3沉淀理论

3.1沉淀的基础理论1一、概述二、沉淀类型三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理本节内容21、沉淀的概念一、概述是利用水中悬浮颗粒和水的密度差，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。3按照废水的性质与所要求的处理程度的不同，沉淀处理工艺可以是整个水处理过程中的一个工序，亦可以作为唯一的处理方法。2、应用场合在典型的污水处理厂中，有以下4种用法：(1)用于废水的预处理——沉砂池(2)用于污水进入生物处理构筑物前的初步处理(初沉池)(3)用于生物处理后的固液分离(二次沉淀池)(4)用于污泥处理阶段的污泥浓缩4二、沉淀类型自由沉淀絮凝沉淀区域沉淀压缩沉淀根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉淀通常可以分为四种不同的类型：51、自由沉淀实例：固体颗粒在沉砂池及沉淀池内的初期沉降自由沉淀也称为离散沉降，是一种非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。62、絮凝沉淀实例：颗粒在初沉池内的后期沉降，生化处理中污泥在二沉池中间段的沉淀，及水处理的混凝沉淀。这是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。虽然悬浮固体浓度也不高（50-500mg/L），但颗粒在沉降过程中接触碰撞时能互相聚集为较大的絮体，因而颗粒粒径和沉降速度随沉降时间的延续而增大。73、区域沉淀也称成层沉淀、拥挤沉淀。这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较高浓度(500mg/L以上)悬浮液中的沉降。实例：生化处理中污泥在二沉池下部的沉降和在浓缩池内的初期沉降。由于悬浮固体浓度较高，颗粒彼此靠的很近，吸附力将促使所有颗粒聚集为一个整体，但各自保持不变的相对位置共同下沉。此时，水与颗粒群体之间形成一个清晰的泥水界面，沉降过程就是这个界面随沉降历时下移的过程。8当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之间便互相接触，彼此上下支承。在上下颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。4、压缩沉淀实例：生化污泥在二沉池污泥斗和浓缩池内的浓缩过程。9上澄水自由沉淀带絮凝干涉沉淀带成层沉淀带压缩沉淀时间t水深ABCD沉淀过程示意图10分析的假定沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变颗粒为球形颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响。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，颗粒即成等速下沉。三、自由沉淀及分析11悬浮颗粒在水中的受力：重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3重力大于浮力和摩擦力时，下沉；重力等于浮力和摩擦力时，相对静止；重力小于浮力和摩擦力时，上浮。F2ρsF1ρL，F312用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程:式中：m—颗粒质量，kg；u—颗粒沉速，m/s；t—沉淀时间，s；F1—颗粒的重力F2—颗粒的浮力F3—颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力。悬浮颗粒在水中的受力分析321FFFdtdum13（1）颗粒的重力：其中：ρS为颗粒密度，kg/m3；d为颗粒直径，m；g为重力加速度。（2）颗粒的浮力：其中：ρL为液体密度，kg/m3；gdS6F31gdL6F3214（3）颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力：式中：λ—阻力系数，当颗粒周围绕流处于层流状态时，λ=24/Re；Re为颗粒绕流雷偌数，与颗粒的直径、沉速、液体的粘度等有关，A—自由沉淀颗粒在垂直面上的投影面积，2F23uALLudRe241dA15颗粒下沉开始时，沉速为0，逐渐加速，阻力F3也随之增加，很快三种力达到平衡，颗粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：2212231834246)(gddguuddgdtdumLSLLSLLS162181dguLSs即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，亦称斯托克斯公式17由上式可知，颗粒沉降速度uS与下述因素有关：2181dguLSS斯托克斯定律讨论当ρS大于ρL时，ρS-ρL为正值，颗粒以uS下沉；当ρS与ρL相等时，uS=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒不能用沉淀去除；ρS小于ρL时，ρS-ρL为负值，颗粒以uS上浮，可用浮上法去除。uS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。uS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。18为了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提出了理想沉淀池的概念。