平流式斜管沉淀池的工作原理
平流式沉淀池应用很广，特别是在采用地面水源的电厂中常被采用。
一、平流池的结构
平流式蜂窝斜管填料沉淀池为矩形水池，基本组成如图3-5所示。上部为沉淀区，下部为污泥区，池前部有进水区，池后部有出水区。添加混凝剂后的原水流入沉淀池，沿进水区整个截面均匀分配进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，沉积的污泥连续或定期排出池外。
- 进水区
通过混凝处理后的水先进入沉淀池的进水区，进水区内设有配水渠和穿孔墙，如图3-6所示。配水渠墙上配水孔的作用是使进水均匀分布在整个池子的宽度上，穿孔墙的作用是让水均匀分布在整个池子的断面上。为了保证穿孔墙的均匀布水作用，穿孔墙的开孔率应为断面面积的6%-8%，孔径为125mm左右。配水孔沿水流方向做成喇叭状，孔口流速在0.2-0.3m/s以内，最上一排孔淹没在水面下12-15cm处，最下一排孔距污泥区以上0.3-0.5m处，以免将已沉降的污泥再冲起来。
- 沉淀区
沉淀区是沉淀池的核心，作用是完成固体颗粒与水的分离。在沉淀区固体颗粒以水平流速-v和沉降速度u的合成速度，一边向前行进一边向下沉降。
- 出水区
出水区的作用是均匀收集经斜管填料沉淀区沉降后的出水，使其进入出水渠后流出池外。为保证在整个沉淀池宽度上均匀集水和不让水流将已沉到池底的悬浮固体带出池外，必须合理设计出水渠的进水结构。图3-7给出三种结构。图3-7(a)为溢流堰式，这种形式结构简单，但堰顶必须水平才能保证出水均匀。图3-7(b)为锯齿三角堰式，为保证整个堰口的流量相等，锯齿堰应该用薄壁材料制作，堰顶要在同一个水平线上，图3-7(c)为淹没孔口式，在出水渠内墙上均匀布孔，保证每个小孔流量相等。
- 存泥区和排泥措施
沉淀池排泥方式有静水压力斗形底排泥和机械排泥等。
①静水压力法。利用池内的静水位，将污泥排出池外，见图3-8。排泥管1插入污泥斗，上端伸出水面与大气相通。静水压力H(m)。为了使池底污泥能滑入污泥斗，池底有i=0.01-0.02的坡度，也可采用多斗式平流沉淀池，以减小深度，见图3-9。
②机械排泥法。链带式刮泥机见图3-10，链带装有刮板，沿池底缓慢移动，速度1m/min，把沉泥级级推入污泥斗，当链带刮板转到水面时，又可将浮渣推向流出挡板处的浮渣槽。
行走小车刮泥装置见图3-11，小车沿池壁顶的导轨往返行走，刮板将沉泥刮入污泥斗，浮渣刮入浮渣槽。由于整套刮泥机都在水面上，不易腐蚀，易于维修。被刮入污泥斗的沉泥，可用静水压力法或螺旋泵排出池外。
二、理想沉淀池
平流式蜂窝斜管填料沉淀池在运行时，水流受到池身构造和进口处水流惯性、出口处束流、风吹池面、水质的浓差和温差等影响，使颗粒沉淀复杂化。为了便于讨论，先从理想沉淀池出发，然后讨论实际沉淀池。
所谓理想沉淀池，应符合以下三个假定：
(1)颗粒处于自由沉淀状态。在沉淀过程中，颗粒之间互不干扰，颗较的大小、形状和密度不变。因此颗粒的沉速始终不变。
(2)水流沿水平方向流动，在过水断面上各点流速相等，在流动过程中流速始终不变。
(3)颗粒沉到池底即认为已被去除，不再返回水流中。
三、离散颗粒在理想沉淀池中的沉淀过程分析
- 水平流速
按照上述假定，理想沉淀池的工作情况见图3-12。原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在AB截面上，水平流速为：v=Q/h0B
式中：v为水平流速，m/s；Q为流量，m3/s；h0为水流截面AB的高度，m；B为水流截面AB的宽度，M。
- 截留速度和表面负荷
①截流速度。如图3-12所示，直线I代表从池顶A点开始下沉而能够在池底最远处B`点之前沉到池底的颗粒的运动轨迹。直线II代表从池顶A开始下沉不能沉到池底的颗粒的运动轨迹。直线III代表一种颗粒从池顶A开始下沉而刚好沉到池底最远处B`点的运动轨迹。
