第16章-沉淀和澄清1课件.ppt
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- 16 沉淀 澄清 课件
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1、16.1悬浮颗粒在静水中的沉淀沉淀:水中固体颗粒依靠重力作用,从水中分离出来的过程在给水中,常遇到两种沉淀自由沉淀:颗粒沉淀过程中,彼此互不干扰,只受到颗粒本身在水中的重力和水流阻力的作用。拥挤沉淀:颗粒沉淀过程中,彼此相互干扰,或者受到容器壁的干扰,虽然其粒径和第一种相同,但沉淀速度较小。以球型颗粒为例(直径为d),在水中作沉降运动时将受重力、浮力、摩擦阻力三种力的作用16.1.1 悬浮颗粒在静水中的自由沉淀(一)颗粒的重力为:gdFp3161(二)颗粒的浮力为:gdF13261(三)颗粒受到的摩擦阻力422213duCFD CD阻力系数,与雷诺数Re有关。颗粒下沉的速度可得自牛顿第二定律(
2、Fma):321FFFdtdum42)(616221133duCgddtdudDpp颗粒下沉时,起始沉速为零,故以加速度下沉,随着u增加,阻力也相应增加,很快颗粒即等速下沉,即du/dt=0。令上式左边为零,加以整理,得“沉速”公式:dCgupD1134(16-4)321FFFdtdum dCgupD113410-3-210-1101102103104105106101010101010.40.1C=24/ReC=10/Re雷诺数Re图 16-1 CD与Re的关系(球型颗粒)阻力系数CD 上式为沉速公式,式中虽不出现Re,但阻力系数CD却与Re有关(16-4)层流区过渡区紊流区udRe(16-
3、5)当Re1时:呈层流状态.eDRC2421181gdup代入式(16-4)得到斯笃克斯公式:1.斯笃克斯公式(层流区)这个公式适用d0.1mm泥沙颗粒,Re在10-4 1之间。当1000Re25000时,呈紊流状态,CD接近于dgus1183.12.牛顿公式(紊流区)代入式(16-4)得牛顿公式:4.0DC这个公式适用d2mm的砂粒。Re10DCdgus311221)(25543.阿兰公式(过渡期)代入(16-4)得阿兰公式:当1Re1000时,属于过渡区,CD近似为这个公式适用于d2mm的砂粒。求某一特定颗粒沉速时,不能直接应用上述公式,既然u未知,Re也未知。可以先假定沉速u,再试算以求
4、得u。给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上,常常以沉速代表某一特点颗粒而无需求出颗粒的直径。d0.1mm u7.5mm/s 去除容易d=0.01mm u=0.075mm/s 不易下沉去除d=0.001mm 胶体,不能自行下沉 必须混凝去除16.1.2 悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀 自由沉淀可以看成单个颗粒在无边无际的水体中下沉,此时颗粒排挤开同体积的水,水将以无限小的速度上升,当大量颗粒在有限的水中下沉时,被排挤的水便有一定的速度,使颗粒所受到的摩擦阻力有所增加,颗粒处于互相干扰状态,此过程称为拥挤沉淀,此时的沉淀速
5、度称为拥挤沉速。一般讲,当原水含沙量增到一定数量,泥沙即处于拥挤沉淀状态,含沙量再大时,再沉淀过程中会产生浊度相差悬殊的清水区和浑水区,两区交界面清晰可见,称为浑液面,该面缓缓下降,直至泥沙完全沉积为止。浓度Ct 交界面a(c)(b)t t1CDBC0Aab cdt时间t(d)(e)CtH0HHHtC0Ht CtHH0(a)t=0C0图 16-2 高浊度水的沉降过程将高浊度水注入沉淀筒中进行静水沉淀在沉淀时间ti时,沉淀管中悬浮物浓度的分布可分为四个区:清水区A;浓度为C0的等浓度区B;过渡区C;浓缩区D随时间增长,交界面继续下降,直至B、C两个区消失,只剩A、D两个区,D区高度也逐渐减小,设
