第四章+沉淀

第四章沉淀4-1 水和废水处理的主要单元方法沉淀是水中固体颗粒通过颗粒与水的密度差，在重力作用下与水分离的过程，是水和污水处理中一种常见的工艺。

沉淀所能去除的颗粒尺度在20~100μm以上，水中的胶体物质需先经混凝处理后才能经固液分离操作去除。

4.1.1 沉淀的功能及基本类型1、沉淀和澄清在水处理中的功能（1）给水处理沉淀分离经混凝过程产生的絮体，常采用澄清池以得到澄清的出水，是饮用水处理的一个重要环节，要求浊度<20°（2）城市污水处理一级处理的主要工艺（沉砂、初沉池），控制处理效果。

二级处理中：①作为预处理单元，减轻生物负荷。

②作为二沉池，分离生物处理过程产生的污泥，得到澄清出水③作为浓缩池，降低污泥的含水率，减小其体积，以便于进一步处理处置。

（3）工业废水中作用多样，预处理，中间处理及最终处理均可采用。

一般与混凝工艺联用。

（4）在污水灌溉和氧化塘处理之前——去除粗大悬浮颗粒，稳定水质。

——去除寄生虫卵和堵塞土壤孔隙的物质。

2、沉淀的类型根据沉淀物质的性质、絮凝性、浓度分为四类。

（1）自由沉淀（discrete settling）颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其尺寸、质量、形状均不改变，下沉不受干扰。

非絮凝性颗粒、浓度低、颗粒间无絮凝。

颗粒独立完成沉淀过程，其物理性质（形状、大小、比重）不发生变化→颗粒沉速不变。

发生在沉砂池及沉淀池的前期沉淀过程（2）絮凝沉淀（flocculation settling）沉淀过程中，颗粒的尺寸、质量随深度增加而增大，沉速相应提高。

絮凝性颗粒、浓度较低、颗粒间发生絮凝；沉淀过程中其物理性质发生变化→颗粒沉速度加快；发生在水处理沉淀池、污水处理初沉池后期及二沉池的前期沉淀过程。

（3）成层沉淀（zone settling）又叫拥挤沉淀。

颗粒在水中的浓度较大，下沉过程中彼此干扰，形成清水与浑水的明显界面并逐渐下移。

絮凝性颗粒、浓度较高（矾花浓度≥ 2~3g/L、活性污泥浓度≥1g/L ）、颗粒间发生絮凝；沉淀过程中颗粒间相互干扰并形成网格状绒体共同下沉→形成清水浑水界面（界面的沉降）；发生在沉淀池后期沉淀过程。

（4）压缩沉淀（compress settling）颗粒在水中的浓度增高到颗粒相互接触并部分地受到压缩物支撑。

发生于沉淀池底及浓缩池中。

絮凝性颗粒、浓度极高；沉淀过程中颗粒结成块状，相互接触、相互支撑、相互挤压；发生在沉淀池后期沉淀过程及污泥浓缩池中。

4.1.2 沉淀试验及沉淀曲线分析1、沉淀理论颗粒在水中的沉降速度是颗粒重力与浮力双重作用的结果，可认为受四个因素的影响： ()ρμρ,,,s d f u =（1）沉速公式通常采用stokes 公式描述水中颗粒的自由沉降（推导从略）①层流区： 2181gd u s μρρ−=该公式适用于d ≤0.1mm ，10-4<Re ≤1的情况。

②过度区： ()d g u s 31222254⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=μρρρ 该公式适用于0.1<d ≤2mm ，1<Re<500的情况。

③紊流区： gd u s ρρρ−=82.1 该公式适用于500≤Re<104的情况。

Stokes 公式仅适用于分析沉淀的影响因素，工程实践中属于自由沉淀的非常少。

利用上述公式计算时，可先假定一个Re 区，计算出u 后带入Re 定义式进行校核，若不符合假定，则重复上述步骤计算，直至符合为止。

（2）计算示例例：油珠直径为80μm ，密度为0.8g/cm 3，水温20℃，计算油珠在水中的上升速度。

解：已知 d=0.008m ，20℃时μ=0.0101g/cm 3·s 。

计算得：u=0.0691cm/s 。

运动粘滞系数ν=0.0101cm 2/s ，带入Re 定义式可得：10547.0Re <==νud符合假定，计算所得u 正确。

2、沉淀试验及沉淀曲线分析——作用：用于分析静置沉淀；确定水中悬浮颗粒的沉降特性 （1）自由沉淀试验自由沉淀一般采用单筒沉淀柱试验确定悬浮颗粒的沉降特性。

1）试验装置2）试验方法沉淀柱有效水深H ，悬浮物原始浓度为C 0。

在时间t 1时从水深H 处取样测得C 1，则认为沉速大于u 1（H/t 1）的颗粒均已通过H ，残余颗粒必然具有小于u 1的沉速，则沉速小于u 1的颗粒与全部颗粒的比例x 1=C 1/C 0。

