华北理工水质工程学教案09第三章沉淀和澄清3-2平流式沉淀池

课程名称：《水质工程学I》第周，第9讲次摘要授课题目（章、节）3-2平流式沉淀池本讲目的要求及重点难点：【目的要求】【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】3-2平流式沉淀池是最基础的沉淀池：其它沉淀池都是在平流池基础上发展出来的。1、沉淀池进出水要求：（1）出水浊度宜在10度以下混浊度：1mgSiO2/L所构成的混浊度为1度（悬浮物及胶体所造成水的不透明程度或光的散射现象）（2）进水应无砂：含砂量大时，应先预沉（除砂）。2、构造简介：上下分为：沉淀区（上）污泥区（下）进水区（配水区）：在整个沉淀区截面均匀配水。前后分为：沉淀区：水中颗粒下沉去除出水区：沉淀后的收集，排出沉淀池。3、特点：水流受池身构造和外界影响使颗粒沉淀复杂。（进口水流惯性，出口束流，风吹池面，水质浓度变化及温差等形成的异重流）。一、非凝聚性颗粒的沉淀过程分析：1、理想沉淀池的假定：（1）颗粒互不干扰，沉速不变（无絮凝现象）（2）水流沿水平方向流动，在沉淀区流速相等，流速大小、方向不变。（3）颗粒沉到池底即为去除，不再返回水流中。2、分析：（1）水平流速：v（m/s）BhQv0Q—流量,（m3/s）H0—水流沉淀区高度,（m）B—沉淀区宽度,（m）（2）截流沉速：u0在池的最不利点，A点（沉淀区开始回最高点）以u0下沉速度下沉，可在沉淀区末端最低点B，进入污泥区，这个沉速称为截留沉速u0沉区长为L，高为h0。则有：vLt并00uhtBhQv0∴LBQu0或AQu0A—沉淀池水表面面积。（㎡）—表面负荷或溢流率（单位水表面积所负担水量）截留沉速=表面负荷（意义不同）（3）ui≥u0的颗粒：在A—B面上分布（均匀分布）：全部可沉淀去除（在图中，以I轨迹下沉）。（4）ui＜u0的颗粒：不能全部下沉去除（在图中，以II轨迹下沉）其在A-B面上分布点，设为m点，其高度为hi，设颗粒在A-B面上均匀分布，颗粒浓度为Ci，其总量为可去除量为其去除率E：00hhBvChBvChEiiii总量去除量hih0由△ABB′及Abb′是相似△，即vLuh00∴vLuhO0同理vLuhii代入E式中：00uuvLuvLuEiiAQu0∴AQuEiQ/A—沉淀池的表面负荷。3、（Hazen）哈真理论：悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只与沉淀池的表面负荷有关，与其它因素(池深、池长、水平流速等)无关（其实在实际池中有关）4讨论：（1）由AQuEi可知，iu↗Q/A↗产水量越大。或：Q/A=C（产水量不变）越大↗E↗iu—颗粒沉速是由絮凝所确定的，所以都要重视反应池的絮凝。（2）iu=C增加A，可以提高去除率。设沉淀池容积V不变时，即浅池可提高去除率，“浅池理论”。斜板，斜管沉淀池就是基于此理论发展的。5、总的去除率：上面分析的是iu≥0u全部去除了iu0u的有一部分去除了。由沉淀实验：假想将不同沉速的颗粒分离开总去除率P：去除百分率数的和颗粒的沉速百分数的总和的颗粒沉速001120201010021vnnnnvpEpEpEpEpppP式右边加上，再减去相同组数。+[p0+1+p0+2+…pn-1+pn]-[p0+1+p0+2+…pn-1+pn]∴原式为:nnnnPnnnpEpEpEpEppppppppP11202010101201010210nnnnpEpEpEpEPP1120201010010110uuEO0uuEii0uuEnn代入上式，括号中变成为：nnnnOOpuupuupuupuu010120021001当取△p→0时，则成了ipidpuu000∴ipidpuuPP00001式中：P。—所有沉速小于理想沉淀池截留沉速的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。0u—理想沉淀池的截留沉速。iu—小于截留沉速的颗粒沉速。Pi—所有（累加）沉速小于的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分数。dpi—具有沉速为的颗粒重量点原水中全部颗粒重量的百分率。单筒沉淀的试验：在时间t1、t2、…t0…tn取样测得浓度为：C1、C2、…C0…Cn同时可得沉速：11thu22thunnthu取样时表明，ti取样，即ui颗粒即达到了取样口下沉，池中已不存在ui颗粒了。如果以P1,P2…Pn代表c1/c,c2/c,…cn/c。即为取样口处，水样中所残存的悬浮颗粒的浓度分数。即：小于该颗粒沉速的颗粒浓度分数。1－P1，1－P2……表示取样口水样中已经去除的悬浮物颗粒的分数。点绘P-u曲线，得图示曲线。二、凝聚性颗粒的沉淀过程分析水处理中多数是凝聚性沉淀过程（给水、污水、工业水处理）（一）凝聚性沉淀：在沉淀过程中，颗粒的大小，形状和密度都有变化，沉速越来越快。这种沉淀，情况十分复杂，变数太多，只能用试验来预测沉淀效果。（二）絮凝沉淀试验1、试验装置主要是絮凝试验沉淀筒：直径（内）D≥100mmH=2～3m设取样口5～6个（均分试验区高度）2、试验过程：筒内水样悬浮物浓度要均匀（搅拌用泵循环）测试初始浓度C0每隔一定时间，同时取出各取样口水样并测定其浓度，计算出相应的去除百分数。