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13水质工程学-c4讲解ppt

发布时间:2019-06-07 21:47 来源:未知 编辑:admin

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  第4章 沉淀 Sedimentation 沉淀分类 1.自由沉淀 单个颗粒在无边际水体中沉淀,其下沉过程颗粒互不干扰,且不受器皿壁的干扰,下沉过程中颗粒的大小、形状、密度保持不变,经过一段时间后,沉速也不变。(水中颗粒的体积浓度不超过0.2%) 2.絮凝沉淀 在沉淀的过程,颗粒由于相互接触絮聚而改变大小、形状、密度,并且随着沉淀深度和时间的增长,沉速也越来越快,絮凝沉淀由凝聚性颗粒产生。 3.拥挤沉淀 当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒的浓度增加到一定值后,大量颗粒在有限水体中下沉时,被排斥的水便有一定的上升速度,使颗粒所受的摩擦阻力增加,颗粒处于相互干扰状态,此过程称为拥挤沉淀。 4.1 杂质颗粒在静水中的沉降 4.1.1 杂质颗粒在静水中的自由沉降 颗粒在静水中的受力情况: 重力:G=πd3ρs g/6 浮力:A= πd3ρo g/6 水流阻力:F=η × πd2/4 × ρo u2/2 其中, η 为阻力系数;u为沉降速率 颗粒在静水中上浮还是下沉以及其下沉加速度则取决于:G~F+A 颗粒在静水中的沉降分为: 快速下沉和等速下沉两个阶段 4.1.1 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 阻力系数η与雷诺数Re的关系曲线探讨阻力系数 η的计算: 1)在Re<1范围内, η与Re有直线,曲线呈水平状, η与Re无关,为紊流区, η = C≈0.4 ; 3)1<Re<1000范围内,属于过渡区,曲线的斜率不断变化, η与Re的关系: 4.1.1 杂质颗粒在静水中的沉降 ①在Re<1范围内,层流状态,其关系式: Stocks公式: 讨论: d大则u大;颗粒密度差大则沉速大; 温度高则沉速快。 该公式实际中常用来测定细小颗粒杂质的粒径(d<0.1mm) 4.1.1 杂质颗粒在静水中的沉降 ②103<Re<25000,呈紊流状态, ≈0.4, NewTon公式: 4.1.1 杂质颗粒在静水中的沉降 ③1<Re<1000范围内,属于过渡区, 近似为: 得Allen公式: 自由沉降颗粒速度计算 例题4-1 试计算粒径为0.1mm的砂粒在20?C的水中的沉降速度。 解:先假设砂粒在层流区,用斯托科斯公式计算沉速: 4.1.2 杂质颗粒在水中的拥挤沉降 应用范围: 给水处理中:高浊度水5g/L 活性污泥:污泥含量1g/L 矾花絮体:矾花浓度2~3g/L 沉速减低系数: β=u/u0<1 u、u0分别为拥挤沉降和自由沉降的沉速 4.1.2杂质颗粒在水中的拥挤沉降 当大量颗粒在有限的水体中下沉时,由于颗粒之间相互干扰会产生影响,使颗粒沉速比自由沉降时小,此过程称为拥挤沉淀,此时的沉速称为拥挤沉速。 沉淀实验装置 4.1.2杂质颗粒在静水中的拥挤沉降 拥挤沉淀过程有明显的清水和浑水分界面,称为浑液面,浑液面缓慢下沉,直到泥砂最后完全压实为止。 拥挤沉降实验 将高浊水注入一只透明的沉淀筒中进行静水沉淀,观察在沉淀时间t的沉淀现象: 此时整个沉淀筒中自上而下可分为4区: 清水层、 沉降层(等浓度区) : 浑液面等速下降 过渡层(变浓度区):临界点,沉速变小,悬浮物开始淤积浓缩 淤积层(压实区):高浓度区 沉降曲线杂质颗粒在水中的拥挤沉降 特点:拥挤沉淀过程有明显的清水和浑水分界面, 称为浑液面,浑液面缓慢下沉, 直到泥砂最后完全压实为止。 沉淀开始时t=0,浑液面起始高度为H0, 在 t = t 时刻浑液面下降到H的位置, 浑液面的沉速为: u =( H0- H )/ t 高浊水的沉降为界面沉降。 4.2 平流式沉淀池 原水投入混凝剂,经混合与絮凝后,水中胶体和微小悬浮杂质已形成粗 大的絮凝体,进入沉淀池中沉淀分离出来以完成澄清作用。 要求:混凝沉淀池的出水浊度10度以下,以便后续过滤处理。 水厂出水:小于1度。 工业冷却水:经混凝沉淀后即可使用。 平流式沉淀池应用广泛,其基本组成如下: 进水区、沉淀区、出水区、沉泥区。 