沉淀池的类型和结构
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沉淀池类型按水流方向划分沉淀池，有平流式、辐流式、竖流式三种形式。每种沉淀池均包括五个区，即进水区、沉淀区、缓冲区、污泥区和出水区。沉淀池各种池型的优缺点和适用条件见表12-6。
沉淀池各种池型的优缺点和适用条件 表12-6
| 池型 |
优点 |
缺点 |
适用条件 |
| 平流式 |
(1)沉淀效果好；
(2)对冲击负荷和温度变化的适用能力较强；
(3)施工简易，造价较低 |
(1)池子配水不易均匀；
(2)采用多斗排泥时，每个泥斗需要单独设排泥管各自排泥，操作量大；
(3)采用链带式刮泥机排泥时，链带的支撑件和驱动件都浸于水中，易锈蚀 |
(1)适用于地下水位高及地质较差地区；
(2)适用于大、中、小型污水处理厂 |
| 竖流式 |
(1)排泥方便，管理简单；
(2)占地面积小 |
(1)池子深度大，施工困难；
(2)对冲击负荷和温度变化的适用能力较差；
(3)造价较高；
(4)池型不宜过大，否则布水不匀 |
适用于处理水量不大的小型污水处理厂 |
| 辐流式 |
(1)多为机械排泥，运行较好，管理较简单；
(2)排泥设备已趋定型 |
机械排泥设备复杂，对施工质量要求高 |
(1)适用于地下水位较高地区；
(2)适用于大、中型污水处理 |
一、平流式沉淀池
利用悬浮颗粒的重力作用来分离废水中的固体颗粒的设备称为沉淀池。平流式沉淀池是使用最早的一种沉淀设备，由于它结构简单、运行可靠，对水质适应性强，故目前仍在采用。平流沉淀池的形式见图12-9。
 1
- 平流沉淀池的基本结构与要求
平流式沉淀池分为进水区、沉淀区、存泥区、出水区四部分。
1)进水区
进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动，采取的措施是整流。进水区入口整流措施见图12-10，包括溢流式入流方式，设置有孔整流墙，见图12-10(a)；低孔式入流方式，底部设挡流板见图12-10(b)；淹没孔与挡流板的组合，见图12-10(c)；淹没孔与有孔整流墙的组合，见图12-10(d)。
在设计时，一般采用穿孔，为使矾花不易破碎，进水流速在0.15-0.2m/s，洞口总面积也不宜过大，开孔面积为过水断面的6%-20%，可有效地分散水流。但必须注意穿孔墙与反应池出口距离不宜太小，以不小于1.5-2.0m为佳。如有条件，穿孔墙孔口最好做成锥形，即孔口前小后大，水流将能更好地扩展，见图12-11。
如一絮凝池处理水量为0.64m3/s，与沉淀池之间采用钢筋混凝土穿孔布水花墙，墙长14m，墙高3.8m，有效水深3.5m,超高0.3m。穿孔墙上的孔口流速采用0.15m/s，则孔口总面积为0.64/0.15=4.27m2，每个孔口尺寸取15cm*8cm，则孔口数为4.27/(0.15*0.08)=356个。孔口布置成9排，每排孔口数为356/9=40，每排孔口间距为0.18m，孔口与侧壁间距为0.49m。上下各排孔口间距为0.18m，底排孔口与底板距离为0.5m，上排孔口与水面距离为0.59m。
2)沉淀区
沉淀区的作用是使形成的颗粒在较好的水力条件下，在自身重力的作用下，沉淀并分离。沉淀区的高度一般约3-4m，平流式沉淀池应减少紊动性，提高稳定性。其中紊动性指标为雷诺数。如：Re=VpR/μ
式中V-沉淀池中的水平流动速度，m/s；
R-沉淀池的水力半径，m；
μ-水的动力黏度，Pa·s；
p-流体的密度，kg/m3。
稳定性指标为弗劳德数，可按上式计算。
Fr=V2/Rg
式中V-沉淀池中的水平流动速度，m/s；
R-沉淀池的水力半径，m；
g-重力加速度，9.8m/s2。
根据以上两式，能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低水力半径R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B大于4，L/H大于10，每格宽度应在3-8m。
