1、3.3 3.3 沉淀的基础理论沉淀的基础理论 沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。沉淀处理工艺的四种用法 沉砂池：用以去除污水中的无机易沉物。初次沉淀池：较经济地去除，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。自由沉淀 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀,颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中,颗粒的物理性质不变。发生在沉砂池中。根据水中悬浮颗粒
2、的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的。化学絮凝沉淀属于这种类型。絮凝沉淀区域沉淀或成层沉淀压缩沉淀 悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上）；颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发生。悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤压成团状结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在压
3、缩沉淀。自由沉淀及其理论基础 分析的假定沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变颗粒为球形 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,颗粒即等速下沉悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力时，下沉；重力等于浮力时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。1.悬浮颗粒在水中受到的 力Fg Fg是促使沉淀的作用力，是颗粒的重力与水的浮力之差：式中：Fg水中颗粒受到的作 用力；V颗粒的体积；S颗粒的密度；L水的密度；g重力加速度。2.水对自由颗粒的阻力式中：FD水对颗粒的阻力；阻力系数；A自由颗
4、粒的投影 面积；uS颗粒在水中的运 动速度，即颗粒 沉速。悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析)(LSLSggVgVgVF)2/(2SLDuAF球状颗粒自由沉淀的沉速公式 当颗粒所受外力平衡时，DgFF2/1LSSL3)(4dgu即)2/()(2SLLSuAgV234161dAdV，因得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，=24/Re，带入式中，整理得自由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）：2LSS181dgu式中:水的动力黏度。由上式可
5、知，颗粒沉降速度us与下述因素有关：2LSS181dgu斯托克斯定律:当s大于L时，s-L为正值，颗粒以us下沉；当s与L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；s小于L时，s-L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。us与成反比，随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。18)(2dgus18)(2dgus18)(2dgus18)(2dgus溢流口溢流口取样口取样口xx0u0u0000)1(xtdxuuxExx0 xiuu0ui0 02020404060608
6、0801001000 040408080120120160160200200沉降时间t（min）沉降时间t（min）总去除率Et(%)总去除率Et(%)0 01010202030304040505060607070808090900 010102020303040405050606070708080时间t/min时间t/min悬浮物表观去除率E/悬浮物表观去除率E/0.6m1.2m1.8m0 01010202030304040505060607070808090900 010102020303040405050606070708080时间t(min)时间t(min)悬浮物去除率E()悬浮物去除
7、率E()0.6m0.6m1.2m1.2m1.8m1.8m18.030.039.0水深水深0.6m,去除去除率率10%，2.5min水深水深1.2m,去除去除率率10%，5.0min水深水深1.8m,去除去除率率10%，6.5min水深1.8m,去除率20%，14.5min水深1.2m,去除率40%，18.0min沉降时间/min 去除率为去除率为10%的等去除率线的等去除率线沉降时间/minh6h1 等去除率曲线图等去除率曲线图E1=52%E7=100%2221322211nnntEEHhEEHhEEHhE沉淀池的工作原理理想沉淀池 分为：进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分沉淀区过
8、水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。理想沉淀池的几个假定：由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线：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，Hb；H沉淀区的水深；b沉淀区宽度。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i=u/v)/(/bHqAqv
9、vv 设u0为某一指定颗粒的最小沉降速度。I.当颗粒沉速uu0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xy。II.当颗粒沉速uu0时，位于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xy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。在同一沉淀时间t，下式成立：故 对于沉速为u1（u1u0）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：而沉淀池能去除的颗粒包括uu0以及 u1u0的两部分，故沉淀池对悬浮物的去除率为：tuHtuh01；00010001d