4.2.1 理想沉淀池理论 4.2.1 理想沉淀池理论 理想沉淀区的3个假定: 1、进水均匀地分布于沉淀区的始端,并以相同的流速水平流向末端;(水平流速不变) 2、进水中颗粒杂质均匀地分布于沉淀区始端,并在沉淀区内进行着等速自由沉降;(沉速不变) 3、颗粒沉到池底即认为已被去除,不再返回水流中。 4.2.1 理想沉淀池理论 4.2.1 理想沉淀池理论 表面负荷:指单位沉淀面积上承受的水流量。 具有截留沉速的颗粒, 4.2.1 理想沉淀池理论 当杂质颗粒的沉速u>u0时,杂质颗粒能全部沉淀下来。 当杂质颗粒的沉速u<u0时,只有h高度以下的颗粒能沉淀下来。其沉淀效率等于其沉速与截留沉速之比。 设原水中这类颗粒的浓度为C, 沿着进水区的高度为H的截面进入的这种颗粒的总量为 QC=HBvC, 沿着h高度进入的这种颗粒的数量为hBvC, 则沉速为u( <u0)的颗粒的去除率应为: 4.2.1 理想沉淀池理论 讨论 1)η一定, u越大, Q/A越大; 若A一定时,则Q越大; Q和A一定, u越大,则 η越大。 2)浅池理论: u 一定时, A越大,则 η越大。容积一定时,池身越浅,则 η越大。 对于理想平流式沉淀池, η只与表面负荷有关。 4.2.2 非凝聚性颗粒的静沉实验 目的: 探讨非均匀性颗粒情况下的粒径组成及其沉淀效率 (1)单一粒径的沉降实验: t=0, C; u, O ti, H’= ti u, C, B t=H/u, C=0, A 混合粒径的静沉实验 将颗粒按粒径划分为许多微组分, 每个微元中看作是粒径均匀的, 设其浓度分别为: △ C1, △ C2, … △ Ci, … △ Cn, 则总浓度:C0=∑ △ Ci 对应的沉降速率分别为: u1, u2, … ui … un 将水样置于沉淀筒进行试验。 4.2.2 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 试验开始时,t=0时,要求水中的悬浮颗粒在整个水深中均匀分布,浓度为C0; 然后在t1, t2 , t3 …… tn等时间取样,分别测得浓度C1、 C2 、 C3 …… Cn 。 假定在取样过程中,水面位置基本不变。 那么,在时间恰好是t1, t2 , t3 …… tn等时 ,沉速为 u1=h/t1, u2=h/t2 , u3=h/t3…… un=h/tn 4.2.2 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 假设在t1时刻取样, u1= H/ t1 , 沉速≥u1的颗粒组分已沉到取样口以下或刚好通过取样口, 在水样中的浓度为0。 沉速<u1的颗粒组分还没有通过取样口, 其颗粒浓度为C1,设P1=C1/C0, C1称为水中剩余颗粒浓度, 其颗粒沉速均小于u1。 P1称剩余颗粒浓度比值。 4.2.2 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 如果以P1, P2, P3…… Pn等分别代表C1/Co, C2/Co, C3/Co……Cn/Co, 则P1, P2, P3…… Pn代表在取样口处的水样中所有剩余的颗粒浓度比值,也即小于该沉速的颗粒浓度比值。 以沉速u(=H/t)为横坐标, 以剩余颗粒浓度比值P为纵坐标,分别计算u1 u2 u3… un取样中的P1, P2, P3…… Pn等,得到P-u曲线,称为颗粒沉速累积曲线 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 ☆由实验所得的颗粒沉速累积曲线P-u, 可计算水在理想沉淀区中的沉淀效率。 将水中颗粒划分为许多微小组分, 各组分的颗粒沉速为u1>u2>u3…>un, 各组分的颗粒质量在总质量中所占比例相应为△P1 △P2△P3.. … △Pn, 设颗粒沉速 ui≥u0, 这部分颗粒将全部沉淀下来, 它们在总量中的所占比例为∑△Pi, 与图中(1-P0)相当. 前课回顾 自由沉降颗粒速度计算 前课回顾 “截留沉速”u0:沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小 颗粒的 沉速。 