3.2　沉淀

3.2.1　沉淀的基本理論是什么？

沉淀是利用水中懸浮顆粒與水的密度差進行分離的基本方法。當懸浮物的密度大于水時，在重力作用下，懸浮物下沉形成沉淀物。沉淀法可以去除水中的砂粒、化學沉淀物、混凝處理所形成的絮體和生物處理的污泥，也可用于沉淀污泥的濃縮。

3.2.2　沉淀有哪幾種類型？

根據水中懸浮物的密度、濃度及凝聚性，沉淀可分為四種基本類型。

（1）自由沉淀

顆粒在沉淀過程中呈離散狀態，互不干擾，其形狀、尺寸、密度等均不改變，下沉速度恒定。懸浮物濃度不高且無絮凝性時常發生這類沉淀。

（2）絮凝沉淀

當水中懸浮物濃度不高，但有絮凝性時，在沉淀過程中，顆?；ハ嗄?，其粒徑和質量增大，沉淀速度加快。

（3）成層沉淀

當懸浮物濃度較高時，每個顆粒下沉都受到周圍其他顆粒的干擾，顆?；ハ酄砍缎纬删W狀的“絮毯”整體下沉，在顆粒群與澄清水層之間存在明顯的界面。沉淀速度就是界面下移的速度。

（4）壓縮沉淀

當懸浮物濃度很高，顆粒互相接觸，互相支承時，在上層顆粒的重力作用下，下層顆粒間的水被擠出，污泥層被壓縮。

3.2.3　自由沉淀與絮凝沉淀的理論基礎是什么？

（1）自由沉淀

水中的懸浮顆粒，都因兩種力的作用而發生運動：懸浮顆粒受到的重力，水對懸浮顆粒的浮力。重力大于浮力時，下沉；兩力相等時，相對靜止；重力小于浮力時，上浮。為分析簡便起見，假定：①顆粒為球形；②沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量等不變；③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，因受重力作用產生加速運動，經過很短的時間后，顆粒的重力與水對其產生的阻力平衡時（即顆粒在靜水中所受到的重力Fg與水對顆粒產生的阻力Fd相平衡），顆粒即呈等速下沉。

當顆粒粒徑較小、沉速小、顆粒沉降過程中其周圍的繞流速度也小時，顆粒主要受水的黏滯阻力作用，慣性力可以忽略不計，顆粒運動是處于層流狀態。顆粒的沉速見式（3-1）。

（3-1）

這就是Stokes公式，式中μ為水的黏度。該式表明：①顆粒與水的密度差（ρs-ρ）愈大，沉速愈快，成正比關系。當ρs>ρ時，u>0，顆粒下沉；當ρs<ρ時，u<0，顆粒上??；當ρs=ρ時，u=0，顆粒既不下沉又不上浮;②顆粒直徑愈大，沉速愈快，成平方關系。一般地，沉淀只能去除d>20μm的顆粒。通過混凝處理可以增大顆粒粒徑；③水的黏度μ愈小，沉速愈快，成反比關系。因黏度與水溫成反比，故提高水溫有利于加速沉淀。

在實際應用中，由于懸浮顆粒在形狀、大小以及密度等有很大差異，因此不能直接用公式進行工藝設計，但公式有助于理解沉淀的規律。

（2）絮凝沉淀

由于原水中含絮凝性懸浮物（如投加混凝劑后形成的礬花、活性污泥等），在沉淀過程中大顆粒將會趕上小顆粒，互相碰撞凝聚，形成更大的絮凝體，因此沉速將隨深度而增加。懸浮物濃度越高，碰撞概率越大，絮凝的可能性就越大。

絮凝沉淀的效率通常由試驗確定。在直徑約0.10m，高約1.5～2.0m，且沿高度方向設有約5個取樣品的沉淀管中倒入濃度均勻的原水靜置沉淀，每隔一定時間，分別從各個取樣口采樣，測定水樣的懸浮物濃度，計算表觀去除率；作出每一沉淀時間t的表觀去除率E與取樣口水深h的關系曲線或每一取樣口的E-t關系曲線；選取一組表觀去除率，如10%、20%、30%…對每一去除率值，從圖中讀出對應的t1、t2、t3…據此在水深-時間坐標圖中點繪出等去除率曲線。