在时间t 2、t 3......时重复试验，可得出对应的u 2、u 3......和x 2、x 3......，将这些数据整理可绘出图4-1-2（粒度分布曲线）。

3）沉淀效率η的求取设要求的最小沉速为u 0，则u ≥u 0的颗粒在t 0时可全部去除，而u<u 0的颗粒可部分去除，去除比例为h/H ，h 代表在t 0时刚好沉到底部的某种颗粒的沉降距离。

因： 0000u ut u ut Hh==故u<u 0的颗粒在t 0内按u/u 0的比例去除，故t 0时间内颗粒的总去除率为： ()∫+−=000011x udx u x η上式中第一项由u 0求得，第二项对粒度分布曲线图解积分求得。

（2）絮凝沉淀（自学）1）试验装置 2）试验方法3）η-t 曲线，等效沉淀曲线（3）拥挤沉淀（高浓度悬浮液的沉淀试验） 1）形成拥挤沉淀的条件——浓度：矾花 2~3g/L；活性污泥 1g/L；泥砂 5g/L。

——颗粒间的粒度差异：d max/d min<62）沉淀特征——分为四个层：澄清液层、受阻沉降层、过度层、压缩层——清水与固体有清晰界面，该界面等速下降——压缩区内部自上而下，沉速递减——沉淀过程中，清水区高度不断增加3）沉淀曲线（界面高度与时间的关系）4）研究拥挤沉淀的方法——利用沉淀过程线分析：Kynch法、Fitch法；——建立沉速—浓度函数关系v=f（C）（多筒试验）：固体通量法、吉冈法。

4.1.3 理想沉淀池效率分析上述介绍的均为静置沉淀，与实际沉淀过程是有差别的。

为了描述实际的沉淀过程，提出了“理想沉淀池”的概念。

1、假设条件理想沉淀池有平流式、竖流式和辐流式三种，其基本假定是一致的。

（1）污水在池内沿水平方向作等速流动，水平流速为v ，从入口到出口的流动时间为t ；（2）在入流区，颗粒沿截面均匀分布并处于自由沉淀状态，颗粒的水平分速等于水平流速v ；（3）悬浮物以等速下沉；（4）颗粒一碰到池底即认为被去除 2、推导以平流式理想沉淀池为例平流式理想沉淀池（1）截留速度：00t H u =在一定条件下，沉淀过程中可被全部去除的颗粒所具有的最小沉速（m/h ）。

（2）表面负荷率（q 0）单位时间内、单位沉淀池表面积所处理的水量（m 3/m 2.d ） 水平流速：HBQv =因：LvHu u H v L =⇒=00 可得：AQq BL Q u ===00 式中：q 0——表面负荷率或过流率（m 3/m 2·h ）。

3、公式的物理意义颗粒在沉淀池中的截留速度刚好等于单位时间单位面积上流过的水量，为沉淀池的设计提供了理论依据。

若定义：具有沉速u i <u 0的颗粒的去除比例为该颗粒的去除效率，则：0q u u u i i i ==η 说明ηi 与水深、沉淀时间、水平流速、池长无关。

（Hazen 理论） a ．若ηi 一定，则u i 增大，q 0增大；q 0一定，则u i 增大，ηi 增加 b ．若Q 一定、u i 一定，则A 增加，ηi 增加；Q 、u i 一定时，对相同体积的池子，H 减小，则A 增大，ηi 增加。

