一╃│、沉澱過程的分析

設有水平沉澱池取其斷面ABCD(見圖2-3)▩•↟✘▩，做如下分析☁│•。

在A點▩•↟✘▩，大於或等於沉速u0的顆粒與水平流速v的合成速度的方向AD重合時▩•↟✘▩，則這些顆粒都能被除掉；在E點若有顆粒沉速為u☁│•。u與v的合成速度的方向與ED線相重合▩•↟✘▩，說明E點以下沉速為u的顆粒均能被除掉▩•↟✘▩，由於顆粒在斷面上是均勻分佈的▩•↟✘▩，故顆粒去除率可用EC/AC*100%即u/u0*100%表示☁│•。
圖2-3中池深AC以H表示▩•↟✘▩，池長CD以L表示▩•↟✘▩，若將池深分為四層▩•↟✘▩，則顆粒沉澱深度減少至H/4▩•↟✘▩，則池長可減少至L/4▩•↟✘▩，即池體減少了3/4☁│•。若池長L不變▩•↟✘▩，則水平流速可增加4倍☁│•。可見增加4倍水平方向的沉澱面積▩•↟✘▩，水處理能力也增加4倍☁│•。在實際應用中▩•↟✘▩，通常用傾斜放置的板或管構成沉澱單元▩•↟✘▩，稱為斜管填料沉澱☁│•。它可增加水平沉澱面積10倍甚至20倍以上▩•↟✘▩，但由於進出口水流的影響▩•↟✘▩，管內流態干擾以及積泥干擾等原因▩•↟✘▩，實際沉澱效率增高2-4倍☁│•。
斜管填料能增大沉澱能力的原因可歸納為以下幾點☁│•。
①沉澱距離減小▩•↟✘▩，沉澱時間縮短▩•↟✘▩，或者說是增加了沉澱面積☁│•。顆粒的去除率為顆粒的沉速與表面負荷率之比☁│•。採用斜板後沉澱面積的增加率為 a=L/d cosθsinθ
式中▩•↟✘▩，d為斜管間距▩•↟✘▩，參見圖2-5☁│•。當d=25mm▩•↟✘▩，L=700mm▩•↟✘▩，θ=30°時▩•↟✘▩，a≈12▩•↟✘▩，由於沉澱面積增大▩•↟✘▩，表面負荷降低☁│•。
②由於斜板斜管內的再凝聚作用▩•↟✘▩，使絮狀物變大▩•↟✘▩，易於沉澱☁│•。增加斜板╃│、斜管後形成上下流動的混合流▩•↟✘▩，增大了上壁處的速度梯度▩•↟✘▩，使GT值增大▩•↟✘▩，有利於二次凝聚作用☁│•。斜管填料增加了水流通道的潤周▩•↟✘▩，有利於水的攪拌☁│•。下降的絮狀物依次同多邊形寬水流通道
中的上升流接觸▩•↟✘▩，原水中的濁度再次被下層絮狀物吸附☁│•。
③斜管填料創造了層流沉澱條件☁│•。雷諾數(Re)500以下為層流區▩•↟✘▩，雷諾數大於2000為紊流▩•↟✘▩，上向流斜管沉澱雷諾數一般小於50▩•↟✘▩，斜管沉澱池雷諾數一般也能小於500☁│•。
在工程應用中▩•↟✘▩，把這種能增加沉澱效率的斜管填料便於流動的排泥▩•↟✘▩，一般取600▩•↟✘▩，稱為蜂窩斜管填料沉澱池☁│•。所謂斜管▩•↟✘▩，實際不是圓形管▩•↟✘▩，而是正方形╃│、正六邊形(它們的水力半徑是d/4▩•↟✘▩，其中d為對邊間距)☁│•。此外還可以包括長邊比短邊不大於2倍的長方形▩•↟✘▩，而其他長方形則視為斜板☁│•。
斜板的雷諾數可用下式計算☁│•。Re=Rv0/v=d/4*v0/0.01=25v0d
式中▩•↟✘▩，R為水力半徑▩•↟✘▩，cm；v為水的運動黏滯係數▩•↟✘▩，cm2/s▩•↟✘▩，當水溫為20℃時為0.01cm2/s；d為直徑▩•↟✘▩，cm；V0為流速▩•↟✘▩，cm/s☁│•。
若取d=2.5-5cm▩•↟✘▩，v=4-8cm/s▩•↟✘▩，Re均在100以下；其中d=2.5cm▩•↟✘▩，v0=8.5mm/s▩•↟✘▩，Re=50▩•↟✘▩，可見水呈層流狀態☁│•。由於斜管填料的效果比斜板好▩•↟✘▩，而且便於安裝▩•↟✘▩，故工業水處理中多采用斜管填料▩•↟✘▩，而且應用六方體的較多☁│•。這種六方體可用硬聚氯乙烯片製作▩•↟✘▩，厚度為0.4-0.5mm▩•↟✘▩，相對密度1.3-1.45☁│•。先把硬片壓成多槽狀的板▩•↟✘▩，然後用黏合劑粘在一起▩•↟✘▩，成為圖2-4所示的形狀☁│•。也可採用環氧玻璃鋼材料或用酚醛樹脂處理過的牛皮紙做成蜂窩體☁│•。

