给水处理课件

水的混凝投藥是混凝工藝必要的前題，混合和絮凝是混凝工藝的兩個階段。為了提高混凝效果，技術上的關鍵在於結合原水水質選用性能良好的藥劑，創造適宜的化學和水力條件，是混凝工藝各階段順利進行的關鍵。§2-1水的混凝機理一、水中膠體的穩定性膠體穩定性的主要原因有三種：1.微粒的布朗運動；2.膠體顆粒間的靜電斥力；3.膠體顆粒表面的水化作用。二、混凝機理1.雙電層作用機理；膠核表面的電位既熱力電位一般固定的，滑動面上的電位電位是表面雙電層構造的一個主要指標，如擴散層的厚度變小，電位曲線變陡，電動電位自然也下降，斥力勢能變小。當擴散層厚度壓縮到某種程度兩個膠粒因布朗運動相互碰撞時，由於膠粒之間的範德華引力不變，而靜電斥力變小兩種力的對比便發生變化，如最大斥力勢能Eb´小於布朗運動的能量時，則膠粒就可以在引力的作用下相互結合起來。擴散層厚度可按強電解質溶液理論中的計算離子半徑的公式來考慮：

δ——擴散層厚度。

A——常數。

Ci——溶液中第i種離子的克分子濃度。

Zi——第i種離子的價數。

CiZ——該溶液的離子強度。

當混凝劑投加量適當時，就可以使排斥能峰降低到Eb´,Eb´小於膠體布朗運動能時，這時兩個相互碰撞的膠粒就可以越過排斥能峰而繼續接近，最終結合成一個較大的膠粒。對於膠粒而言，這就是由穩定狀態解脫出來，一般稱為膠粒脫穩。脫穩膠粒相互凝結，通常稱為混凝。高價反離子壓縮膠體擴散層，元比低價離子有效。2.吸附架橋作用機理作為混凝劑的高分子物質以及AL2(SO4)3，FeCL2溶於水後，經水解和縮聚反應形成高聚物，這些物質均具有線型結構，整分子具有一定的長度，膠體微粒對這類高分子具有強烈的吸附作用，由於高分子物質易被膠粒所強烈吸附，線型長度較大，因而它可以在相距較遠的兩個膠粒之間進行吸附架橋。既當它的一端吸附某一膠粒後，另一端伸入水中又吸附另一膠粒，微粒通過高分子吸附架橋顆粒逐漸變大，最終形成肉眼可見的粗大絮凝體（凡花）。由高分子物質吸附架橋而使液粒相互黏結的過程，通常稱為絮凝。對於高分子混凝劑特別是有機高分子混凝劑來說，吸附架橋起決定作用；對AL2(SO4)3

等無機鹽混凝劑來說，吸附架橋作用和雙電層作用均具有重要作用。3.硫酸鋁的混凝機理

AL2(SO4)3

18H2O是水廠中常用的混凝劑之一，溶於水後，立即離解出AL

3+

AL2(SO4)32AL3++3SO42-AL

3+並非以這種裸露的簡單形態存在，而是結合有6個配位水分子的水合離子

AL(H2O)6

3+

這是一種最簡單絡合物，水合離子水解時，配位水分子可以失去H+而形成單羥基單核絡核物。反應如下：[AL(H2O)6]3++H2O

[AL(OH)(H2O)5]2++H3O+單羥基單核配合物進一步水解[AL(OH)(H2O)5]2++H2O+

[AL(OH)2(H2O)4]++H3O+[AL(OH)2(H2O)4]++H2O

[AL(OH)3(H2O)3]↓+H3O+由上述反應可見，降低水中H+濃度或提高PH，水解反應趨向右方，配位水分子逐漸減少，羥基逐漸增多，而水合羥基絡合物的電荷卻逐漸降低，最終生成中性輕氧化鋁難溶沉澱物。經研究：

當PH4

時，水解受到抑制水中存在的主要是

AL(H2O)6

3+

當PH=4

時，水中將出現

AL(OH)(H2O)5

2+、

AL(OH)2(H2O)5

+及少量[AL(OH)3(H2O)3]

單羥基水合鋁離子雙羥基水合鋁離子當PH=7

8時，水中主要是中性的[AL(OH)3(H2O)3]沉澱物當PH

8.5時，由於輕氧化鋁是典型的兩性化合物，它又重新溶解，並繼續水解，生成可溶性的陽離子。

AL(OH)3(H2O)3+H2O

[AL(OH)4(H2O)2]-+H3O+2[AL(OH)(H2O)5]2+

[AL2(OH)2(H2O)8]4++2H2O在它們之間再進一步結合，還可以生成如[AL3(OH)4(H2O)10]5+以及更多的聚合物，縮聚反應結果，使聚合物水解反應仍繼續進行。

[AL3(OH)4(H2O)10]5++H2O

[AL3(OH)5(H2O)9]4++H3O+[AL6(OH)14]4+、[AL6(OH)15]3+、[AL8(OH)20]4+、[AL7(OH)17]4+、[AL13(OH)34]5+、等等。

PH偏低時，水中電荷低聚合度的絡合物占主導地位，它能對水中膠體雜質發揮壓縮擴散層及電中和作用，使雜質發生凝聚，既起脫穩凝聚作用，吸附架橋居次。在PH值高時，低電荷高聚合度的高聚物占主要地位，它能在膠體雜質微粒之間粘結架橋，使之發生凝聚，既起架橋凝聚作用，電中和脫穩居次。在PH值=7

8時，聚合度極大的中性[AL(OH)3(H2O)3]

將占絕對多數，它能生成微小的凝聚，吸附和粘結水中的膠體雜質，卷帶它們一起從水中分離出去，既起吸附卷掃作用，高聚物具有十分優異的絮凝作用。§2-2混凝劑和助凝劑一、混凝劑水質淨化對混凝劑的基本要求：混凝效果好；對人體健康無害；使用方便；貨源充足，價格低廉。混凝劑的種類：（一）無機鹽類混凝劑1.鋁鹽

