武理工城市污水处理工程讲义05二沉池的设计与计算.docx

第五章二沉池的设计与计算5.1工艺原理与设计运行参数4.1.1二沉池的工艺原理及功能二沉池是设置于曝气池之后的沉淀池，是以沉淀、去除生物处理过程中产生的污泥获得澄清的处理水为其主要目的的。二沉池有别于其他沉淀池，其作用一是泥水分离(沉淀)、二是污泥浓缩，并因水星、水质的时常变化还要暂时贮存活性污泥。目前人们已经把二沉池与生物反应器以及污泥回流系统视为一个处理单元。一般二沉池有福流式、平流式、竖流式三种形式，池型有圆形、方形。在过去多年中，对沉淀池的研究较为欠缺，不同的国家，不同的设计单位(水处理公司)都有自己的标准或方法，这些技术并不总是有明确的理论论证，常常也会发生矛盾。目前世界范围内都要求在经济负荷下，提高出水质量标准，由此对沉淀池的作用进行了重新研究，并对过去已经承认了的参数产生了疑问。1 .影响二沉池运行设计的几个主要因素二沉池运行过程中的影响因素很多，其中有些因素甚至是相互矛盾的。在沉淀过程中的影响因素有： 污水：流量、水温； 沉淀池：表面积和出流量、池高度、溢流堰长度地点和负荷、进水形式、池型、污泥收集系统、水力条件、水波和自然风影响； 污泥：负荷、区域沉淀速度、污泥体积指数、硝化程度； 生物处理情况：活性污泥模式、ROD负荷。在浓缩过程中的影响因素有： 污水：混合液流量； 池体：池表面积、池高、污泥收集系统； 污泥：沉速、SVL混合液浓度和负荷、回流比、污泥槽高度。欲获得满意的二沉池运行效果，就必须适当的满足二沉池运行的诸多的条件，就目前研究的情况，设计中主要考虑因素有如下几点：(1)活性污泥的沉降性能。在生物处理系统中，活性污泥的特性，特别是污泥的沉降性能，宜接影响着二沉池的工艺设计与运行。衡量活性污泥沉降性能的参数有两个：一是污泥指数SVI(mL);二是污泥沉降比SV%SVI的物理意义是：曝气池出口混合液经2min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积(mL).SV%乂称ROmin沉淀率，混合液在量筒内静置AOm由后所形成的沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率。SVLSV%与混合液污泥浓度MLSS(mRL,之间有下列关系：SV1=SVMLSS(mL)或SV=SVI×MLSSGnL/USVr值地反应出活性污泥的屣聚、沉淀性能，过低说明泥粒细小，无机物含量高，污泥缺乏活性；过高则说明污泥沉降性能不好，并具有产生膨胀现象的可能。其沉降性能一般区别如下：sv<,on沉降性能好；100<SVK20C沉降性能一般；SV1>200沉降性能不好。从上式可看出：要想获得适当的SVl值，则需在设计时选用适当的污泥浓度(MLSS)值，当进入生物反应器中的有机物量一定时，污泥浓度愈高，则污泥负荷(F/M)愈小，所以在设计时必须正确选择污泥负荷(尸/M),污泥浓度(、污泥负荷(尸/M与曝气池体积(V)之间有下列关系：_Qs.h/MV.MLSS式中：Q为污水流量(mVhhS。为BOd浓度(kizm3)jV为曝气池体积()。其他同前。在设计中一般根据污泥负荷(F/M)选择确定污泥指数(SVl),此资料一般采用运行值或试验值，可根据表5.1.1选取，混合液污泥浓度可根据处理工艺从表5.1.2中选取。