第16章 沉淀和澄清

2 Fr Rg
1
2
图16-12 穿孔墙
图16-13 出水口布置
1-出水堰 2-非淹没式孔口
平流式沉淀池及穿孔花墙
（3）出水区 通常采用：溢流堰（施工难），非淹没孔口（容易找 平）。孔口流速宜为0.6～0.7m/s，孔径20～30mm，孔口 在水面下12～15cm，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300 m3/m· d （GB50013-2006），目前我国增加堰长的办法见图16-14。
16.2.3 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（发生短流） 短流的原因： 1）进水的惯性作用； 2）出水堰产生的水流抽吸； 3）较冷或较重的进水产生的异重流； 4）风浪引起的短流； 5）池内存在导流壁和刮泥设施。 （2）凝聚作用的影响 原水通过絮凝池后，悬浮杂质的絮凝过程在平流式沉淀 池内仍继续进行。此外，水中絮凝颗粒的大小也是不均匀的， 它们将具有不同的沉速，沉速大的颗粒在沉淀过程中能追上 沉速小的颗粒而引起絮凝。
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 悬浮颗粒在静水中的沉淀
沉淀：水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的 过程。 自由沉淀：颗粒沉淀过程中，彼此互不干扰，只受到颗 粒本身在水中的重力和水流阻力的作用。 拥挤沉淀：颗粒沉淀过程中，彼此相互干扰，或者受到 容器壁的干扰，沉淀速度较小。 16.1.1 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力为：
h4 / h0 ( p6 p5 ) u0
深度
沉降时间
图 7-8 凝聚性颗粒的去除白分数计算 凝聚性颗粒的去除百分数计算
例：设计一座平流沉淀池，水深2.5m，沉淀时间2h，原水浊 度50NTU。原水水质分析结果见下表，按理想沉淀池计算，该 沉淀池总去除率为多少？
颗粒沉速ui /(mm/s) ≥ui颗粒占 总颗粒重量 比/(%) 0.05 100 0.1 94 0.35 80 0.55 0.60 0.75 62 55 46 0.82 33 1.00 21 1.20 10 1.30 3
u
CD与Re有关。
10 10
4 g p 1 d 3 CD 1
阻力系数CD
10 10 1 0.4 0.1 -3 10
C=24/Re C=10/Re
10
-2
10
-1
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
雷诺数Re
图 16-1 CD与Re的关系（球型颗粒）
1. 斯笃克斯公式 当Re<1时：呈层流状态
残余颗粒分数
沉速
图16-5 沉淀实验筒
图16-6 理想沉淀池的去除百分比计算
16.2.2 凝聚性颗粒的沉淀过程分析 1.实验 采取沉淀试验筒，筒长尽量接近实际沉淀池的深度，可 采用2～3m，直径不小于100mm，设5～6个取样口。 先均匀搅拌测定初始浓度，然后每隔一段时间，取出各取 样口的水测定悬浮物的浓度，计算相应的去除百分数。以 沉淀筒高度 h为纵坐标，沉淀时间 t 为横坐标把去除百分比 相同的各点连成光滑曲线，称为“去除百分数等值线”。 含义：对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的 颗粒的最远沉降途径，深度与时间的比值指明去除百分数 时的颗粒的最小平均沉速。
出水支渠
出水支渠
图16-14 增加出水堰长度的措施
指型集水槽
（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 装臵。沿着横向往复行走吸泥。
p (1 p0 )
p0
0
ui dpi u0
式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒 重量的百分率。
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。在圆筒水面 h处开一个取样口，要求颗粒在水中均 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。 具有沉速 u1、 u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为 p1-p2。
1 3 F1 d ( p 1 ) g 6
所受到的水的阻力：
CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 根据牛顿第二定律可知：
u d F2 C D 1 2 4
2
2

达到重力平衡时，加速度为零，令式左边为零，加以 整理，得沉速公式：
2 2 du 1 u d d 3 p d 3 ( p 1 ) g CD 1 6 dt 6 2 4
例：一平流沉淀池，水平流速 v=18mm/s ， B=3H ， Fr=0.6×10-5。在池的1/3、2/3处各加一道隔墙，忽略隔 墙厚度，新池的Fr为多少？ 解：原池的水力半径 R1=3H×H/(2H+3H)=0.6H 新池的水力半径 R2=H×H/(2H+H)=H/3 Fr2/Fr1=0.6H/(H/3)=1.8 故 Fr2=1.08×10-5
0
沉淀时间t
图16-3 不同沉淀高度的沉降过程相似关系
16.2 平流沉淀池
流入 浮渣去除槽
流出
排泥
图3-25 平流式沉淀池
16.2.1 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。
②水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等， 并在流动过程中流速始终不变。 ③颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。
L t v
h0 t u0
Q u0 LB
即：
Q u0 A
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，则沉速为ui的颗粒的去除率为：
浅池理论
在理想沉淀池中，因特定颗粒（截留速度u0 所对应的颗粒）的水平运动时间和垂直运动 时间一致，颗粒的运动轨迹可描述为：
L H v u0
当L、v不变时，H越小，则可截留的颗粒的 u0越小。此即浅池原理。
浅池理论
若原沉淀池高度为 H，颗粒截留速度为 u0，停 留时间为 t=H/u0 。当沉淀池高度变为原来的 1/n 时，则：
H 1 n t1 t u0 nu0 n
该式说明：采用浅池原理设计的沉淀池可大 大缩短停留时间。实践中，采用浅池原理设计 的沉淀池有斜板、斜管沉淀池
H
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u0的 颗粒的去除率为：
p
p0
0
ui dpi u0
沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉，去除率 为（1-p0），因此理想沉淀池的总去除率为：
桁车及吸泥机
16.2.5 平流沉淀池的工艺设计 设计平流沉淀池的主要控制指标是表面负荷或停留时 间。应根据原水水质、沉淀水质要求、水温等设计资料、 运行经验确定。停留时间一般采用1～3h。华东地区水源一 般采用1～2h，重庆地区一般采用1～1.5h。低温低浊水源 停留时间往往超过2h。 （1）按照表面负荷Q/A的关系计算出沉淀池表面积A 沉淀池长度： L 3.6vT 沉淀池宽度：
hi BvC hi E h0 BvC h0
根据相似关系得：
h0 L u0
即： 同理得：
h0 Lu0

hi
特定颗粒去除率：
Lui

ui E u0 ui ui E u0 Q A
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，ui越大，则表面负荷越高，或q不变， ui越 大，则E越高。 ui的大小与混凝效果有关，应重视加强混凝 工艺。 （2） ui一定，增大表面积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”。
16.2.4 平流沉淀池的构造 平流式沉淀池分为进水区、沉淀区、存泥区、出水 区4部分。 （1）进水区 进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽 量减少扰动。一般做法是使水流从絮凝池直接流入沉淀 池，通过穿孔墙将水流均匀分布在沉淀池的整个断面上。 为使矾花不易破碎，通常采用穿孔花墙 ， v<0.1 m/s（06 规范），洞口总面积也不宜过大。
（2）沉淀区 沉淀区的高度一般约3～4m（有效水深3～3.5m）， 平流式沉淀池中应减少紊动性，提高稳定性。 R 紊动性指标为雷诺数， Re 2 Fr 稳定性指标为弗劳德数， 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。
进水区
沉淀区 出水区
Ⅱ Ⅰ Ⅲ
污泥区
图16-4 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 其水平流速为：