化学及物理化学处理工艺原理..docVIP

第二篇 物理、化学及物理化学处理工艺原理 +第三章　重力沉降法 第一节　概述在重力作用下，使悬浮液中密度大于水的悬浮固体下沉，从而与水分离的水处理方法，称为重力沉降法。重力沉降法的去除对象，主要是悬浮液中粒径在１０um以上的可沉固体，即在２h左右的自然沉降时间内能从水中分离出去的悬浮固体。 按照处理目的不同，重力沉降法可分为以获得澄清水位目的的沉淀（当悬浮物为絮凝产物时习称为澄清）和以获得高浓度污泥为目的的浓缩。它既可以作为唯一的处理工序，用于只含悬浮固体的废水处理，也可以作为处理系统中的某一工序，于其它处理单元配合使用。 根据水中悬浮固体浓度的高低、固体颗粒絮凝性能（即彼此粘结、团聚的能力）的强弱，沉降可分为以下四种类型。 1.自由沉降　自由沉降也称为离散沉降。这是一种非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉降。由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。固体颗粒在沉沙池及初次沉淀池内的初期沉降就属于这种类型。 2.絮凝沉降　这是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉降。虽然悬浮固体浓度也不高，但颗粒在沉降过程中接触碰撞时能互相聚集为较大的絮体，因而颗粒粒径和沉降速度随沉降时间的延续而增大。颗粒在初次沉降池内的后期沉降及生化处理中污泥在二次沉淀池内的初期沉降，就属于这种类型。 3.成层沉降　成层沉降也称集团沉降、区域沉降或拥挤沉降。这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较高浓度悬浮液中的沉降。由于悬浮固体浓度较高，颗粒彼此靠的很近，吸附力将促使所有颗粒聚集为一个整体，但各自保持不变的相对位置共同下沉。此时，水于颗粒群体之间形成一个清晰的泥水界面，沉降过程就是这个界面随沉降历时下移的过程。生化处理中污泥在二次沉淀池内的后期沉降和在浓缩池内的初期沉降就属于这种类型。 4.压缩（沉降）　当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之间便互相接触，彼此上下支承。在上下颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。生化污泥在二次沉淀池和浓缩池内的浓缩过程就属于这种类型。 第二节 离散颗粒的沉降规律离散颗粒的沉降规律，可分为单独颗粒的沉降规律和群体颗粒的的沉降规律两种情况来讨论。 一、单独颗粒的沉降规律 单独颗粒在稀悬浮液中的沉降，不受周围颗粒的影响，其沉降速度仅仅是液体性质及颗粒本身特性的函数。任何一个在静水中的固体颗粒，都受到两种基本力的作用，即重力Fg和浮力Ff。颗粒在水中的有效重量FS为两种力之差，即： ??????????????? ?????????????　　????（3-1） 　　 ??? 式中??? Vs--颗粒体积； 　　　　　ρs和ρl--分别为颗粒和水的密度； ??????????? g--重力加速度。 当ρsρl时，FgFf,颗粒便在合力（Fg-Ff）的作用下作加速下沉运动。这时，颗粒便受到第三种力，即水的阻力的作用。根据因次分析和试验验证，阻力Fd可按下式计算： ??????????????? ????　　　　　????????? （3-2） 　　式中??? Cd--牛顿无因次阻力系数； ??????????? As--颗粒在垂直于运动方向上的投影面积； ??????????? us--颗粒的沉降速度。 颗粒在下沉运动过程中，净重Fs不变，而阻力则随沉速us的平方增大。因此，经过某一短暂时刻后，Fd便增大到与Fs相平衡，即Fd=Fs。此时，颗粒的加速度变为零，沉速us变为常数。由此可得颗粒自由沉降的沉降速度表达式为： ??????????????　 ??????????????　　????（3-3） 设颗粒是直径为ds的球型颗粒，则有（Vs/As）=2ds/3，其中Vs为颗粒体积。代入公式（3-3），可得： ?????????????? ????????　　　????????????（3-4） 此式称为牛顿定律，us称为离散颗粒的稳定沉降速度或最终沉降速度。阻力系数CD是颗粒沉降时周围液体绕流的雷诺数Re的函数，二者的关系如图3-2。依据Re值的大小，图面可分为层流区（斯托克斯区）、过渡流区（艾伦区）和紊流区（牛顿区）三个区域。在层流区和紊流区，CD与Re呈线形关系，在过渡区则呈指数函数关系。概括起来，可用通式表示为： ????????????????? ??????????????????????????　　　　（3-5） 　　式中 K、n--与Re值及颗粒形状有关的因数。 球型颗粒沉降的K、n值及其相应的CD-Re关系如表3-1。 表3-1? 球形颗粒的K、n值及相应的CD-Re关系Re 绕流流态区域 K n CD Re2 层流区