1、第十六章第十六章 沉淀和澄清沉淀和澄清 第一节第一节 沉淀分类沉淀分类第二节第二节 平流沉淀池平流沉淀池第三节第三节 斜板、斜管沉淀池斜板、斜管沉淀池第四节第四节 沉淀池类型沉淀池类型 第五节第五节 澄清池澄清池 1.1.自然沉淀自然沉淀 颗粒在沉淀过程中不改变其大小、形状和密度。2.2.混凝沉淀混凝沉淀 在沉淀过程中，颗粒由于相互接触凝聚而改变其大小、形状和密度，这种过程称为混凝沉淀。3.3.化学沉淀化学沉淀 在某些特种水处理中，投加药剂使水中溶解杂质结晶为沉淀物，称为化学沉淀。第一节第一节 沉淀分类沉淀分类悬浮颗粒在静水中的沉淀悬浮颗粒在静水中的沉淀自由沉淀自由沉淀：颗粒沉淀时不受容器壁和
2、其他悬浮物的影响，颗粒状沉淀。拥挤沉淀：拥挤沉淀：颗粒处于互相干扰的沉淀（网状沉淀）。一、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀一、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 一般认为，悬浮颗粒与器壁的距离大于50倍颗粒的直径，同时体积浓度小于0.002时（5400mg/L），可认为自由沉淀，此时的沉淀速度称为自由沉淀速度。 以球型颗粒为例，在水中作沉降运动时将受重力、浮力、重力、浮力、摩擦阻力摩擦阻力三种力的作用。（一）颗粒的重力为： F1=1/6 d3 s g 颗粒下沉的速度可得自牛顿第二定律颗粒下沉的速度可得自牛顿第二定律：DFFFdtdvm21svs颗粒下沉速度；m颗粒的质量；t时间。s 颗粒的密度；d颗粒直径；
3、g重力加速度；（二）颗粒的浮力为：F2= 1/6 d3 1 g1水的密度。 （三）摩擦阻力 其值与颗粒在运动方向上的投影面积A及动压1/21/2 v vS S2 2有关。 FD颗粒在水中所受的阻力； cD阻力系数； 1水的密度； A颗粒在运动方向垂直面上的投影面积 d2/4； vS流速（下沉速度） 有： 颗粒下沉时，起始沉速为零，故以加速度下沉，随着vs增加，阻力也相应增加，很快颗粒即等速下沉。dvs/dt=0246)(21331sdssvdcdgdtdvm221sDDACF沉速基本公式：沉速基本公式：eDRc24221) 1(18)(18dsgdgussdcgusD11341.1.层流区层流
4、区 Re1 此时曲线倾角为45公式适用d0.1mm泥沙颗粒， Re在10-4 1之间斯笃克斯公式：2.2.紊流区紊流区 1000 Re105 此时cD=0.4，代入公式，得到牛顿公式：dgus)(11公式适用d2mm的砂粒eDRc10dgus311221)()2254(3.3.过渡区过渡区 1000 Re105给水处理对象：给水处理对象： 0.1mm以下的颗粒给水沉淀池的颗粒沉淀：给水沉淀池的颗粒沉淀：层流沉降颗粒粒径：颗粒粒径：d0.1mm u 7.5mm/s 去除容易去除容易 d=0.01mm u =0.075mm/s 不易下沉去除不易下沉去除d=0.001mm 胶体，不能自行下沉胶体，不
5、能自行下沉 必须混凝去除必须混凝去除第二节第二节 平流沉淀池平流沉淀池一一. .理想沉淀池理想沉淀池理想沉淀池假设条件：理想沉淀池假设条件： u ui i不变：不变：颗粒处于自由沉淀状态。即在沉淀过程颗粒处于自由沉淀状态。即在沉淀过程中，颗粒之间互不干扰，颗粒的大小、形状、密度和中，颗粒之间互不干扰，颗粒的大小、形状、密度和沉速不变。沉速不变。 水平流速水平流速v v不变：不变：水流沿着水平方向流动。在过水流沿着水平方向流动。在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。不变。 颗粒沉到池底颗粒沉到池底即认为已被即认为已被去除去除，不再返