表机1.1污泥指数值污水钟英J-J-SVl(mLg)Ff>O.OSk(kld>Ff<O,05kg(kg.d)混有少有机1业废水的生活污水IOO-15075700混有大有机工业废水的生活污水150-180100-150表4.1.2曝气池混合液污泥浓度值处理工艺MLSS<kgm,)带初玩池无初沉池无硝化2.57.53.54.5者硝化(反硝化)3.0-3.S3.5-4.5除磅2.7-3.0对大多数废水，F/M在下述范围内：0.3VF/MVo.6(2)回流污泥、回流比、回流污泥浓度、浓缩时间。在生物处理系统中必须保持足够且恒定的生物群体，因此在二沉池中所沉淀的生物固体（污泥）一部分必须返回到曝气池，另一部分从二沉池中排放掉。返回到曝气池的生物量，是用来维持系统所要求的污泥浓度，降解进入系统中的有机物质。有机物越多，需要的生物量越大，要想维持系统所要求的污泥浓度，就必须保证PI流污泥的量。在生物系统物料平衡中有如下关系式存在：x=%rh式中：及为污泥回流比%X.为回流污泥浓度（k/m3）,X为混合液污泥浓度MIS（kg/n?）由此式可看出：想要得到预期的X（MLSS）值，就必须保证有一定的PI流污泥浓度和PI流污泥量；XVXr回流污泥量，一般用回流比控制。对于平流式和辐流式二沉池一般采用R<1.5;竖流式沉淀池衣2.O,因为较大的回流比会加大二沉池分离区紊动程度，因此会影响沉淀过程。回流污泥浓度在很大程度上与活性污泥的性质和二沉池内污泥浓缩条件有关，活性污泥的浓缩性能不仅取决于SVI,还受到浓缩区高度、停留时间的影响。浓缩区的高度和停留时间与下列因素有关：固体负荷；二沉池进、配水方式；刮泥机种类与性能；污泥回流量及二沉池的池型等。在我国一般认为，混合液在量筒中沉淀20min后形成的污泥浓度基本上可代表混合液在二沉池所形成的污泥浓度，也即为回流污泥浓度。回流污泥浓度（X.）与SVI之间有下列关系：Xr=一SVI（mgL）式中的是考虑污泥在二沉池中的停留时间、池深、污泥层厚度等因素有关的系数，般取1.2左右。德国在二沉池竖向设计中研究较多，并提出了二沉池底流污泥浓度（XB）与浓缩时间（一）之间的关系式Xb-（kgm3）式中：SVl为污泥指数（Lkg）j"为污泥浓缩时间（h）,由此式看：污泥浓缩时间越长，底流污泥浓度则越高，回流污泥浓度越高，回流比K则可越小；另一方面活性污泥在二沉池浓缩区和刮泥区的停留时间应尽可能短，以免二沉池内污泥中的磷再次溶解以及因脱氮而造成的污泥上浮现象。但是要精确的确定最佳浓缩时间和影响系数，还要做大量的研究工作。浓缩时间的确定对二沉池的计算特别重要，设计可根据表5.1.3经验资料选取。表4.1.3浓缩时间取值表处理工艺然编时间(h)传统活性污泥法1.52.0隹物脱氯活性污泥法1.0-2.0生物除碘活性污泥法1OL5回流污泥浓度因受刮泥系统的影响，其浓度一般低于底流浓度，其减少值与所采用的刮泥系统有关。采用刮泥时：X0.7X«采用吸泥时：X.SO.5弧7X°以上二式适用于机械刮、吸泥式二沉池。(3后泥体积负荷和表面负荷。污泥体积负荷(心和表面负荷/是设计计算二沉池表面积的参数。二者有如下关系：af=2qMLSSXSVI在处理水量-定时，沉淀池表面面积与表面负荷成反比，4一多,为了保持较低的出水SS值和ROn值，我国室外排水设计规范GBn4-87(1997)中规定活性污泥法二沉池表面水力负荷1.01.5m3(m2h),德国对水平流态的二沉池(平流、辐流二沉池)规定：>1.6m3(m2h)lQ,O.45m,(mz-h),对竖流式沉淀池，因存在着污泥层的过滤作用和活性污泥的絮凝作用，污泥体积负荷较大o'>2Om3(m2h)aO6m3(m2h)5.2二沉池常用计算方法T21二沉池表面积计算方法1 .方法与规定计算二沉池沉淀部分水面常用方法有表面负荷法和固体通量法，固体通量法在理论上与污泥浓缩过程更为贴切，更适用于浓缩池的计算。