沉淀理論課件

3.1

沉淀的基礎理論13.1沉淀的基礎理論1一、概述二、沉淀類型三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理本節(jié)內容2一、概述本節(jié)內容21、沉淀的概念

一、概述

是利用水中懸浮顆粒和水的密度差，在重力作用下產生下沉作用，以達到固液分離的一種過程。31、沉淀的概念一、概述是利用水中懸浮顆粒和水的密

按照廢水的性質與所要求的處理程度的不同，沉淀處理工藝可以是整個水處理過程中的一個工序，亦可以作為唯一的處理方法。

2、應用場合

在典型的污水處理廠中，有以下4種用法：(1)用于廢水的預處理——沉砂池

(2)用于污水進入生物處理構筑物前的初步處理

(初沉池)(3)用于生物處理后的固液分離(二次沉淀池)(4)用于污泥處理階段的污泥濃縮4按照廢水的性質與所要求的二、沉淀類型自由沉淀絮凝沉淀區(qū)域沉淀

壓縮沉淀

根據水中懸浮顆粒的性質、凝聚性能及濃度，沉淀通常可以分為四種不同的類型：5二、沉淀類型自由沉淀絮凝沉淀區(qū)域沉淀壓縮沉淀1、自由沉淀

實例：固體顆粒在沉砂池及沉淀池內的初期沉降

自由沉淀也稱為離散沉降，是一種非絮凝性或弱絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。由于懸浮固體濃度低，而且顆粒之間不發(fā)生聚集，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和密度都保持不變，互不干擾地各自獨立完成勻速沉降過程。61、自由沉淀實例：固體顆粒在沉砂池及沉淀池內的初期沉降2、絮凝沉淀

實例：顆粒在初沉池內的后期沉降，生化處理中污泥在二沉池中間段的沉淀，及水處理的混凝沉淀。

這是一種絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。雖然懸浮固體濃度也不高（50-500mg/L），但顆粒在沉降過程中接觸碰撞時能互相聚集為較大的絮體，因而顆粒粒徑和沉降速度隨沉降時間的延續(xù)而增大。72、絮凝沉淀實例：顆粒在初沉池內的后期沉降，生化處理中污泥

3、區(qū)域沉淀

也稱成層沉淀、擁擠沉淀。

這是一種固體顆粒（特別是強絮凝性顆粒）在較高濃度(500mg/L以上)懸浮液中的沉降。

實例：生化處理中污泥在二沉池下部的沉降和在濃縮池內的初期沉降。

由于懸浮固體濃度較高，顆粒彼此靠的很近，吸附力將促使所有顆粒聚集為一個整體，但各自保持不變的相對位置共同下沉。此時，水與顆粒群體之間形成一個清晰的泥水界面，沉降過程就是這個界面隨沉降歷時下移的過程。83、區(qū)域沉淀也稱成層沉淀、擁擠沉淀。

當懸浮液中的懸浮固體濃度很高時，顆粒之間便互相接觸，彼此上下支承。在上下顆粒的重力作用下，下層顆粒間隙中的水被擠出，顆粒相對位置不斷靠近，顆粒群體被壓縮。

4、壓縮沉淀

實例：生化污泥在二沉池污泥斗和濃縮池內的濃縮過程。9當懸浮液中的懸浮固體濃度很高時，顆粒之間便互相接觸

上澄水自由沉淀帶絮凝干涉沉淀帶成層沉淀帶壓縮沉淀時間t水深ABCD沉淀過程示意圖10上澄水自由沉淀帶絮凝干涉沉淀帶成層沉淀分析的假定沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量等不變顆粒為球形顆粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他顆粒影響。靜水中懸浮顆粒開始沉淀時，因受重力作用產生加速運動，經過很短的時間后，顆粒的重力與水對其產生的阻力平衡時，顆粒即成等速下沉。三、自由沉淀及分析11分沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量顆粒為球形顆粒只在重力作用懸浮顆粒在水中的受力：重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3重力大于浮力和摩擦力時，下沉；重力等于浮力和摩擦力時，相對靜止；重力小于浮力和摩擦力時，上浮。F2ρsF1ρL，F312懸浮顆粒在水中的受力：F2ρsF1ρL，F312用牛頓第二定律表達顆粒的自由沉淀過程:

