3.13.1 沉淀的基础理论沉淀的基础理论1一、概述一、概述二、沉淀类型二、沉淀类型三、自由沉淀及分析三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理四、沉淀池工作原理本节内容本节内容21 1、沉淀的概念、沉淀的概念 一、概述一、概述 是利用水中悬浮颗粒和水的密度差，在重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力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。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。的处理方法。 2 2、应用场合、应用场合 在典型的污水处理厂中，有以下在典型的污水处理厂中，有以下4 4种用法：种用法：(1) (1) 用于废水的预处理用于废水的预处理沉砂池沉砂池 (2) (2) 用于污水进入生物处理构筑物前的初步处理用于污水进入生物处理构筑物前的初步处理 ( (初沉池初沉池) )(3) (3) 用于生物处理后的固液分离用于生物处理后的固液分离( (二次沉淀池二次沉淀池) )(4) (4) 用于污泥处理阶段的用于污泥处理阶段的污泥浓缩污泥浓缩4二、沉淀类型二、沉淀类型自由沉淀自由沉淀絮凝沉淀絮凝沉淀区域沉淀区域沉淀 压缩沉淀压缩沉淀 根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉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：淀通常可以分为四种不同的类型：淀通常可以分为四种不同的类型：淀通常可以分为四种不同的类型：51 1、自由沉淀、自由沉淀 实例：固体颗粒在实例：固体颗粒在沉砂池沉砂池及及沉淀池内的初期沉淀池内的初期沉降沉降 自由沉淀也称为离散沉降，是一种自由沉淀也称为离散沉降，是一种非絮凝性非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒或弱絮凝性固体颗粒在在稀悬浮液稀悬浮液中的沉淀。中的沉淀。 由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生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密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。沉降过程。62 2、絮凝沉淀、絮凝沉淀 实例：颗粒在实例：颗粒在初初沉池内的后期沉池内的后期沉降沉降，生化处，生化处理中污泥在理中污泥在二二沉池中间段的沉池中间段的沉淀沉淀，及水处，及水处理的理的混凝沉淀混凝沉淀。 这是一种絮凝性固体颗粒这是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。在稀悬浮液中的沉淀。 虽然悬浮固体浓度也不高虽然悬浮固体浓度也不高（50-500mg/L50-500mg/L），但颗粒在沉），但颗粒在沉降过程中接触碰撞时能互相聚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径和沉降速度随沉降时间的延续而增大。续而增大。7 3 3、区域沉淀、区域沉淀 也称成层沉淀、拥挤沉淀。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）在较这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较高浓度高浓度(500mg/L(500mg/L以上以上) )悬浮液中的沉降。悬浮液中的沉降。 实例：生化处理中污泥在实例：生化处理中污泥在二沉池下部的二沉池下部的沉降沉降和在和在浓缩池内的初期沉降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。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，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。颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。 4 4、压缩沉淀、压缩沉淀 实例：实例：生化污泥在生化污泥在二沉池污泥斗二沉池污泥斗和和浓缩池浓缩池内的浓缩过程内的浓缩过程。9 上澄水上澄水自由沉淀带自由沉淀带絮凝干涉沉淀带絮凝干涉沉淀带成层沉淀带成层沉淀带压缩沉淀压缩沉淀时间时间t t水深水深ABCD沉淀过程示意图10分分析析的的假假定定沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变等不变颗粒为球形颗粒为球形颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响。其他颗粒影响。静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用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，颗粒即成重力与水对其产生的阻力平衡时，颗粒即成等速下沉。等速下沉。 三、自由沉淀及分析三、自由沉淀及分析11悬浮颗粒在水中的受力：悬浮颗粒在水中的受力：重力重力F1、浮力、浮力F2、下沉中的摩擦阻力、下沉中的摩擦阻力F3重力大于浮力和摩擦力时，重力大于浮力和摩擦力时， 下沉；下沉；重力等于浮力和摩擦力时，重力等于浮力和摩擦力时， 相对静止；相对静止；重力小于浮力和摩擦力时，重力小于浮力和摩擦力时， 上浮。上浮。