第10章 污水的物理处理--沉淀理论和沉砂池

η
总去除率 表观去除率
90 180
不同沉淀时间的总去除率
33
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.67 1.33 2 u,cm/min 2.67 4 8
η
不同沉淀速度的总去除率
34
思考题
下图是沉降实验所得总去除率与颗粒沉淀速度u0 的 关系，有人认为从图中可以看出，颗粒的沉淀速度越 大去除率越低。另外的人认为沉淀速度越大说明颗粒 粒径越大，而颗粒越大越易除去，为什么此时去除率 越低呢？你如何解释？
从沉淀区顶部x点进入的颗粒中，必存在 着某一粒径的颗粒，其沉速为u0，到达沉淀 区末端时刚好能沉至池底。 当颗粒沉速ui≥u0时，无论这种颗粒处于 进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去 除。大颗粒.ppt 当颗粒沉速ui<u0时，从沉淀区顶端进入 的颗粒不能沉淀到池底，会随水流排出，而 当其位于水面下的某一位置进入沉淀区时， 它可以沉到底部而被去除。小颗粒.ppt
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一、概论
沉砂池 的作用 从污水中去除砂子、煤渣等比重 较大的无机颗粒，以免这些杂质影 响后续处理构筑物的正常运行。 以重力或离心力分离为基础，将 进入沉砂池的污水流速控制在只能 使比重大的无机颗粒下沉，而有机 悬浮颗粒则随水流带走。 平流式、曝气沉砂池、旋流式 沉砂池等、
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沉砂池的 工作原理
作如下假设 (1) 沉淀区过水断面上各点的水流速度均 相同，水平流速为ν； (2) 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速 度为u； (3) 在沉淀区的进口区域，水流中的悬浮 颗粒均匀分布在整个过水断面上； (4) 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。
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当某一颗粒进入沉淀池后 另一方面，颗粒在重力 作用下沿垂直方向下沉， 其沉速即是颗粒的自由 沉降速度u。
沉砂池的 几种型式
沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数： (1) 城市污水厂一般均应设置沉砂池，工业污 水是否设置视水质情况而定。城市污水厂的沉 砂池的只数或分格数应不少于 2，并按并联运 行原则考虑。 (2) 设计流量应按分期建设考虑：①当污水自 流进入时，应按每期的最大设计流量计算；② 当污水为提升进入时，应按每期工作水泵的最 大组合流量计算；③在合流制处理系统中，应 按降雨时的设计流量计算。
不同沉淀速度的总去除率
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1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 15 30 45 60 t(min)
η
总去除率 表观去除率
90
180
不同沉淀时间的总去除率
27
下图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：
v/u L /H 0
将上式带入式
v u L /H ) 0(
自由沉淀
絮凝沉淀 区域沉淀 压缩沉淀
5
1、自由沉淀
自由沉淀也称为离散沉降，是一种非絮凝性 或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。 由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生 聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和 密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速 沉降过程。
实例：固体颗粒在沉砂池及沉淀池内的初期 沉降
7
3、区域沉淀
也称成层沉淀、拥挤沉淀。
这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较 高浓度(500mg/L以上)悬浮液中的沉降。 由于悬浮固体浓度较高，颗粒彼此靠的很近，吸附力 将促使所有颗粒聚集为一个整体，但各自保持不变的 相对位置共同下沉。此时，水与颗粒群体之间形成一 个清晰的泥水界面，沉降过程就是这个界面随沉降历 时下移的过程。
§10-2 沉淀的基础理论
1
本节内容
一、概述 二、沉淀类型 三、自由沉淀及分析 四、沉淀池工作原理
2
一、概述
1、沉淀的概念 是利用水中悬浮颗粒和水的密度差，在重力 作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种 过程。
3
2、应用场合
按照废水的性质与所要求的处理程度的不同，沉淀处理 工艺可以是整个水处理过程中的一个工序，亦可以作为唯一 的处理方法。
u0 qv / A
qq v/A
理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们 的物理概念不同： u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池 在单位时间内通过的流量，单位是m3/m2· h。 故只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理 想沉淀池的过流率或表面负荷率。 理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关， 与池深H和沉淀时间t无关，即与池的体积V无 关。
