水质工程学第4章沉淀与澄清

悬浮颗粒在静水中的沉淀平流式沉淀池斜板与斜管沉淀池澄清池第四章沉淀与澄清平流式沉淀池4.1悬浮颗粒在静水中的沉淀自由沉淀单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的过程颗粒互不干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程中颗粒的大小、形状、密度保持不变，经过一段时间后，沉速也不变。拥挤沉淀当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒的浓度增加到一定值后，大量颗粒在有限水体中下沉时，被排斥的水便有一定的上升速度，使颗粒所受的摩擦阻力增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为拥挤沉淀。另外还可根据是否加药，将沉淀分成自然沉淀和凝聚性沉淀。gdFp)(61131422212duCFD22ma33111()6624FppDduudddgCdt一、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀1.自由沉淀过程分析假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力为：所受到水的阻力：CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。根据牛顿第二定律可知：2.自由沉淀的沉速CD与Re有关，Re与u有关达到重力平衡时，加速度为零，令式左边为零，加以整理，得沉速公式：10-3-210-1101102103104105106101010101010.40.1C=24/ReC=10/Re雷诺数Re图CS1,100S1,100D与Re的关系（球型颗粒）阻力系数CDdCgupD1134udReCD与Re的关系（球型颗粒）当Re1时呈层流状态：斯笃克斯公式当1000Re25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入：牛顿公式当1Re1000时，属于过渡区，CD近似为：阿兰公式eDRC24斯笃克斯公式21181gdupdgus1183.1Re10DCdgus311221)(2554得阿兰公式：二、悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀二、悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀1.沉降过程分析四个区：清水区、等浓度区、变浓度区、压实区。CtC0HHtH∞∞H浓度CtCtABCDabcdt1t∞t时间t(b)(c)(d)(e)H0Ht交界面a'C0浑液面：清水区与等浓度区之间的清晰界面。临界沉降点：当沉降达到变浓度区刚消失的位置时，c点沉降过程曲线：沉淀时间为横坐标，浑液面高度为纵坐标ab段：上凸，絮凝结果，沉速变大bc段：直线，等速，ab较短可作为不错的延伸cd段：下凹，沉速减慢，BCD三区重合压实过程平均沉速：浑液面的下沉速度代表颗粒的平均沉降速度。2.肯奇沉淀理论曲线a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度均大于C0。设在c-d曲线任一点Ct作切线与纵坐标相交于a′点，得高度Ht。按照肯奇沉淀理论得：作Ct点切线，这条切线的斜率表示浓度为Ct的交界面下沉速度：00ttCHCHvttHHt200Hi=400600Hi’=800H0=1000ti=20t0H0HdH界面高度（cm）沉降时间t（min）肯奇沉降曲线'00iiiiiiCHC(Hvt)=CH'iiiiHv=tH3.相似理论当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面沉降过程曲线的相似性，即：沉淀管水深H1沉淀管水深H20A、区交界面高度P1PQ1Q2沉淀时间t图不同沉淀高度的沉降过程相似关系2121OQOQOPOP4.2平流式沉淀池一、非凝聚性颗粒的沉淀过程分析沉淀区污泥区进水区出水区颗粒处于自由沉淀，沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，流速始终不变。颗粒沉到底即去除，不再返回水流中。