對指定的沉淀時間和沉淀高度，這沉淀效率η可用式（3-2）或式（3-3）計算。

（3-2）

或

（3-3）

式中，h5是所選定的沉淀高度。

從選定的沉淀時間處作垂直線，與等去除率線相交時，相鄰兩等去除率線間的距離為Δhi，平均沉淀深度為i。

3.2.4　沉淀池原理是什么？

為便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉淀池內運動規律，Haen和Camp提出了理想沉淀池這一概念。理想沉淀池劃分為四個區域，即進口區域、沉淀區域、出口區域及污泥區域，并做下述假定：

（1）沉淀區過水斷面上各點的水流速度均相同，水平流速為v；

（2）懸浮顆粒在沉淀區等速下沉，下沉速度為u；

（3）在沉淀池的進口區域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個過水斷面上；

（4）顆粒一經沉到池底，即認為已被去除。

根據上述的假定，懸浮顆粒自由沉降的跡線可用圖3-2表示。

當某一顆粒進入沉淀池后，一方面隨著水流在水平方向流動，其水平流速v等于水流速度。

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u0。顆粒運動的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和。在沉淀過程中，qv/A為反映沉淀池效力的參數，一般稱為沉淀池的表面負荷率，或稱沉淀池的過流率，用符號q表示，見式（3-4）和式（3-5）。

u0=qv/A

（3-4）

q=qv/A

（3-5）

可以看出，理想沉淀池中，u0與q在數值上相同，但它們的物理概念不同：u0的單位是m/h；q表示單位面積的沉淀池在單位時間內通過的流量，單位是m3/（m2·h）。可見，只要確定顆粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的過流率或表面負荷率。

此外，上式還表明，理想沉淀池的沉淀效率與池的水面面積A有關，與池深H無關，也與池體積V無關。

3.2.5　實際沉淀池與理想沉淀池的區別是什么？

實際運行的沉淀池與理想沉淀池是有區別的，主要是由于池進口及出口構造的局限，使水流在整個橫斷面上分布不均勻，橫向速度分布不勻比豎向速度分布不勻更降低沉淀效率。存在著紊流、短流、偏流、回流等各種有害流態，懸浮物的沉降是屬不同程度的非理想沉淀。一些沉淀池還存在死水區；由于水溫變化及懸浮物濃度的變化，進入的水可能在池內形成股流。如當進水溫度比池內低，進水密度比池內大，則形成潛流；相反，則出現浮流。潛流和浮流都使池內容積未能被充分利用。此外，池內水流往往達不到層流狀態，由于紊流擴散與脈動，使顆粒的沉淀受到干擾。

衡量水流狀態常常采用雷諾數（Re）、弗羅德數（Fr）及容積利用系數這幾種指標。

雷諾數是水流紊亂狀態的指標，控制雷諾數在500以下，水流處于層流狀態。雷諾數的計算見式（3-6）。

（3-6）

式中，R為水力半徑，μ為水的運動黏滯系數。

弗羅德數是水流穩定性的指標，它表示水流動能與重力能的比值。增大弗羅德數，可以克服密度股流的影響。弗羅德數計算式見式（3-7）。

（3-7）

容積利用系數是水在池內的實際停留時間與理論停留時間的比值。如有股流或偏流存在，或者池內存在死水區，實際的池內停留時間將大大小于用池容積和流量相除所得的理論停留時間。實際池內停留時間可用在進口處脈沖投加示蹤劑，測定出口的響應曲線的方法求得。容積利用系數可作為考察沉淀池設計及運行好壞的指標。

由于實際沉淀池受各種因素的影響，采用沉淀試驗數據時，應考慮相應的放大系數。設計的表面負荷應為試驗值的1/1.25～1/1.7倍，平均為1/1.5倍；沉淀時間應為試驗值的1.5～2.0倍，平均為1.75倍。

3.2.6　沉淀池是如何分類的？

按池內水流方向分類：平流式沉淀池、豎流式沉淀池、輻流式沉淀池、斜板（管）式沉淀池。

按沉淀池的用途和工藝布置不同分類：初次沉淀池、二次沉淀池、污泥濃縮池。

按工作方式分類：間歇式和連續式。

3.2.7　輻流式沉淀池的原理是什么？

輻流式沉淀池一般為直徑較大（20～30m）的圓池，最大直徑達100m。中心深度為2.5～5.0m，周邊深度為1.5～3.0m。污水從池中心進入，由于直徑比深度大得多，水流呈輻射狀向四周周邊流動，沉淀后污水往四周集水槽排出。由于是輻射狀流動，水流過水斷面逐漸增大，水流速度逐步減小。池中心處設中心管，污水從池底進入中心管，或用明槽自池的上部進入中心管，在中心管的周圍常有穿孔障板圍成的流入區，使污水能沿圓周方向均勻分布。為阻擋漂浮物質，出水槽堰口前端宜加設擋板及浮渣收集與排出裝置。

