沉淀基础理论

重力沉淀法 第一节 沉降过程的基本理论 沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作 用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。 沉淀处理工艺的四种用法 沉砂池：用以去除污水中的无机性易沉物 初次沉淀池：较经济的去除悬浮有机物，减轻后续生物 处理构筑物的有机负荷 二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、 活性污泥等，使处理后的水得以澄清。 污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩 ，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。 沉淀去除的对象及构筑物 砂粒 化学沉淀 混凝絮体 生物污泥 污泥浓缩 沉砂池 浓缩池 沉淀池 位置 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 : （ 2）高浓度有机废水处理工艺 : （ 3）含 铬 废水处理工艺： 第一节 沉降过程的基本理论 自由沉淀 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体 之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀， 颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中，颗粒 的物理性质不变。发生在沉砂池中。 根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和 浓度，沉淀可分成四种类型 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮 颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相 互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈 曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形 状、沉速是变化的。化学絮凝沉淀属 于这种类型。 絮凝沉淀 区域沉淀或 成层沉淀 压缩沉淀 悬浮颗粒浓度较高（ 5000mg/L以上） ；颗粒的沉将受到周围其它颗粒的影响 ，颗粒间相对位置保持不变，形成一个 整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的 泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中 发生。 悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤 压成团状结构，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。二沉池污 泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在 压缩沉淀。 沉砂池 二沉池污泥斗 ;浓缩池 二次沉淀池与污泥浓缩池 化学絮凝沉淀 一自由沉降 1.斯托克斯公式 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。 悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力 重力大于浮力时，下沉； 重力等于浮力时，相对静止； 重力小于浮力时，上浮。 配图说明 悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析 式中， u 颗粒沉速， m/s; m 颗粒质量； t 沉淀时间， s； F1 颗粒重力； F2 颗粒浮力； F3 下沉过程中受到的摩擦力； 应用范围：颗粒为球形；沉淀过程中颗粒不变化；只受重力影响。 C 阻力系数，球形 颗 粒周 围 液体 绕 流雷 诺 数的函数， 由于 污 水中 颗 粒直径 较 小，沉速不大， 绕 流 处 于 层 流状 态 ，可用 层 流阻力系数公式 悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析 该公式 即 斯托克斯公式 悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析 由上式可知，颗粒沉降速度 uS与下述因素有关： 当 g大于 y时， S- L为正值，颗粒以 uS下沉； 当 S与 L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； S小于 L时， S- L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 成反比， 随水温上升而下降；即沉速受水温影 响，水温上升，沉速增大。 斯托克斯公式 (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： 了解废水中悬浮物的沉淀特点； 为工程设计提供参数。 2、自由沉淀实验 自由沉降 试验 所用的沉降柱 (settling column)示意 图 每次 试验 用 57个相相同的沉 降柱 溢流口 取 样 口 H 取样口 沉降柱 (2) 实验方法 实验编号 : 1 2 3n 原水浓度： C0 C0 C0C 0 有效水深： H H HH 取样时间： t1 t2 t3t n 取样浓度： C1 C2 C3C n Ci/C0= Xi X1 X2 X3X n H/ti=ui u1 u2 u3u n 颗粒沉降到取样口 被认为去除； 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/t Xi表示沉速 u ui的颗 粒浓度与原始浓度的比值 X 悬浮污沉淀累积 分布曲线 给定的沉降时间 t内： 对于 0的 颗粒全部除去 对于 0的颗粒可被部分去除。 p0 1-p0 给定的沉降时间 t内： 对于 dd0的颗粒全部除去 对于 dd0的颗粒可被部分去除。 p0 1-p0 ？：对于 0的颗粒，可去除部分所占比例是多少？ 去除率是多少？ (3) 沉淀效率计算 H h 0的 颗粒中， di di + dd范围内颗粒所占 SS总量的 百分率用 dp表示。 对 于 0的 颗 粒，其中 可去除部分所占比例 为 ： 则 在 di di + dd范 围 内能被去除部分 颗 粒占 SS总 量的百分率 为 ： 对 于全部 0颗 粒群体，可去除部分 为 ： X 0部分颗粒所占百分率为 1 p0 则，总沉降效率为 ET ： 在 t0时间内，各种颗粒沉淀的总去除率为： 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 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 。 