F2s sF1L L，F312用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程: : 式中：式中： mm颗粒质量，颗粒质量，kgkg； uu颗粒沉速，颗粒沉速，m/sm/s； tt沉淀时间，沉淀时间，s s； F F1 1颗粒的重力颗粒的重力 F F2 2颗粒的浮力颗粒的浮力 F F3 3颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力。颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力。 悬悬 浮浮 颗颗 粒粒 在在 水水 中中 的的 受受 力力 分分 析析13 （1 1）颗粒的重力：）颗粒的重力：其中：其中：S S为颗粒密度，为颗粒密度，kg/mkg/m3 3； d d为颗粒直径，为颗粒直径，m m； g g为重力加速度。为重力加速度。（2 2）颗粒的浮力：）颗粒的浮力： 其中：其中：L L为液体密度，为液体密度，kg/mkg/m3 3；14（3 3）颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力：）颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力：式中：式中：阻力系数，当颗粒周围绕流处于层阻力系数，当颗粒周围绕流处于层流状态时，流状态时， =24/Re=24/Re；ReRe为颗粒绕流雷偌数，为颗粒绕流雷偌数，与颗粒的直径、沉速、液体的粘度等有关，与颗粒的直径、沉速、液体的粘度等有关， AA自由沉淀颗粒在垂直面上的投影面积，自由沉淀颗粒在垂直面上的投影面积，15 颗粒下沉开始时，沉速为颗粒下沉开始时，沉速为0 0，逐渐加速，逐渐加速，阻力阻力F F3 3也随之增加，很快三种力达到平衡，颗也随之增加，很快三种力达到平衡，颗粒等速下沉，粒等速下沉，du/dt=0du/dt=0，代入公式：，代入公式：16 即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，亦即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，亦称称斯托克斯公式斯托克斯公式17由上式可知，颗粒沉降速度由上式可知，颗粒沉降速度u uS S与下述因素有关：与下述因素有关：斯托克斯定律斯托克斯定律讨论讨论v当当S S大于大于L L时，时，S S-L L为正值，颗粒以为正值，颗粒以u uS S下沉；下沉；v当当S S与与L L相等时，相等时，u uS S=0=0，颗粒在水中呈悬浮状，颗粒在水中呈悬浮状 态，这种颗粒不能用沉淀去除；态，这种颗粒不能用沉淀去除；vS S小于小于L L时，时，S S-L L为负值，颗粒以为负值，颗粒以u uS S上浮，可上浮，可 用浮上法去除。用浮上法去除。vu uS S与颗粒直径与颗粒直径d d的平方成正比，因此增加颗粒直径的平方成正比，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。有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。vu uS S与与成反比，成反比，随水温上升而下降；即沉速受水随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。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，析水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规律，HazenHazen和和CampCamp提出了理想沉淀池的概念。提出了理想沉淀池的概念。四、沉淀池工作原理四、沉淀池工作原理 理想沉淀池划分为理想沉淀池划分为4 4个区域，即进口区域、个区域，即进口区域、沉淀区域、出口区域及污泥区域。沉淀区域、出口区域及污泥区域。 19 作如下假设作如下假设(1) (1) 沉淀区过水断面上各点的水流速度均沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为相同，水平流速为；(2) (2) 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为度为u u；(3) (3) 在沉淀区的进口区域，水流中的悬浮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；颗粒均匀分布在整个过水断面上；(4) (4) 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。20式中：式中：v-v-颗粒的水平分速；颗粒的水平分速； q qv v- -进水流量；进水流量； A-A-沉淀区过水断面面积，沉淀区过水断面面积，HbHb H - H -沉淀区的水深；沉淀区的水深； b -b -沉淀区宽度。沉淀区宽度。当某一颗粒进入沉淀池后当某一颗粒进入沉淀池后另一方面，颗粒在重力另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由其沉速即是颗粒的自由沉降速度沉降速度u u。一方面随着水流在水平一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速方向流动，其水平流速v v等于水流速度；等于水流速度；颗粒运动的轨迹为其水平分速颗粒运动的轨迹为其水平分速v v和沉速和沉速u u的矢量和，在的矢量和，在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为i=u/vi=u/v。21 从沉淀区顶部从沉淀区顶部x x点进入的颗粒中，必存点进入的颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为在着某一粒径的颗粒，其沉速为u u0 0，到达沉，到达沉淀区末端时刚好能沉至池底。