4.2.2 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 即ui≥u0颗粒沉淀效率为: ui<u0颗粒沉淀效率计算: 沉下部分在总量中所占比例: 将所有ui<u0颗粒组分相加, 得其总沉淀量在总量中所占比例: 4.2.2 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 水中颗粒在理想沉淀区中的总沉淀效率为: uidPi为沉速累积曲线 非凝聚性颗粒的静水沉淀实验 通过浑水的静沉实验曲线可计算理想沉淀池的 沉淀效率。 重要结论: 举例 例:悬浮颗粒在实验条件下的沉淀数据列于下表 。试确定理想沉淀池当 表面负荷为43.2m3/m2.d时的颗粒杂质的总沉淀效率。实验管取样口选在水面下 h=120cm。 C表示在时间 t 时由各个取样口取出的水样所含的悬浮颗粒浓度,Co代表初始的颗粒浓度。 举例 解:由沉淀试验记录数据计算沉速及 小于该沉速的颗粒质量百分比: 截留沉速数值即表面负荷: uo=43.2×100/24×60=3cm/min,从图上查得uo=3cm/min时,对应该速的剩余颗粒百分数 等于Po=0.75。 从图上看,相当于积分式 的阴影部分面积 为: 1/2×3×0.75=1.125, 因此得到总沉淀效率为: P=(1-0.75)+1/3(1.125)=62.5% 4.2.3 凝聚性颗粒的静水实验 特点:随着深度增加,粒径增大→沉速U逐渐增大 思路:将凝聚性颗粒离散为若干个非凝聚性颗粒(垂向分段,然后求和) 实验: 沿沉淀筒深度设置多个取样口,于不同时刻(t)由各个取样口同时取样。 将各个取样口的浓度标于H-t坐标系中, 将等浓度点连成线即为等浓度面的沉降线:u=H/t 凝聚性颗粒静水沉淀实验 筒长尽量接近实际沉淀池的深度,2-3m, 直径≮100mm,设6个取样口, 试验时,先将筒内水样充分搅拌并测定其初始浓度C0, 开始试验,每隔一定时间,同时取出各取样口的水样,并测定水样中的颗粒浓度 t1:C11、 C12 、 C13 … C16 , t2:C21 、 C22 、 C23 … C26, t3: C31 、 C32 、 C33 … C36 t4 : C41 、 C42 、 C43 … C46 。。。 。 凝聚性颗粒杂质静水沉淀实验 凝聚性颗粒杂质静水沉淀实验 凝聚性颗粒杂质静水沉淀实验 沉速小于u0颗粒的沉淀效率: 水中凝聚性颗粒在理想沉淀区中的总效率为 沉淀区的深度对沉淀效率有影响,即池深越大,沉淀效果越好。 4.2.4 影响平流式沉淀池沉淀效果的因素 短流影响、水流状态影响、絮凝作用影响 1、短流影响 在理想沉淀池中,假定水流稳定,流速均匀分布。 其理论停留时间:t0=V/Q 实际工程中, (1)进水的惯性作用; (2)出水堰产生的水流抽吸; (3)温差或悬浮颗粒的浓度差使进水产生异重流; (4)风浪引起的环流(露天沉淀池) (5)池内存有导流壁和刮泥设施等。 (3)较冷或较浑的进水产生的异重流 异重流的概念: 两种流体因为密度的差异(△ρ)而导致的上下分层现象,又称密度流,如浑水异重流、温度异重流。 若在同一个沉淀池中同时存在两种异重流,可以直接进行密度加和 (3)较冷或较浑的进水产生的异重流 浑水异重流发生时,清浑水交界面最好保持稳定而不混杂。 (3)较冷或较浑的进水产生的异重流 实验数据 (3)较冷或较浑的进水产生的异重流 用弗罗德数也可判断异重流的影响。 (3)较冷或较浑的进水产生的异重流 当池内发生异重流时,浑水自动潜入池体下部流动。 对进水影响: 在进水断面沿深度方向均匀布水对 提高沉淀效果作用不大。 沿宽度方向均匀布水对提高沉淀效果有作用。 对出水影响: 在池末端出水断面上流线不能过于集中,即出水 单宽流量不宜大,以免将下部浊度高的水抽吸上来。 从池表面集水效果好。 2、水流状态影响 雷诺数和弗劳德数是反应水流状态的重要指标。 池内水流流态也影响沉淀效果,雷诺数Re可用来判别流态: 平流沉淀池的Re=4000~20000,紊流状态。 水流稳定性以Fr判别,表示水流惯性力与重力的比值: Fr = v2/gR =1×10-5~1×10-4 Fr值增大,抵抗外界干扰能力增强,水流趋于稳定。 4.2.4影响平流式沉淀池沉淀效果的因素 改善沉淀效果的措施: 采用较高水流速度 (设计参数:10~20mm/s) 沉淀池纵向分格,增设导流墙,减小水力半径(窄而长池型)。 影响平流式沉淀池沉淀效果的因素 3、凝聚作用的影响 流速梯度的存在促进絮凝; 颗粒的不均匀性影响颗粒的沉速, 沉淀时间越长,水深越大, 由于沉速不同引起的絮凝越完善。 