学习情境1.3 水的沉淀处理
原水投加混凝剂后，经过混合反应，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，进一步在沉淀池中去除。水中悬浮颗粒依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀。作为依靠重力作用进行固液分离的装置，可以分为两类：一类是沉淀有机固体为主的装置，通称为沉淀池；另一类则是以沉淀无机固体为主的装置，通称为沉砂池。
1.3.1 水的沉淀机理
悬浮颗粒在水中的沉淀，根据其浓度及特性，可分为自由沉降、絮凝沉降、界面沉降和压缩沉降。
1.自由沉降
含沙量较低（在6kg/m3以下），泥砂颗粒组成较粗时，一般具有自由沉降的性质。悬浮颗粒在这个沉降过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量等物理性状均不改变，只受颗粒自身在水中的重力和水流阻力的作用，下沉速度不受干扰，单独沉降，互不聚合。这种类型多表现在沉沙池、初沉池初期。
（1）三种假设：
1）水中沉降颗粒为球形，其大小、形状、质量在沉降过程中均不发生变化。
2）颗粒之间距离无穷大，沉降过程互不干扰。
3）水处于静止状态，且为稀悬浮液。
（2）基本理论。基于以上假设，静水中的悬浮颗粒仅受到重力和水的浮力这两种力的作用。由于悬浮颗粒的密度大于水的密度，重力大于浮力，因此开始时颗粒沿重力方向以某一加速度下沉，同时受到水对运动颗粒所产生的摩擦力作用，随着颗粒沉降速度的增加，水流阻力不断增大。颗粒在水中的净重为定值，当颗粒的沉降速度增加到一定值后，颗粒所受重力、浮力和水的阻力三者达到平衡，颗粒的加速度为零，此时的颗粒开始以匀速下沉，并自此开始作匀速下沉运动。
2.絮凝沉降
当含沙量较高（在6～20kg/m3以内）或泥沙颗粒较细时，由于细小泥沙的自然絮凝作用而形成絮凝沉降。絮凝性悬浮物在沉降过程中，颗粒之间互相碰撞凝聚，形成絮状体，使絮状体尺寸不断增大，沉降速度也随深度增加，因此悬浮物的去除率不仅取决于沉降速度，还与深度有关。水处理中经常遇到的悬浮颗粒的沉淀过程多属于絮凝性沉淀过程，其沉淀效果可根据沉淀试验预测。
3.界面沉降与压缩沉降
如果沉降的颗粒是凝聚以后的絮凝体，或是生物处理出流的污泥，或是高浊度水中的泥沙时，水中悬浮物浓度较高，在沉降过程中，会出现界面沉降甚至压缩沉降。当含沙量在15～20kg/m3以上时，细颗粒泥沙因强烈的絮凝作用而互相约束，形成均浓浑水层，均浓浑水层以同一平均速度整体下沉，并产生明显的清-浑水界面，称浑液面，此类沉降称界面沉降，组成均浓浑水层的细颗粒泥沙称稳定泥沙，其粒径范围随含沙量的升高而增大；当原水含沙量继续增大时，泥沙颗粒便进一步絮结为空间网状结构，黏性也急剧增高，此时颗粒在沉降中不再因粒径不同而分选，而是粗、细颗粒共同组成一个均匀的体系而压缩脱水，称压缩沉降。
1.3.2 理想沉淀池的沉淀原理
1.理想沉淀池的三个假定
（1）颗粒处于自由沉淀状态。
（2）水流沿着水平方向作等速流动，在过水断面上各点流速相等，颗粒的水平分速等于水流流速。
（3）颗粒沉到池底即认为已被除去。
2.理想沉淀池的沉淀过程分析
图1.27为理想沉淀池的示意图。理想沉淀池分流入区、流出区、沉淀区和污泥区。从池中的A点进入的颗粒运动轨迹是水平流速v和颗粒沉速u的矢量和。这些颗粒中，必存在着某一种颗粒，沉速为u0，其从池顶A点开始下沉而刚好能沉到池底最远处D点，见轨迹Ⅲ所代表的颗粒。
图1.27 理想沉淀池的工作情况
故可得关系式：
式中：u0为颗粒沉速；v为水流速度，即颗粒的水平分速；H为沉淀区水深；L为沉淀区长度。
