第4章 沉淀与澄清

4.2.2理想沉淀池理论
由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与 表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、 水平流速、沉淀时间）无关。
（1）E一定，越大，表面负荷越大，或q不变但E 增大。与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。
（2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。 当容积一定时，增加A，可以降低水深――“浅池 理论”。
OP OQ1 1 OP OQ2 2
A、 区交界面高度
(4-12)
沉淀管水深H1
P1
沉淀管水深H2
P
Q1 Q2
0
沉淀时间t
图 4-3 不同沉淀高度的沉降过程相似关系
4.2 理想沉淀池的特性分析
4.2.1 非凝聚性颗粒的沉淀过程分析
理想沉淀池的基本假设：
①颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。 并在流动过程中流速始终不变。
代入得阿兰公式：
4 ( 0 ) g u d 1 255
2 2 1 3
（4-8）
（4-9）
水处理中,大多去除颗粒为0.1mm以下,属于层流范围.公式可 得,粒径越大,u越大.
4.1.3 杂质颗粒在静水中的拥挤沉淀
1．沉降过程分析 如图4-2，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、 压实区等四个区。上部澄清水和下部浑水之间出现明显界面称 界面沉降（浑液面）.浑液面的高度H,随时间t的变化.
1 2
图 4-9 穿孔墙
图 4-10 出水口布置
1常采用：溢流堰（施工难），淹没孔口（容 易找平）见图4-10。孔口流速宜为0.6～0.7m/s， 孔径20～30mm，孔口在水面下15cm，水流应自 由跌落到出水渠。 为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰 的长度，降低流量负荷。堰口溢流率一般小于500 m3/m d，目前我国增加堰长的办法如图4-11。
4.2.3 理想沉淀池的总去除率
所有能够在沉淀池中去除的，沉速小于uo的颗粒的 去除率为： 图4－6
2
p0 0
ui 1 dpi u0 u0

P0
0
udpi
（4-22）
沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉去除率为（1p0），因此理想沉淀池的总去除率为：
1 2 (1 p0 )
p0 0
式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量 的百分率；
ui dpi u0
（4-23）
4.2.4 非凝聚性颗粒的沉淀实验分析 非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验，用一个圆筒 进行，如图4-5所示。在圆筒水面h处开一个取样 口，要求颗粒在在水中均匀分布，浓度为C0；然 后在分别在t1, 、 t2 、 …tn时取样，分别测得浓度 为C1 、 C2 、 …Cn,对应的沉速分别为h/t1=u1、 h/t2=u2 、…h/tn=un 。设p1、p2、…pn 分别代表 C1/C0、C2/C0、…Cn/C0则1-pi表示所有速度大于等 于ui的颗粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的颗粒 所占的比例，见图4-5。 具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数
a b
交界面
清水层
a'
C0
H0
C0
沉 降 层
C0
H0 浓度Ct Ht
c
Ct
Ct
Ht
d 过渡层 淤积层 t=0 (a) t1 (b) t ∞ (c)
H∞ H H∞
t (d)
时间t (e)
图 7-2 高浊度水的沉降过程
2.肯奇沉淀理论
由图4-2可知曲线a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度 均大于C0。
第四章
沉淀
思考题
1、简述杂质颗粒在静水中的自由沉淀和拥挤沉 淀的沉淀过程。 2、静水自由沉淀速度与雷诺系数是否有关？雷 诺系数不同，沉淀速度计算公式？沉淀速度和表 面负荷关系？ 3、理想沉淀池理论基于哪些假设。 4、沉淀池的去除率与哪些因素有关？如何相关 5、简述非凝聚颗粒、凝聚颗粒沉淀实验过程
2.沉淀区
沉淀区的高度一般约3～4m，平流式沉淀池中应减少紊 动性，提高稳定性。 R Re 紊动性指标为雷诺数， (4-25) 2 Fr 稳定性指标为弗劳德数， (4-26) Rg 能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低 水力半径R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B>4, L/H>10，每格宽度应在3～8m不宜大于15m。
②水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等， ③颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。
理想沉淀池的工作情况见图4-4。
进水区
沉淀区 出水区
Ⅱ Ⅲ Ⅰ
污泥区
图4-4 理想沉淀池工作状态
原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在A-B截面上其水 Q 平流速为：
