华北理工水质工程学Ⅰ课件16沉淀和澄清

第十六章沉淀和澄清16-1悬浮颗粒在静水中的沉淀沉淀：固体颗粒在重力的作用下，由水中分离出来的过程。（上浮也归此类）沉淀分类：1、自由沉淀：颗粒与颗粒和器壁之间互无干扰，颗粒只受重力和水的阻力作用。2、拥挤沉淀：颗粒互相干扰或受器壁干扰的沉淀。颗粒受重力作用和上升水流作用。3、絮凝沉淀：沉淀过程中，颗粒大小、形状、密度都有所变化（沉速越来越快，边沉降边聚结）一、固体颗粒在静水中的自由沉淀。1、假定：（1）颗粒为圆球形体积=1/6πd3（2）颗粒在水中仅受重力、浮力、水的阻力的作用。（3）下沉过程，颗粒之间无影响。（体积浓度0.002）也不受器壁影响。(距离大于50倍颗径)2、受力分析：（1）重力F1：（2）浮力F2：（3）水的阻力：F3F3—与颗粒的糙度、大小、形状和沉速u有关，还与水的密度和粘度有关。F1重力F3水阻力F2浮力gdFp3161gdF132612312DuFCAA—沉淀方向的投影面积，球形∴CD—阻力系数，与雷诺数Re有关（4）合力为:122324DudFC4261612233321duCgdgdFFFFlDlp4261223duCgdlDlp（5）牛顿第二定律：—颗粒的质量。颗粒的下沉过程：u由0→增大,由大→0，F3由0→增大。当F3增大到F3=F1+F2时。u不再变化，此时，u就是我们一般所称的沉速。dtdumF4261223duCgddtdumlDlppdm36dtdu0dtdu（6）速度公式：得式中CD—阻力系数，与雷诺数Re有关。v—水的运动粘度，由实验可得CD与Re的关系。42610223duCgdlDlpdCgullpD34udRe当Re1为层流:1≤Re≤500过渡区:500＜Re≤105紊流区:CD=0.4水处理中的沉淀为层流范围,将代入式中得Stokes公式:Re24DCRe10DCdgullpRe2434dgllpRe724∵∴∵∴解得:Stokes公式。udRedudgullp724ldudgullpl7222722dugulp218dgulp过渡区得Allen公式:紊流区得牛顿公式:(改书)P289单位：ρ—密度，kg/m3;μ—绝对粘度，N·s/m2(Pa·s);ν—运动粘度，cm2/s;d—粒径，m;g—重力加速度，m/s2;u—沉速，m/s。123211()4225sugd111.83Pudg(7)问题及解决办法:ⅰ颗径难测,并且非圆球形。ⅱu和Re两个未知数要用试算法。(先假定u再计算)但测沉速较容易由u→d(相应于球形的粒径)还是不方便.现在我们用沉速代表有相同沉速的颗粒群,不去追究颗粒粒径。以后讲沉速是多少的悬浮物，而不提粒径比重等。二、悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀（又称分层沉淀）1、什么是拥挤沉淀：自由沉淀是颗粒向下运动，颗粒排开的水以极小的速度向上流动。当颗粒很多时，颗粒所排开的水是以某一流速向上流动，使颗粒所受到的阻力有所增加，即沉淀相互干扰了。颗粒沉淀受到相互干扰的沉淀过程称为拥挤沉淀。其沉速称为：拥挤沉速。2、拥挤沉淀的特征：静沉一段时间后（1）有明显的清水与浑水分界面—称为浑液面。（2）沉淀过程中沉淀筒（量筒）分为四个区：A清水区；B等浓度区：浓度均匀：一般最大粒度与最小粒度之比约为6:1以污泥区下时，出现的现象。由于或悬浮相互干扰下沉，大颗粒变物区慢。C变浓度区：由上至下浓度由小C0大；D压实区：由于筒底的作用最下部为压实区。3、拥挤沉淀过程分析：当6,并且各级粒度所占的百分数又特别悬殊时,不出现这种现象。最小粒度最大粒度仅分三个区:清水区变浓度区压实区当6时,才分四个区。A清水区：在沉淀筒上部出现明显浑液面。浑液面上部为清水区，浑液面的下沉速度代表了颗粒的平均沉降速度。