（市政工程专业论文）黄河泥沙的自然沉淀特性及机理研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 黄河泥沙的自然沉淀特性及机理研究 专业：市政工程 姓名：贾亚军 导师：金同轨教授 摘要 本文通过对高浊度水的理论分析及试验研究，讨论了稳定泥沙的组成随浓度的 变化规律；浑液面的形成规律；将高浊度水的自然沉降过程可以分为干扰沉降阶段、 絮网沉降阶段、超絮网沉降阶段、固结压缩阶段；在干扰沉降阶段的絮体大小、密 度及结构模型；在各个沉降阶段的沉降规律。通过加药沉淀的数据分析，讨论了界 面沉速在加药量不变，浓度增加的情况下沉速随浓度的增加以指数递减的规律； 阳离子高分子絮凝剂的起动剂量及其与颗粒比表面积的关系。k y n c h 法和 c o e c l e v e n g e r 法的比较何种方法更适合浓缩池的设计。 关键词：高浊度水沉淀絮凝高分子絮凝剂起动剂量 论文类型：基础理论类 ( 国家自然科学基金资助项目批准号：5 0 0 7 8 0 4 3 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 a s t u d yo n c h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo f s p o n t a n e o u ss e d i m e n t a t i o n o fy e l l o wr i v e r sl o e s sp a r t i c l e s s p e c i a l i t y ：m u n i c i p a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：j i ay a j u n a d v i s o r ：p r o f j i n t o n g g u i a b s t r a c t t h r o u g ht h ea c a d e m i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t ss t u d yo f t h eh i 曲t u r b i d i t yw a t e r , i n t h i s p a p e rt h e a u t h o rd e b a t e st h ec o n s t i t u t i n g c h a n g eo ft h es t a b l ep a r t i c l e sw i t ht h e c o n c e n t r a t i o na n dt h e f o r m i n gt h e o r yo ft h ep u l p s u p e r n a t a n ti n t e r f a c e ；d i v i d e s t h e s e t t l i n gp r o c e s si n t of o u rs t a g e s z o n es e t t l i n gs t a g e ，f l o c c u l e n tn e ts e t t l i n gs t a g e ，s u p e r f l o c c u l e n tn e t s e t t l i n gs t a g e ；d e t e r m i n e st h es i z eo ff l o c ，t h ed e n s i t yo ff l o ea n dt h e s t r u c t u r em o d e lo ff l o e ；r e v e a l st h el a w so ft h es e t t l e m e n ti nt h ed i f f e r e n t s t a g e s b y a n a l y z i n gt h ed a t ao b t a i n e di nf l o c c u l a t i o ns e d i m e n t a t i o n ，t h ea u t h o rp o i