而沉淀池能去除的颗粒包括u≥u0以及 u<u0的 两部分，故沉淀池对悬浮物的总去除率为：
1 P 0 ( 1 P udP 0) 0 u 0
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1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.67 1.33 2 u,cm/min 2.67 4 8
η
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实际中，常按以下经验公式确定设计表面 负荷q和沉降时间t：
1 1 q ~ u0 1.25 1.75 t 1.5 ~ 2.0t 0
式中：u0、t0——分别为由沉降曲线上 查得的理论沉降速度和沉降时间。
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例题
某自由沉淀试验数据如下表所示，沉淀高度 H=120cm。试绘制沉淀曲线P-u曲线，并计算不 同沉淀时间条件下的悬浮颗粒的总去除率η，并绘 制η -t、η -u曲线。
11
悬浮颗粒在水中的受力：
重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3
F1
重力大于浮力和摩擦力时， 下沉；
ρ
s
ρ
L
重力等于浮力和摩擦力时， 相对静止； 重力小于浮力和摩擦力时， 上浮。
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F2，F3
悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析
用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程:
式中： m—颗粒质量，kg； u—颗粒沉速，m/s； t—沉淀时间，s； F1—颗粒的重力 F2—颗粒的浮力 F3—颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力。
沉淀试验数据
沉淀时间 t,min Pi=ci/c0 表观去 除率 E=1-Pi u=H/t, cm/min η 0 1 15 0.96 30 0.81 45 0.62 60 0.46 90 0.23 180 0.06
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解：（1）计算各沉淀时间相应的沉速u， 表观去除率E （2）以Pi为纵坐标，u为横纵标作图得沉淀曲线： P-u曲线 （3）图解计算各沉速下的总去率,u0=3.0为例， 小于此沉速的颗粒与全部颗粒之比P0=0.67, 积分项等于各矩形面积之和。

u 与μ成反比，μ随水温上升而下降；即沉速受水 温影响，水温上升，沉速增大。
S
18
四、沉淀池工作原理 为了便于说明沉淀池的工作原理以及分析 水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规律， Hazen和Camp提出了理想沉淀池的概念。 理想沉淀池划分为4个区域，即进口区域、 沉淀区域、出口区域及污泥区域。
19
2
式中：λ—阻力系数，当颗粒周围绕流处于 层流状态时， λ=24/Re；Re为颗粒绕流雷偌 数，与颗粒的直径、沉速、液体的粘度等有 关， ud
Re
A—自由沉淀颗粒在垂直面上的投影面积，

L
1 2 A d 4
15
颗粒下沉开始时，沉速为0，逐渐加速， 阻力F3也随之增加，很快三种力达到平衡，颗 粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：
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斯托克斯定律 讨论
1 2 S L u g d S 18
由上式可知，颗粒沉降速度uS与下述因素有关：
当ρS大于ρL时，ρS-ρL为正值，颗粒以uS下沉； 当ρS与ρL相等时，uS=0，颗粒在水中呈悬浮状 态，这种颗粒不能用沉淀去除； ρS小于ρL时，ρS-ρL为负值，颗粒以uS上浮，可 用浮上法去除。 uS与颗粒直径d的平方成正比，因此增加颗粒直径有 助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。
实例：生化处理中污泥在二沉池下部的 沉降和在浓缩池内的初期沉降。
8
4、压缩沉淀
当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之 间便互相接触，彼此上下支承。在上下颗粒的 重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗 粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。 实例：生化污泥在二沉池污泥斗和浓缩池 内的浓缩过程。
9
A
一方面随着水流在水平 方向流动，其水平流速 v等于水流速度；
颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在 沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为i=u/v。
