Transcript 42.沉淀

第三章 沉淀与澄清
Sedimentation or settling
and Clarification
1
第1节 沉淀原理与分类
第2节 自由沉淀
第3节 絮凝沉淀
第4节 拥挤沉淀
第5节 沉淀池
第6节 澄清池
2
第1节 沉淀原理与分类
3
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
•胶体颗粒需混凝后才能沉淀。
4
•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）
SS去除40-55%
BOD5去除20-30%
二沉池（活性污泥与水分离）
5
6
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，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，相互间干扰，分层
（高浊水、二沉池、污泥浓缩池）
•压缩沉淀：下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下
挤出，污泥得到浓缩。
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颗粒浓度
自由沉淀
絮凝沉淀
拥挤沉淀
压缩沉淀
颗粒絮凝性
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第2节
自由沉淀
(discrete particle settling)
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一、颗粒沉速公式
u 
4
g
3 C D
 p  l
l
d
u：颗粒终端沉降速度（terminal velocity ）
 ：Shape factor, 1 for spheres
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CD与Re有关 ，Re＝u d/,
：水的运动粘度(Kinematic viscosity), m2/s
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•Re<1, 层流区(laminar region)，CD= 24/Re
u 
1  p  l
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
gd
2
Stokes’ law
：水的动力粘度(dynamic viscosity)，Pa s
•1000<Re<25000, 紊流状态(turbulent region)
——牛顿公式
•1<Re<1000, 过渡区(Transition region)
——阿兰公式
Re校核！
12
上述式子有何意义？
•了解影响颗粒沉速的因素（颗粒粒径……）
•在已知的颗粒粒径条件下求沉降速度
•由颗粒沉降速度求颗粒粒径
……水处理中的沉降实验
•由颗粒沉降速度求液体粘度
……落球法测定粘度
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h
二、颗粒沉淀实验
1. 在ti时，从底部取样，测Ci
2. 计算颗粒沉速：
ui=h/ti
3. 沉速<ui颗粒占全部的百分率：
t=0
C0
t=ti
Ci
pi=Ci/C0
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残余颗粒百分数p
3. 绘制p-u曲线（颗粒粒度分布曲线）
pi
ui
沉速 u
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hi
4. 颗粒去除率的计算
h
在时间t0
颗粒沉速u0，相应残余颗粒比例p0
沉速uu0 的颗粒全部去除
沉速u<u0的颗粒部分去除
去除比例＝hi/h
t=t0
Ct
=ui t0/(u0 t0)
= ui/u0
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4. 颗粒全部去除率 P
P  (1  p 0 ) 

p0
ui
u0
0
dp i
沉速<u0颗粒的去除率
沉速u0颗粒
的去除率
pi
ui
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t （分）
P (%)
P (%)
与水深有关
与水深无关
u
18
h
h/2
中部取样法
P 
C0  C
 100 %
C0
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三、理想沉淀池
U0截留速度
1. 颗粒为自由沉淀
2. 水流水平流动。过水断面上各点流速相等 v。
3. 颗粒到底就被去除。
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uu0的颗粒全部去除
u0 截留速度( critical settling velocity)
因为： h 0  L
u0
v
则：
u0 
Q
LB
Q
v 
v：水流速度
h0 B

Q
A
 q0
Q：处理流量；A：沉淀面积
L：池长；
B：池宽
qo：表面负荷率 (surface loading rate, m3/(m2 d))
溢流率(overflow rate)
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对于特定的沉速ui<u0的颗粒：
pi 
ui
u0

