沉淀和澄清给排水工程.ppt

沉淀和澄清,沉淀的分类,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。,悬浮颗粒在静水中的自由沉淀沉降的基本原理沉降试验和沉降曲线沉淀池及其设计计算,悬浮颗粒在静水中的沉淀,沉淀池,中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图,进水,出水,排泥,在环境领域沉降原理如何利用？,应用水与废水处理：各种颗粒物（无机砂粒、有机絮体）的沉降比重较小絮体的上浮油珠的上浮气体净化：粉尘、液珠,沉 淀,二、流体阻力,当某一颗粒在不可压缩的连续流体中做稳定运行时，颗粒会受到来自流体的阻力。该阻力由两部分组成：形状阻力和摩擦阻力。流体阻力的方向与颗粒物在流体中运动的方向相反，其大小与流体和颗粒物之间的相对运动速度u、流体的密度、粘度以及颗粒物的大小、形状有关。对于一般非球形的颗粒物，这种关系非常复杂。阻力公式如下,图a 曲面边界层分离现象,使流体不再贴着圆柱体表面流动，而从表面分图a 曲面边界层分离现象离出来，造成边界层分离，S点称为分离点。形成的旋涡，不断地被主流带走，在圆柱体后面产生一个尾涡区。尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，即小于圆柱体前和尾涡区外面的压强，从而在圆柱体前后产生了压强差，形成了压差阻力。压差阻力的大小与物体的形状有很大关系，所以又称为形状阻力。,式中：As运动方向的面积 Cd牛顿无因次阻力系数：Cd=f(Re)u颗粒沉降速度 当受力平衡时，沉速变为u（最终沉降速度）,沉降动力学:颗粒受力情况分析,沉降的基本原理,对于球形颗粒：,CD阻力系数，与Re有关。Re表示水流的惯性力与粘滞力之间的对比:,非球形颗粒,：形状系数,紊流区（牛顿区）,过渡流区（艾伦区）,层流区（stokes区）:,该公式难以反映实际，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。但可以了解u的影响因素。此外，一般d难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定u，算出d（注意是名义上的）。,拥挤沉淀,特点：1.发生在SS浓度较高的情况 2.分层沉淀，出现清水浑水交接面 3.出现4个区，参见图162。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，压实区顶部界面以一定速度上升,当ttc时，变浓度区刚好消失时，称为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2-3g/L）活性污泥1g/L 高浓度泥沙5g/L,沉降过程曲线 以交界面的高度为纵坐标，沉淀时间为横坐标，可作出沉降过程曲线。参考图16-2。b-c的斜率代表交界面的等速沉降 Cc为临界点 最后压实高度为H,沉降过程曲线的相似性同一水样（当原水颗粒浓度一样时）A、B区交界面下降速度与水深无关。OP1/OP2OQ1/OQ2不同水深沉淀过程存在着相似性；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；有可能用较短的沉淀管来推测实际沉淀效果界面沉降速度Vs与颗粒浓度有关Vs=f(C),平流沉淀池,非凝聚性颗粒的沉淀过程理想沉淀池沉淀去除率凝聚性颗粒的沉淀过程凝聚性颗粒特点 大小、形状和密度在变，沉速也随着沉淀的深度和时间而加快。沉淀效果根据沉淀试验加以预测,理想沉淀池假设：颗粒为自由沉淀水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。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。uu0的颗粒可以全部去除 uu0的颗粒只能部分去除,去除率为Eui/u0=ui/(Q/A)q=Q/A=u0 表面负荷或溢流率由上式可知，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。