在许多沉淀池的设计计算中，依据试验测得的污泥沉降曲线，这给人以精确和复杂的印象，但对于大多数的设计来说，并没有条件对处理工艺所生成的污泥进行沉降试验，因此二沉池的设计一般都采用经验值。2 .计算公式式中：Q为污水最大时流量(h)H为表面负荷m'/ln?h)l规范规定11.5r3mh,“为活性污泥成层沉淀之沉速为O2O5mms.说明：C)计算面积时设计流量不包括回流污泥量，因为一般沉淀池的出泥口常在沉淀池的下部，混合液进池后基本上分为方向不同的两路流出。一路为污水量，一路为回流、剩余污泥量,但中心管设计时设计流量应含回流污泥量。(2%值随污水的水质和混合液浓度而变，生活污水中含有一定的无机物，可采用稍高的值，工业废水溶解性有机物较多，活性污泥质轻，SVI值则较高，因此值宜低些。混合液污泥浓度对数值有较大的影响。浓度高时值偏小，反之，则偏大。其数值变化见表S.21asz.1随混合液浓度而变的M值MLSS(mL)tft*(fMa)ZOOOo>S3000a35WOOSOMan«0000.1«7000d“5. 2.2二沉池的高度设计1 .方法与规定（1）我国目前室外排水设计规范规定，沉淀池的有效水深宜采用24m,相关设计手册和教科书对二沉池高度设计，只作了二沉池有效水深和二沉池污泥区容积计算二项描述。有效水深按沉淀时间计算，一般沉淀时间取1L5h.而污泥区容积按油贮泥量计算。事实上这一规定是无法进行二沉池高度的详细计算的，例如污泥区与池边高度的关系。国内某些设计研究院对辐流式二沉池总高度计算采用：超高、有效水深、缓冲层高度、刮泥板高度、沉淀池底锥体部分高度之和。其中有效水深计算沉淀时间一般采用3h,水力表面负荷采用我国设计规范所规定的11.5m3（m2h）。缓冲层高度取O.Sm（除去池底锥体部分高度，其它均为池边深度）。在生产运行中取得良好效果。（3）英国WRC设计最大的缺陷同样是缺少沉淀池的高度资料，但在欧洲一般采用德国ATV（污水处理协会）高度分区方法加以补充。德国ATV制定的设计规范（A13I）规定的二沉池深度计算，把二沉池深度方向按其作用为4个区：清水区、分离区、储存区、浓缩及刮泥区。2 .计算公式德国计算方法：（1）清水区也），为安全保证区，减轻风、密度差、溢流堰对污泥絮体的抽吸作用和不均匀接口沉降等不可避免的影响因素（九=o.5m）a（2）分离区（儿）。混合液在分离区泥水分离，该区存在絮凝和沉淀二个过程，分离区的沉淀过程会受进水的紊流影响。分离区计算停留时间O.5h.计算公式：,t.vQ*1+OGA2-U.bXf1_SVlXMlw>XA式中：SVT为污泥指数（mVkQ；MLSS为混合液悬浮固体浓度（k"）;我为回流比(%)：Q2为污水设计流量(mVh).A为沉淀池面积(m2).(3)储存区优作用是在雨季储存污泥，以免曝气池中污泥浓度大幅度下降，造成处理效果下降，储存区与分离区是连续一体的。储泥区所储存的污泥可保证雨季曝气池中污泥浓度不低于旱季污泥浓度的70%,其差值AMLx=O。储存区的大小，应满足雨季时在1.5h内能接纳从曝气池内多流出的污泥量,污泥体积浓度按5OOLr3计(经验资料)，在此期间，污泥在储存区进行浓缩，并分布于整个二沉池面积上，二沉池污泥量的增加量为(14 15(L)NMLSSSVIQAN的体积vN匕=荻045q。(1 500(m3)%R),、(m)度A3.Om ,中心斗边深度Ai24.Omo式中：500L?为污泥体积浓度。