13沉淀與澄清

1、第三章 沉淀與澄清(Sedimentation, or settling and Clarification)第1節(jié) 沉淀原理與分類一、原理利用顆粒與水的密度之差，比重>1，下沉 比重<1，上浮沉淀工藝簡單，應(yīng)用極為廣泛，主要用于去除100um以上的顆粒給水處理混凝沉淀，高濁預(yù)沉廢水處理沉砂池（去除無機(jī)物） 初沉池（去除懸浮有機(jī)物） 二沉池（活性污泥與水分離）二、分類 自由沉淀：離散顆粒、在沉淀過程中沉速不變 （沉砂池、初沉池前期） 絮凝沉淀：絮凝性顆粒，在沉淀過程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、給水混凝沉淀） 擁擠沉淀：顆粒濃度大，相互間發(fā)生干擾，分層（高濁水、二沉池、污泥

2、濃縮池） 壓縮沉淀：顆粒間相互擠壓，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力下擠出，污泥得到濃縮。 第2節(jié) 自由沉淀(discrete particle settling)一、顆粒沉速公式（Stokes law）假設(shè)沉淀的顆粒是球形 所受到的重力為F1= 1/6 p d3 (rp - rl ) g 所受到的水的阻力F2=CD rl u2/2 p d2/4CD與顆粒大小、形狀、粗造度、沉速有關(guān)。平衡時(shí)：F1F2可得到沉速(terminal velocity)計(jì)算公式（對球形顆粒）：對于非球形顆粒：f：形狀系數(shù)CD與Re有關(guān)。Re<1, CD= 24/Re m：水的動(dòng)力粘度，Pa s該公式難以反映實(shí)際

3、，因?yàn)閷?shí)際中顆粒大小不一，不是球形。但可以了解u的影響因素。此外，一般d難以測定，在層流區(qū)，顆粒太小?？梢酝ㄟ^測定u，算出d（注意是名義上的）。二、顆粒沉淀實(shí)驗(yàn)t=0t=tih1. 在ti時(shí)，從底部取樣，測定Ci2. 計(jì)算 tiÞ ui = h/ti Ci Þ pi = Ci/C0 pi：沉速小于ui的顆粒占全部顆粒的比重3. pu 曲線（顆粒粒度分布曲線）pu=h/t4.顆粒去除率 在t0 時(shí)， u³u0 的顆粒全部去除 u<u0 的顆粒部分去除 hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0通過實(shí)驗(yàn)可繪制以下曲線： E-t 曲線 Eu曲線（與水深無關(guān)

4、）中部取樣法： P= (C0-C)/C0 *100%三、理想沉淀池假設(shè)：1 顆粒為自由沉淀2 水流水平流動(dòng)，在過水?dāng)嗝嫔?，各點(diǎn)流速相等。3 顆粒到底就被去除。水平流速v=Q/(h0 B) B: 池寬 考察頂點(diǎn)，流線III：正好有一個(gè)沉降速度為u0的顆粒從池頂沉淀到池底，稱為截留速度。 u³u0的顆粒可以全部去除 u<u0的顆粒只能部分去除 去除率為Eui/u0 = ui/(Q/A) q=Q/A =u0 表面負(fù)荷或溢流率對于顆粒沉速小于u0的顆粒來講，去除率為 Eui/u0 = ui/(Q/A) 由上式可知，顆粒在理想沉淀池的沉淀效率只與表面負(fù)荷有關(guān)，而與其它因素（如水深、池長、

