第四章水的沉淀沉降与澄清

第三章水的沉淀沉降与澄清处理

马宵颖

华北电力大学环境学院第一节水的沉淀软化

第二节颗粒的沉将速度

第三节平流沉淀池

第四节斜板沉淀池

第五节澄清池第三章水的沉淀沉降与澄清处理第一节水的沉淀软化

水的沉淀软化，是将天然水中钙、镁离子转化成难溶化合物，然后分离以降低水的硬度。沉淀软化有热力软化法和石灰处理法，但前者不能除去非碳酸盐硬度，电厂一般不采用。石灰处理原理在天然水中加入Ca(OH)2，由于pH值的增加，破坏了水的碳酸平衡并使之右移：

Ca(OH)2可以和水中各种形式的碳酸化合物反应生成沉淀除去：石灰软化法主要除去了水的碱度和碳酸盐硬度，但不能除去非碳酸盐硬度和碱性水的过剩碱度：反应前后非碳酸盐硬度和过剩碱度不变。石灰处理的沉淀过程

经石灰处理的水，从理论上讲，碳酸盐硬度应达到CaCO3的溶解度。但是由于CaCO3结晶生成之后，并不能完全以大颗粒沉降下来，有相当一部分是以胶体和悬浮物形式滞留水中，使CaCO3残留量过大。因此，在处理工艺上常采用两种措施以保证沉淀完全和有效的分离。一是利用先期沉淀物（称泥渣）作为接触介质，使CaCO3在泥渣表面上吸附并以泥渣为结晶核心，加快沉淀速度并使沉淀完全。二是在沉淀的同时进行混凝处理。原水中的浊质，经过混凝处理，形成较大的絮凝体，可以在重力作用下，进行沉降，使之与水分离。为了做好分离，我们需要研究颗粒的沉降规律。颗粒在静水中沉降，根据颗粒和水的特性，可分为四种基本类型：1）离散沉降：颗粒在沉降过程中呈离散状态，其形状、尺寸、质量均不改变，下沉速度不受干扰。2）絮凝沉降：颗粒在沉降过程中，其尺寸、质量均会随深度的增加而增大，沉速亦会随深度而增加。3）层状沉降：颗粒在水中的浓度较大，下沉过程中彼此干扰，并形成清水与浑水交界面，且交界面会逐渐下移。4）压缩沉降：在沉淀池底部，沉降颗粒相互紧密接触，颗粒呈压缩状态。第二节颗粒的沉降速度离散沉降（自由沉降）离散沉降是指离散颗粒在稀悬浮液中的沉降过程。在水处理中，研究离散颗粒在静水中的沉降规律时，通常作如下一些理想假设：1）颗粒在沉降过程中，此不受其他颗粒的干扰，也不受器壁的干扰，完全处于自由沉降状态；2）为了便于研究，假设水中颗粒的形状为等体积的球形；3）水中颗粒表面都吸附有一层水膜，所以颗粒在静水中的沉降，可认为是水膜和水之间的一种相对滑动；4）颗粒在沉降过程中，颗粒之间不发生任何絮凝现象，即它的形状、大小、质量等均不发生变化。此时可用传统力学进行研究，即颗粒只受重力和浮力阻力作用。研究指出，球形颗粒在水中的沉降速度u(cm／s)如下式所示：上式称为司托克斯(Stokes)公式，是雷诺系数在小于2时公式。由此式可看出，当温度恒定时(此时μ值不变)，沉降速度u与颗粒直径的平方d2成正比。当颗粒直径d不变而水温变动时，沉降速度u与粘度μ成反比。在常温下，此公式的通用范围为上限d=0.1mm，下限d＝0.001mm。絮凝沉降在水中沉降分离过程中，只有当水中的悬浮颗粒全部由泥沙组成，且浓度小于5000mg/L时，才会发生上述离散沉淀现象，而当采用混凝处理时，颗粒的絮凝性强，所以在水净化工艺中，发生的常常是絮凝性颗粒的沉降，所渭絮凝沉降。此时在沉降过程中颗粒间发生了碰撞和聚集，水中颗粒会随着水流的前进而不断地变大。产生碰撞的原因：对于密度相同的颗粒，大颗粒的沉降速度大于小颗粒的沉降速度，此外，也有风力、水的撞动和温差等因素。当颗粒变大时，其沉降速度就加快，因此，颗粒的沉降速度不是恒定的，而是随流程逐渐增大的。

