第九章 1沉砂池和沉淀池的设计计算

0.06l2 h3 h3 0.35 0.06 2.75 0.515 0.52
•
H h1 h2 h3 0.3 0.5 0.52 1.32
• 验算最小流速
– 最小流量为0.1m3/s – 此时工作的沉砂池个数 为1 – 即：在最小流量时，启 用一个沉砂池，仍可在 大于最小流速的条件下 运行。 – 验算合格
污泥含水率 (%)
初沉池
仅一级处 理 二级处理 活性污泥 法 生物膜法
1.5-2.0 1.0-2.0 1.5-2.5 1.5-2.5
1.5-2.5 1.5-3.0 1.0-1.5 1.0-2.0
15-27 14-25 10-21 7-19
96-97 95-97 99.2-99.5 96-98
二沉池
（4）设计计算
平流式 （a）入流区和出流区的设计 平流式沉淀池的配水可采用进水挡板或进水穿孔 墙等；作用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。
进水挡板 进水管 刮泥链条
档渣板
出水堰
出水管
排泥管
平流式沉淀池示意图
h1 h2 h3 h4 h5
• 式中：h1——超高，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。 • h2——有效高度，m • h3——缓冲层高度，当没有刮泥 机时，h3＝(hm+0.3)， hm为刮泥板高 度；不设刮泥机时，h3取0.5m。 • h4——污泥区高度，m • h5——污泥斗高度，m
(3)主要设计参数 （i）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。 （ii）负荷 沉淀池负荷（或停留时间）的选择见下页表。
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)
长宽比大于4
长深比大于8
• 沉砂池水流部分长度（L）：
–ν－最大流速（0.15-0.3m/s） –t－停留时间（30-60s）
L t
A Qmax
• 水流断面积（A） • 池总宽度（B）
– h2—设计有效水深（0.25-1.0m）

B
A h2
沉砂斗容积（V）
86400Qmaxt x1 V x1：城市污水沉砂量(3m3/105m3) 5 10 K总 X ：生活污水沉砂量（0.01-0.02L）
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
ut
4( P ) d P g 3 CD
ut——颗粒终端沉降速度（terminal velocity） （1）层流区：ReP2 CD=24/ReP
1 P 2 ut gd P 18
斯托克斯（Stokes）公式
（2）过渡区：2<ReP<103
18.5 CD 0.6 ReP
沉淀池
沉砂池
• 沉砂池的作用 – 是从污水中去除砂子、煤渣等比重较大的颗粒，以免 这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。 • 杂质的影响 砂粒进入初沉池会加速污泥刮板的磨损，缩短其使用 寿命； 排泥管道中砂粒的沉积容易导致管道的堵塞，砂粒进 入污泥泵后会加剧叶轮磨损； 对于不设初沉池的处理工艺（如氧化沟、CASS等)或实 际运行中由于进水负荷过低而超越初沉池运行的工 艺，大量砂粒将直接进入生化池，导致生化池有效容 积减少，同时还会对曝气器产生不利影响；
min
Qmin 0.1 0.25m / s n 1 0.4 0.15m / s
沉淀池的设计
(1)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。 (2)设计良好的沉淀池应满足以下三个基本要求 （i）有足够的沉降分离面积； （ii）入流区和出流区结构合理、能均匀布水和 集水； （iii）有尺寸适宜、性能良好的污泥、浮渣收 集和排放设备。
沉砂池的工作原理 • 是以重力分离为基础，即，将进入沉砂池 的污水流速控制在只能使比重大和粒度大 的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水 流带走。
平流沉砂池
• 平流沉砂池的构造 • 平流沉砂池的设计
（1）平流沉砂池的构造
• 构造
– 由入流渠、出流渠、闸板、水流部分及沉砂斗组成
• 特点
– 截留效果好，工作稳定，构造简单，排砂方便 – 应用广泛
（b）沉降区的设计 沉降区设计的主要内容是确定沉降区的长、宽、高尺 寸和沉淀池座数或分格数，其主要内容如下： (i)沉淀区有效水深：h2=qt 式中q ——表面负荷； t ——污水沉淀时间 沉淀区有效水深一般取2.0~4.0m。 （ii）沉淀区总面积A： Q Q A 水平面积和沉砂池的截面积不一样 q u A＝Qmax／q 式中Qmax——最大设计流量，m3/h； (iii)沉淀区有效容积V V1=Ah2=Qt
ut 0.27
0.6 ( P ) gd P ReP

艾仑(Allen)公式 CD = 0.44
（3）湍流区：103<ReP<2105
ut 1.74
( P ) gd P

牛顿（Newton）公式
二、沉降速度的计算
试差法 假设沉降属于某一区域 — 计算颗粒沉速 —按求出的颗粒 沉降速度 ut 计算 ReP ，验证 ReP 是否在所属的假设区域。如果 在，假设正确；否则，需要重新假设和试算。
h t沉 ut l V t停 ui qV
求直径为 40 m，密度为 2700kg/m3 的固体颗粒在 20℃的常压空气 中的自由沉降速度。 已知 20℃， 常压状态下空气密度为 1.205 kg/m3， 黏度为 1.81×10-5Pa·s。 试差法 假设颗粒的沉降处于层流区， 并且由于 P 所以由式得： ，
计算直径为 0.2mm， 密度为 2700kg/m3 的固体颗粒在 20℃的水中的 自由沉降速度。已知 20℃，常压状态下水密度为 1000kg/m3，黏度 为 1.005×10-3Pa·s。 试差法
沉砂池
计算直径为 20m，密度为 2700kg/m3 的固体颗粒在 20℃的水中的 自由沉降速度。已知 20℃，常压状态下水密度为 1000kg/m3，黏度 为 1.005×10-3Pa·s。
ut
18 1.8110 d P ut 40 106 0.13 1.205 检验： ReP 0.346 2 5 1.8110
P gd
18
2 P

