脫硫廢水-北疆運(yùn)行

1、一、問題提出脫硫廢水主要是鍋爐煙氣濕法脫硫過程中吸收塔的排放水，為了維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)物質(zhì)的平衡，防止煙氣中可溶部分即氯濃度超過規(guī)定值和保證石膏質(zhì)量，必須從系統(tǒng)中排放一定量的廢水，廢水主要來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)，廢水中含有的雜質(zhì)主要包括懸浮物、過飽和的亞硫酸鹽、硫酸鹽以及重金屬。二、運(yùn)行分析（一）脫硫廢水處理概述脫硫廢水處理系統(tǒng)采用氫氧化物沉淀的方法是將脫硫工藝產(chǎn)生的一定量的廢水（廢水中的雜質(zhì)含有大量可溶性氯化鈣、氟化物、亞硝酸鹽、砷、鎘、鉻離子、灰塵等）排至廢水處理裝置進(jìn)行處理，經(jīng)過處理后水質(zhì)達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)后將其進(jìn)行排放。（二）廢水處理系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)項目單位數(shù)值PH-4.06.0C

2、ODmg/L100懸浮物mg/L12，727SO42-mg/L44，716Fe(取決于飛灰分析)mg/L35Fmg/L40.9Mg(設(shè)計)mg/L7,500Mg（范圍）mg/L1,90041,500Camg/L2,000Clmg/L19797.75Cdmg/L2.0A1mg/L10NH4+（取決于FGD入口NH3量）mg/L20溫度52.03（三）工藝流程及原理脫硫廢水中的的懸浮物、膠體等雜質(zhì)，根據(jù)它們顆粒的大小，采取不同的去除方法。對于顆粒直徑大于0.1mm的懸浮物，可靠重力用自然沉降的方法除去，而顆粒小的懸浮物和膠體微粒必須將其轉(zhuǎn)變成較大顆粒方可用沉降法除去。通過混凝、沉淀、澄清和過濾等處

3、理，可使水中懸浮物含量降到5mg/l以下。（四）廢水處理裝置工藝流程脫硫廢水處理裝置工藝流程如下：脫硫廢水處理步驟以下4各步驟：（1）廢水中和反應(yīng)池由3個隔離槽組成，每個隔槽充滿后自流進(jìn)入下個隔槽，在脫硫廢水進(jìn)入第1隔槽的同時加入一定量的石灰漿液，通過不斷攪拌，其pH值可從5.5左右升至9.0以上。（2）使用重金屬沉降劑，重金屬沉淀Ca(OH)2的加入不但升高了廢水的pH值，而且是Fe3+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+等重金屬離子生成氫氧化物沉淀。一般情況下3價重金屬離子比2價離子更容易沉淀，當(dāng)pH值達(dá)到9.09.5時，大多數(shù)重金屬離子均形成了難容氫氧化物。同時石灰漿液中的Ca2+還

4、能與廢水中的F-反應(yīng)，生成難容的CaF2；與As3+絡(luò)合成Ca（AsO3）2等難容物質(zhì)。此時Pb2+、Hg2+仍以離子形態(tài)留在廢水中，所以在第2隔槽中加入有機(jī)硫化物，使其與Pb2+、Hg2+反應(yīng)形成難容的硫化物沉積下來。（3）絮凝反應(yīng)</P><p>經(jīng)前2步化學(xué)沉淀反應(yīng)后了，廢水中含有許多細(xì)小而分散的顆粒和膠體物質(zhì)，所以在第3隔槽中加入一定比例的絮凝劑FeClSO4，使它們凝聚成大顆粒而沉積下來，在廢水反應(yīng)池入口加入陽離子高分子聚合電解質(zhì)作為助凝劑，來降低顆粒的表面張力，強(qiáng)化顆粒的長大過程，進(jìn)一步促進(jìn)氧化物和硫化物的沉淀，使細(xì)小的絮凝物慢慢變成更大、更容易沉積的絮狀物，同