AL2(SO4)318H2O

明礬AL2(SO4)3•

K2SO4•24H2O2.鐵鹽

FeCL3•

6H2O

FeSO4•

7H2O二、高分子混凝劑（分無機和有機兩類）1.無機高分子混凝劑

聚合氯化鋁[AL2(OH)nCL6

n]m這種形式可看作以羥基絡合物AL2(OH)nCL6

n為單體，m為聚合度的高分子聚合物，式中：n=1

5,m

10;如：AL2(OH)5CL

既為：m=1,n=5的簡單的羥基絡合物。

AL4(OH)10CL2

既為：m=2,n=5聚合物或多核絡合物。堿式氯化鋁ALn(OH)mCL3n

m，

這種形式可看作複雜的多核絡合物。如：AL6(OH)14CL4、AL13(OH)34CL5等。上述各種物質溶於水後，變離解為複雜的高聚物離子。

AL13(OH)34CL5=[AL13(OH)34]5++5CL-

發揮混凝作用的就是這些帶正電荷的高離子。2.有機高分子混凝劑有機高分子混凝劑雖然效果優異，但製造過程複雜，價格昂貴，它們的毒性問題始終為人們所注意，因而，當前使用的還不普遍。二、助凝劑(一)什麼是助凝劑

當單用混凝劑不能取得良好效果時，須投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。也就是能促進和加速凝聚過程，提高絨粒品質的物質稱為助凝劑。(二)分類1.調整混凝過程的PH值當原水鹼度不足而使混凝劑水解困難時，可投加堿劑，通用的是石灰，以提高水的PH值。

CaO+H2O

Ca(OH)2

Ca(OH)2

Ca+++2OH-

OH-+H+

H2O

混凝劑水解產生的H+

2.

氧化劑3.改善絮凝體結構的高分子助凝劑常用的高分子助凝劑有聚丙烯醯胺、活化矽酸等。活化矽酸是水玻璃配製的，水玻璃的成分可表示為：

Na2OXSiO2yH2O將水玻璃中的SiO2成分分解出來產生膠體的操作過程稱為活化，活化劑一般用H2SO4。

H2SO4+Na2OXSiO2yH2ONa2SO4+XSiO2+(y+1)H2O

活化劑水玻璃XH2SiO2發生縮聚反應、生成帶有負電荷的矽酸高分子化合物加酸攪拌後尚需等待6∼8小時（成熟時間），待溶液變成乳白色後變可使用。

當酸化度為158%時，SiO2將全部分解出來，一般酸化度宜採用75

100%，活化水玻璃以SiO2濃度1

1.5%為宜。它配合鋁鹽、鐵鹽使用效果較好，尤其是處理低溫、低濁水更為有利。要現場調製，即日使用（18小時以內），否則宜形成凍膠。粘土、沉澱污泥等，也可作為絮凝劑的助凝劑。§2-3混凝動力學推動水中顆粒相互碰撞的動力來自兩個方面：一方面顆粒在水中的布朗運動，由布朗運動所造成的顆粒碰撞聚集稱“異向絮凝”。另一方面在水力或機械攪拌下所造成的流體運動，由流體運動所造成的顆粒碰撞聚集稱“同向絮凝”。一、異向絮凝

假定顆粒為均勻球體，根據費克定律，可導出顆粒的碰撞速率：

Np=8dDBn2…..

Np_——單位體積中的顆粒在異向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s）n——顆粒數量濃度；（個/cm3）d——顆粒直徑；（cm)DB_——布朗運動擴散係數;(cm2/s)擴散係數DB可用斯篤克斯—曼因斯坦公式表示：

……………….

K——波茲曼常數,(1.3810-16g.cm2/s2.k)T——水的絕對溫度,(K)

——水的運動黏度,(cm2/s)

——水的密度,(g/cm3)將式代入式

…………….二、同向絮凝同向絮凝簡稱須凝,它在整個混凝過程中佔有十分重要的地位.如圖所示,當水流處於層流狀態下的流速分佈,i和j顆粒均跟隨水流前進.由於I顆粒當前進速度大於j顆粒，則在某一時刻，i與j必將碰撞。設水中顆粒為均勻球體，di=dj=d

,則再以j顆粒中心為圓心，Rij為半徑的範圍內的所有i和j顆粒均會發生碰撞。碰撞速率N0為：

…………..

.

…………….

G——速度梯度(S-1)u和

u——分別為流速和相鄰兩流層的流速增量(cm/s)

z——垂直與水流方向的兩流層之間距離(cm)n和d為原水雜質特性，而G是控制混凝效果的水力條件。故在混凝設備中，往往以速度梯度G值作為重要的控制參數之一。

所謂的速度梯度，就是指兩相鄰水層的水流速度差和它們之間的距離之比，以G表示。

公式推導如下：在被攪動的水流中，考慮一個瞬息受剪而扭轉的隔離體

,在隔離體受剪而扭轉過程中，剪力作了扭轉功。如設在

時間內，隔離體扭轉了角度，於是角速度為：

……..

式中u為扭轉線速度，G為速度梯度，轉矩J：

J=（

）

……..…………

式中：

——剪應力。

——作用在隔離體上的剪力。隔離體扭轉所耗功率等於轉矩與角速度的乘積，於是單位體積水流所耗功率P為：

………...

根據牛頓內摩擦定律：=G代入

式

……………..