式中：

m—顆粒質量，kg；

u—顆粒沉速，m/s；

t—沉淀時間，s；

F1—顆粒的重力

F2—顆粒的浮力

F3—顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力。

懸浮顆粒在水中的受力分析13用牛頓第二定律表達顆粒的自由沉淀過程:懸浮顆粒在水

（1）顆粒的重力：其中：ρS為顆粒密度，kg/m3；

d為顆粒直徑，m；

g為重力加速度。（2）顆粒的浮力：

其中：ρL為液體密度，kg/m3；14（1）顆粒的重力：14（3）顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力：式中：λ—阻力系數，當顆粒周圍繞流處于層流狀態(tài)時，λ=24/Re；Re為顆粒繞流雷偌數，與顆粒的直徑、沉速、液體的粘度等有關，

A—自由沉淀顆粒在垂直面上的投影面積，15（3）顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力：15

顆粒下沉開始時，沉速為0，逐漸加速，阻力F3也隨之增加，很快三種力達到平衡，顆粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：16顆粒下沉開始時，沉速為0，逐漸加速，阻力

即為球狀顆粒自由沉淀的沉速公式，亦稱斯托克斯公式17即為球狀顆粒自由沉淀的沉速公式，亦稱斯托克斯公由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關：斯托克斯定律討論當ρS大于ρL時，ρS-ρL為正值，顆粒以uS下沉；當ρS與ρL相等時，uS=0，顆粒在水中呈懸浮狀態(tài)，這種顆粒不能用沉淀去除；ρS小于ρL時，ρS-ρL為負值，顆粒以uS上浮，可用浮上法去除。uS與顆粒直徑d的平方成正比，因此增加顆粒直徑有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。uS與μ成反比，μ隨水溫上升而下降；即沉速受水溫影響，水溫上升，沉速增大。18由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關：斯托克斯定律討論

為了便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉淀池內運動規(guī)律，Hazen和Camp提出了理想沉淀池的概念。四、沉淀池工作原理

理想沉淀池劃分為4個區(qū)域，即進口區(qū)域、沉淀區(qū)域、出口區(qū)域及污泥區(qū)域。

19為了便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉

作如下假設(1)沉淀區(qū)過水斷面上各點的水流速度均相同，水平流速為ν；(2)懸浮顆粒在沉淀區(qū)等速下沉，下沉速度為u；(3)在沉淀區(qū)的進口區(qū)域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個過水斷面上；(4)顆粒一經沉到池底，即認為已被去除。20作如下假設20式中：v-顆粒的水平分速；

qv-進水流量；

A′-沉淀區(qū)過水斷面面積，H×bH-沉淀區(qū)的水深；

b-沉淀區(qū)寬度。當某一顆粒進入沉淀池后另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降速度u。一方面隨著水流在水平方向流動，其水平流速v等于水流速度；顆粒運動的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀過程中，是一組傾斜的直線，其坡度為i=u/v。21式中：v-顆粒的水平分速；當某一顆粒進入沉淀池后另一方面，顆

從沉淀區(qū)頂部x點進入的顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒，其沉速為u0，到達沉淀區(qū)末端時剛好能沉至池底。

當顆粒沉速ui≥u0時，無論這種顆粒處于進口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。大顆粒.ppt

當顆粒沉速ui<u0時，從沉淀區(qū)頂端進入的顆粒不能沉淀到池底，會隨水流排出，而當其位于水面下的某一位置進入沉淀區(qū)時，它可以沉到底部而被去除。小顆粒.ppt22從沉淀區(qū)頂部x點進入的顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒自由沉淀實驗

