16章-沉淀和澄清

第十六章沉淀和澄清第一节沉淀分类第二节平流沉淀池第三节斜板、斜管沉淀池第四节沉淀池类型第五节澄清池本章知识要点•教学目的：学会设计沉淀池和澄清池•基本要求：掌握沉淀机理；掌握平流式沉淀池构造与设计计算；了解澄清池的特点和分类•重点与难点：1、悬浮颗粒在静水中的沉淀2、平流沉淀池的构造与计算•16.1悬浮颗粒在静水中的沉淀沉淀——指悬浮颗粒依靠重力作用从水中分离出来的过程。颗粒比重1，下沉；比重1，上浮分类：自由沉淀拥挤沉淀絮凝沉淀1.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。2.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。3.絮凝沉淀在沉淀的过程，颗粒由于相互接触絮聚而改变大小、形状、密度，并且随着沉淀深度和时间的增长，沉速也越来越快，絮凝沉淀由凝聚性颗粒产生。自由沉淀：水中悬浮物浓度较低，且没有凝聚性，颗粒之间互不干扰，在沉淀过程中，颗粒只受自身重力和水的阻力作用。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。1、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀自由沉淀可用牛顿第二定律表述。为分析简便起见，假定：颗粒为球体，水是静止的；沉降速度u=f(d,ρs,ρ,c,T)的函数；水是非压密性的，颗粒作用在同一重力场，容器壁对颗粒影响不予考虑。颗粒在静水中的受力分析如图3-1，在水中作沉降运动时将受重力、浮力、摩擦阻力三种力的作用。图3－1自由沉淀受力分析图（一）颗粒的重力为：F1=1/6d3sg颗粒下沉的速度可得自牛顿第二定律：DFFFdtdvm21svs——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；g—重力加速度。（二）颗粒的浮力为：F2=1/6d31g1——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1/2u2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；u——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u增加，阻力也相应增加，很快颗粒即等速下沉。du/dt=02u46)(u21331dcdgdtdmds422212duCFD•可得均匀下沉速度,简称沉速u•上式为沉速基本公式，式中虽不出现Re，但是，式中阻力系数CD却与Re有关，•Re=ud/•—水的运动粘度。•阻力系数CD与雷诺数Re的关系通过实验得出，见图：dCgupD1134•1.层流区Re≤1;此时曲线倾角为45°层流区过渡区紊流区eDRc24代入前式，得：221)1(18)(18dsgdguss这个公式为斯笃克斯公式,式中（因为ss=s/1比重），即颗粒越大、水温越高，沉速u愈快.—运动粘滞系数；ss—颗粒的比重。这个公式适用d≤0.1mm泥沙颗粒，Re在10-4~1之间。2.过渡区1≤Re≤1000此时取代入公式，得阿兰公式：这个公式适用于d≤2mm的砂粒。eDRc10dgus311221)()2254(3.紊流区1000≤Re≤105此时cD=0.4，代入公式，得到牛顿公式：这个公式适用d＞2mm的砂粒。给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上，常常以沉速代表某一特点颗粒而无需求出颗粒的直径。沙粒粒径：d＞0.1mmu＞7.5mm/s去除容易d=0.01mmu=0.075mm/s不易下沉去除d=0.001mm胶体，不能自行下沉必须混凝去除dgus)(83.111图3－2拥挤沉淀现象2、悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀（1）拥挤沉淀的沉淀特点当水中悬浮颗粒的浓度高，颗粒在沉淀过程中互相干扰很大时，就产生了特殊的沉淀现象，即拥挤沉淀，如图3－2所示。