——水的動力黏度（pa

s)p——單位體積流體所耗功率（w/m3)G——速度梯度（S-1）

當用機械攪拌時，式

中的P由機械攪拌器提供，當採用水力絮凝池時，P應為水流本身能量消耗；

PV=gQh…………

V=QT……………(11)將

和(11)代入得：

……………..（12）g——重力加速度（9.8m/s2)h——混凝設備中的水頭損失（m)

——水的運動黏度（m2/s）T——水流在混凝設備中的停留時間（s)三、混凝控制指標在混合階段，水中雜質顆粒微小，異向凝聚占主導地位，混合速度快速劇烈，通常在10

30S，最多不超過2分鐘既告完成。攪拌強度按速度梯度計，一般G=7001000S-1之內。在此階段形成的顆粒較小。在絮擰階段，屬同向絮凝，不僅與G值有關，還與絮凝時間T有關。通常以G值和GT作為、控制指標。G=20

70S-1

範圍內，GT=1

1041

105範圍內。有人將顆粒濃度及脫穩程度等因素考慮進去，提出以CVGT或aCVGT值作為控制指標。

CV——水中顆粒體積濃度。a——顆粒有效碰撞係數。如果脫穩顆粒每次碰撞都可導致凝聚，則：

a=1

,而實際a1。從理論上而言，採用CVGT或aCVGT值控制絮凝體效果自然更合理，但具體數值至盡還無法確定，因而目前也只能從概念上加以理解或作為繼續研究的目標。§2-4影響混凝的因素一、水溫水溫低時及低溫水

1.混凝劑的水解速度慢，生成的絮凝體細而松，強度小，不易沉澱。2.水的粘度大，顆粒沉澱速度降低，而且顆粒之間碰撞機會減少，影響了混凝效果。克服水溫低效果差的措施：1.增加混凝劑的投量，以改善顆粒之間的碰撞條件。2.投加助凝劑（如活化矽酸）或粘土以增加絨體重量和強度，提高沉速。二、水的PH值和鹼度水的PH對混凝效果影響很大，對一般的渾濁水，投硫酸鋁的最佳PH範圍為6.5

7.5。我們知道，AL2(SO4)3在水解過程中要產生H+，它與水中HCO3-(鹼度)作用生成CO2。H++HCO3-=CO2+H2O

這使水中碳酸平衡發生變化,PH相應地降低.三價鐵鹽水解反應同樣受PH值的控制，(FeCL36H2O)Fe3++H2O

Fe(OH)2++H+Fe(OH)2++H2O

Fe(OH)2

++H+Fe(OH)2

++H2O

Fe(OH)3

+H+三價鐵鹽混凝劑適應的PH值範圍較寬，最優PH值大約在6.0

8.4之間。使用FeCL47H2O時：Fe2++H2O

Fe(OH)++H+

Fe(OH)++H2O

Fe(OH)2

+H+Fe(OH)2溶解度較大，且Fe2+只能形成較簡單的絡合物，混凝效果較差，因此要把Fe2+氧化成Fe3+，就和FeCL3一樣了。氧化的方法：利用溶解氧氧化4FeSO4+O2+10H2O

4Fe(OH)3+4H2SO4要求：PH

8.5，這樣氧化時間才能短，因此投FeSO4同時投加CaO提高原水的PH。PH8.5時氧化過程緩慢，很難在淨化構築物內完成。加CL2氧化6FeSO4+3CL2

2Fe(SO4)3+2FeCL3三、水中懸浮物濃度的影響因電解質能使膠體凝聚，所以水中溶解鹽類能對混凝發生影響，由於AL2(SO4)3的水解產物都帶正電核，所以天然水中Ca++、Mg++對混凝有利，而水中某些陰離子如CL-，對混凝產生不利影響，不過，這些方面還有許多問題有待研究。粘土雜質，不同的水源粒經大小和級配、化學組成、帶電性能和吸附性能等，各不相同，因而即使濁度相同，混凝性能也未必一樣。一般而言，粒經細小而均一者，混凝效果較差，粒經不同者於混凝有利。顆粒濃度過低往往不利於混凝，人工投加粘土或其他混凝劑可提高混凝效果。當水中有機物過高時，吸附於膠體顆粒上使膠體具有很高的穩定性，這就是所謂有機物對膠體的保護作用，向水中投CL2以氧化有機物，破壞其作用，能提高混凝效果。有機物少時有助凝作用，在實際應用時我們應利用這個作用。混凝劑的最佳投量，主要還靠混凝試驗。

從鋁鹽和鐵鹽水解反應式可以看出，水解過程中不斷產生的H+必然導致水的PH值的下降，天然水中含有一定的鹼度。

HCO3-+H+CO2+H2O

當投藥量較少，原水的鹼度又較大時，由於水中的碳酸化合物的緩衝作用，水的PH值略有降低，對混凝效果不會有大的影響。當投藥量較大，原水的鹼度小時，水中的鹼度以不足已中和水解產生的酸時，水的PH將大幅度下降，以至將至最優混凝條件以下。這時便不能獲得良好的混凝效果，為了保持水的PH值在混凝過程中始終處於最優範圍內須向水中投加堿劑，既對水進行鹼化。一般投加CaO.

AL2(SO4)3+3H2O+3CaO=2AL(OH)3+3CaSO4

2FeCL3+3H2O+3CaO=2Fe(OH)3+3CaCL2

§2-5混凝劑的配製和投加混凝劑的配製和投加其流程為：混凝劑的溶解和溶液的配製大中型水廠通常建造混凝土溶解池並配置攪拌裝置，攪拌的目的在於加速藥劑溶解。攪拌裝置有：機械攪拌、壓縮空氣攪拌、水泵攪拌、水力攪拌等。

