第三章沉淀与澄清张静

第三章沉淀与澄清本章主要介绍沉淀和澄清的基本原理；沉淀（平流、斜板与斜管沉淀池）和澄清构筑物；重点是沉淀效率的计算，构筑物设计。第一节悬浮颗粒在静水中沉降自由沉淀：颗粒沉淀过程中，彼此没有干扰，只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用。拥挤沉淀：颗粒沉淀过程中，彼此互相干扰或受到容器壁的干扰。沉降分类：自由沉降假设：1、自由沉淀速度在静水中的重力F1:3111()6pFdgCD阻力系数，与雷诺数Re有关；球形颗粒在垂直方向投影面积。24d颗粒及水的密度；g重力加速度；p1222124DudFC水的阻力F2:1、自由沉淀速度F1-F2=mdu/dt0dtdudCgupD1134CD—Re关系ReudCD=24/Re2、自由沉淀公式（I）Re1层流状态21181gdupStokes公式2、自由沉淀公式(II)111.83sudg牛顿公式1000Re25000紊流状态2、自由沉淀公式(III)Allen公式122311()4225sgud1Re1000过渡区随堂练习已知颗粒密度ρ=2.65g/cm3，粒径d=0.45mm（按照球形颗粒考虑），求该颗粒在20oC水中沉降速度为多少？（Re=2000）3、颗粒拥挤沉降（１）产生拥挤沉降的条件：给水处理：高浊度水5g/L；活性污泥：污泥含量1g/L；矾花絮体：矾花浓度2~3g/L；（2）分层沉淀现象及分区变浓度区清水区等浓度区压实区等速下沉发生条件：最大颗粒：最小颗粒6:1第二节平流沉淀池组成：进水区；沉淀区；出水区；污泥区1、理想沉淀池的工作过程Avbb’u0IIIBIIIA’B’2、沉降过程分析直线Ⅰuu0，完全去除；直线IIIu=u0，刚刚去除；直线Ⅱuu0，部分去除；基本假设：颗粒处于自由沉淀状态，u=h/t；水平流速不变，v=L/T；沉降后的污泥不再返回水体；3、截流速度u0定义：沉淀池所能去除的最小颗粒的沉速。00uhtvL直线ⅢAQBLQu0表面负荷Q/A：单位沉淀池面积的产水量。L沉淀区的长度，m；H0沉淀区的水深，m；u0颗粒的截留沉降速度，m/s；V水平流速，m/s；讨论：表面负荷（溢流率）；截流速度；它们的含义和它们之间的关系是什么？4、特定颗粒沉淀效率分析特定颗粒uiu0；00LuhviiLuhv00iihBvChEhBvCh0iuEu/iuEQA5、公式讨论/iuEQAQ和A一定，ui越大，则E越大；E一定，ui越大，Q/A越大，产水量越大；ui、Q一定时，A越大，则E越大。当沉淀池容积一定时，池身浅则A大，E越大，这就是“浅池理论”;斜板沉淀池和斜管沉淀池就是基于“浅池理论”。6、总沉淀效率公式0000)1(piidpuupp沉速为ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率沉速小于u0的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率7、沉淀池去除率计算（１）试验方法：沉降柱试验；在水面h以下开口取样，测水中悬浮物浓度c0，c1，c2，…ci…，可以得到：P1=c1/c0,P2=c2/c0,…Pn=cn/c0u1=h1/t1,u2=h2/t2,…un=hn/tn;该浓度代表什么？图7-5沉淀实验筒残余颗粒分数沉速图7-6理想沉淀池的去除百分比计算（2）试验结果的P-u曲线（3）计算u0P0100-P0ui随堂练习随堂练习第三节影响沉淀池效果的因素（１）短流池结构(进出口流态)进水惯性、水流抽吸（出水堰）；外界影响（风、水质、浓度、温度差）异重流、风浪引起的短流；池内其他设备的存在导流壁、刮泥设施。