水處理工程技術(shù)-第三章

3-3沉砂池沉淀的理論基礎(chǔ)沉淀法是利用水中懸浮顆粒的可沉降性能，即在重力作用下沉淀去除，以達(dá)到固液分離的一種物理過程。沉淀處理工藝的四種用法

沉砂池：用以去除污水中的無機(jī)易沉物初次沉淀池：較經(jīng)濟(jì)的去除懸浮有機(jī)物，減輕后續(xù)生物處理構(gòu)筑物的有機(jī)負(fù)荷，保證后續(xù)處理設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)二次沉淀池：用來分離生物處理工藝中產(chǎn)生的生物膜、活性污泥等，使處理后的水得以澄清。污泥濃縮池：將來自初沉池及二沉池的污泥進(jìn)一步濃縮，以減小體積，降低后續(xù)構(gòu)筑物的尺寸及處理費(fèi)用等。自由沉淀懸浮物濃度不高(<50mg/L)；沉淀過程中懸顆粒之間互不干擾，呈單顆粒狀態(tài)，各自單獨(dú)進(jìn)行沉淀，顆粒沉淀軌跡呈直線。沉淀過程中，顆粒的物理性質(zhì)不變。如沉砂池中的沉淀。根據(jù)懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀可分成四種類型也稱干涉沉淀，懸浮物濃度50～500mg/L；沉淀過程中相鄰懸浮顆粒之間可能相互碰撞產(chǎn)生絮凝作用，顆粒的質(zhì)量、形狀、沉速變大。如二沉池污泥的沉淀和化學(xué)絮凝沉淀。絮凝沉淀擁擠沉淀或成層（區(qū)域）沉淀壓縮沉淀懸浮物濃度較高（500mg/L以上）；沉淀過程中相鄰懸浮顆粒之間有互相防礙，干擾，并在聚合力作用下，顆粒群結(jié)成一個(gè)整體向下沉淀，與澄清水之間形成清晰的液-固界面。如二次沉淀池下部、污泥濃縮池開始階段。區(qū)域沉淀的繼續(xù),懸浮顆粒濃度很高；顆粒間相互相支承，上層顆粒在重力作用下，擠出下層顆粒間隙的水，使污泥得到濃縮。如二沉池污泥斗中、濃縮池中的濃縮過程。時(shí)間固液分界面高度自由沉淀及其理論基礎(chǔ)分析的假定沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量等不變。顆粒為球形。顆粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他顆粒影響。靜水中懸浮顆粒開始沉淀時(shí)，因受重力作用產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過很短的時(shí)間后，顆粒的重力與水對其產(chǎn)生的阻力達(dá)到平衡，顆粒即成等速下沉。懸浮顆粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力時(shí)，下沉；重力等于浮力時(shí)，相對靜止；重力小于浮力時(shí)，上浮。1.懸浮顆粒的重力F1F1---顆粒的重力，是促使沉淀的作用力

式中：

V-顆粒的體積；

ρg-顆粒的密度；

g-重力加速度。2.水對自由顆粒的浮力為：ρy-液體的密度3.下沉過程受到的摩擦阻力：

C-阻力系數(shù)；

A-自由顆粒的投影面積；

u-顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)速度，即顆粒沉速。懸浮顆粒在水中的受力分析球狀顆粒自由沉淀的沉速公式自由沉淀可由牛頓第二定律表達(dá)：得球狀顆粒自由沉淀的沉速公式：當(dāng)受力達(dá)到平衡后：地面水中投加混凝劑后形成的礬花，或者生活污水中的有機(jī)性懸浮物，或者活性污泥等，在沉降過程中，絮狀體互相碰撞凝聚，使顆粒尺寸變大，因此沉速將隨深度而增加，如下圖中2曲線所示。自由沉淀與絮凝沉淀的軌跡

