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1、第三章 重力沉降法 3.1 概述 o沉降法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性 能，在重力作用下产生下沉，以达到固 液分离的一种过程。 o分离对象: 粒径10 m 可沉物 沉降处理工艺的应用 沉砂池：用以去除污水中的无机性易沉物 初次沉淀池：较经济的去除悬浮有机物，减轻后续 生物处理构筑物的有机负荷 二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物 膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。 污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步 浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理 费用等。 自由沉降 悬浮颗粒浓度不高；非絮凝性或弱絮凝性 ，沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗 粒各自单独进行沉降，颗粒沉降轨迹
2、呈直 线。沉降过程中，颗粒的物理性质不变。 发生在沉砂池中。 根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和 浓度，沉降可分成四种类型 悬浮颗粒浓度不高（50-500mg/L）； 沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝 作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉 降，沉降轨迹呈曲线。沉降过程中， 颗粒的质量、形状、沉速是变化的。 化学絮凝沉降属于这种类型。 絮凝沉降成层沉降压缩沉降 悬浮颗粒浓度较高（500mg/L以上）； 颗粒的沉降受到周围其它颗粒的影响， 颗粒间相对位置保持不变，形成一个整 体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥 水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发 生。 悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤 压成团状结构，互相接
3、触，互相支承， 下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用 下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污 泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在 压缩沉降。 图3.1 活性污泥在二沉池中的沉降过程 分 析 的 假 定 沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等 不变 颗粒为球形 颗粒只在重力作用下沉降，不受器壁和 其他颗粒影响。 静水中悬浮颗粒开始沉降时，因受重力作用 产生加速运动，经过很短的时间后，颗粒的 重力与水对其产生的阻力平衡时，颗粒即成 等速下沉。 3.2 沉降的基本原理 悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力 重力大于浮力时，下沉； 重力等于浮力时，相对静止； 重力小于浮力时，上浮。 悬 浮 颗 粒 在 水 中 的
4、受 力 分 析 2.根据牛顿定律，水对自由颗粒的阻力为FD 式中： Fd-水对颗粒的阻力； Cd-牛顿无因次阻力系数； As-自由颗粒的投影面积； uS-颗粒在水中的运动速度， 即颗粒沉速。 式中：As运动方向的面积 Cd牛顿无因次阻力系数； us颗粒沉降速度 当受力平衡时，沉速变为us（最终沉降速度） 得球状颗粒自由沉降的沉速公式： 球状颗粒自由沉降的沉速公式 图3.2 阻力系数与绕流雷诺数的关系 层流区（亦称斯托克斯定律）： 是水的动力粘度。 过渡区（艾伦区） 紊流区（牛顿区） 颗粒沉降速度uS影响因素： 颗粒us下沉 悬浮状态 不能用沉降法去除； 颗粒us上浮 浮上法 正比， 反比， 斯
5、托克斯定律 图3.3 沉降速度与颗粒直径与比重的关系 3.3 沉降试验和沉降曲线 o自由沉降试验及其沉降曲线 o絮凝沉降试验及其沉降曲线 一、自由沉降试验及沉降曲线 o试验装置 o沉降试验 H0=1.52.0m 100mm H=H0-H 试验装置示意图 试验方法1 o试验步骤： o取直径为80100mm,高度为1.52.0m的沉降 筒n个（68个）； o将已知悬浮物浓度C0与水温T的水样，注入各沉 淀筒，搅拌均匀后，同时开始沉淀；取样点设 于水深H=1.2m处 o经t1历时后，在第1个沉淀筒取100mL水样，经t2 历时后，在第2个沉淀筒取等量水样，依次取样 分析各水样的悬浮物浓度C1，C2，
6、Cn o在直角坐标纸上，作沉降效率E与沉淀历时t之 间的关系曲线，沉降效率E与沉速u关系曲线 试验方法1(数据记录与处理) E u CnCiC3C2C1C0C H0H0H0H0H tntit3t2t1t0t E 沉降时间，t (min) 图3-1 E-t曲线 最小沉速，u E 图3-2 E- u曲线 试验方法1(数据记录与处理) 试验方法1存在的缺陷 给定的沉降时间t内： 对于uu0的颗粒全部除去1-p0 对于uu0的颗粒可被部分去除p0 给定的沉降时间t内： 对于dd0的颗粒全部除去1-p0 对于dd0的颗粒可被部分去除p0 ？：对于uu0的颗粒，可去除部分所占比例是 多少？去除率是多少？
7、H h 试验方法2步骤 o试验步骤： o取直径为80100mm,高度为1.52.0m的沉 降筒n个（68个）； o将已知悬浮物浓度C0与水温T的水样，注入各 沉淀筒，搅拌均匀后，同时开始沉淀；取样 点设于水深H=1.2m处； o经沉降时间t1，t2， ， ，tn时，分别取1 ，2，n的沉降筒内取样口以上的 全部水样，分析各水样的悬浮物浓度C1，C2 ， ，Cn 沉降效率ET u u0的颗粒中，di di + dd范围内颗粒所占SS总量的百分率 用dp表示；则在di di + dd范围内能被去除部分颗粒占SS总 量的百分率为： 对于u u0的颗粒，其中可 去除部分所占比例为： 对于全部uu0颗粒