第三节影响沉淀池效果的因素（２）Re和Fr的影响Re—惯性力与粘滞力的比值Re越小越有利于沉降Fr—惯性力与重力的比值Fr越大越有利于流态保持稳定evRR2rvFRg讨论各个参数第三节影响沉淀池效果的因素（３）凝聚作用的影响流速梯度的存在促进絮凝；颗粒的不均匀性影响颗粒的沉速；沉淀时间越长，速度梯度引起的絮凝越完善；水深越大，由于沉速不同引起的絮凝越完善。本节重点回顾理想沉淀池的三个条件沉淀效率的计算第四节平流式沉淀池设计进水区：水流均匀分布；0.15~0.2m/s；沉淀区：降低Re；提高Fr；出水区：出水均匀；出水堰；存泥区及排泥措施：斗型底重力排泥；穿孔管排泥；机械排泥。1、平流式沉淀池分区及基本要求结构要求图7-9穿孔墙12图7-10出水口布置1-出水堰2-非淹没式孔口图7-9穿孔墙12图7-10出水口布置1-出水堰2-非淹没式孔口出水堰淹没式孔口穿孔墙沉淀池进口布置：--孔口流速不宜大于0.15-0.2m/s沉淀池出口布置：--（堰口溢流率小于５００m3/m.d）沉淀池排泥２、控制指标表面负荷Q/A：停留时间t３、参数选择t=1～3h；v=10～25mm/s；H=3～3.5m；B15m；宜每格3~8m；L/B≥4.0；L/H宜≥10；参数选择依据：•原水水质；•出水水质；•水温；•运行经验；４、计算方法表面负荷Q/A法：A=Q/u0u0=0.6mm/sL=3.6vtv=14mm/sB=A/LH=Qt/BLH＝3—4m复核Fr（10－4～10－5）Re4000～15000沉淀时间t和水平流速法（实际应用中多用）V=Qt，B=V/LH５、其他结构设计0.50.7BLHdT321.73QHgB放空排泥管径d：出水渠起端水深H：出水渠起端水深H：6、平流式沉淀池特点优点：构造简单，池深较浅，造价较低；沉淀效果稳定，操作管理方便；对原水变化的适应性强，耗药量较低；缺点：平面面积较大，池深较浅，常限制了后续滤池形式的选用；一般适宜用做大、中型水厂的沉淀；单池处理水量在2万m3/d以上。第五节斜板沉淀池设计1、分类：同向流逆向流横向流材料要求轻质、坚固、无毒、价廉斜板沉淀池示意图：（斜板沿短边布置）图7-12斜管沉淀池示意清水区斜管区配水区积泥区500穿孔排泥管穿孔集水管絮疑池Ⅱ-Ⅱ剖面2、斜板沉淀池分析及计算Q上=u0（Af+A）Af=nａfA=naQ上=u0Afaf=Ld/sinQ下=u0（Af－A）上向流斜板沉淀池分析（I）cossindldcosd0u0uvfaa上向流斜板沉淀池分析（II）sincossincoscossin0ddlddluvcossin10duvlAfAunafnauQ00上afaudwlwudldwuvdwq0sincos0sin1cos0下向流斜板沉淀池分析（I）sindcosdlcossind0uv下向流斜板沉淀池分析（II）sincossincoscossin0ddlddluvcossin10duvlaauvdwqf0AAuQf0＝下3、斜管沉淀池设计q=Q/Aq=2.5-3.0mm/s;sin,AQv核算：Re200；Fr=10－3～10－4；q：表面负荷；A：沉淀池清水区表面积；A,：斜管的净出口面积；V：斜管内的流速；4、斜管沉淀池特点Re200；Fr=10－3～10－4；沉淀效率高，平面面积小，造价较低；对水质变化有一定适应性；适用水量规模的幅度较大；特别适用于原平流沉淀池的挖潜改造。