2-2第二章 第二节水中悬浮物质和胶体物(沉淀理论)解析

Stokes公式
g ( s ) 2 u d 18
1 1 d 3 S g d 3 g CDAS 6 6
A．与颗粒、水的密度差成正比； 当ρs>ρ时，u>0,颗粒下沉； B．与颗粒直径平方成正比； 当ρs<ρ时，u<0,颗粒上浮； d>20μm的颗粒。 C. 一般沉淀只能去除 与水的粘度μ成反比； 当ρ 对于粒径较小的颗粒，可以通过混凝增大颗 s=ρ时，u=0,颗粒悬浮。 因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加 粒粒径，促进沉淀； 速沉淀。
为了解颗粒在水中自由沉降过程的动力学本质，进行如下假定：
① 颗粒为球形，沉淀过程中大小、形状和质量均不 发生变化；
② 液体为静止状态；
③ 颗粒沉淀不受容器器壁影响； ④ 颗粒沉淀仅受重力和水的作用。
2）、自由沉淀速度
(1) 颗粒在静水中的受力情况 重力：F1 浮力：F2
1 d 3 S g 6
水中悬浮物浓度不高，但有 絮凝性能。在沉淀过程中互相碰 撞发生凝聚，其粒径和质量均随 沉淀距离增加而增大，沉淀速度
加快。
例如：二沉池； 混凝沉淀。
(3)拥挤沉淀(分层沉淀)
水中悬浮物浓度较高，颗粒下 沉受到周围其它颗粒的干扰，沉速
降低，颗粒碰撞互相 “凝聚”而 共同下沉，形成一明显的泥、水界 面。沉淀过程实质是泥、水界面下 降的过程，沉淀速度为界面下降速 度。
在等速沉淀情况下，F1-F2=F3，即:
1 1 d 3 S g d 3 g CDAs 6 6
u2 2
水流状态： 24 层流状态：Re≤2时，C Re ——Stokes 式 24 3 C 过渡状态：2<Re≤500 时， R R 0.34 —— Allen式 紊流状态：500<Re≤105时，CD=0.44 ——Newton式
如：二沉池的下部； 污泥浓缩池上部。
(4)压缩沉淀
当悬浮物浓度很高、颗粒互 相接触、互相支承，在上层颗粒 的重力作用下将下层颗粒间的水 挤出，使颗粒群浓缩。
例如：二沉池污泥斗; 浓缩池底部。
（四）沉淀理论
1、自由沉淀 1）、自由沉淀的假定条件
实际中水流状态、悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂的， 影响颗粒沉淀的因素很多。
沉砂池
沉淀池 浓缩池
⑤ 污泥浓缩
3、位置及作用
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:
污水 格栅 沉砂池 消化 初沉池 好氧 二沉池 浓缩池 排水
（2）高浓度有机废水处理工艺:
废水 沉淀调节池 厌氧 脱水 沉淀池 好氧 沉淀池 浓缩池 排水
（3）含铬废水处理工艺：
药剂
废水
混合反应池 脱水
沉淀池 浓缩池
排水
（三）、沉淀类型
根据悬浮颗粒的性质及其浓度的高低，沉淀可分为 四种类型：
(1)自由沉淀 水中悬浮物颗粒浓度低， 呈离散状态；互不干扰，各 自完成沉淀过程。颗粒在下 沉过程中的形状、尺寸、密 度、不发生变化。 例如：沉砂池
(2)絮凝沉淀
实验编号: 1 2 3· · · · n 粒与全部颗粒 X 的重量比 原水浓度：ρ0 ρ0 ρ · · · ρ0 0· 有效水深：H H H· · · · · · · · H x 取样时间：t1 t2 t3· · · · · · tn 取样浓度 ρ1 ρ2 ρ3· · · · ρn dx x ρi/ρ0= Xi X1 X2 X 3· · · · · · Xn
4 ( s 1 ) 2 g 2 u d 1 255
3）、自由沉淀实验与曲线
(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： ① 了解废水中悬浮物的沉淀特点； ② 为工程设计提供参数。
(2) 实验方法
一、沉淀
（一）、沉淀的定义
悬浮颗粒在重力作用下，从水中分离的过程称为沉淀。 实现悬浮颗粒与水分离的构筑物或设备称为沉淀池。 (1) 当悬浮物密度大于水时，悬浮物下沉与水分离。 ——沉 ——上 淀 浮
(2) 当悬浮物密度小于水时，悬浮物上浮与水分离。
（二）、沉淀去除的对象及构筑物 ① 砂粒 ② 化学沉淀 ③ 混凝絮体 ④ 生物污泥
(2)颗粒在静水中的运动情况 在静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受
F F
2
重力作用而产生加速运动，同时水的阻力
也逐渐增大。 经一很短时间后，当阻力F3增大到与 颗粒的“重力F1和浮力F2之差”相等时， 颗粒作等速下沉运动。 等速沉淀的速度常称沉淀末速度，简 称沉速。
浮力
3
阻力
F
1
重力
(3)颗粒沉淀速度
牛顿公式
当1000<Re<25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入得牛顿 公式： 1 1 3 3 u2
6
d S g d g C A
6
D
S
2
s 1 u 1.83 dg 1
当1<Re<1000时，属于过渡区，CD近似为
CD 10 Re
1 3
代入得阿兰公式：
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
污水处理常规工艺
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
悬浮物质与胶体物质界定
20-100μm以上 10-9-10-6m左右 悬浮颗粒 重力沉降 胶体粒子 混凝等
常规上，以0.45μm(即450nm)孔径滤膜作为其分界尺度 胶体和环境纳米污染物，以下的均可以认定为溶解物质。 沉淀 混凝 澄清 过滤 气浮
F F
2
浮力
3
阻力
1 d 3 g 6
u2 F3 CDAS 阻力： 2
F
1
重力
式中：ρs,ρ―表示颗粒及水的密度 g―重力加速度 AS―颗粒在沉淀方向上的投影面积，对球形颗粒，As=лd2/4 u―颗粒沉速 ud CD―阻力系数，它是雷诺数（ Re ）和颗粒形状的函数。 μ—水的粘度
D
D e e
CD与Re有关，见图
10 10
阻力系数CD
10 10 1 0.4 0.1 -3 10
C=24/Re C=10/Re
10
-2
10
-1
1
10
10
2
10Βιβλιοθήκη Baidu
3
10
4
10
5
10
6
雷诺数Re
图 7-1 CD与Re的关系（球型颗粒）
斯托克斯公式
层流状态下：
CD 24 Re
u2 2
1 2 d 4