沉淀和澄清

【水处理】 2006-12-11 15:55:08 阅读196 评论0 字号：大中小 订阅

水中悬浮颗粒的去除，可通过颗粒和水的密度差，在重力作用下进行分离。密度大于水的颗粒将下沉，小于水的则上浮。沉淀法一般只适于去除20～100微米以上的颗粒(与颗粒的性质与比重有关)。胶体不能用沉淀法去除，需经混凝处理后，使颗粒尺寸变大，才具有下沉速度。 悬浮颗粒在水中的沉淀，可根

据其浓度及特性，分为四种基本类型：

(1)自由沉淀 颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量均不改变，下沉速度不受干扰。 (2)絮凝沉淀 颗粒在沉淀过程中，其尺寸、质量均会随深度的增加而增大，沉速亦随深度而增加。 (3)拥挤沉淀(分层沉淀) 颗粒在水中的浓度较大时，在下沉过程中将彼此干扰，在清水与浑水之间形

成明显的交界面，并逐渐向下移动。

(4)压缩沉淀 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，这发生在沉淀池底

部。2.1 自 由 沉 淀

对于低浓度的离散性颗粒，如砂砾、铁屑等，沉淀可以说是不受阻碍的。颗粒在水中将加速下沉，直到作用于颗粒的推力与水的阻力达到平衡，平衡状态是开始沉淀后瞬时达到的。在平衡时，颗粒开始以

均速下沉。这时，推力等于摩擦阻力。

(2.1)式中rs，P——分别为颗粒和水的密度(克／厘米)；

g——重力加速度(厘米／秒)； r——颗粒体积(厘米)。根据量纲分析，可得

3

2

3

(2.2)式中h——阻抗系数；

A——颗粒在运动方向上的投影面积(厘米)；

u——颗粒沉降速度(厘米/秒)。

h不是常数,它随雷诺数Re的改变而变化。根据实验得知，对球形颗粒，

Re<1 h=24/Re 12

由于

式中d——颗粒直径(厘米)；

g——水的运动粘滞系数(运动粘度) (厘米/秒)

对于球形颗粒

2

(2.3)

对于紊流，5004

(2.4)

对于层流，在Re<1时，

(2.5a)这就是司托克斯(stokes)公式。式中的m是水的粘滞系数(绝对粘度)(克/厘米·秒)。

如颗粒的密度小于水，例如油粒，则m指颗粒的浮升速度。式(2.5a)改写为：

(2.5b) 2.2 絮 凝 沉 淀

地面水中投加混凝剂后形成的矾花，或者生活污水中的有机性悬浮物，或者活性污泥等，在沉降过程中，絮状体互相碰撞凝聚，使颗粒尺寸变大，因此沉速将随深度而增加，如图2.8所示。因此，悬浮物的去除率不仅取决于沉淀速度，而且与深度有关。所以试验用的沉淀柱的高度应当与拟采用的实际沉淀池的高度相同，而且要尽量避免矾花因剧烈搅动造成破碎，影响沉淀效果，这可由司托克斯公式中uµd看出。

絮凝沉淀试验在沉淀柱中静置状态下进行(见图2.9a)。在柱筒的不同深度设有取样口。在不同的沉淀时间，从不同的深度取出水样，测出悬浮物的浓度，并计算出悬浮物的去除百 分率。将这些去除百分率点绘于相应的深度与时间的坐标上。在点出足够的数据后，绘出等浓度曲线，如图2.9b所示，这些曲线代表相等的去除百分数，它们也表示在一絮凝悬浮中对应于指明的去除率的颗粒沉淀路线的最高轨迹。2.3 拥

挤沉淀(分层沉淀)

当水中的悬浮物浓度较高时，在沉降过程中，会产生颗粒彼此干扰的拥挤沉淀现象。沉淀的颗粒可以是凝聚以后的矾花，或是曝气池出流水中的活性污泥，或是高浊度水中的泥沙。当矾花含量达2—3克/升以上，或活性污泥含量达1克/升以上，或泥沙含量达5克/升以上时，将产生拥挤沉淀现象，其特点是：