n t st h a tw h e n t h e d o s a g e i s f i x e d ，t h e s e t t l i n g r a t e sd e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t ht h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s i n g ；o b t a i n st h er e l a t i o nb e t w e e nt h es t a r t i n gp o i n to fd o s a g ea n dt h es u r f a c ea r e a o f p a r t i c l e sp e rc u b i cd i l u t i o n ，w h e nt h ec a t i o n i cm a c r o ，m o l e c u l a rf l o c c u l a t i n ga g e n ti s u s e d b yc o m p a r i s o nk y n c h m e t h o dw i t hc o e c l e v e n g e rm e t h o d ，t h ea u t h o rp r o v e st h a t k y n c h m e t h o di sb e t t e ri nt h i c k e n e r d e s i g n k e y w o r d s ：h i g ht u r b i d i t yw a t e r ，s e d i m e n t a t i o n ，f l o c c u l a t i o n ，c a t i o n i cp o l y m o l e c u l e f l o c c u l a t i n ga g e n t ，s t a r t i n gp o i n to fd o s a g e p a p e rt y p e ：f u n d a m e n t a lt h e o r y ( t h i sr e s e a r c hi sg r a n t e db yn s e u n d e r5 0 0 7 8 0 4 3 ) i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：贾丑军 日期：二。- j 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：荧胖导师签名 注：请将此页附在论文首页。 期： 歙南 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源、意义及其研究的内容 我国是多沙河流较多的国家之一，年平均输沙量在1 0 0 0 万吨以上的河流有4 2 条，年最大输沙量超过1 0 0 0 万吨的有6 0 条。直接入海泥沙总量年平均为1 9 4 亿吨， 其中黄河占5 9 ，长江占2 5 ，海河及其它河流占1 6 ，黄河是世界罕有的多沙 河流。据初步统计，黄河中游地区每年每平方公里被冲去的土壤约为3 7 0 0 吨，为全 世界土壤平均侵蚀模数的2 7 5 倍，年输沙量和平均含沙量均居世界首位：1 9 7 7 年8 月初黄河下游出现一次高含沙洪峰，小浪底的最大含沙量达到8 9 8 k g r r l 3 ，黄河支 流某些河段的实测最大含沙量达到1 6 0 0k g m 3 ，亦即泥沙的体积占水体积6 0 左 右。黄河年输沙总量1 6 亿吨，长江上游高浊度水也较严重，黄河、长江的总输沙量 占世界十三条大河总沙量的2 9 3 ，其它地区也有季节性的高浊度河流引。因此， 对高浊度水处理技术的研究，己成为我国经济建设和水资源开发中一项重大研究课 题。 据预测，到2 0 5 0 年，黄河地表水资源利用率约为5 6 地下水利用率约为9 3 ，都远远超过全国平均利用水平【4 】。然而黄河流域的水资源特别贫乏，人均占有 水量仅是世界平均水平的1 1 0 。