水污染控制工程-同济大学课件3.1

1第3章沉淀Sedimentation2第一节概述1、沉淀的定义悬浮颗粒在重力作用下，从水中分离的过程称为沉淀。实现悬浮颗粒与水分离的构筑物或设备称为沉淀池。(1)当悬浮物密度大于水时，悬浮物下沉与水分离。——沉淀(2)当悬浮物密度小于水时，悬浮物上浮与水分离。——上浮32、沉淀去除的对象及构筑物①砂粒②化学沉淀③混凝絮体④生物污泥⑤污泥浓缩沉砂池浓缩池沉淀池43、位置及作用A、作为处理系统的主体；B、工艺流程主体处理单元之前——预处理；C、工艺流程主体处理单元之后；D、污泥处置。（1）城市污水处理工艺:污水格栅沉砂池初沉池好氧二沉池排水浓缩池消化污水格栅沉砂池初沉池好氧二沉池排水浓缩池消化5（2）高浓度有机废水处理工艺:废水沉淀调节池厌氧沉淀池好氧沉淀池排水浓缩池脱水废水沉淀调节池厌氧沉淀池好氧沉淀池排水浓缩池脱水（3）含铬废水处理工艺：药剂废水混合反应池沉淀池排水浓缩池脱水药剂废水混合反应池沉淀池排水浓缩池脱水6(1)自由沉淀水中悬浮物颗粒浓度低，呈离散状态；互不干扰，各自完成沉淀过程。颗粒在下沉过程中的形状、尺寸、密度、不发生变化。例如：沉砂池4、沉淀类型根据悬浮颗粒的性质及其浓度的高低，沉淀可分为四种类型：7(2)絮凝沉淀水中悬浮物浓度不高，但有絮凝性能。在沉淀过程中互相碰撞发生凝聚，其粒径和质量均随沉淀距离增加而增大，沉淀速度加快。例如：二沉池；混凝沉淀。8(3)拥挤沉淀(分层沉淀)水中悬浮物浓度较高，颗粒下沉受到周围其它颗粒的干扰，沉速降低，颗粒碰撞互相“凝聚”而共同下沉，形成一明显的泥、水界面。沉淀过程实质是泥、水界面下降的过程，沉淀速度为界面下降速度。如：二沉池的上部；污泥浓缩池上部。《动画》9(4)压缩沉淀当悬浮物浓度很高、颗粒互相接触、互相支承，在上层颗粒的重力作用下将下层颗粒间的水挤出，使颗粒群浓缩。例如：二沉池污泥斗;浓缩池底部。10第二节自由沉淀一、自由沉淀的假定条件实际中水流状态、悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂的，影响颗粒沉淀的因素很多。为了解颗粒在水中自由沉降过程的动力学本质，进行如下假定：①颗粒为球形，沉淀过程中大小、形状和质量均不发生变化；②液体为静止状态；③颗粒沉淀不受容器器壁影响；④颗粒沉淀仅受重力和水的作用。作用方式？11二、自由沉淀速度(1)颗粒在静水中的受力情况重力：浮力：阻力：F2浮力F3阻力F1重力gdFS3161gdF3261223uAF式中：ρs,ρ―表示颗粒及水的密度g―重力加速度A―颗粒在沉淀方向上的投影面积，对球形颗粒，A=лd2/4u―颗粒沉速λ―阻力系数，它是雷诺数（）和颗粒形状的函数。μ—水的粘度udRe12(2)颗粒在静水中的运动情况在静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用而产生加速运动，同时水的阻力也逐渐增大。经一很短时间后，当阻力F3增大到与颗粒的“重力F1和浮力F2之差”相等时，颗粒作等速下沉运动。等速沉淀的速度常称沉淀末速度，简称沉速。F2浮力F3阻力F1重力13(3)颗粒沉淀速度在等速沉淀情况下，F1-F2=F3，即:23326161uSAgdgd水流状态：层流状态：Re1时，——Stokes式过渡状态：1Re103时，——Fair式紊流状态：103Re105时，λ=0.44——Newton式Re2434.0324eeRR23326161uSAgdgdRe24241d218)(dgus层流状态下：Stokes公式14由stocks公式可知：2181gdus(4)影响沉淀速度的因素A．与颗粒、水的密度差成正比；当ρsρ时，u0,颗粒下沉；当ρsρ时，u0,颗粒上浮；当ρs=ρ时，u=0,颗粒悬浮。B．与颗粒直径平方成正比；一般沉淀只能去除d20μm的颗粒。对于粒径较小的颗粒，可以通过混凝增大颗粒粒径，促进沉淀；C.