(Hazen 理论,1904年）,Eui/u0=ui/(Q/A)反映两个问题,1）E一定，ui越大，表面负荷越大、产水量越高；或q（溢流率）不变，ui越大，E越大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。2）ui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“浅层理论”。,理想沉淀池示意图,刚好100%去除颗粒；,可部分去除颗粒；,可全部去除颗粒。,静沉试验所得到的沉降规律用于理想沉淀池。,去除效率为,二、表面负荷q0,q0在数值上等于最小沉降速度；q0，ET；在自由颗粒沉降中，当处理水量为定值是，处理效率ET 仅是沉降区表面积的函数，而与水深无关。A，q0，则ET。,三、实际沉淀池 在实际沉淀池，理想沉淀池的假设是不存在的，颗粒的运动是不规则运动。,四、对于絮凝沉降,颗粒之间并聚变大，或,变大，u也会之变大。,其运动轨迹发生变化：,絮凝沉降颗粒运动轨迹,但是，为保守起见，沉降效率依然按照：,进行计算。,沉降试验和沉降曲线,一、自由沉降试验及沉降曲线,二、絮凝沉降试验及沉降曲线,一、自由沉降试验及沉降曲线,一、试验装置,三、Camp图解积分法及沉降曲线,二、常规计算法及沉降曲线,试验装置示意图,二常规计算法(数据记录与处理),二常规计算法(由数据绘制沉降曲线)（续）,E,沉降时间，t(min),图3-1 E-t曲线,最小沉速，u,E,图3-2 E-u曲线,三Camp积分法,给定的沉降时间t内：对于uu0的颗粒全部除去,对于uu0的颗粒可被部分去除。,1-p0,给定的沉降时间t内：对于dd0的颗粒全部除去,对于dd0的颗粒可被部分去除。,1-p0,？：对于uu0的颗粒，可去除部分所占比例是多少？去除率是多少？,三Camp积分法,u u0的颗粒中，di di+dd范围内颗粒所占SS总量的百分率用dp表示。,对于u u0的颗粒，其中可去除部分所占比例为：,则在di di+dd范围内能被去除部分颗粒占SS总量的百分率为：,对于全部uu0颗粒群体，可去除部分为：,三Camp积分法,uu0部分颗粒所占百分率为1 p0,则，总沉降效率为ET：,二、絮凝沉降试验及沉降曲线,絮凝沉降的特点：,颗粒的形状d、在沉降过程中改变；,浓度上稀下浓；SS浓度随水深度变化而变化，且呈现非线性变化。,1.絮凝沉降试验,装置：140150mm H=2.02.5m 45个取样口，间距500mm,取样：C0由t=0时中间取样口采集t1、t2、ti、tn时，同时从各取样口取水样（两份，求平均浓度），用以确定不同时间、不同水深处残留的SS浓度C1、C2、Ci、Cn。,绘图：例如：0.5m、1.0m、1.5m处各有一取样口，按设定的时间序列同时取样，并计算Et。,沉降时间，t(min),0.5m,1.5m,Et-t 曲线,SS等去除率曲线,Et,1.0m,颗粒去除率的计算,方法：按自由沉淀来类推（参考图169）,影响平流沉淀池效果的因素,实际水流状况短流、死角、水流紊动（雷诺数）、异重流（弗劳德数）水力半径：水力半径是总流过流断面面积与湿周之比。湿周，就是在总流的过流断面上与流体相接触的固体边壁周长。凝聚作用,(1)入口整流措施,斜板（管）沉淀池,浅层沉降原理斜板（管）沉淀池设计举例,斜板（管）沉淀池：浅层沉降原理,，ET,则要以减小处理能力为代价。,当分为n层时,，当A一定时，,每层处理的水量为,(1 p0)100%，,等于n,ET,实际应用中，考虑排泥的要求，将隔板以4560角度倾斜。按水流方向不同，可分为：异向流、同向流、横向流（侧向流）。,ET不变，在分层后，处理水量变化?分层后处理水量：Q=BHv u0/v=u0t/vt=h/L H=nh u0/v=u0t/vt=H/L有：v=nv分层后处理水量：Q=BHnv=nBHv=nQ,处理流量提高到n倍,澄清池,澄清池是能够同时实现混凝剂与原水的混合、反应和絮体沉降三种功能的设备。它利用的是接触凝聚原理，即为了强化混凝过程，在池中让已经生成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮泥渣层(接触凝聚区)，当投加混凝剂的水通过它时，废水中新生成的微絮粒被迅速吸附在悬浮泥渣上，从而能够达到良好的去除效果。