显然，沉速ut≥u0的颗粒，都可在D点前沉淀掉，见轨迹Ⅰ所代表的颗粒。沉速ut＜u0的颗粒，视其在流入区所处的位置而定。若靠近水面则不能被去除，见轨迹Ⅱ实线所代表的颗粒；若靠近池底就能被去除，见轨迹Ⅱ虚线所代表的颗粒。
轨迹Ⅲ所代表的颗粒沉速u0具有特殊意义，一般称为截留沉速。实际上，它反映了沉淀池所能全部去除的颗粒中最小颗粒的沉速。
水平流速v和沉速u0都与沉淀时间t有关：
式中：Q为沉淀池设计流量；B为沉淀池宽度；V为沉淀池容积。
由此可以导出：
式中：A为沉淀池表面积；q为表面负荷或溢流率。
表面负荷表示在单位时间内通过沉淀池单位表面积的流量，单位为m3/（m2·s）或m3/（m2·h），其数值等于截留沉速，但含义却不同。
理想沉淀池总的沉淀效率，在设定了截留沉速u0以后，由两部分组成。一部分是u≥u0的颗粒去除率，这类颗粒将全部沉掉。若所有沉速小于截留沉速u0的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率为P0，则本部分去除率为（1-P0）。另一部分是u＜u0的颗粒去除率，这类颗粒部分沉到池底被去除。设这类颗粒中某一沉速ui的颗粒浓度为Ci，沿着进水区高度H的截面进入的总量则为QCi＝HBvCi，只有位于池底以上hi高度内的部分才能全部沉到池底，其重量为hiBvCi，则沉速为ui的颗粒去除率为
式中：C0为原水中悬浮物浓度；d Pi为具有沉速为ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。
因此，所有u＜u0的颗粒去除率为
于是，理想沉淀池总的沉淀效率为
由式（1.16）可知：
（1）悬浮物在沉淀池中的去除率取决于沉淀池的表面负荷q和颗粒沉速ut，而与其他因素如水深、池长、水平流速和沉淀时间无关。这一理论早在1904年已由哈真提出。
（2）当去除率一定时，颗粒沉速ut越大，则表面负荷越高，产水量越大；当产水量和表面积不变时，ut越大，则去除率越高。颗粒沉速ut的大小与凝聚效果有关，所以生产上一般重视混凝工艺，污水处理中预曝气的作用也是为了促进絮凝。
（3）颗粒沉速ut一定时，增加沉淀池表面积可以提高去除率。当沉淀池容积一定时，池身浅则表面积大，去除率可以提高，这就是“浅池理论”，斜板（管）沉淀池的发展即基于此理论。
实际沉淀池由于受实际水流状况和凝聚作用等的影响，偏离了理想沉淀池的假设条件。
1.3.3 水的沉淀处理
沉淀池的功能是去除悬浮物质，一般设于絮凝池后。
按沉淀池的水流方向可分为竖流式、平流式和辐流式。竖流式沉淀池水流向上，颗粒沉降向下，池型多为圆柱形或圆锥形。由于竖流式沉淀池表面负荷小，处理效果差，基本上已不采用。辐流式沉淀池多采用圆形，池底做成倾斜，水流从中心流向周边，流速逐渐减小。辐流式沉淀池主要被用作高浊度水的预沉。
按截除颗粒沉降距离不同，沉淀池可分为一般沉淀和浅层沉淀。斜管沉淀池和斜板沉淀池为典型的浅层沉淀，其沉降距离仅30～200mm左右。斜板沉淀池中的水流方向可以布置成侧向流（水流与沉泥方向垂直）、上向流（水流与沉泥方向相反）和同向流（水流与沉泥方向相同），上向流又称异向流。
因此，沉淀池布置的基本形式主要有竖流式沉淀池、辐流式沉淀池、平流式沉淀池和斜板（管）式沉淀池4种。
1.3.3.1 平流式沉淀池
1.基本构造
平流式沉淀池构造简单，为一长方形水池，由流入装置、流出装置、沉淀区、缓冲层、污泥区及排泥装置等组成，如图1.28所示。
（1）流入装置。其作用是使水流均匀地分布在整个进水断面上，并尽量减少扰动。原水处理时一般与絮凝池合建，设置穿孔墙，水流通过穿孔墙，如图1.29所示，直接从絮凝池流入沉淀池，均布于整个断面上，保护形成的矾花。沉淀池的水流一般采用直流式，避免产生水流的转折。一般孔口流速不宜大于0.15～0.2m/s，孔洞断面沿水流方向渐次扩大，以减小进水口射流，防止絮凝体破碎。