10、1d/uuPuuPuu0000d1)1(uPuuPPHhd 设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP，其中的 的颗粒将会从水中沉到池底而去除。01/uuHhPuuPHhdd01式中：P0沉速小于u0的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的比例；（1-P0）沉速u0的颗粒去除率。上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：将上式带入式中 并简化后得出 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：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/（m2h）。故只要确定颗粒的最小沉
11、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无关，即与池的体积V无关。HLuv/0)/(0HLuvAqq/vbHqAqv/vvAqu/v0AubHHLuq00v)/(3.4 3.4 沉沉 砂砂 池池沉砂池的作用沉砂池的工作原理沉砂池的几种形式 从污水中去除砂子、煤渣等密度较大的无机颗粒，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行 平流式、竖流式、曝气沉砂池、旋流式沉砂池、Doer沉砂池等 以重力或离心力分离为基础，即将进入沉砂池的污水流速控制在只能使相对密度大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数城市
12、污水厂一般均设置沉砂池，并且沉砂池的个数或分格数应不 小于2；工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。设计流量应按分期建设考虑：最大时流量、最大组合流量、合流制流量沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65，粒径为0.2mm以上。城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为60%，容重约1500kg/m3。贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55,排砂管直径不应小于200mm。沉砂池的超高不宜小于0.3m。平流式沉砂池是一种最传统的沉砂池，它构造简单，工作稳定。平流式沉砂池污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；最大流量时，污水在池内
13、的停留时间不少于30s，一般为3060s；有效水深应不大于1.2m，一般采用0.251.0m，池宽不小于0.6m；池底坡度一般为0.010.02，当设置除砂设备时，可根据除砂设备的要求，考虑池底形状。平流式沉砂池的系统参数 3.池总宽度b 式中：h2设计有效水深。4.贮砂斗所需容积V式中:X城市污水的沉砂量,一般采用30m3/(106m3污水）;T排砂时间的间隔,d;kz 生活污水流量的总 变化系数。平 流 式 沉 砂 池 的 计 算 公 式 1.长度L 式中：v最大设计流量时 的速度，m/s；t最大设计流量时 的停留时间,s。2.水流断面面积A式中：qvmax最大设计流 量，m3/s。vtL
14、vqA/maxv2/hAb 6zv1086400maxkTXqV 7.池总高度h式中:h1超高，m；h2有效水深,m;h3贮砂斗高度,m。8.核算最小流速vmin 式中:qvmin 设计最小流量，m3/s；n1最小流量时工作 的沉砂池数目;Amin 最小流量时沉砂 池中的水 流断面 面积，m2。平 流 式 沉 砂 池 的 计 算 公 式 5.贮砂斗个部分尺寸计算 设贮砂斗底宽b1=0.5m；斗壁与水平面的倾角为60；则贮砂斗的上口宽b2为：贮砂斗的容积V1：式中:h3 贮砂斗高度，m；S1，S2 贮砂斗上口和下口 的面积。6.贮砂室的高度h3 设采用重力排砂，池底坡度i=6%，坡向砂斗，则13
15、260tg2bhb)(21213311SSSShV321hhhhmin1minvmin/Anqv2/)2(06.006.023233bbLhlhh沉砂中含有机物的量低于5%；由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡以及加速污水中油类的分离等作用。曝气沉砂池的特点：曝气沉砂池是一个长形渠道，沿渠道壁一侧的整个长度上，距池底约6090cm处设置曝气装置；在池底设置沉砂斗，池底有i=0.10.5的 坡度，以保证砂粒滑入砂槽；为了使曝气能起到池内回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧装设挡板。曝气沉砂池的构造：曝气沉砂池剖面示意曝气沉砂池的工作原理 污水在池中存在着两种运动
16、形式，其一为水平流动（一般流速0.1m/s），同时在池的横断面上产生旋转流动（旋转流速0.4m/s），整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。由于曝气以及水流的螺旋旋转作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦，并受到气泡上升时的冲刷作用，使粘附在砂粒上的有机污染物得以去除，沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，长期搁置也不至于腐化。曝气沉砂池实景水平流速一般取0.080.12m/s。污水在池内的停留时间为46min；雨天最大流量时为13 min。如作为预曝气，停留时间为1030min。池的有效水深为23m，池宽与池深比为11.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板。曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.56.0mm，距池底约为0.60.9m，并应有调节阀门。曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流。曝气沉砂池的设计参数
