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【清华大学】水环境处理 讲义 NO 4

  • 省部重点实验室
    2012/01/06
    • 私聊

水质检测

  • 第四章 沉淀与澄清

    (Sedimentation, or settling and Clarification)

    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(discrete particle settling)





    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 p d3 (rp - rl ) g

    所受到的水的阻力F2=CD rl u2/2 p d2/4

    CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。

    平衡时：F1＝F2

    可得到沉速(terminal velocity)计算公式（对球形颗粒）：



    对于非球形颗粒：





    f：形状系数



    CD与Re有关。

    Re<1, CD= 24/Re







    m：水的动力粘度，Pa s



    二、颗粒沉淀实验


    t=0

    t=ti

    h
















    1.在ti时，从底部取样，测定Ci

    2.计算

    tiÞ ui = h/ti

    Ci Þ pi = Ci/C0

    pi：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）


    p

    u=h/t
















    4.颗粒去除率

    在t0 时， u³u0 的颗粒全部去除

    u0 的颗粒部分去除

    hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0



    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/(h0 B) 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。

    u³u0的颗粒可以全部去除

    u0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

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  • 省部重点实验室

    第1楼2012/01/06

    第3节 絮凝沉淀(flocculent settling)



    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Ci

    2) 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

    P＝（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


    沉淀效率
    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。

    b-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¥



    l 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）。




    A11

    A21

    B11

    B21
    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





    l 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）



    l 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 v<0.15-0.2 m/s



    2）沉淀区

    水力条件要求：

    减少紊动性：紊动性指标Re = vR/n n：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/B>4, L/H>10

    水流速度的控制也很重要

    适宜范围：10-25 mm/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：<500 m3/(m d)

    初沉：<2.9L/(m s)

    二沉：1.5- 2.9 L/(m s)



    4）存泥区及排泥措施

    l 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）



    l 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

    ² 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＝u0/1.25-1.75 T设＝1.5-2.0 T0



    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） 1－2 1-3

    初次沉淀池 1.5-3 1-2

    二次沉淀池（生物膜法后） 1-2 1.5-2.5

    （活性污泥法后） 1-1.5 1.5-2.5



    2）设计计算

    ² 以q来计算

    A ＝Q/q设

    L=3.6 v T；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



    ² 以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。



    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- 3 m/h, T设＝1 – 2.0 h

    由v设→A=Q/v设 注意：A的算法

    →直径f

    由T设→H＝v设T设

    f/H<3，使水流接近竖流，f<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。



    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）

    f＝20－30mm，f>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:1.5-2.5h



    2．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

    Þ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（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 R>d/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：

    q＝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

    u0=0.2-0.4 mm/s, v£3 mm/s

    Q设＝hu0（A斜＋A原） h：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积



    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＝hu0（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＝hu0A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/(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



    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

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  • 省部重点实验室

    第2楼2012/01/06

    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

    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/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

    充水时间：25－30s

    放水时间：6－10s

    1956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＝0.8-1.0 mm/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）



    ² 澄清池中加斜板，注意反应室的配套设计

    ² 欧洲过滤型澄清池多，美国机械加速澄清池多。

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  • 马踏飞燕

    第3楼2012/01/07

    应助达人

    谢谢斑竹的共享，沉淀是比较常用的。

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  • 马踏飞燕

    第4楼2012/01/07

    应助达人

    对于比重>1，下沉，用沉淀法； 比重<1，上浮，是不是就用气浮法呢？？

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  • 马踏飞燕

    第5楼2012/01/07

    应助达人

    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。
    这个看上去很抽象啊，貌似外力加压的一样？？

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  • 马踏飞燕

    第6楼2012/01/07

    应助达人

    澄清的作用平时大家都用，水放置时间久了，自然澄清。

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  • 小虾米

    第7楼2012/01/08

    拥挤沉淀？还是新的单词！！

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