì)水流的與勺分布和出入水質(zhì)古重要影M向，由此堰白必匆嚴(yán)格水平，以征證堰負(fù)荷(即單位堰長在單位時(shí)間的排水量)適中且各處相等。在采用吞噬潛孔時(shí)，要求孔徑相等，并應(yīng)沿池子寬度上均勻分布，吞噬深度征0.15-0.2m。[顯示圖片]2．沉降區(qū)的設(shè)計(jì)

沉降區(qū)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定沉降區(qū)的長、覽、澆尺寸和沉淀池座數(shù)或分格數(shù)，其主要內(nèi)容如下：

(1)由設(shè)計(jì)流量Q(m3／h)和表面負(fù)荷q(m3／m2.h)，按A＝Q／q計(jì)算沉降區(qū)表面積A(m2)。(2)由與Q對(duì)應(yīng)的水平流速v(mm／s)和沉降時(shí)間t，按L2＝3.6vt計(jì)算沉降區(qū)長L2(m)。一般取v≤5mm／s；t取l.5～2.0h。(3)

按B2＝A／L2計(jì)算池寬B2(m)，并按L2／b＝4～5的要求得單池或單格寬b(m)的近似尺寸。(4)由n＝B2／b確定沉淀池座數(shù)或分格數(shù)n。顯然，由于n只能為正整數(shù)，而n、B2和b又相互關(guān)聯(lián)，因此在確定n值后，需對(duì)b或B2作必要調(diào)整，但仍需滿足L2／b≥4的要求。此外，在采用機(jī)械刮泥時(shí)，b值還必需與刮泥機(jī)的衍架寬度相匹配。為了便于檢修倒換，n值不應(yīng)小于2，但也不宜過大，以免增大造價(jià)。3．污泥區(qū)的設(shè)計(jì)

污泥斗的容積可由排泥周期內(nèi)沉降的泥渣量確定。泥渣體積Vw(m3)按下式計(jì)算：(3-22)

式中Q--廢水設(shè)計(jì)流量，m3／h；

C和C--分別為進(jìn)水和出水的SS濃度，mg／L；P--泥渣含水率(%)；

γ--泥渣容重，kg／m3，當(dāng)泥渣主要為有機(jī)物且含水率在95％以上時(shí)，可取1000kg／m3；

T--排泥周期，一般取1～2d。對(duì)倒正棱臺(tái)形泥斗，其容積Vd(m3)按下式計(jì)算：(3-23)

式中a1和a2--分別為泥斗上、下底邊長，m；

h4--泥斗高度，m；，a為泥斗壁煩角，按污泥滑動(dòng)性取450～600。

設(shè)m為沉淀池的泥斗數(shù)，如mVd≥Vw，則能滿足要求，否則應(yīng)增加泥斗數(shù)或縮短排泥周期。

4．沉淀池的整體尺寸

設(shè)前、后擋板與進(jìn)、出水口的距離分別為L1和L3，則沉淀池總長L(m)為：(3-24)

設(shè)緩沖層高度為h3，當(dāng)沒有刮泥機(jī)時(shí)，h3＝(hm+0.3)，hm為刮泥板高度；不設(shè)刮泥機(jī)時(shí)，h3取O.5m。為了適

應(yīng)沖擊負(fù)荷的水位變化，有效水深以上應(yīng)有保護(hù)高度h1，常取0.3m。故沉淀池總高H(m)為：

二、豎流沉淀池(3-25)

豎流沉淀池多用于小流量廢水中絮凝性懸浮固體的分開，池面多呈圓形或正多邊形。圖3-19為圓形豎流沉淀池的結(jié)構(gòu)示意圖，其上部圓筒形部分為沉降區(qū)，下部倒圓臺(tái)部分為污泥區(qū)，二者之間有0.3～O.5m的緩沖層。沉淀池運(yùn)行時(shí)，廢水經(jīng)進(jìn)水管進(jìn)入中心管，由管口出流后，借助反射板的阻擋向四周分布，并沿沉降區(qū)斷面緩慢豎直上升。沉速大于水速的顆粒下沉到污泥區(qū)，澄清水則由周邊的溢流堰溢入集水槽排出。溢流堰內(nèi)側(cè)設(shè)有半浸沒式擋板來阻止浮渣被水帶出。[顯示圖片]