6、回水中。，不再返回水中。絮凝池流速平流沉淀池絮凝池流速平流沉淀池 0.2m/s 3-25mm/s进水区沉淀区出水区污泥区ABCDvu理想沉淀池的工作过程分析uu0的颗粒uu0的颗粒u=u0的颗粒u=u0的颗粒vu沉淀池过流率与颗粒沉降速度的关系沉淀池过流率与颗粒沉降速度的关系 u u0 0t=Ht=H，vt=Lvt=L，有，有 u u0 0=H/t=H/t 又因为：又因为：Q=vBHQ=vBH，所以所以 H HQ/(vB)Q/(vB)， 所以有：所以有：HLu0v长为长为L，有效水深为，有效水深为H，宽为宽为B的沉淀池，表面积的沉淀池，表面积为为A=LB.工程中表面积延伸为与水流方向相工程中表
7、面积延伸为与水流方向相同的沉淀面积同的沉淀面积.AQLBQt1vBQtHu0 表面负荷或过流率二、理想沉淀池沉淀过程分析二、理想沉淀池沉淀过程分析 去除率去除率 Q/A表面负荷率，在数值上等于截流沉速，表面负荷率，在数值上等于截流沉速， m3/m2.h = m/.h ;A 沉积面积，沉积面积，m2;WuWuEiiuui的颗粒总重量具有沉速的颗粒去除重量具有沉速1000uuAQuEiiuui 截流速度截流速度u u0 0能全部能全部去除颗粒中去除颗粒中最小最小颗粒的沉速。颗粒的沉速。去除率公式分析：去除率公式分析： E只与只与ui、 Q/A有关，与有关，与v、H、L、T无关；无关； E、 ui、
8、 Q/A 、 H 等因素之间的关系等因素之间的关系A 不变不变，Q ，产水量，产水量Q 不变不变，A ，造价，造价 E 一定一定，若若u i ，则，则 Q/A Q/A 不变不变，若，若u i ，则，则 E ，出水水质，出水水质 ui 不变不变，Q 不变不变，A E0uHAHAV不变提高去除率途径提高去除率途径提高沉速提高沉速ui增大增大A,A,降低降低u u0 0斜板（管）沉淀池斜板（管）沉淀池 （浅池理论）（浅池理论）途径途径：加强混凝加强混凝澄清池澄清池总去除率计算公式：总去除率计算公式：颗粒沉速颗粒沉速：umin u1 u2 u0 u01 u02 umax占总量百分比占总量百分比： p0
9、 1-p0iPidpuuPP000010iiuuAQuE三、影响沉淀池沉淀效果的因素三、影响沉淀池沉淀效果的因素1.1.进出口的影响进出口的影响进口水流衔接进口水流衔接絮凝池沉淀池连接管管中流速管中流速v ？水流惯性水流惯性絮凝池沉淀池导流区导流区0.1-0.15米0.3-0.5米配水花墙 洞口流速洞口流速 v 0.150.2m/s三、影响沉淀池沉淀效果的因素三、影响沉淀池沉淀效果的因素1.1.进出口的影响进出口的影响出口水流衔接出口水流衔接出水管沉淀池强烈抽吸强烈抽吸出水支渠出水支渠出水支渠出水支渠指形渠指形渠2.2.水流紊动性水流紊动性vRRe平流平流 Re：400015000 紊流紊流
10、水温不变水温不变,是常数；是常数； v 减小减小(Q=v), Q 减小减小 降低水力半径降低水力半径 R湿周过水断面RBHBHR2BHBHR4宽：38m加隔墙： R , Re , 紊动性3.3.异重流和水流稳定性异重流和水流稳定性异重流：水流密度不同异重流：水流密度不同 稳定性：稳定性：RgvFr2v：1025mm/sV Re Re 利于降低紊动性利于降低紊动性Fr Fr 不利于提高稳定性不利于提高稳定性R Fr 稳定性稳定性环流短流进水区出水区原因：水温原因：水温 T , 杂质浓度杂质浓度C , 水平流速水平流速vRRe水流惯性力与重力作用对比的比值水流惯性力与重力作用对比的比值4. 4.