一般认为，水流在平流沉淀池属于明渠流，水流应处于层流状态，即雷诺数控制在小于500，可以用减小水平流动速度和沉淀池的水力半径来达到目的。然而即使采取以上措施，对大多数平流沉淀池而言，水流的雷诺数为4000-20000，实际上都处于紊流状态，过分强调控制雷诺数对平流沉淀池没有大的意义。
3)出水区
在出水区，沉淀池应做到沿整个出流堰的单位长度溢流量相等，对于初沉池，单位长度溢流量一般为250m3/( m·d)，对于二沉池一般为130-250m3/(m·d)。出水区通常采用的溢流形式有溢流堰、三角堰、淹没孔口，见图12-12。
采用溢流堰作为出水溢流的形式在施工中有一定的难度，由于存在构筑物的不均匀沉降问题，实际使用效果也不是很好。采用淹没孔口，其孔口流速宜为0.6-0.7m/s，孔径20-30mm，孔口在水面下15cm，水流应自由跌落到出水渠。锯齿形三角堰应用最普遍，三角堰不仅可控制沉淀池内的水面高度，而且对沉淀池内水流的均匀分布有直接影响。采用三角堰，池中水面宜位于齿高的1/2处，为适应水流的变化或构筑物的不均匀沉降，在堰口处需要设置能使堰板上下移动的调节装置，使出口堰口尽可能水平；堰前可设置挡板，以阻拦漂浮物，或设置浮渣收集和排除装置，如设挡板，挡板应当高出水面0.1-0.15m，浸没在水面下0.3-0.4m，距出水口处0.25-0.5m。
为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰的长度，降低流量负荷。目前我国增加堰长的办法如图12-13、图12-14所示。其中图12-13(a)为沿沉淀池宽度设置的集水槽、图12-13(b)为设置有平行集水支槽的集水槽、图12-13(c)为沿沉淀池长度设置的集水槽。
目前基本上采用(b)型即指形槽，指形槽增加了出水堰的长度，降低了堰的负荷率，从而减小了无效沉淀区的体积。由于指形槽在一定的沉淀距离后即开始集水，此时一方面取得了池面已澄清的水，同时又使其后池内水体水平流速降低，相应延长了部分水体的停留时间。指形槽的溢流率是主要控制参数，目前溢流率有的给水厂采用500m3/ (m2·d)，有些给水厂设计数据采用的是300m3/(m2·d)，但效果也不会有明显的提高。所以在污水处理
厂，平流沉淀池出水堰负荷可以控制在300m3/(m2·d)左右。
4)存泥区排泥措施
为保证出水水质，需要及时排出沉于池底的污泥是使沉淀池工作正常。
(1)泥斗排泥
当采用污泥斗排泥时，每个污泥斗均应设单独的闸阀和排泥管，方形污泥斗的斜壁与水平面的倾角宜为60°、圆形污泥斗的倾角宜为55°。
当采用静水压力排泥时，初次沉淀池的静水头不应小于1.5m；二次沉淀池的静水压头在生物膜法处理后不应小于1.2m，在活性污泥法处理池后不应小于0.9m。
(2)机械排泥
当采用机械排泥时，一般可以采用多种方式结合，采用泵虹吸式机械排泥和穿孔管排泥相结合的形式，排泥管内也可增设冲洗管，解决排泥管易堵塞的问题。浮渣的收集与排除可一并结合考虑。图12-15为设有链带式刮泥机的平流式沉淀池结构示意图。图12-16为设有行车式刮泥机的平流式沉淀池示意图。
- 平流式沉淀池优缺点
1)优点
处理水量大小不限，沉淀效果好；对水量和温度变化的适应能力强；平面布置紧凑，施工方便，造价低。
2)缺点
进、出水配水不易均匀；多斗排泥时，每个斗均需设置排泥管(阀)，手动操作，工作繁杂，采用机械刮泥时容易锈蚀。
- 平流式沉淀池适用范围
适用于地下水位高、地质条件较差的地区，大、中、小型污水处理工程均可采用。
- 平流式沉淀池设计方法与设计要点
1)设计方法
我国现有平流沉淀池设计方法有三种:按水平流速和沉淀时间设计；按悬浮物去除的百分率设计；按表面负荷率设计。一般按照按表面负荷率设计与沉淀时间计算。
2)设计要点
(1)池数或分隔数一般不少于2；
(2)沉淀时间一般为1-3h，当处理低温低浊水或高浊度水时可适当延长；沉淀时间国外一般为2-4h，我国停留时间多为1-2h。
(3)沉淀池内平均水平流速一般为10-25mm/s；