对于此类沉降需研究的问题，不是它的某一沉降速度，而是要用实验来测定水中颗粒在某一流程中的沉降特征即沉降效率，可用多嘴沉降筒沉降试验研究。沉淀柱高度＝实际沉淀池深度1）在时间ti，不同深度测Ci2)计算各深度处的颗粒去除百分率p＝(C0-Ci)/C0*100%3）绘制去除百分率等值线

层状沉降（拥挤沉降）如水中悬浮颗粒的量较多，则它们在水中沉降时常常会形成一个由许多颗粒聚集成的“毯状毯”。此时，可看到水体中有一个清水和浑水的交界面在不断地下移。此种沉降称为层状沉降。拥挤沉降中，大量的颗粒在有限的水体中下沉，被排挤的水便有一定的上升速度，使颗粒所受阻力增加，颗粒处于相互干扰状态。在沉淀池的进水区和沉淀池积泥区附近，一般发生这种沉降。高浊水在沉降筒内静止沉降，首先形成交界面；然后某一瞬时，沉淀管中按悬浮物浓度的分布情况，可分为四个区：清水区A；浓度为C0的等浓度区B；过渡区C；浓缩区D。

随时间增长，交界面继续下降，直至B、C两个区消失，只剩A、D两个区，D区高度也逐渐减小，设压实时间t→∞，最后压实到H∞为止。以交界面高度为纵坐标，沉淀时间为横坐标，可得交界面沉降过程曲线。絮凝过程交界面等速下沉下降速度逐渐变小B区消失c-d为下凹的曲线，表明交界面下降的速度逐渐变小。此时B区以消失，故C点称为沉降临界点，相应于C点的交界面下的浓度均大于C0。c-d段后表示B、C、D三个区重合后沉降物压实的过程，随着时间的增长，压实变慢，最后压实高度为H∞。a-b段为向下凸的曲线，可解释为颗粒间的絮凝过程，由于颗粒凝聚变大，使下降速度逐渐变大。b-c段为直线，表明交界面等速下降。a-b曲线段一般较短，且有时不是很明显，所以可以认为是b-c直线段的延伸。絮凝过程交界面等速下沉下降速度逐渐变小B区消失

这条切线斜率即表示浓度为Ct的交界面下沉速度：

利用层状沉降曲线，可以求出任意一点的浓度及浑浊面的沉降速度。以曲线中Ct点为例：由上图曲线可知，a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度均大于C0，设在c-d曲线上任意一点Ct(Ct>C0)作切线与纵坐标相交于a´点，高度为Ht

，按肯奇沉淀理论可得Ct点悬浮颗粒浓度：压缩沉降在沉降筒的压缩区，先沉降到筒底的悬浮颗粒将承受上部后沉降颗粒的重量，在此过程中，颗粒之间的孔隙水就会由于压力增加和结构变形而被挤出，使颗粒浓度不断上升。因此，压缩沉降过程也是不断排除颗粒之间孔隙水的过程。第三节平流沉淀池工业生产上，用于分离水中悬浮颗粒的设备称为沉淀池。原水经投药、混合和反应过程，水中悬浮物和胶体，已经形成粗大的絮凝体，要在沉降设备中分离出来，以完成澄清作用。沉淀池按水流方向分为平流式、竖流式和辐射式三种。平流式是使用最早的一种沉淀设备，由于它的结构简单，运行可靠，对水质适应性强，故目前仍广泛应用于城市自来水系统。因其占地面积大，所以工业用水处理中采用较少，但通过对平流式沉淀池的讨论，可以帮助理解各种沉淀设备的原理、水力学条件及工艺参数。一、理想沉淀池理想沉淀池的假设条件：同一水平断面上各点都按水平流速v流动；整个水深颗粒分布均匀，按水平流速v流出，下沉速度保持不变；颗粒一经沉底，即认为被去除，不再浮起。理想沉淀池沉淀过程分析：对于水深为H，宽为B，沉降区池长L，水平面积为A，处理水量为Q的理想沉淀池，水流的水平流速为v，水在沉淀区的停留时间为tt。1）对u=u0的颗粒，从O点进入沉淀区后，将沿着斜线OX´到达X´点而被除去；2）凡是具有沉速u≥u0（直径大于u0