平流式沉淀池的构造与设计 构造: 4部分:进水区、沉淀区、污泥区、出水区 (一)进水区 作用:使水流均匀地分布在整个进水截面上,并尽量减少 扰动。 做法:水流从絮凝池直接进入沉淀池,通过穿孔花墙将水 流均匀分布沉淀池整个进水断面上。 孔口流速≤0.10-0.2m/s,以防絮凝破碎, 洞口的断面(0.08×0.15 m)形状沿水流方向渐次扩大。 平流式沉淀池构造与设计 (二)沉淀区 其高度与其前后相关净水构筑物的高程布置有 关, 一般约3-4m,H=2.5~3.5m, 沉淀区的长度:决定于水平流速、停留时间 L=3.6vT(v:mm/s, T:h) 沉淀池的宽度:流量Q、池深H、水平流速V B=Q/Hv 沉淀区的长、宽、深相互关联, 应综合考虑决定,还应核算表面负荷。 一般要求:L/B≥4,L/H>10, 每格宽3-8m,<15m, 机械排泥,标准跨度分格:8、10、12、14、16、 18、20m。 平流式沉淀池构造与设计 (三)出水区 要求:沉淀后的水尽量在出水区均匀流出, 收集表层水 做法:溢流堰式; 淹没式孔口集流槽 1.溢流堰——堰口溢流率小于300m3/m.d、 13 m3/m.h, 增 加出水堰长度,降低堰口的流量负荷, 缓和出水堰附近的流线.淹没式孔口集流槽: 孔口流速0.6-0.7m/s; 孔径20-30mm 孔口在水面下10-15cm 孔口水流应自由跌落到出水渠中。 溢流堰式集水槽 穿孔集水槽 平流式沉淀池构造与设计 平流式沉淀池的设计计算 设计指标:表面负荷uo、Q/A 或 停留时间T。 从理论说采用Q/A较为合理。 设计时应两者兼顾或以T控制,以Q/A 校核; 停留时间T:1-3h,华东地区1-2h (低温低浊水T≥2h) 水平流速V=10-25mm/s, 平流式沉淀池设计计算及复核 1.表面负荷法u0 A = Q/u0 L = 3.6vT( v:mm/s; T:h) H= QT/A B = A / L 2.沉淀时间T(实际应用中多用) 有效容积V=QT, L = 3.6vT ,B=V/LH 复核 Fr=v2/R g (10-4~10-5) Re=4000~15000 平流式沉淀池的设计计算 放空与排泥: 平流式沉淀池的放空排泥管直径d, 根据水力学中变水头放空容器公式计算: d—放空管直径, m; T-放空时间(3~4h),h. 平流式沉淀池构造与设计 沉淀池的出水渠:矩形 当渠道底坡度为零时,渠道起端水深H: Q—沉淀池流量,m3/s; g—重力加速度9.8m/s2 B—渠道宽度,按经验或出水流速确定。(1.0~1.5m) 平流式沉淀池设计举例 例:设计日产水量为10万m3的平流式沉淀池。 自用水系数a=5%。采用2组。 解:1、每组设计流量: 2、设计数据选用 表面负荷uo=Q/A=0.6mm/s(51.8m3/m2.d) 沉淀时间T=1.5h 沉淀池水平流速V=14mm/s 平流式沉淀池设计举例 3、平流式沉淀池计算 1)池表面积: L=3.6vT=3.6×14×1.5=75.6 取76m, B=A/L=1013.5/76=13.3m 取宽14m,分两格,每格宽7m。 取池深H=3.5m (保护高度为0.5m) L/B=5.4>4; L/H=25.3>10 符合要求 平流式沉淀池设计举例 2)进水穿孔花墙:孔口流速V=0.2m/s 洞口总面积:Q/0.2=0.608/0.2=3.04m2 孔口尺寸:0.15×0.08=0.012m2, 孔口总数为: 3.04/.15×0.08=253个 沿水面以下30cm、池底以上50cm均匀布置, 沿水深方向开孔9排,每排29孔,共261孔。 平流式沉淀池设计举例 3)指形集水槽设计: 槽长等于池长的1/10≈8.0m,间距2m,共7条, 每条流量q=0.608/7=0.087m3/s. 取槽内起端水深等于槽宽,则 H=B=0.9q0.4=0.9(0.087)0.4=0.34m。 两侧开d=35mm的圆孔,孔口淹没深度0.07m, 则每孔流量为: 集水槽每边开孔数:0.087/2(6.99×10-4)=62个 按孔口间距@=125mm设计,每边开孔64个。 平流式沉淀池设计举例 集水槽集水流入出水渠后,在出水渠中间设置出水管流往滤池。 