輻流式沉淀池大多采用機械刮泥（尤其在池直徑大于20m時，幾乎都用機械刮泥），將全池的沉積污泥收集到中心泥斗，再借靜壓力或污泥泵排除。刮泥機一般是一種桁架結構，繞中心旋轉，刮泥刀安裝在桁架上，可中心驅動或周邊驅動。此時，池底坡度為0.05，坡向中心泥斗，中心泥斗的坡度為0.12～0.16。除了常用的中心進水，周邊出水的輻流池外，還有周邊進水、中部出水和外周邊進水、內周邊出水的輻流池。

除了機械刮泥的輻流式沉淀池外，也可以將輻流沉淀池建成方形，污水沿中心管流入，池底設多個泥斗，使污泥自動滑進泥斗，形成斗式排泥。這種情況大多用于直徑小于20m的小型池。

輻流式沉淀池的有效水深一般不大于4m，池直徑（或正方形的一邊）與有效水深之比不小于6，一般為6～10。采用機械刮泥時，沉淀池的緩沖層上緣應高出刮泥板0.3m，刮泥機械活動桁架的轉數為每小時2～3次。

輻流式沉淀池的設計方法很多，國內目前多采用與平流沉淀池相似的方法，取池半徑1/2處的水流斷面作為沉淀池的設計斷面。也有采用表面負荷進行計算的。對生活污水或與之相似的污水進行處理的表面負荷可采用2～3.6m3/（m2·h），沉淀時間為1.5～2.0h。

3.2.8　豎流式沉淀池的原理是什么？

豎流式沉淀池水流方向與顆粒沉淀方向相反，其截留速度與水流上升速度相等。當顆粒發生自由沉淀時，其沉淀效果比在平流沉淀池中低得多。當顆粒具有絮凝性時，則上升的小顆粒和下沉的大顆粒之間相互接觸、碰撞而絮凝，使粒徑增大，沉速加快。另一方面，沉速等于水流上升速度的顆粒將在池中形成一懸浮層，對上升的小顆粒起攔截和過濾作用，因而沉淀效率有可能比平流沉淀池更高。

豎流沉淀池多為圓形、方形或多角形，但大多數為圓形，直徑（或邊長）一般在8m以下，常介于4～7m之間。沉淀池的上部為圓筒形的沉淀區，下部為截頭圓錐狀的污泥區，二層之間為緩沖層，約0.3m。污水從進水槽進入池中心管，并從中心管的下部流出，經過反射板的阻攔向四周均勻分布，沿沉淀區的整個斷面上升，處理后的污水由四周集水槽收集。集水槽大多采用平頂堰或三角形鋸齒堰，堰口最大負荷為1.5L/（m·s）。當池的直徑大于7m時，為集水均勻，還可設置輻射式的集水槽與池邊環形集水槽相通。

沉淀池貯泥斗傾角為45°～60°。泥可借靜水壓力由排泥管排出，排泥管直徑應不小于200mm，靜水壓力為1.5～2.0m。排泥管下端距離池底不大于2.0m，管上端超出水面不少于0.4m。為了防止漂浮物外溢，在水面距池壁0.4～0.5m處可設擋板，擋板伸入水面以下0.25～0.3m，伸出水面以上0.1～0.2m。

為了保證水能均勻地自下而上垂直流動，要求池直徑（D）與沉淀區深度（h2）的比值不超過3∶1。在這種尺寸比例范圍內，懸浮物顆粒能在下沉過程中相互碰撞、絮凝，提高表面負荷。但是由于采用中心管布水，難以使水流分布均勻，所以豎流沉淀池一般應限制池直徑。

豎流沉淀池中心管內流速對懸浮物的去除有很大影響，在無反射板時，中心管流速應不大于30mm/s，有反射板時，可提高到100mm/s，污水從反射板到喇叭口之間流出的速度不應大于40mm/s。反射板底距污泥表面（緩沖區）為0.3m，池的超高為0.3～0.5m。

