3.2　沉淀

3.2.1　沉淀的基本理论是什么？

沉淀是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。当悬浮物的密度大于水时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物。沉淀法可以去除水中的砂粒、化学沉淀物、混凝处理所形成的絮体和生物处理的污泥，也可用于沉淀污泥的浓缩。

3.2.2　沉淀有哪几种类型？

根据水中悬浮物的密度、浓度及凝聚性，沉淀可分为4种基本类型。

（1）自由沉淀

颗粒在沉淀过程中呈离散状态，互不干扰，其形状、尺寸、密度等均不改变，下沉速度恒定。悬浮物浓度不高且无絮凝性时常发生这类沉淀。

（2）絮凝沉淀

当水中悬浮物浓度不高，但有絮凝性时，在沉淀过程中，颗粒互相凝聚，其粒径和质量增大，沉淀速度加快。

（3）成层沉淀

当悬浮物浓度较高时，每个颗粒下沉都受到周围其他颗粒的干扰，颗粒互相牵扯形成网状的“絮毯”整体下沉，在颗粒群与澄清水层之间存在明显的界面。沉淀速度就是界面下移的速度。

（4）压缩沉淀

当悬浮物浓度很高，颗粒互相接触，互相支承时，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间的水被挤出，污泥层被压缩。

3.2.3　自由沉淀与絮凝沉淀的理论基础是什么？

（1）自由沉淀

水中的悬浮颗粒，都因两种力的作用而发生运动：悬浮颗粒受到的重力，水对悬浮颗粒的浮力。重力大于浮力时，下沉；两力相等时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。为分析简便起见，假定：

①颗粒为球形；

②沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变；

③颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响。

静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用产生加速运动，经过很短的时间后，颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时（即颗粒在静水中所受到的重力F_g与水对颗粒产生的阻力F_d相平衡），颗粒即呈等速下沉。

当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度也小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。颗粒的沉速见式（31）。

式中，μ为水的黏度。这就是Stokes公式，该式表明：

①颗粒与水的密度差（ρ_s-ρ）越大，沉速越快，成正比关系。当ρ_s>ρ时，u>0，颗粒下沉；当ρ_s<ρ时，u<0，颗粒上浮；当ρ_s=ρ时，u=0，颗粒既不下沉又不上浮；

②颗粒直径越大，沉速越快，成平方关系。一般地，沉淀只能去除d>20μm的颗粒。通过混凝处理可以增大颗粒粒径；

③水的黏度μ越小，沉速越快，成反比关系。因黏度与水温成反比，故提高水温有利于加速沉淀。

在实际应用中，由于悬浮颗粒在形状、大小以及密度等有很大差异，因此不能直接用公式进行工艺设计，但公式有助于理解沉淀的规律。

（2）絮凝沉淀

由于原水中含絮凝性悬浮物（如投加混凝剂后形成的矾花、活性污泥等），在沉淀过程中大颗粒将会赶上小颗粒，互相碰撞凝聚，形成更大的絮凝体，因此沉速将随深度而增加。悬浮物浓度越高，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试验确定。在直径约0.1m，高约1.5～2.0m，且沿高度方向设有约5个取样品的沉淀管中倒入浓度均匀的原水静置沉淀，每隔一定时间，分别从各个取样口采样，测定水样的悬浮物浓度，计算表观去除率；作出每一沉淀时间t的表观去除率E与取样口水深h的关系曲线或每一取样口的E-t关系曲线；选取一组表观去除率，如10%、20%、30%…对每一去除率值，从图中读出对应的t₁、t₂、t₃…据此在水深-时间坐标图中点绘出等去除率曲线。

对指定的沉淀时间和沉淀高度，沉淀效率η可用式（3-2）或式（3-3）计算。

或

式中，h₅为所选定的沉淀高度。

从选定的沉淀时间处作垂直线，与等去除率线相交时，相邻两等去除率线间的距离为Δh_i，平均沉淀深度为。

3.2.4　沉淀池原理是什么？

为便于说明沉淀池的工作原理以及分析水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规律，Haen和Camp提出了理想沉淀池这一概念。理想沉淀池划分为四个区，即进口区、沉淀区、出口区及污泥区，并做下述假定：

①沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；

②悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；

③在沉淀池的进口区，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；

④颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。

根据上述的假定，悬浮颗粒理想沉淀池的沉淀过程可用图3-6表示。

当某一颗粒进入沉淀池后，一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速v等于水流速度。

另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u₀。颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和。在沉淀过程中，q_v/A为反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示，见式（3-4）和式（3-5）。

可以看出，理想沉淀池中，u₀与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：u₀的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m³/（m²•h）。可见，只要确定颗粒的最小沉速u₀，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。

此外，上式还表明，理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H无关，也与池体积V无关。

3.2.5　实际沉淀池与理想沉淀池的区别是什么？

实际运行的沉淀池与理想沉淀池是有区别的，主要是由于池进口及出口构造的局限，使水流在整个横断面上分布不均匀，横向速度分布不匀比竖向速度分布不匀更降低沉淀效率。存在着紊流、短流、偏流、回流等各种有害流态，悬浮物的沉降是属不同程度的非理想沉淀。一些沉淀池还存在死水区，由于水温变化及悬浮物浓度的变化，进入的水可能在池内形成股流。如当进水温度比池内低，进水密度比池内大，则形成潜流；相反，则出现浮流。潜流和浮流都使池内容积未能被充分利用。此外，池内水流往往达不到层流状态，由于紊流扩散与脉动，使颗粒的沉淀受到干扰。

衡量水流状态常常采用雷诺数（Re）、弗劳德数（F_r）及容积利用系数这几种指标。

雷诺数是水流紊乱状态的指标，控制雷诺数在500以下，水流处于层流状态。雷诺数的计算见式（3-6）。

式中，R为水力半径，μ为水的运动黏滞系数。

弗劳德数是水流稳定性的指标，它表示水流动能与重力能的比值。增大弗劳德数，可以克服密度股流的影响。弗劳德数的计算见式（3-7）。

容积利用系数是水在池内的实际停留时间与理论停留时间的比值。如有股流或偏流存在，或者池内存在死水区，实际的池内停留时间将大大小于用池容积和流量相除所得的理论停留时间。实际池内停留时间可用在进口处脉冲投加示踪剂，测定出口的响应曲线的方法求得。容积利用系数可作为考察沉淀池设计及运行好坏的指标。

由于实际沉淀池受各种因素的影响，采用沉淀试验数据时，应考虑相应的放大系数。设计的表面负荷应为试验值的1/1.25～1/1.7倍，平均为1/1.5倍；沉淀时间应为试验值的1.5～2.0倍，平均为1.75倍。

3.2.6　沉淀池是如何分类的？

按池内水流方向分类：平流式沉淀池、竖流式沉淀池、辐流式沉淀池、斜板（管）式沉淀池。

按沉淀池的用途和工艺布置不同分类：初次沉淀池、二次沉淀池、污泥浓缩池。

按工作方式分类：间歇式沉淀池和连续式沉淀池。

3.2.7　辐流式沉淀池的原理是什么？

辐流式沉淀池一般为直径较大（20～30m）的圆池，最大直径达100m。中心深度为2.5～5.0m，周边深度为1.5～3.0m。污水从池中心进入，由于直径比深度大得多，水流呈辐射状向四周周边流动，沉淀后污水往四周集水槽排出。由于是辐射状流动，水流过水断面逐渐增大，水流速度逐步减小。池中心处设中心管，污水从池底进入中心管，或用明槽自池的上部进入中心管，在中心管的周围常有穿孔障板围成的流入区，使污水能沿圆周方向均匀分布。为阻挡漂浮物质，出水槽堰口前端宜加设挡板及浮渣收集与排出装置。