出水渠渠宽取1.0m,则出水渠起端水深H: 为保证出水均匀,集水槽出水应自由跌落,则出水渠渠底应低于沉淀池水面的的高度等于: 出水区水深+集水槽水深+集水槽孔口跌落高度(采用0.05m)+集水槽孔口淹没高度(0.07m),即为: 0.366+0.34+0.05+0.07=0.826m 取出水渠宽1.0m,深1.0m。 平流式沉淀池设计举例 4)放空排泥管:设放空时间3h ,埋设一根放空管 取 放空管DN350mm。 平流式沉淀池设计举例 5)沉淀池水力条件复核:池中间增设一道隔墙, 水流截面:BH=7×3=21m2 湿周: X=7+2×3=13m 水力半径: R=1.615m Fr=v2/gR=1.2×10-4 (1×10-5~1×10-4) Re=vR/u=22610(水温20℃) 设计满足要求。 玉清水厂沉淀池:L=125米,B=25米,T=2小时 前课回顾 理想沉淀区沉淀效率 平流式沉淀池设计计算及复核 1.表面负荷法u0 A = Q/u0 L = 3.6vT( v:mm/s; T:h) H= QT/A B = A / L 2.沉淀时间T(实际应用中多用) 有效容积V=QT, L = 3.6vT ,B=V/LH 复核 Fr=v2/R g (10-4~10-5) Re=4000~15000 4.3 斜板、斜管沉淀池 基本原理:“浅池理论” T=H/u0=L/v → u0、v不变,H、L↘→ T↘ → 多层平流池 → 斜板、斜管沉淀池 ---提高表面负荷 特点: Re200 :层流状态 Fr=10-3~10-4 :水流稳定性增强 分类及构造: 同向流(下向流):适用于低浊度水 逆向流(上向流):适用于高浊度水,应用最广 横向流(水平流):适用于低浊度水 4.3 斜板、斜管沉淀池 斜板、斜管沉淀原理---“浅池理论” T= H / U0 =L / v h=H / 2, u0不变,池子分做两层: l=L / 2 , t=h / u0= l / v=T / 2. h= H / N, l= L / N(池子分做N层) t=T / N 排泥困难。 ( Boycott血沉试验) 平向流斜板沉淀池沉淀原理 池平面面积上的表面负荷 4.3 .1 斜板、斜管沉淀池沉淀原理 据生产经验,上向流斜板、斜管沉淀池的 表面负荷大致是平流沉淀池的四倍。 生产中常用斜管(矩形、正六角型)、斜板沉淀池。 斜管内切圆的直径一般为25~35mm, 长度为1000mm。为排泥方便,安装倾角为60°。斜管材料多采用无毒塑料。 4.3.2 影响斜板、斜管沉淀效率的因素 1.稳定性与水流流态 斜板Fr=1.3×10-4 斜管Fr=2.6×10-4 稳定性较好. 水力半径很小, 一般Re<100,属于层流,利于提高沉淀效率。 2.絮凝沉淀 在斜板、斜管沉淀中,沉淀距离和沉淀时间很小,絮凝体无法继续絮凝,要求在絮凝池中充分絮凝。(选用较长絮凝时间) 3.异重流 上向流斜板、斜管沉淀池,能够适应异重流特点,出水水质好。 4.3 .3 斜管沉淀池组成与设计 一、斜管沉淀池的组成: 配水区:均匀进水,其高度一般为1.5米; 斜管区:沉淀区,六角形截面,内切圆直径25~35mm,斜管 长1米,蜂窝状,60°倾角安装,斜管区高度0.86米。 清水区:均匀出水,其高度一般为1~1.5米,穿孔集水管集 水,或溢流堰集水,集水管中心距为1~1.5米。 积泥区:积泥排泥。穿孔排泥管排泥,积泥区高度为0.8米; 机械排泥,依据排泥机要求设计。 絮凝沉淀 斜管沉淀池的设计和计算 配水区高度大于等于1.5m,以便配水均匀。 穿孔花墙or缝隙栅条(整流配水孔)流速V≤0.15m/s。 斜管:过渡段,分离段,清水段; 总长:1000mm,过长会增加造价, 而沉淀效率的提高有限 斜管管径:25-35mm(内切圆直径) 斜管断面的形状会影响管中水流的雷诺数, 但影响不大,生产上多采用正六角形断面。 矩形断面加工方便,便排泥不如六角形通畅。 斜管材料:要求轻质、坚固、无毒、价廉,0.4-0.5mm的无毒 聚氯乙烯或聚丙;安装:安装前制蜂窝状块体, 块体平面尺寸1×1m。 塑料斜管 斜管沉淀池-俯视 二、斜管沉淀池的设计和计算 斜管沉淀池的表面负荷q是一个重要的经济参数: q=Q/F Q—流量,m3/h F—沉淀清水区表面积,m2 《室外给水设计规范》规定: 上向流斜管沉淀池的q:5-9m3/m2h(1.4-2.5mm/s) 目前生产上倾向采用较小的表面负荷以提高沉淀池 出水水质。 斜管内流速为: Q—沉淀池的流量; A′—斜管的净出口面积 θ—轴线与水平的夹角,即水平倾角60°。 