豎流沉淀池的直徑一般在4～8m，最大不超過10m，以1.5～2.0m的靜水壓力排泥。為保證水流的豎向運(yùn)動(dòng)，池徑與沉降區(qū)深度之比不宜大于3。如池徑大于8m，應(yīng)增設(shè)徑向集水槽。

豎流沉淀池內(nèi)，水流水平分速為零，在靜水中沉速為us的顆粒在池內(nèi)的實(shí)際沉速為us與水上升流速v的矢量和(us-v)，顆粒被分開的條件為us＞v，而us≤v的顆粒始終不能沉底，因而其沉降效率與具有一致表面負(fù)荷的平流沉淀池相比減小了；即ET=(1-p0)100(％)。豎流沉淀池的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：(1)表面負(fù)荷，按公式(3-20)計(jì)算，當(dāng)無資料時(shí)，可按v＝(O.5∽0.8)mm／s，即q(2.0～3.O)m3／m2·h取用。(2)沉降時(shí)間按公式(3-20)求取；當(dāng)無資料時(shí)，可取t＝(1.0～2.0)ha。

(3)管口不設(shè)反射板時(shí)，取中心管內(nèi)流速v0≤0.03m/s；設(shè)反射板時(shí)，v0≤0.1m/s。(4)中心管與反射板之間的

流速v1一般不大于0.04m／s。(5)中心管及反射板的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-20。(6)保護(hù)高度取0.3～0.6m，緩沖層高度取0.3m，泥斗壁傾角取45°～55°。[顯示圖片]豎流沉淀池的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容如下：

(1)中心管的斷面A1(m2)和直徑d(m)由單池流量Q／n(m3／h)及中心管流速v0(m／h)計(jì)算，其中Q為廢水流量(m3／h)，n為池?cái)?shù)

(2)由表面負(fù)荷q(m3／m2·h)及單池流量計(jì)算沉淀區(qū)斷面積人A(m2)。(3)由A1和A2計(jì)算沉淀池表面積A(m2)和直徑D(m)。

(4)由上升流速v(m／h)和沉降時(shí)間t(h)計(jì)算沉降區(qū)有效水深h2(m)。

(5)由中心管出流速度v(m／h)和喇叭口直徑d1(m)計(jì)算喇叭口與反射板問高度h3(m)。(6)污泥體積Vw的計(jì)算同平流沉淀池，污泥斗實(shí)際體積Vd(m3)為：

式中h5--泥斗圓臺(tái)部分高度(m)；

(3-26)

R和r--分別為圓臺(tái)上、下底半徑(m)。(7)沉淀池總高H(m)按下式計(jì)算：

式中h1--保護(hù)高度，m；h4--緩沖層高度，m。

(3-27)

三、輻流沉淀池

輻流沉淀池是一種直徑較大的圓形池，其結(jié)構(gòu)如圖3-21。廢水經(jīng)進(jìn)水管進(jìn)入中心布水筒后，通過筒壁上的孔口和外圍的環(huán)形穿孔整流擋板，沿徑向呈輻射狀流向池周，經(jīng)溫流堰或吞噬孔口匯入集水榴排出。沉于池底的泥渣，由安裝于衍架底部的刮板以螺線形軌跡刮入泥斗，再借靜壓或污泥泵排出。[顯示圖片]

懸浮固體顆粒在輻流沉淀池中的沉降規(guī)律如圖3-22。由于過流斷面由中心向周邊不斷增大，水平分速逐漸減小，因此其沉降軌跡呈下垂曲線。如沒中心筒半徑為rl，池半徑為R，沉降區(qū)水深為H，那么在半徑為r的任意點(diǎn)上，顆粒在dt時(shí)間內(nèi)在水平方向和豎直方向上的位移分別為dr=vdt和dH=udt。由于dH/u=dr/v，故顆粒的分開條件為

。將

代入，整理后可得：[顯示圖片]

或（3-28）

可見，輻流沉淀池中顆粒的分開條件與平流沉淀池一致，總沉降效率仍為

輻流沉淀池的直徑一般為20～40m最大可達(dá)100m。池中心深度為2.5～5.0m，周邊深度為1.5～3.0m。池底以0.06～0.08的坡度坡向泥斗。這種沉淀池的缺點(diǎn)主要是中心進(jìn)水口處流速較大，且呈紊流，簡單影響初期沉降效果。為此，目前已出現(xiàn)了一些新的池型，如回轉(zhuǎn)懸槽配水式和向心輻流式等。