2

在水的沉淀过程中，会出现一个清水和浑水的交界面，沉淀过程也就是交界面的下沉过程，因此也称分层

沉淀(见图2.10)。

污泥开始沉淀时，沉淀柱中污泥浓度是均匀一致的(图2.10a)。沉淀一段时间后，在下沉的污泥与上层澄清液之间出现明显的分界面(界面1—1)，位于澄清液层A下面的称为受阻沉降层B，在此层中若取样分析，将发现污泥浓度是均匀一致的，并且具有一定的均匀沉降速度vs，即等于界面1—1的沉降速度。在形成界面1—1及受阻沉降层的同时，在沉淀柱底部悬浮固体开始压缩，出现一个压缩层D，在此层中悬浮固体的浓度也是均匀的，该层与其邻层的分界面(界面2—2)以一恒定的速度v上升。在受阻沉降层与压缩层之间有一过渡层C，在此层中由于泥层逐渐变浓，界面的沉降速度逐渐减小。当沉淀时间继续增长，界面1—1以匀速下沉，界面2—2以匀速上升，到t＝t2时，界面1—1与2—2相遇，B、C两层消失了，只剩下A和D层，此时污泥具有一均匀浓度C2，称之为临界浓度，接着压缩开始，D层高度逐渐减小，但很缓慢，因为被顶换出来的水必须通过不断减小的颗粒间空隙流出，最后直到完全压实为止，污泥浓度为Cu。 图 2.11表明界面位置随时间变化的情况。各层的沉降速度均可由沉降曲线上各点的切线斜率绘

出，例如达到临界浓度C2时的界面沉速为v2，由图可知，v2AB及CD都为直线，B至C为过渡区，沉速逐渐减小。C至D所需的压缩时间很长。缓慢的搅拌有

利于压缩，使挤压出来的水较易顶换出来。

在连续流的沉淀池中，因为不断有新的污泥进入，不断由上部溢流澄清水及底部排出浓缩污泥，因

此A、B、C、D各层均将保留着。

由实验知道，用同样的水样，不同的沉淀水深进行静置沉淀试验，其拥挤沉淀过程是相似的，等浓度区的浑液面的下沉速度完全相等，如图2.12所示。因此，当某一个沉淀高度的沉淀过程曲线已经知道时，就可以利用OA2/OA1＝OB2/OBl的关系画出任何沉淀高度的沉淀曲线，而不必去做实际水深的实验。

此外，由实验知道，不同悬浮物含量的水样，其拥挤沉淀过程是不同的，如图2.13所示。等浓度区

的浑液面的下沉速度vs＝¦(C)，式中C为水中悬浮物的起始浓度。

2.4 沉 淀 池

平流式沉淀池 竖流式沉淀池 辐流式沉淀池 斜板(管)沉淀池

以上三节讨论了不同类型的悬浮物在静置状态下的沉淀过程。本节将讨论工程实际采用的连续流的

沉淀池。

沉淀池的形式按池内水流方向的不同，可分为平流式、竖流式，辐流式和斜流式四种。图2.14 为设有链带式刮泥机械的平流式沉淀池。水通过进水槽和孔口流入池内，左挡板作用下，在池子澄清区的半高处均匀地分布在整个宽度上。水在澄清区内缓缓流动，水中悬浮物逐渐沉向池底。沉淀池末端设有溢流堰和出水槽，澄清区出水溢过堰口，通过出水槽排出池外。如水中有浮渣，堰口前需设挡板及浮渣收集设备。在沉淀池前端设有污泥斗，池底污泥在刮泥机的缓缓推动下刮入污泥斗内。开启排泥管上的闸阀，在静水压力(1.5—2米水头)的作用下，斗中污泥由排泥管排出池外。排泥管管径采用200毫米，以防堵塞。池底坡度采用0.01-0.02，倾向污泥斗。如池子个数较多，也可装设一台公用的刮泥车，轮流在各个池面的铁轨上缓慢移动，进行刮泥操作，将泥刮到污泥斗中，再用砂泵或靠静水压力排出池外(图2.15)。图2.16为上海市政设计院设计的自动连续吸泥车，沿池壁上导轨来回移动，速度约1米/分，跨度10米。吸泥车下部桁架浸在水面下，桁架底安装刮泥板和吸泥扁口管，吸泥口接吸泥虹吸管引到池外排泥沟，虹吸管的启动

可用真空泵或水射器。

如沉渣比重大，含水率低，流动性差，不能靠静水压力排泥,如冶金工业生产污水中的铁渣、煤屑等，可利用电动单轨抓斗来清除沉渣，如图2.17所示。有些给水沉淀池底部 采用许多条穿孔排泥管，靠静水

压力排泥(图2.18)。

穿孔排泥管长度在15米以内为宜，管径150一200毫米，工作宽度为1.5—2米(如池底做成水平)，孔眼直径15—25毫米，在平底上孔眼与断面中轴线成45—60°交错排列，在集泥斗内，孔眼则用垂直方向布置，孔眼流速4—5米/秒，孔眼总面积/管子截面积＝0.6～0.8。为防止穿孔排泥管堵塞，应设高压水冲