斜管沉淀池设计举例 斜管沉淀池设计举例 斜管净出口面积 斜管沉淀池设计举例 3)沉淀池高度: 清水区:1.2m 配水区:1.5m 穿孔排泥槽高:0.80m 斜管高:h=lsinθ=1×sin60°=0.87m=0.9 超高:0.3m,总高:0.3+1.2+0.9+1.5+0.8=4.7m (4)其他: 进水采用穿孔花墙;排泥采用穿孔排泥管; 集水系统采用穿孔管,依据设计规范, 集水:采用淹没孔集水槽共8个,集水槽中心距为1.1m。 3、核算: (1)雷诺数Re (2)Fr (3)斜管中的沉淀时间: 斜管沉淀池 优缺点 优点: 1.沉淀面积增大;池体占地面积小; 2.沉淀效率高,产水量大; 3.水力条件好,Re小,Fr大,有利于沉淀; 缺点: 1.由于停留时间短,其缓冲能力差; 2.对混凝要求高; 3.维护管理较难,使用一段时间后需更换斜管 其他沉淀池 1.DENSADEG高密度沉淀池 法国德利满公司开发研究 机械搅拌澄清池 ※澄清池的历史和发展※ 三十年代已在国际上开始应用,至今已成为水厂设计中主要沉淀手段之一。 我国六十年代初开始采用澄清池,因其处理效率高,占地少,较受欢迎,尤其是机械搅拌澄清池使用较多。 八十年代期间,有的水厂还对六十年代以来被广为采用的机械搅拌澄清池和水力循环澄清池进行了技术改造,使其产水能力提高了1~2倍。 澄清池分离区加上斜板,取得了降低电耗和改善絮凝条件的效果 搅拌叶片进行了改造后沉降比上升,出水浊度和药耗都有了明显的降低,出水量增加了一倍 4.4 澄清池 工作原理: 同向絮凝的基本原理:速度差异→有效碰撞 原水中多为粒径较小的颗粒,增加水中絮体(大颗粒)浓度,可以促进絮凝速率 利用沉淀过程中的产生的沉渣作为有效絮体(大颗粒)的“提供者” 泥渣层必须有一定的容积与浓度 利用接触絮凝去除杂质:脱稳杂质随水流与泥渣层接触时,被泥渣层阻流下来,使水获得澄清 特点:集混凝、沉淀于一池 澄清池分类及原理 澄清池按照接触絮凝絮粒形成的方式进行分类。 澄清池利用池中的泥渣与絮凝剂以及原水中的杂质颗粒相互接触、吸附、絮凝,以达到泥水分离的净水构筑物。原水水流基本上是上向流。 1、泥渣悬浮型澄清池 脉冲澄清池:靠水流上升的能量使矾花悬浮 悬浮澄清池:靠水流向上的流速使矾花悬浮 2、泥渣循环型澄清池 机械搅拌澄清池:利用搅拌机械的作用使泥渣循环 水力循环澄清池:利用水流的搅拌作用使泥渣循环。 4.4 澄清池 机械搅拌澄清池工作过程 加过药剂的原水在第一絮凝室和第二絮凝室内与高浓度的回流泥渣相接触,达到较好的絮凝效果,结成大而重的絮凝体,在分离室中进行分离,清水被收集,泥渣回流进入第一絮凝室。 澄清池改造 机械搅拌澄清池 机械搅拌澄清池 机械搅拌澄清池 对水量、水质变化的适应性较强; 进水浊度在3000度以下,最适宜的原水浊度在1000度以下,短时间内允许到达5000-10000度; 高浊度时需设置局部连续刮泥设施; 低浊度时,需加强混凝剂和助凝剂的选用(不宜选择澄清池) 运行时泥渣沉降比控制在15%~20%以下为宜。 脉冲澄清池 工作过程 利用脉冲发生器将进入池子的原水脉动地放入池底配水系统; 在配水管的孔口以高速喷出,并激烈地撞在人字稳流板上,使原水与混凝剂在配水管与稳流板之间的狭窄空间中,以极短的时间进行充分的混合和初步反应而形成絮粒; 通过稳流板缝隙整流后,以较慢速度垂直上升形成了悬浮泥渣层。 脉动周期约为一分钟,充水约50秒钟,放水约10秒。 4.4.3 脉冲澄清池 脉冲澄清池 脉冲澄清池--适用范围 对水量、水温突变反应敏感; 原水中不宜含有大量较粗颗粒的泥砂; 一般适用于进水浊度在3000度以下,短时间内允许到达5000—10000度的水厂。 辐流式沉淀池 辐流式沉淀池应用 给水处理:高浊水预沉 污水处理:二沉池 沉淀原理及设计计算方法基本相同。 设计参数选择不同(表面负荷、沉淀时间)。 幅流沉淀池 4.6 辐流沉淀池 4.7 气浮的理论基础 气浮: 向水中加入空气,使空气以微小气泡形式向水面上升并在气泡表 面吸附水中悬浮杂质,然后去除,此方法称气浮法。 思路: 提高单位质量的颗粒的体积(密度减小)→ 改变颗粒在水中受力的抗衡 → 上浮, 固液分离的措施(上浮速度同样可以采用沉速计算公式) 气浮理论 气浮理论 洁净气泡 具有气泡合并作用。 气泡粒径增大不能达到气浮操作要求的极细分散度。 若水中表面活性物质很少,气泡壁薄,极不稳定, 在水面上得不到稳定的气浮泡沫层, 致使已浮起的杂质颗粒又脱落回到水中。 