水质工程学第4章沉淀 第4章沉淀 一.教学目的及要求： 掌握理想沉淀池的沉淀理论、影响半流式沉淀池沉淀效果的因素，熟悉斜板（管）沉淀池、澄清 池及辐流式沉淀池的工作原理：掌握气浮池的气浮原理、熟悉气浮池的构造。 二.教学内容及学时分配(8学时) 4.1杂质颗粒在静水中的沉淀 在给水处理中，常遇到两种沉淀： 1、自由沉淀： 颗粒在沉淀过程中，彼此没有干扰，只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻 力的作用，即为自由沉淀。一般认为，固体颗粒与器壁的距离大于50倍颗粒的直 径，同时颗粒的浓度小于5000mgL时，可近似地认为是自由沉淀 2、拥挤沉淀： 颗粒在沉淀过程中，彼此互相干扰，或者受到容器壁的干扰，虽然其粒度和 第一种相同，但沉淀速度却较小，称为拥挤沉淀 一、悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 颗粒在静水中的沉淀速度取决于：颗粒所受的重力、浮力和水流阻力，如下 图所示。 颗粒下沉加速度为： (4-1) 式中：Rd,g 为颗粒的重力： 5=石dpg 为颗粒的浮力： 颗粒的水流阻力 F与颗粒的糙度、大小、形状和沉淀速度有关，也与水密度和粘度有关。 将上三式代入(16-1)得： 会名%，小g-Cn号 (4-2 dt 6 式中：CD一阻力系数，与雷诺数有关，CD=∫(Re) 第1负共44贞
水工程学第4章沉淀 对一颗粒在与运动方向垂直面上的投影面积。 在下沉过程中，阻力增加，在短暂时间后，达到与重力平衡：心=0颗粒沉速转为 常数，令(16-2)左边等于零的沉淀速度，即一般所指的沉速。 4.且.0-.d u=\3 C,P (4-3) 上式虽不出现雷诺数Re,但式中阻力系数CD却与Re有关： R=, (4-4) 通过试验，可以把观测到的u值分别代入式(16-3)和式(16-4)求得CD和 R©，点绘成曲线，如P289图16-1所示，CD值可划分为层流、过渡和紊流三个区 1、层流区：Re<1 1*10 代入式(16-3)得斯笃克斯公 式： 1.0 ”时 0110110110 11110 2、过渡区：1<Re<1000 常诺数R 10 Co=Re 代入式(16-3)得阿兰公式 d 3、紊流区：1000<Rc<25000 Cn=0.4,代入式(16-3)得牛顿公式： 在低R©范围内，由于颗粒很小，测定颗粒的粒径很困难，但测定颗粒沉速较 容易，故常以测定的沉速用斯笃克斯公式反算颗粒粒径。不过此粒径只是相应于 第2共44
水质工程学第4章沉淀 球形颗粒的直径，并非实际粒径。在实用上常用沉速代表某一特定颗粒而不追究 颗粒粒径。 二、悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀 当水中悬浮颗粒浓度很高，颗粒在下沉过程中相互干扰很大时，就产生拥挤沉 淀，此时的沉速称为拥挤沉速 拥挤沉淀有明显的清水和混水的分界血，称为浑液面，浑液面缓慢下沉，直到 泥沙最后完全压实为止。 非凝聚性颗粒当浓度在5000mgL以上时，产生拥挤沉淀，对凝聚性颗粒而言， 由于其比重远小于沙粒的比重，当浓度在3000mg/L左右，也会产生拥挤沉淀。 高浊度水拥挤沉淀过程分析如下： 将高浊度水注入一只透明的沉淀筒中进行静水沉淀，沉淀现象图42(b),整 个沉淀简中可分为四个区：清水区A,等浓度区B,变浓度区C及压实区D,清 水区以下的各区可以总称为悬浮物区或污泥区。 d 时t (a) (b) (c)】 (e) 高浊水的沉降过程 等浓度区：整个等浓度区中的浓度都是均匀的，这一区内的颗粒大小虽然不同， 但由于互相干扰的结果，大的颗粒沉降变慢了，而小的颗粒沉降却变快了，因而 形成等速下沉的现象，整个区似乎都是由大小完全相符的颗粒组成的。当最大粒 度与最小粒度之比约为6：1以下时，就会出现这种等速下沉的现象 消水区：颗粒等速下沉的结果，在沉淀筒内出现了一个清水区，清水区和等浓 度区之间形成一个清晰的交界血，称为浑液面。它的下沉速度代表了颗粒的平均 沉降速度。颗粒间的絮凝过程越好，交界面就越清晰，清水区内的悬浮物就越少。 压实区：紧靠沉淀筒底部的悬浮物很快就被管底截住，这层被截住的悬浮物又 第3负共44贞