因此为了满足生产建设的需要，合理地应用现有水 源，人们千方百计地寻求高浊度水资源的开发利用途径，对黄河高浊度水的研究做 出了大量的工作。 “黄河泥沙的絮凝形态学及絮凝沉泥再浓缩特性研究”为国家自然科学基金资 助项目，项目由两部分组成，第一部分是进行黄河泥沙在自然状态和高分子絮凝剂 作用下的絮凝形态学研究【5 1 ，同时进行絮体电动特性和絮凝过程研究以得出泥沙颗 粒表面的最优吸附条件：第二部分研究絮凝后沉泥的浓缩规律及再浓缩最佳工艺及 生产控制方法，以期取用黄河高浊度水后其沉泥不再排回黄河，以节约排泥用水和 保护水资源。 论文课题是该基金项目的一个子课题，研究内容包括： ( 1 ) 自然沉淀试验 干扰沉降时界面沉速与泥沙浓度、泥沙颗粒分布的关系及表达式。 自然沉淀时第一等速段与第二等速段絮体构造基本模型。 第二等速段出现的时间，及其絮网界面上升的速度。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第二等速段的沉速。 超絮网阶段的沉速不同泥沙浓度时的速度递减规律及数学表达式。 固结压缩阶段的应力变化，最终沉降量。 ( 2 ) 静水混凝试验 确定不同泥沙浓度时阳离子高分子絮凝剂的启动剂量及其规律。 界面沉速在泥沙浓度不同、但投药量相同时的速度递减规律及数学表达式。 ( 3 ) 静水试验结果应用于动水试验 用k y n c h 方法和c o e c l e v e n g e r 方法提供静水沉降基本数据比较确定何种数据进 行浓缩池计算。 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 高浊度水的特点 2 1 高浊度水中的颗粒组成及其性质 天然高浊度水是一种分散体系，它同时为租分散体系( 水中颗粒粒径d 1 0 0 n m ) ， 胶体分散体系( d = 1 0 0 l n r n ) 和分子及离子分散体系( d 0 0 1 o 0 l 1 时，两个圆球颗粒的双电层的 排斥势能& 可表示为 b = - 盯- 7 躬l i l l + e x p 【_ z 忸一2 r ) ( 2 5 ) 其中，s 为介质的介电常数，水的占为7 8 5 4 ( 2 5 c )为颗粒表面的电位；r 为 颗粒中心到中心的距离。 当x r 0 ，这说明，在相同处理效果的前提 下，高分子絮凝剂投药量随颗粒表面积的增大而增大。 根据絮体形成和破坏的速度关系式，可求得平衡时絮体的半径r 。为2 2 】： 也= 拿n o z 0 2 ( 1 一口) 2 ( 2 1 3 ) k 2 式中：一单位体积的粒子数 七，岛一速度常数 由上式可见，当日= 0 5 时，r 。为最大值，这时聚合物的浓度就是最佳的聚合物 浓度。这在低分子量聚合物试验中虽得到过验证，但一些研究结果表明日应远小于 o 5 【1 4 】。论文第三部分将讨论与此相关的问题。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 3 高浊度水中颗粒的沉淀特性 高浊度水与低浊度水之不同，除了在含沙量上存在数量级差别外，更重要的是 在沉淀机理上也有本质区别。 对于给水工程而言，所谓高浊度水是和一定的沉降特性相联系的。天然浑水的 沉降中，泥沙和絮体颗粒下沉过程中只有运动阻力起阻碍作用，而颗粒与颗粒问无 分子力的相互作用。这是典型的离散型颗粒沉降机理。这里所指的高浊度水，系指 在沉降过程中，出现明显的浑水与清水的交界面，即以浑液面沉降为特征的水体。 给水工程中对高浊度水的划分，依据其含沙量适用范围和特点，以出现混液面 和泥沙分选这两个概念为前提条件把高浊度水自然沉降划分为三种类型： ( 1 ) 干扰群体沉降 水中泥沙颗粒，尤其是细泥沙颗粒开始碰撞接触后，逐渐形成絮体或絮团。并 当细颗粒泥沙被向上水流浮动时，粗颗粒泥沙发生分选下沉，絮体颗粒之间相对位 置发生变化。这时由于清水与浑水之间组成了浑液面，被悬浮的细泥沙絮凝，并以 浑液面形式整体下沉，称之为干扰群体沉降。在此过程中，自由水被挤出。 显然，干扰群体下沉是在原水初始含沙量低，未超过相应泥沙具体特点的临界 含沙量时，即当s s a 时，水体流变特性开始有所 改变，这时絮颗粒问的距离进一步缩小加强了颗粒之间的吸引力，并逐渐地互相络 合搭接，开始初步形成网状结构体，这也就相应于v a no l p b e n 所描述的“适当粘土 浓度”1 2 3 高浊度水泥沙中细颗粒泥沙含量愈多，其网状絮体结构形成的速度愈快。 