水质工程学 第四章_沉淀1备课讲稿
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第四章 沉淀
内 容：
✓ 4.1 杂质颗粒在静水中的沉降 ✓ 4.2 平流沉淀池 ✓ 4.3 斜板、斜管沉淀池 ✓ 4.4 澄清池 ✓ 4.5 水中造粒 ✓ 4.6 辐流沉淀池 ✓ 4.7 气浮
重 点：
✓ 沉淀基本理论/理想沉淀池理论 ✓ 沉淀池的沉淀类型及计算
难 点：
✓ 沉淀基本理论及计算
4.0 沉淀原理 利用颗粒与水的密度之差,比重>1，下沉 比重<1，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去 除100um以上的颗粒。 给水处理――沉砂池，混凝沉淀，高浊预沉 废水处理――沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）
等4区
界面沉降外观现象和沉淀过程分析
✓ 基本特征：水沉降过程中出现清浑交界面（浊液面）， 整个过程就是界面下沉过程.
✓ 清水区：浓度很小；（增加）
✓ 等浓度区：浓度均匀；大小颗粒不同；大小颗粒互相 干扰，由于大颗粒沉速变慢、小颗粒变快，形成等速 下沉现象
✓ 变浓度区：等浓度区和压实区的过渡区。
✓ 淤积层：沉速很小，浓度很大。（增加）
4.1.1 杂质颗粒在静水中的自由沉淀
假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力与浮力之差为：
F1 16d30g
（4-1)
所受到的水的阻力：
F0
u2 2
d2
• 4
（4-2)
CD为阻力系数，与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 根据牛顿第二定律可知：
F -F 10 1 6d0g0u 8 2 （4-3)
达到平衡时，加速度(（3-3）左边)为零，得沉速公式：
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（3-5）得牛顿公式：
u 3 •0 gd
10 0
3.阿兰公式
当1<Re<1000时，属于过渡区，CD近似为
10
Re
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
代入得：
u2455(00)2g2
3
d
（3-7） （3-8） （3-9）
4.1.2 悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀
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。
④在沉淀池的进口区域，水流的悬浮颗粒均匀 分布在整个过水断面面上。
I. 当颗粒沉速u≥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，即左上图中的
迹线xy与x′y′。
II. 当颗粒沉速u<u0时，位于
速度 u 0 。
u对≥沉u速0的大颗于粒等可于以u全0 的部颗去粒除而，言u<，u流0的速颗与粒沉只淀能时部间分有去关除。
t H
（ 4-18）
u0
（4-19）
t L v
令（4-18）和（4-19）相等，得：
u0 H vL
（4-20）
v/u0 L/H
vu0(L/H)
将上式带入式中 v Q /A ' Q /H b并简化后得出
水面的颗粒不能沉到池底， 会随水流出，如左下图中
轨迹xy″所示；而当其位
于水面下的某一位置时， 它可以沉到池底而被去除，
如图中轨迹x′y所示。 说明对于沉速u小于指定颗
粒沉速u0的颗粒，有一部
分会沉到池底被去除。
在进水区被均匀分配在过流断面上其水平流速为：
v Q HB
（4-17）
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
K为系数，此式在Cv=0~25%范围适用，当体积浓 度再大时，絮凝颗粒会相互连接成网状构造。从而 使Β=f（Cv）的关系破坏。