AMISS为污泥浓度变化值，约0.3MLSS(k"m)SVI为污泥指数(L/kGw”为污泥体积负荷(Lm2h)g=-MLSS-SVhd=Qa/人4嫌缩及刮泥区UIJtl浓缩区是保证污泥底流浓度的区域(m)式中,.为浓缩时间一般，。nk为浓缩区污泥浓度值(/e3、.一ann，uw浓缩区内污泥可视为由一层层的等浓度层叠加在一起的，该浓度为单层浓度的平均值，单层浓度为二沉池总深度A=Ai+A,4-A*A4(m：对辐流式二沉池计算总池深为其水平流程W处的池深，如图5.1.1所示。同时还应满足池边深度A一2,5m,计算总池深5. 2.3设计计算例题1 .中心进水辐流式二沉池【例1】设计流量0=27OOhK=1.3；水力表面负荷d=1.0.5m'(nh),出水堰负荷设计规范规定为1.7Lsm(M6.88md)；沉淀池个数”=2；沉淀时间丁=3h,设计计算二沉池主要尺寸(其余数据同4.1.2节设计计算例题)。C施表面积A=S=2454.55m；Q1»1(2)单池面积人M=A=%.55=1227.27mZnI(3)池直径D=J，?*=39.54m(设计取。=40m)(4)沉淀部分有效水深Ai=XT=1.1×3=3.3m(5冗淀部分有效容积P=乎X&=头'O'X3.3=4144.8m344(G)沉淀池底坡落差取池底坡度则I=0.05儿=fXIy2)=0.05X21=0.9m(7沉淀池周边(有效)水深Hii=儿+儿+A、=33+05+05=43m>4m(DM=9.3,规范规定辐流式:沉池DlH0=612)式中：心为缓冲层高度，取05u儿为刮泥板高度，取o.5m.)沉淀池总高度，/=凡+儿+儿L4.3+09+0.3=5,4m式中：儿为沉淀池超高0.3.泥斗计算见第三章的有关章节。2 .进水系统计算(1谜水管的计算。图12.2辐流式沉淀池的计算图单池设计污水流量Q=1350mjh=O.375m3s4w进水管设计流量Qi!=QX(1+R)=1350X(1+0.5)=2025m,h=O.5625mjs管径Z>=80Omrn；v=l.12msIOOOt=I.83(2)进水竖井。进水井径采用D2=l5m,出水口尺寸0.45X1.5m?,共©个沿井壁均匀分布出水口流速V2=YU0.139ms(>0,15-0.2ms)U4XLoXoC)稳流筒计算。筒中流速V1=0.03O.02ms,(0.03ms)稳流筒过流面积=a=>18.75m2VjUVO稳流筒直径DL收+DJ=J1"臀+1.5?=5.1m：出水部分设计m单池设计流量Q=堂=1350mjh=O.375m3s(环形集水槽内流量g=粤=号-7So.188m3s(3)环形集水槽设计。1)采用周边集水槽，单侧集水，每池只有一个总出水口。集水槽宽度为=0<9<7b)04=0.9×(1.2×O.188)4=O.496m(取B=O.5m)，为安全系数，采用1.51.2,集水槽起点水深为Afi=0.7560.75×0.5=O.375m集水槽终点水深为h/1.25A=1.25×0.5=O.625m槽深均取O.gm.2）采用双侧集水环形集水槽计算o槽内终点水深：取槽宽A=1.6m；槽中流速t=0. 6ms义=0.375/2b O- 6 X 1.0=O.313m槽内起点水深:心=晓+ 后=713533 ÷= ° 495m校核：当水流增加一倍时，j = 0.375m3s;-0. 8m/s幺bUJ/30.8 X 1.00.47mA4=10X 0.375?7 g × LO2=O.243m3J需+=TLF+0”=O.66m设计取环形槽内水深为.Arn,集水槽总高为0.6+0.3（超高）=0.9m，采用90。三角堰（见图5.2.?）,计算如下。（4）出水溢流堰的设计。