6、压实时间 t,最后压实到H为止。以交界面高度为纵坐标,沉淀时间为横坐标,可得交界面沉降过程曲线。浓度Ct 交界面a(c)(b)t t1CDBC0Aab cdt时间t(d)(e)CtH0HHHtC0Ht CtHH0(a)t=0C0图 16-2 高浊度水的沉降过程絮凝过程交界面等速下沉下降速度逐渐变小b-c段为直线,表明交界面等速下降。a-b段为上凸的曲线,可解释为颗粒间的絮凝过程,由于颗粒凝聚变大,使下降速度逐渐变大。c-d为下凹的曲线,表明交界面下降的速度逐渐变小。此时B区和C区已消失,故c点称为沉降临界点,相应于c点的交界面下的浓度均大于C0。c-d段表示B、C、D三个区重合后沉降物压实的过
7、程,随着时间的增长,压实变慢,最后压实高度为H。不同沉降过程示意图A清水区;B等浓度区;C过渡区;D 压缩区清水区,此处等于出水的水质开始时在搅拌的作用下是分布均匀沉降区和清水区有明显的界面,沉降的过程是该界面以等速下沉压缩区,该区内浓度基本相同,但比沉淀区高过渡区,该区内浓度随深度变化沉降区,该区内浓度基本相同,且不随时间变化 2.肯奇沉淀理论 ttHHCC00tHHvtt这条切线的斜率表示浓度为Ct的交界面下沉速度:设在c-d曲线任一点Ct作切线与纵坐标相交于a点,得高度Ht。按照肯奇沉淀理论得:该式的含义是:高度为Ht,均匀浓度为Ct的沉淀管中所含悬浮物与原水高度H0均匀浓度为C0的沉淀
8、管中所含悬浮物浓量是相等的。2121OQOQOPOP 沉淀管水深H1沉淀管水深H20A、区交界面高度P1PQ1Q2 沉淀时间t图 16-3 不同沉淀高度的沉降过程相似关系3.相似理论当原水颗粒浓度一样时,不同沉降高度的界面沉降过程曲线的相似性(见图16-3),即A、B区交界的浑液面的下沉速度不变P216.2 平流沉淀池平流式沉淀池示意图 平流沉淀池在运行时,由于受到各种因素的影响池中实际水流情况以及颗粒杂质的沉降过程是十分复杂的,为了使问题得到适当简化,便于突出主要矛盾,暂将一些次要因素去除,这样就提出了关于理想沉淀池的概念。16.2.1 非凝聚性颗粒的沉淀过程分析理想沉淀池的三个基本假设:颗
9、粒处于自由沉淀状态,颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动,在过水断面上,各点流速相等,并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到底就被认为去除,不再返回水流中。原水进入沉淀池,在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为:BhQv0设u0为某一指定颗粒的最小沉降速度。入 流 区出 流 区污泥区当颗粒沉速uu0时,无论这种颗粒处于进口端的什么位置,它都可以沉到池底被去除。当颗粒沉速uu0时,位于水面的颗粒不能沉到池底,会随水流出。说明对于沉速u小于指定颗粒沉速u0的颗粒,有一部分会沉到池底被去除。而当其位于水面下的某一位置时,它可以沉到池底而被去除。uu0的颗粒可以全部去除uu0的颗粒只能部分去除沉
10、淀区出水区进水区污泥区图16-4 理想沉淀池工作状态考察流线:正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底,称为截留沉度u0对用直线代表的一类颗粒而言,流速和都与沉淀时间有关。vLt 00uht LBQu 0得AQu 0式中Q/A,一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留沉度u0,但含义不同。由代入BhQv0即00hhCBhcCBhEii根据相似关系得:Luh00即00Luh 设原水中沉速为ui(uiu0)的颗粒的浓度为C,沿着进水区高度为h0的截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC,沿着m点以下的高度为hi的截面进入的颗粒的数量为hiBvC,则沉速为ui的颗粒的去除率为:同理