l一離散顆粒，2一絮凝顆粒因此，懸浮物的去除率不僅取決于沉淀速度，而且與深度有關(guān)。所以試驗(yàn)用的沉淀柱的高度應(yīng)當(dāng)與擬采用的實(shí)際沉淀池的高度相同，而且要盡量避免礬花因劇烈攪動(dòng)造成破碎，影響沉淀效果。絮凝沉淀理論1當(dāng)水中的懸浮物濃度較高時(shí)，在沉降過程中，會產(chǎn)生顆粒彼此干擾的擁擠沉淀現(xiàn)象。沉淀的顆?？梢允悄垡院蟮牡\花，或是曝氣池出流水中的活性污泥，或是高濁度水中的泥沙。擁擠沉淀的特點(diǎn)：在沉淀過程中，會出現(xiàn)一個(gè)清水和渾水的交界面，沉淀過程也就是交界面的下沉過程，因此也稱成層沉淀。擁擠沉淀理論沉淀池通過懸浮顆粒下沉而實(shí)現(xiàn)去除目的的沉淀過程。氣浮池通過微氣泡和懸浮顆粒的吸附，使其相對密度小于水而上浮去除的過程。澄清池通過沉淀的泥渣與原水懸浮顆粒接觸吸附而加速沉降去除的沉淀過程。完成沉淀過程的主要構(gòu)筑物顆粒處于自由沉淀狀態(tài)。水流沿著水平方向作等速流動(dòng)，在過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)流速相等，顆粒的水平分速等于水流流速。顆粒沉到池底即認(rèn)為已被去除。理想沉淀池的三個(gè)假定：理想沉淀池原理平流理想沉淀池流入?yún)^(qū)、沉淀區(qū)、流出區(qū)、污泥區(qū)當(dāng)某一顆粒進(jìn)入沉淀池后另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降速度u。一方面隨著水流在水平方向流動(dòng)，其水平流速v等于水流速度；顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀過程中，是一組傾斜的直線，其坡度為i=u/v。必然存在某一粒徑沉速為u0的顆粒，剛好能沉至池底，

u0稱為截留沉速。當(dāng)顆粒沉速u≥u0時(shí)，無論這種顆粒處于進(jìn)口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。當(dāng)顆粒沉速u<u0時(shí)，位于水面的顆粒不能沉到池底，會隨水流出，如圖中軌跡II所示；而當(dāng)其位于水面下的某一位置時(shí)，它可以沉到池底而被去除，如圖中II虛線軌跡所示。