所以澄清池的关键部分是接触凝聚区。保持泥渣处于悬浮、浓度均匀稳定的工作条件已成为所有澄清池共同特点。,根据泥渣与废水接触方式的不同，澄清池可分为两大类：一类是悬浮泥渣型，它的泥渣悬浮状态通过上升水流的能量在池内形成的，当水流从下往上通过泥渣层时，截留水中夹带的小絮体，主要形式有悬浮澄清池、脉冲澄清池等；另一类是泥渣循环型，即让泥渣在竖直方向上不断循环，通过该循环运动捕集水中的微小絮粒,并在分离区加以分离，主要形式有机械加速澄清池和水力循环加速澄清池。在废水处理中，应用最广泛的机械加速澄清池。,废水从进水管进入环形配水三角槽,混凝剂通过投药管加在配水三角槽中，再一起流入混合室，进行水与药剂和回流污泥的混合。由于涡轮的提升作用，混合后的泥不被提升到反应室，继续进行混凝反应,并溢流到导流室。导流室中有导流板，使废水平稳地沿伞形罩进入分离室，分离,室中设有排气管，将废水中带入的空气排出，减少对泥水分离的干扰，泥渣便靠重力自然下沉，清液由集水槽和出水管流出池外。,设计举例,设计内容,（1）工艺尺寸,（2）结构尺寸,（3）进出水区,（4）工艺装备,应用举例沉砂池,一、一般说明1.一般位于泵站之前或初沉池之前，用以分离水中较大的无机颗粒。,以使水泵、管道免受磨损和阻塞；以减轻沉淀池的无机负荷；改善污泥的流动性，以便于排放、输运。,2.分类：按池内水流方向的不同，可分为平流式、竖流式、离心式、曝气式等。,3.由于曝气沉沙池和环流式（离心式）沉砂池对流量变化的适应性较强，除砂效果好且稳定，条件许可时，建议尽量采用曝气沉沙池和环流式沉砂池。,二、设计计算:曝气沉砂池、平流沉砂池为例。,例1：曝气沉砂池,1.主要设计参数 旋流速度应保持0.25-0.3米/秒；,水平流速为0.1米/秒；,最大流量时的水力停留时间为1-3分钟；,有效水深一般为2-3米，宽深比一般1-1.5,长宽比一般应大于5,曝气量一般为0.2m3/m3（废水）,池内应考虑消泡与隔油装置（或设备）,曝气沉砂池：,解决沉砂池存在的问题：砂中含有机物；对被有机物包覆的砂粒截留效率不高。曝气的作用是使有机物处于悬浮；砂粒摩擦及在气体剪切力和紊动条件下，去除其附着的有机污染物。,例1：曝气沉砂池：工艺尺寸,设计内容,（1）工艺尺寸主要确定沉砂池的池长、池宽、池深等。,水流断面A：,池宽B：,池长L：,池容V（有效容积）：,例1：曝气沉砂池:工艺尺寸,在设计计算过程中，沉砂池的长、宽、深等工艺尺寸需同时满足有关的长宽比和宽深比，以保证沉砂池内的流态为推流式。,如不满足需重新调整有关尺寸：,重新选择设计参数，从新进行设计计算。,（2）结构尺寸,沉砂池的结构尺寸包括集砂斗、集砂槽、集油区等。,例1：曝气沉砂池：结构尺寸,集砂斗倾角不小于50。,集砂槽设计与明渠设计相同，但设计流速应不小于0.8m/s。,集油区长度与沉砂区相同，宽度一般为沉砂区宽度的1223，底部以6075倾角坡向沉沙区，以保证进入集油区的砂滑入沉沙区。,（3）进出水区,进水区、配水方式、出水区,例1：曝气沉砂池：进出水区,进水：沉砂池进水一般采用管道或明渠将污水直接引入配水区。,配水：由于曝气沉沙池内水流的旋流特性，一般认为对曝气沉 砂池的配水要求不十分严格，通常采用配水渠淹没配水。,出水：沉砂池出水一般采用出水堰出水，出水堰的宽度一般与 沉砂池宽度相同，依此根据堰流计算公式可确定相应的 堰上水头。,例1：曝气沉砂池：工艺装备,（4）工艺装备,供气方式：鼓风曝气，曝气沉砂池的供气可与曝气池供气联合 进行或独立进行。,曝气设备：一般采用穿孔管，孔径一般为25mm。,排砂设备、集油设备：曝气沉砂池的排沙一般采用排沙泵抽吸；浮油的收集通常采用撇油的方式；吸砂泵和撇油设 备通常置于行车上。,砂水和油水分离设备：从沉沙池排出的砂水和油水混合物含水 率仍很高，通常设置砂水分离器和油水分离器对其 分别进行处置。,例2：平流式沉砂池,1设计参数,流量Q：按Qmax设计；自流时，按最大流量；泵输送时，按泵的最大组合流量 分格数n：n2 水平流速v：0.150.3m/s 停留时间：t3060min,例2：平流式沉砂池,2.设计内容,1.工艺尺寸,2.