在较高的颗粒体积浓度和粒径分布比较均匀的 情况下，拥挤沉降过程中会出现上部的澄清水和下 部浑水之间出现明显的界面，这种现象称为界面 沉降（成层沉淀）
沉降过程分析： 沉淀筒分为清水、等浓度、过渡、淤积层
（3）区域沉淀（成层/拥挤沉淀）(Zone Settling)： 悬浮物质浓度〉500mg/L； 相邻颗粒之间互相妨碍、干扰； 沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒 各自保持相对位置不变 颗粒群结合成一个整体向下沉淀 形成清晰的液—固界面，沉淀显示为界面下沉
（4）压缩沉淀(Compression Settling)： 颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗 粒的间隙水，使污泥得到浓缩； 活性污泥在二沉池中的沉淀具备上述四种类型的沉淀过 程；
u 4g •0•d
3
0
（4-4）
阻力系数是雷诺数的函数
Re 0du
当Re<1时：呈层流状态
斯托克斯公式：
24 Re
u 1•0g•d2
18
（4-5) （4-6)
应用：被去除的颗粒沉速远小于0.1mm泥砂沉速，即 7mm/s,此时属于层流，沉速与粒径平方、颗粒与水的 密度差成正比，与粘度系数成反比
Q u 0(L /H )H b u 0A
u0 Q/ A
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，或称沉淀池的溢流率，用符号q表示：
q Q/ 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）。故只要确定颗粒的截留速度u0，就
（1）自由沉淀(Discrete Settling)： 悬浮物质浓度不高； 颗粒之间互不碰撞，呈离散状态； 沉速不变，各自独立完成沉淀过程；
（2）絮凝沉淀(Flocculent Settling)： 悬浮物质浓度为50-500mg/L； 颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用； 颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速不断加快
水中有大量颗粒物在有限的水体中沉降时，由于颗粒 相互之间会产生影响，致使颗粒沉降速度较自由沉淀 小，称为拥挤沉淀。
u u0
β称为沉速减低系数，β<1， 一般认为，其仅与颗粒体积浓 度Cv有关。
对于非絮凝沉淀： f CV m n
Cv为颗粒物体积浓度，n为指数，m=1-Cv
对于絮凝沉淀： lgKCV
✓ 临界沉降点：界面沉降速率开始减小。
沉淀开始t=0，浑液面从水面开始沉降，浑 液面起始高度为H0，于t时刻沉降到H的位置 ，则浑液面的沉速为：
u H 0 -H t
高浊度的水、澄清池中的悬浮泥渣层沉降， 污水活性污泥沉降和浓缩都会出现界面沉降。
4.2 平流沉淀池 4.2.1 理想沉淀池理论 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
内 容：
✓ 4.1 杂质颗粒在静水中的沉降 ✓ 4.2 平流沉淀池 ✓ 4.3 斜板、斜管沉淀池 ✓ 4.4 澄清池 ✓ 4.5 水中造粒 ✓ 4.6 辐流沉淀池 ✓ 4.7 气浮
重 点：
✓ 沉淀基本理论/理想沉淀池理论 ✓ 沉淀池的沉淀类型及计算
难 点：
✓ 沉淀基本理论及计算
4.0 沉淀原理 利用颗粒与水的密度之差,比重>1，下沉 比重<1，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去 除100um以上的颗粒。 给水处理――沉砂池，混凝沉淀，高浊预沉 废水处理――沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）
等4区
界面沉降外观现象和沉淀过程分析
✓ 基本特征：水沉降过程中出现清浑交界面（浊液面）， 整个过程就是界面下沉过程.