辐流式沉淀池大多采用机械刮泥（尤其在池直径大于20m时，几乎都用机械刮泥），将全池的沉积污泥收集到中心泥斗，再借静压力或污泥泵排除。刮泥机一般是一种桁架结构，绕中心旋转，刮泥刀安装在桁架上，可中心驱动或周边驱动。此时，池底坡度为0.05，坡向中心泥斗，中心泥斗的坡度为0.12～0.16。除了常用的中心进水、周边出水的辐流池（见图3-7）外，还有周边进水、中心出水的辐流池（见图3-8）和外周边进水、内周边出水的辐流池（见图3-9）。

除了机械刮泥的辐流式沉淀池外，也可以将辐流沉淀池建成方形，污水沿中心管流入，池底设多个泥斗，使污泥自动滑进泥斗，形成斗式排泥。这种情况大多用于直径小于20m的小型池。

辐流式沉淀池的有效水深一般不大于4m，池直径（或正方形的一边）与有效水深之比不小于6，一般为6～10。采用机械刮泥时，沉淀池的缓冲层上缘应高出刮泥板0.3m，刮泥机械活动桁架的转数为2～3次/h。

辐流式沉淀池的设计方法很多，国内目前多采用与平流沉淀池相似的方法，取池半径1/2处的水流断面作为沉淀池的设计断面。也有采用表面负荷进行计算的。对生活污水或与之相似的污水进行处理的表面负荷可采用 2～3.6m³/（m²•h），沉淀时间为1.5～2.0h。

3.2.8　竖流式沉淀池的原理是什么？

竖流式沉淀池水流方向与颗粒沉淀方向相反，其截留速度与水流上升速度相等。当颗粒发生自由沉淀时，其沉淀效果比在平流沉淀池中低得多。当颗粒具有絮凝性时，则上升的小颗粒和下沉的大颗粒之间相互接触、碰撞而絮凝，使粒径增大，沉速加快。沉速等于水流上升速度的颗粒将在池中形成一悬浮层，对上升的小颗粒起拦截和过滤作用，因而沉淀效率有可能比平流沉淀池更高。

竖流沉淀池多为圆形、方形或多角形，但大多数为圆形，直径（或边长）一般在8m以下，常在4～7m之间。沉淀池的上部为圆筒形的沉淀区，下部为截头圆锥状的污泥区，两层之间为缓冲层，约0.3m。污水从进水槽进入池中心管，并从中心管的下部流出，经过反射板的阻拦向四周均匀分布，沿沉淀区的整个断面上升，处理后的污水由四周集水槽收集。集水槽大多采用平顶堰或三角形锯齿堰，堰口最大负荷为1.5L/（m•s）。当池的直径大于7m时，为集水均匀，还可设置辐射式的集水槽与池边环形集水槽相通。竖流式沉淀池如图3-10所示。

沉淀池贮泥斗倾角为45°～60°。污泥可借静水压力由排泥管排出，排泥管直径应不小于200mm，静水压力为1.5～2.0m。排泥管下端距离池底不大于2.0m，管上端超出水面不少于0.4m。为了防止漂浮物外溢，在水面距池壁0.4～0.5m处可设挡板，挡板伸入水面以下0.25～0.3m，伸出水面以上0.1～0.2m。

为了保证水能均匀地自下而上垂直流动，要求池直径（D）与沉淀区深度（h₂）的比值不超过3∶1。在这种尺寸比例范围内，悬浮物颗粒能在下沉过程中相互碰撞、絮凝，提高表面负荷。但是由于采用中心管布水，难以使水流分布均匀，所以竖流沉淀池一般应限制池直径。

竖流沉淀池中心管内流速对悬浮物的去除有很大影响，在无反射板时，中心管流速应不大于30mm/s，有反射板时，可提高到100mm/s，污水从反射板到喇叭口之间流出的速度不应大于40mm/s。反射板底距污泥表面（缓冲区）为0.3m，池的超高为0.3～0.5m。