图1.28 平流式沉淀池
图1.29 穿孔墙
污水处理中，沉淀池入口一般设置配水槽和挡流板，目的是消能，使污水能均匀地分布到整个池子的宽度上，如图1.30所示。挡流板入水深小于0.25m，高出水面0.15～0.2m，距流入槽0.5～1.0m。
（2）流出装置。流出装置一般由流出槽与挡板组成，如图1.31所示。流出槽设自由溢流堰、锯齿形堰或孔口出流等，溢流堰要求严格水平，既可保证水流均匀，又可控制沉淀池水位。出流装置常采用自由堰形式，堰前设挡板，挡板入水深0.3～0.4m，距溢流堰0.25～0.5m。也可采用潜孔出流以阻止浮渣，或设浮渣收集排除装置。孔口出流流速为0.6～0.7m/s，孔径20～30mm，孔口在水面下12～15cm，堰口最大负荷：初次沉淀池不宜大于10m3/（m2·h）、二次沉淀池不宜大于7m3/（m2·h）、混凝沉淀池不宜大于20m3/（m2·h）。
图1.30 平流沉淀池入口的整流措施
1—进水槽；2—溢流堰；3—有孔整流墙壁；
4—底孔；5—挡流板；6—潜孔
为了减少负荷，改善出水水质，可以增加出水堰长。目前采用较多的方法是指形槽出水，即在池宽方向均匀设置若干条出水槽，以增加出水堰长度和减小单位堰宽的出水负荷。常用增加堰长的办法如图1.32所示。
图1.31 平流式沉淀池的出水堰形式
图1.32 增加出水堰长度的措施
（3）沉淀区。平流式沉淀池的沉淀区在进水挡板和出水挡板之间，长度一般为30～50m。深度从水面到缓冲层上缘，一般不大于3m。沉淀区宽度一般为3～5m。
（4）缓冲层。为避免已沉污泥被水流搅起以及缓冲冲击负荷，在沉淀区下面设有0.5m左右的缓冲层。平流式沉淀池的缓冲层高度与排泥形式有关。重力排泥时缓冲层的高度为0.5m，机械排泥时缓冲层的上缘高出刮泥板0.3m。
（5）污泥区。污泥区的作用是储存、浓缩和排除污泥。排泥方法一般有静水压力排泥和机械排泥。
沉淀池内的可沉固体多沉于池的前部，故污泥斗一般设在池的前部。池底的坡度必须保证污泥顺底坡流入污泥斗中，坡度的大小与排泥形式有关。污泥斗的上底可为正方形，边长同池宽；也可以设计成长条形，其一边同池宽。下底通常为400mm×400mm的正方形，泥斗斜面与底面夹角不小于60°，污泥斗中的污泥可采用静力排泥方法。
静力排泥是依靠池内静水压力（初沉池为1.5～2.0m，二沉池为0.9～1.2m），将污泥通过污泥管排出池外。排泥装置由排泥管和泥斗组成（图1.33）。排泥管管径为200mm，池底坡度为0.01～0.02。为减少池深，可采用多斗排泥，每个斗都有独立的排泥管，如图1.34所示，也可采用穿孔管排泥。
图1.33 沉淀池静水压力排泥
1—排泥管；2—污斗
图1.34 多斗式平流沉淀池
1—进水槽；2—出水槽；3—排泥管；4—污泥斗
图1.35 设有链带式刮泥机的平流式沉淀池
1—集渣器驱动；2—浮渣槽；3—挡板；4—可调节的出水堰；5—排泥管；6—刮板
目前平流沉淀池一般采用机械排泥。机械排泥是利用机械装置，通过排泥泵或虹吸将池底积泥排至池外。机械排泥装置有链带式刮泥机、行车式刮泥机、泵吸式排泥和虹吸式排泥装置等。图1.28为设有行车式刮泥机的平流式沉淀池，工作时，桥式行车刮泥机沿池壁的轨道移动，刮泥机将污泥推入贮泥斗中；不用时，将刮泥设备提出水外，以免腐蚀。图1.35为设有链带式刮泥机的平流式沉淀池，工作时，链带缓缓地沿与水流方向相反的方向滑动，刮泥板嵌于链带上，滑动时将污泥推入贮泥斗中，当刮泥板滑动到水面时，又将浮渣推到出口，在那里集中清除。链带式刮泥机的各种机件都在水下，容易腐蚀，养护较为困难。
图1.36 多口虹吸式吸泥机
1—刮泥板；2—吸口；3—吸泥机；4—排泥管；5—桁架；
6—电机和传动机构；7—轨道；8—梯子；9—沉淀池壁；
10—排泥沟；11—滚轮