✓ 清水区：浓度很小；（增加）
✓ 等浓度区：浓度均匀；大小颗粒不同；大小颗粒互相 干扰，由于大颗粒沉速变慢、小颗粒变快，形成等速 下沉现象
✓ 变浓度区：等浓度区和压实区的过渡区。
✓ 淤积层：沉速很小，浓度很大。（增加）
4.1.1 杂质颗粒在静水中的自由沉淀
假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力与浮力之差为：
F1 16d30g
（4-1)
所受到的水的阻力：
F0
u2 2
d2
• 4
（4-2)
CD为阻力系数，与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 根据牛顿第二定律可知：
F -F 10 1 6d0g0u 8 2 （4-3)
达到平衡时，加速度(（3-3）左边)为零，得沉速公式：
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（3-5）得牛顿公式：
u 3 •0 gd
10 0
3.阿兰公式
当1<Re<1000时，属于过渡区，CD近似为
10
Re
1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
代入得：
u2455(00)2g2
3
d
（3-7） （3-8） （3-9）
4.1.2 悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀
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。
④在沉淀池的进口区域，水流的悬浮颗粒均匀 分布在整个过水断面面上。
I. 当颗粒沉速u≥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，即左上图中的
迹线xy与x′y′。
II. 当颗粒沉速u<u0时，位于
速度 u 0 。
u对≥沉u速0的大颗于粒等可于以u全0 的部颗去粒除而，言u<，u流0的速颗与粒沉只淀能时部间分有去关除。
t H
（ 4-18）
u0
（4-19）
t L v
令（4-18）和（4-19）相等，得：
u0 H vL
（4-20）
v/u0 L/H
vu0(L/H)
将上式带入式中 v Q /A ' Q /H b并简化后得出
水面的颗粒不能沉到池底， 会随水流出，如左下图中
轨迹xy″所示；而当其位
于水面下的某一位置时， 它可以沉到池底而被去除，
如图中轨迹x′y所示。 说明对于沉速u小于指定颗
粒沉速u0的颗粒，有一部
分会沉到池底被去除。
在进水区被均匀分配在过流断面上其水平流速为：
v Q HB
（4-17）
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
K为系数，此式在Cv=0~25%范围适用，当体积浓 度再大时，絮凝颗粒会相互连接成网状构造。从而 使Β=f（Cv）的关系破坏。
在较高的颗粒体积浓度和粒径分布比较均匀的 情况下，拥挤沉降过程中会出现上部的澄清水和下 部浑水之间出现明显的界面，这种现象称为界面 沉降（成层沉淀）
沉降过程分析： 沉淀筒分为清水、等浓度、过渡、淤积层
（3）区域沉淀（成层/拥挤沉淀）(Zone Settling)： 悬浮物质浓度〉500mg/L； 相邻颗粒之间互相妨碍、干扰； 沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒 各自保持相对位置不变 颗粒群结合成一个整体向下沉淀 形成清晰的液—固界面，沉淀显示为界面下沉
（4）压缩沉淀(Compression Settling)： 颗粒间互相支承，上层颗粒在重力作用下，挤出下层颗 粒的间隙水，使污泥得到浓缩； 活性污泥在二沉池中的沉淀具备上述四种类型的沉淀过 程；
u 4g •0•d
3
0
（4-4）
阻力系数是雷诺数的函数
Re 0du
当Re<1时：呈层流状态
斯托克斯公式：
24 Re
u 1•0g•d2
18
（4-5) （4-6)
应用：被去除的颗粒沉速远小于0.1mm泥砂沉速，即 7mm/s,此时属于层流，沉速与粒径平方、颗粒与水的 密度差成正比，与粘度系数成反比
Q u 0(L /H )H b u 0A
u0 Q/ A
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，或称沉淀池的溢流率，用符号q表示：
q Q/ 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）。故只要确定颗粒的截留速度u0，就
（1）自由沉淀(Discrete Settling)： 悬浮物质浓度不高； 颗粒之间互不碰撞，呈离散状态； 沉速不变，各自独立完成沉淀过程；
（2）絮凝沉淀(Flocculent Settling)： 悬浮物质浓度为50-500mg/L； 颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用； 颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速不断加快
水中有大量颗粒物在有限的水体中沉降时，由于颗粒 相互之间会产生影响，致使颗粒沉降速度较自由沉淀 小，称为拥挤沉淀。
u u0
β称为沉速减低系数，β<1， 一般认为，其仅与颗粒体积浓 度Cv有关。
对于非絮凝沉淀： f CV m n
Cv为颗粒物体积浓度，n为指数，m=1-Cv
对于絮凝沉淀： lgKCV
✓ 临界沉降点：界面沉降速率开始减小。
沉淀开始t=0，浑液面从水面开始沉降，浑 液面起始高度为H0，于t时刻沉降到H的位置 ，则浑液面的沉速为：
u H 0 -H t
高浊度的水、澄清池中的悬浮泥渣层沉降， 污水活性污泥沉降和浓缩都会出现界面沉降。
4.2 平流沉淀池 4.2.1 理想沉淀池理论 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