說明對于沉速u小于指定顆粒沉速u0的顆粒，有一部分會沉到池底被去除。影響沉淀池沉淀效果的因素分析在池深和池寬方向都存在水流分布不均勻的問題；由于風(fēng)力、水流、池壁等造成紊流，使實(shí)際沉淀池的去除率低于理想沉淀池。1.實(shí)際水流狀況的影響：池寬方向水流速度分布不均勻,紊流的存在使顆粒不能勻速下沉，使沉速減慢或加速,影響去除率。2.凝聚作用的影響：絮凝大小顆粒不均勻，沉速也不同，沉速大的顆粒會追上沉速小的顆粒而引起絮凝。3-3沉砂池沉砂池作為依靠重力作用進(jìn)行固液分離的裝置，可以分為兩類：一類是以沉淀有機(jī)固體為主的裝置，通稱為沉淀池；另一類則是以沉淀無機(jī)固體為主的裝置，通稱為沉砂池。城市污水的沉砂量按0.03L/m3計(jì)算，沉砂的含水率約60%，密度為1500kg/m3。沉砂池的儲砂斗容積不應(yīng)大于2d的沉砂量，采用重力排砂時(shí)，砂斗的斗壁與水平面的夾角不應(yīng)小于55°。沉砂池一般采用機(jī)械排砂的方法，同時(shí)設(shè)置儲砂池或曬砂場。人工排砂時(shí)，排砂管直徑不應(yīng)小于200mm，沉砂池的超高不宜小于0.3m。沉砂池的作用沉砂池的工作原理沉砂池的幾種型式從污水中去除砂子、煤渣等比重較大的無機(jī)顆粒，以免這些雜質(zhì)影響后續(xù)處理設(shè)備的正常運(yùn)行。平流式、豎流式、曝氣沉砂池旋流式沉砂池、多爾沉砂池等以重力或離心力分離為基礎(chǔ)，即將進(jìn)入沉砂池的污水流速控制在只能使比重大的無機(jī)顆粒下沉，而有機(jī)懸浮顆粒則隨水流帶走。（一）基本構(gòu)造：是一種最傳統(tǒng)的沉砂池，它構(gòu)造簡單，由入流渠、出流渠、閘板、水流部分、沉砂斗和排砂管組成。平流式沉砂池平流式沉砂池的一種型式h3‘（二）排砂方式常用的排砂方式有重力排砂與機(jī)械排砂兩種。平流式沉砂池單口泵吸式排砂、排泥機(jī)（一）設(shè)計(jì)參數(shù)按照去除砂粒粒徑大于0.2mm、比重為2.65確定。（1）設(shè)計(jì)流量。當(dāng)污水自流入池時(shí)，按最大設(shè)計(jì)流量計(jì)算；當(dāng)污水用泵抽升入池時(shí)，按工作水泵的最大組合流量計(jì)算；合流制系統(tǒng)，按降雨時(shí)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算。（2）水平流速。應(yīng)基本保證無機(jī)顆粒沉淀去除，而有機(jī)物不能下沉。最大流速為0.3m/s，最小流速為0.15m/s。（3）停留時(shí)間。最大設(shè)計(jì)流量時(shí)，污水在池停留時(shí)間一般不少于30s，一般為30~60s。（4）有效水深。設(shè)計(jì)有效水深不大于1.2m，一般采用0.25~1.0m，每格池寬不宜小于0.6m。（5）沉砂量。生活污水按0.01~0.02L/(人·d)計(jì)；城市污水按1.5~3.0m3/105m3污水計(jì)，沉砂含水率約為60%，密度為1.5t/m3，儲砂斗的容積按2d的沉砂量計(jì)，斗壁傾角為55°~60°。（6）沉砂池超高不宜小于0.3m。

平流式沉砂池的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.長度L

式中：v-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的速度，m/s，最大流速為

0.3m/s，最小為0.15m/s。

t-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的停留時(shí)間，單位為s，30~60s。

2.水流斷面面積A

式中：

Qmax-最大設(shè)計(jì)流量，m3/s。3.池總寬度b

式中：h2-設(shè)計(jì)有效水深，m；0.25~1.0m。4.沉砂斗所需容積V

式中：x1-城市污水的沉砂量，一般采用3m3/105m3（污水）；t’--排砂時(shí)間的間隔，d；

k總

–生活污水流量的總變化系數(shù)，表3-3。平流式沉砂池的設(shè)計(jì)與計(jì)算

計(jì)算內(nèi)容：包括沉砂池尺寸計(jì)算、沉砂量及沉砂斗容積及尺寸計(jì)算、最小流速校核。

5.貯砂斗各部分尺寸計(jì)算設(shè)貯砂斗底寬b1=0.5m；斗壁與水平面的傾角為60o；則貯砂斗的上口寬b2為：貯砂斗的容積V1：式中：h’3-貯砂斗高度，m；