中小型水廠，常用自然浸溶，壓力水經穿孔管淋溶或沖溶。

溶液池的容積：

W1——溶液池的容積（M3）；Q——處理的水量（M3/h)；

a——混凝劑的最大投量（mg/l)；b——溶液濃度，一般取（b=10

20）n——每日調製次數2

6次溶液池一般設二個，一用一備。溶解池的溶積：

W2=（0.2

0.3）W1（M3）二、混凝劑溶液的投加對投藥設備的基本要求：1.投量準確、易調節。2.設備簡單、工作可靠、操作方便。

（一）計量設備1.孔口計量

q——流量；

w——孔口面積；

——孔口的流量係數；

g——重力加速度；

h——孔口前作用水頭。3.轉子流量計計量

2.浮杯計量

4.計量加藥泵計量

4.計量加藥泵計量（二）投加方式濕投法1.重力投加

2.水射器投加3.水泵前投加濕投法優點：

投藥量準確、工作穩定可靠；適應性強（粗、精、塊均可）。缺點：設備較龐大，占地大、造價高；投藥量突然增大時，不易調節，排渣困難。幹投法把固體藥劑（通常系硫酸鋁）破碎成粉末後進行定量頭加。優點：

設備占地小；

易調節排渣容易。缺點：投藥量不太準確，（特別是用藥量少時）塊狀藥劑須進行破碎，須增設破碎機。深圳某水廠石灰投加設備石灰頭加設備局部

石灰投加平臺藥劑溶解池及貯液池

溶液池溶解溶液池（一）隔板絮凝池主要設計參數：1.流速：u從大到小逐漸變化，起端0.5

0.6m/s，末端0.2

0.3

m/s。2.絮凝時間：T=20

30分鐘。3.隔板間距：b不小於0.5

0.6m,a=(1.2

1.5)b,池底應有i=0.02

0.03,設不小於150mm排泥管。

絮凝池的總水頭損失：

h=hi一般按絮凝池容積大小水頭損失往復式

hI=0.3

0.5m;回轉式比往復式小40%左右。優點：1.適用於大型水廠，因為Q小b小，不便於施工和維護；2.構造簡單、管理方便、效果較好，回轉式比往復式效果好，水頭損失小30

40%。缺點：1.絮凝時間長，容積較大，水頭損失較大；2.流量變化大時，效果受影響。適合中小型水廠的有豎流式隔板絮凝池。（見例題P276頁）（二）折板絮凝池按水流通過折板的間隙數，又分為“單通道”和“多通道”。多通道折板絮凝池

折板絮凝池與隔板絮凝池相同，其間距應根據水流速度的大小而改變，隔板之間的流速通常也分段設計，分段數一般不少於3段。各段流速分別為：第一段0.25

0.35m/s；第二段0.15

0.25m/s；第三段0.10

0.15m/s。折板的夾角採用90

120，折板可採用鋼絲網水泥或塑膠板等拼裝而成，波高一般採用0.25

0.4m。優點：

1.無論是同波還是異波折板間水流流動連續不斷，可行成眾多小旋渦，提高了顆粒碰撞絮凝效果。2.在折板的每個轉角處，兩折板之間的空間可視為CSTR完全混合連續反應器，眾多連續反應器串聯起來就接近或相當於推流型（PF型）反應器。所以折板絮凝池接近推流型。3.與隔板絮凝池相比，水流條件大大地改善，在總的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高。所需絮凝時間可以縮短，池子體積減小。缺點：

1.因板距小，安裝維修較困難；2.折板費用較高，一般常用於中小型水廠。採用波紋板缺點就更突出。深圳某水廠折板絮凝池（三）機械絮凝池機械設備的優點：

1.絮凝效果好；2.易調節、受水質變化的影響小；3.水頭損失小。缺點：

1.需設置機電設備；2.維修管理較複雜。常用的漿板式機械絮凝池主要設計參數為：1.漿板：總面積為水流截面積的（10

20）%不易超過25%，以免池水隨漿板共同旋轉減弱攪拌效果，漿板長度不大於葉輪直徑的75%，寬度為10

30cm，

2.葉輪旋轉線速度：按葉輪半徑中心點的線速度計算（相當於池中水流的平均速度）第一格0.5

0.6m/s,以後逐漸遞減，最末一格採用0.1

0.2m/s。3.絮凝時間：一般採用15

20分鐘。機械攪拌設備的計算：1.攪拌葉輪轉數n—葉輪轉數，轉/分；v—葉輪半徑中心點線速度，m/s;D0—葉輪半徑中心點旋轉直徑，M（其值與葉輪半徑相等）2.漿板旋轉時，克服水的阻力所耗功率

漿板旋轉時，水對漿板的阻力，也即漿板施於水的推力，在dA面積上水流的阻力可用因次分析方法求得如下的運算式：(見p279)式中：P—漿板所耗總功率，W;n—同一旋轉半徑上漿板數；

r2—漿板外緣旋轉半徑，m;r1—漿板內緣旋轉半徑，m;CD—阻力係數，

—水的密度，—相對於水的旋轉角速度；3.每個旋轉軸所需電動機功率式中：N—電動機功率

1—攪拌設備總機械效率(一般取0.75）;

2—傳動效率，可採用0.6

0.95。注意：漿板線速度是以池子為固定參照物，相對線速度為漿板相對水流運動線速度，其值為旋轉線速度0.50.75倍。只有漿板剛啟動時，兩者才相等，因此漿板受的阻力最大，所以在選用電機時，應考慮啟動功率這一因素。但計算運轉功率獲速度梯度G值，應按全部漿板所耗功率（P公式），或以旋轉線速度乘以0.50.75倍代入。見（P280例題）（四）其他形式絮凝池1.旋流絮凝池一般噴嘴出口：u=2

3m/s.池子出水口：u=0.15

0.20m/s.逆水流方向出水。水頭損失主要集中在進水噴嘴上：—噴嘴流量係數（0.9

0.95）

u—噴嘴流速，m/s.