設在一水深H的沉淀柱內進行自由沉淀實驗，實驗開始，沉淀時間為0，此時沉淀柱內懸浮物分布是均勻的，即每個斷面上顆粒的數量與粒徑的組成是相同的，懸浮物濃度為C0（mg/L）,此時去除率E=0。自由沉淀圖解23自由沉淀實驗設在一水深H的沉淀柱內進行自由沉

在同一沉淀時間t，下式成立：

故:

設沉速u1<u0的顆粒占全部顆粒的dP(%)，其中

的顆粒將會從水中沉到池底而去除。24設沉速u1<u0的顆粒占全部顆粒的

對于沉速為u（u<u0）的全部懸浮顆粒，可被沉淀于池底的總量為：

而沉淀池能去除的顆粒包括u≥u0以及u<u0的兩部分，故沉淀池對懸浮物的總去除率為：25對于沉速為u（u<u0）的全部懸浮顆粒，可被沉淀不同沉淀速度的總去除率26不同沉淀速度的總去除率26不同沉淀時間的總去除率27不同沉淀時間的總去除率27中并簡化后得出Hu0vL

下圖的運動跡線中的相似三角形存在著如下的關系：將上式帶入式qv/A—反映沉淀池效力的參數，一般稱為沉淀池的表面負荷率，或稱沉淀池的過流率，用符號q表示：28中并簡化后得出Hu0vL下圖的運動跡線中的相似三角形存在著

理想沉淀池中，u0與q在數值上相同，但它們的物理概念不同：

u0的單位是m/h；q表示單位面積的沉淀池在單位時間內通過的流量，單位是m3/m2·h。故只要確定顆粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的過流率或表面負荷率。

理想沉淀池的沉淀效率與池的水面面積A有關，與池深H和沉淀時間t無關，即與池的體積V無關。比較兩式可知：29理想沉淀池中，u0與q在數值上相同，但它們的物理概念不

實際中，常按以下經驗公式確定設計表面負荷q和沉降時間t：式中：u0、t0——分別為由沉降曲線上查得的理論沉降速度和沉降時間。

30實際中，常按以下經驗公式確定設計表面負荷q和沉降時間t例題

某自由沉淀試驗數據如下表所示，沉淀高度H=120cm。試繪制沉淀曲線P-u曲線，并計算不同沉淀時間條件下的懸浮顆粒的總去除率η，并繪制η-t、η-u曲線。31例題某自由沉淀試驗數據如下表所示，沉淀高度H=120解：（1）計算各沉淀時間相應的沉速u，表觀去除率E（2）以Pi為縱坐標，u為橫縱標作圖得沉淀曲線：

P-u曲線（3）圖解計算各沉速下的總去率,u0=3.0為例，小于此沉速的顆粒與全部顆粒之比P0=0.67,

積分項等于各矩形面積之和。則：η=(1-0.67)+1.07/3=0.687

以此計算出各時總沉淀效率η。32解：（1）計算各沉淀時間相應的沉速u，32（4）以總效率η為縱坐標，以沉淀時間t為橫縱標作圖的效率-時間曲線不同沉淀時間的總去除率33（4）以總效率η為縱坐標，以沉淀時間t為橫縱標作圖的效率-時不同沉淀速度的總去除率34不同沉淀速度的總去除率343.1

沉淀的基礎理論353.1沉淀的基礎理論1一、概述二、沉淀類型三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理本節(jié)內容36一、概述本節(jié)內容21、沉淀的概念