輻流沉淀池的表面負(fù)荷q和沉降時(shí)間t應(yīng)通過沉降試驗(yàn)確定，對(duì)生活污水，q可取2.0～

32

3.6m／m·h，t取1.5～2.0h。將效水深h2尋常取池半徑1／2處的深度值。池表面積和直徑的計(jì)算與豎流沉淀池一致；泥渣體積和波斗尺寸的計(jì)算與平流沉淀池一致，但排泥周期一般為4h。沉淀池總高H(m)按下式計(jì)算：(3-29)

式中h1--保護(hù)高度，取0.3m；

h3--緩沖層高度，計(jì)算方法同機(jī)械刮泥手流沉淀池；

h4--泥斗上緣到池半徑1／2處的高度，h4＝Di／4，i為池底坡度；h5--污泥斗高度。第七節(jié)斜板和斜管沉淀池

斜板、斜管沉淀池是根據(jù)淺層沉降原理沒汁的新型沉淀池。與普通沉淀池比較，它有容積利用率高和沉降效率高的明顯優(yōu)點(diǎn)。一、淺層沉降原理

設(shè)有一理想沉淀池，其沉降區(qū)的長、寬、深分別為L、B和H，表面積為A，處理水量為Q，表面負(fù)荷為q0，顆粒沉速為u0，則由公式(3-19)，可得Q=u0A。由此可見，在A一定的條件下，若增大Q，則u0成正比增大，從而使u≥u0。的顆粒所占分率(1-p0)和u＜u0的顆粒中能被除去的分率u／u0都減小，總沉降效率ET相應(yīng)降低：反之，要提高沉降效率，則必需減小u0，結(jié)果Q成正比減小。以上分析說明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大處理能力相互矛盾，二者之間呈此長被落的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

但是，假使象圖3-23那樣，將沉降區(qū)高度分隔為n層，即n個(gè)高度為h＝H／n的淺層沉降單元，那末在Q不變的條件下，顆粒的沉降深度由H減小到H／n，可被完全除去的顆粒沉速范圍由原來的u≥u0擴(kuò)大到u≥u／n，沉速u＜u0的顆粒中能被除去的分率也由u/u0增大到nu／u0，從而使公值大幅度提高；反之，在ET值不變，即沉速為u0的顆粒在下沉了距離h后恰好運(yùn)動(dòng)到淺層的右下端點(diǎn)，那末由u0／v`=h／L和h＝H／n可得v`＝nv，即n個(gè)淺層的處理水量Q`＝HBnv=nQ，比原來增大了n倍。顯然，分隔的淺層數(shù)愈多，ET值提高愈多或Q`值增加愈多。[顯示圖片]

此外，沉淀池的分隔還能大大改善沉降過程的水力條件，當(dāng)水以速度v流過當(dāng)量直徑為de的斷面時(shí)，雷諾數(shù)Re＝devρ1/μ，de＝4R(R為水力半徑)。若原沉淀池內(nèi)水流的雷諾數(shù)為Re，則分隔為n個(gè)淺層后的雷諾數(shù)Re`＝(B+H)Re／(nB+H)。假使再沿縱向?qū)⒊貙払也分為n格，即相當(dāng)于n2個(gè)管形沉降單元，那末其雷諾數(shù)Re\＝Re／n。顯然，只Re\＜R`＜Re。實(shí)際上，普通沉淀池中，Re＝4.O×103-1.5×105，水流處于紊流狀改而在斜板和斜管沉淀池內(nèi)則可分別降至500和100，遠(yuǎn)小于各自的層流臨界雷諾數(shù)103和2.0×lO3，可使顆粒在穩(wěn)定的層流狀態(tài)下沉降。其次，由于淺層和管形沉降單元的水力半徑R很小，表征水流穩(wěn)定性的佛勞德數(shù)Fr＝v2／Rg可增大至10-3～10-4以上。上述沉降面棚大和水力條件改善的雙重有利因素，不但使斜板、斜管沉淀池能在接近于理想的穩(wěn)定-條件下高效率運(yùn)行，而且也大大縮小了處理單位水量所需的池容。二、斜板、斜管沉淀池的構(gòu)造

