沉淀池设计及计算

第六节、普通沉淀池沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池两大类。按照水在池内的总体流向，普通沉淀池又有平流式、竖流式和辐流式三种型式。普通沉淀池可分为入流区、沉降区、出流区、污泥区和缓冲区5个功能区。入流区和出流区的作用是进行配水和集水，使水流均匀地分布在各个过流断面上，为提高容积利用、系数和固体颗粒的沉降提供尽可能稳定的水力条件。沉降区是可沉颗粒与水分离的区域。污泥区是泥渣贮存、浓缩和排放的区域。缓冲层是分隔沉降区和污泥区的水层，防止泥渣受水流冲刷而重新浮起。以上各部分相互联系，构成一个有机整体，以达到设计要求的处理能力和沉降效率。一、平流沉淀池在平流沉淀池内，水是按水平方向流过沉降区并完成沉降过程的。图3-16是没有链带式刮泥机的平流沉淀池。废水由进水槽经淹没孔口进入池内。在孔口后面设有挡板或穿孔整流墙，用来消能稳流，使进水沿过流断面均匀分布。在沉淀池末端没有溢流堰(或淹没孔口)和集水槽，澄清水溢过堰口，经集水槽排出。在溢流堰前也设有挡板，用以阻隔浮渣，浮渣通过可转动的排演管收集和排除。池体下部靠进水端有泥斗，斗壁倾角为50°～60°，池底以0.01～0.02的坡度坡向泥斗。当刮泥机的链带由电机驱动缓慢转动时，嵌在链带上的刮泥板就将池底的沉泥向前推入泥斗，而位于水面的刮板则将浮渣推向池尾的排渣管。泥斗内设有排泥管，开启排泥阀时，泥渣便在静水压力作用下由排泥管排出池外。[显示图片]链带式刮泥机的缺点是链带的支承和驱动件都浸没于水中，易锈蚀，难保养。为此，可改用桥式行车刮泥机，这种刮泥机不但运行灵活，而且保养维修都比较方便。对于较小的平流沉淀池，也可以不设刮泥设备，而在沿池的长度方向设置多个泥斗，每个泥斗各自单独排泥，既不相互干扰，也有利于保证污泥浓度。沉淀池的设计包括功能构造设计和结构尺寸设计。前者是指确定各功能分区构件的结构形式，以满足各自功能的实现；后者是指确定沉淀池的整体尺寸和各构件的相对位置。设计良好的沉淀池应满足以下三个基本要求；有足够的沉降分离面积：有结构合理的人流相出流放置能均匀布水和集水；有尺寸适宝、性能良好的污泥和浮渣的收集和排放设备。进行沉淀池设计的基本依据是废水流量、水中悬浮固体浓度和性质以及处理后的水质要求。因此，必须确定有关设计参数，其中包括沉降效率、沉降速度(或表面负荷)、沉降时间、水在池内的平均流速以及泥渣容重和含水率等。这些参数一般需要通过试验取得；若无条件，也可根据相似的运行资料，因地制宜地选用经验数据。以-萨按功能分区介绍设计和计算方法。1.入流区和出流区的设计入流和出流区设计的基本要求，是使废水尽可能均匀地分布在沉降区的各个过流断面，既有利于沉降，也使出水中不挟带过多的悬浮物。常用的配水方式如图3-17。紧靠池壁内侧是一条横向配水槽，其后的人流装置可以有三种不同组合。溢流堰的堰口要确保水平；底孔应沿池宽等距离分布且大小相等；为了减弱射流对沉降的干扰，整流墙的开孔率应在10～20％，孔口的边长或直径应为50～150mm，最上一排孔口的上缘应在水面以下0.12～0.15m处，最下一排的下缘应在泥层以上0.3～O.5m处；挡板需高出水面0.15～0.2m，淹没深度不小于O.2m，距离进水口0.5～1.0m。[显示图片]集水槽的布置有图3--18所示的三种基本方式。其中以(a)最为简单，但因长度短，流速大，容易挟带较多的悬浮物；(b)种加设了一组纵向支渠，水力条件最好，但结构较复杂。目前，也有在沉淀池中、后部加设横向中途集水槽的。出流口常采用溢流堰和淹没潜孔。前者可为自由堰，也可为锯齿形三角堰，堰前设置挡板，用以稳流和阻挡浮渣，挡板淹没深度为0.3～O.4m，距溢流堰O.25～O.5m。出水溢流堰不仅控制着池内水面的高崖，而且对水流的与勺分布和出入水质古重要影M向，由此堰白必匆严格水平，以征证堰负荷(即单位堰长在单位时间的排水量)适中且各处相等。在采用淹没潜孔时，要求孔径相等，并应沿池子宽度上均匀分布，淹没深度征0.15-0.2m。[显示图片]2．