一、概述

是利用水中懸浮顆粒和水的密度差，在重力作用下產生下沉作用，以達到固液分離的一種過程。371、沉淀的概念一、概述是利用水中懸浮顆粒和水的密

按照廢水的性質與所要求的處理程度的不同，沉淀處理工藝可以是整個水處理過程中的一個工序，亦可以作為唯一的處理方法。

2、應用場合

在典型的污水處理廠中，有以下4種用法：(1)用于廢水的預處理——沉砂池

(2)用于污水進入生物處理構筑物前的初步處理

(初沉池)(3)用于生物處理后的固液分離(二次沉淀池)(4)用于污泥處理階段的污泥濃縮38按照廢水的性質與所要求的二、沉淀類型自由沉淀絮凝沉淀區(qū)域沉淀

壓縮沉淀

根據水中懸浮顆粒的性質、凝聚性能及濃度，沉淀通?？梢苑譃樗姆N不同的類型：39二、沉淀類型自由沉淀絮凝沉淀區(qū)域沉淀壓縮沉淀1、自由沉淀

實例：固體顆粒在沉砂池及沉淀池內的初期沉降

自由沉淀也稱為離散沉降，是一種非絮凝性或弱絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。由于懸浮固體濃度低，而且顆粒之間不發(fā)生聚集，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和密度都保持不變，互不干擾地各自獨立完成勻速沉降過程。401、自由沉淀實例：固體顆粒在沉砂池及沉淀池內的初期沉降2、絮凝沉淀

實例：顆粒在初沉池內的后期沉降，生化處理中污泥在二沉池中間段的沉淀，及水處理的混凝沉淀。

這是一種絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。雖然懸浮固體濃度也不高（50-500mg/L），但顆粒在沉降過程中接觸碰撞時能互相聚集為較大的絮體，因而顆粒粒徑和沉降速度隨沉降時間的延續(xù)而增大。412、絮凝沉淀實例：顆粒在初沉池內的后期沉降，生化處理中污泥

3、區(qū)域沉淀

也稱成層沉淀、擁擠沉淀。

這是一種固體顆粒（特別是強絮凝性顆粒）在較高濃度(500mg/L以上)懸浮液中的沉降。

實例：生化處理中污泥在二沉池下部的沉降和在濃縮池內的初期沉降。

由于懸浮固體濃度較高，顆粒彼此靠的很近，吸附力將促使所有顆粒聚集為一個整體，但各自保持不變的相對位置共同下沉。此時，水與顆粒群體之間形成一個清晰的泥水界面，沉降過程就是這個界面隨沉降歷時下移的過程。423、區(qū)域沉淀也稱成層沉淀、擁擠沉淀。

當懸浮液中的懸浮固體濃度很高時，顆粒之間便互相接觸，彼此上下支承。在上下顆粒的重力作用下，下層顆粒間隙中的水被擠出，顆粒相對位置不斷靠近，顆粒群體被壓縮。

4、壓縮沉淀

實例：生化污泥在二沉池污泥斗和濃縮池內的濃縮過程。43當懸浮液中的懸浮固體濃度很高時，顆粒之間便互相接觸

上澄水自由沉淀帶絮凝干涉沉淀帶成層沉淀帶壓縮沉淀時間t水深ABCD沉淀過程示意圖44上澄水自由沉淀帶絮凝干涉沉淀帶成層沉淀分析的假定沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量等不變顆粒為球形顆粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他顆粒影響。靜水中懸浮顆粒開始沉淀時，因受重力作用產生加速運動，經過很短的時間后，顆粒的重力與水對其產生的阻力平衡時，顆粒即成等速下沉。三、自由沉淀及分析45分沉淀過程中顆粒的大小、形狀、重量顆粒為球形顆粒只在重力作用懸浮顆粒在水中的受力：重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3重力大于浮力和摩擦力時，下沉；重力等于浮力和摩擦力時，相對靜止；重力小于浮力和摩擦力時，上浮。F2ρsF1ρL，F346懸浮顆粒在水中的受力：F2ρsF1ρL，F312用牛頓第二定律表達顆粒的自由沉淀過程:

式中：

m—顆粒質量，kg；

u—顆粒沉速，m/s；

t—沉淀時間，s；

F1—顆粒的重力

F2—顆粒的浮力

F3—顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力。

懸浮顆粒在水中的受力分析47用牛頓第二定律表達顆粒的自由沉淀過程:懸浮顆粒在水

（1）顆粒的重力：其中：ρS為顆粒密度，kg/m3；

d為顆粒直徑，m；

g為重力加速度。（2）顆粒的浮力：

其中：ρL為液體密度，kg/m3；48（1）顆粒的重力：14（3）顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力：式中：λ—阻力系數，當顆粒周圍繞流處于層流狀態(tài)時，λ=24/Re；Re為顆粒繞流雷偌數，與顆粒的直徑、沉速、液體的粘度等有關，