颗粒直径的）的颗粒，不论处于什么位置，在未到达X´点之前都能沉于池底而被除去；3）凡是速度u<u0（直径小于u0

颗粒直径的）的颗粒则不能全部被去除，不能一概而论，要看所处位置：

对于一部分靠近水面的颗粒将不能沉于池底，并被水流带出池外，OX；一部分靠近池底的颗粒能沉于池底而被除去，h。所以，u0可以理解为刚好能100%除去的那种颗粒的沉降速度，又称截留速度或临界速度。颗粒从O点出发离开沉淀区所需时间为t=L/v，而它沉降到池底所需时间为tt=H/ut。对于运动轨迹为OX的颗粒，ut=u0且t=tt。即：

即u0=Q/A=q

（u为颗粒下沉速度，V是池的体积，q为表面负荷或过流率（m3/m2·h）减小截留速度，就有更多的小颗粒能够100%去除，可以提高沉淀池沉淀效率。为了减小截留速度，可以从三方面入手：1）在沉淀池设计方面：减小H、增加L、可以降低表面负荷q，提高效率。2）在沉淀池运行方面：降低进水流量v、避免水流短路等，可以降低表面负荷q，提高效率。3）从颗粒沉降特性方面：组织好混凝过程，提高颗粒沉速。二、平流式沉淀池1）进水区流量均匀分布：可采用配水渠和穿孔墙或缝。给水中，通常采用穿孔墙2）沉淀区水力条件要求：保证有合适的水平流速和足够的停留时间。3）出水区出水均匀。通常采用：溢流堰（施工难）、三角堰（对出水影响不大）、淹没孔口（容易找平）4）污泥区泥斗排泥：靠静水压力1.5–2.0m，下设有排泥管。多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时）机械排泥：带刮泥机，池底需要一定坡度。虹吸吸泥车。穿孔管排泥三、影响沉淀效率的因素平流沉淀池工作过程中存在许多不利于颗粒沉降的因素，使得实际沉淀效率不如理想沉淀池高。这些不利因素包括：1）水流不稳定2）水流紊动3）水体中存在异重流4）存在水流死区第四节斜板（管）沉淀池斜板、斜管统称为浅池沉淀池，是建立在浅池沉淀原理基础上的。在原体积不变时，较少H，加大A，可以提高沉淀效率或提高η

浅层理论不仅如此，斜板（管）满足了沉淀池中水流的稳定性和层流的要求，因为水力半径小。根据水流方向与斜板方向关系不同有三种类型斜管材料第五节澄清池

澄清池是为了提高水处理构筑物的沉淀效率，在处理水量不变的情况下，将药剂与水的混合、沉淀反应和沉淀物的沉降分离三个步骤在一个水处理构筑物内完成的水处理设备。澄清池具有占地面积小、设备少、沉淀效率高等优点。一、澄清原理澄清过程：投加混凝剂的原水通过搅拌作用生成微小絮凝颗粒；微小絮凝颗粒随上升水流自下而上通过悬浮泥渣层时被吸附和絮凝，迅速生成结实易沉降的粗大絮凝颗粒，从而使水得到净化。四大作用：混凝—脱稳、碰撞吸附—表面张力晶核—结晶核心过滤—网捕、吸附这个絮凝过程是发生在两种絮凝颗粒表面上的，所以称为接触絮凝过程，如从整体来看，悬浮泥渣层和滤层所起的作用相类似，所以也称这种接触絮凝为泥渣过滤。二、澄清池分类泥渣悬浮型（过滤型）：矾花容易冲出去，但对细小矾花具有过滤作用。如悬浮澄清池、脉冲澄清池泥渣循环型（分离型）：效果与上相反如机械加速澄清池、水力循环澄清池（一）泥渣悬浮澄清池（1）ЦНИИ悬浮澄清池，原水由池底进入，靠向上的流速使絮凝体悬浮。因絮凝作用悬浮层逐渐膨胀，当超过一定高度时，则通过排泥窗口自动排入泥渣浓缩室，压实后定期排出池外。进水量或水温发生变化时，会使悬浮工作不稳定。