5、水平流速、沉淀時(shí)間）無關(guān)。 (Hazen 理論,1904年） 但實(shí)際沉淀池是偏離理想沉淀池。 從上式反映以下兩個(gè)問題： 1）E一定，ui越大，表面負(fù)荷越大，或q不變但E增大。ui與混凝效果有關(guān)，應(yīng)重視加強(qiáng)混凝工藝。 2）ui一定，增大A，可以增加產(chǎn)水量Q或增大E。當(dāng)容積一定時(shí)，增加A，可以降低水深“淺層理論”。第3節(jié) 絮凝沉淀(flocculent settling)一、特點(diǎn) 在沉淀過程中，顆粒變大，沉淀變大。 懸浮物的去除率不僅與沉速有關(guān)，而且與深度，時(shí)間有關(guān)。 無理論描述公式，只能通過沉淀實(shí)驗(yàn)預(yù)測沉淀效果。二、沉淀實(shí)驗(yàn)沉淀柱高度實(shí)際沉淀池深度1）在時(shí)間ti，不同深度測Ci2) 計(jì)算各深度處

6、的顆粒去除百分率 p(C0-Ci)/C0 *100%3）繪制去除百分率等值線4）計(jì)算顆粒去除率方法1：按自由沉淀來類推（參考圖169）方法2：中部取樣法P（C0-C）/C0*100% C：h/2處的濃度三、沉淀效率、表面負(fù)荷和停留時(shí)間之間的關(guān)系要求一定的去除率- 設(shè)計(jì)停留時(shí)間和表面負(fù)荷假定不同的水力停留時(shí)間t-計(jì)算總?cè)コ?P得出相應(yīng)的表面負(fù)荷 q 繪制三者之間的關(guān)系曲線注意：曲線與水深有關(guān)。停留時(shí)間表面負(fù)荷沉淀效率第4節(jié) 擁擠沉淀 (Hindered (Zone) settling)一、特點(diǎn)發(fā)生在SS濃度較高的情況分層沉淀，出現(xiàn)清水渾水交接面 出現(xiàn)4個(gè)區(qū)，參見圖162。A：清水區(qū)B：等濃度區(qū)

7、（與原水顆粒濃度相同）或稱受阻沉降層 顆粒沉速等于界面（11面）沉降速度，等速下降（Vs）C：變濃度區(qū) 顆粒濃度由小變大D：壓實(shí)區(qū) 顆粒沉速從大小 懸浮物緩慢下沉是這一區(qū)內(nèi)懸浮物緩慢壓實(shí)過程 界面（22面）以一定速度上升沉淀開始，11面下降，22面上升當(dāng)ttc時(shí)，11面和22面相遇時(shí)，臨界沉降點(diǎn)當(dāng)再延長沉降時(shí)間，污泥層就會(huì)發(fā)生壓實(shí)。分區(qū)的條件：最大顆粒粒徑/最小顆粒粒徑<6發(fā)生在：混凝后的礬花（>2-3g/L） 活性污泥>1g/L 高濃度泥沙>5g/L二、沉降過程曲線 以11界面的高度為坐標(biāo)，可以作出沉降過程曲線。 b-c的斜率代表11界面的等速沉降 Cc為臨界點(diǎn) 最后

8、壓實(shí)高度為H¥l 沉降過程曲線的相似性，與水深無關(guān)（當(dāng)原水顆粒濃度一樣時(shí)）。A11A21B11B21OA1/OA2OB1/OB2由一個(gè)水深的沉降過程曲線可以作出其它水深條件下的曲線證明見：Kynch理論l 界面沉降速度Vs與顆粒濃度有關(guān)Vs= f(C)對于活性污泥Vs=a c-n （n>1）l 臨界點(diǎn)圖解近似求解法第5節(jié) 沉淀池一、分類平流式豎流式輻流式斜流式二、平流式沉淀池進(jìn)水區(qū)、沉淀區(qū)、存泥區(qū)、出水區(qū)1構(gòu)造1）進(jìn)水區(qū) 流量均勻分布 可采用配水孔或者縫 給水中，通常采用穿孔花墻 v<0.15-0.2 m/s2）沉淀區(qū) 水力條件要求： 減少紊動(dòng)性：紊動(dòng)性指標(biāo)Re = vR