水质工程学4章沉淀 反过来干扰上面的悬浮物沉淀过程，同时在底部出现一个压实区。压实区内的悬 浮物有两个特点：一个是从压实区的上表面起到管底上，颗粒沉降的速度是逐渐 减小的，在管底的颗粒沉降速度为零：二是由于简底的存在，压实区内悬浮物缓 慢下沉的过程，也就是这一区内悬浮物缓慢压实的过程 过渡区：从压实区与等浓度区的特点比较，就可以看出它们之间必然存在一个 过渡区，即一个从等浓度区的浓度逐渐变为压实区顶部浓度的区域。 在沉淀过程中，清水区高度逐渐增加，压实区高度也逐渐增加，而等浓度区的 高度逐渐消失，最后不复存在。变浓度区的高度开始是基本不变的，但当等浓度 区消失后，也就逐渐消失。变浓度区消失后，压实区内仍然继续压实，直到这 区的悬浮物达到最大密度为止。当沉降达到变浓度区刚消失的位置时，称为临界 沉降点。 沉淀试验的目的是求出等浓度区的浓度以及沉淀过程线，即交界面沉降过程 线，如图4-2(c)所示。 a一b段：为上凸的曲线，这是由于颗粒凝聚度变大，使下降速度逐渐变大。 b一c段：为直线，表明交界血等速下降，一直到c点（当浑水自然沉淀时 abc段基本上是一直线)。 c一d段：为下凹的曲线，表明交界面下降速度逐渐变小。此时B区和C区已 消失，c点称为沉降临界点，交界面下的浓度均大于C。(原水浓度)，C一d段表示 B、C、D三区重合后，沉淀物的压实过程。随着时间的增长，压实变慢，最后压 实到高度H为止。 B区交并发 如用同一水样，用不同高度的水深做实 验，见下图，发现在不同沉淀高度H,及H 时，两条沉降过程曲线之间存在着相似关 系，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 水深高时，最后沉淀物的压实要比沉淀水深 沉时时 底时的压得密实些。由于这种沉淀过程与沉淀高度无关，这样就可以用较短的沉 淀管做实验，来推测实际沉淀浓缩的沉淀效果。 关于用形象化的图形来解释拥挤沉淀的过程（略） 沉淀开始时的浓度C和高度的乘积代表了水中泥沙的总含量，同样在沉淀 第4共4页
水质工程学4章沉淀 时间t时刻，水中泥沙的总含量应该等于平均浓度C和高度H的乘积。则得： HC。=HC 式中：C一高度H内的平均浓度。 显然，C>交养面浓度C,在高度H内的浓度是由交界面的浓度C向下逐渐加 大的，只有当H达到H,即Ct也达到C,C与Ct才相等。 由沉降过程曲线可以求出交荞面上任一点的悬浮物浓度和这一点的沉降速度 (即这一点悬浮物的沉降速度)。如果在交界面上的Ct点（交券面的浓度即为C) 作一条切线与纵坐标相交，得高度H,按照肯奇沉淀理论可得 q=4,C (4-11) HI 上式说明：高度Ht、均匀浓度Ct的沉淀管中所含的悬浮物量和原来的沉淀高 度为H,均匀浓度为C。的沉淀管中所含的悬浮物量相等。 这条切线的斜率即代表浓度为C:的交界面下沉速度， 心，=4-H 式(4-11)的推导比较复杂，可以结合上图沉降曲线的两端作一个简单的证明。 在b-c段，因切线是b-c直线，Ht=Ho,所以Ct=Co。由于b-c线的斜率不变， 也说明了浑液面等速下沉。压缩到高度H后，斜率为零，即片为零。说明不再压 实，此时，C即等于最后压实浓度C。 4.2平流沉淀池 投药 投药 平流沉淀池应用很广，特别 是在城市水厂常被采用。 原水一 混台絮凝一沉淀 过滤 平流式沉淀池基本组成 冷却水 进水区：原水均匀分配。 沉淀区：分离沉淀。 出水区：缓慢出水。 积泥区：污泥浓缩，排出池外 沉淀池在运行时，水流受到池身构造和外养影响（如进口处水流惯性、出口 第3负共44贞