4沉淀与澄清水质工程学

三、斜板（管）沉淀池（tilted-plate ST） 四、澄清池（clarifier，clarification tank）
概述
沉淀池是一种主要的固液分离构筑物。在生 物处理工艺中起预处理作用的沉淀池称为初 沉池，生物处理后起澄清出水和浓缩污泥的 称为二沉池。除在生物处理中作为固液分离 的主要构筑物外，在别的工艺中也常作为固 液分离的主要构筑物。 根据水流，一般将沉淀池分为三种:
主要设计参数
工艺参数: 堰上负荷 表面负荷率 停留时间
构造要求: D/H>3；中心管流速≯30mm/s； 中心管下口应设喇叭口及反射板，底板面距 泥面≮0.3m 其余同平流沉淀池
斜板（管）沉淀池
1 浅池原理
2 提高效果的原因
3 构造和特征
4 设计计算
浅池原理
在如图4-2-17所示的理想沉淀池中，颗粒 的运动轨迹可描述为：
1 x0 1 x0 0 udx u0
（4-5）
上式中第一项由u0求得，第二项对粒度分布 曲线图解积分求得。
絮凝沉淀试验
1）试验装置
2）试验方法
3）η-t曲线，等效沉淀曲线
拥挤沉淀试验
1）形成拥挤沉淀的条件
2）沉淀特征（见图4-1-3）
3）沉淀曲线（界面高度与时间的关系）
4）研究拥挤沉淀的方法
絮凝沉淀 ——沉淀时间:
因此，设计沉淀池时，除了对表面负荷率有要 求外，还对停留时间、池深、进出水构造、排泥 方式等均有要求。通常，对于静置沉淀得出的试 验结果，在用于设计时还需考虑一定的安全系数。 一般在设计时：
q=q0/1.25~1.75，T=（1.5~2.0）T0
沉淀池
概述
一、平流式沉淀池 (horizontal flow Sedimentation Tank) 二、竖流式沉淀池 (vertical flow ST)
缓冲区: 分隔沉淀区，保证沉下的颗粒不 因水流搅动而再次浮起进入沉淀区。
平流式沉淀池
1 构造形式（见图4-2-3 ）
2 主要设计参数
3 设计计算
构造形式
——进水区整流、布水构造：均匀布水、消 能、防止短流、异重流及冲刷污泥
横向潜孔 + 挡板（如图4-2-4所示） 竖向潜孔 + 挡板（如图4-2-5所示） 穿孔花墙（如图4-2-6所示）
——贮泥斗容积：初沉池一般≯2日污泥量； 二沉池一般≯2小时污泥量
——排泥水头：静压排泥时，初沉池静水压 头≮1.5m，二沉池在生物膜法后应≮0.9m， 曝气池后≮1.2m
竖流式沉淀池
1 构造形式（见图4-2-11）
2 沉淀效率
3 主要设计参数
4 设计计算
构造形式
平 面 多 为 圆 形 或 正 方 形 ， D( 或 边 取 )<10m （若太大有什么问题），一般4~7m
中心管进水(设反射板) 池周设薄壁或锯齿堰出水，D>7m时考虑设 辐射式出水槽
进水口以上为沉淀区，以下缓冲、浮泥区 (泥斗)
排泥: 静水压力，排泥管
沉淀效率
竖流沉淀池的表面负荷率 = 上升流速v
u>v (去除)沉下 u<v带出 u=v 悬浮
对自由沉淀
去除率低于基本类型
絮凝沉淀 情况较复杂（颗粒相互碰撞， 加速絮凝作用，去除率提高；接触凝聚、截 留、过滤等作用均存在）
一、沉淀的基本理论
二、沉淀试验及沉淀曲线分析
沉淀的基本理论
颗粒在水中的沉降速度是颗粒重力与浮力 双重作用的结果，可认为受四个因素的影响：
u f (d , , , s )
1、沉速公式 2、计算示例
沉速公式
通常采用stokes公式描述水中颗粒的自由 沉降（推导从略） ① 层流区：
1 s 2 u gd 18
（4-9）
式中：q0——表面负荷率或过流率，m3/m2· h
公式的物理意义
颗粒在沉淀池中的截留速度刚好等于单位 时间单位面积上流过的水量，为沉淀池的设 计提供了理论依据。 若定义：具有沉速ui<u0的颗粒的去除比 例为该颗粒的去除效率，则：
ui ui i u0 q0
（4-10）
说明ηi与水深、沉淀时间、水平流速、池 长无关。（Hazen理论）
L
H
v
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。