效果不理想，由於水的短流現象比較嚴重，射流持續攪動時間短，攪動程度不足，為克服上述缺點。出現了多級旋流反應池。2.孔室絮凝池

孔室絮凝池由一系列串聯格間（孔室）組成，格間呈方型或長方形，水以較高流速經孔口流入格間，在格間中造成水流的紊動，從而促進絮凝，一般分6

12級。第一級u=12m/s

以後各級的進口流速依次減少。最末一級.u=0.2m/s;絮凝時間T=20分鐘。進出口上、下交錯佈置。適宜中小水廠3.渦流絮凝池水在池中形成渦流擴散後上升，隨著過水斷面逐漸增大，上升u逐漸減小，池子數不少於2個。進口u=0.7m/s；上升水流u=4

5m/s；T=6

10分鐘；出口u

0.2m/s。=30º

45º；適合小水廠、小水量，水量大效果不理想。4.組合使用日益增多在隔板絮凝池前設機械絮凝池；在旋流絮凝池後設隔板絮凝池；效果好，但設備形式增多。5.網格、柵條絮凝池如圖：共分成兩組，每組9個格（9個豎井），網格層數共分成27層，當水流通過網格時，相繼收縮、擴大，形成渦流，造成顆粒碰撞。水流通過豎井之間孔洞流速及過網流速按絮凝規律逐漸減小，網格和柵條絮凝池主要設計參數見（P28表15-3）網格和格柵絮凝池所造成的水流紊動頗接近於各項同性紊流，故各項同項紊流理論應用網格和柵條絮凝池更為合適。特點：1.絮凝效果好；2.水頭損失小；3.絮凝時間短。缺點：1.從運行看，末端有積泥現象；2.網格上易滋生藻類、有堵塞網眼現象。一般與沉澱池合建，分成兩組，從中間進水，每組水量在1

2.5萬M3/d之間效果較好。

沉澱和澄清

水中固體顆粒依靠重力作用，從水中分離出來的過程稱為沉澱，按著水中固體顆粒的性質，沉澱分為三類：1.自然沉澱顆粒在沉澱過程中不改變其大小、形狀和密度。2.混凝沉澱在沉澱過程中，顆粒由於相互接觸凝聚而改變其大小、形狀和密度，這種過程稱為混凝沉澱。3.化學沉澱在某些特種水處理中，投加藥劑使水中溶解雜質結晶為沉澱物，稱為化學沉澱。§3-1概論§3-2懸浮顆粒在淨水中的沉澱自由沉澱：顆粒沉澱時不受容器壁和其他懸浮物的影響，顆粒狀沉澱。擁擠沉澱：顆粒處於互相干擾的沉澱（網狀沉澱）。一、懸浮顆粒在淨水中的自由沉澱一般認為，懸浮顆粒與器壁的距離大於50倍顆粒的直徑，同時體積濃度小於0.002時（5400mg/L），可認為自由沉澱，此時的沉澱速度稱為自由沉澱速度。以球型顆粒為例，在水中作沉降運動時將受重力、浮力、摩擦阻力三種力的作用。（一）顆粒的重力為：

F1=1/6

d3

sg

顆粒下沉的速度可得自牛頓第二定律：vs——顆粒下沉速度；m——顆粒的品質；t——時間。

s——顆粒的密度；d—顆粒直徑；g—重力加速度。（二）顆粒的浮力為：F2=

1/6

d3

1g

1——水的密度。（三）摩擦阻力其值與顆粒在運動方向上的投影面積A及動壓1/2

vS2有關。

FD——顆粒在水中所受的阻力；cD——阻力係數；

1—水的密度；A—顆粒在運動方向垂直面上的投影面積d2/4；vS——流速（下沉速度）有：顆粒下沉時，起始沉速為零，故以加速度下沉，隨著vs增加，阻力也相應增加，很快顆粒即等速下沉。dvs/dt=0上式可得均勻下沉速度vs,簡稱沉速u

上式為沉速基本公式，式中雖不出現Re，但是，式中阻力係數cD卻與Re有關，Re=ud/

—水的運動粘度。阻力係數cD與雷諾數Re的關係通過實驗得出，見圖：1.層流區Re≤1此時曲線傾角為45°層流區過渡區紊流區代入前式，得：這個公式為斯篤克斯公式,式中（因為ss=

s/1比重），即顆粒越大、水溫越高，沉速u愈快.

—運動粘滯係數；ss—顆粒的比重。這個公式適用d≤0.1mm泥沙顆粒，Re在10-4~1之間。2.過渡區1≤Re≤5003.紊流區500≤Re≤105此時cD=0.4，代入公式，得到牛頓公式：這個公式適用d＞2mm的砂粒。給水沉澱池中的泥沙顆粒的沉澱一般屬於層流沉降狀況。給水處理主要研究對象是0.1mm以下的顆粒的去除問題。在實際應用上，常常以沉速代表某一特點顆粒而無需求出顆粒的直徑。沙粒粒徑：d＞0.1mm

u＞7.5mm/s

去除容易

d=0.01mm

u=0.075mm/s

不易下沉去除

d=0.001mm

膠體，不能自行下沉

必須混凝去除此時取代入公式，得阿蘭公式：這個公式適用於d≤2mm的砂粒。2.過渡區1＜Re＜10003.紊流區1000＜Re＜25000此時cD=0.4，代入公式，得到牛頓公式：這個公式適用d＞2mm的砂粒。給水沉澱池中的泥沙顆粒的沉澱一般屬於層流沉降狀況。給水處理主要研究對象是0.1mm以下的顆粒的去除問題。在實際應用上，常常以沉速代表某一特點顆粒而無需求出顆粒的直徑。沙粒粒徑：d＞0.1mm

u＞7.5mm/s

去除容易

d=0.01mm

u=0.075mm/s

不易下沉去除

d=0.001mm

膠體，不能自行下沉

必須混凝去除此時取代入公式，得阿蘭公式：這個公式適用於d≤2mm的砂粒。二、懸浮顆粒在淨水中的擁擠沉澱

自由沉澱可以看成單個顆粒在無邊無際的水體中下沉，此時顆粒排擠開同體積的水，水將以無限小的速度上升，當大量顆粒在有限的水中下沉時，被排擠的水便有一定的速度，使顆粒所受到的摩擦阻力有所增加，顆粒處於互相干擾狀態，此過程稱為擁擠沉澱，此時的沉澱速度稱為擁擠沉速。