5、時脫硫廢水中的懸浮物也沉降下來。（4）濃縮/澄清絮凝后的廢水從反應(yīng)池溢流進(jìn)入裝有攪拌器的澄清/濃縮池中，絮凝物沉積在底部通過重力濃縮成污泥，上部則為清水。大部分污泥經(jīng)污泥泵排到灰漿池，小部分污泥作為接觸污泥返回廢水反應(yīng)池，提供沉淀所需的晶核。上部凈水通過澄清/濃縮池周邊的溢流口自流到凈水箱，凈水箱設(shè)置了監(jiān)測pH值和懸浮物的在線監(jiān)測儀表，如果pH和懸浮物達(dá)到排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)則通過凈水泵外排，否則將其送回廢水反應(yīng)池繼續(xù)處理，直到合格為止。（五）脫硫廢水處理工藝原理（1）混凝反應(yīng)的機(jī)理1）膠體的穩(wěn)定性與脫穩(wěn)1.1膠體的穩(wěn)定性膠體是顆粒直徑約在10-610-4mm之間的微粒，由膠體微粒與分散介質(zhì)（水）所組

6、成的分散體系稱為膠體體系。膠體體系是一種多相體系，在膠體微粒與分散介質(zhì)之間存在相分界面。由于膠體顆粒甚小，比表面積非常大，因此膠體具有很大的界面自由能。正是這種巨大的界面自由能，決定了膠體體系的許多特性，膠體的穩(wěn)定性就是其中的一種。膠體的穩(wěn)定性有兩類，即動力穩(wěn)定性和聚集穩(wěn)定性。1.2動力穩(wěn)定性。膠體微粒的粒徑很小，在分散介質(zhì)中受到來自各個方面水分子的撞擊次數(shù)相對來說較少，撞擊力相互抵消的可能性也較小，加之每一顆膠體微粒質(zhì)量甚小，受重力影響甚微，故膠體微粒在水中作無規(guī)則的布朗運(yùn)動。正是在布朗運(yùn)動作用下，膠體微?？稍陂L時間內(nèi)不發(fā)生沉降，即長時間保持其分散狀態(tài)，這種由布朗運(yùn)動所引起的穩(wěn)定性稱為動力穩(wěn)

7、定性。另一方面，由于布朗運(yùn)動，膠體微粒可能發(fā)生相互碰撞，如果碰撞使膠體微粒相互粘合在一起，形成較大的顆粒，則布朗運(yùn)動會減弱或消失，這些較大的顆粒就會在重力作用下沉降，即膠體微粒失去動力穩(wěn)定性。1.3聚集穩(wěn)定性。如果膠體微粒在相互碰撞中，因膠體微粒之間的排斥力或膠體微粒表面的水合層（又稱水化膜）阻礙膠體微粒相互聚合，這種促使膠體微粒保持其分散狀態(tài)而不凝聚的性能稱為聚集穩(wěn)定性。穩(wěn)定的膠體體系必須同時兼有動力穩(wěn)定性和聚集穩(wěn)定性，但以聚集穩(wěn)定性更為重要。因為膠體顆粒一旦失去聚集穩(wěn)定性，膠體微粒的相互碰撞就會引起膠粒的凝聚，結(jié)果是膠粒增大，布朗運(yùn)動的影響減弱，甚至消失，最終也會使動力穩(wěn)定性消失。膠體能長

8、時間保持其穩(wěn)定性，其原因是膠體具有雙電層結(jié)構(gòu)（憎水膠體）或膠體微粒表面有一層水合層（親水膠體）。膠體按其對水的親和力，可分為親水膠體和憎水膠體。親水膠體在水中保持穩(wěn)定性是由于在膠粒表面具有一定厚度的水分子薄層，即水合層，水合層具有定向排列結(jié)構(gòu)。當(dāng)膠粒相互接近時，水合層被擠壓變形，但因它有力圖恢復(fù)定向排列結(jié)構(gòu)的能力，使水合層表現(xiàn)出有彈性，成為膠粒相互接近時的機(jī)械阻力。天然水中親水膠體主要是某些有機(jī)物，在它們的微粒表面形成水合層是因為這些有機(jī)膠體微粒本身具有表面極性基因（如-OH、-COOH等），這些基團(tuán)能吸引大量極性水分子形成水合層。在水溶液中，親水有機(jī)膠體與周圍的水合層一起作布朗運(yùn)動。據(jù)測定，

