第八讲 沉淀基础

第八讲沉淀基础第一节沉淀类型第二节自由沉淀第三节沉淀池工作原理第一节沉淀类型引子：（1）污水及废水中的固体污染物采用生物法或化学法处理效率较低及处理运行成本高，因此需要采用物理方法加以去除。（2）沉淀法是去除固体污染物最常用、非常有效的方法。（3）沉淀处理一般作为生物处理或化学处理的前期处理、好氧生物处理的固液分离及污泥处理。一、污水和废水中的固体污染物1、污水和废水中的固体污染物（1）分类a.按照颗粒的粒径及与水的比重差，可将固体污染物分成悬浮物质和胶体物质b.水中的悬浮颗粒可以分成两类：离散颗粒和絮凝颗粒离散颗粒：在沉淀过程中，颗粒保持原始的大小形状，彼此间不发生粘结现象。沉砂属于此类絮凝颗粒：颗粒在沉降过程中不断由于絮凝作用而结成新的、粒度较大、沉淀较快的颗粒，从而原始的颗粒不复存在。（2）固体污染物的去除途径a.一般而言，20-100μm以上、比重大于1的颗粒可以直接用沉降法去除。b.较小的颗粒，特别是胶体微粒（10-9-10-6m）沉降速度太慢，需要采取一些其他方法去除。比如混凝沉淀。c.对于比重小于1或非常接近于1的固体污染物，一般采用气浮等方法去除。二、沉淀的基本类型1、处理对象——比重大于1的悬浮污染物2、沉淀类型根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀通常可以分成四种不同的类型。（1）自由沉淀a.自由沉淀发生在水中悬浮固体浓度不高，沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀，颗粒的沉淀轨迹呈直线。b.整个沉淀过程中，颗粒的物理性质，如形状，大小及比重等不发生变化。（2）絮凝沉淀a.絮凝沉淀的悬浮颗粒浓度不高，但沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因互相聚集增大而加快沉降，沉淀的轨迹呈曲线（见图10-10）。b.沉淀过程中，颗粒的质量、形状和沉速是变化的，实际沉速很难用理论公式计算，需通过试验测定。化学混凝沉淀属絮凝沉淀；初沉池的后期和二沉池的初期属于此类沉淀（3）区域沉淀（或成层沉淀）a.区域沉淀的悬浮颗粒浓度较（5000mg/L以上），在沉降过程中，彼此受到周围颗粒作用力的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，在清水于浑水之间有清晰的泥水界面。b.二次沉淀后期与污泥浓缩池中均有区域沉淀发生；高浊度水沉淀属于此类（4）压缩沉淀a.压缩沉淀发生在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间已挤集成团块结构，互相接触，互相支承，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。b.二沉池污泥斗中的浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。第二节自由沉淀一、基本条件1、悬浮颗粒受力情况：水中的悬浮颗粒，都因二种力的作用而发生运动：悬浮颗粒受到的重力，水对悬浮颗粒的浮力。重力大于浮力时，下沉；两力相等时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。2、假设条件：为分析简便起见，假定：①颗粒为球形；②沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变；③颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其它颗粒影响。二、Stokes公式静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用产生加速运动，经过很短的时间后，颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时（即颗粒在静水中所受到的重力Fg与水对颗粒产生的阻力FD相平衡），颗粒即呈等速下沉（图10-11）（1）悬浮颗粒在水中受到的力FgFg是促使沉淀的作用力，是颗粒的重力与水的浮力之差式中：Fg——水中颗粒受到的作用力；V——颗粒的体积；ρs——颗粒的密度；ρL——水的密度；g——重力加速度。（2）根据牛顿定律，水对自由颗粒的阻力为Fg=V·S·g—V·L·g=V·g（LS）FD=·A·（L·2su/2）FD——水对颗粒的阻力；λ’——阻力系数；A——自由颗粒的投影面积，us——颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。（3）当颗粒所受外力平衡时FS=FD241d即V·g（LS）=·A·（L·2su/2）因V=361dA=241d故2/134LLSSdgu上式即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式。当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的粘滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，λ’=24/Re，Re=(φρLυd)/μ代入上式整理后得：2181dguLSS三、影响自由沉淀的因素上式表明，颗粒沉降速度与下述因素有关：①当ρs大于ρL时，(ρs-ρL)为正值，颗粒以υs下沉；当ρs与ρL相等时，(ρs-ρL)=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒不能用沉淀法去除。