解： 与各沉降时间相应的颗粒沉速计算如下： 时间 t(min) 0 15 30 45 60 90 180 u=H/t （ cm/min） 8 4 2.67 2 1.33 0.67 以 u为横坐标， C/C0为纵坐标作图，如图所示： 已知： 时间 t(min) 0 15 30 45 60 90 180 C/C0(X) 1 0.96 0.81 0.62 0.46 0.23 0.06 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+1.0+1.3+1.6 +2.0+2.4)+0.072.7 =1.07 故沉速为 3cm/min时， 总去除率为： E=（ 1-0.67） +1/31.07=0.69 u(cm/min) 小结： 1、 基本概念 重力沉降 2、 重点 基本概念 沉降试验和沉降曲线 3、 难点 图解积分法计算 ET 二、絮凝沉降试验及 沉降曲线 絮凝沉降的特点： 颗粒的形状 d、在沉降过程中改变； 浓度上稀下浓； SS浓度随水深度变化而 变化，且呈现非线性变化。 u随 d 而增大。 1.絮凝沉降试验 装置： 140150mm H=2.02.5m 45个取样口，间距 500mm 取样： C0由 t=0时中间取样口采集 t1、 t2、 、 ti、 、 tn时，同时从各取样口取水样（两份， 求平均浓度），用以确定不同时间、不同水深处残留的 SS 浓度 C1、 C2、 、 Ci、 、 Cn。 绘图： 例如： 0.5m、 1.0m、 1.5m处各有一取样口，按设定的 时间序列同时取样，并计算 Et。 沉降时间， t (min) 0.5m 1.5m 工 作 水 深 (m) 沉降时间， t (min) 10 20 30 40 50 60 Et-t 曲线 SS等去除率曲线 Et 1.0m 不同沉降深度表 观 去除率与沉降 时间 的关系 18.0 30.0 39.0 不同水深 处 去除率与沉降 时间 的关系数据 表 观 去除率 /% 不同水深达到去除率所需的 时间 /min 0.6 m 1.2 m 1.8 m 5 1.2 2.5 3.7 10 2.5 5.0 6.5 20 6.7 11.0 14.5 30 11.7 19.0 25.0 40 18.0 30.0 39.0 50 27.0 44.0 56.5 60 38.5 61.5 77.5 75 55.0 75.0 87.5 等去除率曲线（ equal pecent removal curve）绘制过程示意 图 然后以沉降 时间 为 横坐 标 ，水深 为 纵 坐 标 ， 绘 出各点 。 再把去除率相等 的点用 线连 接起来 ，即可得到等去除 率曲 线 。 水深 0.6m, 去除 率 10% ， 2.5min 水深 1.2m, 去除 率 10% ， 5.0min 水深 1.8m, 去除 率 10% ， 6.5min 水深 1.8m, 去除率 20%， 14.5min 水深 1.2m, 去除 率 40%， 18.0min 沉降时间 /min 去除率为 10% 的等去除率线 o 絮凝沉淀颗粒去除率按下式计算： o 式中： E 沉降高度为 H、沉降时间为 T时沉淀柱 中颗粒的总去除率； o ET 沉降时间为 T时，沉降高度 H处颗粒的 去除率； o H 沉淀高度（ 0、 H3、 H2、 H1、 H0）， 由水面向下量测； o h 沉淀时间 T对应各等效率曲线间中点的 高度（ h1、 h2.hn）。 计算沉降时间 t=45min时悬浮物的总去除率 E。 o =0.15(1-0.8)+0.4(0.8-0.75)+0.84(0.75-0.6)+1.6(0.6- 0.45)/2.0+0.45 o =0.658=65.8% 三 、成 层 沉降和 压缩 沉降沉降面 积 的确定 1）成 层 沉降和 压缩 沉降 过 程分析 成 层 沉降和 压缩 沉降 过 程可用下 图 表示 ： 试验方法： o 试验可用 1000 mL量筒进行。 o 把事先标好刻度的量筒中加入一定体积的待 试验的水样，同时以 5 r/min的速度搅拌，目 的是防止沉降过程中可能发生的层叠现象。 o 沉降开始后，按一定的时间间隔记录界面 1 的高度，直到界面的高度基本不变为止。 o 然后以沉降时间为横坐标，以界面高度为纵 坐标作图，可得如下所示的沉降曲线。 成层沉降沉降曲线 沉降时间（ min) H0 确定澄清所需的最小面积 o 澄清所需的最小面积取决于界面 1到达临界浓度 c2 以前的沉降速度 uc。即在实际沉淀池的连续过程中， 水流的上升速度不超过 uc才能得到澄清液。 o 此时澄清所需要的最小面积可由下式计算 : A Q/uc o 式中： A沉淀池的最小面积， m2； uc界面的沉降速度， m/s； Q废水的处理量 m3/s o 可以把沉降曲线开始为直线的部分延长与横坐标相 交，交点为 t0，即可得 : uc H0/t0 浓缩所需最小面积的确定： o 浓缩所需的最小面积可由下式计算： A Qtu/H0 式中： tu是到达要求的浓度所需的沉降时间，其它为已知量，关 键是求 tu，方法如下 ： （ a）确定等于要求浓度 cu时的界面高度 Hu Hu=c0H0/cu （ b）确定临界点： o 分别做成层沉降和压缩沉降曲线的切线，并延长使两切线相交 ，然后做两切线夹角的平分线，与沉降曲线相交，交点即是临界点 。 （ c）在纵坐标上找到 Hu，过 Hu做横坐标的平行线，过临界点做 沉降曲线的切线，使两直线相交，交点为 E，过 E点做横坐标的垂 线与横坐标的交点即 tu。 成 层 沉降沉降曲 线 沉降时间 /min H0 t0 tu Hu 临界点 A Qtu/H0 第二节 理想沉淀池 沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为 v ； 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为 u； 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； 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。 1.理想沉淀池的几个假定： 由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线： 入 流 区 出 流 区 污泥区 理想沉淀池示意图 沉降线为未被去除颗粒 ； 为刚好 100%去除颗粒； 为可部分去除颗粒； 为可全部去除颗粒。 2.颗粒的运动 水平 垂直 水平方向 :水平流速 v等于水流速度 ; 垂直方向 :沉速即颗粒的自由沉降速度 u。 颗粒运动的轨迹为其水平分速 v和沉速 u的矢量和，是 一组倾斜的直线，其坡度为 i=u/v。 当颗粒沉速 uu 0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，即 图 a中的迹线 xy与 xy 。 设 u0为某一指定颗粒 d0的最小沉降速度 当颗粒沉速 u1u0时，位于水 面的颗粒不能沉到池底，会 随水流出，如图 b中 xy ；而 当其位于水面下的某一位置 时，它可以沉到池底而被去 除，如图中轨迹 xy 。 3.去除效率 ET q0在数值上等于最小沉降速度； q0 ， ET ； 在自由沉淀中，当处理水量 Q一定， ET仅是沉降区表面 积的函数，而与水深无关。 A ， q0 ，则 ET 。 4.表面负荷 q0 5 实际沉淀池 在实际沉淀池，理想沉淀池的假设是不存在的