u
h0 B
考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶 沉淀到池底，称为截留速度u0。 u≥u0颗粒可以全部去除,直线更陡; u<u0的颗粒只能部分去 除 对用直线Ⅲ代表的一类颗粒而言，流速与沉淀时间有关 L （ 4-13） t
出水支渠 出水支渠
图 4-11 增加出水堰长度的措施
4.存泥区及排泥措施
泥斗排泥：靠静水压力 1.5 – 2.0m，下设有排 泥管，多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不 大时） 穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度 以便放空。 机械排泥：带刮泥机，池底需要一定坡度， 适用于3m以上虹吸水头的沉淀池，当沉淀池为半 地下式时，用泥泵抽吸。 还有一种单口扫描式吸泥机，无需成排的吸 口和吸管装置。沿着横向往复行走吸泥。
时间
图 4- 7 凝聚性颗粒沉淀实验及去除百分数等值线
水深
2.计算 对于某一表面负荷而言，根据凝聚性颗粒去除百分数等值 线，可以得出总的去除百分数（见图4-8）：
1 2 1 C3 H 3 (C3 C4 ) H 4 (C4 C5 ) H 5 (C5 C6 ) H 6C6 C0 u0t0C0 u0t0C0 u0t0C0 u0t0C0
4.1.2 杂质颗粒在静水中的自由沉淀
假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力和浮力为： 1 3 F1 πd (ρ - ρ 0 )g 6 所受到的水流的阻力： 2 1 d 2 0u 2 F
8
(4-1) (4-2)
η 阻力系数,与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 根据牛顿第二定律可知： 3 du 1 1 d d 2 ( 0 ) g d 2 0u 2 (4-3) 达到重力平衡时，加速度为零，令式（4-3）左边为零，加 以整理，得沉速公式：
u 4 g 3
6
dt
6
8
0 d 0
（4-4）
η与Re有关，见图4-1。
10 10
阻力系数
10 10 1 0.4 0.1 -3 10
24/Re =10/Re
10
-2
10
-1
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
雷诺数Re
图 7-1
与Re的关系（球型颗粒）
1. 斯笃克斯公式
当Re<1时：直线关系呈层流状态
(4-27)
(4-28) (4-29)
二、第一种设计计算方法（实验计算方法） 1.根据沉淀实验结果选取u0 ，用uo=Q/A可以 计算得到沉淀池的面积A； 2.选取沉淀时间t和沉淀池的水平流速v，用 L=vt可以得到沉淀池的长度L； 3.用公式B=A/L得到B； 4.用公式H=Qt/A得到H；
三、第二种计算方法（经验计算方法） 1.根据经验选取平流式沉淀池的沉淀时间t， 得到其体积V=Qt 2.选取沉淀池的深度H，用公式A=V/H得到 沉淀池的面积A； 3.选取沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得 到沉淀池的长度L； 4.用公式B=A/L得到B；
u
h0 t u0
（4-14）
令（4-13）和（4-14）相等，代入（4-12）得：
Q u0 LB
（4-15）
即：
（4-16） 一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截 留速度，但含义不同。 设原水中沉速为ui（ui<u0）的颗粒的浓度为C，沿着进水区高度为h0的 截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC，沿着m点以下的高度为hi的截面 进入的颗粒的数量为hiBvC（见图4-4），则沉速为ui的颗粒的去除率 为： h BC h
4.1 杂质颗粒在在静水中的沉淀
4.2.1 沉淀分类 1.自由沉淀 单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的过程颗粒互不 干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程中颗粒的大小、 形状、密度保持不变，经过一段时间后，沉速也不变。 2.絮凝沉淀 在沉淀的过程，颗粒由于相互接触絮聚而改变大小、形 状、密度，并且随着沉淀深度和时间的增长，沉速也越 来越快，絮凝沉淀由凝聚性颗粒产生。 3.拥挤沉淀 当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒的浓度增加到 一定值后，大量颗粒在有限水体中下沉时，被排斥的水 便有一定的上升速度，使颗粒所受的摩擦阻力增加，颗 粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀。
四、其它参数
平流式沉淀池的放空排泥管直径，根据水力学中 变水头放空容器公式计算：
0.7 BLH 0.5 d T
斯笃克斯公式：
24 Re
(4-5)
1 0 2 u gd 18
(4-6)
2. 牛顿公式
当1000<Re<25000时，呈紊流状态，η接近于常数0.4代入 （4-5）得牛顿公式：
0 u 1.83 dg 0
（4-7）
当1<Re<1000时，属于过渡区，η近似为
10 Re
4.3.2 影响平流式沉淀池沉淀效果的因素
1.沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响