第四章 沉淀与上浮

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1、第四章沉淀与上浮沉淀与上浮是利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行分离的基本方法。当悬浮物的密度大于水时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物；当悬浮物的密度小于水时，则上浮至水面形成浮渣(油)。通过收集沉淀物和浮渣可使水获得净化。沉淀法可以去除水中的砂粒、化学沉淀物、混凝处理所形成的絮体和生物处理的污泥，也可用于沉淀污泥的浓缩。上浮法主要用于分离水中轻质悬浮物，如油、苯等，也可以让悬浮物粘附气泡，使其视密度小于水，再用上浮法除去。第一节沉淀的基本理论根据水中悬浮物的密度、浓度及凝聚性，沉淀可分为四种基本类型。各类沉淀发生的水质条件如图4-1所示。(l)自由沉淀颗粒在沉淀过

2、程中呈离散状态，互不干扰，其形状、尺寸、密度等均不改变，下沉速度恒定。悬浮物浓度不高且无絮凝性时常发生这类沉淀。(2）絮凝沉淀当水中悬浮物浓度不高，但有絮凝性时，在沉淀过程中，颗粒互相凝聚，其粒径和质量增大，沉淀速度加快。(3)成层沉淀当悬浮物浓度较高时，每个颗粒下沉都受到周围其他颗粒的干扰，颗粒互相牵扯形成网状的“絮毯”整体下沉，在颗粒群与澄清水层之间存在明显的界面。沉淀速度就是界面下移的速度。(4)压缩沉淀当悬浮物浓度很高，颗粒互相接触，互相支承时，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间的水被挤出，污泥层被压缩。一、自由沉淀水中所含悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂

3、的，因而影响颗粒沉淀的因素很多。为了简化讨论，假定：①颗粒外形为球形，不可压缩，也无凝聚性，沉淀过程中其大小、形状和重量等均不变；②水处于静止状态；③颗粒沉淀仅受重力和水的阻力作用。静水中的悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用而产生加速运动，但同时水的阻力也增大。经过一很短的时间后，颗粒在水中的有效重量与阻力达到平衡，此后作等速下沉运动。等速沉淀的速度常称为沉淀末速度，简称沉速。如以F1、F2分别表示颗粒的重力和水对颗粒的浮力，则颗粒在水中的有效重量为(4-1)式中d——球体颗粒的直径；ρS、ρ——分别表示颗粒及水的密度；g——重力加速度；如以F3表示水对颗粒沉淀的摩擦

4、阻力，则(4-2)式中A——颗粒在沉淀方向上的投影面积，对球形颗粒，A=1/4πd2u——颗粒沉速；λ——阻力系数，它是雷诺数(Re＝ρud／μ)和颗粒形状的函数。根据实验得知，对球形颗粒有如图4-2所示关系，分三段拟合该曲线得Re＜1,λ＝24/Re(Stokes式)(Pair式)103＜Re<105，λ=0.44(Newton式)在等速沉淀情况下，F1-F2=F3,即(4-3)将上述阻力系数公式代人式(4-3)得到相应流态下的沉速计算式。对于层流，在Re＜1时，(4-4)这就是Stokes公式，式中μ为水的粘度。该式表明：①颗粒与水的密度差(ρs-ρ)愈大，沉速

5、愈快，成正比关系。当ρs＞ρ时，u＞0，颗粒下沉；当ρs＜ρ时，u＜0，颗粒上浮；当ρs=ρ时,u=0，颗粒既不下沉又不上浮;②颗粒直径愈大，沉速愈快，成平方关系。一般地，沉淀只能去除d＞20μm的颗粒。通过混凝处理可以增大颗粒粒径；③水的粘度μ愈小，沉速愈快，成反比关系。因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加速沉淀。例4-1油珠的直径为50μm，密度为800kg/m3。试计算油珠在20℃水中的上浮速度。解：油珠d＝50μm=5×10-5m，20℃水的粘度μ=0.00101Pa·s，代入式(4-4)得＝0.97m/h校核雷诺数Re符合Stokes公式应用的条件.此题

6、说明选择上述公式计算沉速或粒径时，必须首先判断流态。一般地，先试选计算公式，求出u或d，再校核Re数，因此带有盲目性。利用下述简化方法可避免试算。由式(4-3)可得阻力系数为(4-3)由此式结合Re可以推导出消去u或d的如下公式(4-5)(4-6)因此，利用λRe2或λ/Re与Re的关系图可以求出d和u。此关系图见图4-3。当已知d值要求沉速时，先由式(4-5)计算出λRe2，查图4-3得对应的Re，再由Re计算出u；当已知u值要求粒径d时，先由式(4-6)计算出λ／Re，查图4-3得Re值再由Re值算出d。由于实际废水中悬浮物组成十分复杂，颗粒粒径不均匀，形状多种

7、多样，密度也有差异，因此常常不能采用上述理论公式计算沉淀速度和沉淀效率，只能通过沉淀试验寻找沉淀设备的设计参数。沉淀试验是在沉淀管中进行的。将含悬浮物浓度为c0的原水混合均匀后，注入一组(通常5～7个)沉淀管，经t1时间沉淀后，从第一沉淀管深度为H处取样，测定悬浮物浓度c1；沉淀时间为t2时，从第二沉淀管深度同为H处取样，分析悬浮物浓度c2，……。在t1时刻，沉速大于u1(＝H/t1)的所有颗粒全部沉过了取样面，而沉速小于u1的颗粒浓度不变，仍为c1，这样，cl/c0表示这部分颗粒与全部颗粒的重量之比，记作xl，余类同。将x1对u1作图，可得如图4-4所示的沉淀