11、混凝条件混凝条件ui d2 降低降低Re R 提高提高Fr R提高提高 E斜板斜管斜板斜管 沉淀池沉淀池T H d ui 有利于沉淀有利于沉淀小结：小结：RgvFr2vRRe0iiuuAQuEUi A H u0 E 浅池理论浅池理论四、构造四、构造（1 1）进、出水区）进、出水区避免矾花破碎；避免矾花破碎；避免矾花带出，水质下降；避免矾花带出，水质下降；减少无效沉淀面积减少无效沉淀面积A A无效无效。（2 2）沉淀区）沉淀区布置：直流式布置：直流式要求要求紊 动进水：配水花墙、缝隙进水：配水花墙、缝隙出水：指形渠、非淹没式孔口出流出水：指形渠、非淹没式孔口出流四、构造四、构造（2 2）沉淀区）
12、沉淀区确定长、宽、高确定长、宽、高 有效水深有效水深H：理论：理论：H A E 浅池好浅池好 实际：实际：a）抗异重流）抗异重流最小水深；最小水深； b) 高程布置。高程布置。H=（34m)环流短流进水区出水区四、构造四、构造长：长： L= 3.6vT T：13hr (美国：美国：24hr; 日本：日本：35hr）校核：校核：L:B4:1 L:H10:1 Fr=10-4 10-5宽：宽： B=Q/(vH) v=1025mm/s 分格分格 B=38m确定长、宽、高确定长、宽、高四、构造四、构造（3 3）积泥区）积泥区排泥方式：排泥方式：泥斗排泥泥斗排泥穿孔管排泥穿孔管排泥机械排泥机械排泥 刮泥刮
13、泥 吸泥吸泥 虹吸式虹吸式 泵吸式泵吸式虹虹吸吸式式机机械械排排泥泥五、设计计算五、设计计算 u0 ： A=Q/ u0 L=3.6vT T ： V=QT L=3.6vT B=V/(LH) 校核：校核：L:B4:1 L:H10:1 Fr=10-4 10-50iiuuAQuE多层沉淀池多层沉淀池排泥排泥第三节第三节 斜板斜管沉淀池斜板斜管沉淀池絮凝池穿孔集水槽 斜板（管）区斜板（管）沉淀池积泥区配水区排泥沟清水区出水槽一、构造一、构造二、特点二、特点 （1）截留速度截留速度u u0 0小，去除率小，去除率E E高。高。平平：u0=Q/A斜斜：us =Q/（Af+A）us u0E = ui/u0总总
14、 P u0=u i u0凌庄：凌庄： 18万万吨吨/日日 斜管占地斜管占地 为为15万万吨吨/日日 平流的平流的1/300cossin1udlq有效系数有效系数斜板间斜板间距距计算长计算长度度v设计参数：设计参数：二、特点二、特点（3 3）缩短沉淀距离）缩短沉淀距离, ,减少沉淀时间减少沉淀时间例：例：平流平流：H=3m，ui=2m/h T=3/2=1.5h斜板：斜板： H =0.173m，ui=2m/h T =0.173/2=0.09h=5.4minH=0. 1tg60o =0.173mV = QT V = H A1/31/31/31/3二、特点二、特点（4 4）改善水力条件，利于沉淀）改善
