沉淀池设计与计算

第六节、普通沉淀池沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池两大类。按照水在池内的总体流向，普通沉淀池 又有平流式、竖流式和辐流式三种型式。普通沉淀池可分为入流区、沉降区出流区污泥区和缓冲区5 个功能区。入流区和出流区 的作用是进行配水和集水，使水流均匀地分布在各个过流断面上，为提高容积利用、系数和 固体颗粒的沉降提供尽可能稳定的水力条件。沉降区是可沉颗粒与水分离的区域。污泥区是 泥渣贮存、浓缩和排放的区域。缓冲层是分隔沉降区和污泥区的水层，防止泥渣受水流冲刷 而重新浮起。以上各部分相互联系，构成一个有机整体，以达到设计要求的处理能力和沉降 效率。一、平流沉淀池在平流沉淀池内，水是按水平方向流过沉降区并完成沉降过程的。图3-16 是没有链带 式刮泥机的平流沉淀池。废水由进水槽经淹没孔口进入池内。在孔口后面设有挡板或穿孔整 流墙，用来消能稳流，使进水沿过流断面均匀分布。在沉淀池末端没有溢流堰（或淹没孔口） 和集水槽，澄清水溢过堰口，经集水槽排出。在溢流堰前也设有挡板，用以阻隔浮渣，浮渣 通过可转动的排演管收集和排除。池体下部靠进水端有泥斗，斗壁倾角为5060,池 底以0.010.02的坡度坡向泥斗。当刮泥机的链带由电机驱动缓慢转动时，嵌在链带上的刮 泥板就将池底的沉泥向前推入泥斗，而位于水面的刮板则将浮渣推向池尾的排渣管。泥斗内 设有排泥管，开启排泥阀时，泥渣便在静水压力作用下由排泥管排出池外。显示图片链带式刮泥机的缺点是链带的支承和驱动件都浸没于水中，易锈蚀，难保养。为此， 可改用桥式行车刮泥机，这种刮泥机不但运行灵活，而且保养维修都比较方便。对于较小的 平流沉淀池，也可以不设刮泥设备，而在沿池的长度方向设置多个泥斗，每个泥斗各自单独 排泥，既不相互干扰，也有利于保证污泥浓度。沉淀池的设计包括功能构造设计和结构尺寸设计。前者是指确定各功能分区构件的结构 形式，以满足各自功能的实现；后者是指确定沉淀池的整体尺寸和各构件的相对位置。设计 良好的沉淀池应满足以下三个基本要求；有足够的沉降分离面积：有结构合理的人流相出流 放置能均匀布水和集水；有尺寸适宝、性能良好的污泥和浮渣的收集和排放设备。进行沉淀池设计的基本依据是废水流量、水中悬浮固体浓度和性质以及处理后的水质 要求。因此，必须确定有关设计参数，其中包括沉降效率、沉降速度（或表面负荷）、沉降时 间、水在池内的平均流速以及泥渣容重和含水率等。这些参数一般需要通过试验取得；若无 条件，也可根据相似的运行资料，因地制宜地选用经验数据。以-萨按功能分区介绍设计和 计算方法。1. 入流区和出流区的设计入流和出流区设计的基本要求，是使废水尽可能均匀地分布在沉降区的各个过流断面， 既有利于沉降，也使出水中不挟带过多的悬浮物。常用的配水方式如图3-17。紧靠池壁内侧是一条横向配水槽，其后的人流装置可以有 三种不同组合。溢流堰的堰口要确保水平；底孔应沿池宽等距离分布且大小相等；为了减弱 射流对沉降的干扰，整流墙的开孔率应在1020%，孔口的边长或直径应为50150mm, 最上一排孔口的上缘应在水面以下0.120.15m处，最下一排的下缘应在泥层以上0.3 O.5m处；挡板需高出水面0.150.2m,淹没深度不小于O.2m,距离进水口 0.51.0m。显 示图片集水槽的布置有图3-18所示的三种基本方式。其中以(a)最为简单，但因长度短，流速 大，容易挟带较多的悬浮物；(b)种加设了一组纵向支渠，水力条件最好，但结构较复杂。 