(4)有效水深一般为3-3.5m，超高为0.3-0.5m；
(5)池的长宽比应不小于4，每格宽度或导流端间断一般采用3-8m，最大为15m，当采用虹吸式或泵吸式行车机械排泥时，池子分格宽度还应结合桁架的宽度(8，10，12，14，16，18，20m)；
(6)池的长深比应不小于10；
(7)进水区采用穿孔花墙配水时，穿孔坡距进水墙池壁的距离应不小于1-2m，同时在沉淀面以上0.3-0.5m处至池底部分的墙不设孔眼；
(8)采用穿孔墙配水或溢流堰集水，溢流率不大于500m3/(m3·d)；
(9)雷诺数一般为4000-15000，弗劳德数一般为10^-4 - 10^-5。
- 平流式沉淀池运行数据
平流式沉淀池的运行数据见表12-7。
平流式沉淀池的运行数据 表12-7
| 项目 |
运转指标 |
规范规定指标 |
| 最大 |
最小 |
平均 |
| 停留时间/h |
2.0-4.0 |
0.69-0.88 |
1.96 |
1-3 |
| 水平流速/(mm/s) |
35.2-45.1 |
4.05-8.55 |
15.3 |
5.20 |
| 沉淀池深度/m |
3.9-5.1 |
2.75 |
3.26 |
3-4 |
| 沉淀速度u/(mm/s) |
0.87-1.10 |
0.126-0.36 |
0.54 |
|
| 表面负荷/[m3(d·m2)] |
101.5 |
18-38 |
49 |
|
| 雷诺数(Re)/10^4 |
5.44-13.5 |
0.48-2.08 |
3.6 |
|
| 弗劳德数(Fr)/10^-5 |
4.25-8.55 |
0.086-0.39 |
1.63 |
|
- 影响平流式沉淀池沉淀效果的因素
1)水流状况的影响
主要为短流的影响，产生的原因有：
(1)进水的惯性作用；
(2)出水堰产生的水流抽吸；
(3)较冷或密度较大的进水产生的异重流；
(4)风浪引起的短流；
(5)池内存在的导流板和刮泥设施等。
2)凝聚作用的影响
由于实际沉淀池的沉淀时间和水深所产生的絮凝过程均影响了沉淀效果，实际沉淀池也就偏离了理想沉淀池的假定条件。
二、竖流式沉淀池
- 结构
竖流式沉淀池又称立式沉淀池，是池中废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(管中流速应小于30mm/s)，管下设伞形挡板使废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(直径大于200mm)靠静水压将泥定期排出。竖流式沉淀池有圆形、正方形等形式。为使池内水流分布均匀，圆形池的池径一般采用4-7m，不大于10m。图12-17竖流式沉淀池结构示意图。
- 竖流式沉淀池的特点
1)优点
占地面积小、排泥方便。
2)缺点
池深度大、施工比较困难、造价高；对水盘冲击负荷和水温变化适应能力不强；池径不宜过大，只用于小水量污水处理厂。
- 设计数据
1)池直径或正方形边长与有效水深的比值不大于3，池直径一般采用4-7m；
2)当池直径或正方形边长小于7m时，澄清水沿周边流出。当直径不小于7m时，应设辐射式集水支渠；
3)水在中心管内的流速不大于30mm/s；
4)中心管下口的喇叭口和反射板要求:
(1)反射板板底距泥面不小于0.3mm；
(2)反射板直径及高度为中心管直径的1.35倍；
(3)反射板直径为喇叭口直径的1.3倍；
(4)反射板表面对水平面的倾角为17；
(5)中心管下端至反射板表面之间的缝隙高为0.25-0.5m，缝隙中心污水流速在初次沉淀池中不大于30mm/s，在二次沉淀池中不大于20mm/s；
中心管下口的喇叭口和反射板要求如图12-18所示。
(6)排泥管下端距池底不大于0.2m，管上端超出水面不小于0.4m；
(7)浮渣挡板跪集水槽0.25-0.5m，高出水面0.1-0.15m，淹没深度0.3-0.4m;
(8)水力停留时间t=1.5-2h。
三、辐流式沉淀池
- 辐流式沉淀池主要形式