9、親水有機(jī)膠體的電荷量一般較小。憎水膠體由于其微粒表面存在雙電層，微粒間產(chǎn)生靜電斥力而具有穩(wěn)定性。天然水中的粘士和其它一些無機(jī)質(zhì)微粒屬于憎水膠體，它們具有較大的電荷量。憎水膠體微粒一般具有晶體結(jié)構(gòu)和較大的表面積，較大的表面積是憎水膠體微粒形成雙電層的主要原因?，F(xiàn)以FeCl3水解而形成的Fe（OH）3膠體為例，說明其雙電層結(jié)構(gòu)。Fe（OH）3膠體的核心是許多Fe（OH）3分子的集合體，稱為膠核。膠核具有較大的表面積，它能吸附水中某些與膠體組成相近似的離子，或性質(zhì)、大小相近似的離子（FeO+），這種離子稱為電位形成離子，簡稱電位離子。在電位離子層（FeO+）外側(cè)，因受到正電荷的吸引力，分布著大量電荷

10、符號相反的離子，簡稱反離子（例如Cl-）。其中的部分反離子受到較大的靜電引力（有時還有吸附力的作用），而與膠核表面的離子層緊密結(jié)合，形成吸附層（又稱固定層），其厚度約為一個離子的厚度（約0.2-0.3nm）。在吸附層外的反離子，受到正電荷的引力較小，因此在熱運(yùn)動和濃差擴(kuò)散的影響下，分散到溶液之中，形成擴(kuò)散層。由上述可知，雙電層是由吸附層和擴(kuò)散層兩個部分組成的，膠核、吸附層和擴(kuò)散層組成的整體稱膠團(tuán)如圖22（a）所示。膠團(tuán)呈中性。當(dāng)膠體微粒和水溶液發(fā)生相對位移時，吸附層中的離子和擴(kuò)散層中部分離子隨膠核一起運(yùn)動，這部分稱為膠粒，而擴(kuò)散層中的其余離子則或多或少地滯留在水溶液中，因此在這里存在一滑動界面

11、。由此可知，所謂膠體帶電，實際上是膠粒帶電。在膠體微粒與水溶液之間實際上有三種不同的電位見圖22（b）：微粒表面處的電位（整個雙電層的電位），即熱力學(xué)電位中0，吸附層與擴(kuò)散層分界處的電位d以及滑動界面處的電位即電位。對于足夠稀的溶液，在擴(kuò)散層中隨著距離的增加，電位的改變很緩慢，而固相所束縛的水合層很薄，因此可把電位與d等同地看待。電位等于滑動界面和主體溶液之間的電位差，它的大小決定了膠粒的電荷量，電位越大，膠體微粒間的靜電斥力越大，因此膠粒越不易聚集，膠粒的聚集穩(wěn)定性越高。電位隨水溶液中電解質(zhì)濃度的不同而有較大的變化，這種變化與擴(kuò)散層厚度有關(guān)，一般來說，濃度大時擴(kuò)散層厚度減薄，電位下降。2)膠

12、體微粒間的排斥力和吸引力膠體微粒間除靜電斥力外，還存在著分子間的相互吸引力，因此在討論膠體穩(wěn)定性時，應(yīng)考慮膠體微粒間相互吸引的能量與阻礙聚集的相互排斥的能量兩方面的總效應(yīng)。當(dāng)同類膠體微粒相互接近，且兩個微粒的擴(kuò)散層相互重疊時，由于靜電力彼此排斥而不能聚集；但另一方面，膠體微粒在布朗運(yùn)動作用下可能相碰撞，此時在范德華引力作用下，膠體微?？赡芫奂Ｐ柚赋?，膠體微粒間的引力和單分子間的范德華引力在本質(zhì)上是相同的，但膠體間的引力是組成膠粒的各個分子的引力的總和。若不考慮膠體微粒表面水化膜的作用，則膠粒能否聚集，就取決于布朗運(yùn)動的動力、靜電斥力和范德華引力之間的合力或這三種力所產(chǎn)生的綜合能量。在一定溫度