刚刚开始形成网状结构的浓度成为临界浓度，此时网状结构的构造是框架结构；随 着浓度提高或沉降的进行，框架结构逐渐向海绵结构转变，在这个过程中挤出的是 絮体f 刮的空隙水。 西安建筑科技大学硕士学位论文 从泥沙结构的微观分析，发现高浊度水网状絮体结构发生和形成的全过程中， 有一个开始出现分散网状絮体和该絮体逐渐结合扩大，或在外力作用下，絮团又突 然破碎，分散和再聚集的多次反复过程，最后才发展到网状絮体逐渐稳定和全部形 成网状整体的全过程。 在网状絮体开始出现的前一段时间内，由于水中絮体比较疏散，絮体之间的空 隙仍然较大。这时粗颗粒泥沙仍有通过这些空隙下沉的可能。因此，这时的高浊度水 泥沙仍然存在分选现象。只不过这是分选程度和分选下沉的速度，都比前面的一种 类型小的多，下沉沿途所遇到的阻力要大一些。分选颗粒被截阻于网体，则于网体 形成同步下沉而停止分选。这时，只有能穿过网体孔隙结构而未被截流的那部分粗 颗粒泥沙，才能落到底部完成分选下沉的全过程。 由于黄河高浊度水稳定泥沙中含粘土矿物质成份较多，而在粘土矿物中又以蒙 脱土和伊利土为主。其絮体结构一般容易以边一边、边一角或角一角等形式连结或 搭接，这种连接形成的网状絮体，其结构很不稳定，容易在较小的剪切外力或水流 紊动作用下突然破碎，而又较快地再连接，重新组合形成所谓的“二次絮凝体”。黄 河高浊度水中这一泥沙絮体结构形成破坏再形成的反复演变特点，决定了高浊度水 自然沉淀浑液面沉降规律的多变性和复杂性。 泥沙网状絮体沉降总的变化规律是，随着初始浓度的增加或在沉降过程中变浓 浑水层泥沙浓度的纵向递增，其网状结构出现上述反复演变的可能性就愈小，即该 沉降段从开始到结束所经历的时间就愈短【3 。 试验表明，黄河高浊度水自然沉淀中从群体沉降过渡到网状沉降的临界过渡含 沙量与在同样条件下( 主要是泥沙颗粒组成条件) ，高浊度水自牛顿流体转变为宾汉 流体的临界含沙量是一致的。这是研究高浊度水自然沉淀中的一个重要概念。 f 3 ) 固结压缩沉降 随着高浊度水含沙量的继续增大，泥沙絮体颗粒的进一步靠近与互相接触，颗 粒间分子为作用更为明显与强化，这时絮团的网状结构很快出现并将在较短的时间 内形成网状整体，同时，由于水体内极限切应力tb 的急剧加大，泥沙颗粒的相对 运动逐渐变弱甚至消失，以至使各种大小不同的颗粒以整体形式下沉，这时不存在 泥沙的分选，絮体形成的海绵结构逐渐向单粒结构转变，外观表现特点是浑液面沉 速进一步减小。随着网状逐渐密实和封闭水的进一步从絮体中排挤流出，其水体也 逐渐从液态转变为伪塑性体的半固态状态。 由于高浊度水泥沙颗粒组成的不同，即使含沙量相近的情况下，其絮凝特征也 不相同。因此，上述沉降类型划分的临界含沙量也应是泥沙粒径组成，颗粒级配特 点等因素的函数。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 4 高浊度水的粘性 高浊度水的性质与清水比较起来至少有两点不同。一是悬浮液的容重高于水， 含沙量越高，悬浮液容重越大。二是悬浮液的粘性大于清水，如以粘滞系数表示粘 性，则悬浮液含沙量在5 0 0 1 0 0 0 k g m 3 时，其粘滞系数将是同温清水的几倍几十倍、 甚至上百倍，视悬浮液中泥沙颗粒的粗细而不同而不同。 泥沙颗粒存在对水流粘性的影响，甚至使后者不再成为牛顿体的主要原因是流 线在固体颗粒附近的变形。如果泥沙颗粒较少，则这种紊流作用只涉及到固体对流 体的影响；如果含沙量很高，颗粒与颗粒之间的距离很小，则这种紊流作用必然还 涉及到固体与固体之间的相互影响。其次，随着泥沙颗粒的增加，特别是粘性颗粒 泥沙的增加，固体与液体的接触面积大大增加，从而提高了悬浮液流动时的内摩擦 力。如在高浊度水的凝聚特性中指出的那样，粘性颗粒在带有离子的水中，由于双 电层的作用，颗粒表面形成一层与之牢固结合的束缚水，又称薄膜水。这种水膜的 容重比清水大很多，具有半固半液的性质和很高的粘性。同时，细颗粒之间因絮凝 作用而形成絮团集合体和网状结构，这种结构一方面在剪切作用下很容易破坏，另 一方面又很容易恢复和形成。