辐流式沉淀池是活性污泥法处理污水工艺过程中的理想沉淀设施，适用于一沉池或二沉池。根据进、出水的布置方式，可分为以下三种主要的形式:中心进水周边出水、周边进水中心出水、周边进水周边出水。
1)中心进水周边出水
(1)中心进水周边出水辐流式沉淀池结构
中心进水周边出水辐流式沉淀池结构示意图如图12-19所示。
(2)应用
①基本情况。乌鲁木齐市河东污水处理厂中沉池采用的是中心进水周边出水辐流式沉淀池，直径47m，中心转动排泥。为使布水均匀，进水管设穿孔挡板，穿孔率为10%-20%，出水堰采用三角堰，堰前设挡板，拦截浮渣，单池设计流量1896m3/h，表面负荷0.97m3/(m2·h)，沉淀时间2h，有效水深2m，池边水深4m，边高0.5m。北京市高碑店污水处理厂二沉池为水深4m，直径50m辐流式中心进水周边出水形式，共24座，采用刮吸结合虹吸静压排泥的方式，排泥连续运行。配套的回流污泥泵房4座，采用进口螺旋浆式潜水泵共16台，剩余污泥泵采用潜污泵共12台。
②存在的问题。中心进水方式存在污泥难絮凝、易受水力负荷冲击而扰动池底、配水条件差、机械维修困难的缺点。
2)周边进水中心出水
周边进水中心出水结构示意图如图12-20所示。
对于大直径辐流式沉淀池，中间设置出水堰，可能会存在清除浮渣困难 、中间出水堰的清理维护不便的问题。
3)周边进水周边出水
(1)结构
周边进水周边出水结构示意图如图12-21所示。
(2)周进周出与中进周出沉淀池的比较
①沉淀区的流态
二次沉淀池进水为活性污泥混合液，悬浮物固体MLSS的质量浓度在3000-4000mg/L之间，高于池内的澄清水。由于二者间的密度差、温度差而存在二次流和异重流现象，中进周出和周进周出两种不同池型内的混合液流态各不相同。
在中进式沉淀池中，活性污泥混合液从池中心进水管以相对较高的流速进入池内，形成涡流，经布水筒逐渐下降到污泥层上，再沿沉淀区中部向池壁方向流动并壅起环流。分离出的澄清水部分溢流入出水槽，部分在上面从池边向池中心回流；密度大的混合液则在下面从池边向池中心流动，形成了反向流动的环流。这种环流不利于沉淀，限制了池子的水力负荷。
而在周边进水周边出水的沉淀池中，密度流的方向与中心进水式相反。混合液经进水槽配水孔管流入导流区后经孔管挡板折流，下降到池底污泥面上并沿泥面向中心流动，汇集后呈一个平面上升，在向池中心汇流和上升过程中分离出澄清水，并反向流到池边的出水槽，形成大环形密度流，污泥则沉降到池底部。因此，周进周出沉淀池的异重流流态改变了沉淀区的流态，有利于固液分离。其两者流态示意图如图12-22所示。
②容积利用率
异重流现象在中进式沉淀池中会形成短流。部分容积没有得到有效利用，池子的实际负荷比设计负荷大得多。而周进式由于大环形密度流的形成，容积利用率要高得多。
对应进、出水槽位置的不同，中心进水与周边进水沉淀池的容积利用率不相同，见表12-8。
辐流式沉淀池溶剂利用率 表12-8
| 进水槽位置 |
出水槽位置 |
容积利用率/% |
| 中心进水 |
周边出水 |
48 |
| 周边进水 |
R/4处 |
85.7 |
| R/3处 |
87.5 |
| R/2处 |
79.7 |
| 池周R处 |
93.6 |
③导流筒的作用
中进式中心导流筒内的流速相对较高，常在0.1m/s以上，水流向下流动的动能大，易冲击底部污泥，活性污泥在其间难以形成絮凝作用。而周进式由于池周长，过水断面大，进水流速小得多。流速小，雷诺数和弗劳德数都比中进式小，雷诺数小，惯性作用小；弗劳德数小，粘滞力作用大，这些都有效地促进了筒内流态向层流发展，产生同向流，促使活性污泥下沉。
④二沉池其他部件的设置
a.单向环流配水。理论上采用双向环槽配水可减少渠道断面，但工程中难保证双向对称分流，一旦发生偏流，误差会更大，因此采用单向环流配水更可靠。另外，配水槽内的刮渣板随吸泥机单向旋转，双向配水不利于配水槽内撇渣。
b.配水槽与集水槽。配水槽和集水槽沿池周布置，两槽合建，共底共壁，配水孔管中心，挡水裙板，出水堰环与池周同心，保证进出水均匀。
c.进水区挡水裙板。挡水裙板延伸至水面下1.5m处，以保证良好的澄清效果。