一般講，當原水含沙量增到一定數量，泥沙即處於擁擠沉澱狀態，含沙量再大時，再沉澱過程中會產生濁度相差懸殊的清水區和渾水區，兩區交界面清晰可見，稱為渾液面，該面緩緩下降，直至泥沙完全沉積為止。黃河高濁度水當含沙量＞6kg/m3時，具有擁擠沉澱性質；當含沙量＞15~20kg/m3時，就出現清晰可見的渾液面。

交界面以下的顆粒均處於擁擠沉澱狀態，交界面下降的速度可理解為顆粒在互相干擾時的平均速度，即平均擁擠沉速。某一瞬時，沉澱管中按懸浮物濃度的分佈情況，可分為四個區：清水區A；濃度為C0的等濃度區B；過渡區C；濃縮區D。

隨時間增長，交界面繼續下降，直至B、C兩個區消失，只剩A、D兩個區，D區高度也逐漸減小，設壓即時間t→

，最後壓實到H

為止。以交界面高度為縱坐標，沉澱時間為橫坐標，可得交界面沉降過程曲線。絮凝過程交界面等速下沉下降速度逐漸變小B區消失c-d為上凹的曲線，表明交界面下降的速度逐漸變小。此時B區以消失，故C點稱為沉降臨界點，相應於C點的交界面下的濃度均大於C0。c-d段表示B、C、D三個區重合後沉降物壓實的過程，隨著時間的增長，壓實變慢，最後壓實高度為H∞。a-b段為向下的曲線，可解釋為顆粒間的絮凝過程，由於顆粒凝聚變大，使下降速度逐漸變大。

b-c段為直線，表明交界面等速下降。

a-b曲線段一般較短，且有時不是很明顯，所以可以認為是b-c直線段的延伸。絮凝過程交界面等速下沉下降速度逐漸變小B區消失

該式的含義是：高度為Ht，均勻濃度為Ct的沉澱管中所含懸浮物遇原水高度H0均勻濃度為C0的沉澱管中所含懸浮物濃量是相等的。曲線a´—

Ct—d所虛擬的沉澱管懸浮物擁擠下沉曲線。這條曲線與沉澱管中懸浮物下沉曲線在Ct點以前（即t時間以前）是不一致的，但在Ct點以後（t時間以後）兩曲線重合。作Ct點切線目的，就是為了求任意時間內交界面下沉速度。這條切線斜率即表示濃度為Ct的交界面下沉速度：

由上圖曲線可知，a-c段的懸浮物濃度為C0，c-d段濃度均大於C0，設在c-d曲線上任意一點Ct(Ct>C0)作切線與縱坐標相交於a´點，高度為Ht，按肯奇沉澱理論可得：在a-c段，因切線就是a-c直線本身，Ht=H0,故Ct=C0。由於a-c線斜率不變，說明渾液面等速下沉。當壓縮到H

高度後，斜率為0。即vt=0，說明懸浮物不在壓縮，此時Ct=C

（壓縮濃度）。如同樣的水樣，用不同高度的水深作實驗，發現在不同沉澱高度H1及H2時，兩條沉澱過程線之間存在著相似關係：

說明當原水濃度相同時，A、B區交界的渾液面的下沉速度是不變的，但由於沉澱水深大時，壓實區也較厚，最後沉澱物的壓實要比沉澱水深低時壓實的密實些。由於這種沉澱過程與沉澱高度無關的現象，使有可能用較短的沉澱管作實驗，來推測沉澱的效果。A、B交界面的高度0tp1p2Q2Q1H1H2§3-3平流沉澱池平流沉澱池在運行時，由於受到各種因素的影響池中實際水流情況以及顆粒雜質的沉降過程是十分複雜的，為了使問題得到適當簡化，便於突出主要矛盾，暫將一些次要因素去除，這樣就提出了關於理想沉澱池的概念。一、非絮凝性顆粒沉澱過程分析（理想沉澱池的沉澱原理）1.顆粒處於自由沉澱狀態。即在沉澱過程中顆粒之間互不干擾，不在凝聚和破碎，顆粒的大小、形狀和密度不變，因此顆粒沉速始終不變。2.水流沿著水準方向流動，在過水斷面上，各點流速相等。在流動過程中，v始終不變。3.顆粒沉到池底即認為已被去除。理想沉澱池應符合以下三個假定：沉澱效率：式中：L—沉澱區的長度；h0—沉澱區的水深；

V—水準流速；B—沉澱區的寬度；

A—沉澱區的面積；ui—小於截流速度的沉速（截流沉速）。q—表面負荷率（單位面積沉澱區單位時間所沉澱的水量）；

E—沉澱效率。●BAB´A´u0uibmvv●b′△ABB′～△Abb′相似同樣所以Bh0v=Q水的流量；BL=A沉澱區平面面積；Q/A—

單位面積沉澱區所沉澱的水流量，稱沉澱池的表面負荷（過流率）

理想沉澱池的表面負荷就是它的截流沉速，反應了能全部去除的顆粒中的最小顆粒沉速。由上述可知，渾水在理想沉澱池中的沉澱效率只與沉澱池的表面負荷率有關，而與其他因素（水深、池長、水準流速、沉澱時間）無關，這一結論抓住了沉澱池的主要矛盾，闡明了決定沉澱效率的主要因素反應了下列兩個問題：（1）當E一定時ui越大，q也越高，亦即產水量越大，或當Q、A不變時ui越大、E越高。

ui的大小與混凝效果有關，因此，生產上一定要重視絮凝工藝。（2）ui一定，A增加、E提高。當W（容積）一定時，池深淺些，則表面積大些，沉澱效率可以高些，此即“淺池理論”，斜板、斜管沉澱池的發展即基於此理論。

