一、沉淀過程的分析

設(shè)有水平沉淀池取其斷面ABCD(見圖2-3)，做如下分析。

在A點，大于或等于沉速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，由于顆粒在斷面上是均勻分布的，故顆粒去除率可用EC/AC*100%即u/u0*100%表示。
圖2-3中池深A(yù)C以H表示，池長CD以L表示，若將池深分為四層，則顆粒沉淀深度減少至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倍水平方向的沉淀面積，水處理能力也增加4倍。在實際應(yīng)用中，通常用傾斜放置的板或管構(gòu)成沉淀單元，稱為斜管填料沉淀。它可增加水平沉淀面積10倍甚至20倍以上，但由于進出口水流的影響，管內(nèi)流態(tài)干擾以及積泥干擾等原因，實際沉淀效率增高2-4倍。
斜管填料能增大沉淀能力的原因可歸納為以下幾點。
①沉淀距離減小，沉淀時間縮短，或者說是增加了沉淀面積。顆粒的去除率為顆粒的沉速與表面負(fù)荷率之比。采用斜板后沉淀面積的增加率為 a=L/d cosθsinθ
式中，d為斜管間距，參見圖2-5。當(dāng)d=25mm，L=700mm，θ=30°時，a≈12，由于沉淀面積增大，表面負(fù)荷降低。
②由于斜板斜管內(nèi)的再凝聚作用，使絮狀物變大，易于沉淀。增加斜板、斜管后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，有利于二次凝聚作用。斜管填料增加了水流通道的潤周，有利于水的攪拌。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(chuàng)造了層流沉淀條件。雷諾數(shù)(Re)500以下為層流區(qū)，雷諾數(shù)大于2000為紊流，上向流斜管沉淀雷諾數(shù)一般小于50，斜管沉淀池雷諾數(shù)一般也能小于500。
在工程應(yīng)用中，把這種能增加沉淀效率的斜管填料便于流動的排泥，一般取600，稱為蜂窩斜管填料沉淀池。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于2倍的長方形，而其他長方形則視為斜板。
斜板的雷諾數(shù)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為水的運動黏滯系數(shù)，cm2/s，當(dāng)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(tài)。由于斜管填料的效果比斜板好，而且便于安裝，故工業(yè)水處理中多采用斜管填料，而且應(yīng)用六方體的較多。這種六方體可用硬聚氯乙烯片制作，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，然后用黏合劑粘在一起，成為圖2-4所示的形狀。也可采用環(huán)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、斜管填料沉淀計算

按水流方向，可分為上向流、下向流和橫向流，因工業(yè)水處理采用上向流較多，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、斜管中的沉淀過程和矢量關(guān)系。
設(shè)顆粒沉降速度為u0，水流在斜板、斜管中的速度為v0，它們的合成矢量所指的終點位置不應(yīng)超過斜管終端。若設(shè)定它剛好在終端，根據(jù)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
但由于平均速度與管內(nèi)(或板間)各點的實際速度偏差較大，中心點速度要高于平均速度，故上式應(yīng)再考慮1.33倍的余量，上式變?yōu)?br />L=1.33*(v0/u0-1/sinθ)*d/cosθ
在上向流斜管中，為使管內(nèi)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(jù)實際考察，應(yīng)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、參數(shù)的選取

(1)管徑；所謂斜管并非采用圓管，一般多采用正六角形或正方形。故統(tǒng)稱的管徑系指六角形內(nèi)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。為防止沉淀物堵塞，間距不宜過小，而間距過大則因需要管較長，經(jīng)濟上不合算，目前六角形斜管管徑一般做成25mm。
(2)管內(nèi)水的上升速度v0；當(dāng)水凝聚處理時，一般情況下，當(dāng)要求出水濁度為10度左右時，斜管沉淀池上部面積上的水上升流速常在3.5-5mm/s，據(jù)此，若斜管傾角θ為60°時，則斜管填料內(nèi)相應(yīng)的流速為4-6mm/s(即池內(nèi)上升流速再除以sinθ)。
(3)顆粒沉降速度u0；單獨沉砂時數(shù)據(jù)見前述。采用混凝處理時，絮體沉降速度可為0.3-0.5mm/s，出水水質(zhì)要求較高時，可選用較小的u0值。
(4)高濁度水的參數(shù)當(dāng)采用水解聚丙烯酰胺作助凝劑時有關(guān)參數(shù)可參照表2-2選取。可見斜管雖然是較先進的沉淀裝置，但當(dāng)泥砂較細(xì)，含量較高時，自然沉淀尚不能達(dá)到滿意的預(yù)沉效果。