理想沉淀池的基本假设平流式沉淀池的基本组成沉淀区出水区进水区污泥区Ⅲ平流理想沉淀池示意图QQ平流理想沉淀池沉淀效率分析Ⅲvvut＞u0ⅠⅡvut＜u0hEu0理想沉淀池的水力条件分析截留沉速考察顶点一颗粒，正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，而小于u0的被带出池外，大于u0已经沉到池底。u0：截留沉速，沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速。u≥u0的颗粒可以全部去除，uu0的颗粒只能部分去除，LBQu0vLt00uht沉淀时间对直线Ⅲ代表的一类颗粒而言，流速v、u0与沉淀时间有关注：截留沉速和表面负荷的关系：概念、意义、单位、数值表面负荷单位沉淀池表面积的处理水量，也叫溢流率00viihBChEhBvCh沉速uiu0某一个颗粒的去除率•设原水中沉速为ui(uiu0)的颗粒的浓度为C，•沿着进水区高度为h0的截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC，•沿着m点以下的高度为hi的截面进入的颗粒的数量为hiBvC，则沉速为ui的颗粒的去除率为：沉淀区出水区进水区污泥区ⅠⅢⅡ图4-4理想沉淀池工作状态00t=vhLu即00vLuh同理得：viiLuh所以得：AQuuuhhEi0i0i0uuEiAQuuuEii0特定颗粒去除率：浅池理论颗粒沉速一定时增加沉淀池的表面积可以提高去除率。当沉淀池容积一定时，池深越浅去除率越高。斜板斜管沉淀池是应用。哈真1904理想沉淀池的去除率只与表面负荷有关，而与水深、池长、水平流速、沉淀时间等无关。去除率一定时，沉速越大，则表面负荷越大，产水量越大，或产水量不变，速度越大去除率越高。ii1122PEpEpEp有限个分散颗粒的总去除率ui≥u0的颗粒全部去除；E=100%ui＜u0的颗粒只能部分去除，E=ui/u0所有颗粒的去除率：具有某一沉速ui的颗粒重量占原水全部颗粒重量的百分比为pi,%100pi例:某理想沉淀池截流沉速u0=4cm/s,有一混合均匀的水流含有沉速u1=2cm/s,和沉速u2=4.5cm/s的颗粒,进入该池后按理想条件进行沉淀,两种颗粒重量各占总重量的一半,颗粒的总去除率为()ipidpuupp0000)1(式中：p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量的百分率；dpi—具有沉速为ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。ipidpuup000所有颗粒的总去除率ui≥u0的颗粒全部去除，这部分颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分比为1-p0，故颗粒的去除率为1-p0。ui＜u0的颗粒只能部分去除，所有能够在沉淀池中去除的，沉速小于u0的颗粒的去除率为：理想沉淀池的总去除率为总去除率的确定用一个圆筒进行，h处开一个取样口。点绘出p~u的关系曲线根据绘出的曲线查出对应u0的p0，按总去除率的计算公式计算。在t0、t1、t2、…tn时取样，测定水样颗粒物浓度分别为C0、C1、C2、…Ci…Cn,沉速分别为h/t1=u1、h/t2=u2、…h/ti=ui…h/tn=unp1、p2、…pi…pn分别为C1/C0、C2/C0、…Ci/C0…Cn/C0，代表在取样口处的水样中残留的颗粒物浓度分数，也即沉速小于ui的颗粒物浓度分数。图沉淀实验筒残余颗粒分数沉速图理想沉淀池的去除百分比计算沉淀试验筒理想沉淀池的去除百分比计算例题P298二、凝聚性颗粒的沉淀过程分析实验方法在t0、t1、t2、…tn时取样C0h1、C1h1、C2h1、…Cnh1（h1高度取样口不同时间浓度）C0h2、C1h2、C2h2、…Cnh2（h2高度取样口不同时间浓度）……C0hm、C1hm、C2hm、…Cnhm（hm高度取样口不同时间浓度）沉淀试验筒，筒长接近实际池深，2～3m，直径不小于100mm，设5～6个取样口。计算去除百分数。0i0CCCP时间水深图凝聚性颗粒沉淀实验及去除百分数等值线绘制“去除百分数等值线”。去除百分数等值线:对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的颗粒的最远沉降途径，深度与时间的比值指明去除百分数时的颗粒的最小平均沉速。