所有这些，使含沙悬浮液的物理性质与清水相比有很 大不同。 工 流体在流动中所承受的剪力f 和切变速率半的关系，称为流体的流变特性，表 妙 示这种特性的方程称为流变方程。当液体中的较细颗粒达到一定的含沙浓度之后， 其流变性质就不再符合牛顿线性流变方程 工 f ：“竺( 2 1 4 ) 咖 也就是说，此时的流体己不属于牛顿流体，方程2 1 4 己不再适用，而是服从别 的流变规律。如前所述，对水沙系统而言，大多属于宾汉流体，或被近似的看作宾 汉流体p ，即流变特性符合 ， f = r b + 孚( 2 1 5 ) a y 从2 1 5 可以清楚地看出，流体在受剪切力f 时，首先要克服宾汉极限应力f 。( 即 r f 。) 以后，液体才能产生变形。 从研究细颗粒泥沙的特性出发，我们有理由认为，浑水体系中的极限应力f 。的 形成，主要是颗粒之间能够形成一个有联系的整体或称结构。而这种结构又是颗粒 之间的粘着力把它们互相联系起来的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 6 高浊度水的处理方法 高浊度水的自然沉淀，包括泥沙自絮凝状态下的沉淀，由于絮体小，结构松散， 密度较低等原因，泥沙的自然沉淀速度很小，一般在0 0 5m l n s 以下。利用这样低 的沉淀速度，在实际净化工程中往往是很不现实的。欲使高浊度水泥沙沉速增大， 工程中应采用人工投入一定数量的外加混凝剂，实现混凝沉淀。 另外，由高浊度水自然沉淀的实验可知，为使沉淀池内浑水的泥沙沉淀和浓缩 过程能够正常进行，沉淀池进水负荷应低于或等于浑水浑液面沉速。正如前面高浊 度水自然沉淀中所述，随着原水含沙量的增加，浑液面沉速减小。这样，对于泥沙 含量较大的高浊度水来说，单纯靠自然沉淀也往往不能满足设计要求。 高浊度水的混凝沉淀，是根据高浊度水泥沙浓度高，颗粒碰撞几率大，并带有 负电荷和具有较强的布朗运动的情况下，人工地投入一定数量的混凝剂后，利用混 凝剂的吸附架桥的双重作用，来达到加大絮团尺寸，增加絮体密度，从而提高浑液 面沉速和快速浓缩的目的。 经过理论研究和生产实践证明，普通的混凝剂和高分子絮凝剂聚丙烯酰胺 ( p a m ) 处理高浊度水的能力分别为： 硫酸铝最大处理含沙量1 0 2 0 k g m 3 三氯化铁最大处理含沙量 2 0 3 0 k g m 3 聚合氯化铝最大处理含沙量4 0 - - - 5 0 k g m 3 聚丙烯酰胺最大处理含沙量1 0 0 1 5 0 k g m 3 普通混凝剂处理高浊度水时，往往投药量很大，且能力有限，生产实际中很少 单独使用。高分子絮凝剂具有高聚合度和长分子链的特性，其吸附架桥作用均优于 无机混凝剂，且具有投剂量，絮凝体密实，沉降速度快，并容易自液体中分离和有 利浓缩等优点，故在高浊度水处理中，已被广泛地采用。 高分子絮凝剂，根据其分子链上是否带有电荷以及所带电荷的正负性而分为非 离子型，阴离子型和阳离子型三大类。近年来又发展了两性絮凝剂。分散系浑水中 的杂质通常带有电荷，欲使其加速沉淀去除，应选用具有反电荷的高分子絮凝剂。 高分子絮凝剂在水处理中应用始于5 0 年代，当时主要是非离子型聚丙烯酰胺， 随着科学技术的发展，阴离子型和阳离子型絮凝剂开始应用由于水中悬浮物多数 带有负电荷，所以阳离子絮凝剂的絮凝效果更好，在工程应用中也逐渐增多。但目 前在高浊度水混凝处理中，一般仍以阴离子型聚丙烯酰胺为主。 一般采用二级混凝沉淀的方式处理高浊度水。第一次投加高分子絮凝剂p a m ， 出水余浊一般在2 0 0 n r u 以下，最大不超过5 0 0 n t u 。絮凝沉淀后的水投加普通混 西安建筑科技大学硕士学位论文 凝剂进行二次混凝沉淀，可获得浊度在1 0 n t u 以下的净水。 高浊度水混凝沉淀同样可划分为分散型干扰沉淀、网体干扰沉淀和整体压缩沉 淀三种类型。在表观上是己更为清晰明显的浑液面形式下沉，浑液面下沉速度随原 水泥沙浓度的增加而减小。但混凝沉淀中影响浑液面下沉速度的因素比自然沉淀要 多，除水质本身的因素外，还直接受混凝剂选用，投加量和投加方式等因素的影响， 使其浑液面的沉降规律更为复杂化。