当不设存泥区时，可采用吸泥机，使集泥与排泥同时完成。常用的吸泥机有多口式和单口扫描式，且又分为虹吸和泵吸两种。图1.36为多口虹吸式吸泥装置，刮泥板1、吸口2、吸泥管3、排泥管4成排地安装在桁架5上，整个桁架利用电机和传动机构通过滚轮架设在沉淀池壁的轨道上行走，在行进过程中，利用沉淀池水位所能形成的虹吸水头，将池底积泥吸出并排入排泥沟。
2.设计计算
平流式沉淀池的设计内容包括流入装置、流出装置、沉淀区、污泥区、排泥和排浮渣设备选择等。
沉淀区设计。沉淀区尺寸常按表面负荷或停留时间和水平流速计算。
（1）沉淀区有效水深
式中：q为表面负荷，即要求去除的颗粒沉速，一般通过试验取得。如果没有资料时，初次沉淀池要采用1.5～3.0m3/（m2·h），二次沉淀池可采用1～2m3/（m2·h）；t为停留时间，一般取1～3h；沉淀池有效水深一般为2.0～4.0m。
（2）沉淀区有效容积
或
式中：A为沉淀区总面积，m2，A＝Qmax/q；Qmax为最大设计流量，m3/h。
（3）沉淀区长度
式中：v为最大设计流量时的水平流速，混凝沉淀可采用10～25mm/s；污水处理中，一般不大于5mm/s。
（4）沉淀区总宽
（5）沉淀池座数或分格数
式中：b为每座或每格宽度，m，当采用机械刮泥时，与刮泥机标准跨度有关。L为沉淀区长度，一般采用30～50m，长宽比不小于4：1，长深比为（8～12）：1。
1.3.3.2 斜板（管）式沉淀池
1.基本构造
根据哈真浅池理论，为增加沉淀面积，提高去除率，在沉淀池中设置斜板或斜管，成为斜板（管）沉淀池。
图1.37 异向流斜管沉淀池
斜板（管）沉淀池由进水穿孔花墙、斜板（管）装置、出水渠、沉淀区和污泥区组成。按照斜板（管）中泥水流动方向，可分成异向流、同向流和侧向流三种形式，其中以异向流应用最广。异向流斜板（管）沉淀池，因水流向上流动，污泥下滑，方向各异而得名。图1.37为异向流斜管沉淀池。由于沉淀区设有斜板或斜管组件，斜板（管）沉淀池的排泥只能依靠静水压力排出。
斜板（管）倾角一般为60°，长度1～1.2m，板间垂直间距80～120mm，斜管内切圆直径为25～35mm。板（管）材要求轻质、坚固、无毒、价廉。目前较多采用聚丙烯塑料或聚氯乙烯塑料。图1.38所示为塑料片正六角形斜管粘合示意图，塑料薄板厚0.4～0.5mm，块体平面尺寸通常不大于1m×1m，热轧成半六角形，然后粘合。
图1.38 塑料片正六角形斜管粘合示意图
2.设计计算
斜板（管）沉淀池的设计仍可采用表面负荷来计算。根据水中的悬浮物沉降性能资料，由确定的沉淀效率找到相应的最小沉速和沉淀时间，从而计算出沉淀区的面积。沉淀区的面积不是平面面积，而是所有的澄清单元的投影面积之和，要比沉淀池实际平面面积大得多。
下面主要介绍异向流斜管沉淀池的设计计算。
（1）清水区面积
式中：Q为设计流量，m3/h；q为表面负荷，规范规定斜管沉淀池的表面负荷为9～11 m3/（m2·h）。
（2）斜管的净出口面积
式中：v为斜管内水流上升流速，一般采用3.0～4.0mm/s；θ为斜管水平倾角，一般为60°。
（3）沉淀池高度
式中：h1为积泥高度，m；h2为配水区高度，不小于1.0～1.5m，机械排泥时，应大于1.6m；h3为清水区高度，为1.0～1.5m；h4为超高，一般取0.3m。
1.3.4 水的澄清处理
如前所述，水中脱稳杂质通过碰撞结成大的絮凝体后沉淀去除，是分别在絮凝池和沉淀池中完成的，澄清池则将两个过程综合于一体。它是利用池中积聚的泥渣与原水中的杂质颗粒相互接触、吸附，以达到清水较快分离的净水构筑物，可较充分发挥混凝剂的作用和提高澄清效率。
在澄清池原水中加入较多的混凝剂，并适当降低负荷，经过一定时间运转后，逐步形成泥渣层。为保持泥渣层稳定，必须控制池内活性泥渣量，不断排除多余的陈旧泥渣，使泥渣层始终处于新陈代谢状态，保持接触絮凝的活性。澄清池按泥渣的情况，一般分为泥渣循环（回流）和泥渣悬浮（泥渣过滤）等形式。
