第三章 沉淀和澄清

这个公式适用d＞2mm的砂粒。 给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象 是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上，常常以沉速代表某一特点颗粒而 无需求出颗粒的直径。
沙粒粒径：d＞0.1mm u ＞7.5mm/s ＞ 去除容易 d=0.01mm u =0.075mm/s 不易下沉去除 d=0.001mm 胶体，不能自行下沉 必须混凝去除 胶体，
g g 2 u= (ρs − ρ1)d = (ss −1)d 2 18µ 18γ
这个公式为斯笃克斯公式, 式中（因为ss=ρs/ ρ1比重），即 颗粒越大、水温越高，沉速u愈快. γ—运动粘滞系数； ss—颗粒的比重。
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这个公式适用d≤0.1mm泥沙颗 粒， Re在10-4 ~1之间。
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二、悬浮颗粒在净水中的拥挤沉淀
自由沉淀可以看成单个颗粒在无边无际的水体中下沉，此时 颗粒排挤开同体积的水，水将以无限小的速度上升，当大量颗粒 在有限的水中下沉时，被排挤的水便有一定的速度，使颗粒所受 到的摩擦阻力有所增加，颗粒处于互相干扰状态，此过程称为拥 此过程称为拥 挤沉淀，此时的沉淀速度称为拥挤沉速。 挤沉淀，此时的沉淀速度称为拥挤沉速。 一般讲，当原水含沙量增到一定数量，泥沙即处于拥挤沉淀 状态 ，含沙量再大时，再沉淀过程中会产生浊度相差悬殊的清 水区和浑水区，两区交界面清晰可见，称为浑液面，该面缓缓下 降，直至泥沙完全沉积为止。 黄河高浊度水当含沙量＞ 6kg/m3时，具有拥挤沉淀性质； ＞ 当含沙量＞ 15~20kg/m3时，就出现清晰可见的浑液面。 ＞
上式可得均匀下沉速度vs,简称沉速u
上式为沉速基本公式，式中虽不出 现Re，但是，式中阻力系数cD却与Re有 关，Re=ud/γ γ —水的运动粘度。 γ 阻力系数cD与雷诺数Re的关系通过 实验得出，见图：
1.层流区 Re≤1 24 此时曲线倾角为45°c D = R e 代入前式，得：
层流区 过渡区 紊流区
• 一、非絮凝性颗粒沉淀过程分析
• （理想沉淀池的沉淀原理） 理想沉淀池的沉淀原理）
•理想沉淀池应符合以下三个假定： 理想沉淀池应符合以下三个假定： 理想沉淀池应符合以下三个假定
•1.颗粒处于自由沉淀状态。 • 即在沉淀过程中颗粒之间互不干扰，不在凝聚和破碎， 颗粒的大小、形状和密度不变，因此颗粒沉速始终不变。 •2.水流沿着水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等。 • 在流动过程中，v始终不变。 •3.颗粒沉到池底即认为已被去除。
这个公式适用d＞2mm的砂粒。 给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象 是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上，常常以沉速代表某一特点颗粒而 无需求出颗粒的直径。
沙粒粒径：d＞0.1mm u ＞7.5mm/s ＞ 去除容易 d=0.01mm u =0.075mm/s 不易下沉去除 d=0.001mm 胶体，不能自行下沉 必须混凝去除 胶体，
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∞。
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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：
Bh0v=Q 水的流量； BL=A 沉淀区平面面积； Q/A— 单位面积沉淀区所沉淀的水流量，称沉淀池的表面负 荷（过流率） 理想沉淀池的表面负荷就是它的截流沉速，反应了能全 部去除的颗粒中的最小颗粒沉速。 由上述可知，浑水在理想沉淀池中的沉淀效率只与沉淀 池的表面负荷率有关，而与其他因素（水深、池长、水平流 速、沉淀时间）无关，这一结论抓住了沉淀池的主要矛盾， 阐明了决定沉淀效率的主要因素反应了下列两个问题： （1）当E一定时 i越大，q也越高，亦即产水量越大，或 一定时u 也越高， 当 一定时 越大， 也越高 亦即产水量越大， 不变时u 越高。 当Q、A不变时 i越大、E越高。 ui的大小与混凝效果有关， 、 不变时 越大、 越高 因此，生产上一定要重视絮凝工艺。 （2） ui一定，A增加、E提高。当W（容积）一定时， 一定， 增加 增加、 提高 提高。 池深浅些，则表面积大些，沉淀效率可以高些，此即“浅池 “ 理论” 理论”，斜板、斜管沉淀池的发展即基于此理论。
ν
t
− H = t 中国环评网： H
t