B等浓度区：由于相互干扰下沉，大颗粒沉速变慢，形成共同下沉，区内浓度均匀。C变浓度区（过渡区）：是由于底部出现了压实区。其浓度由等浓度区的浓度C0→压实区顶部的浓度。最小粒度最大粒度1、形成节段：由0→Hc是由三个节段构成2、不变节段；Hc不变3、消失节段：由Hc→0临界沉降点：当等浓度区刚消失时，称为临界沉降点。D压实区：是由于筒底的支撑作用，颗粒沉到筒底便被截留，颗粒相互支撑，并在重力作用下，逐渐被压实。其高度HD由0→H∞（当t→∞时HD=H∞）4、浑液面的沉降过程：（1）ab段：是上凸的曲线：是颗粒间絮凝的结果。沉速由0→v0，时间较短。（2）bc段：是等速下沉段，浑液面等速下沉，并且下沉速度达到最大。B区：浓度为C0，C区高度HC不变，并上移。（3）cd段，为下凹的曲线，C点即为临界沉降点。另外，B区刚刚开始消失，浑液面以下浓度都大于C0。C区消失的过程从理论上讲是一个t→∞的过程。肯奇理论在cd段取一点：浑液面下部高度为H，过某点作一切线交纵坐标于a′，a′高度为Ht按质量守恒定律：设筒截面为W则：H0W·C0=Ht·W·CtCt、Ht—为一虚拟沉降筒，混水区浓度均匀时的浓度为Ct，高度为HtttHHCC00Ct点的下沉速度：vt（任意时间，交界面的下沉速度：vt）ac段，vt=C（vc）沉速不变，等速下沉cd段，vt由vc→0Ct↗（看斜率）d之后，vt=0不再压缩，Ct=C∞（表示压实浓度）5、不同高度相同浊度水样试验的相似性：不同高度（H1，H2）的沉淀曲线是相似的曲线。tHHvtt意义：可用沉淀距离短的实验来推测，实际沉淀效果。212121OQOQOPOPHH16-2平流沉淀池是最基础的沉淀池：其它沉淀池都是在平流池基础上发展出来的。1、沉淀池进出水要求：（1）出水浊度宜在10度以下混浊度：1mgSiO2/L所构成的混浊度为1度（悬浮物及胶体所造成水的不透明程度或光的散射现象）（2）进水应无砂：含砂量大时，应先预沉（除砂）。2、构造简介：上下分为：沉淀区（上）污泥区（下）进水区（配水区）：在整个沉淀区截面均匀配水。前后分为：沉淀区：水中颗粒下沉去除出水区：沉淀后的收集，排出沉淀池。3.特点:水流受池身构造和外界影响使颗粒沉淀复杂。（进口水流惯性，出口束流，风吹池面，水质浓度变化及温差等形成的异重流）。一、非凝聚性颗粒的沉淀过程分析：1、理想沉淀池的假定：（1）颗粒互不干扰，沉速不变（无絮凝现象）（2）水流沿水平方向流动，在沉淀区流速相等，流速大小、方向不变。（3）颗粒沉到池底即为去除，不再返回水流中。2、分析：（1）水平流速：v（m/s）Q—流量,（m3/s）h0—水流沉淀区高度,（m）B—沉淀区宽度,（m）BhQv0（2）截留沉速：u0在池的最不利点，A点（沉淀区开始面最高点）以u0下沉速度下沉，可在沉淀区末端最低点B，进入污泥区，这个沉速称为截留沉速u0沉区长为L，高为h0。则有：并∴或A—沉淀池水表面面积。（㎡）—表面负荷或溢流率（单位水表面积所负担水量）截留沉速=表面负荷（意义不同）（3）ui≥u0的颗粒：在A—B面上分布（均匀分布）：全部可沉淀去除（在图中，以I轨迹下沉）。（4）ui＜u0的颗粒：不能全部下沉去除（在图中，以II轨迹下沉）vLt00uhtBhQv0LBQu0AQu0AQ其在A-B面上分布点，设为m点，其高度为hi，设颗粒在A-B面上均匀分布，颗粒浓度为Ci，其总量为可去除量为其去除率E：iiBvChQC0iiBvCh00hhBvChBvChEiiii总量去除量hih0由△ABB′及Abb′是相似△，即∴同理代入E式中：vLuh00vLuhO0vLuhii00uuvLuvLuEii∴Q/A—沉淀池的表面负荷。3、（Hazen）哈真理论：悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只与沉淀池的表面负荷有关，与其它因素(池深、池长、水平流速等)无关（其实在实际池中有关）AQu0AQuEi4讨论：（1）由可知，↗Q/A↗产水量越大。