3.2.9　斜板沉淀池的原理是什么？

从理想沉淀池的特性分析可知，沉淀池的处理效率仅与颗粒沉淀速度和表面负荷有关，与池的深度无关。

对一深度为H，体积为V的平流式理想沉淀池，Q=u₀V/H。即在V及H给定的条件下，若欲获得要求的去除率（由u₀决定），处理水量就不能随意变化；同样，在水量给定时，只能得到固定的去除率。或者说，增大Q，则u₀就随之增大，从而降低去除率，反之，若提高去除率（亦即减小u₀），处理的流量就必须减小，两者不可兼得。但是若将该池分为n层浅池，每池深度为h=H/n，当进入每个浅池的流量为q=Q/n （即水平流速不变）时，浅池沉速u'₀=q/A=Q/nA=u₀/n，即沉速减小了n倍，从而使效率大大提高。当每个浅池保持原有的沉速u₀不变时，每个浅池处理的流量为q'=u₀A=Q，则n个浅池的总处理能力提高至原来的n倍。

沉淀池分层和分格还将改善水力条件。在同一个过水断面上进行分层或分格，使断面的湿周增大，水力半径R （=面积/湿周）减小，从而降低雷诺数（Re），增大弗劳德数（Fr），降低水的紊乱程度，提高水流稳定性，增大池的容积利用系数，在工程实际应用上，采用分层沉淀池，排泥十分困难，所以，一般将分层的隔板倾斜一个角度，以便能自行排泥，这种形式即为斜板沉淀池。如各斜隔板之间还进行分格，即成为斜管沉淀池。斜管沉淀池如图3-11所示。

斜板（管）与水平面间的倾角一般采用50°～60°，此时总沉降面积为所有斜板在水平方向的投影面积之和，即式（3-8）。

式中，A_i为第i块斜板的表面积；α为斜板与水平面的夹角。

沉淀池加设斜板（管）后，水流雷诺数可降至500以下，弗劳德数可达10^-3～10^-4数量级，处理能力比一般沉淀池大得多（3～7倍），过流率可达36m³/（m²•h），停留时间大大缩短，节省占地面积。

斜板（管）沉淀池大多采用异向流形式，即水流在斜板（管）内的流动方向与颗粒沉淀和滑行方向相反，也有采用同向流及横向流形式。

斜板（管）之间间距一般不小于50mm，污水在斜管内流速视不同污水而定，如处理生活污水，流速为0.5～0.7mm/s。斜板大多采用聚氯乙烯平板或波纹板，斜管多为黏合塑料蜂窝管，常以一种组装形式安装。斜板（管）长一般在1.0～1.2m。

斜板（管）的上层应有0.5～1.0m的水深，斜板（管）下为污水分布区，一般高度不小于0.5m，布水区下部为污泥区。

斜板（管）沉淀池可采用多斗排泥，也可采用钢丝绳牵引的刮泥车，刮泥车在斜板（管）组下来回运动，将池底的污泥汇集至污泥斗。污泥斗及池底构造与一般平流沉淀池相同。池出水一般采用多排孔管集水，孔眼应在水面以下2cm处，防止漂浮物被带走。如漂浮物较多应附设漂浮物收集及排泥装置。

3.2.10　各种沉淀池之间的区别及适用场合是什么？

平流式沉淀池的池型呈长方形，污水从池的一端流入，水平方向流过池子，从池的另一端流出。在池的进口处底部设贮泥斗，其他部位池底有坡度，倾向贮泥斗。适用于地下水位较高及地质较差的地区；适用于大、中、小型污水处理厂。

辐流沉淀池的池形多呈圆形，小型池子有时亦采用正方形或多角形。池的进口在中央，出口在周围。水流在池中呈水平方向向四周辐流，泥斗设在池中央，池底向中心倾斜，污泥通常用刮泥（或吸泥）机械排除。适用于地下水位较高的地区，适用于大、中、小型污水处理厂。

竖流式沉淀池又称立式沉淀池，是池中污水竖向流动的沉淀池。池体平面图形为圆形或方形，水由设在池中心的进水管自上而下进入池内，管下设伞形挡板使污水在池中均匀分布后沿整个过水断面缓慢上升，悬浮物沉降进入池底锥形沉泥斗中，澄清水从池四周沿周边溢流堰流出。堰前设挡板及浮渣槽以截留浮渣保证出水水质。池的一边靠池壁设排泥管，靠静水压将泥定期排出。常用于处理水量小于20000m³/d的污水处理厂。