A—自由沉淀顆粒在垂直面上的投影面積，49（3）顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力：15

顆粒下沉開始時，沉速為0，逐漸加速，阻力F3也隨之增加，很快三種力達到平衡，顆粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：50顆粒下沉開始時，沉速為0，逐漸加速，阻力

即為球狀顆粒自由沉淀的沉速公式，亦稱斯托克斯公式51即為球狀顆粒自由沉淀的沉速公式，亦稱斯托克斯公由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關：斯托克斯定律討論當ρS大于ρL時，ρS-ρL為正值，顆粒以uS下沉；當ρS與ρL相等時，uS=0，顆粒在水中呈懸浮狀態(tài)，這種顆粒不能用沉淀去除；ρS小于ρL時，ρS-ρL為負值，顆粒以uS上浮，可用浮上法去除。uS與顆粒直徑d的平方成正比，因此增加顆粒直徑有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。uS與μ成反比，μ隨水溫上升而下降；即沉速受水溫影響，水溫上升，沉速增大。52由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關：斯托克斯定律討論

為了便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉淀池內運動規(guī)律，Hazen和Camp提出了理想沉淀池的概念。四、沉淀池工作原理

理想沉淀池劃分為4個區(qū)域，即進口區(qū)域、沉淀區(qū)域、出口區(qū)域及污泥區(qū)域。

53為了便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉

作如下假設(1)沉淀區(qū)過水斷面上各點的水流速度均相同，水平流速為ν；(2)懸浮顆粒在沉淀區(qū)等速下沉，下沉速度為u；(3)在沉淀區(qū)的進口區(qū)域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個過水斷面上；(4)顆粒一經沉到池底，即認為已被去除。54作如下假設20式中：v-顆粒的水平分速；

qv-進水流量；

A′-沉淀區(qū)過水斷面面積，H×bH-沉淀區(qū)的水深；

b-沉淀區(qū)寬度。當某一顆粒進入沉淀池后另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降速度u。一方面隨著水流在水平方向流動，其水平流速v等于水流速度；顆粒運動的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀過程中，是一組傾斜的直線，其坡度為i=u/v。55式中：v-顆粒的水平分速；當某一顆粒進入沉淀池后另一方面，顆

從沉淀區(qū)頂部x點進入的顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒，其沉速為u0，到達沉淀區(qū)末端時剛好能沉至池底。

當顆粒沉速ui≥u0時，無論這種顆粒處于進口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。大顆粒.ppt

當顆粒沉速ui<u0時，從沉淀區(qū)頂端進入的顆粒不能沉淀到池底，會隨水流排出，而當其位于水面下的某一位置進入沉淀區(qū)時，它可以沉到底部而被去除。小顆粒.ppt56從沉淀區(qū)頂部x點進入的顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒自由沉淀實驗

設在一水深H的沉淀柱內進行自由沉淀實驗，實驗開始，沉淀時間為0，此時沉淀柱內懸浮物分布是均勻的，即每個斷面上顆粒的數量與粒徑的組成是相同的，懸浮物濃度為C0（mg/L）,此時去除率E=0。自由沉淀圖解57自由沉淀實驗設在一水深H的沉淀柱內進行自由沉

在同一沉淀時間t，下式成立：

故:

設沉速u1<u0的顆粒占全部顆粒的dP(%)，其中

的顆粒將會從水中沉到池底而去除。58設沉速u1<u0的顆粒占全部顆粒的

對于沉速為u（u<u0）的全部懸浮顆粒，可被沉淀于池底的總量為：

而沉淀池能去除的顆粒包括u≥u0以及u<u0的兩部分，故沉淀池對懸浮物的總去除率為：59對于沉速為u（u<u0）的全部懸浮顆粒，可被沉淀不同沉淀速度的總去除率60不同沉淀速度的