或：Q/A=C（产水量不变）越大↗E↗—颗粒沉速是由絮凝所确定的，所以都要重视反应池的絮凝。（2）=C增加A，可以提高去除率。设沉淀池容积V不变时，即浅池可提高去除率，“浅池理论”。斜板，斜管沉淀池就是基于此理论发展的。AQuEiiuiuiuiu5、总的去除率：上面分析的是≥全部去除了的有一部分去除了。由沉淀实验：假想将不同沉速的颗粒分离开iu0u0uiu总去除率P：式右边加上，再减去相同组数。+[p0+1+p0+2+…pn-1+pn]-[p0+1+p0+2+…pn-1+pn]∴原式为:去除百分率数的和颗粒的沉速百分数的总和的颗粒沉速001120201010021vnnnnvpEpEpEpEpppPnnnnPnnnpEpEpEpEppppppppP11202010101201010210nnnnpEpEpEpEPP1120201010010110uuEO0uuEii0uuEnnnnnnOOpuupuupuupuu010120021001代入上式，括号中变成为：当取△p→0时，则成了∴式中：P。—所有沉速小于理想沉淀池截留沉速的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。—理想沉淀池的截留沉速。—小于截留沉速的颗粒沉速。ipidpuu000ipidpuuPP000010u0uiuPi—所有（累加）沉速小于的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分数。dpi—具有沉速为的颗粒重量点原水中全部颗粒重量的百分率。iuiu单筒沉淀的试验：在时间t1、t2、…t0…tn取样测得浓度为：C1、C2、…C0…Cn同时可得沉速：；；11thu22thunnthu取样时表明，ti取样，即ui颗粒即达到了取样口下沉，池中已不存在ui颗粒了。如果以P1,P2…Pn代表c1/c,c2/c,…cn/c。即为取样口处，水样中所残存的悬浮颗粒的浓度分数。即：小于该颗粒沉速的颗粒浓度分数。1－P1，1－P2……表示取样口水样中已经去除的悬浮物颗粒的分数。点绘P-u曲线，得图示曲线。二、凝聚性颗粒的沉淀过程分析水处理中多数是凝聚性沉淀过程（给水、污水、工业水处理）（一）凝聚性沉淀：在沉淀过程中，颗粒的大小，形状和密度都有变化，沉速越来越快。这种沉淀，情况十分复杂，变数太多，只能用试验来预测沉淀效果。（二）絮凝沉淀试验1、试验装置主要是絮凝试验沉淀筒：直径（内）D≥100mmH=2～3m设取样口5～6个（均分试验区高度）2、试验过程：筒内水样悬浮物浓度要均匀（搅拌用泵循环）测试初始浓度C0每隔一定时间，同时取出各取样口水样并测定其浓度，计算出相应的去除百分数。3、数据整理及结果以时间为横坐标，以水深为纵坐标将去除百分数点标在坐标系中，再用内差法求出“去除百分数等值线”0001CCCCCee“去除百分数等值线”是弯曲的。表明：其对应的“去除百分率”是取出水样中不去除的颗粒的最远沉降途径。而hi/t是去除百分数对应的颗粒其最小平均沉速。设想我们以恒速v，向右水平移动沉淀筒，当时间为t0，t1，t2…tn时，各取样口的浓度变化。4、“去除百分数等值线图”的应用:池深为h，沉淀时间为t0其表面负荷为:AQthu00t0时，在h内浓度分布是变化的，而沉淀池则把h内不同浓度的水全部收走了。其总的去除率P，就应该是去除的，再加上上面各段的去除率平均值。p2—沉降高度为h，沉降时间为t0时的去除分数。是沉速大于等于u0的已全部沉掉的颗粒的去除分数。h1—t0时，p2与p3之间的中点高度。h2，h3—t0时意义同上。注意：实际沉淀池还要乘经验系数。因为还有非理想沉淀池的因素，