13、下，布朗運(yùn)動所產(chǎn)生的動力基本上是一定的，因此，膠體微粒的聚集最終取決于靜電斥力和范德華引力所產(chǎn)生的綜合勢能。這兩種作用力的大小與膠體微粒之間的距離有關(guān)。圖23所示為靜電斥力勢能和范德華引力勢能及其綜合勢能與膠體微粒之間的距離的關(guān)系。在圖中排斥勢能為正值，因為膠體微粒間存在排斥力時，要使它們相互接近，就需消耗一定的能量。引力勢能為負(fù)值，因為膠體微粒間存在引力時，不需消耗能量它們就能自動靠近，這時所作的功為負(fù)功。由圖23可知，當(dāng)膠體微粒間的距離較大（大于圖中的3處）時，其雙電層未重疊，排斥力不發(fā)生作用，起作用的是吸引力，但由于其值甚小，膠體微粒不會聚集。當(dāng)膠體微?？拷揭欢ň嚯x以致雙電層重疊，則排

14、斥力起主要作用，在距離2處排斥勢能最大，稱排斥能峰。但與此同時，膠體微粒間的吸引力也隨距離的縮短而增大，當(dāng)距離縮短到小于1處時，吸引勢能占主導(dǎo)地位。要使膠體微粒相互聚集，必須克服排斥能峰。如果由于某種原因使得吸引勢能足以克服排斥能峰，則膠體就表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。在這種情況下，碰撞將使膠體微粒聚集。3)膠體的脫穩(wěn)膠體由于電位降低或其它原因失去聚集穩(wěn)定性的過程稱為膠體脫穩(wěn)。膠體脫穩(wěn)的方法按其作用機(jī)理，可分為以下幾種：3.1投加電解質(zhì)。向含有負(fù)電荷膠體的天然水中投加帶高價反離子的電解質(zhì)后，水中反離子的濃度增大，此時水中膠體微粒的擴(kuò)散層在反離子的壓縮下減薄，使電位下降。電位的下降，使膠粒間相互作用勢能發(fā)生

15、變化。當(dāng)電解質(zhì)濃度達(dá)到某一值時，在任意距離內(nèi)，綜合勢能均為吸引勢能。電位降至零時，膠粒間的排斥勢能完全消失，此時膠體達(dá)到完全脫穩(wěn)的狀態(tài)，膠粒間的吸引勢能達(dá)到最大值，膠粒很容易凝聚。電位等于零時的狀態(tài)，稱為等電點狀態(tài)。研究表明，凝聚不一定要在等電點時才進(jìn)行，在電位值約為0.03V時，排斥勢能已經(jīng)降到足以使膠粒相互接近，此時在吸引力的作用下，顆粒開始凝聚。因此可以認(rèn)為這一電位值是膠體穩(wěn)定的限度，故稱為臨界電位值。反離子價數(shù)越高，其脫穩(wěn)效果越高。這是因為反離子價數(shù)越高，它不但能壓縮膠體微粒的擴(kuò)散層，而且易于進(jìn)入其吸附層，使膠體的電位顯著降低。3.2投加與天然水中膠體電荷相反的膠體。向天然水中投加與原

16、有膠體電荷相反的膠體后，這兩者由于電荷相反發(fā)生電中和，它們的電位的絕對值隨之降低。為使兩種膠體凝聚，必須控制適當(dāng)?shù)耐都恿?。投加量不足時，在相互凝聚過程中，兩者的電位雖有所降低，但仍保持一定的值，故凝聚效果不高。投加量過大時，會發(fā)生膠體再帶電現(xiàn)象，因為原有膠體脫穩(wěn)后形成的絮凝體具有較大的吸附能力，它能吸附過量的帶相反電荷的膠體而重新帶電，即原有膠體電荷發(fā)生變化。3.3投加高分子絮凝劑。高分子絮凝劑是水溶性線型高分子化合物，分子呈鏈狀。每一鏈節(jié)是一化學(xué)單體，單體上含有可離解的基團(tuán)。投加高分子絮凝劑，通過吸附架橋使水中膠體脫穩(wěn)的方法，稱為吸附架橋脫穩(wěn)法。高分子絮凝劑之所以能吸附膠體微粒，是因為具有線