3.2.9　斜板沉淀池的原理是什么？

從理想沉淀池的特性分析可知，沉淀池的處理效率僅與顆粒沉淀速度和表面負荷有關，與池的深度無關。

對一深度為H，體積為V的平流式理想沉淀池，Q=u0V/H。即在V及H給定的條件下，若欲獲得要求的去除率（由u0決定），處理水量就不能隨意變化；同樣，在水量給定時，只能得到固定的去除率?；蛘哒f，增大Q，則u0就隨之增大，從而降低去除率，反之，若提高去除率（亦即減小u0），處理的流量就必須減小，兩者不可兼得。但是若將該池分為n層淺池，每池深度為h=H/n，當進入每個淺池的流量為q=Q/n（即水平流速不變）時，淺池沉速=q/A=Q/nA=u0/n，即沉速減小了n倍，從而使效率大大提高。當每個淺池保持原有的沉速u0不變時，每個淺池處理的流量為q′=u0A=Q，則n個淺池的總處理能力提高至原來的n倍。

沉淀池分層和分格還將改善水力條件。在同一個過水斷面上進行分層或分格，使斷面的濕周增大，水力半徑R（=面積/濕周）減小，從而降低雷諾數（Re），增大弗羅德數（Fr），降低水的紊亂程度，提高水流穩定性，增大池的容積利用系數，在工程實際應用上，采用分層沉淀池，排泥十分困難，所以，一般將分層的隔板傾斜一個角度，以便能自行排泥，這種形式即為斜板沉淀池。如各斜隔板之間還進行分格，即成為斜管沉淀池。

斜板（管）與水平面間的傾角一般采用50°～60°，此時總沉降面積為所有斜板在水平方向的投影面積之和，即式（3-8）。

（3-8）

式中，Ai為第i塊斜板的表面積；α為斜板與水平面的夾角。

沉淀池加設斜板（管）后，水流雷諾數可降至500以下，弗羅德數可達10-3～10-4數量級，處理能力比一般沉淀池大得多（3～7倍），過流率可達36m3/（m2·h），停留時間大大縮短，節省占地面積。

斜板（管）沉淀池大多采用異向流形式，即水流在斜板（管）內的流動方向與顆粒沉淀和滑行方向相反，也有采用同向流及橫向流形式。

斜板（管）之間間距一般不小于50mm，污水在斜管內流速視不同污水而定，如處理生活污水，流速為0.5～0.7mm/s。斜板大多采用聚氯乙烯平板或波紋板，斜管多為粘合塑料蜂窩管，常以一種組裝形式安裝。斜板（管）長一般在1.0～1.2m左右。

斜板（管）的上層應有0.5～1.0m的水深，斜板（管）下為污水分布區，一般高度不小于0.5m，布水區下部為污泥區。

斜板（管）沉淀池可采用多斗排泥，也可采用鋼絲繩牽引的刮泥車，刮泥車在斜板（管）組下來回運動，將池底的污泥匯集至污泥斗。污泥斗及池底構造與一般平流沉淀池相同。池出水一般采用多排孔管集水，孔眼應在水面以下2cm處，防止漂浮物被帶走。如漂浮物較多應附設漂浮物收集及排泥裝置。

3.2.10　各種沉淀池之間的區別及適用場合是什么？

平流式沉淀池的池型呈長方形，污水從池的一端流入，水平方向流過池子，從池的另一端流出。在池的進口處底部設貯泥斗，其他部位池底有坡度，傾向貯泥斗。適用于地下水位較高及地質較差的地區；適用于大、中、小型污水處理廠。

輻流沉淀池的池形多呈圓形，小型池子有時亦采用正方形或多角形。池的進口在中央，出口在周圍。水流在池中呈水平方向向四周輻流，泥斗設在池中央，池底向中心傾斜，污泥通常用刮泥（或吸泥）機械排除。適用于地下水位較高的地區，適用于大、中、小型污水處理廠。

豎流式沉淀池又稱立式沉淀池，是池中污水豎向流動的沉淀池。池體平面圖形為圓形或方形，水由設在池中心的進水管自上而下進入池內，管下設傘形擋板使污水在池中均勻分布后沿整個過水斷面緩慢上升，懸浮物沉降進入池底錐形沉泥斗中，澄清水從池四周沿周邊溢流堰流出。堰前設擋板及浮渣槽以截留浮渣保證出水水質。池的一邊靠池壁設排泥管，靠靜水壓將泥定期排出。常用于處理水量小于20000m3/d的污水處理廠。

