第四章+沉淀

第四章沉淀

4-1 水和废水处理的主要单元方法

沉淀是水中固体颗粒通过颗粒与水的密度差，在重力作用下与水分离的过程，是水和污水处理中一种常见的工艺。沉淀所能去除的颗粒尺度在20~100μm以上，水中的胶体物质需先经混凝处理后才能经固液分离操作去除。

4.1.1 沉淀的功能及基本类型

1、沉淀和澄清在水处理中的功能

（1）给水处理

沉淀分离经混凝过程产生的絮体，常采用澄清池以得到澄清的出水，是饮用水处理的一个重要环节，要求浊度<20°

（2）城市污水处理

一级处理的主要工艺（沉砂、初沉池），控制处理效果。

二级处理中：①作为预处理单元，减轻生物负荷。

②作为二沉池，分离生物处理过程产生的污泥，得到澄清出水

③作为浓缩池，降低污泥的含水率，减小其体积，以便于进一步处理处置。

（3）工业废水中

作用多样，预处理，中间处理及最终处理均可采用。一般与混凝工艺联用。

（4）在污水灌溉和氧化塘处理之前

——去除粗大悬浮颗粒，稳定水质。

——去除寄生虫卵和堵塞土壤孔隙的物质。

2、沉淀的类型

根据沉淀物质的性质、絮凝性、浓度分为四类。

（1）自由沉淀（discrete settling）

颗粒在沉淀过程中呈离散状态，其尺寸、质量、形状均不改变，下沉不受干扰。非絮凝性颗粒、浓度低、颗粒间无絮凝。

颗粒独立完成沉淀过程，其物理性质（形状、大小、比重）不发生变化→颗粒沉速不变。发生在沉砂池及沉淀池的前期沉淀过程

（2）絮凝沉淀（flocculation settling）

沉淀过程中，颗粒的尺寸、质量随深度增加而增大，沉速相应提高。

絮凝性颗粒、浓度较低、颗粒间发生絮凝；沉淀过程中其物理性质发生变化→颗粒沉速度加快；发生在水处理沉淀池、污水处理初沉池后期及二沉池的前期沉淀过程。

（3）成层沉淀（zone settling）

又叫拥挤沉淀。颗粒在水中的浓度较大，下沉过程中彼此干扰，形成清水与浑水的明显界面并逐渐下移。

絮凝性颗粒、浓度较高（矾花浓度≥ 2~3g/L、活性污泥浓度≥1g/L ）、颗粒间发生絮凝；沉淀过程中颗粒间相互干扰并形成网格状绒体共同下沉→形成清水浑水界面（界面的沉降）；发生在沉淀池后期沉淀过程。

（4）压缩沉淀（compress settling）

颗粒在水中的浓度增高到颗粒相互接触并部分地受到压缩物支撑。发生于沉淀池底及浓缩池中。

絮凝性颗粒、浓度极高；沉淀过程中颗粒结成块状，相互接触、相互支撑、相互挤压；发生在沉淀池后期沉淀过程及污泥浓缩池中。

4.1.2 沉淀试验及沉淀曲线分析

1、沉淀理论

颗粒在水中的沉降速度是颗粒重力与浮力双重作用的结果，可认为受四个因素的影响： ()ρμρ,,,s d f u =

（1）沉速公式

通常采用stokes 公式描述水中颗粒的自由沉降（推导从略）

①层流区： 2181gd u s μ

ρ

ρ−=

该公式适用于d ≤0.1mm ，10-4

②过度区： ()d g u s 3

1

22

2254⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−⎟

⎠⎞⎜⎝⎛=μρρρ 该公式适用于0.1

③紊流区： gd u s ρ

ρ

ρ−=82

.1 该公式适用于500≤Re<104的情况。

Stokes 公式仅适用于分析沉淀的影响因素，工程实践中属于自由沉淀的非常少。 利用上述公式计算时，可先假定一个Re 区，计算出u 后带入Re 定义式进行校核，若不符合假定，则重复上述步骤计算，直至符合为止。

（2）计算示例

例：油珠直径为80μm ，密度为0.8g/cm 3，水温20℃，计算油珠在水中的上升速度。 解：已知 d=0.008m ，20℃时μ=0.0101g/cm 3·s 。计算得：u=0.0691cm/s 。

运动粘滞系数ν=0.0101cm 2/s ，带入Re 定义式可得：

10547.0Re <==

ν

ud

符合假定，计算所得u 正确。

2、沉淀试验及沉淀曲线分析

——作用：用于分析静置沉淀；确定水中悬浮颗粒的沉降特性 （1）自由沉淀试验

自由沉淀一般采用单筒沉淀柱试验确定悬浮颗粒的沉降特性。 1）试验装置

2）试验方法

沉淀柱有效水深H ，悬浮物原始浓度为C 0。在时间t 1时从水深H 处取样测得C 1，则认为沉速大于u 1（H/t 1）的颗粒均已通过H ，残余颗粒必然具有小于u 1的沉速，则沉速小于u 1的颗粒与全部颗粒的比例x 1=C 1/C 0。在时间t 2、t 3......时重复试验，可得出对应的u 2、u 3......和x 2、x 3......，将这些数据整理可绘出图4-1-2（粒度分布曲线）。 3）沉淀效率η的求取

设要求的最小沉速为u 0，则u ≥u 0的颗粒在t 0时可全部去除，而u

000u u

t u ut H

h

=

=

故u

−=0

00

011x udx u x η

上式中第一项由u 0求得，第二项对粒度分布曲线图解积分求得。 （2）絮凝沉淀（自学）

1）试验装置 2）试验方法

3）η-t 曲线，等效沉淀曲线

（3）拥挤沉淀（高浓度悬浮液的沉淀试验） 1）形成拥挤沉淀的条件