泥装置。

如沉淀池体积不大，底部也可做成许多污泥斗(图2.19)，斗的坡度采用45—50°，这样可省去排泥机

械。每个污泥斗应单独设一根排泥管，不能多斗合用一根。

对于城市污水厂的沉砂池，只要求去除污水中的无机悬浮物，如砂粒，炉渣等，让有机性悬浮物在后续的沉淀池中去除，因此沉砂池中的沉渣较密实，需要用射流器或用螺旋推进器排渣，如图2.20、2.21

所示。

总之,要使沉淀池发挥正常功效，必须重视排泥通畅的问题，要针对沉渣的特性正确选择排泥方法及设备，否则将使沉淀池的运行恶化。例如有机性污泥由于排泥不畅，在池底产生厌气发酵漂浮起来，或者大量沉渣堵塞排泥管道，迫使沉淀池停产。另外，要尽可能使污泥浓稠，以减少污泥脱水，干化工作的负担，污泥含水率与污泥性质、排泥周期及排泥方法有关。例如对城市污水的污泥，夏季时每天排泥一到二

次，含水率达97—98％，冬季时可二、三天排泥一次，污泥在斗内浓缩，含水率可达95－96％。 沉淀池的进水装置应尽可能使进水均匀地分布在整个池子的横断面，以免造成股流，要减少紊流对沉淀产生的不利影响，减少死水区，提高沉淀池的容积利用系数(其测定方法见本节一、2)。

进水装置除了如图2.14所示之外，还有图2.22的做法。水平挡板大致在1/2池深处。 给水沉淀池的进水装置较多采用的是在沉淀池进口处设一穿孔墙，靠增大阻力的办法使进水均匀，但孔口流速宜控制小于5厘米/秒，最下一排孔应高于积泥区0.5米，以免冲起积泥（图2.23）。 要着重指出的是，在混凝沉淀处理中，经过反应后的矾花进入沉淀池时，要尽量避免被紊流打碎，否则将显著降低沉淀效果。因此，反应池与沉淀池之间不宜用管渠相连，应当使水流经过反应后缓慢、均

匀地直接进入沉淀池。

沉淀池的出水装置常用堰口出流。如出水堰长度较大，施工时平顶堰很难保证完全水可做成由直角

三角堰构成的锯齿形堰口，齿深常用5厘米，齿距20厘米左右(图2.24a) 。

沉淀池出水堰的长度应控制在单位长度上的出水量小于100一450米/米、日(与水质有关)。如堰长

超过池宽，可将出水堰布置成图2.24b，c所示。

平流式沉砂池也是一种沉淀池，它的作用是除去城市污水中的砂粒、煤渣、果核等，以提高后续的沉淀池中污泥的肥料价值和便以输送。因此沉砂池中只希望沉下砂粒等无机物，不希望有机物沉下，这可以通过控制沉砂池中的流速大于0.15米/秒，小于0.3米/秒来达到。污水在沉砂池中的停留时间取0.5—1分钟。沉砂池宜分成二格或三格，根据污水流量的变化调整使用的格数，以满足所要求的流速。如流量较

小，只需一格，也要另加一格，交替使用。平流式沉砂池见图2.25所示。

近年来国外较多应用曝气沉砂池(下图)，在池的一侧通入压缩空气,使污水在池中旋流前进。通过调节空气量，可以控制污水的旋流速度，提高除砂率，减少沉渣中挟带的有机物，无需调节流速的其他措施。同时，对污水还起了预曝气作用，改善了运行条件。空气量应保证池中污水的旋流速度在0.25—0.4米/秒，一般为0.3米/秒。有效水深2—3米。污水在池内的前进速度在0.01—0.1米/秒之间，停留时间1.5—3.0

分钟。所需空气量为2—3米/米池表面积。

(二)计算

为了便于说明平流式沉淀池的工作原理，假定：(1)进出水均匀分布在整个横断面。沉淀池中各过水断面上各点的流速均相同；(2)悬浮物在沉降过程中以等速下沉；(3)悬浮物在沉淀过程中的水平分速等于水