斜板（管）沉淀池是指在沉淀區內設有斜板（管）的沉淀池。在平流式或豎流式沉淀池的沉淀區內利用傾斜的平行管或平行管道（有時可利用蜂窩填料）分割成一系列淺層沉淀層，被處理的和沉降的沉泥在各沉淀淺層中相互運動并分離。根據其相互運動方向分為逆（異）向流、同向流和逆向流三種不同分離方式。每兩塊平行斜板（管）間相當于一個很淺的沉淀池。由于污水的黏性等因素，斜板（管）沉淀池在污水處理中的應用不多，僅適合用于占地面積緊張的場合。

3.2.11　沉淀池的工藝設計參數有哪些？

（1）設計流量

沉淀池的設計流量與沉砂池的設計流量相同。在合流制的污水處理系統中，當污水是自流進入沉淀池時，應按最大流量作為設計流量；當用水泵提升時，應按水泵的最大組合流量作為設計流量。在合流制系統中應按降雨時的設計流量校核，但沉淀時間應不小于30min。

（2）沉淀池的個數

對城市污水廠，沉淀池的個數應不少于2個。

（3）沉淀池的經驗設計參數

對于城市污水處理廠，如無污水沉淀性能的實測資料時，可參照表3-1經驗參數選用。

（4）沉淀池的有效水深、沉淀時間與表面水力負荷的相互關系

如表3-2所示。

（5）沉淀池的幾何尺寸

沉淀池超高不少于0.3m；緩沖層高采用0.3～0.5m；貯泥斗斜壁的傾角，方斗不宜小于60°，圓斗不宜小于55°；排泥管直徑不小于200mm。

（6）沉淀池出水部分

一般采用堰流，在堰口保持水平。出水堰的負荷為：對初沉池，不宜大于2.9L/（s·m）；對二次沉淀池，一般不宜大于1.7L/（s·m）。有時亦可采用多槽出水布置，以提高出水水質。

（7）貯泥斗的容積

一般按不大于2d的污泥量計算。對二次沉淀池，按貯泥時間不超過2h計。

（8）排泥部分

沉淀池一般采用靜水壓力排泥，靜水壓力數值如下：初次沉淀池應不小于14.71kPa（1.5mH2O）；活性污泥法的二沉池應不小于8.83kPa（0.9mH2O）；生物膜法的二沉池應不小于11.77kPa（1.2mH2O）。

3.2.12　沉淀池的運行管理過程中應注意哪些事項？

（1）根據沉淀池的形式及刮泥機的形式，確定刮泥方式、刮泥周期的長短。避免沉積污泥停留時間過長造成浮泥，或刮泥過于頻繁或刮泥太快擾動已下沉的污泥。

（2）采用間歇排泥時最好實現自動控制；無法實現自控時，要注意總結經驗，人工掌握好排泥次數和排泥時間。當初沉池采用連續排泥時，應注意觀察排泥的流量和排放污泥的顏色，使排泥濃度符合工藝要求。

（3）巡檢時注意觀察各池的出水量是否均勻，還要觀察出水堰出流是否均勻，堰口是否被浮渣封堵，并及時調整或修復。

（4）巡檢時注意觀察浮渣斗中的浮渣是否能順利排出，浮渣刮板與浮渣斗擋板配合是否適當，并及時調整或修復。

（5）巡檢時注意辨聽刮泥、刮渣、排泥設備是否有異常聲音，同時檢查其是否有部件松動等，查出問題及時調整或修復。

（6）排泥管道至少每月沖洗一次，防止泥沙、油脂等在管道內尤其是閥門外造成淤塞，冬季還應當增加沖洗次數。定期（一般每年一次）將沉淀池排空，進行徹底清理檢查。

（7）按規定對沉淀池的常規監測項目進行及時分析化驗，尤其是SS等重要項目要及時比較，確定SS去除率是否正常，如果下降就應采取必要的整改措施。

（8）沉淀池的常規監測項目有進出水的水溫、pH值、COD、BOD5、TS、SS及排泥的含固率和揮發性固體含量等。