17、型結(jié)構(gòu)的絮凝劑分子內(nèi)含有諸如-COOH、-NH2、-OH、-CONH等活性基團(tuán)。這些基團(tuán)在靜電引力、范德華力、氫鍵或其它物理化學(xué)作用下，使高分子絮凝劑吸附在膠體微粒表面。在吸附架橋脫穩(wěn)過程中，應(yīng)注意攪拌的均勻性及攪拌強(qiáng)度。劇烈的攪拌會使已脫穩(wěn)的膠體重新穩(wěn)定，因為高分子絮凝劑與膠體表面之間的結(jié)合可能被折斷，延伸的部分又折回到膠體微粒表面。(2)影響混凝效果的工藝條件如上所述，混凝過程從投加混凝劑起，經(jīng)歷水解、聚合、吸附、電中和，最終形成絮凝體，所以影響混凝效果的工藝條件很多。這些工藝條件是水的pH值、混凝劑劑量、水溫、原水中膠體顆粒濃度、原水離子組成、流體攪拌條件和接觸介質(zhì)等等?，F(xiàn)以鋁鹽混凝為例

18、，就這些條件進(jìn)行簡要說明。1)pH值的影響向天然水中投加硫酸鋁后，水的pH值略有降低，這里所指的pH值，是指加藥后水的pH值。1.1pH值對鋁離子水解產(chǎn)物形態(tài)的影響。鋁離子水解產(chǎn)物的形態(tài)主要取決于水的pH值。當(dāng)pH為某一值時，各種不同形態(tài)的水解產(chǎn)物可能同時存在，但往往是某一種形態(tài)是主要組成部分，而另一些是次要的。由于水的PH值不同，水解產(chǎn)物的形態(tài)不同，因此對混凝效果的影響也不同。用鋁鹽作混凝劑時，混凝處理的最佳pH值一般在6.57.5之間。在此pH值范圍內(nèi)，鋁鹽的水解產(chǎn)物主要是低正電荷、高聚合度的多核羥基絡(luò)離子和氫氧化鋁。試驗證實，在pH6.57.5條件下，原水中膠體仍具有一定的電位，其值為1

19、015mV，故這時混凝處理的決定性作用是吸附架橋，混凝效果較高。1.2pH值對原水中有機(jī)物形態(tài)的影響。pH值低時，水中腐殖質(zhì)為帶負(fù)電荷的腐殖酸膠體，此時易于用混凝除去：當(dāng)pH值較高時，它轉(zhuǎn)化為腐殖酸鹽，因而除去率較低。鋁鹽除腐殖質(zhì)的最適宜的pH值為6.06.5。由上述可知，對一具體水源，其混凝處理的最佳pH值無法從理論上估算，只有通過試驗求得。2)混凝劑劑量混凝劑劑量指的是，在單位體積水中投加混凝劑的量。計量單位是mg/L或g/m3,圖24為混凝曲線示意，它直觀地反映出混凝劑劑量對混凝效果的影響。由圖可知，混凝曲線可分成三個不同的區(qū)域，第1區(qū)為混凝劑低劑量區(qū)，由于劑量低，混凝效果不佳；在第2區(qū)

20、，由于混凝劑劑量增大，混凝效果明顯提高；在第3區(qū)，混凝劑劑量的增大只能稍微提高混凝效果。通常將第2區(qū)和第3區(qū)之間m點對應(yīng)的混凝劑劑量稱為最佳混凝劑劑量。曲線上的m點的具體劑量與水質(zhì)有關(guān)。由于混凝過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，因而所需的混凝劑劑量目前無法根據(jù)計算來確定。為此，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)和對處理后的水質(zhì)要求，通過試驗來求得最佳劑量。多年的運(yùn)行經(jīng)驗表明，天然水混凝處理的最佳混凝劑劑量一般為0.30.7mmol/L。下列混凝劑劑量數(shù)據(jù)可供混凝處理時選用：硫酸亞鐵41.797.3 mg/l、硫酸鋁3377 mg/l，聚合鋁5.277.37 mg/l。須指出的是，當(dāng)原水膠體濃度低，懸浮物含量小于501