d.除渣。浮渣集中在配水渠道的小块面积上，通过安装在撇渣设备竖臂上的叶片刮集，驱动配水渠末端的浮渣堰门排除。
e.排泥。排泥设备选用中心传动单管吸泥机。吸泥机转动方向与进水形成的水流方向一致，搅动池底污泥和带走轻的活性污泥絮体的可能性较小。吸泥管断面由池边到池中心逐渐放大，可保证污泥在吸泥管内流速均匀，以防止孔口堵塞及污泥在管内沉积。
周进周出辐流式沉淀池与传统的中心进水式相比，具有较大的有效容积、高溢流率、较佳水力稳定性、较大范围进水面、进水渠道表面撇渣等优点，在保证配水均匀稳定性的前提下，可以得到良好的处理效果。
(3)应用
无锡市城北污水处理厂三期工程泥水分离系统采用周边进水周边出水辐流式沉淀池，设计池径为50m，池边水深4.87m，表面负荷qmax=1.38m3/(m2·h)，沉淀时间3h。池内安装全桥式中心传动吸泥机1台。为确保配水均匀，防止固体物质在进出水集内的沉积，保持水流在渠内的等速流动，采用变断面的进出水渠及变化的配水孔口尺寸和间距。进水渠宽1067mm减缩至427mm，相应的出水渠宽由427mm渐扩至1067mm，配水孔口尺寸为165mm，间距为700-1800mm不等。
- 辐流式沉淀池设计要点
设计要点如下:
(1)池直径与有效水深之比6-12；
(2)坡向泥斗的底坡≥0.05；
(3)池径≥16m；
(4)液面负荷≤2.5m3/(m2·h)；
(5)沉淀时间一般为1.5-3h；
(6)池径小于20m，一般采用中心转动的刮泥机，其驱动装置设在池子中心走道上。池径大于20m时，一般采用周边传动的刮泥机，其驭动装置设在外缘。如图12-23、图12-24所示。
(7)刮泥机的旋转速度一般为1-3r/h，外周刮泥板的线速不超过3m/min一般采用1.5m/min。
(8)在进水口的周围应设置整流板，整流板的开口面积为过水断面积的6%-20%。
(9)浮渣用浮渣刮板收集，刮渣板装在刮泥机桁架的一侧，在出水堰前应设置浮渣挡板，如图12-25所示。
(10)非机械刮泥时，缓冲层高0.5m。机械刮泥时，缓冲层上缘宜高出刮泥板0.3m；
四、斜管与斜管填料沉淀池
斜管与斜板沉淀池的结构也包括进水与配水区、沉淀区、出水区、污泥区四个部分，包括异向流、同向流、横向流三种，目前在实际工程中应用的是异向流斜板(管)沉淀池，其结构示意图见图12-26。
- 异向流斜管填料沉淀池的设计要求
(1)斜管填料净距为80-100mm，斜管孔径d为50-80mm；
(2)斜管斜长为1m；
(3)斜管倾角为60°；
(4)斜管区上部水深为0.7-1.0m；
(5)斜管区底部缓冲层离度为1.0m。
- 采用的填料
为了充分利用沉淀池的有限容积，填料(斜板、斜管)设计成密集型几何图形，其中有正方形、长方形、正六边形和波形等，见图12-27。实际应用中，采用斜管填料较多，斜管一般采用正六边形和波形。
- 设计参数
(1)表面负荷:初沉他、沉淀池
- 2-3m3/(m2·h)；活性污泥法后的
 二次沉淀池2-3m3/(m2·h)；生物膜法后的沉淀池2-4m3/(m2·h)；
(2)水力停留时间一般为:5-2.5h；
(3)斜板净距为80-100mm；
(4)斜管孔径一般为50-80mm，用于污水处理时，一般选大值；
(5)单个的斜板、斜管的斜长应在1-1.2m；
(6)斜板、斜管的倾角为60°；
(7)斜板、斜管区底部配水区高度为0.5-1m；
(8)斜板、料管区上部清水区高度为0.7-1m；
(9)在池壁与斜板的间隙应有档流板，以防止水流短路；
(10)进水方式一般采用穿孔墙，出水一般采用多槽出水；
(11)斜板、斜管沉淀池应设置斜管、斜板冲洗设施。
- 斜流沉淀池在废水处理中的应用
斜流沉淀池具有沉淀效率高、停留时间短、占地少等优点，在给水处理中得到比较广泛的应用；对于废水处理中，在选矿水尾矿浆的浓缩、炼油厂的含油废水的隔油等已有较成功的经验，
- 在印染废水处理和城市污水处理中也有应用。
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