分区条件：颗粒最大粒径/最小粒径6发生范围：混凝后的絮凝体：2-3g/L活性污泥：1g/L高浓度浊水：5g/L（1）．沉降过程分析整个沉淀筒中可分为清水（A）、等浓度区（B）、变浓度区（C）、压实区（D）等四个区。CtC0HHtH∞∞H浓度CtCtABCDabcdt1t∞t时间t(b)(c)(d)(e)H0Ht交界面a'C0拥挤沉淀试验的目的是求出浑液面沉淀过程线，即沉降过程中清水区与悬浮物区的界面线，如图3－4所示。图3－4浑液面沉降过程曲线（2）.肯奇沉淀理论由图7-2可知曲线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：（7-10）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：（7-11）tHHCCt00tHHtt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（见图7-3），即(7-12)2121OQOQOPOP图7-3不同沉淀高度的沉降过程相似关系沉淀管水深H1沉淀管水深H20A、区交界面高度P1PQ1Q2沉淀时间t16.2平流沉淀池平流沉淀池应用广泛，常用于城市水厂；城市水厂出厂水浊度一般＜3NTU，（一些＜1NTU）沉淀池出水浊度＜10NTU工作原理：1、矩形水池，以砖、石、砼建造2、分进水、沉淀、污泥、出水4个区经混凝反应的原水流入沉淀池后，沿进水区整个截面均匀分配沉淀区沉淀缓慢流入出水口污泥堆积浓缩排出(1)理想沉淀池假设条件：①ui不变：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、密度和沉速不变。②水平流速v不变：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不变。③颗粒沉到池底即认为已被去除，不再返回水中。1、理想沉淀池：为了分析悬浮颗粒在实际沉淀池内的运动规律和沉淀效果，提出了“理想沉淀池”概念。(2)基本组成进水区沉淀区出水区污泥区进口区沉淀区出口区集泥排泥区二三一理想沉淀池的工作过程分析uu0的颗粒uu0的颗粒入流区沉降区污泥区uu0的颗粒u=u0的颗粒u=u0的颗粒vu理想沉淀池的工作情况分析考察顶点A处，从点A进入的颗粒，水平流速v，颗粒沉速u。从图可看出，有的颗粒能全部沉到池底被去除，有的颗粒只能部分沉到池底被去除。提出了截留沉速u0，这些颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为u0，刚巧能全部沉至池底。截留沉速u0指能够全部被去除的颗粒中的最小颗粒的沉降速度。由图中u=u0该线可知：t=L/v，t=H/u0而水平流速v＝Q/HB，代入上式得到：式中，A为沉淀区水面的表面积。Q/A为单位面积产水量，称表面负荷率或溢流率，用q表示。上式表明，截留沉速u0和表面负荷q在数值上相等，但两者含义不同。HLHLu0vu0vQAQLBu0E2、沉淀效率（1）沉速为ui＜u0的某一特定颗粒的去除率E设原水中沉速ui＜u0的颗粒的浓度为C，沿着高度h内进入沉淀池的沉速为ui的颗粒能全部沉到池底被去除。故有：式中，Qc为沿着高度h内进入沉淀池的水的流量；QcC即为被去除的该种颗粒的量。将u0的表达式代入上式，得到：QChBvChh/tuQCHBvCHH/tu0ciuiQ/AE哈真公式去除率公式分析：①当ui一定时，理想沉淀池效率与表面负荷有关②E、ui、Q/A、H等因素之间的关系故生产上比较重视混凝工艺即沉淀池池深浅些表面积增大可提高去除率E，该理论称为“浅池理论”。斜板、斜管沉淀池正是基于浅池理论基础上发展起来Q/A不变，若ui，则E，出水水质ui不变，Q不变，AE0uHAHAV不变提高去除率途径提高沉速ui增大A,降低u0—斜板（管）沉淀池（浅池理论）途径：加强混凝澄清池•设Pi为所有小于ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率(累计百分数)，显然dpi为具有沉速ui的一种颗粒(非累计值)重量占原水中全部颗粒重量的百分率。