13沉淀与澄清

1第三章沉淀与澄清(Sedimentation,orsettlingandClarification)第1节沉淀原理与分类一、原理利用颗粒与水的密度之差，比重1，下沉比重1，上浮沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒给水处理――混凝沉淀，高浊预沉废水处理――沉砂池（去除无机物）初沉池（去除悬浮有机物）二沉池（活性污泥与水分离）二、分类自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变（沉砂池、初沉池前期）絮凝沉淀：絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加（初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀）拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层（高浊水、二沉池、污泥浓缩池）压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩。第2节自由沉淀(discreteparticlesettling)一、颗粒沉速公式（Stokes’law）假设沉淀的颗粒是球形所受到的重力为F1=1/6d3(p-l)g所受到的水的阻力F2=CDlu2/2d2/4CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。平衡时：F1＝F2可得到沉速(terminalvelocity)计算公式（对球形颗粒）：对于非球形颗粒：：形状系数CD与Re有关。Re1,CD=24/Re：水的动力粘度，PasdCgullpD342181gdulpdCgullpD342该公式难以反映实际，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。但可以了解u的影响因素。此外，一般d难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定u，算出d（注意是名义上的）。二、颗粒沉淀实验1.在ti时，从底部取样，测定Ci2.计算tiui=h/tiCipi=Ci/C0pi：沉速小于ui的颗粒占全部颗粒的比重3.p－u曲线（颗粒粒度分布曲线）4.颗粒去除率在t0时，uu0的颗粒全部去除uu0的颗粒部分去除hi/h=uit0/(u0t0)=u/u0t=0t=tihpu=h/t3通过实验可绘制以下曲线：E-t曲线E－u曲线（与水深无关）中部取样法：P=(C0-C)/C0*100%三、理想沉淀池假设：1．颗粒为自由沉淀2．水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。3．颗粒到底就被去除。水平流速v=Q/(h0B)B:池宽考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。uu0的颗粒可以全部去除uu0的颗粒只能部分去除去除率为E＝ui/u0=ui/(Q/A)q=Q/A=u0表面负荷或溢流率对于颗粒沉速小于u0的颗粒来讲，去除率为E＝ui/u0=ui/(Q/A)000/1)01(piidpuupP4由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。(Hazen理论,1904年）但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。从上式反映以下两个问题：1）E一定，ui越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深――“浅层理论”。第3节絮凝沉淀(flocculentsettling)一、特点在沉淀过程中，颗粒变大，沉淀变大。悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。无理论描述公式，只能通过沉淀实验预测沉淀效果。