式中：v-颗粒的水平分速； qv-进水流量； A′-沉淀区过水断面面积，H×b H -沉淀区的水深； b -沉淀区宽度。
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v q / A ' q / H b v v
上澄水 自由沉淀带
水深
絮凝干涉沉淀带
B
成层沉淀带
C
时间t
压缩沉淀D
沉淀过程示意图
10
三、自由沉淀及分析 颗粒为球形
分 析 的 假 定
沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量 等不变
颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和 其他颗粒影响。
静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用 产生加速运动，经过很短的时间后，颗粒的 重力与水对其产生的阻力平衡时，颗粒即成 等速下沉。
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自 由 沉 淀 实 验
设在一水深H的沉淀柱内进行自由沉淀实 验，实验开始，沉淀时间为0，此时沉淀柱 内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒 的数量与粒径的组成是相同的，悬浮物浓度 为C0（mg/L）,此时去除率E=0。
自由沉淀图解
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设沉速u1<u0的颗粒占全部颗粒的dP(%)，其中 在同一沉淀时间t，下式成立：
v q / A ' q / H b 中并简化后得出 v v
u0 qv / A
q u ( L / H ) H b u A v 0 0
qv/A—反映沉淀池效力的参数， 一般称为沉淀池的表面负荷率， 或称沉淀池的过流率，用符号q 表示：
H
v
u0
L
28
qq v/A
比较两式可知：
h dP (%) 的颗粒将会从水中沉到池底而去除。 H
h u t ； H u t 1 0
故:
h /H u 1/u 0
h u1 dP dP H u0
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对于沉速为u（u<u0）的全部悬浮颗粒，可被 沉淀于池底的总量为：

P 0
0
1 P 0 u /u udP 0 dP 0 u 0
1 P 0 ( 1 P udP 0) 0 u 0
则：η=(1-0.67)+1.07/3=0.687 以此计算出各时总沉淀效率η。
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（4）以总效率η 为纵坐标，以沉淀时间t为横纵标 作图的效率-时间曲线
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 15 30 45 60 t(min)
13
du m F F F 1 2 3 dt
（1）颗粒的重力：
F 1
d
3
6
S g
其中：ρS为颗粒密度，kg/m3； d为颗粒直径，m； g为重力加速度。 （2）颗粒的浮力：
F 2
d
3
6
L g
14
其中：ρL为液体密度，kg/m3；
（3）颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力：
u F L 3 A 2
6
2、絮凝沉淀
这是一种絮凝性固体颗粒 在稀悬浮液中的沉淀。 虽然悬浮固体浓度也不高 （50-500mg/L），但颗粒在沉 降过程中接触碰撞时能互相聚 集为较大的絮体，因而颗粒粒 径和沉降速度随沉降时间的延 续而增大。
实例：颗粒在初 沉池内的后期 沉降，生化处 理中污泥在二 沉池中间段的 沉淀，及水处 理的混凝沉淀。
du d d u m (S L )g L dt 6 4 2
3 2
2
4 g S L u d L 3 S L 2 gd 18
1 2
16
1 2 S L u g d s 18
即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，亦 称斯托克斯公式
在典型的污水处理厂中，有以下4种用法：
(1) 用于废水的预处理——沉砂池 (2) 用于污水进入生物处理构筑物前的初步处理 (初沉池) (3) 用于生物处理后的固液分离(二次沉淀池) (4) 用于污泥处理阶段的污泥浓缩
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二、沉淀类型
根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉 淀通常可以分为四种不同的类型：
70 60
总去除率E(%)
50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 颗粒沉降速度u0 (m/h) 自由沉降总去除率与颗粒的沉降速度的关系
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§10-4 沉砂池
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污水中的无机颗粒不仅会磨损设备和 管道，降低活性污泥活性，而且会板积 在反应池底部减小反应器有效容积，甚 至在脱水时扎破滤带损坏脱水设备。 沉砂池设置目的就是去除污水中泥沙、 煤渣等相对密度较大（比重为2.65）的无 机颗粒，以免影响后续处理构筑物的正 常运行。