水污染控制工程 西安建筑科技大学 环境工程教研室.

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1 水污染控制工程 西安建筑科技大学 环境工程教研室

2 第二篇 不溶态污染物的分离技术 第二章 重力沉降法 §2-1 概述 §2-2 沉降的基本原理 §2-3 沉降试验和沉降曲线
第二篇 不溶态污染物的分离技术 第二章 重力沉降法 §2-1 概述 §2-2 沉降的基本原理 §2-3 沉降试验和沉降曲线 §2-4 沉淀池及其设计计算

3 §2-1 概述

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5 出水 排泥 进水 中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图

6 §2-2 沉降的基本原理 沉降动力学 :颗粒受力情况分析

7 式中：As——运动方向的面积 Cd——牛顿无因次阻力系数： Cd=f(Re) μs——颗粒沉降速度 当受力平衡时，沉速变为μs（最终沉降速度）

8 对于球形颗粒： ① 层流区（stokes区）: ② 过渡流区（艾伦区） ③ 紊流区（牛顿区）

9 §2-3 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

10 一、自由沉降试验及沉降曲线 一、试验装置 二、常规计算法及沉降曲线 三、Camp图解积分法及沉降曲线

11 φ100mm H0=1.5~2.0m Δh H=H0-Δhi 试验装置示意图

12 二．常规计算法(数据记录与处理) t t0 t1 t2 t3 … ti tn H H0 H0 –Δh1 H0 –Δhi-1 C C0 C1
C C0 C1 C2 C3 Ci Cn μ E

13 二．常规计算法(由数据绘制沉降曲线)（续）
E E 沉降时间，t (min) 最小沉速，u 图3-1 E-t曲线 图3-2 E- u曲线

14 三．Camp图解积分法 给定的沉降时间t内： 对于μ≥μ0的颗粒全部除去 1-p0 对于μ<μ0的颗粒可被部分去除。 p0
对于d≥d0的颗粒全部除去 1-p0 对于d<d0的颗粒可被部分去除。 p0 ？？：对于μ<μ0的颗粒，可去除部分所占比例是多少？去除率是多少？

15 H h

16 三．Camp图解积分法（续） 对于μ ＜μ0的颗粒，其中可去除部分所占比例为：
μ ＜μ0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。 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μ<μ0颗粒群体，可去除部分为：

17 三．Camp图解积分法（续） μ≥μ0部分颗粒所占百分率为1 – p0 则，总沉降效率为ET ：

18 U＜u0颗粒分率，p 颗粒分率，p 沉降速度分布曲线 沉降速度分布曲线的图解 1-p0 △pi p0 p0 沉降速度 u μi 沉降速度 μ
μ0 沉降速度 u μi 沉降速度 μ 沉降速度分布曲线 沉降速度分布曲线的图解

19 2．Camp图解积分法(由数据绘制沉降曲线)
E E ET-t E-t ET- μ E- μ 沉降时间，t (min) 最小沉速，μ E-t曲线 E- u曲线

20 小结： 1、基本概念 重力沉降 2、重点 ① 基本概念 ② 沉降试验和沉降曲线 3、难点 Camp图解积分法计算ET

21 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。
u随d 而增大。

22 1.絮凝沉降试验 ● 装置：φ140~150mm H=2.0~2.5m 4~5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。

23 Et-t 曲线 SS等去除率曲线 Et 沉降时间， t (min) 工 作 水 深 (m) 0.5m 1.0m 1.5m
Et 0.5m 1.0m 1.5m 沉降时间， t (min) Et-t 曲线 SS等去除率曲线

24 §2-3 理想沉淀池 一、Hazen和Camp提出这一概念。其假设条件是： （1）在沉淀池各过流断面上，各点处水都以流速V作水平运动。
（2）进水中SS颗粒沿水深呈均匀分布，其水平分速等于水的水平流速，并从竖直分速u匀还下沉； （3）颗粒一经沉到水底再不重新浮起 （即认为沉到底部即视为被去除）

25 §2-3 理想沉淀池 ① 沉降线为未被去除颗粒； ② 为刚好100%去除颗粒； ③ 为可部分去除颗粒； ④ 为可全部去除颗粒。 出 流 区
入 流 区 出 流 区 污泥区 理想沉淀池示意图 ① 沉降线为未被去除颗粒； ② 为刚好100%去除颗粒； ③ 为可部分去除颗粒； ④ 为可全部去除颗粒。

26 §2-3 理想沉淀池 同样地有： 可见，静沉试验所得到的沉降规律也可适用于理想沉淀池。

27 §2-3 理想沉淀池 二、表面负荷q0 ① q0在数值上等于最小沉降速度； ② q0↓，ET↑；
仅是沉降区表面积的函数，而与水深无关。A↑，q0↓， 则ET↑。

28 §2-3 理想沉淀池 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：

29 §2-3 理想沉淀池 入 流 区 出 流 区 污泥区 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。

30 §2-4 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
§2-4 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。

31 集砂渠 集油区 沉砂区 行车 进水管 出水管 进水管 出水管 出水渠

32 §2-4 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；
§2-4 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 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）

33 曝气沉砂池： 解决沉砂池存在的问题：①砂中含有机物；②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。

34 例1：曝气沉砂池：工艺尺寸 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

35 例1：曝气沉砂池：工艺尺寸 2.设计内容 （ 1 ）工艺尺寸 主要确定沉砂池的池长Ｌ、池宽Ｂ、池深Ｈ等。 池容V（有效容积）： 池长L：
水流断面A： 池宽B：

36 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 。

37 例1：曝气沉砂池：结构尺寸 集砂斗倾角不小于50º。 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1／2－ 2／3，底部以60º－75º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