原水首先经过空气分离器，把水中含有的空气分离出去。这样就可以避免空气进入澄清池内，搅动悬浮层和把悬浮泥渣带出澄清池，破坏悬浮层的正常工作。

不含空气的水和各种药剂，经过喷嘴送入澄清池下部的混合区。由于混合区水流旋涡很强，可以使混凝剂与水充分混合。

在混合区上部装有水平和垂直的多孔隔板，从混合区出来的水继续向上流经多孔板时，多孔板既能使水得到进一步的混合，又能消除旋涡使其成为平稳水流，进入反应区。反应区是澄清器的中心部分，是主要工作区。当水进入反应区后，水中杂质逐渐凝聚成絮状悬浮物(称为泥渣)，由泥渣组成的悬浮层对水起过滤作用。经过反应区悬浮层的水，继续上升，进入过渡区。由于筒体截面逐渐增大，水的流速逐渐减小，使悬浮物与水分离。澄清池上部出水区截面最大，水在这里流速最低，水与悬浮物得到了很好的分离。最后，澄清水由环形集水槽引出，送至清水箱。

澄清池的中央设有垂直圆形的排泥筒。沿着排泥筒的不同高度开有许多层窗口，多余的泥渣自动地经排泥窗口进入浓缩器，浓缩后的泥渣由底部排污管排入地沟。

浓缩器与集水槽之间设有回水导管。由于浓缩器与集水槽之间有水位差，使浓缩器上部的清水经加水导管送入集水槽，而悬浮层上部的水经排泥窗口进入浓缩器，同时带走了多余的泥渣，使悬浮层保持固定的高度。澄清池的出水质量，一般可以达到以下标准：

(1)悬浮物含量不大于20毫克/升。

(2)碱度不大于0.85毫克当量/升。

(3)硅酸根含量，平均可降至1.0~1.5毫克/升。

(4)耗氧量不大于5毫克/升O2。（2）脉冲澄清池悬浮层不断产生周期性的压缩和膨胀，促使原水中固体杂质与已形成的泥渣进行接触絮凝而分离沉淀的水池。通过配水竖井向池内脉冲式间歇进水。在脉冲作用下，池内悬浮层一直周期地处于膨胀和压缩状态，进行一上一下的运动。这种脉冲作用使悬浮的工作稳定，端面上的浓度分布均匀，并加强颗粒的接触碰撞，改善混合絮凝的条件，从而提高了净水效果。

（二）泥渣循环澄清池（1）机械搅拌澄清池机械搅拌澄清池机械搅拌澄清池是将混合、絮凝反应及沉淀工艺综合在一个池内。池中心有一个转动叶轮，将原水和加入药剂同澄清区沉降下来的回流泥浆混合，促进较大絮体的形成。泥浆回流量为进水量的3～5倍，可通过调节叶轮开启度来控制。为保持池内浓度稳定，要排除多余的污泥，所以在池内设有1～3个泥渣浓缩斗。当池径较大或进水含砂量较高时，需装设机械刮泥机。该池的优点是：效率较高且比较稳定；对原水水质（如浊度、温度）和处理水量的变化适应性较强；操作运行较方便；应用较广泛。

（2）水力循环澄清池原水由底部进入池内，经喷嘴喷出。喷嘴上面为混合室、喉管和第一反应室。喷嘴和混合室组成一个射流器，喷嘴高速水流把池子锥型底部含有大量絮凝体的水吸进混合室内和进水掺合后，经第一反应室喇叭口溢流出来，进入第二反应室中。吸进去的流量称为回流，一般为进口流量的2～4倍。第一反应室和第二反应室构成了一个悬浮物区，第二反应室出水进入分离室，相当于进水量的清水向上流向出口，剩余流量则向下流动，经喷嘴吸入与进水混合，再重复上述水流过程。优点：无需机械搅拌设备，运行管理较方便；锥底角度大，排泥效果好。缺点：反应时间较短，造成运行上不够稳定，不能适用于大水量。悬浮澄清池