目前，也有在沉淀池中、后部加设横向中途集水槽的。出流口常采用溢流堰和淹没潜孔。前 者可为自由堰，也可为锯齿形三角堰，堰前设置挡板，用以稳流和阻挡浮渣，挡板淹没深度 为0.3O.4m,距溢流堰0.250.5m。出水溢流堰不仅控制着池内水面的高崖，而且对水 流的与勺分布和出入水质古重要影M向，由此堰白必匆严格水平，以征证堰负荷即单位堰 长在单位时间的排水量)适中且各处相等。在采用淹没潜孔时，要求孔径相等，并应沿池子 宽度上均匀分布，淹没深度征0.15-0.2m。显示图片2沉降区的设计沉降区设计的主要内容是确定沉降区的长、览、浇尺寸和沉淀池座数或分格数，其主要 内容如下：(1)由设计流量Q(m3 / h)和表面负荷q(m3 / m2h)，按A=Q / q计算沉降区表面积A(m2)。 由与Q对应的水平流速v(mm/s)和沉降时间t,按L2=3.6vt计算沉降区长L2(m)。一般 取 v05mm/s； t 取 l.52.0h。(3)按B2=A / L2计算池宽B2(m)，并按L2 / b=45的要求得单池或单格宽b(m)的近似尺寸。 由n=B2 / b确定沉淀池座数或分格数n。显然，由于n只能为正整数，而n、B2和b又 互相关联，因此在确定n值后，需对b或B2作必要调整，但仍需满足L2 / b4的要求。此 外，在采用机械刮泥时，b值还必须与刮泥机的衍架宽度相匹配。为了便于检修倒换，n值 不应小于 2，但也不宜过大，以免增大造价。3污泥区的设计污泥斗的容积可由排泥周期内沉降的泥渣量确定。泥渣体积Vw(m3)按下式计算：(3-22)式中 Q-废水设计流量， m3/ h；C和C-分别为进水和出水的SS浓度，mg/L；P-泥渣含水率(%)；Y-泥渣容重，kg/m3，当泥渣主要为有机物且含水率在95%以上时，可取1000kgm3；T-排泥周期，一般取12d。对倒正棱台形泥斗，其容积Vd(m3)按下式计算：厂(3-23)式中a1和a2-分别为泥斗上、下底边长，m；h4-泥斗高度，m；， a为泥斗壁烦角，按污泥滑动性取450600。设m为沉淀池的泥斗数，如mVdV，则能满足要求，否则应增加泥斗数或缩短排泥dw周期。4沉淀池的整体尺寸设前、后挡板与进、出水口的距离分别为L和L3，则沉淀池总长L(m)为：设缓冲层高度为，当没有刮泥机时，h3 = (h +0.3), h为刮泥板高度；不设刮泥机时,33 mmh3取O.5m。为了适应冲击负荷的水位变化，有效水深以上应有保护高度h1,常取0.3m。故沉淀池总高H(m) 为：二、竖流沉淀池竖流沉淀池多用于小流量废水中絮凝性悬浮固体的分离，池面多呈圆形或正多边形。图 3-19为圆形竖流沉淀池的结构示意图，其上部圆筒形部分为沉降区，下部倒圆台部分为污 泥区，二者之间有0.3O.5m的缓冲层。沉淀池运行时，废水经进水管进入中心管，由管口 出流后，借助反射板的阻挡向四周分布，并沿沉降区断面缓慢竖直上升。沉速大于水速的颗 粒下沉到污泥区，澄清水则由周边的溢流堰溢入集水槽排出。溢流堰内侧设有半浸没式挡板 来阻止浮渣被水带出。显示图片竖流沉淀池的直径一般在48m,最大不超过10m，以1.52.0m的静水压力排泥。为 保证水流的竖向运动，池径与沉降区深度之比不宜大于3。如池径大于8m,应增设径向集 水槽。竖流沉淀池内，水流水平分速为零，在静水中沉速为u的颗粒在池内的实际沉速为uSS与水上升流速V的矢量和(u -V),颗粒被分离的条件为u v,而u v的颗粒始终不能沉底,SSS因而其沉降效率与具有相同表面负荷的平流沉淀池相比减小了 ；即Et=(1-p0)1OO(%)。