11、得:iiLuh 特定颗粒去除率:0uuEiAQuuuEii0由上式可知,颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关,而与其它因素(如水深、池长、水平流速、沉淀时间)无关。(1)E一定,ui越大,则表面负荷越高,或Q不变,ui越大,则E越高。ui的大小与混凝效果有关,应重视加强混凝工艺。(2)ui一定,增大表面积A,可以提高E。当沉淀池容积一定时,池身浅则A增加,去除率提高,此即“浅池理论”。理想沉淀池的总去除率ipidpuup000ipidpuupP0000)1(所有能够在沉淀池中去除的,沉速小于u0的颗粒的去除率为:沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉,去除率为(1p0),因此理想沉淀池的总去除
12、率为:式中p0沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量的百分率;入 流 区出 流 区污泥区絮凝沉降颗粒运动轨迹絮凝沉降颗粒运动轨迹二、凝聚性颗粒沉淀过程的分析在直角坐标系上,纵坐标为取样口深度,横坐标为取样时间P6P5P4P3P2P1时间t水深hh去除百分数等值线在分析凝聚性颗粒沉淀过程时,可采用沉淀实验筒。筒长尽量接近实际沉淀池长度,一般可采用2-3米,直径不小于100毫米,设56个取样口。将已知悬浮物浓度C0搅拌均匀,每隔一定时间取样,并测悬浮物浓度Ci,并计算去除率00CCCi将同一沉淀时间、不同深度的去处率标于其上然后将去处率相等的各点连接成等去除率曲线。对于某一表面负荷而言,由凝聚性颗粒
13、去除百分数等值线,可以得出总的去除百分数为:P6P5P4P3P2P1沉降时间t水深4h3h2h1hH0t0)(/)(/)(/)(/560044500334002230012pputhpputhpputhpputhpP16.2.3 影响平流式沉淀池沉淀效果的因素(1)沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响(发生短流)短流的原因:1)进水的惯性作用;2)出水堰产生的水流抽吸;3)较冷或较重的进水产生的异重流;4)风浪引起的短流;5)池内存在导流壁和刮泥设施。理想沉淀池理论停留时间t0为:QVt 0但实际沉淀池,一部分水流通过沉淀区的时间小于t0,而另一部分水流则大于t0,这种现象称为短流水的紊动性以雷
14、诺数Re判别一般认为,在明渠流中,Re500时,水流是紊流状态,平流沉淀池中水流的 Re一般为 400015000,属紊流状态。此时水流除水平流速外,尚有上、下、左、右的脉动分速,且伴有小的涡流体,对水中杂质颗粒的沉降是不利的。因此,在沉淀池中,通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。vRRe(2)水流紊动性和稳定性对沉淀效果的影响水的稳定性以费劳德数Fr判别Fr高,惯性力作用相对增加,重力相对减少。水流对温差、密度异重流及风浪等影响的抵抗的能力强,使沉淀池中的水流流型保持稳定,一般认为平流沉淀池中Fr 10-5。RgFr2在沉淀池中,降低Re和提高Fr的有效措施是减小水力半径R,平流沉淀池的纵向分
15、隔及斜板、斜管沉淀池都能达到上述目的。vRReRgFr2在沉淀池中,增大v,一方面提高Re,加强水力的紊动性而不利于沉淀,但另一方面也提高了Fr,而加强了水的稳定性,从而有利于沉淀效果的提高。所以,v可在很宽的范围内选取,而不至于对沉淀效果有明显的影响。我国各地一般v=10 25mm/s,最高可达30 50mm/s。(3)凝聚作用的影响此外,水中絮凝颗粒的大小也是不均匀的,它们将具有不同的沉速,沉速大的颗粒在沉淀过程中能追上沉速小的颗粒而引起絮凝。对于混凝沉淀池,杂质颗粒的絮凝过程在沉淀池内仍继续进行。如前所述,池内的水流流速的分布实际上是不均匀的,水流存在的速度梯度将引起颗粒相互碰撞而促进絮
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