设沉淀池的水平流速为v，按直线III运动的颗粒的相应沉速为v0，于是凡是沉速大于v0的一切颗粒都可以沿着类似直线I的方式沉到池底。凡是沉速小于v0的颗粒，如从池顶A点开始下沉，肯定不能沉到池底而沿着类似直线II的方式被带出池外。可以看出，直线III所代表的颗粒沉速v0具有特殊的意义，称为“截留速度”或“截留沉速”。“截留速度”实际上反映了沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速。因为凡是沉速等于或大于沉速v0的颗粒能够全部被沉掉。
对于直线III所代表的一类颗粒，流速v和v0都与沉淀时间t有关：t=L/v t=h0/u0
式中：L为沉淀区的长度，m；h0为沉淀区的水深，m；t为水在沉淀区中的停留时间，S；u0为颗粒的截留速度，m/s；v为水平流速，m/s。
令以上两式相等，并以式(3-12)代入，整理得截流速度u0：u0=Q/L·B=Q/A
式中：A为沉淀池水面的表面积。
②表面负荷q。沉淀区单位表面积在单位时间所通过的流量定义为沉淀池的表面负荷(q)，表面负荷的单位为m3/(m2·h)。
由此可见，截留速度在数值上等于表面负荷，但含义不同：截留沉速代表自池顶A点开始下沉所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速，表面负荷则表示沉淀区的单位表面积在单位时间所通过的流量。
- 沉淀效率
为了求得沉淀池总的沉淀效率，先讨论某一特定颗粒即具有沉速vi的颗粒的去除百分比Pi。应该指出，这个特定颗粒的沉速，必定小于截留沉速u0，因大于u0的颗粒将全部下沉，不必讨论。去除率Pi的关系推导如下。
沉速ui小于截留沉速u0的颗粒，如从池顶A点下沉，将沿着直线II前进而不能沉到池底。如果引一条平行于直线II而交于B`的直线mB`，从图3-12可见，只有位于池底以上hi高度内，也即处于m点以下的这种颗粒才能全部沉到池底。设原水中这类颗粒的浓度为c，沿着进水区的高度为h0的截面进入的这种颗粒的总量为Qc=h0Bc，沿着m点以下的高度为hi的截面进入的这种颗粒的数量为hiBc，则沉速为ui的颗粒的去除率pi应为：Pi=hiBvc/h0Bvc=hi/h0
另外从三角形ABB`和三角形Abb`的相似关系可得：h0/u0=L/v 即：h0=Lu0/v 同理得：hi=Lui/v
将上式代入，得到该颗粒的去除率为：Pi=ui/u0
将u0=Q/A代入上式得：Pi=uiA/Q=ui/q
由式可知：悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只与沉淀池的表面负荷有关，而与其他因素如水深、池长、水平流速和沉淀时间均无关。这就是著名的哈真(Hazen)理论，对沉淀技术的发展起了很大的作用。
公式反映以下两个问题：
(1)当去除率一定时，颗粒沉速ui越大表面负荷也越高，即产水量越大。或者当产水量和表面积不变时，ui越大则去除率Pi越高。颗粒沉速ui的大小与凝聚效果有关。
(2)颗粒沉速ui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，池身浅些则表面积大些，去除率可以高些，这就是“浅池理论”，斜板、斜管沉淀池就是基于该理论发展起来的。
实际上，原水中沉速小于v0的颗粒众多，这些不同的颗粒的总去除率P是各种颗粒去除率的总和。故理想沉淀池总的去除率P为：P=(1-P0)+p0ζ0 ui/u0 dPi
式中：P0为沉速小于截留速度u0的颗粒占全部颗粒的质量百分率；P为能够去除的沉速小于u0的颗粒占全部颗粒的质量百分率，u0为理想沉淀池的截留速度。ui为小于截留速度的颗粒沉速；Pi为所有沉速小于ui的颗粒质量占原水中全部颗粒质量的百分率；dPi为具有沉速为ui的颗粒质量占原水中全部颗粒质量的百分率，(1-P0)为沉降速度等于和大于u0的顺位的去除率。
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