第七章 沉淀与澄清

1. 第七章 沉淀与澄清

2. 7.1 悬浮颗粒在静水中的沉淀 7.2.1 沉淀分类 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.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。 3.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. 7.1.2 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力为： (7-1) 所受到的水的阻力： (7-2) CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 根据牛顿第二定律可知： (7-3) 达到重力平衡时，加速度为零，令式（7-3）左边为零，加以整理，得沉速公式： （7-4）

4. CD与Re有关，见图6-1。

5. 1. 斯笃克斯公式 当Re<1时：呈层流状态 (7-5) 斯笃克斯公式： (7-6)

6. 2. 牛顿公式 当1000<Re<25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入（7-5）得牛顿公式： （7-7） 当1<Re<1000时，属于过渡区，CD近似为 （7-8） 代入得阿兰公式： （7-9）

7. 7.1.3 悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀1．沉降过程分析 如图7-2，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。

8. 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）

9. 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)

10. 7.2 理想沉淀池的特性分析 7.2.1 非凝聚性颗粒的沉淀过程分析 理想沉淀池的基本假设： ①颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。 ②水流沿水平方向流动，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颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。 理想沉淀池的工作情况见图7-4。

12. 原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为：原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为： 考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。 u≥的颗粒可以全部去除，u<的颗粒只能部分去除 对用直线Ⅲ代表的一类颗粒而言，流速和都与沉淀时间有关 （ 7-13） （7-14） 令（7-13）和（7-14）相等，代入（7-12）得： （7-15）

13. 即： （7-16） 一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留速度，但含义不同。 设原水中沉速为ui（ui<u0）的颗粒的浓度为C，沿着进水区高度为h0的截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC，沿着m点以下的高度为hi的截面进入的颗粒的数量为hiBvC（见图7-4），则沉速为ui的颗粒的去除率为： （7-17） 根据相似关系得： 即 （7-18） 同理得： （7-19） 将式（7-18）和（7-19）代入（7-17）得特定颗粒去除率： （7-20） 将（7-16）代入（7-20）得： (7-21)

14. 7.2.2理想沉淀池理论 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。 （1）E一定，越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。 （2）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――“浅池理论”。

15. 7.2.3 理想沉淀池的总去除率 所有能够在沉淀池中去除的，沉速小于uo的颗粒的去除率为： （7-22） 沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉去除率为（1-p0），因此理想沉淀池的总去除率为： （7-23） 式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量的百分率；

16. 7.2.4 非凝聚性颗粒的沉淀实验分析 非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验，用一个圆筒进行，如图7-5所示。在圆筒水面h处开一个取样口，要求颗粒在在水中均匀分布，浓度为C0；然后在分别在t1, 、 t2 、 …tn时取样，分别测得浓度为C1、 C2 、 …Cn,对应的沉速分别为h/t1=u1、 h/t2=u2、…h/tn=un。设p1、p2、…pn 分别代表C1/C0、C2/C0、…Cn/C0则1-pi表示所有速度大于等于ui的颗粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的颗粒所占的比例，见图7-5。 具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数为p1-p2。

18. 7.2.5 凝聚性颗粒的沉淀实验分析 1.实验 采取图7-7的沉淀试验筒，筒长尽量接近实际沉淀池的深度，可采用2～3m，直径不小于100mm，设5～6个取样口。 先均匀搅拌测定初始浓度，然后试验，每隔一段时间，取出各取样口的水测定悬浮物的浓度，计算相应的去除百分数。以沉淀筒高度h为纵坐标，沉淀时间t为横坐标把去除百分比相同的各点连成光滑曲线，称为“去除百分数等值线” 含义：对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的颗粒的最远沉降途径，深度与时间的比值指明去除百分数时的颗粒的最小平均沉速。

20. 2.计算 对于某一表面负荷而言，根据凝聚性颗粒去除百分数等值线，可以得出总的去除百分数（见图7-8）： （7-24）

21. 7.3 平流沉淀池的基本结构 7.3.1 基本结构 平流式沉淀池分为进水区、沉淀区、存泥区、出水区4部分。 1.进水区 进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。一般做法是使水流从絮凝池直接流入沉淀池，通过穿孔墙将水流均匀分布在沉淀池的整个断面上，见图7-9。为使矾花不宜破碎，通常采用穿孔花墙 V<0.15-0.2 m/s，洞口总面积也不宜过大。

22. 2.沉淀区 沉淀区的高度一般约3～4m，平流式沉淀池中应减少紊动性，提高稳定性。 紊动性指标为雷诺数， (7-25) 稳定性指标为弗劳德数， (7-26) 能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低水力半径R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B>4, L/H>10，每格宽度应在3～8m不宜大于15m。

23. 3出水区 通常采用：溢流堰（施工难），淹没孔口（容易找平）见图7-10。孔口流速宜为0.6～0.7m/s，孔径20～30mm，孔口在水面下15cm，水流应自由跌落到出水渠。 为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰的长度，降低流量负荷。堰口溢流率一般小于500 m3/m d，目前我国增加堰长的办法如图7-11。

24. 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） 穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度以便放空。 机械排泥：带刮泥机，池底需要一定坡度，适用于3m以上虹吸水头的沉淀池，当沉淀池为半地下式时，用泥泵抽吸。 还有一种单口扫描式吸泥机，无需成排的吸口和吸管装置。沿着横向往复行走吸泥。

27. 7.3.2 影响平流式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 主要为短流的影响，产生的原因有： (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)池内存在的导流壁和刮泥设施等 2.凝聚作用的影响。 由于实际沉淀池的沉淀时间和水深所产生的絮凝过程均影响了沉淀效果，实际沉淀池也就偏离了理想沉淀池的假定条件。

