當(dāng)代給水與廢水處理原理_高良敏_常規(guī)分離過程與膜分離

1、第五章第五章 常規(guī)分離過程與膜分離常規(guī)分離過程與膜分離南昌航空大學(xué)環(huán)化學(xué)院主講人：段吳燕第五章第五章 常規(guī)分離過程與膜分離常規(guī)分離過程與膜分離 常規(guī)常規(guī)分離分離過程過程凝聚與絮凝凝聚與絮凝基本概念基本概念膠體顆粒的基本性質(zhì)膠體顆粒的基本性質(zhì)絮凝動(dòng)力學(xué)絮凝動(dòng)力學(xué)水處理中的凝聚與絮凝水處理中的凝聚與絮凝沉淀實(shí)驗(yàn)沉淀實(shí)驗(yàn)離散顆粒的沉淀試驗(yàn)離散顆粒的沉淀試驗(yàn)絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)Kynch的沉淀理論的沉淀理論濃縮池濃縮池利用利用Kynch理論確定濃縮池面積理論確定濃縮池面積利用固體通量曲線確定濃縮池面積利用固體通量曲線確定濃縮池面積濾床過濾濾床過濾濾床

2、過濾的流體力學(xué)濾床過濾的流體力學(xué)水處理中的濾床過濾水處理中的濾床過濾膜分離膜分離膜分離法概述膜分離法概述反滲透反滲透超濾超濾膜生物反應(yīng)器膜生物反應(yīng)器本本章章結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)框框架架 第一節(jié) 凝聚與絮凝 混凝混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝，：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝， 是凝聚和絮凝的總稱。是凝聚和絮凝的總稱。凝聚凝聚：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。相當(dāng)于給水處理中：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。相當(dāng)于給水處理中加藥混合后的極端一段時(shí)間，可能在一秒鐘以內(nèi)。加藥混合后的極端一段時(shí)間，可能在一秒鐘以內(nèi)。絮凝絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集稱為絮凝。主要在絮凝設(shè)備中完成。：脫穩(wěn)膠體

3、相互聚集稱為絮凝。主要在絮凝設(shè)備中完成。本節(jié)主要涉及涉及：本節(jié)主要涉及涉及：膠體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)；膠體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)；絮凝動(dòng)力學(xué)；絮凝動(dòng)力學(xué)；水處理中的絮凝與凝聚。水處理中的絮凝與凝聚。 5.1.1 基本概念基本概念第一節(jié) 凝聚與絮凝5.1.2 膠體顆粒的基本性質(zhì)膠體顆粒的基本性質(zhì) 水處理中常見膠體水處理中常見膠體：粘土顆粒（對(duì)于：粘土顆粒（對(duì)于d4m），大部分細(xì)菌），大部分細(xì)菌（0.280nm），病毒（），病毒（10300nm），蛋白質(zhì)。），蛋白質(zhì)。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：膠體顆粒在水中保持分散狀態(tài)的性質(zhì)。：膠體顆粒在水中保持分散狀態(tài)的性質(zhì)。 憎水性膠體，親水性膠體或介于兩者之間。憎水性膠體，親水性膠體或

4、介于兩者之間。 對(duì)憎水性膠體，其穩(wěn)定性可用雙電層結(jié)構(gòu)來說明。對(duì)憎水性膠體，其穩(wěn)定性可用雙電層結(jié)構(gòu)來說明。 對(duì)于親水性膠體，其穩(wěn)定性主要由于它所吸附的大量水分子對(duì)于親水性膠體，其穩(wěn)定性主要由于它所吸附的大量水分子所構(gòu)成的水殼來說明。所構(gòu)成的水殼來說明。第一節(jié) 凝聚與絮凝5.1.3 （憎水性）膠體的雙電層結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性（憎水性）膠體的雙電層結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性 固相表面對(duì)水中某種離子的特異吸附；（例：固相表面對(duì)水中某種離子的特異吸附；（例：AgI膠體顆粒表面膠體顆粒表面電勢(shì)決定電勢(shì)決定Ag+離子在溶液中的活度。）離子在溶液中的活度。） 極難溶的離子型晶體與它溶解下來的離子產(chǎn)物之間有一平衡關(guān)系，極難溶的離

5、子型晶體與它溶解下來的離子產(chǎn)物之間有一平衡關(guān)系，（這一平衡關(guān)系由溶度積來確定），這使得晶體表面有了一定符號(hào)（這一平衡關(guān)系由溶度積來確定），這使得晶體表面有了一定符號(hào)的電荷。鐵、鋁、氫、氧化物顆粒表面電荷可以是依此機(jī)理產(chǎn)生的。的電荷。鐵、鋁、氫、氧化物顆粒表面電荷可以是依此機(jī)理產(chǎn)生的。由于金屬氧化物或氫氧化物的溶解沉淀反應(yīng)與溶液由于金屬氧化物或氫氧化物的溶解沉淀反應(yīng)與溶液pH值有關(guān)，因此，值有關(guān)，因此，這類顆粒的表面電荷和電勢(shì)受這類顆粒的表面電荷和電勢(shì)受pH控制；控制；1顆粒表面電荷的產(chǎn)生顆粒表面電荷的產(chǎn)生 水中膠體表面都帶有電荷，在一般水質(zhì)中，粘土、細(xì)菌、病毒水中膠體表面都帶有電荷，在一般水質(zhì)