结构尺寸,3.进出水区,4.工艺装备,例2：平流式沉砂池：工艺尺寸,长度L（m）：L=vt 过水面积F（m2）：F=Q/v 池宽B（m）：B=F/h2 单格宽：b=B/n h2为有效水深 校核最小流速vmin0.15m/s,平流式沉淀池配水：平流式沉淀池的配水可采用进水挡板或进水穿孔墙等；出水：一般采用三角堰；集水：平流式沉淀池的集水采用多重集水渠；水力计算；超高、缓冲区。,平流式沉淀池示意图,3、主要设计内容（1）工艺尺寸（平流式沉淀池）,沉降区表面积：,沉淀区长度L2=vt v5mm/s t取1.52.0h,沉淀区宽度B2=A/L2 L2/b=45（不满足长宽比要求时，应分为n格，当采用机械刮泥时，b还应与刮泥机的衍架宽度相对应）,例2：平流式沉砂池：结构尺寸,进、出水区结构及尺寸；贮砂斗所需容积、结构。,结合单格宽、砂斗壁倾角，确定砂斗上、下底宽a、a2和高使设计的砂斗容积等于或不小于所需砂斗容积。,输砂泵（机械排泥）、砂水分离器、刮渣设备、行车等。,工艺装备,普通沉淀池,一、一般说明（1）沉淀池分为平流式、竖流式、辐流式。（2）通常辐流式适合于大规模，竖流式适合于小规模，而平流式则无此限制。（3）基于浅层沉降原理，出现斜板、斜管等高负荷新型沉淀池。在城市污水处理中尚存在一些问题，应用较少。（4）包括进水区、出水区、沉淀区、污泥区和缓冲区5个功能区。（5）根据在处理系统中位置及分离对象的不同：初沉池、二沉池。,二、主要设计参数（1）流量当自流进入时，应按最大流量设计；厂内设置提升泵房时，应按工作水泵的最大组合流量设计。（2）负荷沉淀池负荷（或停留时间）的选择见下表。,主要设计参数（续）,表：沉淀池的功能与负荷或停留时间的关系,3、主要设计内容（1）工艺尺寸1）有效沉淀面积、池长、池宽、池深等；,沉淀区有效容积V：,沉淀区高度h1：,对于辐流式沉淀池，依据沉淀面积即可确定沉淀池的直径；对于平流式沉淀池，依据必需的长宽比和宽深比可确定沉淀池的长和宽。对于竖流式沉淀池，工艺尺寸的确定另外给出。,有效沉淀面积A：,2）水渠、配水区（墙或管）、出水渠等；按辐流式、平流式沉淀池、竖流式沉淀池分别介绍。辐流式沉淀池（中心进水周边出水）中心管：中心管管径按流速应大于0.4m/s的最小沉速设计；导流筒：导流筒的深度一般为池深的一半，容积占沉淀容积的5；出水集水渠：现行辐流式沉淀池的出水集水渠一般位于距池壁的110R处；出水堰：单侧或双侧三角堰。超高、缓冲区,3、主要设计内容（1）工艺尺寸（辐流式沉淀池）,设计计算 有效水深h2：通常取1/2半径处的深度值,或,（f为中心管面积）,表面积F：F=Q/q 有效直径：,径深比：径深不小于6,中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图,3、主要设计内容（1）工艺尺寸,竖流式沉淀池配水：中心管、反射导流板出水：一般采用三角堰；集水：集水渠。水力计算。,竖流式沉淀池示意图,进水,出水,3、主要设计内容（1）工艺尺寸（竖流式沉淀池）,中心管：V130mm/s，,上升部分：V=0.31mm/s，即q=2.03.0m3/m2h，直径D：,上升深度h2：h2=Vt 无资料时，t取1.52.0h，径深比不大于3 泥斗计算、超高、缓冲区高度同前；中心管及反射板计算见P37,优缺点：排泥多采用重力排泥，简单易行；对Q波动适应能力小；适于中小厂。与平流式及辐流式不同，其ET=(1-p0)100%,3、主要设计内容（2）结构尺寸 1）缓冲层 在沉淀区与集泥区之间一般设置缓冲区，缓冲区的高度一般为0.3-0.5m。,辐流式沉淀池泥斗一般为圆台形，上部直径为2m，下部直径为0.5-1m，泥斗倾角大于45；,平流式沉淀池泥斗一般为（正）棱台形，上部边长与池宽相同（若池宽较大时可设多个泥斗），下部边长一般为0.5-1.0m，泥斗倾角大于45。,竖流式沉淀池泥斗：圆台形或（正）棱台形。,2）泥斗,4、工艺装备沉淀池的主要工艺装备为刮泥机。刮泥机的设计主要按照沉淀池的形式、尺寸（直径或宽度）以及所需的排泥方式进行。,斜板（管）沉淀池:斜板沉淀池,异向流,斜板沉淀池示意图,1进水管；2配水槽；3斜板；4集水槽；5出水落水斗；6污泥斗；7排泥管,