S1，S2-貯砂斗上口和下口的面積。

6.貯砂室的高度h3

設(shè)采用重力排砂，池底坡度

i=6%，坡向砂斗，則7.池總高度H

式中：h1-超高，m；

h3-貯砂斗總高度，m。

8.核算最小流速vmin

式中：

Qmin-設(shè)計(jì)最小流量，m3/s；

n1-最小流量時(shí)工作的沉砂池?cái)?shù)目

Amin-最小流量時(shí)沉砂池中的水流斷面面積，m2。平流式沉砂池的計(jì)算公式

沉砂中含有機(jī)物的量低于5%由于池中設(shè)有曝氣設(shè)備，它還具有預(yù)曝氣、脫臭、防止污水厭氧分解、除泡作用以及加速污水中油類的分離等作用。曝氣沉砂池的特點(diǎn)：曝氣沉砂池是一個(gè)長型渠道，沿渠道壁一側(cè)的整個(gè)長度上，距池底約60~90cm處設(shè)置曝氣裝置；在池底設(shè)置沉砂斗，池底有i=0.1~0.5的坡度，以保證砂?；肷安邸榱耸蛊貧饽芷鸬匠貎?nèi)回流作用，在必要時(shí)可在設(shè)置曝氣裝置的一側(cè)裝設(shè)擋板。曝氣沉砂池的構(gòu)造：曝氣沉砂池剖面示意h1Hi＝0.1～0.5曝氣沉砂池的工作原理

污水在池中存在著兩種運(yùn)動(dòng)形式，其一為水平流動(dòng)（一般流速0.1m/s），同時(shí)在池的橫斷面上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)（旋轉(zhuǎn)流速0.3m/s），整個(gè)池內(nèi)水流產(chǎn)生螺旋狀前進(jìn)的流動(dòng)形式。由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，污水中懸浮顆粒相互碰撞、摩擦、并受到氣泡上升時(shí)的沖刷作用，使粘附在砂粒上的有機(jī)污染物得以去除，沉于池底的砂粒較為純凈，有機(jī)物含量只有5%左右，長期擱置也不至于腐化。上海嘉定水質(zhì)凈化廠鏈板刮砂法水平流速一般取0.10m/s；污水在池內(nèi)的停留時(shí)間為4~6min；當(dāng)雨天最大流量時(shí)為1~3min。如作為預(yù)曝氣，停留時(shí)間為10~30min；池的有效水深為2~3m，池寬與池深比為1.0~1.5，池的長寬比可達(dá)5，當(dāng)池長寬比大于5時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置橫向擋板；曝氣沉砂池多采用穿孔管曝氣，孔徑為2.5~6.0mm，距池底約為0.6~0.9m，并應(yīng)有調(diào)節(jié)閥門；每m3污水所需曝氣量為0.1-0.2m3或每m2池表面積3-5m3/h曝氣沉砂池的形狀應(yīng)盡可能不產(chǎn)生偏流和死角，進(jìn)水方向與旋流前進(jìn)方向一致，出水方向與進(jìn)水方向垂直，應(yīng)防止產(chǎn)生短流。曝氣沉砂池的設(shè)計(jì)參數(shù)：

1.總有效容積式中：Qmax-最大設(shè)計(jì)流量，

m3/s;t-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的停留時(shí)間，min。

2.水流斷面面積A

式中：

v-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的水平流速，m/s。3.池總寬度B

式中：H-設(shè)計(jì)有效水深，m。4.池長5.所需曝氣量D——每m3污水所需曝氣量，m3/m3。曝氣沉砂池的計(jì)算公式

設(shè)計(jì)例題參考：《給水排水設(shè)計(jì)手冊》第5期.城鎮(zhèn)排水作業(yè)題

已知某城鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計(jì)平均流量Q＝20000m3/d，服務(wù)人口100000人，初沉污泥量按25g/（人?日），污泥含水率按97％計(jì)算，池的有效水深為2m，試為該廠設(shè)計(jì)曝氣沉砂池。答案解析解:Qmax=20000/(24*3600)=0.23m3/s=833.3m3/h曝氣式沉砂池:總有效容積:V=60*Qmax*t=60*0.23*2=27.6m3池?cái)嗝婷娣e:A=Qmax/Vmin=0.23/0.08=2.88m2池總寬度:B=A/H=2.88/2=1.44m池長:L=V/A=2