斜板沉淀池常用参数斜板(管)倾角斜板(管)长度水流方向泥流方向流速mm/s同向流上部：30~400下部：6002~2.5m向下向下8~10异向流6001~1.2m向上向下3横向流600水平向下幅流式沉淀池（I）幅流沉淀池（II）第六节澄清池国际三十年代开始应用澄清池；我国六十年代初开始采用澄清池；1、澄清池特点集絮凝反应和沉淀于一池；利用接触絮凝去除杂质；泥渣层必须有一定的容积与浓度。接触絮凝基本数学公式6322dnGtentn00单位容积水中絮体的总体积：•ＧＴ一定时，水中颗粒浓度以絮体体积浓度的指数方关系减少；•保持一定的絮体体积可以加强絮凝过程；•絮凝发生在初始颗粒与宏观絮体之间，称接触絮凝；2、澄清池分类泥渣悬浮型（过滤型）澄清池：悬浮澄清池脉冲澄清池泥渣循环型澄清池：水力循环澄清池机械搅拌澄清池(1)悬浮澄清池过程：原水在通过泥渣层的过程中，和池内活性泥渣进行接触、絮凝，使细小絮粒粘结在原有的大絮粒上；当水流通过时，水中的悬浮杂质即被悬浮泥渣层所截留，使混水得以澄清。特点：对水量、水温变化比较敏感，一般适用于流量变化较小（不大于１０％）的情况；一般在中、小型水厂中采用。悬浮澄清池图7－22悬浮澄清池流程1－穿孔配水管；2－泥渣悬浮层；3－穿孔集水槽；4－强制出水管；5－排泥窗口；6－气水分离器澄清室泥渣浓缩室澄清室进水612345清水区泥渣区图7－22悬浮澄清池流程1－穿孔配水管；2－泥渣悬浮层；3－穿孔集水槽；4－强制出水管；5－排泥窗口；6－气水分离器澄清室泥渣浓缩室澄清室进水612345清水区泥渣区图7－22悬浮澄清池流程1－穿孔配水管；2－泥渣悬浮层；3－穿孔集水槽；4－强制出水管；5－排泥窗口；6－气水分离器澄清室泥渣浓缩室澄清室进水612345清水区泥渣区(2)脉冲澄清池过程：利用脉冲发生器将进入池子的原水脉动地放入池底配水系统；在配水管的孔口以高速喷出，并激烈地撞在人字稳流板上；原水与混凝剂在配水管与稳流板之间的狭窄空间中，以极短时间进行充分的混合和初步反应而形成絮粒；然后通过稳流板缝隙整流后，以缓慢速度垂直上升形成了悬浮泥渣层。特点：对水量、水温突变反应敏感；原水中不宜含有大量较粗颗粒的泥砂；一般适用于进水浊度在3000度以下，短时间内允许到达5000—10000度的水厂。脉冲澄清池最高水位最低水位悬浮层32146587图7-23采用真空泵脉冲发生器的澄清池的剖面图1-进水室；2-真空泵；3-进气阀；4-进水管5-水位电极；6-集水槽；7-稳流板；8-配水管脉冲澄清池工作原理脉冲发生器(3)机械搅拌澄清池过程：利用机械搅拌作用使泥渣循环；特点：对水量、水质变化的适应性较强；最适宜原水浊度在1000度以下，短时间允许到达5000-10000度；高浊度时需设置局部连续刮泥设施；低浊度时，要求加强混凝剂和助凝剂的选用。机械搅拌澄清池438109111252671放空、排泥进水出水排泥图7-24机械搅拌澄清池剖面泥示意图1-进水管；2-三角配水槽；3-透气管；4-投药管；5-搅拌桨；6-提升叶轮；7-集水槽8-出水管；9-泥渣浓缩室；10-排泥阀；11-放空管；12-排泥罩；13-搅拌轴；Ⅰ-第一絮凝室；Ⅱ-第二絮凝室；Ⅲ-导流室；Ⅳ-分离室ⅠⅡⅢⅣ5Q5Q13Q清水区4Q(4)水力循环澄清池过程：利用水流搅拌作用使泥渣循环；水力提升器的喷嘴喷射高速射流，在喷嘴外围形成负压；回流的活性泥渣增加了悬浮颗粒间的碰撞，促进了接触絮凝作用；特点：对水质、水温适应能力较差特点；适用于进水浊度2000度以下，短时间允许达到5000度；中、小型水厂；回流量=2~4Q水力循环澄清池图7-25水力循环澄清池示意图1-进水管；2-喷嘴；3-喉管；4-喇叭口；5-第一絮凝室；6-第二絮凝室；7泥渣浓缩室；8-分离室排空进水排泥出水集水渠作业思考题1、4、9、11习题1、2、3