u0
（4-8）
浅池原理
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：
n H 1t t1 u0 nu0 n
H
（4-22）
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
沉淀的分类
根据沉淀物质的性质、絮凝性、浓度分为 四类。
1、自由沉淀(discrete settling) 2、絮凝沉淀（flocculation settling） 3、成层沉淀（zone settling） 4、压缩沉淀（compress settling）
自由沉淀
颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其尺寸、 质量、形状均不改变，下沉不受干扰。
自由沉淀试验
设要求的最小沉速为u0，则u≥u0的颗粒在t0 时可全部去除，而u<u0的颗粒可部分去除， 去除比例为h/H，h代表在t0时刚好沉到底部 的某种颗粒的沉降距离。
h ut0 u H u0t0 u0
（4-4）
故u<u0的颗粒在t0内按u/u0的比例去除
自由沉淀试验
t0时间内颗粒的总去除率为：
（4-1）
该公式适用于d≤0.1mm，10-4<Re≤1的情况
沉速公式
② 过度区：
4 s 2 2 3 u g d 225
1
（4-2）
该公式适用于0.1<d≤2mm，1<Re<500的情况
沉速公式
③ 紊流区：
s u 1.82 gd
d．颗粒一碰到池底即认为被去除
推导
以平流式理想沉淀池为例（如图4-1-5所示） H 截留速度： u0 （4-6） t0
Q 水平流速： v HB
（4-7）
L H vH u0 （4-8） v u0 L
平流沉淀池
平流沉淀池工作原理图
推导
把（4-7）代入（4-8）可得：
Q Q u0 q0 BL A
Re
ud

0.0547 1
沉淀试验与沉淀曲线分析
——作用：用于分析静置沉淀；确定水中悬 浮颗粒的沉降特性
1、自由沉淀试验 2、絮凝沉淀 3、拥挤沉淀（高浓度悬浮液的沉淀试验）
自由沉淀试验
自由沉淀一般采用单筒沉淀柱试验确定悬 浮颗粒的沉降特性。
1）试验装置 2）试验方法 3）沉淀效率η的求取
拥挤沉淀试验
——浓度：矾花 2~3g/L 泥砂 5g/L 活性污泥 1g/L
——颗粒间的粒度差异：dmax/dmin<6
拥挤沉淀试验
——分为四个层：澄清液层、受阻沉降层、 过度层、压缩层
——清水与固体有清晰界面，该界面等速 下降 ——压缩区内部自上而下，沉速递减
——沉淀过程中，清水区高度不断增加
主要设计参数
考虑布水均匀，减小紊流，增大稳定性:
——水平流速：≯5mm/s
—— 每 格 长 / 宽 ： 4~5 （校核！）
长 / 高 ： 8~12
—— 出 流堰 上 负荷 率 ：初 沉 池 <2.9l/s.m 二沉池≯ 1.7l/s.m
主要设计参数
——超高≮0.3m，有效水深宜2~4m
——池数n≥2
（4-3）
该公式适用于500≤Re<104的情况 利用上述公式计算时，可先假定一个Re区， 计算出u后带入Re定义式进行校核，若不符 合假定，则重复上述步骤计算，直至符合为 止。
沉速公式
例：油珠直径为80μm，密度为0.8g/cm3 ，水 温20℃，计算油珠在水中的上升速度。
解：已知 d=0.008m ， 查 表 20℃ 时 μ=0.0101g/cm3· s，带入式（4-1）中（相当于 假定为层流）计算得：u=0.0691cm/s 运动粘滞系数ν=0.0101cm2/s，带入Re定义式 可得：
平流式(矩形)、竖流式(园、方、正多边形)和 辐流式(多为园形，也可为方形)
概述
沉淀池构造根据功能分为五个区:
进水区: 保证进水均匀分布在整个进水断 面上，避免短流，减少死角和紊流影响，提 高容积利用系数。 出水区: 沉淀区: 污泥区: 均匀出水(目的同上)，阻拦浮渣 污水与颗粒分离，工作区 污泥贮放、浓缩、排除
拥挤沉淀试验
——利用沉淀过程线分析：Kynch法、Fitch 法