流速度；(4)悬浮物落到池底，就被认为除去了。上述沉淀池称为理想沉淀池。

理想沉淀池中(图2.27)，每个颗粒一面向前流，一面向下沉，其运动轨迹是向下倾斜的直线。沉速≥u0

的颗粒可全部被除去，沉速≤u0的颗粒只能部分被除去。例如沉速=u1的颗粒被除去的比例为Hh/H，或

u1/u0。因为u0t0=H，Ｗ=H·A=Qt0，所以

3

2

3

即

(2.8)式中Ｗ——沉淀池容积(米)；

A——池表面积(米)； Q——进水流量(米/时)；

q0——过流率、或称表面负荷(米/米·时)。

通过静置沉淀试验，根据要求达到的沉淀效率，求出颗粒截留速度u0后，也就得到沉淀地的过流率

了。不过两者应取相同的单位，例如，u0——米/时，q0——米/米·时。

实际沉淀池中，断面上各点的流速分布是很不均匀的，图2.27中的n只是理论平均流速，水在池中的实际停留时间要比理论停留时间(Ｗ/Q)短。由于紊流的影响(池中水流的Re值一般大于500)，悬浮颗粒的实际沉速要比理想的沉速小。另外，当进水悬浮物浓度较高，密度比池中水较大，进入池中后，会由于密度差而形成异重流，池中上层水基本上不淀动，加上水温温差，风吹等因素的影响，在应用静置沉淀试验结果时，应当加以修正。修正范围与水的性质、悬浮物性质、池子尺寸比例等因素有关。一般可采取：

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2

3

2

32

3

(2.9)

(2.10) 必须指出，式(2.9)中的u0或q0，在絮凝沉降过程中沉淀柱水深与设计水深一致时才成立，式(2.10)中理论停留时间t0，不论是自由沉降，还是絮凝沉障，沉淀柱水深与设计水深一致才能采用。 如无静置沉淀试验数据，可按表2.2选定沉淀时间及表面负荷来计算沉淀池的长、宽、高。平流式沉

淀池的长与宽之比应大于4，宽度宣参照排泥机械的定型尺寸选定。 污泥区的计算，应根据污泥量及污泥储存时间决定。污泥区容积为：

式中 Q——每日水量(米/日)；

p——污泥含水率(％)；

C0，C1——进、出水中的悬浮物浓度(公斤/米)；

r——污泥容量(公斤/米)，当污泥主要为有机物，且含水率很大时，可近似地取1000公斤/米；

T——排泥间隔时间(日)。

污泥区与澄清区之间应有一个缓冲水层。某深度可取0.3—0.5米，以减轻水流对存泥的搅动，也为

存泥留有余地。

3

3

3

3

沉淀池的个数宜在两个以上。

水流在沉淀池内的实际停留时间的测定如下：在进口处极短时间Dt内投入Ｗ克Cl(用食盐溶液投入，Cl起示踪剂的作用)，并测定在不同时间t沉淀池出水中的Cl浓度C，以时间t为横坐标，浓度C为纵坐

标，可以画出如图2.28中Cl浓度曲线。

----

由于原水中Cl浓度为C1，所以在t2时间内，浓度超过C1的部分都是由于进口处加的食盐产生的，浓度C＝C1这条直线和浓度曲线间的面积形状代表了W克C1逐渐流过池子的实际情形，即面积A代表了W克C1。如果从面积A中取出微小面积a，它的横坐标为t，那么，在进入池子的流量中，有a/A´100%的流量，它的实际停留时间为t。利用数学道理，把面积A分成许多微小面积a，把得到的许多a和相应的

t相乘后加起来，再用面积A除，就可以求出面积A的重心的横坐标，如图中所示的ta。

---

由a所代表的流量关系，可以得出这些a/A´100%的流量，它们的平均实际停留时间应该是ta。如果这个池子的理论停留时间为T，它相应于图中的横坐标应为了T+t1，则面积所代表的W克Cl应该在T时间，在Dt内流出池子，如图中虚线所示，这实际上是不存在的。为了将理论的假定和实际情况相比较，我们可以把平均的实际停留时间ta解释为在Dt时间内进入池子的流量，假想在ta时刻的Dt内全部流出。实测资料表明，t0/T＝35—60％。ta/T表征短流程度，其值愈小，表明短流愈严重。一般把ta/T的比值称为池