竖流沉淀池的设计参数如下：(1)表面负荷，按公式(3-20)计算，当无资料时，可按v = (O.5s.8)mm/s,即q(2.03.0)m3 / m2h取用。(2)沉降时间按公式(3-20)求取；当无资料 时，可取t=(1.02.0也。管口不设反射板时，取中心管内流速vo0.03m/s；设反射板时，v0u0扩大到uu / n,沉速uVu0的颗粒中能被除去的分率也由u/u0 增大到nu/u0，从而使公值大幅度提高；反之，在Et值不变，即沉速为uo的颗粒在下沉了 距离h后恰好运动到浅层的右下端点，那末由U0/v、=h/L和h=H/n可得V、=nv，即n 个浅层的处理水量Q=HBnv=nQ，比原来增大了 n倍。显然，分隔的浅层数愈多，Et值提 高愈多或Q值增加愈多。显示图片此外，沉淀池的分隔还能大大改善沉降过程的水力条件，当水以速度v流过当量直径为 de的断面时，雷诺数Re=devp/卩，de=4R(R为水力半径)。若原沉淀池内水流的雷诺数为 Re,则分隔为n个浅层后的雷诺数Re = (B+H)Re/(nB+H)o如果再沿纵向将池宽B也分为 n格，即相当于n2个管形沉降单元，那末其雷诺数Re=Re/n。显然，只ReVRVRe。 实际上，普通沉淀池中，Re=4.Ox103-1.5x105，水流处于紊流状改而在斜板和斜管沉淀池 内则可分别降至500和100,远小于各自的层流临界雷诺数103和2.0x103,可使颗粒在稳定 的层流状态下沉降。其次，由于浅层和管形沉降单元的水力半径R很小，表征水流稳定性 的佛劳德数Fr=v2 / Rg可增大至10-310-4以上。上述沉降面棚大和水力条件改善的双重有 利因素，不但使斜板、斜管沉淀池能在接近于理想的稳定-条件下高效率运行，而且也大大 缩小了处理单位水量所需的池容。二、斜板、斜管沉淀池的构造将浅层沉降原理应用于工程实际时，必须解决沉泥从隔板上侧顺利滑入泥斗的问题。 为此，要把隔板倾斜放置，而且相邻隔板之间要留有适当的间隔。一块隔板和它上面间隔雌 的空间就构成个斜板沉降单元。如果再用垂直于斜板的隔板进行纵向分隔，每个斜板单元 就变为若干个斜管沉降单元。斜板倾角0通常按污泥的滑动性及其滑动力向与水流方向是否 一致取300600，为了安装和检修的方便，通常将许多斜板或斜管预制成规格化的整体，然 后安装在沉淀池内，就构成如图3-24所示的斜板或斜管沉淀池。图中，安装斜板或斜管的 区域为沉降区，沉降区以下依次为入流区和污泥区，沉降区上面为出流区。沉淀池工作时 水从斜板之间或斜管内流过，沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自动滑入泥斗。这种沉 淀池常用穿孔整流墙布水，以穿孔管或淹没孔口集水，也可在池面上增设潜孔式中途集水槽 使集水更趋均匀。集泥常采用多斗式，以穿孔管靠静压或泥泵排泥。沉降区高度大多为0.6 1.0m,入流、出流区高度分别为0.61.2m和0.51.0m。为防止水流短路，须在池壁与斜 板或斜管体间隙处安装阻流板。显示图片根据沉降区内水流与污泥的相对运动方向，斜板、斜管沉淀池分为异向流、同向流和 横向流三种。异向流可采用斜板或斜管单元，而同向流和横向流则只能采用斜板单元。目前 主要采用异向流。斜板和斜管体常用薄塑料板模压和粘结制成。斜板可用平板或波纹板。斜管断面有正 六边形、菱形、圆形和正方形，其中以前两种最为常用。斜板断面与斜管断面并无严格的界 限，若以R和d分别代表水力半径和断面高度，则当Rd/3时称为斜板，而Rd/3时则 称为斜管。