9、/n n：運(yùn)動(dòng)粘度 提高穩(wěn)定性：弗勞德數(shù)Fr v2/Rg （Fr高，表明對溫差、密度差異重流和風(fēng)浪的抵抗能力強(qiáng)。 同時(shí)滿足的只能降低水力半徑R，措施是加隔板 L/B>4, L/H>10水流速度的控制也很重要適宜范圍：10-25 mm/s（給水） 57mm/s（污水）3）出水區(qū)出水均勻。通常采用：溢流堰（施工難） 三角堰（對出水影響不大） 淹沒孔口（容易找平） 控制單位堰長的出水量： 給水：<500 m3/(m d) 初沉：<2.9L/(m s) 二沉：1.5- 2.9 L/(m s)4）存泥區(qū)及排泥措施l 泥斗排泥靠靜水壓力 1.5 2.0m，下設(shè)有排泥管 多斗形式，可

10、省去機(jī)械刮泥設(shè)備（池容不大時(shí)） l 機(jī)械排泥帶刮泥機(jī)，池底需要一定坡度虹吸吸泥車2設(shè)計(jì)計(jì)算1）設(shè)計(jì)參數(shù)的確定² u0或T0由沉淀實(shí)驗(yàn)得到 選u0時(shí)，絮凝性顆粒-池深要與實(shí)驗(yàn)柱高相等 選T0時(shí)，無論顆粒的性質(zhì)如何-池深要與實(shí)驗(yàn)柱高相等考慮水流的影響u設(shè)u0/1.25-1.75 T設(shè)1.5-2.0 T0 在數(shù)值上，q設(shè)u設(shè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)： q設(shè)（m3/m2h） T設(shè)(h) 給水處理（混凝后） 12 1-3初次沉淀池 1.5-3 1-2二次沉淀池（生物膜法后） （活性污泥法后） 2）設(shè)計(jì)計(jì)算² 以q來計(jì)算A Q/q設(shè)L=3.6 v T；T：水力停留時(shí)間 水流流速v10-25mm/s（給

11、水） 57mm/s（污水）寬度BA/L² 以T來計(jì)算計(jì)算有效體積V Q T選池深H（）計(jì)算BV/(LH) L=3.6 v T校核水流的穩(wěn)定性，F(xiàn)r 10-410-5之間。二、豎流式沉淀池水流上升速度v顆粒沉速>v，下沉 £v, 沉不下來根據(jù)沉淀實(shí)驗(yàn)得u0-u設(shè)；v設(shè)u設(shè)沉淀去除率1p0無沉淀資料時(shí)，對于生活污水，v設(shè)1.5- 3 m/h, T設(shè)1 2.0 h由v設(shè)A=Q/v設(shè) 注意：A的算法 直徑f由T設(shè)Hv設(shè)T設(shè)f/H<3，使水流接近豎流，f<10m注意：中心管的流速不宜太大，<30mm/s 適用于小水深，池深大，但沉淀效果較差 排泥方便，占地小。

12、三、幅流式沉淀池1中央進(jìn)水幅流式 帶刮泥機(jī)：中央驅(qū)動(dòng)式 周邊驅(qū)動(dòng)式（使用較多） f2030mm，f>16mm 適用于大水量，但占地大，機(jī)械維修，配水條件差 由于水流速度由大小 顆粒沉降軌道是曲線。 計(jì)算：由q設(shè)AQ/q設(shè) Hu設(shè)T設(shè)u設(shè):1.5-3m/h; T設(shè)2向心幅流式 周邊進(jìn)水中心進(jìn)水：進(jìn)水?dāng)嗝娲?，進(jìn)水易均勻 周邊進(jìn)水周邊出水 向心式的表面負(fù)荷可提高約1倍。四、斜板（管）沉淀池1原理沉淀效率ui/Q/A 在原體積不變時(shí)，較少H，加大A，可以提高沉淀效率或提高Q Þ淺層理論 1904年 Hazen 提出 1945年 Camp認(rèn)為池淺為好 1955年 多層沉淀池產(chǎn)生（Fr和R