設P1為所有小於ui的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率，顯然dpi為具有沉速ui的一種顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率。按：式中：p0—所有沉速小於理想沉澱池截留沉速u0的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率；u0—理想沉澱池的截留沉速；

ui—小於截留沉速的顆粒沉速；

pi—所有沉速小於ui的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率；dpi—具有沉速為ui的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率。

能夠在沉澱池中下沉的這種具有沉速ui的顆粒占原水中全部顆粒重量百分率應為：ui/u0·dpi，因此所有能夠在沉澱池中下沉的，沉速小於u0的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率及其去除率應為：

另外，沉速大於和等於u0的顆粒已經全部下沉，其去除率應為（1-p0）,因理想沉澱池總的去除率，即沉澱池效率p為：

以上的討論是理想沉澱池中顆粒沉澱狀況，儘管與實際工作情況並不相符，而理想沉澱池的理論仍可反應顆粒在動水中沉降的某些規律。對研究和發展沉澱工藝，具有一定的實際意義，後面的斜板、斜管沉澱池的工藝即基於理想沉澱池理論。如圖：原水中各種顆粒的數量特性。橫坐標表示顆粒的沉速ui用以反應顆粒的大小；縱坐標P表示所有小於和等於ui的顆粒重量占原水中全部顆粒重量的百分率。020406080100002004006008010012014P沉速（cm/s）dpiuiu0p0積累曲線二、凝聚性顆粒沉澱過程的分析

在分析凝聚性顆粒沉澱過程時，可採用沉澱實驗筒。筒長儘量接近實際沉澱池長度，一般可採用2-3米，直徑不小於100毫米，設5～6個取樣口。將各深度處的顆粒去除百分數的數據點繪在座標紙上（t、p），把去除百分比相同的點p連成光滑曲線，稱為“去除百分數等值線”。這些“去除百分數等值線”代表著：對應所指明去除百分數時，取出水樣中不復存在的顆粒的最遠沉降途徑。渾度與時間的比值則為指明去除百分數時的顆粒的最小平均沉速。

凝聚性顆粒的去除百分數可以從圖上算出，如：當沉降為t0時，其相應的沉速，亦即表面負荷uo=h/t0。為方便起見，時間一般選在曲線與橫坐標相交處。按前面所介紹凡沉速等於或大於uo的顆粒能全部沉掉，而沉速小於uo的顆粒則按照u/uo比值僅僅部分地沉掉。沉降時間為t0時，相鄰兩根曲線所表示的數值之間的差別，反映出同一時間、不同深度的去除百分數的差別。說明有這樣一部分顆粒對於上面一條曲線來說，已認為沉降下去了，而對下麵一條曲線來說，則認為尚未沉降下去。或者說這部分顆粒正介於兩曲線之間，其平均流速等於其平均高度除以時間t0，其數量即為兩曲線所表示的數值之差。這些顆粒正是小於uo的顆粒。根據以上分析，對於某以表面負荷而言，按此圖所示的凝聚性顆粒百分數等值曲線，可以得出總的去除百分數：式中：p2—表示沉降高度h，沉降時間t0時的去除分數，並且是沉速等於或大於u0的已全部沉降掉的顆粒的去除分數。h1—表示時間t0時，曲線p2與p3之間的中點高度；h2—表示時間t0時，曲線p3與p4之間的中點高度；h3—表示時間t0時，曲線p4與p5之間的中點高度；

上述方法是在靜止條件下進行的。應用於生產中實際沉澱池，根據經驗，表面負荷和停留時間應乘以經驗係數。三、影響平流沉澱池沉澱效果的因素1、進水的影響水流經進水穿孔板孔眼的流速0.1～0.2m/s,較池中水流速3～20m/s高出很多，所以進池水流有很大的功能，它能在池內持續很長距離才逐漸消失，這種射流加劇水的紊動，從而影響沉澱效果。影響距離可達數米至數十米之遙。在沉澱池的末端，以水流的出水溢流堰頂為軸心向上形成出流水舌，細粒雜質在出流水舌夾帶下能隨水流流出池外，從而使沉澱效果降低。2、異重流的影響渾水進入沉澱池後，因水中顆粒雜質不斷沉澱而逐漸變清，流出沉澱池的水中渾水物質的含量已經很少，渾水和清水的比重是不同的。即進入沉澱池渾水的比重比流出沉澱池清水的比重大。比重大的渾水進沉澱池後，在重力作用下會潛入池的底部流動，形成所謂的渾水異重流。此外，水的比重與溫度有關，當進水溫度較池內水溫高時，進水有可能趨向池表流動，形成溫度異重流，當進水溫度較池水溫度低時，將會加劇渾水異重流。3、水流紊動性和穩定性對沉澱效果的影響水的紊動性以雷諾數Re判別渾水異重流是平流沉澱池中的基本現象之一，當進池渾水的濃度高時異重流的現象就明顯一些，進池渾水的濃度低時，異重流現象就不如濃度高時明顯。

—水的流速；R—水力半徑；

—水的運動拈滯係數。一般認為，在明渠流中，Re＞500時，水流是紊流狀態，平流沉澱池中水流的Re一般為4000～15000，屬紊流狀態。此時水流除水準流速外，尚有上、下、左、右的脈動分速，且伴有小的渦流體，對水中雜質顆粒的沉降是有影響的，因此，在沉澱池中，通常要求降低雷諾數以利於顆粒沉降。Fr高，慣性力作用相對增加，重力相對減少。水流對溫差、密度異重流及風浪等影響的抵抗的能力強，使沉澱池中的水流流型保持穩定，一般認為平流沉澱池中Fr＞10-5。在沉澱池中，降低Re和提高Fr的有效措施是減小水力半徑R，平流沉澱池的縱向分隔及斜板、斜管沉澱池都能達到上述目的。水的穩定性以費勞德數判別R—水力半徑；—水準流速；g—重力加速度。