三、斜板、斜管沉淀池的设计计算异向流斜板、斜管沉淀池及同向流斜板沉淀池的设计参数如表3-7。表3-7斜板、斜管沉淀池的设计参数设计表面 负荷q(m3/m2- h)安装倾角(0)斜板斜管长度1(m)斜板斜管断 面咼度d(mm)入流区咼度 h4(m)出流区咼 度 h2(m)斜板斜管利 用系数k异向流斜板4650 600.8 1.280 1000.6 1.20.5 1.00.90 0.95异向流斜管4650 600.8 1.050 800.5 1.00.5 1.00.85 0.9同向流斜板10 15上段30 401.5 2.050 800.6 1.20.5 1.00.8 0.9下段50 600.5 0.8图 3-25 为固体颗粒在异向流、同向流和横向流斜板沉降单元内的沉降规律图尔。没斜板长为1,宽为w,倾角为0,板间净距为d,单元内的水速为v,颗粒沉速为u0,则颗粒的 运动由v和u0合成。按图3-25(a)中的几何关系，可得：显示图片Un/ .耳sin 旧/cqs(3-30)因通过每个沉降单元的流量，即q vdw，即v=q/dw。将其代入上式，贝9可得:q=vdw(3-31)上式中的lwcosO为一个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积，用af表示；dw/sinO 为沉降单元的水平底面积，用a表示。af+a即为一个沉降单元的总沉降面积。若沉降单元数 为n,斜板利用系数为k,则有：(3-32)式中 Q-沉淀池设计流量；Af-所有沉降单元的斜板的总水平投影面积A-所有沉降单元的水平底面积。同理可以证明，对同向流斜板沉淀池有：(3-33)对横向流沉淀池有：(3-34)由公式(3-32)(3-34)可以看出：(1)斜板、斜管沉淀池的沉降面积远大于相同尺寸的普 通沉淀池的表面积，因而可以大幅度提高沉降效率和单位池容的处理能力； (2)在颗救沉速 u0、沉降单元数n和倾角0 一定时，以异向流的处理能力最大，同向流居中，横向流最小。 而在类型和尺寸满足设计参数允许值的条件下，n值愈大(即单元高度d愈小)，倾角0愈小, 则Af值愈大；(3)流量Q、沉降面积Af和A与颗粒沉速u0之间仍保持着u0=Q/A的关系。 因此，在进行设计计算时，仍可先由沉降曲线上查到u0，再根据选定的其它设计参数计算 af和a的值，便可利用公式(3-32)、(3-33)和(3-34)确定所需的沉降单元数n，并进而确定沉降 区的整体尺寸；(4)沉降单元数为n2或nm的斜管的沉降面积与沉降单元数为n的斜板基本 相等，因而仍可按斜板沉淀池的方法计算，只是设计参数有所不同例3-3现拟用异向流斜板沉淀池处理流量Q=300m3/h的某种废水。已知斜板长1 = 1.0m,宽w=2.0m,厚8 = 5mm,安装倾角0取600。，板间净距d取80mm,斜板利用 系数k取0.9,并查得颗粒沉速u0为1.5mm/so试确定该沉淀池沉降区的整体尺寸。解取池宽等于斜板宽2.0m,并作沉降单元断面图。按公式（3-32）得:显示图片=/w cos = 1.0 x 2.0 x cos 60 =1.0(聊)a = /sin i? = 0.08x2.0/sin 60 = 0.185(m故有(1.0 + 0.185)x0.9 = 55.56沉降单元数n=55.6/1.185*0.9=52.10 （个），取53个。斜板数n=n+l=54 （块）这样, 沉降区整体尺寸为；宽度 B=w=2.0m高度 h3 = 7 sin = 1.0 x sin 60 = 0.866（rn）sin 3sin 3长度