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1、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
2、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
3、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。
4、 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
5、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
6、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/
7、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
8、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
9、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
10、:,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
11、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)
12、。,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
13、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
14、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
15、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,
16、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12 23,底部以6075倾角坡向沉沙区,
17、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
18、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
19、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、
20、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
21、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0.4
22、m/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
23、 (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,
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