二、沉淀实验沉淀柱高度＝实际沉淀池深度1）在时间ti，不同深度测Ci2)计算各深度处的颗粒去除百分率p＝(C0-Ci)/C0*100%3）绘制去除百分率等值线4）计算颗粒去除率方法1：按自由沉淀来类推（参考图16－9）方法2：中部取样法...)(/)(/34002230012pputhpputhpP5P＝（C0-C）/C0*100%C：h/2处的浓度三、沉淀效率、表面负荷和停留时间之间的关系要求一定的去除率----设计停留时间和表面负荷假定不同的水力停留时间t------计算总去除率P得出相应的表面负荷q绘制三者之间的关系曲线注意：曲线与水深有关。第4节拥挤沉淀(Hindered(Zone)settling)一、特点发生在SS浓度较高的情况分层沉淀，出现清水－浑水交接面出现4个区，参见图16－2。A：清水区B：等浓度区（与原水颗粒浓度相同）或称受阻沉降层颗粒沉速等于界面（1－1面）沉降速度，等速下降（Vs）C：变浓度区颗粒浓度由小变大D：压实区颗粒沉速从大――小悬浮物缓慢下沉是这一区内悬浮物缓慢压实过程界面（2－2面）以一定速度上升沉淀开始，1－1面下降，2－2面上升当t＝tc时，1－1面和2－2面相遇时，临界沉降点当再延长沉降时间，污泥层就会发生压实。分区的条件：最大颗粒粒径/最小颗粒粒径6发生在：混凝后的矾花（2-3g/L）活性污泥1g/L高浓度泥沙5g/L二、沉降过程曲线以1－1界面的高度为坐标，可以作出沉降过程曲线。停留时间表面负荷沉淀效率6b-c的斜率代表1－1界面的等速沉降Cc为临界点最后压实高度为H沉降过程曲线的相似性，与水深无关（当原水颗粒浓度一样时）。OA1/OA2＝OB1/OB2由一个水深的沉降过程曲线可以作出其它水深条件下的曲线证明见：Kynch理论界面沉降速度Vs与颗粒浓度有关Vs=f(C)对于活性污泥Vs=ac-n（n1）临界点图解近似求解法第5节沉淀池一、分类平流式竖流式辐流式斜流式二、平流式沉淀池进水区、沉淀区、存泥区、出水区1．构造1）进水区流量均匀分布可采用配水孔或者缝给水中，通常采用穿孔花墙v0.15-0.2m/s2）沉淀区水力条件要求：A11A21B11B217减少紊动性：紊动性指标Re=vR/：运动粘度提高稳定性：弗劳德数Fr＝v2/Rg（Fr高，表明对温差、密度差异重流和风浪的抵抗能力强。同时满足的只能降低水力半径R，措施是加隔板L/B4,L/H10水流速度的控制也很重要适宜范围：10-25mm/s（给水）5－7mm/s（污水）3）出水区出水均匀。通常采用：溢流堰（施工难）三角堰（对出水影响不大）淹没孔口（容易找平）控制单位堰长的出水量：给水：500m3/(md)初沉：2.9L/(ms)二沉：1.5-2.9L/(ms)4）存泥区及排泥措施泥斗排泥靠静水压力1.5–2.0m，下设有排泥管多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时）机械排泥带刮泥机，池底需要一定坡度虹吸吸泥车2．设计计算1）设计参数的确定u0或T0由沉淀实验得到选u0时，絮凝性颗粒-----池深要与实验柱高相等选T0时，无论颗粒的性质如何-------池深要与实验柱高相等考虑水流的影响u设＝u0/1.25-1.75T设＝1.5-2.0T0在数值上，q设＝u设根据经验：q设（m3/m2h）T设(h)给水处理（混凝后）1－21-3初次沉淀池1.5-31-2二次沉淀池（生物膜法后）1-21.5-2.5（活性污泥法后）1-1.51.5-2.52）设计计算8以q来计算A＝Q/q设L=3.6vT；T：水力停留时间水流流速v＝10-25mm/s（给水）5－7mm/s（污水）宽度B＝A/L以T来计算计算有效体积V＝QT选池深H（3.0-3.5m）计算B＝V/(LH)L=3.6vT校核水流的稳定性，Fr＝10-4~10-5之间。二、竖流式沉淀池水流上升速度v颗粒沉速v，下沉v,沉不下来根据沉淀实验得u0---u设；v设≤u设沉淀去除率＝1－p0无沉淀资料时，对于生活污水，v设＝1.5-3m/h,T设＝1–2.0h由v设→A=Q/v设注意：A的算法→直径由T设→H＝v设T设/H3，使水流接近竖流，10m注意：中心管的流速不宜太大，30mm/s适用于小水深，池深大，但沉淀效果较差排泥方便，占地小。9三、幅流式沉淀池1．