Hazen 理论提供了提高沉淀池效率的依据。

4、实际沉淀池与理想沉淀池的差别根据上面对理想沉淀池的分析可知，水中悬浮颗粒的沉淀效率与水深、沉淀时间、水平流速、池长无关。

但是，实际沉淀池与理想沉淀池是有区别的。

因此，在实际沉淀池中，这些无关因素就变得有关了，使得实际沉淀池的沉淀效率较理想沉淀池低。

实际沉淀池与理想沉淀池的差别如下： （1）水的流动状态短流：实际的平均停留时间较理想的短，称为短流现象。

短流的存在，使池子的容积利用率降低。

引起短流的原因:——流速分布不均匀（深度方向流速分布不均无影响，宽度方向流速分布不均影响沉淀效率（推导从略））——进出口配水的不均匀，造成死区；——异重流:由于密度不同产生的分层流动现象。

密度(进水中悬浮物含量与池中水不相同)温度(温度差引起的密度不同)——池子的构造:如转弯处易形成死区。

紊流：进水时产生射流，如穿孔墙孔眼流速为0.1～0.2m/s（2）其它因素——池深:絮凝效果；防止已沉颗粒冲刷上浮——沉淀时间:絮凝沉淀。

因此，设计沉淀池时，除了对表面负荷率有要求外，还对停留时间、池深、进出水构造、排泥方式等均有要求。

通常，对于静置沉淀得出的试验结果，在用于设计时还需考虑一定的安全系数。

一般在设计时：q设=q0/1.25~1.75，T=（1.5~2.0）T0。

4-2 沉淀工艺及其设计4.2.1 沉砂池（Grit Chamber）1、去除对象、作用、工作原理及类型去除对象：从污水中分离比重较大的无机颗粒，分离有机颗粒和无机颗粒，便于分别处理和处置。

去除废水中比重远大于≥1的可沉降无机固体颗粒（砂粒、煤渣等，一般比重大于2.65，粒径为0.2mm）。

主要作用：保证后续处理构筑物的正常运行。

基本原理：重力分离。

控制水流速度在一定范围内，以仅使无机颗粒下沉而有机颗粒随水流出。

设置位置：泵站前、倒虹管前、沉淀池前主要类型：竖流式（目前很少应用）、平流式、曝气沉砂池、多尔沉砂池、旋流沉砂池等。

2、设计原则及主要工艺参数（1）设计原则◆城市污水处理厂一般均设，工业废水处理视具体情况定。

◆一般不少于两个（隔），并联运行。

◆按最大流量或最大泵组合流量设计。

◆以机械排砂方式为主，也可采用重力排砂方式（但管线应尽可能短）。

（2）主要工艺设计参数沉砂量（X）：按每106m3废水沉砂30m3计，其含水率为60%，容重为1500kg/m3。

沉砂斗容积：按2日沉砂量计。

贮砂斗壁与水平面的倾角不小于55º。

排砂管直径不小于DN200。

超高：不小于0.3m。

颗粒沉速u：考虑水流扰动，按下式计算。

2、平流式沉砂池最为常用，构造简单，截留效果好、工作稳定、排渣方便。

（1）构造形式一个加宽了的明渠，两端设闸阀以控制水流。

多为平顶堰溢流出水，设有1~2个贮砂斗，下接排砂管。

重力排砂。

排渣方式:排砂管 +底阀（螺旋推进器，射流器）刮板抓斗（2）设计要求和工艺参数:两座以上并联水平流速v0.15~0.3 m/s停留时间T30~60s有效水深h0.25~1.0m <1.2m池宽(每格)B≥0.6m砂斗与水平面夹角 α≮55°超高≥0.3m排砂管径≥Φ200mm平流式沉砂池（3）工艺设计 按水平流速与停留时间a ．池长（m ） L = vt 式中：v—设计水平流速，m/s t—停留时间，sb ．池侧面积A ： vQ A max=（m 2）； 式中：Q max —最大设计流量，m 3/sc ．池宽B ： 2h AB =（m ）； 式中：h 2—设计有效水深，md ．贮砂斗容积V ： 6max 1086400⋅⋅⋅⋅=Z K T X Q V （m 3）； 式中：X—城市污水的沉砂量，一般为30m 3/106m 3（污水）； T—排砂时间间隔（d ）； K Z —生活污水量的总变化系数；e ．池高H ： 321h h h H ++=（m ）式中：h 1—超高，mh 2——贮砂斗高度（m ）； f ．核算最小流速v min ： min1minmin .W n Q v =（m/s ）；式中：Q min —设计最小流量，m 3/s n1—最小流量时工作的沉砂池数W min —最小流量时沉砂池中的水流断面面积（m 2）。