——建立沉速—浓度函数关系v=f（C） （多筒试验）：固体通量法、吉冈法
理想沉淀池效率分析
一、基本假定
二、推导
三、公式的物理意义
基本假定
a．水在池内沿水平方向作等速流动，水平流 速为v，从入口到出口的流动时间为t；
b．在入流区，颗粒沿截面均匀分布并处于自 由沉淀状态，颗粒的水平分速等于水平流速v； c．悬浮物以等速下沉；
构造形式
——集泥、贮泥: 设泥斗
多斗式
单斗式：刮泥机（链带式、行车式刮泥机）
——排泥: 重力（静压）排泥 排泥管（见图4-2-9） 吸泥车 排泥井（见图4-2-10）
主要设计参数
控制沉淀效率的工艺参数:
表面负荷率(截留速度) 沉淀时间
——通过试验获得:
q设 = qo/(1.25～1.75) t设 = (1.5~2.0)to ——经验(常用): 有效水深H 见表4-2-1
公式的物理意义
a．若ηi 一定，则ui 增大，q0 增大；q0 一定， 则ui增大，ηi增加
b．若Q一定、ui一定，则A增加，ηi增加； Q、ui一定时，对相同体积的池子，H减小， 则A增大，ηi增加。
Hazen理论提供了提高沉淀池效率的依据
实际沉淀池与理想沉淀池的差别
一、水的流动状态
二、其它因素
第四章 沉淀与澄清
§3-1 沉淀理论
§3-2 沉淀构筑物及其设计
沉淀理论
3.1.1 沉淀的功能及基本类型
3.1.2 沉淀试验及沉淀曲线分析
3.1.3 理想沉淀池效率分析
3.1.4 实际沉淀池与理想沉淀池的差别
沉淀的功能与基本类型
一、沉淀和澄清在水处理中的功能
二、沉淀的分类
给水处理中的功能
沉淀分离经混凝过程产生的絮体，常采用 澄清池以得到澄清的出水，是饮用水处理的 一个重要环节，要求浊度<20°
自由沉淀试验
沉淀柱有效水深H，悬浮物原始浓度为C0。 在时间t1时从水深H处取样测得C1，则认为沉 速大于u1（H/t1）的颗粒均已通过H，残余颗 粒必然具有小于u1的沉速，则沉速小于u1的 颗粒与全部颗粒的比例x1=C1/C0。在时间t2、 t3......时重复试验，可得出对应的u2、u3......和 x2、x3......，将这些数据整理可绘出（粒度分 布曲线）。
构造形式
——出水区构造：均匀集水、拦截漂浮物、 防止短流、沟流，定容
薄壁(平顶)堰、锯齿堰、淹没式孔口出 流（如图4-2-7所示） 堰: 控制池内水位，均匀出水；须保证单位 堰长上溢流量相等(堰顶严格水平)， 且不宜过大，否则滞泥。若单宽流量不能满 足，应增大堰长。增加堰长的方法举例（见 图4-2-8）
提高效果的原因
a．浅池中水流为层流状态，减少了水流及外 界因素造成的紊流；
b．水流状态稳定，利于颗粒沉降 wenku.baidu.com点：因H小，排泥问题难解决，易堵塞。 （因此，对于悬浮物浓度高的沉淀池一般不 推荐使用斜板）
构造特征
根据水流方向，可分为同向流、异向流、 侧向流三种
同向流（见图3-2-18） 异 向 流 ( 竖 流 式 + 斜 板 ) （ 见 图 3-2-19 ） 侧向流(竖流式+斜板，辐流式+斜板) （见 图3-2-20）
水的流动状态
1、短流
2、紊流
短流
实际的平均停留时间较理想的短，称为短 流现象。短流的存在，使池子的容积利用率 降低。 引起短流的原因:
——流速分布不均匀
——进出口配水的不均匀，造成死区；
——异重流
——池子的构造
紊流
进水时产生射流，如穿孔墙孔眼流速为 0.1～0.2m/s
其它因素
——池深: 絮凝效果；防止已沉颗粒冲刷上浮
絮凝沉淀
沉淀过程中，颗粒的尺寸、质量随深度增 加而增大，沉速相应提高。
成层沉淀
又叫拥挤沉淀。颗粒在水中的浓度较大， 下沉过程中彼此干扰，形成清水与浑水的明 显界面并逐渐下移。
压缩沉淀
颗粒在水中的浓度增高到颗粒相互接触并 部分地受到压缩物支撑。发生于沉淀池底及 浓缩池中。
沉淀试验与沉淀曲线分析
设计计算
理论公式推导（见图4-2-21）
设有n块斜板，流量为Q，沉淀池池长为L’， 宽为B，经推导可得：
Q u0 ' nLB cos BL