2700 9.81 40 10
5
6 2

0.13 m/s
所以在层流区，与假设相符，计算正确。
（iv）沉淀区长度L2： L2＝3.6vt v——最大设计流量时的水平流速mm/s， 一般取v≤5mm／s； t取l.5～2.0h (v)沉淀区总宽度B (m) B＝A／L2
二、流体阻力与阻力系数
• 当某一颗粒在不可压缩的连续流体中做稳定运行时，颗粒会受 到来自流体的阻力。 • 该阻力由两部分组成：形状阻力和摩擦阻力。 • 流体阻力的方向与颗粒物在流体中运动的方向相反，其大小与 流体和颗粒物之间的相对运动速度u、流体的密度、黏度以 及颗粒物的大小、形状有关。 • 对于非球形颗粒物，这种关系非常复杂。
•
h3 V0 (2a 2 2aa1 2a12 ) 6 0.35 (2 12 2 1 0.5 2 0.52 ) 6 0.2m 3
•
沉砂室高度 – 采用重力排砂，设池底坡度为 0.06，坡向砂斗。则有 – （坡向砂斗部分的长度l2: =（7.5-2）/2=2.75 池总高度 – 设超高0.3m – 水流断面积为0.8m2，池宽1.6m， 则有效水深h2为0.5m
min
Qmin n
已知某城市的最大设计水量为0.2m3/s，拟采 用平流沉砂池，设计沉砂池各部分尺寸。
– 根据基本参数的要求，水平 流速选0.25m/s，有效深度为 0.5m，停留时间选30s，则 水流部分长度L： – 水流断面积A：
L t 0.25 30 7.5(m)
0.69 V1 0.18(m3 ) 4
或设为和B一样
•
沉砂斗各部分尺寸 – 设斗底宽a1=0.5m， 斗壁与水平面的倾角 为55°，设斗高 =0.35m，则沉砂斗上 口宽为： 则砂斗的实际容积为
2 h3 a a1 tan 55 2 0.35 0.5 1.0m tg 55
沉降分离设备
水处理：平流沉淀池
气净化：降尘室
沉淀池或降尘室工作过程示意图
含尘气体 含悬浮物液体
l dc
b h
净化气体 净化液体
ui
位于沉淀池（降尘室）最高点的颗粒 沉降至池底需要的时间为 ： 流体通过沉淀池（降尘室）的时间为:
为满足除尘或悬浮物要求， t停t沉 Vut ut lb 流体中直径为dc的颗粒完全去除的条件。 即： qV h
操作平台
栏杆
排砂阀门
池壁 排砂管 进水 出水
平流沉砂池示意图
（2）平流沉砂池的设计
• 设计参数 • 计算Fra Baidu bibliotek式 • 案例
设计参数
• 基本依据
– 去除比重为2.65，粒径大于0.2mm的砂粒
• 基本参数
– 设计流量：污水自流入池时，按最大设计流量计算；污水经水泵 抽入时，按工作水泵的最大组合流量计算； – 水平流速：最大0.3m/s，最小0.15m/s；（避免有机物） – 最大流量时的停留时间不少于30s，一般为30-60s – 有效水深不应大于1.2m，一般采用0.25-1.0m，每格池宽不小于 0.6m； – 沉砂量：城市污水按10万m3污水的砂量为3m3计，沉砂含水率约为 60％，容重1.5t/m3， – 贮砂斗的容积按2d沉砂量计，斗壁倾角55°-65°； – 沉砂池超高不小于0.3m
重力Fg 根据牛顿第二定律，颗粒 将产生向下运行的加速度 阻力（曳力）FD
π 3 Fg d P P g 6
du Fg Fb m dt
FD C D AP
u2
2
达到平衡时：
Fg Fb FD 0
π 3 π 3 π 2 u t2 d P P g d P g CD d P ( )0 6 6 4 2
2
t′：清除沉砂的时间间隔，d K总：流量总变化系数 N：沉砂池服务人口数
或
V＝Nx2t
• 沉砂池总高度
– h1—超高，0.3m，h3—贮砂 斗高度，m
H h1 h2 h3
• 验算
– 按最小流量时，池内最小流 速≥0.15m/s验算 – n-最小流量时，工作的沉砂 池个数 – ω－工作沉砂池的水流断面 面积，m2
A Qmax 0.2 0.8(m2 ) 0.25

– 池总宽度B：
A 0.8 B 1.6(m) h2 0.5
• 沉砂斗容积：
86400Qmaxt x1 V 105 K总 86400 0.2 2 3 105 1.5 0.69(m3 )
• 每个分格设2个沉砂斗，共 4个，则每个沉砂斗的容积 为
第九章 水处理工艺设计计算 第一节 平流式沉砂池和沉淀池的设计计算
重力沉降分离的基本概念
一、沉降分离的一般原理 二、流体阻力与阻力系数
一、沉降分离的一般原理
流体： 液体 气体
相对运动 固体颗粒物 液珠
沉降表面：器底、 器壁或其他表面
在环境领域沉降原理如何利用？
• 水与废水处理： 各种颗粒物（无机砂粒、有机絮体……）的沉降 密度较小絮体的上浮 油珠的上浮 • 气体净化： 粉尘、液珠……
对于球形颗粒，流体阻力的计算方程：
FD CD AP
u
2
2
CD:阻力系数，是雷诺数的函数。 AP：颗粒的投影面积
CD f ( ReP )
ReP ud P

颗粒的雷诺数
层流区
过渡区
湍流区
三、重力场中颗粒的沉降过程 假设球形颗粒粒径为dP、质量为m。沉速如何计算？
浮力Fb
π 3 Fb d P g 6