与水的粘度μ成反比；因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加速沉淀。15(1)实验目的实际废水中悬浮物颗粒粒径不均匀，形状各异，密度也有差异。通过沉淀试验：①了解废水中悬浮物的沉淀特点；②为工程设计提供参数。三、自由沉淀实验16H取样口沉降柱(2)实验方法实验编号:123········n原水浓度：C0C0C0······C0有效水深：HHH········H取样时间：t1t2t3······tn取样浓度：C1C2C3······CnCi/C0=XiX1X2X3······XnH/ti=uiu1u2u3······un①颗粒沉降到取样口被认为去除；②沉降速度u：在指定时间t内，能从液面恰好沉到水深H处最小颗粒的沉速。u=H/t③Xi表示沉速u＜ui的颗粒浓度与原始浓度的比值沉速uuuxdxxxx+dxx1-x沉速u的颗粒与全部颗粒的重量比X悬浮污沉淀累积分布曲线17(3)沉淀效率计算▲u≥u0颗粒去除率：t0时间内，沉淀距离H,全部去除。沉速uuuxdxxxx+dxx1-x沉速u的颗粒与全部颗粒的重量比▲uu0颗粒去除：在t0时间内其沉淀距离为hH,有部分颗粒通过取样面被去除,去除比例为h/H;即：X去除率为(1-X0)X0表示沉速uu0的颗粒与全部颗粒的比。▲uu0所有颗粒的去除率：某一颗粒与颗粒总量的比例为dx，被去除的颗粒为：沉速uu0所有颗粒的去除率应为：0000uutuutHhdxuu0000xdxuu18在t0时间内，各种颗粒沉淀的总去除率为：dxuuxEx00001）（沉速uuuxdxxxx+dxx1-x沉速u的颗粒与全部颗粒的重量比X19思考：沉降曲线与沉淀实验的水深有无关？再分别绘制出沉淀效率E与沉淀时间t和沉淀效率E和沉速u0的关系曲线。020406080100306090120150E(%)t(min)0200.05604080E(%)1000.10.20.15图自由沉淀型沉降曲线u0(mm/s)根据计算结果，可绘制E-t和E-u0关系曲线，称为——沉降特性曲线20上述实验工作量太大，严格地说，经沉降时间t后，将有效水深内全部水样取出，测定剩余悬浮物浓度C,按下式计算效率E：实验改进方法：(1)从有效水深的上、中、下部同时取相同数量水样混合后求出平均悬浮物浓度。(2)中部取样方法：可以假定悬浮物浓度沿深度呈直线变化，将取样口设在H/2处。HH2%10000cccE21例题：某废水静止沉淀试验，有效水深为1.2m，c代表沉降时间t时取样中所含的悬浮物浓度，C0代表起始悬浮物浓度。求：沉速为3cm/min时悬浮颗粒的去除百分率。22解：与各沉降时间相应的颗粒沉速计算如下：时间t(min)01530456090180u=H/t（cm/min）842.6721.330.67以u为横坐标，C/C0为纵坐标作图，如图所示：已知：时间t(min)01530456090180C/C0(X)10.960.810.620.460.230.0623当u0=3cm/min时，由图可见小于该沉速的颗粒与全部颗粒的重量比x0=0.67，积分式可由图解求出，等于图中各矩形面积之和，其值为：00xudx0.1×(0.5+1.0+1.3+1.6+2.0+2.4)+0.07×2.7=1.07故沉速为3cm/min时，总去除率为：E=（1-0.67）+1/3×1.07=0.69u(cm/min)24思考题如何理解沉速uu0的颗粒部分被去除，去除比例为u/u0？25第三节絮凝沉淀由于原水中含絮凝性悬浮物（如投加混凝剂后形成的矾花、生活污水中的有机悬浮物、活性污泥等），在沉淀过程中大颗粒将会赶上小颗粒，互相碰撞凝聚，形成更大的絮凝体，因此沉速将随深度而增加。悬浮物浓度越高，碰撞机率越大，絮凝的可能性就越大。26可见，悬浮物的去除率不仅取决于沉淀速度，而且与深度有关。絮凝沉淀的效率通常由试验确定。鉴于以上原因，试验用的沉淀柱的高度应当与拟采用的实际沉淀池的深度相同，而且要尽量避免矾花因剧烈搅动造成破碎，影响沉淀效果。