28. 7.4平流沉淀池的工艺设计 设计平流沉淀池的主要控制指标是表面负荷或停留时间。应根据原水水质、沉淀水质要求、水温等设计资料、运行经验确定。停留时间一般采用1～3h。华东地区水源一般采用1～2h。低温低浊水源停留时间往往超过2h。

29. 一、各参数间关系 (7-27) (7-28) (7-29)

30. 二、第一种设计计算方法（实验计算方法） 1.根据沉淀实验结果选取u0，用uo=Q/A可以计算得到沉淀池的面积A； 2.选取沉淀时间t和沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得到沉淀池的长度L； 3.用公式B=A/L得到B； 4.用公式H=Qt/A得到H；

31. 三、第二种计算方法（经验计算方法） 1.根据经验选取平流式沉淀池的沉淀时间t，得到其体积V=Qt 2.选取沉淀池的深度H，用公式A=V/H得到沉淀池的面积A； 3.选取沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得到沉淀池的长度L； 4.用公式B=A/L得到B；

32. 四、其它参数 平流式沉淀池的放空排泥管直径，根据水力学中变水头放空容器公式计算： （7-30） 当渠道底坡度为零时，渠道起端水深可根据下式计算： （7-31） 式中Q—沉淀池的流量，m3/s； g—重力加速度9.81m/s2； B—渠道宽度，m。

33. 7.5 斜板（管）沉淀池的特点与工艺设计 7.5.1 原理 由沉淀效率 公式可知： 在原体积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提高。 斜板（管）沉淀池与水平面成一定的角度（一般60°左右）的板（管）状组件置于沉淀池中构成，水流可从上向下或从下向上流动，颗粒沉于斜管底部，而后自动下滑。 斜板（管）沉淀池的沉淀面积明显大于平流式沉淀池，因而可提高单位面积的产水量或提高沉淀效率。

34. 7.5.2 分类 有异向流、同向流、横向流三种，目前在实际工程中应用的是异向流斜板（管）沉淀池，其结构见图7-12。

35. 7.5.3 优缺点 优点： 1.沉淀面积增大； 2.沉淀效率高，产水量大； 3.水力条件好，Re小，Fr大，有利于沉淀； 缺点： 1.由于停留时间短，其缓冲能力差； 2.对混凝要求高； 3.维护管理较难，使用一段时间后需更换斜 板（管）

36. 7.5.4 设计计算 1.沉淀池面积A （7-32） 选定表面负荷（2.5~3.0mm/s），计算得到面积A。 2．沉淀池总高度 H=h1+h2+h3+h4+h5 （7-33） 式中：h1为超高0.3m，h2为清水层高度1.2m h3为自身高度0.866m，h4为配水区高度1.5m h5为污泥斗高度0.8m

37. 7.6 竖流式沉淀池 竖流式沉淀池：有圆形、正方形的。为了池内水流分布均匀，池经一般采用4～7m，不大于10m，沉淀区拄形，污泥斗倒锥形。

39. 7.6.1 设计参数 1. 2.t=1.5～2h 3.沉淀区上升速度V=0.5～1mm/s

40. 7.6.2 设计要求 1. D/H有效≤3，否则水流将变成辐流式 2.中心管下口应设喇叭口和反射板 ·反射板距底泥面·喇叭口与反射板的设计应按图 要求≥0.3m ·喇叭口下端距反射板之间的间隙高度 H3=0.25～0.5mm 3.排泥管下端距池底 排泥管上端超出水面4.浮渣 挡板距集水槽0.25～0.50m 浮渣挡板高出水面：0.15～0.20m 浮渣挡板淹没水深：0.3～0.4m

41. 7.6.3 设计计算 1.中心管面积与直径 （7-34） （7-35） 2沉淀区的面积 （7-36） 3.沉淀池的总面积A和池径D （7-37）

42. 4．沉淀区的有效水深（中心管喇叭口出水面高度）4．沉淀区的有效水深（中心管喇叭口出水面高度） （7-37） 式中：V为上升流速0.5～1.0mm/s t为沉淀时间，1.0～1.5h 5. 喇叭口距反射板之间的缝隙高度 （7-38） 式中：V1为出流速度， d1为喇叭口直径 ≤40mm/s

43. 6．污泥量W(m3)，其计算同平流式 7．污泥区容积 （7-39） 式中：为上部半径，为下部半径 要求：V> W 8．总高度H （7-40） 式中：h1为超高，h2为有效水深，h3为缝隙高度 h4为缓冲层高度，h5为圆锥高度

44. 7.7 幅流式沉淀池 辐流式沉淀池 （圆形、正方形）直径6～60m池内水深1.5～3.0m,机械排泥,池底坡度不小于0.05,见图7-13和图7-14。为使布水均匀,设穿孔挡板,穿孔率10％～20％.

48. 7.7.1设计参数 1.沉淀时间t 2.表面负荷q（m3/m2.h） 3. Qmax 4. H有效≤4m 7.7.2设计要求 1. D/H有效=6～12m 2.池底坡度 3.机械刮泥、静水压力排泥 （圆形） 无机械刮泥、静水压力排泥 （正方形） 4.进、出水有三种布置方式 (1)中心进水，周边出水：辐流式 (2)周边进水，中心出水：向心式 (3)周边进水，周边出水 5.刮泥机旋转角度：1～1.5m/min （周边线速） 6.穿孔挡板开孔面积为挡板处池断面面积的10～20%

49. 7.7.3 设计计算 1.每座沉淀池表面积A1与池径D （7-41） 2.有效水深h2 3.污泥量W （与平流式相同） 4.污泥区容积 （7-42）

50. （7-43） 5.总高度（H）和周边处的高度（Hˊ） （7-44） 其中：h1为超高，h2为有效水深，h3为缓冲高度层， h4为底坡落差，h5为污泥斗高度。