在沉澱池中，增大

，一方面提高Re，加強水力的紊動性而不利於沉澱，但另一方面也提高了Fr，而加強了水的穩定性，從而有利於沉澱效果的提高。所以，

可在很寬的範圍內選取，而不至於對沉澱效果有明顯的影響。我國各地一般=10～25mm/s,最高可達30～50mm/s。

4、絮凝過程的影響

對於混凝沉澱池，雜質顆粒的絮凝過程在沉澱池內仍繼續進行。如前所述，池內的水流流速的分佈實際上是不均勻的，水流存在的速度梯度將引起顆粒相互碰撞而促進絮凝。

此外，水中絮凝顆粒的大小也是不均勻的，它們將具有不同的沉速，沉速大的顆粒在沉降過程中能追上沉速小的顆粒而引起碰撞和絮凝。水在池內時間愈長，由速度梯度引起的絮凝便進行的愈完善，說明沉澱時間對沉澱效果是有影響的；池內的水深愈大，顆粒沉速不同引起的絮凝也進行的愈完善，所以沉澱池的水深對混凝效果也是有影響的。

因此，實際生產性沉澱池的沉澱時間和水深均影響沉澱效果。5、其他影響因素

平流沉澱池有時作成回流式這時在水流轉彎區，因有時在池中設有支柱、刮泥桁架等障礙物，也會加強水流局部紊動性。有時由於池面風吹或配水不均也會在池內形成偏流、短流現象，使實際沉澱時間大大縮短，所有這些均使沉澱池的沉澱效果降低。四、平流沉澱池的構造（一）進水區進水區的作用是使水流均勻地分佈在整個進水的截面上，並儘量減少擾動。1.穿孔配水牆一般在絮凝池和沉澱池之間設置穿孔花牆分佈進池渾水。配水孔眼直徑取100mm左右，在沉澱區均勻分佈，以求將渾水在寬度和深度兩個方向上都能均勻分配。

孔眼的總面積由孔眼中的水流速度決定，孔眼速度

大，配水均勻性好，但大顆粒絮凝體經過孔眼會被打碎，相反地，

選小，配水均勻性差，但絮凝體被破壞就輕些，所以≯0.15~0.2M/S。

穿孔配水花牆2.淹沒堰配水裝置淹沒堰頂位於池內水面以下的距離按進水流速0.05m/s計算。淹沒堰後設一消能檔板，使水向下擴散並沿池下部以渾水異重流方式流向末端，這種配水裝置能使進池渾水沿池寬方向均勻分佈，進水甚小，絮凝顆粒不會被打碎，進水因檔板消能，使進水影響大為減輕，經生產使用效果很好。(二)沉澱區採用導流牆對平流沉澱池進行縱向分格可以減小水力半徑R達到改善水流條件的目的。沉澱池的高度與其前後有關淨水構築物的高程佈置有關，一般約3~4米，沉澱區的長度L決定於水準流速

和停留時間T，即：L=

T

沉澱池的寬度決定於流量Q、池深H和水準流速

即：B=Q/H

沉澱區的L、B、H之間互相關聯，為獲得良好的效果，沉澱池應具有合理的構造形式，一般認為狹長型較好。長寬比：h—堰前水深（以米計）。長深比：寬深比：（三）出水區1、溢流堰出水出水溢流堰頂要十分平整，保證在池寬方向上能均勻出流水，溢流堰如不平，會使出水不均，進而影響池內水流的均勻性。將溢流堰作成鋸齒形狀，即由許多小的三角堰組成，這樣就能增大堰前水深，使堰頂不平引起的出水不均勻程度減輕，堰口夾角一般為60°～90°，對90°的三加薄壁堰出水的流量為：2、齒型溢流堰出水3、不淹沒孔口出水不淹沒孔口出水，在出水槽壁上設一排孔口，孔口設於沉澱池水面以下，而位於出水槽水面以上，這種出水裝置比溢流堰出水要均勻一些，一個孔口的出流量為：

0—每個孔口面積。Q正比與h1/2；孔口流速0.6~0.7m/s；d=20~30mm。（m/s）4、淹沒孔口出水若出水槽壁上孔口的位置沒於槽口水面以下，在水面以下12~15cm,便是淹沒孔口出水。

h為孔口前後的標高差，這樣每個孔口的出水量只與孔口前後的水位差有關，而與孔口的位置無關。所以，淹沒孔口出水時，孔口的位置不平，對出水的均勻性沒有影響，這是比溢流堰出水優越的方面，擔當孔口後出水槽中的水面有較大坡降時，出水的均勻性便受到影響，是其缺點。

沉澱池出水時，會在出水堰（或孔）前形成一個出流水舌，將未沉下的細粒雜質帶出池外，出水單寬流量愈大，出流水舌的影響就愈大，一般出水單寬流量為5~6l/s.m為宜，最好2~3l/s.m。

當單寬流量過大時，可在池後部設幾條出水槽，這樣就能大大地降低出水的單寬流量，能減小出水時向上的流速，提高出水水質。（四）存泥區和排泥措施要求：1、池底做成向前傾斜的i=0.02坡度；2、在池底中部或一側蛇排泥溝，排泥溝i=0.05橫坡，池前設排泥鬥，鬥底設排泥管通向室外下水道，為避免堵塞，排泥管徑≮200~300mm，排泥管底端設底閥或閥門，當池內集泥過厚時，需停池進行排泥，排泥時打開排泥管上的閥門，將池內水放空，然後用人力以壓力水槍沖刷沉泥，直至全部積泥鏡排泥管排出為止。3、人工排泥一次需一天，一年需排除一至數次。4、沉泥在池中經過長時間濃縮後，濃度可達400kg/m3。1、人工排泥2、鬥底排泥前部池底設置許多排泥鬥，可在不停水的情況下進行排泥，排泥鬥壁傾角為30°~45°，每個鬥底都有排泥管，管上設閥門或底閥。定期開啟閥門，可