四、沉淀池工作原理理想沉淀池划分为4个区域，即进口区域、沉淀区域、出口区域及污泥区域。19作如下假设(1)沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为ν；(2)悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；(3)在沉淀区的进口区域，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。20式中：v-颗粒的水平分速；qv-进水流量；A′-沉淀区过水断面面积，H×bH-沉淀区的水深；b-沉淀区宽度。当某一颗粒进入沉淀池后另一方面，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。一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速v等于水流速度；颗粒运动的轨迹为其水平分速v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/v。bHqAqvvv/'/21从沉淀区顶部x点进入的颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为u0，到达沉淀区末端时刚好能沉至池底。当颗粒沉速ui≥u0时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。大颗粒.ppt当颗粒沉速uiu0时，从沉淀区顶端进入的颗粒不能沉淀到池底，会随水流排出，而当其位于水面下的某一位置进入沉淀区时，它可以沉到底部而被去除。小颗粒.ppt22自由沉淀实验设在一水深H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，实验开始，沉淀时间为0，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒的数量与粒径的组成是相同的，悬浮物浓度为C0（mg/L）,此时去除率E=0。自由沉淀图解23在同一沉淀时间t，下式成立：故:设沉速u1u0的颗粒占全部颗粒的dP(%)，其中的颗粒将会从水中沉到池底而去除。(%)dPHhtuHtuh01；01//uuHhdPuudPHh0124对于沉速为u（uu0）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：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总去除率为：0000001/PPudPudPuu00001)1(PudPuP2500.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.671.3322.6748u,cm/minη不同沉淀速度的总去除率2600.10.20.30.40.50.60.70.80.9101530456090180t(min)η总去除率表观去除率不同沉淀时间的总去除率27HLuv//0)/(0HLuv中并简化后得出Hu0vL下图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：将上式带入式qv/A—反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示：bHqAqvvv/'/Aquv/0AubHHLuqv00)/(Aqqv/28理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m3/m2·h。故只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H和沉淀时间t无关，即与池的体积V无关。Aquv/0Aqqv/比较两式可知：29实际中，常按以下经验公式确定设计表面负荷q和沉降时间t：000.2~5.175.11~25.11ttuq式中：u0、t0——分别为由沉降曲线上查得的理论沉降速度和沉降时间。30例题沉淀试验数据沉淀时间t,min01530456090180Pi=ci/c010.960.810.620.460.230.06表观去除率E=1-Piu=H/t,cm/minη某自由沉淀试验数据如下表所示，沉淀高度H=120cm。试绘制沉淀曲线P-u曲线，并计算不同沉淀时间条件下的悬浮颗粒的总去除率η，并绘制η-t、η-u曲线。31解：（1）计算各沉淀时间相应的沉速u，表观去除率E（2）以Pi为纵坐标，u为横纵标作图得沉淀曲线：P-u曲线（3）图解计算各沉速下的总去率,u0=3.0为例，小于此沉速的颗粒与全部颗粒之比P0=0.67,积分项等于各矩形面积之和。则：η=(1-0.67)+1.07/3=0.687以此计算出各时总沉淀效率η。00001)1(PudPuP3200.10.20.30.40.50.60.70.80.9101530456090180t(min)η总去除率表观去除率（4）以总效率η为纵坐标，以沉淀时间t为横纵标作图的效率-时间曲线不同沉淀时间的总去除率3300.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.671.3322.6748u,cm/minη不同沉淀速度的总去除率34思考题•下图是沉降实验所得总去除率与颗粒沉淀速度u0的关系，有人认为从图中可以看出，颗粒的沉淀速度越大去除率越低。另外的人认为沉淀速度越大说明颗粒粒径越大，而颗粒越大越易除去，为什么此时去除率越低呢？你如何解释？自由沉降总去除率与颗粒的沉降速度的关系01020304050607002468101214颗粒沉降速度u0(m/h)总去除率E(%)35