工艺技术 深度：重力沉降工艺及设计

01

概述

1.1 基本概念

重力分离: 是依靠废水中悬浮物密度与水密度不同这一特点来分离废水中固体悬浮物的方法。

当悬浮物的密度大于水的密度时,在重力作用下, 悬浮物下沉形成沉淀物(sludge)。

当悬浮物的密度小于水的密度时, 悬浮物将上浮到水面形成浮渣(scum)

1.2 沉降在废水处理系统中的作用

在一级处理的废水处理系统中, 沉降是主要处理工艺, 废水处理效果的高低,基本取决于沉淀池的沉淀效果。

在二级处理的废水处理系统中, 沉降具有多种功能。

在生物处理设备前设初次沉清池, 以减轻后继处理设备的负荷, 保证生物处理设备净化功能的正常发挥。

在生物处理设备后设二次沉淀池, 用以分离生物污泥,使处理水得到澄清。

在灌溉或排入氧化塘前,废水也必须进行沉降处理,以稳定水质,去除寄生虫卵和能够堵塞土壤孔隙的固体颗粒。

污泥处理阶段的污泥浓缩。

02

沉降过程的类型

根据废水中可沉降物质颗粒的大小、凝聚性能的强弱及其浓度的高低, 按观察到的现象可把沉降可分为：

四种类型:
自由沉降(discrete settling)
絮凝沉降(flocculent settling)
成层沉降(集团沉降、干涉沉降)(zone,settling group settling,hindered settling)
压缩沉降(compression settling)

2.1 自由沉降的特点

发生条件: 废水中的悬浮固体浓度不高,而且不具有凝聚性时发生的。

特征:
沉降过程中,固体颗粒不改变形状和尺寸,也不互相粘合,各自独立地完成沉降过程。
茎颗粒的沉降速度在经一定的沉降时间后保持不

现象:
实验时可观察到水是从上到下逐步变清的。




2.2 絮凝沉降的特点:

发生条件:
固体浓度也不高, 但具有凝聚性是发生的。

特征:
在沉降的过程中,颗粒互相碰撞、粘合, 结合成较大的絮凝体而沉降;
沉降的过程中颗粒的尺寸不断变化;
颗粒的沉降速度是变化的。

现象:
水也是逐渐变清的,但可观察到颗粒的絮凝现象。

影响絮凝沉降速度的因素:
颗粒的絮凝程度；
颗粒之间的碰撞几率；
废水流量的大小:
颗粒浓度和粒径的变化范围；
是否添加药剂；

因此, 絮凝沉降是比自由沉降复杂得多的过程, 其沉降规律只能用实验的方法来确定。

2.3 成层沉降的特点:

发生条件:
废水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后发生的。

特征:
每个颗粒的沉淀将受到其周围颗粒存在的干扰, 沉速有所降低, 在聚合力的作用下,颗粒群结合成为一个整体, 各自保持相对不变的位置共同下沉。

现象:
实验时可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面,沉降的过程实际上是该界面下沉的过程。

2.4 压缩沉降的特点:

发生条件:
废水中悬浮物的浓度很高时发生的。

特征:
此时固体颗粒互相接触, 互相支承, 在上层颗粒的重力作用下, 下层颗粒间隙中的液体被挤出界面, 固体颗粒群被浓缩。

现象:
粒群与水之间也有明显的界面,但颗粒群部分比成层沉降时密集,界面的沉降速度很慢。

03

自由沉淀及其理论基础

3.1颗粒自由沉降速度的确定

计算颗粒最终沉降速度(terminal settling velocity)的假设:

(1)颗粒为球形,不可压缩,也无凝聚性,沉降过程中其大小、形状和质量等均不变;
(2)水处于静止状态;
(3)颗粒沉降仅受重力和水的阻力作用。

在以上假设的条件下可以得出球形颗粒的沉降速度公式。




式中:u一颗粒的沉降末速度，m/s;
ps、p一分别表示颗粒及水的密度,kg/m3； g一重力加速度,m/s2； μ一水的粘度,Pa.s; d一颗粒的粒径,m。

(1)颗粒与水的密度差〔(ps一p愈大,它的沉速也愈大,成正比关系。

当ps>p时, u>0, 颗粒下沉;
当ps<p时, u<0, 颗粒上浮;
当ps=p时, u=0, 颗粒既
不下沉也不上浮。

(2)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, 故提高水温有利于沉降。

(3)颗粒直径愈大, 沉速愈快, 成平方关系。因此随粒度的下降。

颗粒的沉降速度会迅速降低。

3.2 自由沉降去除率的确定

目的: 颗粒自由沉降虽然能够计算,但其计算公式推导过程有许多假设,实际情况与这些假设相差较大,因此实际沉降要复杂得多,需要通过试验才能确定设计沉淀池的参数。

自由沉降试验所用的沉降柱(settlingcolumn)示意图。




每次试验用5-7个相同的沉降柱。

试验步骤:

(1)根据废水的性质和希望达到的去除率估计所需的总沉降时间、沉降时间间隔和取样的次数。把沉降柱编号写在记录表中。

一般为5-7次,取样太多,测定所需的时间和费用高,数据处理也麻烦,次数太少则准确性差。然后确定所需沉降柱的数目;

(2)将待测废水搅拌均匀,加入到各沉降柱中直至水从上部溢流口溢出为止,搅拌均匀并测定原始浓度c0;

(3)搅拌均匀后开始计时,并按确定好的时间间隔,顺序从不同的沉降柱取样口取样,分别测定相应的悬浮物浓度c1、c2、c3…cn。把结果添入记录表中;

(4)计算各沉降时间的沉降速度ui=H/ti;。它的意义是在时间t内能沉降H高度的最小颗粒的沉降速度;表

(5)计算剩余固体分数x, xi=ci/c0,它的意义是悬浮物中沉降速度小于ui的颗粒占悬浮物总量的分数。

因为在沉降t时间时,悬浮物中沉降速度大于u的颗粒已全部沉降过了取样口,而沉降速度小于ui的颗粒的浓度不变。