图，四水Or三角堰采用出水三角堰（90。）1）堰上水头（即三角口底部至上游水面的高度）j=0.05m(HjO)2）每个三角堰的流量sS=1.343HJ"=1.XO-OS247=O.0008213（m3s）3）三角堰个数174=456.59（个）（设计取457个）1vUUUoc104巨角堰中心距（单侧出水）zLx（D-2b）3.14X（40-2×0.5）ACdL1=1=Z=M=0*26,»i43/（双侧出水三角堰中心距计算略）4.排泥部分设计门】单池污泥量。总污泥量为回流污泥量加剩余污泥量。回流污泥辅QR=Q0XR=2700X0.5=1350m7h剩余污泥审G_X_丫6-SDQ-KdVX,QFE,二fXr式中：y为污泥产率系数，生活污水一般为U.50,65,城市污水0.40.生取0.5)/G为污泥自身氧化率，生活污水一般为0.0401,城市污水U.07左右(取0.065)X./X0.75×330C=2475¾250Om"L=2.5km3x-r'sV"L2X=10Q00mL=lkgm3C&X丫-SJQ-KjVXvQLE=05X，18X2700X24。065X13091X251.3X0.75×IO=380m3d16m5hQka=Qr+QsN1350+16A1366hQQJI6R3m7h(2)集泥槽沿整个池径为两边集泥，故其设计泥量为g=率=第=341.5m3h=0.095m3s集泥槽宽-0.9440.9Xa095*1-0.3S1m(取b-d4m)起点泥深,=0.756=0.75X0.4=0.3m(取儿=0.4m)终点泥深hf=1.2561.25X0.4=0.5m(取L=0.6m)集泥槽深均取O.*m(超高0.2m).1例21周边进水周边出水辐流式二沉池设计流量Q270Om'h,水力表面负荷，】01.5m("b),出水堰负荷：设计规范规定为>1.7L(88m'(md)1；沉淀池个数S,沉淀时间T=3h1.1 .二沉池主要尺寸(1泄表面积AQe2700Uu24=B=T=2454.55m29*11(2)单池面积A<m=4=F1227.27mi(3池直径D=Jg=39.54m(设计取D=40m)(4：沉淀部分有效水深儿=Q*X7=11X3=3,3m(5河淀部分有效容积,zmj3.14X402s.0,qe3V=-y×A2×3.3=4144.8m，(61沉淀池底坡落差取池底坡度i=0.0E,则4=iX(g2)=0.05X(40/2-2)=0.9m(7)沉淀池周边(有效)水深Hn=A9+Ai÷3.3÷0.5+0.5=4.3m>4m(DlHQ=40/4.3,规范规定辐流式二沉池HAc=612符合规定)式中：儿为缓冲层高度取0.5m,九为刮泥板高度取U.bm,(g)沉淀池总高度H=+儿+儿=43+09+03=54m式中：儿为沉淀池超高0.3.2进水系统计算(1泄水配水槽的计算。单池设计污水流量Qa=QdltR)=2700(，Q&=2025m7h=0.563m,s22出水端槽宽Bl=0.9j)4=0.9(53)°1=0.54m(取0.6m)槽中流速取0.6ms.进水端水深Hlo.×o60.78m出水端水深0.5630.79mJ"J+瓦LJ678Z卜2gX0.，X0.78(2)校核。当水流增加一,倍时Q=-G.563mssv-0.8ms0取槽宽从0.9×(0.563)-o.72m(JR0.8m)HLQ=S 0 563 Bl - 0. 8 X 0 A -JH J *0.88mM1I0563'2gX 0.8t × 0. 88K.9m取槽宽：B=0.8m；槽深：=.lm.3.出水部分计算环形集水槽计算同上。