15、水力条件，利于沉淀斜板斜板：平流：平流：RRe 500Fr 10-310 -4Re 400015000Fr 10-410 -5斜板与斜管比较斜板与斜管比较Re A板板(2) Re(3) FrR=d/4斜管更优于斜板斜管更优于斜板斜 板0.1m 0.1m斜管d=25mm三、设计与计算三、设计与计算1.1.进水方向进水方向(1)(1)长边进水长边进水(2)(2)水流方向水流方向反 应 池沉 淀 池水水三、设计与计算三、设计与计算2. 倾角倾角a f =LBcos滑泥不利滑泥不利异向流：异向流： =60=60同向流：同向流： =30=304040自然滑泻自然滑泻=5=5 水力滑泻水力滑泻 美国美国a
16、fE三、设计与计算三、设计与计算3.3.斜板（管）长斜板（管）长L L860mm1000mm紊流段分离段 清水段取斜板（管）长取斜板（管）长 1 1 米米三、设计与计算三、设计与计算4.4.斜板间距、斜管直径及其断面形状斜板间距、斜管直径及其断面形状斜板间距：斜板间距：50100mm，常为常为100mm斜管直径：斜管直径：252540mm40mm， 常为常为 25mm三、设计与计算三、设计与计算5.5.材料材料斜板：木板斜板：木板斜管：塑料斜管：塑料 聚氯乙烯聚氯乙烯 聚丙烯聚丙烯试验：纸质、木质、石棉水泥板、试验：纸质、木质、石棉水泥板、纸浆水泥板、玻璃钢纸浆水泥板、玻璃钢单体氯乙烯有毒单体
17、氯乙烯有毒聚氯乙烯聚氯乙烯配方含铅配方含铅三、设计与计算三、设计与计算6.6.表面负荷表面负荷q=Q/F 板间流速：板间流速：v=Q / ( F净净sin)sin)（管内流速）（管内流速） FF净净F总总= F净净+F结结+ F无无q毛毛= Q/ F总总q净净= Q/ F净净上升流速：上升流速：v= q毛毛絮凝池穿孔集水槽 斜板（管）区斜板（管）沉淀池积泥区配水区排泥沟清水区出水槽f净V净fnF净单位：单位：m3/ m2h m/hh m/h三、设计与计算三、设计与计算7.7.分类分类斜板、斜管斜板、斜管斜板斜板斜板斜板异向流（上）异向流（上） ：水：水 泥泥同向流（同向流（下）下） ：水水 泥
18、泥侧向流侧向流（横）（横）：水：水 泥泥第四节 沉淀池类型平流式平流式竖流式竖流式辐射式辐射式斜管、斜板式斜管、斜板式1.平流式沉淀池最早、最常用的形式2.竖流式沉淀池进水排泥出水中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图进水进水出水出水排泥排泥3.辐流式沉淀池第五节第五节 澄清池澄清池沉淀：矾花下沉沉淀：矾花下沉 沉降性能沉降性能澄清：矾花澄清：矾花 吸附性能吸附性能悬浮悬浮循环循环第五节第五节 澄清池澄清池一、澄清原理二、澄清池的类型三、澄清池的主要设计参数澄清澄清净水原理：接触絮凝净水原理：接触絮凝反应反应+ +沉淀沉淀澄清池澄清池澄清池澄清池 泥渣为什么有净水
19、作用泥渣为什么有净水作用 由于混凝剂混凝浑水由于混凝剂混凝浑水后新生成的泥渣尚有大量的后新生成的泥渣尚有大量的未饱和的活性集团，能继续未饱和的活性集团，能继续吸附和粘附水中的悬浊物质，吸附和粘附水中的悬浊物质，所以有净水作用。所以有净水作用。 泥渣具有疏松的结构泥渣具有疏松的结构和很大的表面积，浑水的混和很大的表面积，浑水的混凝过程在泥渣的团体表面上凝过程在泥渣的团体表面上进行（接触凝聚）要比在水进行（接触凝聚）要比在水中进行（自由凝聚）强的多，中进行（自由凝聚）强的多，所以也提高了混凝效果。所以也提高了混凝效果。 一、泥渣净水的作用一、泥渣净水的作用 悬浮泥渣层具有很高的浓度（从数百到数千悬