泥渣循环型澄清池是利用机械或水力的作用使部分沉淀泥渣循环回流，增加同原水中的杂质接触碰撞和吸附的机会。泥渣一部分沉积到泥渣浓缩室，大部分又被送到絮凝室重新工作，如此不断循环。泥渣循环是借机械抽力造成的为机械搅拌澄清池；泥渣循环是借水力抽升造成的为水力循环澄清池。
泥渣悬浮型的工作原理是絮粒既不沉淀也不上升，处于悬浮状态，当絮粒集结到一定厚度时，形成泥渣悬浮层。加药后的原水由下向上通过时，水中的杂质充分与泥渣层的絮粒接触碰撞，并且被吸附、过滤而被截留下来。此种类型的澄清池常用的有脉冲澄清池和悬浮澄清池。
1.3.4.1 澄清池形式选择
澄清池是综合混凝和泥水分离过程的净水构筑物。水流基本为上向流。澄清池具有生产能力高、处理效果较好等优点；但有些澄清池对原水的水量、水质、水温及混凝剂等因素的变化影响比较明显。
澄清池一般采用钢筋混凝土结构，小型水池还可用钢板制成。
澄清池形式的选择，主要应根据原水水质、出水要求、生产规模以及水厂布置、地形、地质、排水等条件，进行技术经济比较后决定。其一般优缺点及适用条件见表1.9。
表1.9 常用澄清池优缺点及适用条件
1.3.4.2 常见澄清池
1.机械搅拌澄清池
机械搅拌澄清池由第一絮凝室、第二絮凝室、导流室及分离室组成。池体上部是圆筒形，下部是截头圆锥形（图1.39）。它利用安装在同一根轴上的机械搅拌装置和提升叶轮使加药后的原水通过环形三角配水槽的缝隙均匀进入第一絮凝室，通过搅拌叶片缓慢回转，水中的杂质和数倍于原水的回流活性泥渣凝聚吸附，处于悬浮状态，再通过提升叶轮将泥渣从第一絮凝室提升到第二絮凝室，继续混凝反应，凝结成良好的絮粒。然后从第二絮凝室出来，经过导流室进入分离区。在分离区内，由于过水断面突然扩大，流速急剧降低，絮状颗粒靠重力下沉，与水分离。沉下的泥渣大部分回流到第一絮凝室，循环流动，形成回流泥渣。回流流量为进水流量的3～5倍。小部分泥渣进入泥渣浓缩斗，定时经排泥管排至室外。其设计计算参见有关设计手册。
图1.39 机械搅拌澄清池剖面图
1—进水管；2—三角配水槽；3—透气管；4—投药管；5—搅拌桨；6—提升叶轮；7—集水槽；
8—出水管；9—泥渣浓缩室；10—排泥阀；11—放空管；12—排泥罩；13—搅拌轴；
Ⅰ—第一絮凝室；Ⅱ—第二絮凝室；Ⅲ—导流室；Ⅳ—分离室
2.悬浮泥渣澄清池
悬浮澄清池属泥渣接触分离型澄清池，是我国应用较早的一种澄清池。投加混凝剂的原水，先经过空气分离器分离出水中空气，再通过底部穿孔配水管进入悬浮泥渣层。水中脱稳杂质和池内原有的泥渣进行接触絮凝，使细小的絮粒相互聚合，或被泥渣层所吸附，清水向上分离，原水得到净化，悬浮泥渣在吸附了水中悬浮颗粒后将不断增加，多余的泥渣便自动地经排泥孔进入浓缩室，浓缩到一定浓度后，由底部穿孔管排走。悬浮澄清池流程如图1.40所示。
图1.40 悬浮澄清池流程
1—穿孔配水管；2—泥渣悬浮层；3—穿孔集水槽；
4—强制出水管；5—排泥窗口；6—气水分离器
图1.41 采用真空泵脉冲发生器的澄清池剖面图
1—进水室；2—真空泵；3—进气阀；4—进水管；5—水位电极；6—集水槽；7—稳流板；8—配水管
3.脉冲澄清池
脉冲澄清池是一种悬浮泥渣型澄清池，也是利用水流上升的能量来完成絮体的悬浮和搅拌作用。图1.41为采用真空泵脉冲发生器的澄清池剖面图。其特点是通过脉冲发生器，使澄清池的上升流速发生周期性的变化。当上升流速小时，泥渣悬浮层收缩、浓度增大而使颗粒排列紧密；当上升流速大时，泥渣悬浮层膨胀。悬浮层不断产生周期性的收缩和膨胀，不仅有利于微絮凝颗粒与活性泥渣进行接触絮凝，还可以使悬浮层的浓度分布在全池内趋于均匀，并防止颗粒在池底沉积。