將淺層沉降原理應(yīng)用于工程實(shí)際時(shí)，必需解決沉泥從隔板上側(cè)順利滑入泥斗的問題。為此，要把隔板傾斜放置，而且相鄰隔板之間要留有適當(dāng)?shù)拈g隔。一塊隔板和它上面間隔雌的空間就構(gòu)成…個(gè)斜板沉降單元。假使再用垂直于斜板的隔板進(jìn)行縱向分隔，每個(gè)斜板單元就變?yōu)槿舾蓚€(gè)斜管沉降單元。斜板傾角θ尋常按污泥的滑動(dòng)性及其滑動(dòng)力向與水流方向是否一致取300～600，為了安裝和檢修的便利，尋常將大量斜板或斜管預(yù)制成規(guī)格化的整體，然后安裝在沉淀池內(nèi)，就構(gòu)成如圖3-24所示的斜板或斜管沉淀池。圖中，安裝斜板或斜管的區(qū)域?yàn)槌两祬^(qū)，沉降區(qū)以下依次為入流區(qū)和污泥區(qū)，沉降區(qū)上面為出流區(qū)。沉淀池工作時(shí)，水從斜板之間或斜管內(nèi)流過，沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自動(dòng)滑入泥斗。這種沉淀池常用穿孔整流墻布水，以穿孔管或吞噬孔口集水，也可在池面上增設(shè)潛孔式中途集水槽使集水更趨均勻。集泥常采用多斗式，以穿孔管靠靜壓或泥泵排泥。沉降區(qū)高度大多為0.6～1.Om，入流、出流區(qū)高度分別為0.6～1.2m和0.5～1.0m。為防止水流短路，須在池壁與斜板或斜管體間隙處安裝阻流板。[顯示圖片]

根據(jù)沉降區(qū)內(nèi)水流與污泥的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，斜板、斜管沉淀池分為異向流、同向流和橫向流三種。異向流可采用斜板或斜管單元，而同向流和橫向流則只能采用斜板單元。目前主要采用異向流。

斜板和斜管體常用薄塑料板模壓和粘結(jié)制成。斜板可用平板或波紋板。斜管斷面有正六邊形、菱形、圓形和正方形，其中以前兩種最為常用。斜板斷面與斜管斷面并無嚴(yán)格的界限，若以R和d分別代表水力半徑和斷面高度，則當(dāng)R＞d／3時(shí)稱為斜板，而R≤d／3時(shí)則稱為斜管。

三、斜板、斜管沉淀池的設(shè)計(jì)計(jì)算

異向流斜板、斜管沉淀池及同向流斜板沉淀池的設(shè)計(jì)參數(shù)如表3-7。

表3-7斜板、斜管沉淀池的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)表面負(fù)荷安裝傾斜板斜管斜板斜管斷入流區(qū)高出流區(qū)高斜板斜管利q(m3/m2.角(0)長度l(m)面高度d(mm)度h4(m)度h2(m)用系數(shù)kh)4～64～650～600.8～1.250～600.8～1.0上段1.5～2.030～40同向流斜板10～15下段0.5～0.850～60

圖3-25為固體顆粒在異向流、同向流和橫向流斜板沉降單元內(nèi)的沉降規(guī)律圖爾。沒斜板長為l，寬為w，傾角為θ，板間凈距為d，單元內(nèi)的水速為v，顆粒沉速為u0，則顆粒的運(yùn)動(dòng)由v和u0合成。按圖3-25(a)中的幾何關(guān)系，可得：[顯示圖片]

50～800.6～1.20.5～1.00.8～0.980～10050～800.6～1.20.5～1.00.90～0.950.5～1.00.5～1.00.85～0.9異向流斜板異向流斜管(3-30)

因通過每個(gè)沉降單元的流量，即q=v·w。將其代入上式，則可得：d·w，即v=q/d·

(3-31)

上式中的lwcosθ為一個(gè)沉降單元的斜板在水平方向上的投影面積，用af表示；dw/sinθ為沉降單元的水平底面積，用a表示。af+a即為一個(gè)沉降單元的總沉降面積。若沉降單元數(shù)為n，斜板利用系數(shù)為k，則有：(3-32)

式中Q--沉淀池設(shè)計(jì)流量；Af--所有沉降單元的斜板的總水平投影面積；A--所有沉降單元的水平底面積。同理可以證明，對(duì)同向流斜板沉淀池有：

對(duì)橫向流沉淀池有：