13、e可以同時(shí)滿足） 1959年 日本開始應(yīng)用斜板 1972年中國漢陽正式應(yīng)用斷面形狀：圓形、矩形、方形、多邊形除園性以外，其余斷面均可同相鄰斷面共用一條邊。水力半徑 R>d/3 -斜板 Rd/3 -斜管斜管比斜板的水力條件更好。材質(zhì)： 輕質(zhì)，無毒紙質(zhì)蜂窩、薄塑料板（硬聚氯乙烯、聚丙烯）2構(gòu)造1）異向流異向流基本參數(shù)： q60度，L1-1.2m 板間距 50150mm 清水區(qū) 0.5-1.0 m 布水區(qū) 0.5-1.0 m u0=0.2-0.4 mm/s, v£3 mm/s Q設(shè)hu0（A斜A原） h：，斜板效率系數(shù)；A斜：斜板在水平面的投影面積2）同向流水流促進(jìn)泥的下滑，斜角可減

14、少到3040度沉淀效果提高，但構(gòu)造比較復(fù)雜，使用少 Q設(shè)hu0（A斜A原）3）橫向流 使用少，結(jié)構(gòu)和平流式沉淀池較接近，易于改造，但水流條件差（Re大），難支撐 Q設(shè)hu0A斜3優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：沉淀面積增大，水深降低，產(chǎn)水量增加 q911m3/(m2 h) 平流式q<2 m3/(m2 h) 層流狀態(tài)Re<200，平流式>500 缺點(diǎn)：停留時(shí)間短（幾分鐘），緩沖能力差 對混凝要求高 耗材，有時(shí)堵，常用于給水處理，和污水隔油池五、沉砂池原理與沉淀池相同。功能：去除比重較大的無機(jī)顆粒（如泥沙、煤渣等）保證措施：流速控制常用的有：平流沉砂池、曝氣沉砂池平流式沉砂池：最大流速0.3 m/

15、s, 最小流速0.15m/s最大流量時(shí)的停留時(shí)間不少于30s, 一般30-60s曝氣沉砂池：旋流速度：0.25-0.3 m/s最大流量時(shí)的T：1-3min, 水平流速：0.1 m/s第6節(jié) 澄清池(Clarifier) 污泥再懸浮起來，池中保持大量礬花，脫穩(wěn)膠體靠接觸凝聚粘附在活性泥渣上。 ®（混合）®澄清 常用于給水處理 需保持礬花一定濃度，通過排泥控制沉降比在2030。 泥渣懸浮型（過濾型）：礬花容易沖出去，但對細(xì)小礬花具有過濾作用 如懸浮澄清池、脈沖澄清池 泥渣循環(huán)型（分離型）：效果與上相反 如機(jī)械加速澄清池、水力循環(huán)澄清池一、加速澄清池 1920年 美國 infil

16、co公司發(fā)明的 1935年有工程實(shí)例 1965年我國開始使用一反應(yīng)區(qū)容積：1520分Q二反應(yīng)區(qū)容積：710分Q分離區(qū)v上11.2 mm/st總11.5h，比平流式快需定期排泥回流泥量Q35Q第2：第1：清水區(qū)1：2：7優(yōu)點(diǎn)：處理效果好，穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng), 適用于大、中水廠缺點(diǎn)：機(jī)電維修啟動(dòng)時(shí)有時(shí)需人工加土和加大加藥量二、水力循環(huán)澄清池噴嘴速度過大、過小都不行，v47m/s喉管v23m/s一反應(yīng)室出口v=60mm/s t1530s二反應(yīng)室下降v4050mm/s 出口v5mm/s t80100s分離區(qū)v11.2mm/s, t1h回流泥量24Q優(yōu)點(diǎn)：不需機(jī)械攪拌，結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn)：反應(yīng)時(shí)間短，運(yùn)行不穩(wěn)定，泥渣回流控制較難，適應(yīng)性差，適用于小水廠。三