20、浮泥渣层具有很高的浓度（从数百到数千mg/l）,能大大地增加泥渣之间的碰撞机会，促进絮凝颗粒的增大，能大大地增加泥渣之间的碰撞机会，促进絮凝颗粒的增大，这样就提高了絮凝体的沉淀速度，试验表明，当上升这样就提高了絮凝体的沉淀速度，试验表明，当上升 提提高高1mg/l左右时，仍能获得良好的出水水质。这个流速值较左右时，仍能获得良好的出水水质。这个流速值较沉淀池提高了约沉淀池提高了约1倍。倍。 二、澄清池的分类二、澄清池的分类 澄清池的种类和形式很多，基本上可分为两大类：澄清池的种类和形式很多，基本上可分为两大类： 泥渣悬浮型澄清池泥渣悬浮型澄清池 加药后的原水向上通过处于悬浮状态的泥渣层，水中加药
21、后的原水向上通过处于悬浮状态的泥渣层，水中杂质有充分的机会与结构较密的泥渣碰撞凝聚，这样就大杂质有充分的机会与结构较密的泥渣碰撞凝聚，这样就大大地提高了颗粒的沉速，从而可以提高水流上升流速或产大地提高了颗粒的沉速，从而可以提高水流上升流速或产水量。水量。 泥渣循环型澄清池泥渣循环型澄清池 泥渣在垂直方向上不断地循环，在泥渣循环的过程中，主泥渣在垂直方向上不断地循环，在泥渣循环的过程中，主动积极地来扑捉水中的杂质，进行接触絮凝作用，使杂质从动积极地来扑捉水中的杂质，进行接触絮凝作用，使杂质从水中分离出来，泥渣在循环过程中不断地壮大自己，因此，水中分离出来，泥渣在循环过程中不断地壮大自己，因此，本
22、身流速不断提高，从而提高沉淀效率。本身流速不断提高，从而提高沉淀效率。 三、澄清池的特点：三、澄清池的特点： 1.将絮凝和沉淀两个过程在一个构筑物内靠活性泥渣完成；将絮凝和沉淀两个过程在一个构筑物内靠活性泥渣完成； 2.泥渣层的开始形成，可适当多投混凝剂，降低负荷；泥渣层的开始形成，可适当多投混凝剂，降低负荷； 3.充分利用了泥渣的絮凝作用。充分利用了泥渣的絮凝作用。二、澄清池的类型二、澄清池的类型 泥渣悬浮型 泥渣循环型脉冲澄清池悬浮澄清池机械加速澄清池水力循环澄清池脉冲澄清池脉冲澄清池原水由进水原水由进水管进入进水室，管进入进水室，由真空泵造成的由真空泵造成的真空而使进水室真空而使进水室的
23、水位上升，此的水位上升，此为为冲水过程。冲水过程。当水面达到当水面达到进水室最高水位进水室最高水位时，进气阀开启，时，进气阀开启，进水室通大气，进水室通大气，这时进水室内水这时进水室内水位迅速下降，向位迅速下降，向澄清池放水，此澄清池放水，此为为放水过程放水过程。悬浮澄清池悬浮澄清池 加过药剂的加过药剂的原水经过气水分原水经过气水分离器后，从穿孔离器后，从穿孔配水管进入澄清配水管进入澄清池室，由下向上池室，由下向上穿过悬浮泥渣层穿过悬浮泥渣层中进行絮凝和沉中进行絮凝和沉淀淀。 特点：特点： 构造简单；构造简单； 对进水量、水质、水温的变化适应性较对进水量、水质、水温的变化适应性较差，当进水流量