斜板（管）沉淀池是指在沉淀区内设有斜板（管）的沉淀池。在平流式或竖流式沉淀池的沉淀区内利用倾斜的平行管或平行管道（有时可利用蜂窝填料）分割成一系列浅层沉淀层，被处理的和沉降的沉泥在各沉淀浅层中相互运动并分离。根据其相互运动方向分为逆（异）向流、同向流和逆向流三种不同分离方式。每两块平行斜板（管）间相当于一个很浅的沉淀池。由于污水的黏性等因素，斜板（管）沉淀池在污水处理中的应用不多，仅适合用于占地面积紧张的场合。

3.2.11　沉淀池的工艺设计参数有哪些？

（1）设计流量

沉淀池的设计流量与沉砂池的设计流量相同。在合流制的污水处理系统中，当污水是自流进入沉淀池时，应按最大流量作为设计流量；当用水泵提升时，应按水泵的最大组合流量作为设计流量。在合流制系统中应按降雨时的设计流量校核，但沉淀时间应不小于30min。

（2）沉淀池的个数

对于城市污水处理厂，沉淀池的个数应不少于2个。

（3）沉淀池的经验设计参数

对于城市污水处理厂，如无污水沉淀性能的实测资料时，可参照表 3-1 经验参数选用。

（4）沉淀池的有效水深、沉淀时间与表面水力负荷的相互关系

沉淀池表面水力负荷与沉淀时间的关系如表3-2所示。

（5）沉淀池的几何尺寸

沉淀池超高不少于0.3m；缓冲层高采用0.3～0.5m；贮泥斗斜壁的倾角，方斗不宜小于60°，圆斗不宜小于55°；排泥管直径不宜小于200mm。

（6）沉淀池出水部分

一般采用堰流，在堰口保持水平。出水堰的负荷为：对初沉池，不宜大于2.9L/（s•m）；对二次沉淀池，一般不宜大于1.7L/（s•m）。有时亦可采用多槽出水布置，以提高出水水质。

（7）贮泥斗的容积

一般按不大于2d的污泥量计算。对二次沉淀池，按贮泥时间不超过2h计。

（8）排泥部分

沉淀池一般采用静水压力排泥，静水压力数值如下：初次沉淀池应不小于 14.71kPa （1.5mH₂O）；活性污泥法后二沉池应不小于8.83kPa （0.9mH₂O）；生物膜法后二沉池应不小于11.77kPa （1.2mH₂O）。

3.2.12　沉淀池在运行过程中应注意哪些问题？

①根据沉淀池的形式及刮泥机的形式，确定刮泥方式、刮泥周期的长短。避免污泥停留时间过长造成浮泥，或刮泥过于频繁或刮泥太快扰动已下沉的污泥。

②采用间歇排泥时最好实现自动控制。无法实现自控时，要注意总结经验，人工掌握好排泥次数和排泥时间。当初沉池采用连续排泥时，应注意观察排出污泥的流量和颜色，使排泥浓度符合工艺要求。

③巡检时注意观察各池的出水量是否均匀，还要观察出水堰出流是否均匀，堰口是否被浮渣封堵，并及时调整或修复，经常维护。

④巡检时注意观察浮渣斗中的浮渣是否能顺利排出，浮渣刮板与浮渣斗挡板配合是否适当，并及时调整或修复。

⑤巡检时注意辨听刮泥、刮渣、排泥设备是否有异常声音，同时检查其是否有部件松动等，查出问题及时调整或修复。

⑥排泥管道至少每月冲洗一次，防止泥沙、油脂等在管道内尤其是阀门外造成淤塞，冬季还应当增加冲洗次数。定期（一般每年一次）将沉淀池排空，进行彻底清理检查。

⑦按规定对沉淀池的常规监测项目进行及时分析化验，尤其是SS等重要项目要及时比较分析，确定SS去除率是否正常，如果下降就应分析找出原因，并采取必要的整改措施。

⑧沉淀池的常规监测项目有进出水的水温、pH值、COD、BOD₅、TS、SS及排泥的含固率和挥发性固体含量等。