为提高气浮效果,需要向中投加起泡剂,以保证泡 沫的稳定性。 起泡剂即由极性-非极性分子组成的表面活性剂。 气浮 气浮工艺包括三个过程: 气泡产生、 气泡与杂质的粘结、 浮渣的去除。 气浮池类型: (1)分散空气气浮池 (2)释放溶解空气气浮池 (3)电解气浮池 压力溶气气浮池 组成:压力溶气系统 溶气释放系统 气浮分离系统 1、压力溶气系统:包括水泵、压力溶气罐及附属设备。 水泵:用以向压力溶气罐注水,其流量等于气浮池的回流 水量,给水处理中多取用10%的设计流量。 水泵扬程等于压力溶气罐内溶气压力, 一般取0.2~0.4MPa。 压力溶气罐供气多采用空气压缩机供气。 空压机设定压力为0.4MPa以下。 压力溶气气浮池 空压机额定气量 由回流水量、溶气效率、空气溶解度系数决定: 压力溶气气浮池 压力溶气气浮池 压力溶气罐 其溶气效率与溶气压力、水流喷淋方式、水流过流密度、 水温等因素有关。 选定填料层过流密度后,压力溶气罐直径按下式计算: 压力溶气气浮池 压力溶气罐高度H 压力溶气气浮池 2、溶气释放系统 空气的溶气过程是空气中氮气、氧、二氧化碳等以分子扩散或紊流扩散的传质方式,克服水分子之间的引力后,进入水分子空隙中。空气分子具有动能(溶气罐中为压能),转化成了气、水分子之间的内能。 溶气水释放出空气是溶气的逆过程。必须使气、水分子间的内能转化为气体分子的动能,克服水分子的引力,由液相扩散到气相(压能瞬间转化成动能)。为此,需专门设置溶气释放系统。 工程上应用溶气释放器,每个释放器作用范围0.4~0.8m2。 压力溶气气浮池 3、气浮分离系统 即气浮池:有平流式和竖流式两类。 平流式气浮池组成:捕捉区、气浮分离区、 出水区及刮渣设备。 1)捕捉区:溶气水释放出微小气泡对絮凝颗粒接触捕捉的区域。 上升流速v1=10~20mm/s,水深1.5~2.0m, 水流停留时间60s以上。 2)气浮分离区:带气微粒在该区脱离水体浮至水面,清水向下 流入集水系统。 压力溶气气浮池 分离区:向下流速v2=1.5~2.5mm/s,分离区有效水深2.0~2.5m。 水流停留时间15~30min。 单格池宽不超过10m,池长不超过15m。 3)出水区:采用堰口或出水管,为防止短流, 一般在气浮池下部沿池底设“丰”字穿孔出水管。 4)刮渣设备:浮至水面的泥渣形成浮渣层,用机械刮渣机刮至 泥渣槽排出。 刮渣机行走速度取3~6m/min,以防浮渣移动时破碎。 压力溶气气浮池 压力溶气气浮池举例 D-压力溶气罐直径,m; Q-气浮池设计流量,m3/h; R-设计回流比,10%Q; a-水温校正系数,一般取a=1.1~1.3。 I-溶气罐水流过流密度,m3/(h.m2)。 对于空罐,I选用40~80 m3/(h.m2),装有填料, I选用100~200m3/(h.m2)。 H1-溶气罐顶或罐底封头高度,(由罐体直径决定)m; H2-布水区高度,取0.2~0.3m; H3-贮水区高度,取1.0m; H4-填料层高度,取10.~1.3m。 例题:设计单池产水量为15000m3/d的斜管沉淀池。 a=5% 解:1、设计数据 设计流量:Q=15000×1.05=650m3/h=0.18m3/s 表面负荷:q=10 m3/ m2h=2.8mm/s 斜管:0.4mm厚塑料板热压成正六角形管,内切圆直径 d=25mm,长1000mm,水平倾角θ=60° 2、计算: (1)清水区面积: F=Q/q=64.5为m2 平面尺寸为5.5×12=66 m2 为配水均匀,进水区布置在12m长的一侧。 (2)斜管净出口面积: 在5.5m长度中扣除0.5m无效长度,5.5-0.5=5m 考虑斜管结构系数1.03 斜管出口水流实际上升流速 斜管内轴向流速 组成:絮凝区、推流区、沉淀区和浓缩区及泥渣回流系统 和剩余泥渣排放系统。 主要特点: (1)特殊的絮凝反应器设计。 (2)从絮凝区至沉淀区采用推流过渡。 (3)从沉淀区至絮凝区采用可控的外部泥渣回流。 (4)应用有机高分子絮凝剂。 (5)采用斜管沉淀布置。 机械搅拌澄清池 为了充分发挥泥渣接触絮凝作用,可使泥渣在池内循环流动。回流量约为设计流量的3-5倍,泥渣循环可借机械抽升或水力抽升造成。 构造与组成: 第一絮凝室、 第二絮凝室、 泥水分离室、 泥渣浓缩室。 