24、、水质变化较大时，悬浮泥渣差，当进水流量、水质变化较大时，悬浮泥渣易遭破坏；易遭破坏； 面积过大时，也容易导致配水和悬浮层面积过大时，也容易导致配水和悬浮层浓度分布不均匀；故适用于中小型水厂。浓度分布不均匀；故适用于中小型水厂。机械加速澄清池机械加速澄清池 主要由第一、第二反应室和分离室组成，加过药剂的原水在第一、第二反应室与高浓度的回流泥渣相接触，达到较好的絮凝效果，结成大而重的絮凝体，在分离室中进行分离。泥渣的循环回流用机械抽升，故称机械加速澄清池。第一反应室第一反应室第二反应室第二反应室原水进入环型三角配水槽，通过缝隙均匀流入第一反应室，因原水中可能含有气体，汇集在三角槽顶部故应安装透气
25、管，加药地点可在进水管、三角配水槽，也可数处同时加注药剂，由实验决定。特点：特点：1 1、能适应水质水量的变化，工作稳定性较、能适应水质水量的变化，工作稳定性较好；好；2 2、它需要设置变速电动机和减速装置等机、它需要设置变速电动机和减速装置等机电设备，结构较复杂。电设备，结构较复杂。水力循环澄清池水力循环澄清池 原水从池底进入，先原水从池底进入，先经喷嘴高速喷入喉管，在经喷嘴高速喷入喉管，在喉管下部的喇叭口附近造喉管下部的喇叭口附近造成真空而系入回流泥渣。成真空而系入回流泥渣。 原水与回流泥渣在喉原水与回流泥渣在喉管中剧烈混合后，被送入管中剧烈混合后，被送入第一反应室和第二反应室。第一反应室
26、和第二反应室。 从第二反应室流出的从第二反应室流出的泥水混合液，在分离室中泥水混合液，在分离室中进行泥水分离，清水向上进行泥水分离，清水向上汇集于上部集水槽，下流汇集于上部集水槽，下流的泥渣随水流回流至喷嘴，的泥渣随水流回流至喷嘴，多余的泥渣进入泥渣浓缩多余的泥渣进入泥渣浓缩室，如此周而复始。室，如此周而复始。原水流量与泥渣回流量之比一般为原水流量与泥渣回流量之比一般为1 1：3 31 1：4 4。喉管和喇叭口的高低可用池顶的升降阀调节，以调整喷嘴与喉管的间喉管和喇叭口的高低可用池顶的升降阀调节，以调整喷嘴与喉管的间距，借以控制回流泥渣量。距，借以控制回流泥渣量。T T絮絮短（短（9 914m
27、in14min），药耗大；），药耗大；适应性差适应性差回流量不易控制；回流量不易控制；单池面积小，直径越大，池深越大。单池面积小，直径越大，池深越大。特点：特点：三、澄清池主要设计参数三、澄清池主要设计参数在清水分离区的上升流速在清水分离区的上升流速 是一个重要参数是一个重要参数 过大，会使出水水质恶化，过大，会使出水水质恶化， 过小，会降低负荷量，增加建筑费用。过小，会降低负荷量，增加建筑费用。一般一般 =0.8=0.81.2mm/s1.2mm/s，北方宜采用低值；，北方宜采用低值；为了保证接触絮凝时间，一般悬浮泥渣层厚度取为了保证接触絮凝时间，一般悬浮泥渣层厚度取1.51.52.5M2.5M，对低温低浊的原水宜采用大的厚度值。，对低温低浊的原水宜采用大的厚度值。为了避免悬浮泥渣被带出池外，为了避免悬浮泥渣被带出池外，清水保护区厚度清水保护区厚度取取1.51.52.0M2.0M；水在澄清池中的停留时间一般取水在澄清池中的停留时间一般取1.01.01.51.5小时。小时。
