上向流斜管沉淀池是目前凈水處理廠較常見的一種沉淀設(shè)施，然而由于該類沉淀池運(yùn)行時水流的流場及濃度場變化規(guī)律復(fù)雜，人們在實(shí)際工程運(yùn)用中對部分區(qū)域的認(rèn)識不夠清晰,因而對斜管沉淀池開展研究是十分必要的。我們基于流體力學(xué),采用兩相流數(shù)學(xué)模型對斜管沉淀池嘗試進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過改變進(jìn)水懸浮物顆粒直徑、配水區(qū)高度以及集水槽布置形式等條件,對流場、濃度場和沉淀池的出水效果三個方面進(jìn)行了分析。
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    通過建立包括長寬比、斜管管徑、配水區(qū)高度等多個因素的水力學(xué)方程，分析了上述因素對沉淀池運(yùn)行效果的影響，得出沉淀池的高寬比的影響，增加配水區(qū)高度和沿池長方向減小斜管管徑可以提高斜管沉淀池的布水均勻性，從而實(shí)現(xiàn)了 斜管沉淀池的優(yōu)化設(shè)計(jì)?？偠灾瑖鴥?nèi)對沉淀池的速度場、濃度場以及溫度場的數(shù)值模擬研究已逐漸成熟，但還沒有深入研究沉淀池的幾何尺寸、進(jìn)水懸浮物動態(tài)變化情況下對沉淀效果的影響；并且對沉淀池的探討分析大部分還停留于二維模擬，關(guān)于三維模擬的研究。我國對沉淀池的多相流研究目前還處于探索階段，所選用的模型通常包括混合物兩相流模型和歐拉兩相流模型，在沉淀池?cái)?shù)值模擬研究中關(guān)于多相流模型大部分只有水體和懸浮物質(zhì)這兩相。

    在水處理工藝中，沉淀特性是指比重大于水的懸浮顆粒依靠重力的作用，從水中沉降分離的過程。根據(jù)懸浮顆粒的濃度和顆粒性質(zhì)的不同，沉淀又可分為分散顆粒自由沉淀、絮凝顆粒絮凝沉淀、擁擠沉淀和壓縮沉淀這四種基本形式。（1）分散顆粒自由沉淀 懸浮顆粒小于5000ｍｇ／Ｌ的天然河流水中泥砂顆粒一般具有自由沉淀的性質(zhì)。禹水灃環(huán)保自由沉淀是指當(dāng)水中懸浮物濃度不高時，顆粒從水中下沉分離時彼此互不干擾，獨(dú)立完成各自的沉淀過程。懸浮顆粒呈離散狀態(tài)，其物理性質(zhì)（密度、尺寸、形狀等）及下沉速度均不發(fā)生變化，且顆粒在水中只受到本身的重力和水流的阻力作用。關(guān)于分散顆粒的自由沉淀的變化規(guī)律通常使用牛頓定律與斯托克斯公式來表達(dá)。

    絮凝顆粒絮凝沉淀又稱為干擾沉淀，天然水源水中細(xì)小粒徑的泥砂也會發(fā)生自然絮凝作用，形成絮凝顆粒的自由沉淀。經(jīng)過混凝后的懸浮顆粒具有一定絮凝性能，絮凝過程即兩懸浮顆粒相互碰撞后聚結(jié)，粒徑和質(zhì)量均逐漸增大，其沉降速度也隨水深增加而加快的沉淀過程。沉淀軌跡呈拋物線狀，但很難用規(guī)律的公式計(jì)算，這是由于4萬方數(shù)據(jù) 章緒論 懸浮物顆粒的尺寸在不斷變化，沉速也隨之變化，故大都需要試驗(yàn)測定。禹水灃環(huán)保擁擠沉淀又稱為分層沉淀，當(dāng)水中的懸浮顆粒濃度大于15000mg/Ｌ時，在下沉過程中互相干擾碰撞，最終形成一個整體并且共同向下沉淀的過程即為擁擠沉淀。該過程中懸浮物與水之間會出現(xiàn)明顯的固液分界面。擁擠沉淀在水處理過程中常?？梢姟＠缍纬恋沓叵虏课勰嗟某恋磉^程以及濃縮池中污泥濃縮的初始階段。

    壓縮沉淀又為污泥濃縮，它是擁擠沉淀的繼續(xù)。當(dāng)濃度比較高的懸浮物顆粒在水中沉降時，顆粒與顆粒之間通常形成團(tuán)塊狀，呈現(xiàn)彼此接觸并依托的狀態(tài)，在重力作用下，下層顆粒受到上層顆粒的擠壓并擠出間隙水，使污泥得到濃縮的過程，該過程稱之為壓縮沉淀。懸浮物顆粒聚集在一起，與液體形成顯而易見的分界面，且粒群與液體分離的速 度非常緩慢。一般污泥的濃縮過程都存在著壓縮沉淀，該過程通常發(fā)生在沉淀池及濃縮池內(nèi)，如活性污泥在二次沉淀池污泥斗中的濃縮過程。理想沉淀池是簡化了的沉淀池的模型，是沉淀池設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，它應(yīng)符合以下三個假定：（1）水中顆粒處于自由沉淀狀態(tài)，認(rèn)為顆粒在沉淀過程中互不干擾：（2）忽略懸浮顆粒之間的相互作用，即顆粒密度、形狀、大小保持不變，認(rèn)為沉降過程中顆粒下沉的速度是相同的；（3）忽略了水流對池底的沖刷作用，認(rèn)為顆粒沉到池底視為己去除。 依據(jù)上述假設(shè)條件，作出理想沉淀池的工作原理簡圖.