理论基础: 液1、气2、固3三者润湿角关系 当润湿角90°时此固体为疏水的,水与固体·表面接触较少,疏水性越强就越易于同气泡粘附。 (四)污泥区和排泥措施 排泥方式:斗形底排泥、 穿孔管排泥, 机械排泥 (不考虑存泥区,池底水平略有坡 度以便放空,i=0.02~0.05) 机械排泥优点:排泥可靠, 可充分发挥沉淀池的容积利 用率 多口虹吸式吸泥装置(水深≥3米) 泵吸排泥 单口扫描式吸泥机 LBH:平流池长宽高(m) 集水槽长度按溢流率计算。 影响平流沉淀池沉淀效果的三个因素 短流(异重流) 水流流态 絮凝因素 斜板沉淀设备的表面负荷为平流沉淀池的Nl倍。 斜板层数 l-斜板长度; θ-斜板倾角; s-斜板间距。 表面负荷 表面负荷在数值上与截留沉速相等。 P0--所有沉速小于u0的颗粒质量占进水中全部颗粒 质量百分比; ui- -小于截留沉速u0的 某一颗粒沉速; dpi--沉速等于ui的颗粒质量占进水中全部颗粒质量 百分比。 理想沉淀区的沉淀效率只与截留沉速有关, 即只与表面负荷(Q/A)有关, 而与其他工艺参数(如沉淀时间、池深、水流速度等)无关。 沉淀速度 v=h/t 此图表示的是取样口水样中的残余悬浮物浓度的资料 沉速小于0.67cm/min的颗粒占所有颗粒的质量比为6%,假定这种颗粒沉速为0.67/2=0.34cm/min,沉速小于3cm/min的颗粒去除率为: 假设t=t0为沉淀区的末端, 则沉淀区的截留沉速为u0=H/t0,等浓度面为C3。 沉速大于u0的颗粒杂质浓度为(C0-C3),它们将全部沉淀下来,其在总量中所占比例为: (C0-C3)/C0 沉速小于u0颗粒:将水中剩余颗粒杂质划分为4个组分:(C3-C4)为一组分, 在总量中所占比例为⊿P3=(C3-C4)/C0, 同时假定该组分颗粒均匀, 其颗粒沉速为A、B两点的平均深度H3/t0,即u3= H3/t0, 该组分在t0时间沉淀下来的颗粒在总量中所占的比例是: u3/u0.△P3 如Fr′值低于临界值,两种水体交界面能保持稳定; 如Fr′值高于临界值,两种水体混杂。 v-水平流速; ρm-浑水的密度; Δρ-浑水与清水密度差; H-池水深度; 0.2~0.7-临界值 判断两种密度不同的水体能否保持界面稳定的参数 据大多数水厂运行经验,其沉淀池进水浊度常超过临界值,说明浑水异重流现象普遍。 增大弗罗德数可减轻浑水异重流的影响。水流清浊分层,相对稳定。 出水单宽流量=Q/L Q-出水量,m3/s, L-溢流堰集水 长度,m。 * 4.1 杂质颗粒在静水中的沉降 4.2 平流式沉淀池(horizontal flow sedimentation tank) 4.3 斜板与斜管沉淀池(plate or tube settler) 4.4 澄清池(clarification tank) 4.5 水中造粒 4.6 辐流沉淀池 4.7 气浮 A G F 颗粒的沉淀速度: 平衡状态: G-A-F=0 匀速下降 沉速基本公式 μ-水的动力粘滞系数。 在求某一特定颗粒沉速时,首先假定沉速u属于哪个区,然后再经试算以求得确定的u。(试算法) d=0.1mm=1×10-4m;砂的密度p=2650Kg/m3 ; 水的密度p0 =1000Kg/m3 ; 20 ?C u=1×10-3N.s/m2; 清水层 过渡层 沉降层 淤积层 浑液面 浑液面高度 H 沉淀时间 t 临界点 等速沉降区 淤积区 浑液面的下沉速度代表了颗粒的平均沉降速度。 颗粒间的絮凝过程越好,交界面就越清晰,清水区内的悬浮物就越少 H L A 宽度为B(垂直于图面) 假设颗粒杂质由均一粒径组成。 设杂质颗粒的沉速为u0,水平流速为v,其运动轨迹为一倾斜直线—“截留沉速”:反映了沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的 沉速。 沉速大于等于uo的颗粒能全部除掉。 H L A 宽度为B(垂直于图面) u0 表面负荷在数值上与截留沉速相等。 沉速u<u0颗粒,只有h高度以下的颗粒能沉淀下来。 其沉淀效率等于其沉速与截留沉速之比。 1)颗粒沉速u越大,沉淀效率越高。 2)颗粒沉速u一定时,增加 池表面积,可提高沉淀效率。 H H’ O 取样口 ti A B O t 相当于一个等浓度面的下沉过程 直线斜率=u 水面以下H‘深度以内水中颗粒浓度为0。

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