当ρs小于ρL时，(ρs-ρL)为负值，υs亦为负值，颗粒以上浮，可用浮上法去除。②υs与颗粒直径d的平方成正比，因此增加颗粒直径有助于提高沉淀速度（或上浮速度）提高去除效果③υs与μ成反比，μ随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。四、自由沉淀应用真实的沉降速度很难从理论上求得，一般通过实验手段获得。1、自由沉淀试验试验在沉降柱进行：有效水深H，试验用水需缓慢搅拌均匀，水中原始悬浮物浓度C0沉降开始后，在时间t1时从水深H处取样测出其悬浮物浓度C1，则沉速大于u1(=H/t1)的所有颗粒均已通过取样点，而残余颗粒必然具有小于u1的沉速。这样，具有小于u1沉速的颗粒与全部颗粒的比例为x1=C1/C0。重复上述过程，可求出u2、u3、……及x2、x3、……，可绘制出如图曲线。沉速小于指定沉速的颗粒百分比对于指定时间t0，可求出u0，这时在整个有效深度上，沉速u≥u0的颗粒在t0时可全部去除，而沉速uu0的颗粒只有一部分去除，去除的比例为h/H。设x0代表uu0的颗粒所占百分数，于是在悬浮颗粒总数中，沉速u≥u0的颗粒所占百分数为(1-x0)，而h/H=ut0/u0t0=u/u0总去除率为两者之和E=(1-x0)+0001xudxu例一：某废水中悬浮物浓度不高，且均为离散颗粒，在一有效水深H为1.8m的沉降柱内做沉降试验，结果如下：时间t(min)06080100130200240420取样浓度C(mg/L)3001891801681561117827试求此废水在负荷为25m3/m2•d的沉淀设备内理论总沉降去除率。解：（1）计算各沉降时间下，水中残余颗粒所占百分数与相应的沉降速度：时间t(min)6080100130200240420残余颗粒百分数C/C00.630.600.560.520.670.800.09沉降速度u=H/t(m/min)0.030.0250.020.01550.010.00830.0048（2）残余颗粒百分数与沉降速度间的关系曲线（3）计算指定的颗粒沉速u0=25m3/m2•d=1.74×10-2（m/min)由图可查，小于u0的颗粒占全部颗粒总数的54%.（4）积分部分相当于各矩形面积ut•Δx之和。=0.26E=0.72=72%0001xudxu沉速u(×10m/min)x残余颗粒百分比%x=6x=6x=10x=10x=10x=6x=6u=1.74×10m/min0-2第三节沉淀池的工作原理从工程意义上来说，沉淀池的沉淀过程是复杂的，几乎包括了所有的沉淀类型。这是由于颗粒粒径的分布广泛而复杂。为了从理论上便于分析，将许多影响因素做了理想的处理。一、沉淀池的基本假设为便于说明沉淀池的工作原理以及分析水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规律，Hazen和Camp提出了理想沉淀池这一概念。理想沉淀池划分为四个区域，即进口区域、沉淀区域、出口区域及污泥区域，并作下述假定：（1）沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为υ；（2）悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；（3）在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；（4）颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。根据上述的假定，悬浮颗粒自由沉降的迹线可用图表示。二、公式推导当某一颗粒进入沉淀池后，一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速υ等于水流速度：自由沉淀示意图υ=qv/A’=qv/H×b（10-11）式中：υ——颗粒的水平分速；qv——进水流量；A'——沉淀区过水断面面积，H×b；H——沉淀区的水深；b——沉淀区宽度。另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u。颗粒运动的轨迹为其水平分速υ和沉速u的矢量和。在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为i=u/υ设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP%，其中的h/H·dP%的颗粒将会从水中沉淀到池底而去除。在同一沉淀时间t，下式成立：h=u1·t；H=u0·t01//uuHhdPuudPHh01对于沉速为u1(u1u0)的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：00000011/uuudPudPuu而沉淀池能去除的颗粒包括u≥u0以及uu0的两部分，故沉淀池对悬浮物的去除率为：00001)1(uudPuP式中：P0——沉速小于u0的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的百分数；1—P0——为沉速≥u0的颗粒去除百分数。图10-12的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：υ/u0=L/H∴υ/u0·（L/H）（10-13）将式（10-13）代入（10-11）并简化后得出：qv=u0·（L/H）·H·b=u0·L·b=u0·A（10-14）∴u0=qu/A