    原水經(jīng)整流設(shè)施流入池內(nèi)，均勻分配于Ａ-ｃ截面，則其水平流速公式為： ｖ：ｊ生（1.1） ％曰 式中ｒ水平流速，ｍ／ｓ 曠流量，ｍ３／ｈ； 辦Ｄ一水流截面Ａ—Ｂ的高度，ｍ； 召一水流截面Ａ—Ｂ的寬度，ｍ。 如圖1.1所示，直線１所代表的顆粒沉速實(shí)際上反映的是沉淀池所能全部去除的顆粒中顆粒沉速ｖ，通常稱為“截留沉速”；圖中比截留沉速大的全部顆粒均能夠按照類似路線３的軌跡沉入池底，而比截留沉速小的全部顆粒如果由Ａ點(diǎn)進(jìn)入沉淀池，則無法沉淀只能順著類似路線２的軌跡隨液體流出池外。 沉淀池的去除率公式為：E＝』Ｌ Ｑ兒（1.2）由式（1.2）可知：在理想沉淀池中，沉淀池的運(yùn)行效率與沉淀池與池體的幾何構(gòu)造、進(jìn)水流速以及顆粒停留時間等因素?zé)o關(guān)，只有沉淀池的表面負(fù)荷影響其大小。根據(jù)式（1.1），懸浮顆粒在沉淀池里的沉降速度影響了沉淀池長度與深度間的聯(lián)系，因而影響了沉淀池的優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而這與真實(shí)的情況并不相符。顆粒沉速只是影響沉淀池去除效果的其中一個因素，還有其他原因例如由溫度差引起的對流、密度差引起的異重流、風(fēng)力和水力攪動以及配水、池內(nèi)死角和水與池壁摩擦引起的滯流等不 規(guī)則運(yùn)動。同時，水流的斷面流速并不是均勻分布，懸浮顆粒沉淀效率容易受到水流狀態(tài)不穩(wěn)定的影響。綜上所述，對于沉淀池的尺寸優(yōu)化基于上述假定條件具有很大的經(jīng)驗(yàn)性、主觀性和任意性。所以，對沉淀池內(nèi)的流態(tài)和懸浮物濃度分布進(jìn)行研究具有十分重要的意義，能夠比較地確定沉淀池的尺寸以及沉淀的效率。

    沉淀池的種類按照液體在池中的運(yùn)動與軌跡，通常可以分為以下五種：平流式沉淀池、豎流式沉淀池、輻射式沉淀池、氣浮池和斜管沉淀池。選擇正確的沉淀設(shè)施對于整個水處理工藝是否能運(yùn)行起到不容忽視的作用。平流沉淀池是較普遍的一種沉淀形式，也是水廠設(shè)計(jì)中應(yīng)用較早的沉淀構(gòu)筑物。它的用途大致可以歸為過濾操作前的沉淀處理以及預(yù)沉、終沉淀處理。

    沉淀池構(gòu)造比較簡單，大多為矩形水池，平流沉淀池在設(shè)計(jì)時應(yīng)當(dāng)注意出水要均勻，池內(nèi)的水流狀態(tài)保持穩(wěn)定，減少湍流運(yùn)動的干擾，同時盡量增大池體的有效容積。 國內(nèi)較大、中型水廠的沉淀通常采用平流式沉淀池，尤其是對于大型水廠，該沉淀池更加具有實(shí)用性。主要特征是構(gòu)造簡單，造價低，沉淀效果比較穩(wěn)定，操作管理方便，且其處理水量幅度變化廣，對水量和溫度變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)。主要缺點(diǎn)是進(jìn)出水配水不易均勻，平面面積較大，池深較淺，因而使后續(xù)濾池的選用常常受到限制。豎流式沉淀池 在上世紀(jì)五十年代我國許多小水廠設(shè)計(jì)都選擇了豎流式沉淀池。該沉淀池池體一般呈現(xiàn)圓柱形或者方柱形。進(jìn)水口通常設(shè)置在池中心，運(yùn)行時水自中心管流入水池后，經(jīng)管下的傘形擋板反射后逐漸上升且分布均勻，被去除的懸浮物進(jìn)入池底的排泥斗中，清水則由池四周的集水設(shè)施收集后流出。污泥依靠靜水壓力定期排走。豎流式沉淀池的特點(diǎn)是體積小節(jié)省建設(shè)空間，且排泥便捷，然而建設(shè)費(fèi)用高，不便于施工等缺點(diǎn)也是其不能廣泛運(yùn)用的原因。