沉淀池概述

9.1.1 沉淀池的基础理论

沉淀法是去除水中悬浮颗粒杂质的主要方法之一。沉淀原理是利用水中悬浮颗粒的密度大于水的密度，使悬浮颗粒在重力的作用下沉到池底，达到固液分离的目的。1952年，Kynch以悬浮物的浓度连续均匀分布的假设为基础，提出了沉淀理论。此后在进行沉淀池的设计计算时，有关沉淀的分析都是以该理论为基础的。Kynch提出的沉淀理论的主要内容包括：①在悬浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，即这一水平层内的全部颗粒以同样的速度下沉，颗粒形状、大小以及成分的任何差别都不会改变这一性质；②颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数；③整个沉淀高度的初始浓度是均匀的，或者是沿深度逐渐增加的。这一基本假设是我们进行沉淀分析和设计的理论基础。

根据水中杂质颗粒本身的性质和所处外界条件的不同，沉淀可分为如下几种：①按水流状态，分为静水沉淀和动水沉淀；②按投加混凝剂与否，分为自然沉淀和混凝沉淀；③按颗粒受力状态及所处水力学等边界条件，分为自由沉淀和拥挤沉淀；④按颗粒本身物理、化学性状，分为团聚稳定颗粒沉淀与团聚不稳定颗粒沉淀。

在实际沉淀过程中，根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度不同，沉淀通常可以分成以下4种不同的类型：

1）自由沉淀。当悬浮物质浓度不高时，在沉淀过程中，颗粒间互不碰撞，呈单颗粒状态，各自独立地完成沉淀过程。典型的例子是砂粒在沉砂池中的沉淀过程，以及悬浮物浓度较低的污水初次在沉淀池中的沉淀过程。自由沉淀过程可以用牛顿第二定律和斯托克斯公式描述。

2）絮凝沉淀（也称干涉沉淀）。当悬浮物浓度较高（50～500mg／L）时，在沉淀过程中，颗粒与颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用，使颗粒的粒径与质量逐渐加大，沉淀速度不断加快，故实际沉速很难用理论公式计算，主要靠实验测定。这类沉淀的典型例子是活性污泥在二沉池中的沉淀。

3）区域沉淀（或称成层沉淀、拥挤沉淀）。当悬浮物浓度大于500mg／L时，在沉淀过程中，相邻颗粒之间互相妨碍、干扰，沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，并在聚合力的作用下，颗粒群结合成一个整体向下沉淀，与澄清水之间形成清晰的液－固界面，沉淀显示为界面下沉。典型的例子是二沉池下部的沉淀过程及浓缩池的开始阶段。

4）压缩沉降。它是区域沉淀的继续，即形成压缩，此时颗粒间互相支撑，上层颗粒在重力作用下挤出下层颗粒的间隙水，使污泥得到浓缩。典型的例子是活性污泥在二沉池的污泥斗中及浓缩池中的浓缩过程。

9.1.2 沉淀池的分类

在水处理中，沉淀池分为初次沉淀池和二次沉淀池。初次沉淀池是采用生物处理法的预处理。通过初次沉淀池，约30％的BOD和55％的悬浮物可以被去除。二次沉淀池设置在生物处理构筑物的后面。沉淀池按水流的方向分为平流式、竖流式及辐流式3种，见图9－1所示。

图9－1 不同类型沉淀池的示意图

一般来说，沉淀池由进水区、出水区、沉淀区、贮泥区及缓冲区组成。沉淀池的运行方式分为间歇式与连续式两种。进水区和出水区使污水的流入量和流出量保持平衡；贮泥区是存放污泥的地方；缓冲区的作用是减小水流流速，避免已经沉在沉淀池底部的污泥颗粒被水流带入沉淀池的上部。

9.1.3 沉淀池的研究现状

影响沉淀池运行的因素众多，且沉淀池的布置位置及处理水质的特点也各不相同，各种类型的沉淀池各有其适用的范围和优势。如何选择合适的类型和适宜的参数，现阶段只能靠类比和一般经验，还没有量化的标准，这对实际工程中提高沉淀池的工作效率较为不利。