8、群体，可去除部分为： 总沉降效率 uu0部分颗粒所占百分率为1 p0 则，总沉降效率为ET ： 沉降速度 u u0 1-p0 p0 p0 沉降速度 u u01 p3 沉降速度分布曲线沉降速度分布曲线的图解 Uu0颗粒分率，p 颗粒分率，p u02u03u3u2 u1 p2p1 两种方法比较(由数据绘制沉降曲线) E 沉降时间，t (min) E-t曲线 最小沉速，u E E- u曲线 ET-t E-t ET- u E- u 例题3-1：污水悬浮物浓度C0400mg/L， 用第二种试验方法的结果见表3-1，试求： 需去除u02.5mm/s（0.15m/min）的颗 粒的总去除率？需去除u01.0
9、mm/s（ 0.06m/min）的颗粒的总去除率？ 表3-1 沉降试验记录 取样 时 间 （ m in ） 悬浮物 浓 度 （ mg/ L） 去除量 1-P0(C0- Ci)/C0 沉速 剩余 量 P0 Ci/ C0 mm/sm/min 0C040000.000.001 5C1240 (400- 240)/4 00 0.4 1200/(5 *60) 4.00 0.24 240/40 0 0.6 15C22080.481.330.080.52 30C31840.540.670.040.46 45C41600.60.440.030.4 60C51320.670.330.020.33 90C6108
10、0.730.220.010.27 120C7880.780.170.010.22 图3-1 剩余量P0沉速u关系曲线 表3-2图解计算法 ut(mm/s ) dPutdPudP ut(mm/s ) dPutdPudP 0.110.040.0044 0.00440.880.030.02640.1234 0.250.060.0150.01941.170.020.02340.1468 0.370.10.0370.05641.670.020.03340.1802 0.580.070.04060.0972.30.020.0460.2262 o要求去除u02.5mm/s颗粒的总去除率为 ：从图3-1查得u
11、02.5mm/s时，剩余量 P00.56；沉速utu0=2.5mm/s的颗粒 的去除量0.226（由表3-2），总去除 率为： 即ut2.5mm/s的颗粒，可去除44； ut2.5mm/s的颗粒，可去除9 o要求去除沉速u01.0mm/s的颗粒的总去 除率为：从图3-1查得u01.0mm/s时，剩 余量P00.5；沉速utu0的颗粒的去除量 0.1234（由表3-2），总去除率为： 即utu01.0mm/s的颗粒，可去除50 ；utu01.0mm/s的颗粒，可去除12.3 。 o例3-2：用有效水深为1.5m的沉降 柱对某离散型工业废水作静止试验 ，取得表3-3所列的数据，试求u0 2.8m/
12、min时的ET值时多少？ 表3-3 自由沉降试验数据表 时间（min）0.512.556.810 沉速(m/min)3.00 1.50 0.60 0.30 0.22 0.15 P0Ci/C00.550.460.330.210.110.03 o根据表3-3数据，作出图3-2所示的沉速 分布曲线，由图中查出，当u0 2.8m/min时，p00.544，即有54.4 的固体颗粒沉速小于u0，其中能被去除 的部分占SS总量的分率 用图解积 分法求取。计算结果见表3-4。 图3-2 剩余量P0沉速u关系曲线 表3-4图解计算法 dP0.110.100.120.130.84 u0.150.250.430.
13、952.0 udP0.1650.0250.0510.1240.168 udP0.1650.4150.9250.2170.385 二、絮凝沉降试验及沉降曲线 絮凝沉降的特点： o颗粒的形状、大小、密度在沉降过程中 改变； o浓度上稀下浓；SS浓度随水深度变化而 变化，且呈现非线性变化。 u随d 而增大。 1.絮凝沉降试验 装置： 140150mm，H=2.02.5m； 45个取样口，间距500mm 1.絮凝沉降试验 试验步骤： （1）试验开始时，将已知悬浮物浓度C0，水温T的水样注入沉淀 筒，注满沉淀筒，搅拌均匀，开始计时； （2）每隔一定的时间间隔（510min），同时从各取样口取水 样（两份
14、，求平均浓度），确定不同时间、不同水深处残留的SS 的浓度C1、C2、Ci、Cn； （3）计算水样悬浮物的去除率； （4）绘制不同深度的Et曲线和SS等去除率曲线； （5）计算在某一个指定水深处，在某一沉降时间t下悬浮物的总 沉降率Et（） o总沉降率Et（） o例3-3：已知某种废水中絮凝性悬浮固体 浓度为430mg/L。通过絮凝沉降试验， 取得表3-5所列的结果。试计算沉降时间 为40min时，水深1.5m处的SS总沉降效 率Et？ 表3-5 多点取样沉降试验数据 沉降时间（min） 不同水深处的残留SS浓度（mg/L） 0.5m1.0m1.5m 5356.9387395.6 10309.
15、6346.2365.5 20251.6298.9316.1 30197.8253.7288.1 40163.4230.1251.6 50144.1195.7232.2 60116.1178.5204.3 75107.5143.2180.6 o（1）计算不同水深处各沉降时间的SS去除率Et。 沉降时间 （min） Et（） 0.5m1.0m1.5m 517.0 10.0 8.0 1028.0 19.5 15.0 2041.5 30.5 26.5 3054.0 41.0 33.0 4062.0 46.5 41.5 5066.5 54.5 46.0 6073.0 58.5 52.5 7575.0 6
16、6.7 58.0 o（2）绘制不同水深的SS去除率与沉降时间关系 曲线。 图3-3 Ett关系曲线 （3）绘制 SS等去除率曲线 表3-7 40min等时线与中间去除率曲线交点的hi和Ei值 o（4）计算ET值。 3.4 理想沉淀池 理想沉淀池假设： o沉淀区过水断面上各点的水流速度均相 同，水平流速为v； o悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度 为u； o在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗 粒均匀分布在整个过水断面上； o颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。 当某一颗粒进入沉淀池后 另一方面，颗粒在重力 作用下沿垂直方向下沉 ，其沉速即是颗粒的自 由沉降速度u。 一方面随着水流在水平 方向流动，其水平流速 v等于水流速度； 颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在 沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡
