水质工程学 第四章 沉淀与上浮
水质工程学第4章沉淀与澄清3
——沉淀过程中，清水区高度不断增加
A澄清液层、B受阻沉降层、C过渡层、D压缩层
拥挤沉淀试验
——利用沉淀过程线分析： Kynch 法、 Fitch 法
——建立沉速—浓度函数关系v=f（C） （多筒试验）：固体通量法、吉冈法
——作用：用于分析静置沉淀；确定水中悬 浮颗粒的沉降特性
1、自由沉淀试验 2、絮凝沉淀 3、拥挤沉淀（高浓度悬浮液的沉淀试验）
自由沉淀试验
自由沉淀一般采用单筒沉淀柱试验确定悬 浮颗粒的沉降特性。
1）试验装置 2）试验方法 3）沉淀效率η的求取
自由沉淀试验
沉淀柱有效水深H，
悬浮物原始浓度为C0。 在时间t1时从水深H处取样测得C1，则认为沉速大于 u1（H/t1）的颗粒均已通过H，残余颗粒必然具有小 于u1的沉速，则沉速小于u1的颗粒与全部颗粒的比 例x1=C1/C0。
——沉淀时间: 絮凝沉淀
因此，设计沉淀池时，除了对表面负荷率有要 求外，还对停留时间、池深、进出水构造、排泥 方式等均有要求。通常，对于静置沉淀得出的试 验结果，在用于设计时还需考虑一定的安全系数。 一般在设计时：
q=q0/1.25~1.75，T=（1.5~2.0）T0
沉淀池
概述
一、平流式沉淀池 (horizontal flow Sedimentation Tank) 二、竖流式沉淀池 (vertical flow ST) 三、斜板（管）沉淀池（tilted-plate ST） 四、澄清池（clarifier，clarification tank）
概述
沉淀池构造根据功能分为五个区:
进水区: 保证进水均匀分布在整个进水断 面上，避免短流，减少死角和紊流影响，提 高容积利用系数。 出水区: 均匀出水(目的同上)，阻拦浮渣 沉淀区: 污水与颗粒分离，工作区 污泥区: 污泥贮放、浓缩、排除 缓冲区: 分隔沉淀区，保证沉下的颗粒不 因水流搅动而再次浮起进入沉淀区。
给排水概论第四章水质工程上
章 除盐率可在30%~90%之间变化。除盐率较反渗透膜有所
水
下降，所需压力也比反渗透膜大大降低，一般为1~2MPa， 也成为低压反渗透。
质 5、纳滤用途
工 ➢ 纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度， 脱除井水的
亚硫酸氢钠，将废水中的六价铬还原为三价铬，然后投加
石灰或氢氧化钠，使之生成氢氧化铬沉淀物，将此沉淀物
从废水中分离出来，便可达到处理的目的。
2H2CrO7+6NaHSO3+6H+ ＝Cr2(SO4)3+3Na2SO4+8H2O Cr2(SO4)3+3Ca(OH)2 ＝2Cr(OH)3↓+3CaSO4
4.2.6 氧化还原和消毒
粒表面的性质。颗粒表面易被水湿润，该颗粒属 亲水性；如不易被水湿润，属疏水性。一般，疏 水性颗粒易被气泡吸附，亲水性颗粒难被气泡吸 附。
4.2.5 粒状材料过滤
第 四
1、过滤定义
章
用细颗粒的材料（例如石英砂）构成滤层，当
水 水通过滤层时，水中的悬浮物能被截留在滤层的
质 滤料表面和缝隙中，从而使水得到澄清。
工 2、沉淀剂（投加的化学药剂）
程
4.2.10 电 解
第 1、电解定义
四 ➢ 电解质溶液在电流的作用下发生电化学反应的过程。
章
与电源负极相连的电极称为阴极，与电源正极相连的电极成 为阳极。
水 2、电解法定义
质 ➢ 利用电解的原理处理水中有毒物质的方法称为电解法。在
工
水进行电解时，水中的有毒物质在阳极或阴极进行氧化还 原反应，结果产生新物质。这些新物质在电解过程中或沉
➢ 中和药剂：酸性药剂，如无机酸（硫酸、盐酸）、 酸性废气，如含有CO2的烟道气等。
水质工程学第4章
第四章 沉淀与澄清4.1杂质颗粒在静水中的沉降 4.1.1杂质颗粒在水中的自由沉降 自由沉淀颗粒互不干扰； 不受器皿壁的干扰；经过一段时间后，沉速也不变。
颗粒杂质所受的力：重力，浮力，水流阻力。
其中阻力系数是雷诺数的函数。
沉速：层流区用斯托克斯；紊流区用牛顿公式；过渡区用阿连公式。
层流状态下，颗粒越粗，水温越高，密度差越大沉速越快。
另外斯托克斯公式还能测粒径。
4.1.2杂质颗粒在水中的拥挤沉降当水中大颗粒在有限的水体中沉降时，由于颗粒互相之间的影响，使得颗粒沉速比自由沉降要小，这就是拥挤沉降。
沉速要乘以一个折减系数。
沉淀筒中可分为清水层区、等浓度区、变浓度区、压实区四个区。
4.2平流沉淀池4.2.1理想沉淀池理论 理想沉淀池：自由沉淀； 水平流速相等；沉底后认为被去除。
截留沉速：最不利位置的颗粒恰能在池中沉淀下来的颗粒流速。
表面负荷：指单位沉淀面积上承受的水流量。
对于理想沉淀区，表面负荷与截留沉速相等。
沉速大于截留沉速的全部沉淀下来。
而沉速小于截留只能部分沉淀下来，其沉淀效率等于其沉速与截留沉速的比值。
4.2.2非凝聚性颗粒的静水沉淀实验沉淀效率的计算：BLQq =理想沉淀区的沉淀效率只与截留沉速有关，也就是沉淀效率只与表面负荷有关，而与沉淀时间，池深，水流速度无关。
沉淀池表面积越大沉淀效率越高。
4.2.3凝聚性颗粒杂质的静水沉淀实验对于非凝聚性颗粒杂质，由于颗粒沉速不变，所以等浓度面沉降过程线是一条倾斜的直线。
对于凝聚性颗粒杂质，由于颗粒沉速不断变大，所以等浓度面沉降过程线是向下弯曲的曲线。
由于水中凝聚性颗粒在沉降过程中具有加速沉降的特点，所以沉淀区的池深对于沉淀效率是有影响的，池深越大，沉淀效果越好。
4.2.4浑水异重流及平流沉淀池的构造特点密度大的浑水进入沉淀池后，在重力作用下会潜入池的下部流动，形成所谓的异重流。
浑水浊度高的时候异重流现象明显。
当进水温度比池水低的时候，会加强浑水异重流的流态。
沉淀与上浮
沉淀与上浮[Sediment and Floating] (1)一、沉淀的基本理论（一）沉淀的类型按照水中悬浮颗粒的浓度、性质及其絮凝性能的不同，沉淀可分为以下几种类型。
1.自由沉淀。
悬浮颗粒的浓度低，在沉淀过程中呈离散状态，互不粘合，不改变颗粒的形状、尺寸及密度，各自完成独立的沉淀过程。
这种类型多表现在沉砂池、初沉池初期。
2.絮凝沉淀。
悬浮颗粒的浓度比较高（50~500mg/L），在沉淀过程中能发生凝聚或絮凝作用，使悬浮颗粒互相碰撞凝结，颗粒质量逐渐增加，沉降速度逐渐加快。
经过混凝处理的水中颗粒的沉淀、初沉池后期、生物膜法二沉池、活性污泥法二沉池初期等均属絮凝沉淀。
3.拥挤沉淀。
悬浮颗粒的浓度很高（大于500mg/L），在沉降过程中，产生颗粒互相干扰的现象，在清水与浑水之间形成明显的交界面（混液面），并逐渐向下移动，因此又称成层沉淀。
活性污泥法二沉池的后期、浓缩池上部等均属这种沉淀类型。
4.压缩沉淀。
悬浮颗粒浓度特高（以至于不再称水中颗粒物浓度，而称固体中的含水率），在沉降过程中，颗粒相互接触，靠重力压缩下层颗粒，使下层颗粒间隙中的液体被挤出界面上流，固体颗粒群被浓缩。
活性污泥法二沉池污泥斗中、浓缩池中污泥的浓缩过程属此类型。
（二）悬浮物在静水中沉淀的理论1．沉速公式为了说明影响颗粒沉淀的主要因素，现以单体球形颗粒的自由沉淀为例加以说明。
颗粒在重力、浮力的作用下，开始下降（或上浮），由于水的阻力作用下，短暂时间内很快当达到受力平衡，以匀速下沉。
在大多数情况下，Re<1，颗粒下降引起周围水流的扰动，处于层流状态。
颗粒沉淀速度用斯托克斯(Stokes)公式表示。
水中悬浮物的组成比较复杂，颗粒形状多样，且粒径不均匀，密度也有差异，很难用斯笃克斯公式计算颗粒的沉速，而通过试验测定颗粒的沉速比较容易。
因此公式主要用来进行沉淀原理分析和测出颗粒沉速后倒过来进行水中颗粒分析用。
2．沉淀试验沉淀试验用来判定水中颗粒的沉淀性能，并根据所要求的沉降效率确定沉降时间和沉降速度这两个基本的设计参数。
《水处理技术及原理》第4章-沉淀
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3）出水区
•溢流堰（施工难） •三角堰（对出水影响不大） •淹没孔口（容易找平）
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4）存泥区及排泥措施
泥斗排泥
靠静水压力 1.5 – 2.0m 多斗形式，可省去机械刮泥设备
机械排泥
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二、竖流式沉淀池
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三、幅流式沉淀池
1．中央进水幅流式 ＝20－30m，>16m 适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差
5
颗粒浓度
自由沉淀
絮凝沉淀
拥挤沉淀
压缩沉淀 颗粒絮凝性
6
第2节 自由沉淀 (discrete particle settling)
7
一、颗粒沉速公式
假设：① 颗粒为球形，不可压缩，无凝聚， ② 水处于静止状态
重力，浮力，阻力平衡可导出沉降速度；
u 4 g p l d 3 CD l
u：颗粒终端沉降速度（terminal velocity ） ：形状系数, 1 for spheres Cd：阻力系数, Cd与Re有关 ，Re＝u d/ = duρ/μ
效果与上相反 如机械加速澄清池、水力循环澄清池
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•沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒 •胶体颗粒需混凝后才能沉淀。 •给水处理――混凝沉淀，高浊预沉 •废水处理
3
4
二、分类
•自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变
•絮凝沉淀：絮凝性颗粒，沉淀过程中沉速增加
•拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间干扰，分层
•压缩沉淀：下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得 到浓缩。
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清水区
浑液面----逐渐下降
等浓度区或受阻沉降层 颗粒浓度均匀 等速下沉vs
水质工程学_章北平_沉淀
第4章 沉淀一．填空题1.颗粒杂质能否在沉淀池中沉淀下来，主要取决于颗粒杂质的 和 。
2.在水中作沉降运动的颗粒杂质，主要受 、 、 、三种力作用。
3.在理想沉淀池沉淀区，表面负荷和 在数值上相等。
4.在理想沉淀区的沉淀效率只与 有关，当处理水量一定时，沉淀效率只与 有关。
5.根据水的流动方向，斜板沉淀方式分为 、 、 。
6.自我造粒型流化床高效固液分离设备主要由 、 、 、、 5个部分组成7.浓缩池的深度由 、 、 三部分的高度组成。
二．选择题1.平流式沉淀池的构造主要分为（ ）四部分。
A.沉淀区、配水区、进水区和浑水区B.沉淀区、分离区、配水区和出水区C.反应区、存泥区、进水区和浑水区D.沉淀区、存泥区、进水区和出水区2.设计某一水厂平流沉淀池，一般采用以下参数（ ）是合适的。
A.沉淀时间90min、 有效水深3.2m、 长宽比取5、 长深比取20B.沉淀时间45min、 有效水深3.2m、 长宽比取5、 长深比取20C.沉淀时间90min、 有效水深2.5m、 长宽比取5、 长深比取10D.沉淀时间4h、 有效水深3.2m、 长宽比取5、 长深比取103.平流式沉淀池的处理流量为15000m3/d,水厂自用水量按5%计，颗粒截留沉速为0.7mm/s，其表面负荷约为（ ）。
A.110m3/(m2·d)B. 600m3/(m2·d)C. 16.8m3/(m2·d)D. 60.5m3/(m2·d)4.二沉池的功能是（ ），排除清澈的处理水，对（ ）进行浓缩，使（ ）的污泥及剩余污泥达到一定的浓度。
A.去除颗粒物质；活性污泥；污泥处理B. 有机物和无机物；污水；进入消化池C. 泥水分离；沉淀污泥；回流到曝气池D.去除悬浮颗粒；沉淀污泥；初沉池5.平流沉淀池的水平流速可采用10-25mm/s，水流应避免过多（ ）。
A.急流B.转折C.涡流D.交叉6.平流沉淀池宜采用（ ）配水和溢流堰集水，溢流率一般可采用小于500m3/(m﹒d)A. 穿孔墙B.导流墙C.左右穿孔板D.上下隔板7.异向流斜管沉淀池宜用于浑浊度长期低于（ ）度的原水。
给水工程-沉淀、澄清和气浮
184
lL = [( 去)iρa f升 了d
(7-8)
= 在 1000 < Re <250000 范围内，绕罔球流过的水流呈紊流状态 。绕 流阻力系数 Cn
0.4 ， 代人式 (7 -4 )得牛顿( Newton) 公式:
u=l 83IEifgd(7少)
'\1
ρ
当 Re = 250000 时 ，绕流 阻力系数 Cn 值骤然下降到 0. 2 左右， 见罔 7 -1 ，应代人式
(7-6)
试验证明，在
Re
<1
范围内，绕圆球流过的水流呈居流状态，绕流阻力系数
Cn
=2:"4
f{e
,
代人式 (7-4 )得斯托克斯 (Stokes) 公式:
lρ. ρ2 18μ
(7-7 )
在 1 <Re < 1000 范围内 ，属于过被 区，绕流 阻力 系数 CI) =τi 二。， 代入式 (7 -4 )得阿 JRe
μ
1000
x O. 216 xO. 1. 14 x lO - 3
001 5d=284
，属 过渡区 。
如果把该阑柱体折算成 同体积的球体，其水平投影面积 明报增 大 ，用球体直径代人阿
芙公式求出的沉速偏小 。
还应说明，公式 (7-7) - 式 (7-9 )是公式 (7 -4 )在不同的 Re 范围 内的特定形式。
不难理解，在计算某一颗粒的沉速或粒径 时 ，因 不知道 Re 范罔，无法确定采用明11一公式，
缸。( 'TT~2 )μ2 ，过渡 仄绕流阻力 系数 CU" =f1f一0e =j21一05百 = 0.63 代人上式得，
环境工程概论：沉淀与上浮处理
缺点是： （1）电耗较大比沉淀法多耗电约0.02～0.04kWh ／ 吨水； （2）溶气水减压释放器易堵塞、浮渣怕较大的风雨袭击。
溶气气浮
使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水
压力骤然降低，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出 并进行气浮。用这种方法产生的气泡直径约为20～100μm， 并且可人为地控制气泡与废水的接触时间，因而净化效果比 分散空气法好，应用广泛。
常见故障及对策
3．跑砂 如果冲洗强度过大或滤料级配不当，反冲洗会冲走
大量细滤料。另外，如果冲洗水分配不匀，垫料层可 能发生平移，进一步促使布水不匀，最后局部垫料层 被冲走淘空，过滤时，滤料通过这些部位的配水系统 漏失到清水池中。遇到这种情况，应检查配水系统， 并适当调整冲洗强度。 4．水生物繁殖
在水温较高时，沉淀池出水中常含多种微生物，极
斜板隔油池
为了提高单位池容积的处理能力，隔油池 也有采用斜板形式如图所示。池内斜板大多数 采用聚酯玻璃钢波纹板，板间距为20～50mm， 倾角不小于45度，斜板采用异向流形式，废水 自上而下流入斜板组，油粒沿斜板上浮。实践 表明，斜板隔油池所需停留时间仅为平流隔油 池的1/2～1/4，约30min。斜板隔油池去除油滴 的最小直径为60μm。
沉淀与上浮处理
沉淀与上浮的基本原理:
利用水中悬浮颗粒与水的密度差进行 分离的基本方法。
沉淀法 悬浮物密度大于水时，在重力作用下，悬浮物下
沉形成沉淀物。可以去除水中的砂粒、化学沉淀物、 混凝处理所形成的絮体、生物处理的污泥、沉淀污泥 的浓缩。
上浮法 悬浮物密度小于水时，则上浮至水面形成浮渣(油)。
滤池的冲洗
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稳定，而且不必要求
在正压下工作。
• 但需要由空气压缩机 供给空气，为了保证
水泵吸水 管
良好的溶气效果，溶
气罐的容积也比较大，进水源自一般需采用较复杂的水
泵
池
填充式溶气罐。
水泵压水 管
溶 气 罐
溶气水 去浮选
溶气罐：
• 溶气罐（air receiver)的作用是在 一定的压力(一般0.2–0.6MPa)下， 保证空气能充分地溶于废水中，并 使水、气良好混合。
• 混合时间一般为1–3min，混合时间 与进气方式有关，即泵前进气混合 时间可短些，泵后进气混合时间要 长些。
溶气罐形式
（a）纵隔板式；(b)花板式；(c)横隔板式； (d)填充式；(e)涡轮式
减压阀：
• 减压阀的作用是保持溶气罐出口处 的压力恒定，从而可以控制出罐后 气泡的粒径和数量。
• 也可用低压溶气释放器来代替减压 阀，溶气水流经释放器时，由于形 成强烈的搅动和涡流，便产生微细 气泡。
水射器
• 但水泵必须采用自 吸式进水，而且要 保持1 m以上的水头。
• 最大吸气量不能大 于水泵吸水量的10 ％，否则，水泵工 作不稳定，会产生 气蚀现象。
水泵吸水 管
进 水 池
空气
水 泵
水泵压水 管
溶 气 罐
溶气水 去浮选
• 泵后进气：一般是在 压水管上通入压缩空 气。
空气压缩 机
• 这种方法使水泵工作
(4-61) (4-62)
3 气浮工艺的形式
（1）布气气浮 利用机械剪切力，将混合于水的空气粉碎成小气泡。
按粉碎气泡方式的不同，分为： 1. 水泵吸水管吸气气浮； 2. 射流气浮； 3. 扩散板曝气气浮；（压缩空气） 4. 叶轮气浮。
（2）溶气气浮
原理：使空气在一定的压力作用下，溶解于水并到达过饱和状态，再减至常压释放， 空气便以微小气泡的形式逸出。 a 容气真空气浮 常压空气溶于水，负压析出。
溶气法
• 定义：溶气法是使空气在一定压力的作用下溶解于 水中，并达到过饱和状态，然后再突然使废水减到 常压，这时溶解于水中的空气便以微小气泡的形式 从水中逸出，以进行浮选过程的方法。
• 分类：根据气泡在水中析出时的所处压力的不同， 溶气浮选又可分为:加压溶气浮选和溶气真空浮选 两种类型。
• 加压溶气法需要有空气压缩机、溶气罐、减压阀或 溶气释放器、水泵。
2．悬浮物与气泡附着
悬浮物与气泡附着有三冲基本形式：气泡在颗粒表面析 出，气泡与颗粒吸附以及聚体中裹夹气泡。
气泡能否与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表 面性质。如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为亲水性的， 如颗粒不易被水润湿，则是疏水性的。颗粒的润湿性程度 常用气液固三相间互相接触时所形成的接触角的大小来解 释。
• 按空气与水混合的位置有分为泵前进气与泵后进气 两种。
• 泵前进气：这是由
水泵压水管中引出 水射器
一支管，在支管上
按装水力喷射器，
由于水喷射时产生
负压，将空气吸入， 水泵吸水 管
与废水混合后，经
吸水管、水泵送入
溶气罐。
进
水
池
空气
水 泵
水泵压水 管
溶 气 罐
溶气水 去浮选
• 特点：
• 比较简便，水气混 合均匀，
布气气浮法
• 布气浮选是利用机械剪切力，将混 合于水中的空气粉碎成细小的气泡， 以进行浮选的方法。
• 按粉碎气泡方法的不同，布气气浮 又分为水泵水管吸气浮选、射流浮 选、扩散曝气浮选以及叶轮气浮等 四种。
特点：整个气浮池在负压下操作，空气溶解容易，动力设备和电能消耗少。 缺点：所有设备均要密封在气浮池内，构造复杂，生产中使用不多。 b 加压溶气气浮 其气浮工艺有三种形式： 1. 全溶气法：电耗高，但气浮池溶剂小。 2. 部分溶气法：省电，溶气罐小。但若溶解空气多，需加大压力 3. 回流加压溶气法：适用于SS高的原水，但气浮池容积大。 组成：气饱和设备、空气释放器、气浮池
（2）气浮分类
1. 电解气浮法：有竖流式和平流式装置。 2. 散气气浮法：扩散板曝气气浮：压缩空气通过扩散装置以微小气泡形式进入水中。 简单易行，但容易堵塞，气浮效果不高。 3. 叶轮气浮法：适用于处理水量不大,污染物浓度高的废水。 4. 溶气气浮法：根据气泡析出时所处的压力不同分为：溶气真空气浮和加压溶气气 浮。 5. 生化气气浮法：生物产气，化学产气等。
第四章
沉淀与上浮
一、气浮
1 基本原理
（1）概念 将水、污染物质和气泡这样一个多相体系中含有的疏水性污染粒子，或者附有
表面活性物的亲水性污染粒子，有选择地从废水中吸附到气泡上，以泡沫形式从水 中分离去除的一种操作过程，是一种固－液和液－液分离的方法。
具体过程：通入空气→产生微细气泡→SS附着在气泡上→上浮 应用：自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物，以及比重接近1的固体颗粒
在静止状态下，当气、液、固三相接触时，在气液界面 张力线和固液界面张力线之间的夹角(对着液相的)称为平
衡接触角，用θ表示。θ＜90°者为亲水性物质，θ＞90°者
为疏水性物质.这可从图4-25中物质与水接触面积的大小 清楚地看出。
不论物质的润湿性如何，在三相接触点 上，三个界面张力总是处于平衡状态，即
(4-59)
当气泡与颗粒共存于水中时，在其附着 前，单位界面面积上的界面能之和为
Wl＝σLs+σLG (4-60)
附着后，单位附着面积上的界面能相应 减小为
图4-25 不同悬浮颗粒与水的 浸润情况
W2=σGS，
其界面能降低的数值为
ΔW=Wl-W2=σLS+σLG-σGS
将式(4-60)代入，整理得
ΔW=σLG(1-cosθ)
竖流式气浮池
叶轮气浮设备构造示意图
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2 气浮的理论基础
（1）水中颗粒与气泡粘附的条件 1. 水、气、固三相混合体系中，因不同介质表面因受力不均衡而存在界面张力，气 泡与颗粒或絮体一旦接触，由于界面张力存在会产生表面吸附作用。 2. 润湿周边：三相间的吸附界面构成的交界线。与润湿接触角有关系。（见下页图） 3. 亲水吸附与疏水吸附： （2）泡沫的稳定性 不稳定的后果：气泡浮到水面后，水分很快蒸发，泡沫计易破灭，会使已经浮到水 面的污染物又脱落回到水中。 方法：投加起泡剂（表面活性物质）达到易起气泡的稳定的目的。 （3）改变疏水性能 向水中投加浮选剂，可以使颗粒由亲水性物质变为疏水性。 （4）结合方式（气浮中气泡对絮体和颗粒单体的结合方式） 分为：气泡顶托；气泡裹携；气泡吸附