21、00mg/l時，需投加大量的混凝劑，以便形成大量金屬氫氧化物沉淀物，保證較好的混凝效果。在現(xiàn)場，人們在處理低濁度水量，通常向水中投加表面積大的粘土以增加水中膠體顆粒濃度，同時，適當(dāng)增加混凝劑量，以便能取得較好的混凝效果。3）原水堿度原水堿度值對混凝處理有影響，這是因為它影響著混凝劑水解進(jìn)行的程度，如原水的堿度不足以中和混凝劑水解所產(chǎn)生的氫離子，結(jié)果使加混凝劑后水的pH值偏低。此時為使混凝劑水解順利進(jìn)行，可添加堿來提高水的pH值。至于是否需要堿化，應(yīng)通過求最佳pH值的試驗來決定。在設(shè)計工作中，可按照天然水經(jīng)混凝處理后其殘留堿度為0.30.5 mmol/L來估算所需添加的堿量Dj，其計算公式如下：

22、DjDN 0.4 B式中 Dj需添加的堿量，mmol/L；DN混凝劑劑量，mmol/L。0.4殘留堿度，mmol/LB原水全堿度，mmol/L。如果計算結(jié)果Dj為負(fù)值，則不需堿化。4)水力條件對混凝效果的影響在確定混凝處理的最佳PH值和最佳混凝劑劑量之后，十分重要的問題是合理選擇混凝處理時的水力條件。這種水力條件指的是水和混凝劑的混合以及絮凝體形成和長大所需的水力條件?；炷幚淼囊话闼l件是，混凝劑加入水中后，開始需要強(qiáng)烈的攪動紊流，在紊流中小旋渦不斷形成和消失，由此促使混凝劑均勻擴(kuò)散以利于混凝劑快速水解、聚合和膠體脫穩(wěn)。一旦絮凝體形成，就應(yīng)減弱攪動強(qiáng)度以免打碎絮凝體。5)水溫的影響用鋁鹽作

23、為混凝劑時，水溫對混凝效果有較大的影響。水溫的作用反映在如下兩個方面，一是溫度的變化影響膠體微粒的布朗運(yùn)動，亦即影響脫穩(wěn)膠體顆粒的移動速度；二是水溫影響混凝劑水解和聚合的反應(yīng)速度，從而影響形成的凝絮結(jié)構(gòu)。當(dāng)水溫低于5時，形成的絮凝體細(xì)而松，含水分多，此時絮凝體的沉淀速度慢、混凝效果差。運(yùn)行實踐證實，用鋁鹽對天然水進(jìn)行混凝處理時，最佳水溫為2530：用鐵鹽作混凝劑時，水溫對混凝效果的影響較小。6)接觸介質(zhì)的影響混凝處理時，如在水中保持一定數(shù)量的接觸介質(zhì)，則可使混凝過程進(jìn)行得更快更完全。在電廠水處理系統(tǒng)中，利用澄清池內(nèi)的泥渣起接觸介質(zhì)作用，即利用泥渣表面的活性，吸附水中的懸浮雜質(zhì)和混凝處理時形成的

24、細(xì)小絮凝體。而在另一些電廠的水處理系統(tǒng)中，混凝過程是在過濾器中進(jìn)行的（接觸過濾），此時過濾材料在這里起接觸介質(zhì)的作用。(2)沉淀。水中不同的懸浮顆粒，在水中的沉降特征有很大差別。有些懸浮顆粒在水中沉降時會發(fā)生顆粒間彼此粘合的現(xiàn)象，這種性能稱為絮凝性，這類顆粒稱為絮凝顆粒；另一些顆粒沉降時不會彼此粘合，這些顆粒稱為離散顆粒；還有些顆粒介于以上兩者之間。在水處理工藝中，所涉及的顆粒，除較大的砂粒外，一般都具有絮凝性。水中懸浮顆粒的沉降過程比較復(fù)雜，因為影響此過程的因素甚多，例如顆粒本身的絮凝性、顆粒的密度和大小、各種大小顆粒的相對量和水溫等，此外還有當(dāng)許多顆粒一起沉降時發(fā)生的彼此干擾。因此，天然水