沉降区的设计沉降区设计的主要内容是确定沉降区的长、览、浇尺寸和沉淀池座数或分格数，其主要内容如下：(1)由设计流量Q(m3／h)和表面负荷q(m3／m2.h)，按A＝Q／q计算沉降区表面积A(m2)。(2)由与Q对应的水平流速v(mm／s)和沉降时间t，按L2＝3.6vt计算沉降区长L2(m)。一般取v≤5mm／s；t取l.5～2.0h。(3)按B2＝A／L2计算池宽B2(m)，并按L2／b＝4～5的要求得单池或单格宽b(m)的近似尺寸。(4)由n＝B2／b确定沉淀池座数或分格数n。显然，由于n只能为正整数，而n、B2和b又互相关联，因此在确定n值后，需对b或B2作必要调整，但仍需满足L2／b≥4的要求。此外，在采用机械刮泥时，b值还必须与刮泥机的衍架宽度相匹配。为了便于检修倒换，n值不应小于2，但也不宜过大，以免增大造价。3．污泥区的设计污泥斗的容积可由排泥周期内沉降的泥渣量确定。泥渣体积Vw(m3)按下式计算：(3-22)式中Q--废水设计流量，m3／h；C和C--分别为进水和出水的SS浓度，mg／L；P--泥渣含水率(%)；γ--泥渣容重，kg／m3，当泥渣主要为有机物且含水率在95％以上时，可取1000kg／m3；T--排泥周期，一般取1～2d。对倒正棱台形泥斗，其容积Vd(m3)按下式计算：(3-23)式中a1和a2--分别为泥斗上、下底边长，m；h4--泥斗高度，m；，a为泥斗壁烦角，按污泥滑动性取450～600。设m为沉淀池的泥斗数，如mVd≥Vw，则能满足要求，否则应增加泥斗数或缩短排泥周期。4．沉淀池的整体尺寸设前、后挡板与进、出水口的距离分别为L1和L3，则沉淀池总长L(m)为：(3-24)设缓冲层高度为h3，当没有刮泥机时，h3＝(hm+0.3)，hm为刮泥板高度；不设刮泥机时，h3取O.5m。为了适应冲击负荷的水位变化，有效水深以上应有保护高度h1，常取0.3m。故沉淀池总高H(m)为：(3-25)二、竖流沉淀池竖流沉淀池多用于小流量废水中絮凝性悬浮固体的分离，池面多呈圆形或正多边形。图3-19为圆形竖流沉淀池的结构示意图，其上部圆筒形部分为沉降区，下部倒圆台部分为污泥区，二者之间有0.3～O.5m的缓冲层。沉淀池运行时，废水经进水管进入中心管，由管口出流后，借助反射板的阻挡向四周分布，并沿沉降区断面缓慢竖直上升。沉速大于水速的颗粒下沉到污泥区，澄清水则由周边的溢流堰溢入集水槽排出。溢流堰内侧设有半浸没式挡板来阻止浮渣被水带出。[显示图片]竖流沉淀池的直径一般在4～8m，最大不超过10m，以1.5～2.0m的静水压力排泥。为保证水流的竖向运动，池径与沉降区深度之比不宜大于3。如池径大于8m，应增设径向集水槽。竖流沉淀池内，水流水平分速为零，在静水中沉速为us的颗粒在池内的实际沉速为us与水上升流速v的矢量和(us-v)，颗粒被分离的条件为us＞v，而us≤v的颗粒始终不能沉底，因而其沉降效率与具有相同表面负荷的平流沉淀池相比减小了；即ET=(1-p0)100(％)。竖流沉淀池的设计参数如下：(1)表面负荷，按公式(3-20)计算，当无资料时，可按v＝(O.5∽0.8)mm／s，即q(2.0～3.O)m3／m2·h取用。(2)沉降时间按公式(3-20)求取；当无资料时，可取t＝(1.0～2.0)ha。(3)管口不设反射板时，取中心管内流速v0≤0.03m/s；设反射板时，v0≤0.1m/s。(4)中心管与反射板之间的流速v1一般不大于0.04m／s。(5)中心管及反射板的结构尺寸如图3-20。(6)保护高度取0.3～0.6m，缓冲层高度取0.3m，泥斗壁倾角取45°～55°。[显示图片]竖流沉淀池的设计计算内容如下：(1)中心管的断面A1(m2)和直径d(m)由单池流量Q／n(m3／h)及中心管流速v0(m／h)计算，其中Q为废水流量(m3／h)，n为池数(2)由表面负荷q(m3／m2·h)及单池流量计算沉淀区断面积人A(m2)。(3)由A1和A2计算沉淀池表面积A(m2)和直径D(m)。(4)由上升流速v(m／h)和沉降时间t(h)计算沉降区有效水深h2(m)。(5)由中心管出流速度v(m／h)和喇叭口直径d1(m)计算喇叭口与反射板问高度h3(m)。