换言之，高浊度水的混凝处理欲达到高效经济 运行的效果，在水厂的运行管理，操作技术等方面比自然沉淀都将有更为复杂和严 格的要求。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 高浊度水沉淀浓缩理论 几乎所有的浓缩理论都假设或默认，在一个给定区域中的所有颗粒都以同一个 速度下沉。它们只是在别的假设或数学推导上有所不同。不同的假设对应于沉降过 程中不同的物理模型。在这个方向上的进展包括把越来越多的影响考虑进去从而减 少假设。有些数学推导是十分重要的，在于它们揭示了一些先前并不知道的物理 关系。 为了给出各种浓缩理论的相同点和不同点，我们先给出一个常见的微分方程。 为了得出方程的解，对于方程中变量间的关系我们作出不同的假设，所以有些项将 会被舍去。这给出了沉降的不同物理模型。 一生兰出 矗 平衡方程式 卜黔+ 一鲁) 。卅一= 芸+ 警 图3 1 浓缩力学平衡 这个微分方程来自与对一层体积浓度为j ，高度为d x ，面积为a 的一微分层的 力学平衡分析。 此微分层中固体的量= 印。a d x 此微分层中液体的量= ( 1 - o ) p f a d x 固体的惯性力= ( a 一宝) 印；4 出 西安建筑科技大学硕士学位论文 液体的惯性力= f 口一号 ( 1 一。加，一出 液体层间压力差( 假设颗粒间有接触) ：一a d p ：a - 一- p - p a d x 固体层问压力差= 一a d 缈：掣爿也 合力 ( n 一害p ，一出+ 卜一鲁 ( 1 _ 。扣，一也= 罢彳出+ 警一出c 。， p ，一固体的密度，p ，液体的密度。“固体的速度，“r 液体的速度。p 液体层 间压力，妒固体层间压力。 几乎在所有的数学处理中，当地加速度项都被省略了。假如它们最终将被省略， 为了简化计算，我们在这里把它们省略。以后将看到，在任何情况下，它们都不应 该被省略，这也是在( 3 1 ) 式中包括这些项的原斟“l 。但是，假如它们被省略的话， ( 3 1 ) 式将简化为： 4 c p ，唧_ ( 罢一印， + 豢 n 但是a p f 是液体静力压强梯度。，既一印，) 项是液体动力压强梯度庐，蕊。 此项是导致液体流过由固体结构组成的多孔介质的动力。在重力沉降中口= g 。因此： g p s - p f ) e = 罢+ 罢 z ， 在早期的论文中，v 定义为由于颗粒与颗粒的接触传递的固体压力。但是就像 d i x o n a ( 1 9 7 8 ) 所提到的，压力可以由于水动力由一个颗粒传递到另一个颗粒，假如 颗粒足够接近的话。压力通过当地增强的液体压力所传递，而液体压力的增强是由 于液体从接近的颗粒之间流出的阻力所引起的。( 3 2 ) 中的固体压强定义为包括水 动力的贡献。因此总的固体压力妒= 虬+ 。 3 1 集团沉降理论 3 1 1c o ea n d c l e v e n g e r 模型，“= “( 0 经典的集团沉降理论假设，固体之间没有压力，因此a 缈缸为零。又由于当地 加速度与g 比较被完全忽略。这导致， 西安建筑科技大学硕士学位论文 g p s - p f = 罢 ， 液体动力压强梯度是与液体通量有关的： 望：k u( 3 4 ) 觑 阻力系数k 在经典的理论中被认为是6 的函数，也就是说，k = i 0 ) ，因此： “= 唑掣 s ，“= 7 t 二-l j ) j 或者 “= “0 ) 因为c = 风j “= u ( c 1 ( 3 6 ) 这就是经典的c o ea n dc l e v e n g e r 集团沉降的数学模型。 连续浓缩 c o ea n dc 1 e v e n g e r ( 1 9 1 6 ) 认为，在连续浓缩池中有个限制浓度，在这个浓度下， 沉淀通量最小。这个限制通量是在稳定工作的浓缩池中，沉向底泥底最大通量。 固体通过某一层的沉淀速度有两个组成部分：固体的沉淀速度u 相对与悬浮液： 由于排泥引起的悬浮液的沉淀速度v 。因此，总的固体沉淀通量： g = c ( u + v ) ( 3 7 ) 通过物料平衡分析，v = 巩a ，吉冈认为： g = c ( u + 吼一) = 巴a u a ( 3 8 ) f i t c h ( 1 9 6 2 ) 通过消去q u a ，得出： g = 丁斗 ( 3 9 ) c q 这里g 是某一层中沉向底泥的固体通量；c 是固体浓度；“是此浓度下的固体 沉淀速度；c h 是底泥浓度。 