25、中懸浮顆粒的沉降規(guī)律仍需借助試驗探討。1）顆粒在靜水中的沉降根據(jù)懸浮顆粒沉降特征的不同，將其沉降過程分三種情況討論，即自由沉降（離散沉降）、絮凝沉降和擁擠沉降（層狀沉降）。這里討論靜水中這三種沉降的沉降規(guī)律。1.1自由沉降為了將問題簡單化，下面討論離散顆粒在靜水中的沉降規(guī)律，并作如下假定：顆粒在靜水中沉降時不受容器壁的干擾，同時也不受周圍其他顆粒的干擾；顆粒的形狀理想化，假定它們的形狀為球形；在沉降過程中，顆粒之間不發(fā)生任何絮凝現(xiàn)象，即它的形狀、大小、質(zhì)量等均不發(fā)生變化。顆粒在靜水中沉降的初期，由于重力作用，以加速度沉降，根據(jù)牛頓第二定律，可表示如下： （2-1）式中 u顆粒的沉降速

26、度；m顆粒的質(zhì)量；t時間；FW由于重力作用而形成的力，F(xiàn)W=SVg； （2-2）FB水對顆粒所產(chǎn)生的浮力， FB =LVg； （2-3）FD顆粒周圍的水對顆粒下沉所產(chǎn)生的阻力即摩擦力。理論分析和試驗結(jié)果表明，對球形的懸浮顆粒來說，在靜水中沉降時其阻力可表示為 （2-4）式中 S、L分別為顆粒和水的密度；V顆粒的體積，V=（1/6）d3g重力加速度；d顆粒的直徑：液體的動力粘度。將式（2-2）、（2-4）代入式（2l）中就可得到顆粒在靜水中沉降的方程式，即（2-5）隨著顆粒下沉速度的加大，抗拒沉降的阻力也加大，直至有效重力與阻力相等時，顆粒便以等速下降。顆粒在靜水中的沉降，從加速度到等

27、速沉降的時間是相當(dāng)短暫的，所以研究可以不考慮這一階段，只研究等速沉降的速度，即所以有 （2-6）公式（2-6）即為顆粒在靜水中的沉降速度公式，又稱為司篤克斯公式。此式有很大的局限性，只有顆粒為球形和靜水（或流動水的層流區(qū)）才成立，所以實際上并不能用來計算懸浮顆粒的沉降速度。但它有助于理解影響沉降的各個因素，從而有利于掌握沉淀澄清處理的原理和工藝條件。上述公式表明，顆粒直徑d對沉降速度的影響很大，因u與d的平方成正比。所以通過混凝處理將水中細(xì)小顆粒凝聚成絮狀物，可大大增加沉降速度，提高沉淀效果。其次，影響顆粒沉降速度的是顆粒與水之間的密度差（S-L），所以在混凝處理中，增大絮狀物的密度

28、，可提高沉淀效果。水的動力粘度系數(shù)也影響顆粒的沉降速度，與水溫有關(guān)，提高溫度會降低水的粘度，有利于提高沉降速度。上述影響因素只是對離散球形顆粒在靜水中沉降速度的影響，而在實際情況下，顆粒形狀和水力條件等都會影響顆粒的沉降速度。1.2擁擠沉降當(dāng)水中顆粒濃度較大時，顆粒的沉降會受到周圍顆粒的干擾，下沉顆粒所置換出來的水將會上升而影響周圍顆粒的沉降速度，同時也增加了下層的顆粒濃度，這時就不能看作是自由沉降，而是擁擠沉降了。擁擠沉降的特點是在沉降過程中出現(xiàn)一個清水與渾水的交界面，并以界面的形式不斷下沉（所以又稱為層狀沉降），沉降過程就是交界面的下降過程，交界面的下降速度就是顆粒的平均沉降速度。若將一個

29、高濁度水樣放入沉降簡內(nèi)，進(jìn)行靜止沉降試驗，如圖2l（a）。經(jīng)過一個很短時間，就會在清水與渾水之間形成一個交界面，又稱渾液面。如果研究某一時刻沉降高度中懸浮物濃度的變化，可以把整個高度分成四個區(qū)域，如圖2l（b）所示。上層濃度最小為清水區(qū)m；渾液面以下有較長一段高度，濃度是均勻的，為等濃度區(qū)n：在簡底部有一段顆粒逐漸壓實的區(qū)域，它的濃度比等濃度區(qū)的大，稱為濃縮區(qū)p；在等濃度區(qū)和濃縮區(qū)之間有一個過渡區(qū)O。隨著沉淀時間的增長，渾液面往下移動，一直到等濃度區(qū)和過渡區(qū)完全消失，只剩下清水區(qū)和濃縮區(qū)。此后，濃縮區(qū)也逐漸減小，直到最后壓實為止。這樣，研究固體顆粒在靜水中的沉降規(guī)律就歸結(jié)為研究渾液面隨時間的下

