福大水污染控制工程課件02污水的物理處理-2沉淀的理論基礎(chǔ)

第二節(jié)

沉淀的理論基礎(chǔ)沉淀法是利用水中懸浮顆粒的可沉降性能，在重力作用下產(chǎn)生下沉作用，以達(dá)到固液分離的一種過(guò)程。沉淀處理工藝的四種用法

沉砂池：用以去除污水中的無(wú)機(jī)性易沉物初次沉淀池：較經(jīng)濟(jì)的去除懸浮有機(jī)物，減輕后續(xù)生物處理構(gòu)筑物的有機(jī)負(fù)荷二次沉淀池：用來(lái)分離生物處理工藝中產(chǎn)生的生物膜、活性污泥等，使處理后的水得以澄清。污泥濃縮池：將來(lái)自初沉池及二沉池的污泥進(jìn)一步濃縮，以減小體積，降低后續(xù)構(gòu)筑物的尺寸及處理費(fèi)用等。自由沉淀懸浮顆粒濃度不高；沉淀過(guò)程中懸浮固體之間互不干擾，顆粒各自單獨(dú)進(jìn)行沉淀，顆粒沉淀軌跡呈直線。沉淀過(guò)程中，顆粒的物理性質(zhì)不變。發(fā)生在沉砂池中。根據(jù)水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀可分成四種類型懸浮顆粒濃度不高；沉淀過(guò)程中懸浮顆粒之間有互相絮凝作用，顆粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀軌跡呈曲線。沉淀過(guò)程中，顆粒的質(zhì)量、形狀、沉速是變化的。化學(xué)絮凝沉淀屬于這種類型。絮凝沉淀區(qū)域沉淀或成層沉淀壓縮沉淀懸浮顆粒濃度較高（5000mg/L以上）；顆粒的沉將受到周?chē)渌w粒的影響，顆粒間相對(duì)位置保持不變，形成一個(gè)整體共同下沉，與澄清水之間有清晰的泥水界面。二次沉淀池與污泥濃縮池中發(fā)生。懸浮顆粒濃度很高；顆粒相互之間已擠壓成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，互相接觸，互相支承，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力作用下被擠出，使污泥得到濃縮。二沉池污泥斗中及濃縮池中污泥的濃縮過(guò)程存在壓縮沉淀。自由沉淀及其理論基礎(chǔ)分析的假定沉淀過(guò)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(kāi)始沉淀時(shí)，因受重力作用產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間后，顆粒的重力與水對(duì)其產(chǎn)生的阻力平衡時(shí)，顆粒即成等速下沉。懸浮顆粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力時(shí)，下沉；重力等于浮力時(shí)，相對(duì)靜止；重力小于浮力時(shí)，上浮。配圖說(shuō)明

1.懸浮顆粒在水中受到的力Fg

Fg-是促使沉淀的作用力，是顆粒的重力與水的浮力之差：式中：

Fg-水中顆粒受到的作用力；V-顆粒的體積；

ρS-顆粒的密度；

ρL-水的密度；g-重力加速度。2.根據(jù)牛頓定律，水對(duì)自由顆粒的阻力為：式中：FD-水對(duì)顆粒的阻力；

λ′-阻力系數(shù)；A-自由顆粒的投影面積；

uS-顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)速度，即顆粒沉速。懸浮顆粒在水中的受力分析球狀顆粒自由沉淀的沉速公式當(dāng)顆粒所受外力平衡時(shí)，即因得球狀顆粒自由沉淀的沉速公式：當(dāng)顆粒粒徑較小、沉速小、顆粒沉降過(guò)程中其周?chē)睦@流速度亦小時(shí)，顆粒主要受水的粘滯阻力作用，慣性力可以忽略不計(jì)，顆粒運(yùn)動(dòng)是處于層流狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，λ′=24/Re，帶入式中，整理得自由顆粒在靜水中的運(yùn)動(dòng)公式（亦稱斯托克斯定律）：μ是水的動(dòng)力粘度。由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關(guān)：斯托克斯定律當(dāng)ρS大于ρL時(shí)，ρS-ρL為正值，顆粒以u(píng)S下沉；當(dāng)ρS與ρL相等時(shí)，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(shí)，ρS-ρL為負(fù)值，顆粒以u(píng)S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。沉淀池的工作原理理想沉淀池進(jìn)口區(qū)域、沉淀區(qū)域、出口區(qū)域、污泥區(qū)域沉淀區(qū)過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的水流速度均相同，水平流速為v；懸浮顆粒在沉淀區(qū)等速下沉，下沉速度為u；在沉淀池的進(jìn)口區(qū)域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個(gè)過(guò)水?dāng)嗝嫔?；顆粒一經(jīng)沉到池底，即認(rèn)為已被去除。理想沉淀池的幾個(gè)假定：由上述假定得到的懸浮顆粒自由沉降跡線：式中：v-顆粒的水平分速；qv-進(jìn)水流量；A′-沉淀區(qū)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，H×b；H-沉淀區(qū)的水深；b-沉淀區(qū)寬度。當(dāng)某一顆粒進(jìn)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(dòng)，其水平流速v等于水流速度；顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡為其水平分速v和沉速u(mài)的矢量和，在沉淀過(guò)程中，是一組傾斜的直線，其坡度為i=u/v。設(shè)u0為某一指定顆粒的最小沉降速度。當(dāng)顆粒沉速u(mài)≥u0時(shí)，無(wú)論這種顆粒處于進(jìn)口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即圖10-12a中的跡線xy與x′y′。當(dāng)顆粒沉速u(mài)1<u0時(shí)，位于水面的顆粒不能沉到池底，會(huì)隨水流出，如圖10-12b中軌跡xy″所示；而當(dāng)其位于水面下的某一位置時(shí)，它可以沉到池底而被去除，如圖中軌跡x′y所示。說(shuō)明對(duì)于沉速u(mài)1小于指定顆粒沉速u(mài)0的顆粒，有一部分會(huì)沉到池底被去除。

在同一沉淀時(shí)間t，下式成立：故對(duì)于沉速為u1（u1<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u1<u0的兩部分，故沉淀池對(duì)懸浮物的去除率為：設(shè)沉速為u1的顆粒占全部顆粒的dP%，其中的的顆粒將會(huì)從水中沉到池底而去除。式中：P0-沉速小于u0的顆粒在全部懸浮顆粒中所占的百分?jǐn)?shù)；（1-P0）-沉速≥u0的顆粒去除百分?jǐn)?shù)。圖10-12的運(yùn)動(dòng)跡線中的相似三角形存在著如下的關(guān)系：

將上式帶入式

qv/A-反映沉淀池效力的參數(shù)，一般稱為沉淀池的表面負(fù)荷率，或稱沉淀池的過(guò)流率，用符號(hào)q表示：理想沉淀池中，u0與q在數(shù)值上相同，但它們的物理概念不同：u0的單位是m/h；q