假如“= “( c ) 的话，速度在间歇试验和在连续操作中应有同样的值( 浓度和别的 因素是同样的) 。因此速度可以由不同浓度的间歇试验决定，把结果代入( 3 9 ) 式。 给定c m ，对应于不同的c ，有不同的沉淀通量g 。假如结果用图形表示，如图3 2 。 在图3 2 中最重要的实际现象是在gv sc 的曲线上有一个最小值，我们把它叫 做限制浓度c c 。通常情况下进水浓度( 丁比c c 小，而底泥浓度c “比c 七大。因此， 沉向底泥的最大固体通量为此最小值。在图3 2 上限制浓度为g c 。假如进水固体通 量超过此值，在浓缩池中将形成一个浓度为c c 的限制区域。在这个区域中的沉淀 西安建筑科技大学硕士学位论文 固体通量将小于进水的固体通量。沉向这个区域中的过剩的固体将增加这个区域的 高度，直到这个区域充满整个浓缩池。假如你你不想浓缩池中的固体溢流出来，对 于给定的底泥浓度，你必须增加浓缩池面积来保证沉淀通量小于g c 。因此g c 为浓 缩池固体负荷的上限。成层沉淀为浓缩池设计提出了面积要求。 毫 哑日| 1 赠 投 固 g c f 固体浓星c c u 图3 2c o ea n dc l e v e n g e r 固体通量曲线图 但是，在另一方面，当进水固体通量小于g c ，通过此限制浓度区域的固体的沉 淀速度比进水的固体进入速度更快。这个限制区域逐渐缩小并消失。因此你并不需 要为成层沉淀区域提供特殊的高度。因此成层沉淀对浓缩池的高度设计并没有要求。 这个限制浓度是唯一可以在沉淀池中累积的成层沉淀区域，并且它只有在进水 的固体通量等于或超过沉淀池的沉淀能力时才能存在。除了在特定控制条件下的操 作外，比如在污水处理中的活性污泥法，对正确设计的浓缩池的操作中限制浓度应 该永远不出现。 3 1 2 吉冈分析 我们现在得到方程( 3 7 ) 。吉冈认为在一个连续浓缩池中固体的沉降速度是两 个部分的总和。颗粒相对于悬浮液的沉降速度u ，和排泥引起的整体迁移速度v 。我 们来看方程( 3 8 ) 。吉冈用图3 3 来表示方程( 3 8 ) 。他提出了一个更简单的图形【2 ”。 在曲线3 2 和3 _ 3 ，通量是由两部分组成，沉降通量u c 和迁移通量w ，沉降通 量对于给定的浓度是固定的，因为“= “( o 但是总通量的曲线将会对应不同的v 而 有不同的形式。 2 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 q 唧 鼎 蝗 回 固体浓度 图3 3 吉冈通量的组成 我们可以对应于不同的c 绘出沉降通量u c 如图3 4 所示。这个曲线表达了在任 意浓度下可提供的沉降通量或可能的沉降通量。我们可以在同一个图上绘出对于给 定的沉淀池通量g 所要求的沉降通量。从方程( 3 7 ) 可以得出： u cn e e d e d = g - v c ( 3 1o ) 由物料平衡g - - v c u u c n e e d e d = g ( 1 一c c u )( 3 1 1 ) 方程( 3 1 1 ) 在图上给出了一条的操作直线，g 和白是参数。g 的值是在u c 坐 标轴上的截距， c u 是在c 轴上的截距。 能稳定存在的成层沉淀区只有当提供的沉降通量等于需要的沉降通量才能发 生。操作线与沉淀通量曲线在b 点相切给出了成层区域。g 的任何增长都使操作线 在b 点的临近区域升高蓟沉降通量曲线上边。需求的沉降通量超出了泥浆固有性质 所能提供的，这种操作状态是不被允许的。如前所述，一个b 浓度的成层区域将形 成并逐渐升高直到超过浓缩池。 西安建筑科技大学顾j ：学位论文 u 锥 督 嘏 型 兰 匿 笸 蛙 图3 4 吉冈沉降通量曲线 间歇沉降试验 在间歇沉降试验中，一沉降柱初始浓度均匀的泥浆被静沉。混液面高度被认为 是时间的函数被测定。我们希望以间歇沉降试验来预测连续浓缩现象。 c o e c l e v e n g e r 发现沉降速度有一个或两个不连续的点如图3 5 。