0001CCCCCee3、数据整理及结果以时间为横坐标，以水深为纵坐标将去除百分数点标在坐标系中，再用内差法求出“去除百分数等值线”“去除百分数等值线”是弯曲的。表明：其对应的“去除百分率”是取出水样中不去除的颗粒的最远沉降途径。而hi/t是去除百分数对应的颗粒其最小平均沉速。设想我们以恒速v，向右水平移动沉淀筒，当时间为t0，t1，t2…tn时，各取样口的浓度变化。4、“去除百分数等值线图”的应用:池深为h，沉淀时间为t0其表面负荷为:AQthu00t0时，在h内浓度分布是变化的，而沉淀池则把h内不同浓度的水全部收走了。其总的去除率P，就应该是去除的，再加上上面各段的去除率平均值4500343002230012///pputhpputhpputhpPp2—沉降高度为h，沉降时间为t0时的去除分数。是沉速大于等于u0的已全部沉掉的颗粒的去除分数。h1—t0时，p2与p3之间的中点高度。h2，h3—t0时意义同上。注意：实际沉淀池还要乘经验系数。因为还有非理想沉淀池的因素，异重流，流速不均，污泥泛起等因素三、影响平流沉淀池沉淀效果的因素有两方面：实际沉淀池与理论沉淀池的差异，沉淀池中还有絮凝过程。（一）水流非理想：短流的存在。1、原因：（1）进水的惯性不同，出水产生的水流抽吸。（2）不同水温的水产生的异重流。（3）风浪引起的水流。（4）池内导流壁和刮泥设备等造成的流速梯度。2、水流的紊动性和稳定性（1）紊动的制别：雷诺数RRevv—m/s流速R—水力半径mν—水的运动粘度m2/s平流沉淀池中水流Re=400～15000属紊流状态。有小涡流体。ARev平均沉淀池A大，χ小增加χ是有效的降低Re的一种方法（斜板斜管池）（2）稳定性：抵抗外界干扰（风、浓差、温差异重流等）的能力。即水流应有一定的动能。由Froude数来判别gARgFr22vvFr大抵抗外界干扰能力强，取平流池Fr大于10-5（3）降低Re，增加大Fr的途径：增大湿周χ可纵向分格，加斜板、斜管。（4）水平流速：Re和Fr中都有流速v的因素。混凝沉淀池可取10～25mm/S（二）混凝作用沉淀池中由于流速的不均匀，存在着速度梯度G，颗粒的碰撞使沉淀池中的悬浮物在沉淀的过程中，继续混凝。引起混凝的原因（1）流速不均，有速度梯度G（2）颗粒大小不同→沉速不同，大颗粒可追上小颗粒使实际沉淀偏离了理想沉淀池的假定条件。四、平流沉淀池的构造要求：（一）进水区：1、要求：水流均匀地分布在整个进水截面上，尽量减少扰动。2、措施：利用穿孔墙均匀配水。混凝池→进水区→穿孔墙孔口流速0.15～0.2m/s(防止矾花破碎)孔口总面积也不要太大。(要保证穿孔墙的强度)洞口形状宜沿水流方向渐进扩大。（减少进口射流）（二）沉淀区：1、要求：Re小Fr大（层流）（少受外界干扰）2、措施：减小水力半径R，增大湿周χ，来改善水力条件，可采用导流墙，将池纵向分格。控制:Fr=1×10-4～1×10-5之间；沉淀区高：一般3～3.5m（有效水深+超高0.3~0.5m）；长深比宜大于10；长宽比大于是4；每池宽宜在3～8m，不大于15m。（三）出水区：1、要求：沉淀后水要均匀流出，减少短流。2、措施：增加出水堰长度,U型堰;多指堰。出水口收水:三角堰：收水较均匀。出水堰：薄壁堰：收水不易控制均匀。不能截漂浮物（缺点）。堰口流率小于500m3/md穿孔槽：可截留漂浮物（优点）收水较均匀。孔口流速：0.6～0.7m/s孔径:20～30mm孔口在水面下12～15cm宜跌入槽中(原因：水量均匀)（四）存泥区及排泥：1、分类：斗形排泥（排泥斗）有存泥区穿孔管排泥机械排泥—无存泥区（现多为机械排泥）2、形式：（1）多斗排泥：2）穿孔管排泥：3、机械排泥、（1）多口虹吸式吸泥车：刮泥板适用3米以上虹吸水头。吸口吸泥管真空泵（2）泵吸泥：适用半地下式（虹吸水位小时）（3）单口扫描式（用的较少）吸泥口扫描池底。五、平流沉淀池的设计计算：两个指标：表面负荷AQu0水力停留时间：VQT1、按表面负荷：已知Q，v水平流速(10～25mm/S)T(1～3hr)（1）由u0，Q定A:AQu00uQA（2）定池长：L（m）L=3.6·v·Tv—水平流速，mm/sT—水力停留时间。h（3）定池高：B（m）LAB（4）定池：深H（m）BLQTH2、按水力停留时间T：已知：Q、T选定池深H（3.0～3.5mm）、v（1）有效容积V：V=QT（m3）（2）池长：L=3.6νT（m）（3）池宽：B（m）HLVB3、水流稳定性复核：RgVFr2Fr=1×10-4～1×10-54、空排泥管直径d（m）由要求泄空时间定，书上公式有问题要求泄空时≤6小时。多管共同工作，据水力学中变水头放空容器计算定。（积分公式的确定）变水头出流。5、排水渠的计算：（书上有问题）薄壁溢流堰三角堰主要是确定起点的水深。淹没孔口终点水深：vbqh2b—槽宽；v—终点沉速；q—集水槽总流量。起点水深：ililhhhhk32322223122gbqhkα=1（系数）b—槽宽孔口或堰顶高于起点水深0.1m跌水的目的：不要影响堰或孔口的收水水量。【本讲课程的小结】h1h2iL起点终点【本讲课程的作业】PX