按：0/uuEi•所有能够在沉淀池中下沉的，且沉速小于u0的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率及其去除率应为：ipidpuup000•沉淀池总沉淀效率p为：ipidpuupP0000)1(（2）沉淀池的总去除率•颗粒沉淀实验1.在ti时，从底部取样，测Ci2.计算颗粒沉速：ui=h/ti3.沉速ui颗粒占全部的百分率：pi=Ci/C0t=tiCiht=0C0四）、计算沉淀池效率的试验方法：4.绘制p-u曲线（颗粒粒度分布曲线）沉速u残余颗粒百分数ppiui四）、计算沉淀池效率的试验方法：•横坐标表示颗粒的沉速ui用以反应颗粒的大小；•纵坐标P表示水样中残存的悬浮颗粒浓度分数。020406080100002004006008010012014P沉速（cm/s）dpiuiu0p0积累曲线四）、计算沉淀池效率的试验方法：目的：建立各个不同沉速与特定颗粒的残余百分比P的对应关系四）、计算沉淀池效率的试验方法：0000)1(piidpuupP沉速u0颗粒的去除率沉速u0颗粒的去除率P(%)t（分）P(%)u与水深有关与水深无关思考：去除百分数P与时间、沉速的关系！有一座平流沉淀池，水深3.5m，池长70m，设计水平流速12mm/S，当进水悬浮物含量为20mg/L时，水质分析资料如下表，按理想沉淀池计算，沉淀池出水悬浮物浓度为下列哪项？A7.6mg/LB9.0mg/LC5.0mg/LD3.8mg/L颗粒沉速Ui（mm/S）0.050.10.350.550.60.750.821.01.21.3≥Ui沉速的颗粒占所有颗粒重量比10094806255463321103有一座平流沉淀池，水深3.2m，长80m,宽12m，进水中颗粒沉速和所占的比例见下表，经测定，沉速为0.3mm/S的颗粒去除的重量占所有颗粒重量的5.5%，则该平流沉淀池设计处理水量为下列哪一项？A10.7万m3/dB5.0万m3/dC2.5万m3/dD1.5万m3/d颗粒沉速Ui（mm/S）0.10.20.30.50.81.21.52.0Ui颗粒占所有颗粒重量比1014111213151411有一水库水源水含有沉速为0.2、0.3、0.4、0.5mm/S的颗粒占所有颗粒的重量比为95%，经试验测得沉速≥0.4mm/S的颗粒沉淀1.5h去除的重量占所有颗粒的重量比为65%，按此试验设计沉淀池面积为1450m2的平流沉淀池，当处理水量为5万m3/d，沉淀时间1.5h，进水悬浮固体含量为8mg/L，出水悬浮固体含量为1mg/L，由此推算沉速为0.3mm/s的颗粒占所有颗粒的重量比是以下哪一项？？A20%B23.75%C25%D30%影响平流沉淀池沉淀效果的因素1、沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响理想：T=V/Q（理论停留时间）实际：部分水流通过沉淀区时，停留时间小于理论停留时间T=V/Q，而另一部分水流停留时间却大于T。以上水流状况（短流）导致平流沉淀池偏离理想沉淀池。在实际条件下会出现短流，1、池结构(进出口流态)2、外界影响(风、水质浓度、温度差)3、池内其他设备的存在（导流壁、刮泥设施）•短流的原因：1、进水的惯性作用2、出水堰产生的水流抽吸3、较冷或较重的进水产生的异重流4、风浪引起的短流5、池内存在导流壁和刮泥设施等包括：异重流：异重流指较冷或较重的进水，由于密度不同而引起水流分层流动。异重流有温度差和浓度差两种情况。股流：股流由沉淀池进水的惯性作用引起。股流会加剧水流紊动，影响颗粒沉淀。表面流：表面流由于风浪而引起。对于露天的沉淀池，大风刮过时，水流表面速度比池底快。故北方的水厂大多将构筑物建在室内。滞流：滞流由于池子本身构造引起。例如池内的分隔墙、刮泥板等。出水