ui
Q/A
•理想沉淀池的颗粒沉淀效率只与表面负荷有关。
•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）
•增大ui  表面负荷，或去除率 。
•增大A  去除率
沉淀池容积一定，池身变浅---- 浅层理论。
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第3节
絮凝沉淀
(flocculent settling)
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水深
一、特点
离散颗粒
絮凝
颗粒
通过沉淀柱(settling
column)实验预测沉
淀效果。
时间
•在沉淀过程中，颗粒变大，沉速变大。
•颗粒去除率不仅与沉速有关，而且与深度，
时间有关。
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二、沉淀实验
h
•在时间ti，不同深度测Ci
•计算各深度处的颗粒去除百分
率
p＝ (C0-Ci)/C0 100%
•绘制去除百分率等值线
沉淀柱高度
＝实际沉淀池深度
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方法二：
中部取样法
P=(C0-C)/C0100%
C：h/2处浓度
•计算颗粒去除率（在t0时刻）
方法一：
P  p2 
h1 / t 0
u0
( p3  p2 ) 
h2 / t0
u0
( p 4  p 3 )  ...
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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
停留时间 (min)
表面负荷 (m3/(m2d))
假定不同的水力停留时间t：
沉淀效率 (%)
•计算总去除率 P
•得出相应的表面
负荷 q
注意：曲线与水深有关。
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第4节
拥挤沉淀（分层沉淀）
(Hindered (Zone) settling)
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一、特点
分层沉淀
清水交接面
4个区
发生在颗粒浓度
较高的情况：
高浊水沉淀、
二沉池、
污泥浓缩池
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清水区
浑液面----逐渐下降
等浓度区或受阻沉降层
颗粒浓度均匀
等速下沉vs
变浓度区
颗粒浓度由小变大
泥面----逐渐上升
压实区
颗粒沉速由大变小
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•分区条件：颗粒最大粒径/最小粒径<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
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二、沉降过程曲线
交界面等速下降
临界沉降点
压实高度
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•沉降过程曲线相似性，
与水深无关（当原水
颗粒浓度一样时）。
OP 1
OP 2

OQ 1
OQ 2
证明见：Kynch理论
•交界面沉降速度Vs与颗粒浓度有关
Vs= f(C)
对于活性污泥 ：Vs=a c-n （n>1）
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第5节 沉淀池
(sedimentation tank)
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一、分类
平流式(rectangular)
竖流式(upflow)
辐流式(radial)
斜流式 (inclined)
二、平流式沉淀池
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1．构造：四个区
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1）进水区
流量均匀分布 ，不出现短流。
可采用配水孔或者缝
给水中通常采用穿孔花墙 v<0.15-0.2 m/s
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2）沉淀区
水力条件要求：
•减少紊动性 ---- Re = vR/
•提高稳定性 ----弗劳德数Fr ＝v2/Rg，宜大于10-5。
降低水力半径R
加隔板
L/B>4, L/H>10
水流速度的控制也很重要 ---- 10-25 mm/s (给水）
一般不大于5mm/s（污水）38
3）出水区
•溢流堰（施工难）
•三角堰（对出水影响不大）
•淹没孔口（容易找平）
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控制单位堰长的出水量：
给水：<500 m3/(m d)
初沉：<2.9L/(m s)
二沉：1.5- 2.9 L/(m s)
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4）存泥区及排泥措施
泥斗排泥
靠静水压力 1.5 – 2.0m
多斗形式，可省去机械刮泥设备
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机械排泥
42
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2．设计计算
1）设计参数的确定
u0或T0
在数值上，q设＝u设
由沉淀实验得到：
选u0时，絮凝性颗粒-----池深＝实验柱高
选T0时，所有颗粒-----池深＝实验柱高
考虑水流的影响 ：
u设＝u0/1.25-1.75
T设＝1.5-2.0 T0
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根据经验：
q设（m3/(m2h)） T设(h)
给水处理（混凝后）
初次沉淀池
1-2
1-3
1.5-3
1-2
二次沉淀池（生物膜后） 1-2
（活性污泥法后） 1-1.5
1.5-2.5
1.5-2.5
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2）设计计算
以q来计算：
面积 A ＝Q/q设
池长 L=3.6 v T
水流流速v＝10-25mm/s（给水）
5－7mm/s（污水）
宽度 B＝A/L
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以水力停留时间 T来计算：
计算有效体积V ＝Q T
选池深H（3.0-3.5m）
计算B＝V/(LH)
L=3.6 v T
校核水流的稳定性，Fr ＝10-4~10-5之间。
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二、竖流式沉淀池
48
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颗粒沉速>v，颗粒下沉
水流上升流速v
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- 3.0 m/h,
T设＝1.0 – 2.0 h
50
工艺计算：
由v设
→断面积A=Q/v设 （注意A的算法）
→直径
由T设
→水深H＝v设T设
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结构要求：
/H<3，使水流接近竖流
<10m
中心管的流速不宜太大，<30mm/s
特点：
适用于小水深，池深大，但沉淀效果较差
排泥方便，占地小。
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三、幅流式沉淀池
1．中央进水幅流式
＝20－30m，>16m
适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差
53
54
55
由于过水断面是变化的，
水流速度由大  小
颗粒在池中的沉降轨迹------曲线
56
沉淀轨迹：
dr=vdt
dH=u0dt
沉淀分离条件：
计算：由q设 A＝Q/q设
H＝u设T设
(u设:1.5-3m/h; T设:1.5-2.5h)