当今对沉淀池的研究方法主要分为模型实验和数值模拟计算两种。早期的研究主要以模型实验方法为主，然而模型试验耗费大，实验周期长，且无法确切地掌握沉淀池内部的整体情况。自20世纪90年代起，计算机技术迅速发展，数值模拟技术在航空、航天、建筑、水利等众多工程领域得到了广泛的应用。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术采用数值方法，直接求解描述流体运动基本规律的非线性数学方程组，通过数值模拟方法来研究流体的运动规律，它和实验并驾齐驱，设计质量可用实验结果来评价，大大缩短了设计时间，节省了设计费用。随着计算流体力学的深入发展和计算机技术的飞速发展，使得这一设计新思路的实现有了可靠的保证。应用这种新的设计手段，使我们有可能预报真实沉淀池中的流场和流速分布等水力参数，把实验所需人力、物力及财力减少到最低限度。

（1）模型实验研究现状

从20世纪70年代开始，国外的研究人员利用PIV（Particle Image Velocimetry）、LDV （Laser Doppler Velocimetry）、ADV（Acoustic Doppler Velocimeter）等仪器，进行了许多沉淀池场测量方面的试验研究。具有代表性的有：Larsen利用超声测速技术对一些原型池及模型进行了大量的测量工作，Imam利用激光多普勒测速技术对模型池进行了测量，Iyn和Rodi在沉淀池内无挡板、单向挡板及双向挡板条件下进行了流场测量，Deininger等人对圆形二沉池内的速度与浓度场进行了测量，Dahl等人对二沉池模型进行了测量，Kim等人利用雷达示踪技术对沉淀池内水流流动特性进行了测量。对于二沉池，当入口处污染物浓度高于池内水体的浓度时，易形成密度异重流，导致分层。Van Marle和Kranenburg，以及Bretscher等，通过试验发现沉淀池内具有3层甚至4层的流动结构。

（2）数值计算研究现状

数值计算研究较模型试验研究起步稍晚，但发展迅速。在国外，Imam等人提出了二维模型，假定第一维为竖直方向，第二维为流体水平流向，在流体的第三维（垂直于第一、第二维）方向流体流速与颗粒物浓度处处相同，采用涡量－流函数法对沉淀池模型进行了模拟，对流项采用加权中心差分的迎风格式来处理，未考虑密度流的影响。De Vantier和Larock Bruce提出了辐流式二沉池在柱坐标系下的二维水流模型和悬浮物体积守恒模型，运用此模型可预测沉淀池内的速度矢量、悬浮物浓度、湍流运动黏度分布等，而且分析了进口k、ε的确定对湍动能、耗散率和涡流黏性系数没有显著的影响。但是此模型模拟值没有与实验值进行比较。Celik和Rodi开始采用k－ε湍流模型进行模拟工作，开创了用有限元方法来研究矩形沉淀池流场的新方法，解决了选择紊动黏性系数和扩散系数的不确定性问题，此后在沉淀池的数值模拟中，标准k－ε紊流模型得到了广泛应用。湍流模型更符合实际情况。Adams和Rodi指出，示踪剂的浓度场预测准确程度主要受到流场预测的准确性影响，同时他们也比较了不同数值离散格式对结果准确性的影响。Stamou等人对加拿大安大略州Sarnia市的沉淀池进行了流场的计算，指出对于原型池的预测存在一定的偏差，主要是在做二维简化与模型池简化过程中产生的。对于沉淀池内低悬浮污染物（SS）浓度，采用模型简化方法能得到较好的结果。Zhou和Mc Corquodale等人用所建立的数学模型对沉淀池中沉淀物的浓度进行了计算与分析，同时还利用改进的k－ε紊流封闭时均方程组，对二沉池泥沙引起的密度流进行了模拟研究，获得了不少成果。Takamatsu等提出了关于冲刷系数的经验公式，较好地模拟了沉淀池中悬浮物的分布。Mazzolani等提出了一种关于矩形沉淀池的稳态模型，该模型的可取之处在于沉降速率模型的选择，通过使用泛化沉降模型，不仅很好地描述了沉淀池内低浓度区域的离散沉降现象，而且也准确地模拟了高浓度区的受阻沉降情况。Lakehal等使用Phoenics以提高自来水厂和污水处理厂的设计和操作水平。De Cock等也通过Phoenics来研究沉淀池内的絮凝情况，他们通过引入流体增长和破碎模型来改进Phoenics程序，以模拟絮凝对沉淀池效率的影响。Laine等和Jayanti、Narayananl使用Fluent模拟了沉淀池的二维流体情况，对典型初级沉淀池进行了相关研究。