30、降規(guī)律了。以渾液面的高度為縱坐標(biāo)，以沉淀時間為橫坐標(biāo)，就可得到渾液面下降曲線，如圖 2l（c）所示。沉降開始不久，在B點處出現(xiàn)渾液面，AB段就是渾液面形成的過程，因為有絮凝現(xiàn)象，所以下降速度是逐漸增大的，因此AB段是向下凹的曲線。BC段是一條直線，表示渾液面等速下降，一直到C點。CD段是一向上凹的曲線，表示渾液面下降速度逐漸減小。此時等濃度區(qū)己消失，所以C點是沉降臨界點，相應(yīng)于C點以下的濃度都大于等濃度區(qū)的濃度。CD段表示等濃度區(qū)、過渡區(qū)和壓縮區(qū)重合后沉淀物的壓實過程。隨著沉降時間增長，最后壓實到某一高度。擁擠沉降速度一般可用下式表示：uCu0式中 uC顆粒濃度為C時的沉降速度；u0 顆粒自由

31、沉降速度：干擾系數(shù)。主要為顆粒濃度的函數(shù)。除了顆粒濃度影響沉降速度以外，顆粒密度、形狀、水力條件等都會影響擁擠沉降速度，因此很難用一個表達(dá)式表示值，必須通過試驗確定，試驗條件不同，得出的值表達(dá)式也不同。其中最簡單的表達(dá)式為10-kC即 uC=10-kCu0 （2-7）式中 C懸浮顆粒的體積濃度；k反映懸浮物特性的常數(shù)。1.3絮凝沉降在水處理工藝中，實際情況是天然水中的懸浮顆粒或多或少具有絮凝性，當(dāng)采用混凝處理時，顆粒的絮凝性更強(qiáng)，所以發(fā)生的是絮凝沉降。在發(fā)生絮凝沉降時水中顆粒會隨其沉降而不斷變大，顆粒的增大又使其沉降速度加快。因此，絮凝顆粒其沉降速度不是恒定的，對這類顆粒的沉降所需研究的，往往

32、不是某一沉降而是通過試驗來測定顆粒在水中的沉降特性，比如不同水深處水中顆粒的去除率等。常用的試驗方法是：取一定量的水樣，置于多口沉降管中，使水中懸浮物在靜置的條件下自然沉降。然后，定時在各取樣口取出不同水深處的水樣，測定它們的顆粒濃度，進(jìn)而計算出不同時間、不同水深處的顆粒去除率。2）顆粒在動水中的沉降在水處理生產(chǎn)實踐中，顆粒在靜水中沉降的場合不多，多數(shù)是在流動的水中完成沉降過程的。顆粒在流動的水中沉降時，除受到前面討論過的因素影響之外，還受到下述水流特性的影響。2.1水流的不均勻性理想的水流狀態(tài)應(yīng)是“活塞式”流動，這樣的水流是均勻的。此時水在池中的理論停留時間t為 （2-8）式中 V池容積；Q設(shè)計流量。而實際上，由于水流在不同部位遇到的阻力不一樣，會引起一些局部的甚至整體的不規(guī)則流動，各點流速不等。水流的不均勻性勢必影響顆粒的沉降。2.2水的流態(tài)水在池中流過時，水流有層流和紊流之別，在紊流情況下，水流有向各方向擾動的情況，這對顆粒沉降很不利。反映水流流態(tài)的參數(shù)是雷諾數(shù)Re， （2-9）式中 R水力半徑；u水的流速；水的密度；水的絕對粘度。水力半徑的定義為濕周除濕潤面積的商，例如對于平流式沉淀池，水力半徑為 （2-10）式中 H池深；B池寬。Re越小