H
0
dH
u0


R
r
dr
v
u0q=Q/A
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2．向心幅流式
进水断面大，进水易均匀
58
向心式的表面负荷可提高约1倍。
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四、斜板（管）沉淀池
1．原理
沉淀效果
E 
ui
Q / A
在原体积不变时，减少H，加大A，可以提高沉淀
效率或提高Q
浅层理论
1904年 Hazen 提出
1945年 Camp认为池浅为好
1955年 多层沉淀池产生
1959年 日本开始应用斜板
1972年 中国汉阳正式应用
60
1955年多层沉淀池
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•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。
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•水力半径 R>d/3
------斜板
R≤d/3 ------斜管, 管径一般25-35mm
•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）
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2．构造与分类
(a)Countercurrent
(b) Cocurrent
(c) Cross-flow
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1）异向流
＝60度，L＝1-1.2m
板间距 50－150mm
清水区 0.5-1.0 m, 布水区 0.5-1.0 m
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最大沉降轨迹从ab
u0=0.2-0.4 mm/s
板内流速v3 mm/s
l2

u0
l  l1
v
Q  vLB  sin 
b
a
u0 
斜板水平
投影面积
Q
nBl  cos   LB
沉淀池
表面积
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Q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
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2）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
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3．优缺点
优点：
沉淀面积增大，水深降低，产水量增加
q＝9－11m3/(m2 h)
平流式q<2 m3/(m2 h)
层流状态Re<200，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69
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
70
最大流速0.3 m/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
71
72
旋流速度：0.25-0.3 m/s
最大流量时的T：1-3min, 水平流速：0.1 m/s
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第6节
澄清池 (clarifier)
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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，也可用于废水处理。
需保持矾花一定浓度，通过排泥控制沉降比在
20－30％。
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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
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一、加速澄清池
77
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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Q
分离区v上＝1－1.2 mm/s
t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
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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 。
80
二、水力循环澄清池
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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/s, t＝15－30s
二反应室下降v＝40－50mm/s,
出口v＝5mm/s, t＝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
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难，适应性差，适用于小水厂。
三、脉冲澄清池
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特点：
•靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和
膨胀。
•有利于颗粒和悬浮层接触。
•悬浮层污泥趋于均匀。
•充水时间：25－30s
•防水时间：6－10s
•1956年法国首先发明
•70年代作为新技术争先应用，后期应用较少。
•工作稳定、单池面积大、造价低，但周期不易
调整。
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四、悬浮澄清池
强制出水管出水20－30％，保
持池内泥渣浓度一定。
水流上升速度v＝0.8-1.0 mm/s
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•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。
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