27絮凝沉淀试验原理：采用多点取样法。在直径约0.1-0.2m，高约1.5-2.0m，且沿高度方向设有约5个取样口的沉淀筒中倒入浓度均匀的原水静置沉淀（尽量避免絮凝体因剧烈搅拌而破碎，影响沉淀效果），每隔一定时间，分别从各个取样口采样，测定水样的悬浮物浓度，计算表观去除率。以取样口高度h为纵坐标，沉淀时间t为横坐标，将各深度处的颗粒去除百分数的数据点绘制在坐标纸上，如图示。把去除百分数p相同的各点连成光滑曲线，称为等去处率曲线，如下图示。2829等去处率曲线含义：当沉淀时间为t0时，对应沉速u0=H/t0，凡是u≥u0的颗粒能全部被去除，u0的颗粒只有部分被去除。沉淀时间为t0时，相邻两根曲线表示的数值之间的差别，反应出同一时间、不同沉淀深度的去除百分数的差别。表示有一部分颗粒对于上一条曲线来说，已沉降下去了；而对下一条曲线来说，认为尚未沉淀下去。可以理解为这部分颗粒正介于两曲线之间，其平均沉速等于其平均高度除以沉淀时间t0，其数量为两曲线的数值差，若差值无限小，则可认为是某一特定粒径颗粒，其去除效率为其平均高度除以水深H。30对指定的沉淀时间和沉淀高度，总沉淀效率η可用下式计算：（见下图）5544433322211)()()()(EEEHhEEHhEEHhEEHhEi-----表示指定时间内，水深H处沉速utu0的颗粒的去除率△E-----表示不同水深处utu0的颗粒的去除率增量h-----表示不同去除率增量之间的平均水深（两曲线之间的中点高度）dxuuxEx00001）（310.6m1.2m1.8m2040608010030%45%50%60%70%E1E2E3E4E5沉降高度沉降时间（min）32简易处理方式：沉淀柱中部取样法可近似地求絮凝沉降的去除率。据分析统计，误差一般在±5%以内；沉淀时间20min时，误差仅±2-3%。这数值与悬浮物取样和测定误差相比，可以认为是很小的。上述方法可满足工程需要，而且沉淀柱中部取样法的实验工作量和计算都大为简化。33例题：某废水静止沉淀试验数据如表中所示。实验有关水深为1.2m，表中c代表沉降时间t时由取样口取样中所含的悬浮物浓度，C0代表起始悬浮物浓度。求沉速为3cm/min时悬浮颗粒的去除百分率。时间t(min)01530456090180C/C010.960.810.620.460.230.0634解：与各沉降时间相应的颗粒沉速计算如下：时间t(min)01530456090180u=H/t（cm/min）842.6721.330.67以u为横坐标，C/C0为纵坐标作图，如图所示：3536当u0=3cm/min时，由图可见小于该沉速的颗粒与全部颗粒的重量比x0=0.67，积分式可由图解求出，等于图中各矩形面积之和，其值为：0.1×0.5+0.1×0.1+0.1×1.3+0.1×1.6+0.1×2.4+0.07×2.7=1.07故沉速为3cm/min时，总去除率为E=（1-0.67）+1/3×1.07=0.68700xudx37例题：某有机废水含悬浮物430mg/l，絮凝沉淀试验数据如表所示，试求该废水在1.8m深的沉淀池中沉淀1h的总悬浮物去处率。表沉淀试验数据时间(min)指定深度的SS浓度和表观去除率E（括号中数字）0.6m1.2m1.8m5356.9(17.0)387.0(10.0)395.6(8.0)10309(28.0)346.2(19.5)365.5(15.0)20251.6(41.5)298.9(30.5)316.1(26.5)30197.8(54.0)253.7(41.0)288.1(33.0)40163.4(62.0)230.1(46.5)251.6(41.5)50144.1(66.5)195.7(54.5)232.2(46.0)60116.1(73.0)178.5(58.5)204.3(52.5)75107.5(75.0)143.2(66.7)180.6(58.0)38解：（1