这两个不连续 点将沉降曲线分成等速沉降段( 有时会有第二等速段) 、第一减速沉降段或过渡段、 第二减速沉降段。 魁 框 图3 5 间歇沉降曲线 等速段对应于泥浆初始浓度。用不同初始浓度的泥浆做系列试验，等速段提供 了用于确定c o e - c l e v e n g e r 方法确定通量曲线和限制通量的数据。在沉降的最后，泥 浆进入压缩段，这将在以后讨论。 堕茎堡塑型垫查堂竺兰兰些堡兰 c o e - c i e v e i l 2 e r 从逻辑和性质上推断在过渡区域中混液面沉速的递减是由于浓 度高但沉淀通量小的层上升引起的。三十六年后k y n c h 用数学方法得到的定量结果 得出同样的结论。 3 1 3 k y n c h 理论 k y n c h 从最基本的假设出发“= “( o ，应用连续性方程得出： 一个浓度不连续降以一个速度上升： 【，：竺 a c ( 3 1 2 ) 这将在图3 6 上表示。假如一个不连续上部是浓度g 下部是浓度g ，这个不连 续沿沉降方向传播，传播速度为弦a b 的斜率，此弦交通量曲线在浓度g 、g 处。 因为此处弦的斜率为负值，不连续将向上传播。 u ： 椰 镫 删 圈 基 囤 进 器 c 。c b 固体浓度 图3 6 浓度不连续 2 一个浓度处在一个浓度梯度范围内将以一个速度传播删： u ：堕 d c( 3 1 3 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 图3 7k y a c h 三假设曲线 因此假如浓度沿高度连续变化，其中有o ，那么此c 6 浓度将以通量曲线在b 点的切线斜率的速度传播。应用这个结果k y n c h 认为在某一时刻在混液面下的浓 度可以由沉降曲线如图3 7 所决定。在零时刻，某一浓度将由底部向上传播，传播 速度将由3 1 3 式所决定。当它在a 点到达清混交界面时，混液面将以此浓度的沉降 速度沉降。此浓度可以如下表达： c a = 警 此时，清混交界面下的固体沉降速度即为混液面的沉降速度： t , t 。= - d h d t i n 2 h z t = ( 3 1 5 ) 因此： s 4 ：- 日o t o z ( 3 1 6 ) k y n c h 的这几个关系式是十分有用和令人激动的。因为它提供了一个方法从间 歇试验中得到浓缩池设计中需要的所有沉降信息，而不需要像c o e c l e v e n g e r 那样做 一系列浓度试验。 西安建筑科技大学预：学位论文 q 梅 餐 蚓 赠 拉 匦 篷 蟋 c 。c bc c 固体浓度 图3 8k y n c h 曲线上浓度不连续的表达 假如初始浓度处在这样一个区域，通量曲线在图上是下凹( 4 c ) f d c 是负的) 例如图3 8 上的a 点，那么在a 与c 之间的浓度在间歇试验中不会传播到清混交界 面上。浓度a 与c 之间的不连续传播速度比他们之间的任何浓度传播速度都快，比 较图3 4 和图3 8 将会发现原水浓度至少应和进水浓度一样，那么在不连续之间的浓 度将不会成为连续浓缩池的限制浓度。 k y n c h 并没有对稳态的浓缩池解释清楚。在k y n c h 理论上更进一步，k y n c h 的 所有假设仍为正确t a l m a g e 和f i t c h 发现在一定的排泥浓度c h 下，浓缩池中的限 制浓度可以由间歇沉降试验沉降曲线直接确定。 西安建筑科技大学硬j 一学位论文 图3 9 t a l m a g e 和f i t c h 压缩曲线 耻等 ( 3 1 7 ) 从沉降曲线上读出r 。，得出 g：旦鱼a t a ( 3 1 8 ) 得到以上方程的方法如下：s h a n n o n 和t o r y 认为在稳定浓缩池中，限制浓度层 是静止不动，这是因为在成层沉淀中，能唯一存在的浓度层就是向上的传播速度等 于由于排泥引起的向下的迁移速度v ，也就是v = - u 。问歇沉降试验时的所有固体 量= c o h o a 。当某一浓度层传播到接口时，所有固体都通过此浓度层，通过此浓度层 的速度为c 0 h o a t 。，通量速度为c 0 日o t 。因为此浓度层在稳态浓缩池中静止，所 以通过此浓度层的通量即为通过浓缩池的通量，因此： g ：盟( 3 1 8 ) l ， =