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在a-c段，因切线就是a-c直线本身，Ht=H0,故Ct=C0 。 由于a-c线斜率不变，说明浑液面等速下沉。当压缩到H∞高 度后，斜率为0。即vt=0，说明悬浮物不在压缩，此时 Ct=C∞（压缩浓度）。 如同样的水样，用不同高度的水深作实验，发现在不同 沉淀高度H1 及 H2时，两条沉淀过程线之间存在着相似关系： op 1 oQ 1 = op 2 oQ 2 A、B交界面的高度 、 交界面的高度 说明当原水浓度相同时，A、 B区交界的浑液面的下沉速度 是不变的，但由于沉淀水深大 H1 时，压实区也较厚，最后沉淀 p1 p2 物的压实要比沉淀水深低时压 Q1 H2 实的密实些。由于这种沉淀过 Q2 程与沉淀高度无关的现象，使 有可能用较短的沉淀管作实验， 来推测沉淀的效果。
2.过渡区 1≤Re≤500 此时取 c D =
10 Re
代入公式，得阿兰公式：
(ρ 4 u = ( ) 225
这个公式适用于d≤2mm的砂粒。
s
− ρ1) g
2
2
µρ
1

1 3
d
3.紊流区 500 ≤Re≤105 此时cD=0.4，代入公式，得到牛顿公式：
ρs − ρ1 u= ( )dg ρ1
hi h0
=
=
ui Q A
பைடு நூலகம்
ui uo
= ui q
uo
h0V Bh0v Q = = = = q L BL A
式中：L—沉淀区的长度； h0—沉淀区的水深； V—水平流速； B—沉淀区的宽度； A—沉淀区的面积； ui —小于截流速度的沉速（截流沉 速）。 q—表面负荷率（单位面积沉淀区单位时间所沉淀的水量）； 中国环评网： E—沉淀效率。 收集整理
C
t
=
C
0
H
0
0
H
该式的含义是：高度为Ht ，均匀浓度为Ct的沉淀管中所 含悬浮物遇原水高度H0均匀浓度为C0的沉淀管中所含悬浮物 浓量是相等的。 曲线a´— Ct—d所虚拟的沉淀管悬浮物拥挤下沉曲线。 这条曲线与沉淀管中悬浮物下沉曲线在Ct点以前（即t时间以 前）是不一致的，但在Ct点以后（t 时间以后）两曲线重合。 作Ct点切线目的，就是为了求任意时间内交界面下沉速 度。这条切线斜率即表示浓度为Ct的交界面下沉速度：
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•
E = 能够在沉淀池中下沉的这种具有沉速ui的颗粒占 原水中全部颗粒重量百分率应为： ui/ u0 ·dpi，因此所有 能够在沉淀池中下沉的，沉速小于u0的颗粒重量占原水 p = 0 中全部颗粒重量的百分率及其去除率应为：
0
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t
§3-3 平流沉淀池
平流沉淀池在运行时，由于受到各种因素的影 响池中实际水流情况以及颗粒杂质的沉降过程 是十分复杂的，为了使问题得到适当简化，便 于突出主要矛盾，暂将一些次要因素去除，这 样就提出了关于理想沉淀池的概念。
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交界面以下的颗粒均处于拥挤沉淀状态，交界面下降的速度可理解 为颗粒在互相干扰时的平均速度，即平均拥挤沉速。 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。
絮凝过程 交界面等速下沉 下降速度 逐渐变小 B区消失 区消失
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A u0
● v
b b′
A´ ´
沉淀效率：
E = h h
i 0
m● v ui B
hi •同样 u i L = V
• △ABB′～ △Abb′相似
h0 uo = L V
h0 = Lu 0 v
B´ ´
hi Lu i = v
•所以
E =
E
=
ui u0
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§3-2 悬浮颗粒在净水中的沉淀
自由沉淀： 颗粒沉淀时不受容器壁和其他悬浮物的影响，颗粒状沉淀。 拥挤沉淀： 颗粒处于互相干扰的沉淀（网状沉淀）。 一、悬浮颗粒在净水中的自由沉淀 一般认为，悬浮颗粒与器壁的距离大于50倍颗粒的直径， 同时体积浓度小于0.002时（5400mg/L），可认为自由沉淀， 此时的沉淀速度称为自由沉淀速度。
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随时间增长，交 界面继续下降，直至 B C 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。
a-b段为向下的曲线，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。 c-d为上凹的曲线， 絮凝过程 交界面等速下沉 下降速度 逐渐变小 B区消失 区消失
第三章 沉淀和澄清
§3 - 1 概 论
水中固体颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称 为沉淀，按着水中固体颗粒的性质，沉淀分为三类： 1.自然沉淀 自然沉淀 颗粒在沉淀过程中不改变其大小、形状和密度。 2.混凝沉淀 混凝沉淀 在沉淀过程中，颗粒由于相互接触凝聚而改变其大小、形状 和密度，这种过程称为混凝沉淀。 3.化学沉淀 化学沉淀 在某些特种水处理中，投加药剂使水中溶解杂质结晶为 沉淀物，称为化学沉淀。