102030402324354650000////()()()()hththhhhPpppppppppuuuu计算对于某一表面负荷而言，根据凝聚性颗粒去除百分数等值线，可以得出总的去除百分数。沉降时间深度图凝聚性颗粒的去除百分数计算式中：p2—表示沉降高度h，沉降时间t0时的去除分数，并且是沉速等于或大于u0的已全部沉降掉的颗粒的去除分数。h1—表示时间t0时，曲线p2与p3之间的中点高度；h2—表示时间t0时，曲线p3与p4之间的中点高度；h3—表示时间t0时，曲线p4与p5之间的中点高度。...102030402324354650000////()()()()hthththtPpppppppppuuuu上述方法是在静止条件下进行的。应用于生产中实际沉淀池，根据经验，表面负荷和停留时间应乘以经验系数。当沉降为t0时，相应沉速即表面负荷uo=h/t0。为方便，时间一般选在曲线与横坐标相交处。凡沉速等于或大于uo的颗粒能全部沉掉，而沉速小于uo的颗粒则按照u/uo比值仅仅部分地沉掉。沉降时间为t0时，相邻两根曲线所表示的数值之间的差别，反映出同一时间、不同深度的去除百分数的差别。按凝聚性颗粒百分数等值曲线，可以得出总的去除百分数，见例题P298。三、影响平流沉淀池沉淀效果的因素水力条件的影响出水堰产生的水流抽吸在沉淀池的末端，以水流的出水溢流堰顶为轴心向上形成出流水舌，细粒杂质在出流水舌夹带下能随水流流出池外，从而使沉淀效果降低。进水的影响水流经进水穿孔板孔眼的流速0.1～0.2m/s，较池中10～25mm/s高出很多，所以进池水流在池内持续很长距离才逐渐消失，这种射流加剧水的紊动，从而影响沉淀效果。影响距离可达数米至数十米。1.短流异重流的影响浑水异重流进入沉淀池浑水的比重比流出沉淀池清水的比重大。比重大的浑水进沉淀池后，在重力作用下会潜入池的底部流动。水的比重与温度有关，当进水温度较池内水温高时，进水有可能趋向池表流动。温度异重流池体结构影响风浪及池内的导流壁和刮泥设施等也能引起短流现象。在明渠流中，Re＞500时，水流是紊流状态平流沉淀池Re为4000～15000，紊流状态。水流除水平流速外，上、下、左、右的脉动，且伴有小的涡流体在沉淀池中，通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。如何来降低？veRR•—水的流速；•R—水力半径；•υ—水的运动粘滞系数。水的紊动性以雷诺数Re判别，表示惯性力和粘滞力的比水流的紊动性和稳定性Fr高，惯性力作用相对增加，重力相对减少。水流对异重流及风浪影响抵抗力强，水流流态保持稳定。平流沉淀池中Fr＞10-5。水的稳定性以弗劳德数判别，表示惯性力与重力之比RgFr2•R—水力半径；•—水平流速；•g—重力加速度。在沉淀池中，增大，一方面提高Re，不利于沉淀，但另一方面也提高了Fr，而加强了水的稳定性，从而有利于沉淀效果的提高。所以，可在很宽的范围内选取，而不至于对沉淀效果有明显的影响。我国各地一般=10～25mm/s，最高可达30～50mm/s。减小水力半径R，平流沉淀池的纵向分隔及斜板、斜管沉淀池在沉淀池中，降低Re和提高Fr的有效措施：絮凝作用的影响对于混凝沉淀池，絮凝在沉淀池内仍继续。水流流速的分布不均匀，速度梯度引起颗粒相互碰撞促进絮凝。絮凝颗粒的大小不均匀，具有不同的沉速，引起碰撞和絮凝。水在池内时间愈长，由速度梯度引起的絮凝愈完善，沉淀时间对沉淀效果有影响。池内的水深愈大，颗粒沉速不同引起的絮凝愈完善，沉淀池的水深对混凝效果也有影响。实际生产性沉淀池的沉淀时间、水深均影响沉淀效果。四、平流式沉淀池的构造平流式沉淀池分4部分：进水区、沉淀区、存泥区、出水区进水区作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。水流从絮凝池直接流入沉淀池，穿孔墙均匀布水。为使矾花不宜破碎，穿孔花墙v0.15-0.2m/s，洞口总面积不宜过大。孔口断面形状逐渐扩大。12图穿孔墙图出水口布置1-出水堰2-非淹没式孔口方孔穿孔花墙圆孔穿孔花墙平流式沉淀池中应减少紊动性，提高稳定性。紊动性指标为雷诺数，veRR2vrFRg沉淀区沉淀区的高度一般约3.0～3.5m。稳定性指标为弗劳德数，能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低水