(6)污泥体积Vw的计算同平流沉淀池，污泥斗实际体积Vd(m3)为：(3-26)式中h5--泥斗圆台部分高度(m)；R和r--分别为圆台上、下底半径(m)。(7)沉淀池总高H(m)按下式计算：(3-27)式中h1--保护高度，m；h4--缓冲层高度，m。三、辐流沉淀池辐流沉淀池是一种直径较大的圆形池，其结构如图3-21。废水经进水管进入中心布水筒后，通过筒壁上的孔口和外围的环形穿孔整流挡板，沿径向呈辐射状流向池周，经温流堰或淹没孔口汇入集水榴排出。沉于池底的泥渣，由安装于衍架底部的刮板以螺线形轨迹刮入泥斗，再借静压或污泥泵排出。[显示图片]悬浮固体颗粒在辐流沉淀池中的沉降规律如图3-22。由于过流断面由中心向周边不断增大，水平分速逐渐减小，因此其沉降轨迹呈下垂曲线。如没中心筒半径为rl，池半径为R，沉降区水深为H，那么在半径为r的任意点上，颗粒在dt时间内在水平方向和竖直方向上的位移分别为dr=vdt和dH=udt。由于dH/u=dr/v，故颗粒的分离条件为。将代入，整理后可得：[显示图片]或（3-28）可见，辐流沉淀池中颗粒的分离条件与平流沉淀池相同，总沉降效率仍为辐流沉淀池的直径一般为20～40m最大可达100m。池中心深度为2.5～5.0m，周边深度为1.5～3.0m。池底以0.06～0.08的坡度坡向泥斗。这种沉淀池的缺点主要是中心进水口处流速较大，且呈紊流，容易影响初期沉降效果。为此，目前已出现了一些新的池型，如回转悬槽配水式和向心辐流式等。辐流沉淀池的表面负荷q和沉降时间t应通过沉降试验确定，对生活污水，q可取2.0～3.6m3／m2·h，t取1.5～2.0h。将效水深h2通常取池半径1／2处的深度值。池表面积和直径的计算与竖流沉淀池相同；泥渣体积和波斗尺寸的计算与平流沉淀池相同，但排泥周期一般为4h。沉淀池总高H(m)按下式计算：(3-29)式中h1--保护高度，取0.3m；h3--缓冲层高度，计算方法同机械刮泥手流沉淀池；h4--泥斗上缘到池半径1／2处的高度，h4＝Di／4，i为池底坡度；h5--污泥斗高度。第七节斜板和斜管沉淀池斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理没汁的新型沉淀池。与普通沉淀池比较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。一、浅层沉降原理设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为L、B和H，表面积为A，处理水量为Q，表面负荷为q0，颗粒沉速为u0，则由公式(3-19)，可得Q=u0A。由此可见，在A一定的条件下，若增大Q，则u0成正比增大，从而使u≥u0。的颗粒所占分率(1-p0)和u＜u0的颗粒中能被除去的分率u／u0都减小，总沉降效率ET相应降低：反之，要提高沉降效率，则必须减小u0，结果Q成正比减小。以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之间呈此长被落的负相关关系。但是，如果象图3-23那样，将沉降区高度分隔为n层，即n个高度为h＝H／n的浅层沉降单元，那末在Q不变的条件下，颗粒的沉降深度由H减小到H／n，可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的u≥u0扩大到u≥u／n，沉速u＜u0的颗粒中能被除去的分率也由u/u0增大到nu／u0，从而使公值大幅度提高；反之，在ET值不变，即沉速为u0的颗粒在下沉了距离h后恰好运动到浅层的右下端点，那末由u0／v`=h／L和h＝H／n可得v`＝nv，即n个浅层的处理水量Q`＝HBnv=nQ，比原来增大了n倍。显然，分隔的浅层数愈多，ET值提高愈多或Q`值增加愈多。[显示图片]此外，沉淀池的分隔还能大大改善沉降过程的水力条件，当水以速度v流过当量直径为de的断面时，雷诺数Re＝devρ1/μ，de＝4R(R为水力半径)。若原沉淀池内水流的雷诺数为Re，则分隔为n个浅层后