子的容积利用系数；t2/t1的比值称为池子的水流扩散系数，一般为1.5—3倍。

图2.33)。澄清后的水，从设在池壁顶端的锯齿形堰口溢出，通过出水槽流出池外。当控制出水堰的

出水量小于100—300米/日·米，将出水槽布置成图2.34所示

辐流式沉淀池一般采用机械排泥，刮泥机每小时旋转2—4周，将污泥刮到池中去，靠静水压力或泥

浆泵将污泥排走。

如辐流式沉淀池直径不大，也可做成方形，采用4个斗排泥。

3

-

(二)计算

辐流式沉淀池的面积按过流率设计，A＝Q/q设＝Q/u设。池深按停留时间设计，H ＝u设·t设。如无静

置沉淀试验资料，可按规范选定停留时间进行设计。

(2)周边进水的辐流式沉淀池

当进水中悬浮物含量较大，例如活性污泥法系统中的二次沉淀池，由于进水与澄清水的密度不同，在池中会形成异重流(图2.35)，进水趋向池底，容易造成短路，搅起沉泥，并随着连续排泥的底流一起排出池外。为克服这些缺点，国外出现了周边进水的向心辐流式沉淀池(图2.36)。进水槽设在池壁 处，槽断面较大，槽底孔口较小，布水时水头损失集中在孔口上，使布水比较均匀。进水挡板下沿深入水面下约2/3处。出水槽可布置在池附近，也可布置在池壁处(图2.37)。据报导，向心辐流式沉淀池的表面负荷可

达2.5米/米·时，比普通幅流式沉淀池提高约一倍。 表2.2所示为各种型式沉淀池的设计参数，可供参考。

沉淀池的设计参数

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2

沉淀池的设计参数

表2.2

竖流式 25-30 20-25 平流式 30-45 14-22 22-45 幅流式 45 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） <300 100 50-55％ 备注 城市污水 混凝沉淀 石灰软化 活性污泥 城市污水处理 给水处理 污水初沉池 絮凝物 城市污水 表面负荷 （米/米·日） 32 20-24 停留时间 （小时） 堰顶溢流率 （米/米，日） 悬浮物 去除效率 3（同左） （同左） 1.5-2.0 2.0-4.0 300-450 100-150 40-85％ 100-130 60-65％ 污泥3-7％ 污泥3-6.5％ 污泥3-4％ 在城市污水处理方面，为了提高沉淀池的处理效果，采用污 水预曝气成将活性污泥系统的剩余活性污泥回流到初次沉淀池中 是很适宜的，这样可以产生生物絮凝的作用。预曝气所需空气量约0.5米/米

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3

污水，曝气时间10—20分钟。回流活性污泥的投加量介于100一400毫克/升。悬浮物去除率可提高到65—80％，BOD5去除率约增加15％。预曝气还可改善污水水质，有利于后续处理。剩余活性污泥回流到初次沉淀池，还可大大压缩污泥体积(含水率可由99.2—99.5％降到96—97％)，有利于污泥的处理与利用。

图2.39)，则称为斜管沉 淀池。 斜板(管)沉淀池内的水流条件，由于Re数(

)中的R很小，使Re数远小于500，属于层流状态而得到显著改善，不致受到紊流产生的搅拌影响，而一般沉淀池内Re数远大于500，因而干扰了颗粒的下沉。由式(2.8)，u0=q0=Q/A，如保持沉淀效率及u0不变，沉淀区面积A增大n倍，理论上通过的水量也可增大n倍。斜板(管)沉滤池可藉装置许多斜板来增大沉淀面积A，形成许多浅层沉淀池，因此斜板(管)沉淀池的生产能力可以显著地提高。国内外已有不少

旧池改建为斜板(管)沉淀池。

(二)构造

根据水流和泥流的相对方向，可将斜板(管)沉淀池分为逆向洗(异向流)，同向流，横向流(侧向流)三种类型。逆向流为水流向上，泥流向下(图2.40)。同向流为水流、泥流都向下，靠集水支渠将澄清水和沉泥分开(图2.41)。水流在进水、出水的水压差(一般在10厘米左右)推动，通过多孔调节板(平均开孔率在40％左右)，进入集水支渠，再向上流到池子表面的出口集水系统，流出池外。集水装置是同向流斜板沉淀池的关键装置之一，它既要取出清水，又不能干扰沉泥，因此，该处的水流状态必须保持稳定，不应出现流速的突变，同时在整个集水横断面上应做到均匀集水。同向流斜板的优点是：水流促进泥的向下滑动，保持板身的清洁，因而可以将斜板倾角减为30—40°，从而提高沉淀效果，缺点是构造上比较复杂。

横向流为水流大致水平流动，泥流向下(图2.42)。斜板倾角60°。 横向流斜板水流条件比较差，板间支撑也较难于布置，在国内很少应用。

逆向流斜板(管)的长度通常采用1—1.2米。同向流斜板长度通常采用2—2.5米，上部倾角30°—40°，下部倾角60°。为了防止污泥堵塞及斜板变形，板间垂直间距不能太小，以80—120毫米为宜；斜管内切圆直径不宜小于35—50毫米。根据这几年国内生产实践，板材不宜采用涂树脂的纸蜂窝或木材等，宜采

用聚丙烯塑料。给水处理用作生活饮用时，板材必须是无毒性的。