中央进水幅流式带刮泥机：中央驱动式周边驱动式（使用较多）＝20－30mm，16mm适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差由于水流速度由大――小颗粒沉降轨道是曲线。计算：由q设――A＝Q/q设H＝u设T设u设:1.5-3m/h;T设:1.5-2.5h2．向心幅流式周边进水――中心进水：进水断面大，进水易均匀周边进水――周边出水向心式的表面负荷可提高约1倍。四、斜板（管）沉淀池1．原理沉淀效率＝ui/Q/A在原体积不变时，较少H，加大A，可以提高沉淀效率或提高Q浅层理论101904年Hazen提出1945年Camp认为池浅为好1955年多层沉淀池产生（Fr和Re可以同时满足）1959年日本开始应用斜板1972年中国汉阳正式应用断面形状：圆形、矩形、方形、多边形除园性以外，其余断面均可同相邻断面共用一条边。水力半径Rd/3---------斜板R≤d/3--------斜管斜管比斜板的水力条件更好。材质：轻质，无毒纸质蜂窝、薄塑料板（硬聚氯乙烯、聚丙烯）2．构造1）异向流异向流基本参数：＝60度，L＝1-1.2m板间距50－150mm清水区0.5-1.0m布水区0.5-1.0mu0=0.2-0.4mm/s,v3mm/sQ设＝u0（A斜＋A原）：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积112）同向流水流促进泥的下滑，斜角可减少到30－40度沉淀效果提高，但构造比较复杂，使用少Q设＝u0（A斜－A原）3）横向流使用少，结构和平流式沉淀池较接近，易于改造，但水流条件差（Re大），难支撑Q设＝u0A斜3．优缺点优点：沉淀面积增大，水深降低，产水量增加q＝9－11m3/(m2h)平流式q2m3/(m2h)层流状态Re200，平流式500缺点：停留时间短（几分钟），缓冲能力差对混凝要求高耗材，有时堵，常用于给水处理，和污水隔油池五、沉砂池原理与沉淀池相同。功能：去除比重较大的无机颗粒（如泥沙、煤渣等）保证措施：流速控制常用的有：平流沉砂池、曝气沉砂池平流式沉砂池：最大流速0.3m/s,最小流速0.15m/s最大流量时的停留时间不少于30s,一般30-60s曝气沉砂池：旋流速度：0.25-0.3m/s最大流量时的T：1-3min,水平流速：0.1m/s12第6节澄清池(Clarifier)污泥再悬浮起来，池中保持大量矾花，脱稳胶体靠接触凝聚粘附在活性泥渣上。（混合）澄清常用于给水处理需保持矾花一定浓度，通过排泥控制沉降比在20－30％。泥渣悬浮型（过滤型）：矾花容易冲出去，但对细小矾花具有过滤作用如悬浮澄清池、脉冲澄清池泥渣循环型（分离型）：效果与上相反如机械加速澄清池、水力循环澄清池一、加速澄清池1920年美国infilco公司发明的1935年有工程实例1965年我国开始使用一反应区容积：15－20分Q二反应区容积：7－10分Q13分离区v上＝1－1.2mm/st总＝1－1.5h，比平流式快需定期排泥回流泥量Q’＝3－5Q第2：第1：清水区＝1：2：7优点：处理效果好，稳定，适应性强,适用于大、中水厂缺点：机电维修启动时有时需人工加土和加大加药量二、水力循环澄清池喷嘴速度过大、过小都不行，v＝4－7m/s喉管v＝2－3m/s一反应室出口v=60mm/st＝15－30s二反应室下降v＝40－50mm/s出口v＝5mm/st＝80－100s分离区v＝1－1.2mm/s,t＝1h回流泥量＝2－4Q优点：不需机械搅拌，结构简单缺点：反应时间短，运行不稳定，泥渣回流控制较难，适应性差，适用于小水厂。三、脉冲澄清池靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和膨胀：1）有利于颗粒和悬浮层接触；2）悬浮层污泥趋于均匀。配水方式：紊流板14充水时间：25－30s放水时间：6－10s1956年法国首先发明工作稳定、单池面积大、造价低，但周期不易调整。四、悬浮澄清池强制出水管出水20－30％，来保持池内泥渣浓度一定。池内水流上升速度v＝0.8-1.0mm/s结构简单，但运行适应性差（水温、水量、变化时，泥渣层工作不稳定）澄清池中加斜板，注意反应室的配套设计欧洲过滤型澄清池多，美国机械加速澄清池多。