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 沉淀理論4.1.1沉淀的功能及基本類型 4.1.2 沉淀試驗及沉淀曲線分析 4.1.3 理想沉淀池效率分析 4.1.4 實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重要環(huán)節(jié)，要求濁度20 比濁法測定，將水樣和用高嶺土配制的濁度標(biāo)準(zhǔn)溶比濁法測定，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濁度單

2、位毫克二氧化硅為一個濁度單位，簡稱，簡稱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。 沉淀試驗與沉淀曲線分析一、沉淀的基本理論 二、沉淀試驗及沉淀曲線分析 雷諾數(shù)（Reynolds number）表征流體流動情況的無量綱數(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為一特征長度。例如流體流過圓形管道，則d為管道直徑。利用ReRe可區(qū)分流體的流動是層流或湍流，也可確定物體在流體中流動所受到的阻力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)為受四個因素的影

4、響：),(sdfu1、沉速公式 2、計算示例 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 利用上述公式計算時，可先假定一個Re區(qū)，計算出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=0.0101g/cm3s，帶入式（4-1）中（相當(dāng)于假定為層流）計算得：u=0.0691cm/s運(yùn)動粘滯系數(shù)=0.0101cm2/s，帶入Re定義式可得： 10547. 0udRe2181gdus沉淀試驗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 2、絮凝沉淀3、擁擠沉淀（高濃度懸浮液的沉淀試驗） 自由沉淀試驗 自由沉淀一般采用單筒沉淀柱試驗確定懸浮顆粒的沉降特性。1）試驗裝置 2）試驗方法 3）沉淀效率的求取 自由沉淀試驗沉淀柱有效水深H，懸浮物原始濃度為C0。在時間t1時從水深H處

6、取樣測得C1，則認(rèn)為沉速大于u u1 1（H/t1）的顆粒均已通過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。在時間t2、t3.時重復(fù)試驗，可得出對應(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 設(shè)要求的最小沉速為u0，則uu0的顆粒在t0時可全部去除，而uu0的顆?？刹糠秩コ?，去除比例為h/H，h代表在t0時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t0時間內(nèi)顆粒的總?cè)コ蕿椋?

7、000011xudxux（4-5） 上式中第一項由u0求得，第二項對粒度分布曲線圖解積分求得。 絮凝沉淀試驗1）試驗裝置2）試驗方法 3）-t曲線，等效沉淀曲線 擁擠沉淀試驗1）形成擁擠沉淀的條件 2）沉淀特征（見圖4-1-3） 3）沉淀曲線（界面高度與時間的關(guān)系） 4）研究擁擠沉淀的方法 擁擠沉淀試驗濃度：礬花 23g/L 活性污泥 1g/L 泥砂 5g/L 顆粒間的粒度差異：dmax/dmin6 擁擠沉淀試驗分為四個層：澄清液層、受阻沉降層、過度層、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過渡層、D壓縮

8、層擁擠沉淀試驗利用沉淀過程線分析：Kynch法、Fitch法 建立沉速濃度函數(shù)關(guān)系v=f（C）（多筒試驗）：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，水平流速為v，從入口到出口的流動時間為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)荷率或過流率，m3/m2h 截留速度剛好等于單位時間單位面積上流過的水量截留速度剛好等于單位時間單位面積上流過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間單位面積上流過的水量，為沉淀池的設(shè)計提供了理論依據(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） 說明i與水深、沉淀時間、水平流速、池長無關(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，對相同體積的池子，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) 實際沉淀池與理想沉淀池的差別一、水的流動狀態(tài) 二、其它因素 水的流動狀態(tài)1、短流 2、紊流 短流 實際的平均停留時間較理想的短，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 沉淀時間:絮凝沉淀 因此，設(shè)計沉淀池時，除了對表面負(fù)荷率有要求外，還對停留時間、池深、進(jìn)出水構(gòu)造、排泥方式等均有要求。通常，對于靜置沉

11、淀得出的試驗結(jié)果，在用于設(shè)計時還需考慮一定的安全系數(shù)。一般在設(shè)計時： 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)功能分為五個區(qū):進(jìn)水區(qū):保證進(jìn)水均勻分布在整個進(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（見圖4-2-3 ）2 主要設(shè)計參數(shù) 3 設(shè)計計算 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；須保證單位堰長上溢流量相等(堰頂嚴(yán)格水平)， 且不宜過大，否則滯泥。若單寬流量不能滿足，應(yīng)增大堰長。增加堰長的方法舉例（見圖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（見圖4-2-9） 吸泥車 排泥井（見圖4-2-10） 主要設(shè)計參數(shù)控制沉淀效率的工藝參數(shù):表面負(fù)荷率(截留速度)

14、沉淀時間通過試驗獲得: q設(shè) = qo/(1.251.75) t設(shè) = (1.52.0)to 有效水深H經(jīng)驗(常用):見表4-2-1主要設(shè)計參數(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/寬：45長/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)計參數(shù)超高 0.3m，有效水深宜24m池數(shù)n2貯泥斗容積：初沉池一般 2日污泥量；二沉池一般 2小時污泥量排泥水頭：靜壓排泥時，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（見圖4-2-11） 2 沉淀效率 3 主要設(shè)計參數(shù)

15、 4 設(shè)計計算 構(gòu)造形式平面多為圓形或正方形，D(或邊取)7m時考慮設(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)計計算 淺池原理 在如圖4-2-17所示的理想沉淀池中，顆粒的運(yùn)動軌跡可描述為： 0uvHL（4-8） 當(dāng)L、v不變時，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，停留時間為t=H/u0。當(dāng)沉淀池高度變?yōu)樵瓉淼?/n時，則： tnnuHunHt1001（4-22） 該式說明：采用淺池原理設(shè)計的沉淀池可大大縮短停留時間。實踐中，采用淺池原理設(shè)計的沉淀池有斜板、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：因H小，排泥問題難解決，易堵塞。（因此，對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（見圖3-2-18） 異向流(豎流式+斜板) （見圖3-2-19） 側(cè)向流(豎流式+斜板，輻流式+斜板) （見圖3-2-20） 設(shè)計計算理論公式推導(dǎo)（見圖4-2-21）設(shè)有n塊斜板，流量為Q，沉淀池池長為L，寬為B，經(jīng)推導(dǎo)可得：