二╃│、斜板填料╃│、斜管填料沉澱計算

按水流方向▩•↟✘▩，可分為上向流╃│、下向流和橫向流▩•↟✘▩，因工業水處理採用上向流較多▩•↟✘▩，下面以上向流為例敘述計算方法☁│•。
圖2-5中給出了懸浮顆粒在斜板╃│、斜管中的沉澱過程和向量關係☁│•。
設顆粒沉降速度為u0▩•↟✘▩，水流在斜板╃│、斜管中的速度為v0▩•↟✘▩，它們的合成向量所指的終點位置不應超過斜管終端☁│•。若設定它剛好在終端▩•↟✘▩，根據圖2-5中所示相似三角形▩•↟✘▩，則有v0/u0=L+d/sinθcosθ/d/cosθ=Lcosθsinθ+d/dsin
由此得 L=(v0/u0-1/sinθ)*d/cosθ
但由於平均速度與管內(或板間)各點的實際速度偏差較大▩•↟✘▩，中心點速度要高於平均速度▩•↟✘▩，故上式應再考慮1.33倍的餘量▩•↟✘▩，上式變為
L=1.33*(v0/u0-1/sinθ)*d/cosθ
在上向流斜管中▩•↟✘▩，為使管內水流從進口端的紊流過渡到層流▩•↟✘▩，以及考慮到進水端的進水和沉泥上下交替的過程▩•↟✘▩，根據實際考察▩•↟✘▩，應再加200-250mm過渡段☁│•。
[例2-1]已知:v0=5.2cm/s▩•↟✘▩，u0=0.4cm/s▩•↟✘▩，d=25mm▩•↟✘▩，斜管傾角θ=60°▩•↟✘▩，求斜管長☁│•。
解✘₪：L=1.33*(5.2/0.4-1/sin60°)*25/cos60°=788mm
再考慮到過渡段▩•↟✘▩，取斜管長1000mm☁│•。

三╃│、引數的選取

(1)管徑；所謂斜管並非採用圓管▩•↟✘▩，一般多采用正六角形或正方形☁│•。故統稱的管徑係指六角形內切圓的直徑或正方形的邊長▩•↟✘▩，矩形二長邊的距離☁│•。上升流斜板的管徑大致為25-50mm☁│•。為防止沉澱物堵塞▩•↟✘▩，間距不宜過小▩•↟✘▩，而間距過大則因需要管較長▩•↟✘▩，經濟上不合算▩•↟✘▩，目前六角形斜管管徑一般做成25mm☁│•。
(2)管內水的上升速度v0；當水凝聚處理時▩•↟✘▩，一般情況下▩•↟✘▩，當要求出水濁度為10度左右時▩•↟✘▩，斜管沉澱池上部面積上的水上升流速常在3.5-5mm/s▩•↟✘▩，據此▩•↟✘▩，若斜管傾角θ為60°時▩•↟✘▩，則斜管填料內相應的流速為4-6mm/s(即池內上升流速再除以sinθ)☁│•。
(3)顆粒沉降速度u0；單獨沉砂時資料見前述☁│•。採用混凝處理時▩•↟✘▩，絮體沉降速度可為0.3-0.5mm/s▩•↟✘▩，出水水質要求較高時▩•↟✘▩，可選用較小的u0值☁│•。
(4)高濁度水的引數當採用水解聚丙烯醯胺作助凝劑時有關引數可參照表2-2選取☁│•。可見斜管雖然是較先進的沉澱裝置▩•↟✘▩，但當泥砂較細▩•↟✘▩，含量較高時▩•↟✘▩，自然沉澱尚不能達到滿意的預沉效果☁│•。