第六章 沉淀与澄清

3
(6-1) (6-2)
(6-3) 达到重力平衡时，加速度为零，令式（6-3）左边为零，加 以整理，得沉速公式：
u 4 g p 1 d 3 CD 1
（6-4）
CD与Re有关，见图6-1。
10 10
阻力系数CD
10 10 1 0.4 0.1 -3 10
C=24/Re C=10/Re
10
水的紊动性以雷诺数Re判别
• • • —水的流速； R —水力半径； —水的运动拈滞系数。
Re
vR

一般认为，在明渠流中，Re＞500时，水流是紊流状态，平流 沉淀池中水流的 Re一般为 4000～15000，属紊流状态。 此时水流除水平流速外，尚有上、下、左、右的脉动分速，且 伴有小的涡流体，对水中杂质颗粒的沉降是有影响的，因此，在 沉淀池中，通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。
OP1 OQ1 OP2 OQ2
A、 区交界面高度
(6-12)
沉淀管水深H1
P1
沉淀管水深H2
P
Q1 Q2
0
沉淀时间t
图 7-3 不同沉淀高度的沉降过程相似关系
6.2 理想沉淀池的特性分析
6.2.1 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。
第六章
沉淀与澄清
6.1 悬浮颗粒在静水中的沉淀 6.2 平流式沉淀池 6.3 斜板与斜管沉淀池 6.4 澄清池
6.1 悬浮颗粒在静水中的沉淀
6.1.1 沉淀分类
1.自由沉淀

定义：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。
h1 / t0 h2 / t0 P p2 (p3 p2) (p4 p3) u0 u0 h3 / t0 h4 / t0 (p5 p4) (p6 p5) u0 u0
式中：p2—表示沉降高度h，沉降时间t0时的去除分数，并
且是沉速等于或大于u0的已全部沉降掉的颗粒 的去除分数。 h1—表示时间t0时，曲线p2与p3之间的中点高度； h2—表示时间t0时，曲线p3与p4之间的中点高度； h3—表示时间t0时，曲线p4与p5之间的中点高度； 上述方法是在静止条件下进行的。应用于生产中实际沉 淀池，根据经验，表面负荷和停留时间应乘以经验系数。
-2
10
-1
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
雷诺数Re
图 7-1 CD与Re的关系（球型源自粒）1. 斯笃克斯公式当Re<1时：呈层流状态
斯笃克斯公式：
24 CD Re
1 p 1 2 u gd 18
(7-5)
(7-6)
2. 牛顿公式
当1000<Re<25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入 （6-5）得牛顿公式：
残余颗粒分数
沉速
图 7-5 沉淀实验筒
图 7-6 理想沉淀池的去除百分比计算
6.2.5 凝聚性颗粒的沉淀实验分析
1. 实验
采取图6-7的沉淀试验筒，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，然后试验，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。
u0 Q LB
（6-15）
即：
u0
（6-16） 式中 Q 称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留 A 速度，但含义不同。 设原水中沉速为ui（ui<u0）的颗粒浓度为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7-4），则沉速为ui的颗粒的去除率为：
在沉淀池中，增大，一方面提高Re，加强水力的紊动性而不利于 沉淀，但另一方面也提高了Fr，而加强了水的稳定性，从而有利于沉淀 效果的提高。所以， 可在很宽的范围内选取，我国各地一般=10 ～ 25mm/s。
4、絮凝过程的影响
将（6-16）代入（6-20）得：
ui ui E u0 Q A
(6-21)
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，表面负荷越大，或当产水量和表面 积不变时， ui越大则去除率E越高。颗粒沉速ui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，池身浅些则表面积A大些，E可以高些，此即“浅池 理论”。
6.2.6 影响平流沉淀池沉淀效果的因素
1、短流的影响 短流是指在实际沉淀池中，停留时间总是偏离理想沉淀池， 表现在一部分水流通过沉淀区的时间t0，而别一部分水流则大于 t0的现象，它是由于水流的流速和流程不同而产生的。 原因： ⑴ 进水的惯性作用；⑵ 出水堰产生的水流抽吸；⑶ 较冷 静或较重的进水产生的异重流；⑷ 风流引起的短流；⑸ 池内存 在导流壁和刮泥设施等。 2、异重流的影响 浑水进入沉淀池后，因水中颗粒杂质不断沉淀而逐渐变清， 流出沉淀池的水中浑水物质的含量已经很少，浑水和清水的比重 是不同的。 即进入沉淀池浑水的比重比流出沉淀池清水的比重 大。比重大的浑水进沉淀池后，在重力作用下会潜入池的底部流 动，形成所谓的浑水异重流。
• 水的稳定性以弗劳德数判别
Fr
2
Rg
• R—水力半径； • —水平流速； • g—重力加速度。
Fr高，惯性力作用相对增加，重力相对减少。水流对温差、 密度异重流及风浪等影响的抵抗的能力强，使沉淀池中的水流流 型保持稳定，一般认为平流沉淀池中Fr ＞10-5。 在沉淀池中，降低Re和提高Fr的有效措施是减小水力半径， 平流沉淀池的纵向分隔及斜板、斜管沉淀池都能达到上述目的。

常见于：活性污泥法的二沉池，污泥浓缩池、化学凝聚
沉淀 4.拥挤沉淀

定义：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。
6.1.2 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀
1．沉降过程分析 如图6-2，整个沉淀筒中可分为清水区、等浓度区、变浓 度区、压实区等四个区。
a A
交界面
b
C0
a'
B
C0
H0 浓度Ct Ht
c
Ct
Ct
Ht
d C D t1 (b) t ∞ (c)
H∞ H H∞
t (d)
时间t (e)
2. 肯奇沉淀理论
由图6-2可知曲线a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度均 大于C0。
设在c-d曲线任一点Ct作切线与纵坐标相交于a′点，得 高度Ht。按照肯奇沉淀理论得：
C0 H 0 Ct Ht
（6-10）
作Ct点切线，这条切线的斜率表示浓度为Ct的交界面 下沉速度：
Ht H t t
（6-11）
3. 相似理论
当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面沉降过程曲线 的相似性（见图6-3），即
假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力为：
1 3 F1 d ( p 1 ) g 6 所受到的水的阻力： u 2 d 2 F2 C D 1 2 4 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：

du 1 2 u 2 d 3 d p d ( p 1 ) g C D 1 6 dt 6 2 4
E hi BcC h i h0 BC h0
Q A
（6-17）
h0 Lu0
根据相似关系得：
h0 L u0
即
hi Lui

（6-18）
同理得：

（6-19）
将式（6-18）和（6-19）代入（6-17）得特定颗粒去除率：
E ui u0
（6-20）
6.2.2 理想沉淀池理论
常见于：沉砂池、初次沉淀池
2.絮凝沉淀

定义：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。
常见于：混凝沉淀后、生物污泥的沉淀
3.成层沉淀

定义：沉淀过程中絮凝的悬浮物形成层状物，成整体沉
淀状，形成较明显的固液因而。
p0
ui dpi u0
（7-22）
6.2.4 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6-5所示。在圆筒水面下h处开一个取样口，要求颗粒在
整个水深中均匀分布，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6-5。 具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为p1-p2。
浑水异重流是平流沉淀池中的基本现象之一，当进池浑水 的浓度高时异重流的现象就明显一些，进池浑水的浓度低时， 异重流现象就不如浓度高时明显。 此外，水的比重与温度有关，当进水温度较池内水温高时， 进水有可能趋向池表流动，形成温度异重流，当进水温度较池 水温度低时，将会加剧浑水异重流。 3、水流紊动性和稳定性对沉淀效果的影响