淀区末端时刚好能沉至池底。 当颗粒沉速当颗粒沉速u ui iuu0 0时，无论这种颗粒处于时，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进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。除。大颗粒大颗粒.ppt.ppt 当颗粒沉速当颗粒沉速u ui iuu0 0时，从沉淀区顶端进入时，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，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。它可以沉到底部而被去除。小颗粒小颗粒.ppt.ppt22自自 由由 沉沉 淀淀 实实 验验 设在一水深设在一水深H H的沉淀柱内进行自由沉淀实的沉淀柱内进行自由沉淀实验，实验开始，沉淀时间为验，实验开始，沉淀时间为0 0，此时沉淀柱，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒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，悬浮物浓度的数量与粒径的组成是相同的，悬浮物浓度为为C C0 0（mg/Lmg/L）, ,此时去除率此时去除率E=0E=0。自由沉淀图解自由沉淀图解23 在同一沉淀时间在同一沉淀时间t t，下式成立：，下式成立： 故故: : 设沉速设沉速u u1 1uu0 0的颗粒占全部颗粒的的颗粒占全部颗粒的dPdP(%)(%)，其中其中 的颗粒将会从水中沉到池底而去除。的颗粒将会从水中沉到池底而去除。24 对于沉速为对于沉速为u u（uuuu0 0）的全部悬浮颗粒，可）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：被沉淀于池底的总量为： 而沉淀池能去除的颗粒包括而沉淀池能去除的颗粒包括uuuu0 0以及以及 uuuu0 0的两部分，故沉淀池对悬浮物的总去除率为：的两部分，故沉淀池对悬浮物的总去除率为：25不同沉淀速度的总去除率不同沉淀速度的总去除率26不同沉淀时间的总去除率不同沉淀时间的总去除率27中并简化后得出H Hu u0 0v vL L 下图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：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，反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的一般称为沉淀池的表面负荷率表面负荷率，或称沉淀池的或称沉淀池的过流率过流率，用符号，用符号q表示：表示：28 理想沉淀池中，理想沉淀池中，u u0 0与与q q在数值上相同，但它在数值上相同，但它们的物理概念不同：们的物理概念不同： u u0 0的单位是的单位是m/hm/h；q q表示单位面积的沉淀池在表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是单位时间内通过的流量，单位是m m3 3/m/m2 2hh。故只。故只要确定颗粒的最小沉速要确定颗粒的最小沉速u u0 0，就可以求得理想沉，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。淀池的过流率或表面负荷率。 理想沉淀池的理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积沉淀效率与池的水面面积A A有有关关，与池深，与池深H H和沉淀时间和沉淀时间t t无关，即与无关，即与池的体积池的体积V V无关无关。比较两式可知：比较两式可知：29 实际中，常按以下经验公式确定设计表实际中，常按以下经验公式确定设计表面负荷面负荷q q和沉降时间和沉降时间t t： 式中：式中：u u0 0、t t0 0分别为由沉降曲线上分别为由沉降曲线上查得的理论沉降速度和沉降时间。查得的理论沉降速度和沉降时间。 30例例 题题 某自由沉淀试验数据如下表所示，沉淀高度某自由沉淀试验数据如下表所示，沉淀高度H=120cmH=120cm。试绘制沉淀曲线。试绘制沉淀曲线P-uP-u曲线，并计算不同曲线，并计算不同沉淀时间条件下的悬浮颗粒的总去除率沉淀时间条件下的悬浮颗粒的总去除率，并绘制，并绘制-t-t、-u-u曲线。曲线。31解：解：（1 1）计算各沉淀时间相应的沉速计算各沉淀时间相应的沉速u u， 表观去除率表观去除率E E（2 2）以）以P Pi i为纵坐标，为纵坐标，u u为横纵标作图得沉淀曲线：为横纵标作图得沉淀曲线： P-uP-u曲线曲线 （3 3）图解计算各沉速下的总去率）图解计算各沉速下的总去率,u,u0 0=3.0=3.0为例为例，小小于此沉速的颗粒与全部颗粒之比于此沉速的颗粒与全部颗粒之比P P0 0=0.67,=0.67, 积分项等于各矩形面积之和。积分项等于各矩形面积之和。则：则：=(1-0.67)+1.07/3=0.687 以此计算出各时总沉淀效率以此计算出各时总沉淀效率。32（4 4）以总效率）以总效率为纵坐标，以沉淀时间为纵坐标，以沉淀时间t t为横纵为横纵标作图的效率标作图的效率- -时间曲线时间曲线不同沉淀时间的总去除率不同沉淀时间的总去除率33不同沉淀速度的总去除率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下图是沉降实验所得总去除率与颗粒沉淀速度u0 u0 的的关系，有人认为从图中可以看出，颗粒的沉淀速度越关系，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？越低呢？你如何解释？35 刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！36