在国内，曾光明等利用涡量－流函数方法对沉淀池悬浮物分布进行了模拟，求解过程中利用的是差分方法。蔡金傍等采用三角形有限单元离散方法，并使用了k－ε湍流模型对沉淀池进行了模拟。郭生昌等利用层流模型对沉淀池内流速场进行了数值模拟。杨开等也利用有限元方法，通过数值模拟来确定集水槽长度。屈强等利用Fluent软件中的k－ε湍流模型分析了两种类型的沉淀池内水流的流态，指出折流式沉淀池内的流态不如尺寸相同的平流式沉淀池的水流特征。屈强等利用Fluent软件中的RNGk－ε湍流模型，又对平流式初沉池内的水流流态进行了数值模拟。何国建和汪德耀在考虑了悬浮物沉降引起水体密度的变化后，使用k－ε湍流模型对悬浮物及水流的运动进行了模拟。蔡金傍等对沉淀池的几何参数进行了分析与优化。严晨敏等对沉淀模型进行了综述。屈强等对辐流式二沉池使用改进的RNGk－ε湍流模型和Mixture混合模型进行了模拟。赵金保、杨海真对二沉池内的污泥浓度进行了模拟。张明星等对计算流体动力学在二沉池优化设计中的应用进行了综述。彭杨等对异重流进行了二维数值模拟。杨红、潘光等在验证了k－ε湍流模型的基础上，对大禹渡沉砂池内水流的运动特性进行了研究。刘百仓等应用常湍流涡黏性系数模型，求解方法为混合有限分析解法，对I－mam等人的模型池进行了一系列的模拟，其结果与试验结果吻合良好。刘百仓等利用稀疏颗粒模型对带翼片斜板沉淀池内颗粒沉降的轨迹进行了模拟，对平流式沉淀池数值模拟技术进行了较为全面的检验。付立静等采用标准k－ε湍流模型和简化的多相流Mixture模型，对辐流式沉淀池内的水流速度场和悬浮物浓度场进行了模拟，通过验证表明，该模型能够很好地模拟沉淀池中水流流场以及污泥的分布情况。利用该模型模拟辐流式沉淀池在不同进水流速和不同挡板布置形式下的水流流场、悬浮物的浓度场，经过分析比较，提出了更合理的沉淀池运行工况，并优化了挡板的布置形式。采用双流体模型模拟沉淀池内的固液两相紊流，给出了速度场和沉淀物浓度分布。Fan等对同一沉淀池内应用不同挡板的情况也进行了模拟，随着挡板的纳入，沉淀物浓度的分布差异巨大。另外还讨论了挡板高度和位置对沉淀物浓度分布的重要影响。肖尧等通过数值模拟得出颗粒粒径的变化对沉淀效果的影响。王晓玲在考虑了污泥斗和底坡影响的基础上，建立了平流式沉淀池水流的三维两相流模型，应用计算流体力学软件STAR－CD对模型进行求解，通过计算证明了沉淀池内宽度方向速度分布是非均匀的，并通过与Imam的实验结果进行比较，验证了数值模拟求解的可行性。