38 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。

39 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2－5mm。 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。

40 例2：平流式沉砂池 1．设计参数 ① 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 ② 分格数n：n≥2
③ 水平流速v：0.15~0.3m/s ④ 停留时间：t≥30~60s

41 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

42 例2：平流式沉砂池：工艺尺寸 ① 长度L（m）：L=V·t ② 过水面积F（m2）：F=Q/V ③ 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Vmin≥0.15m/s

43 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。 （生活污水）

44 例2：平流式沉砂池：工艺装备 输砂泵（机械排泥）、砂水分离器、刮渣设备、行车等。

45 §2-5 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。
§2-5 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。

46 §2-5 普通沉淀池 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。
§2-5 普通沉淀池 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）的选择见表3-5-1。

47 表3-5-1 沉淀池的功能与负荷或停留时间的关系
§2-5 普通沉淀池：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 类别 沉淀池位置 沉淀时间 (h) 表面负荷 (m3/m2.h) 污泥量（干物质） (g/pc.d) 污泥含水率 (%) 初沉池 仅一级处理 15-27 96-97 二级处理 14-25 95-97 二沉池 活性污泥法 10-21 生物膜法 7-19 96-98

48 §2-5 普通沉淀池 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； 有效沉淀面积A： 沉淀区有效容积V：
§2-5 普通沉淀池 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； 有效沉淀面积A： 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。

49 3、 主要设计内容 （1）工艺尺寸 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1／10R处； 出水堰：单侧或双侧三角堰。 超高、缓冲区

50 3、 主要设计内容 （1）工艺尺寸（辐流式沉淀池）
设计计算 ① 有效水深h2：通常取1/2半径处的深度值 ② 表面积F：F=Q/q ③ 有效直径： 或 （f为中心管面积） ④ 径深比： 径∶深不小于6

51 中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图

52 平流式沉淀池 3、 主要设计内容 （1）工艺尺寸 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。

53 平流式沉淀池示意图

54 3、 主要设计内容 （1）工艺尺寸（平流式沉淀池）
① 沉降区表面积： ② 沉淀区长度L2=V·t V≤5mm/s t取1.5~2.0h ③ 沉淀区宽度B2=A/L2 L2/b=4~5 （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）

55 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。

56 出水 排泥 进水 竖流式沉淀池示意图

57 3、 主要设计内容 （1）工艺尺寸（竖流式沉淀池）
① 中心管：V1≤30mm/s， ② 上升部分：V=0.3~1mm/s，即q=2.0~3.0m3/m2·h，直径D： ③ 上升深度h2：h2=V·t 无资料时，t取1.5~2.0h，径深比不大于3 ④ 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%

58 §2-5 普通沉淀池 3、 主要设计内容 （2）结构尺寸 1）缓冲层
§2-5 普通沉淀池 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 m。 2）泥斗 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45º； 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 m，泥斗倾角大于45º。 竖流式沉淀池泥斗：圆台形或（正）棱台形。

59 §2-5 普通沉淀池 4、工艺装备 沉淀池的主要工艺装备为刮泥机。
§2-5 普通沉淀池 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。

60 §2-5 斜板（管）沉淀池 浅层沉降原理 斜板（管）沉淀池 设计举例

61 §2-5 斜板（管）沉淀池：浅层沉降原理 ① Q ，当A一定时，u0 ，从而使u≥u0所占百分率(1 – p0)×100%↓， ↓，∴ET↓
则要以减小处理能力为代价。

62 §2-5 斜板（管）沉淀池：浅层沉降原理 ② 当分为n层时 每层处理的水量为 ，当A一定时， ↑ ∴(1 – p0)×100%↑， 等于n
∴ET↑

63 §2-5 斜板（管）沉淀池：浅层沉降原理 思考： ET不变，在分层后，处理水量变化? 处理水量、ET不变，在分层后，占地面积?
③ 实际应用中，考虑排泥的要求，将隔板以45~60° 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）。

64 思考题解： 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/v’ t=h/L H=nh
有：v’=nv 分层后处理水量：Q’=BHnv=nBHv=nQ

65 §2-5 斜板（管）沉淀池:斜板沉淀池 斜板沉淀池示意图 ① 异向流

66 d v l v u0 u0

67 ；考虑斜板利用系数K： ∴ ∴

68 §2-5 斜板（管）沉淀池:斜板沉淀池 ② 同向流（同理）

69 §2-5 斜板（管）沉淀池:斜板沉淀池 ③ 横向流（侧向流）

70 §2-5 斜板（管）沉淀池:设计举例 异向流斜板（管）沉淀池的设计表面水力负荷，一般可按比普通沉淀池的设计表面水力负荷提高一倍考虑。
异向流斜板（管）沉淀池的设计，应符合下列要求： 一、斜板净距（或斜管孔径）为80~100mm； 二、斜板（管）斜长为1m； 三、斜板（管）倾角为60°； 四、斜板（管）区上部水深为0.7~1.0m； 五、斜板（管）区底部缓冲层高度为1.0m。

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72 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

73 h 1 2 3 4 污泥斗 进水槽 出水槽 H

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76 本章小结： 1．基本概念 ① 重力沉降法 ② 理想沉淀池 ③ 沉降原理及浅层沉降原理 2.重点 ① 基本概念 ② 沉降试验和沉降曲线 ③ 沉淀池设计计算 3．难点 ① 浅层沉降原理 ② 自由颗粒沉降试验和沉降曲线 ③ 絮凝颗粒沉降试验和沉降曲线

77 作业： 1、2、3、4、5、6、7