6、中，粘土、細(xì)菌、病毒等都是帶負(fù)電的膠體。而氫氧化鋁或氫氧化鐵等微晶體都是帶正等都是帶負(fù)電的膠體。而氫氧化鋁或氫氧化鐵等微晶體都是帶正電的膠體，其表面電荷的產(chǎn)生有如下四個(gè)機(jī)理：電的膠體，其表面電荷的產(chǎn)生有如下四個(gè)機(jī)理：第一節(jié) 凝聚與絮凝 顆粒表面離子化官能團(tuán)的離解，特別是高分子有機(jī)物因其極性顆粒表面離子化官能團(tuán)的離解，特別是高分子有機(jī)物因其極性 能團(tuán)的酸堿離解而使表面帶上電荷；（受能團(tuán)的酸堿離解而使表面帶上電荷；（受pH控制）（如蛋白質(zhì)：控制）（如蛋白質(zhì)：COOH R NH2） 某些離子型晶體（結(jié)晶物質(zhì)）的某些離子型晶體（結(jié)晶物質(zhì)）的Schottky缺陷在晶體表面產(chǎn)生缺陷在晶體表面產(chǎn)生過量的陽或

7、陰離子，而在其表面呈帶正電或負(fù)電。（粘土及其它鋁過量的陽或陰離子，而在其表面呈帶正電或負(fù)電。（粘土及其它鋁硅酸鹽礦物晶體的表面電荷成因）硅酸鹽礦物晶體的表面電荷成因）以上四個(gè)機(jī)理不是截然可分的，不同情況下由其中一個(gè)或幾個(gè)機(jī)理起作用。以上四個(gè)機(jī)理不是截然可分的，不同情況下由其中一個(gè)或幾個(gè)機(jī)理起作用。第一節(jié) 凝聚與絮凝圖圖5-1 膠體的雙電層結(jié)構(gòu)膠體的雙電層結(jié)構(gòu)2. Gouy-Ghapman擴(kuò)散雙電層理論擴(kuò)散雙電層理論 膠粒吸附層擴(kuò)散層膠團(tuán)邊界電位離子反離子滑動(dòng)面電位電位第一節(jié) 凝聚與絮凝雙電層一般包括內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層為雙電層一般包括內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層為Stem吸附層吸附層，外層，外層為

8、為離子擴(kuò)散層離子擴(kuò)散層。擴(kuò)散雙電層的電勢(shì)分布：擴(kuò)散雙電層的電勢(shì)分布： （5- 1） 對(duì)于球形顆粒的擴(kuò)散雙電層電勢(shì)分布：對(duì)于球形顆粒的擴(kuò)散雙電層電勢(shì)分布： （5- 2） )(exp0arkra)exp(4kxzekT第一節(jié) 凝聚與絮凝3. Stem-Grahame 吸附層吸附層在顆粒表面與擴(kuò)散雙電尼之間存在一離子的專屬吸附層。由于強(qiáng)在顆粒表面與擴(kuò)散雙電尼之間存在一離子的專屬吸附層。由于強(qiáng)的靜電作用和表面對(duì)離子的專屬吸附力，使離子束縛在這一吸附的靜電作用和表面對(duì)離子的專屬吸附力，使離子束縛在這一吸附層中。當(dāng)表面吸附過量的反離子時(shí)可引起顆粒表面電荷變號(hào)。層中。當(dāng)表面吸附過量的反離子時(shí)可引起顆粒表面電

9、荷變號(hào)。在吸附層中存在兩個(gè)與表面平行的平面，即在吸附層中存在兩個(gè)與表面平行的平面，即內(nèi)內(nèi)Helmholtz面面（IHP）和和外外Helmholtz面面（OHP）。）。OHP面是擴(kuò)散雙電層的起點(diǎn)。面是擴(kuò)散雙電層的起點(diǎn)。第一節(jié) 凝聚與絮凝圖圖5-2 Stem-Grahame雙電層模型示意圖雙電層模型示意圖負(fù)電荷負(fù)電荷表面吸表面吸附陰離附陰離子子 正電荷正電荷表面過表面過量地吸量地吸附了反附了反離子離子（負(fù)離（負(fù)離子）子） 第一節(jié) 凝聚與絮凝在顆粒表面與在顆粒表面與IHP平面間和在平面間和在IHP平面與平面與OHP平面間的電位平面間的電位降呈線性規(guī)律。降呈線性規(guī)律。2210CCddi（5- 4） 1

10、00Ci（5- 3） 0+1+d=0 （5- 5） 式中：式中：0、i、d分別為顆粒表面、分別為顆粒表面、IHP面和面和OHP面處的電面處的電勢(shì)；勢(shì)；0、1、d分別為該三處的表面電荷密度；分別為該三處的表面電荷密度；C1、C2分別分別為上述兩個(gè)平行板電容器的電容為上述兩個(gè)平行板電容器的電容 第一節(jié) 凝聚與絮凝4. 憎水膠體的穩(wěn)定與脫穩(wěn)憎水膠體的穩(wěn)定與脫穩(wěn) 膠體顆粒表面存在雙電層是其保持穩(wěn)定的重要原因。當(dāng)兩個(gè)顆膠體顆粒表面存在雙電層是其保持穩(wěn)定的重要原因。當(dāng)兩個(gè)顆粒足夠靠近以致擴(kuò)散雙電層相重疊時(shí)它們之間產(chǎn)生靜電排斥力。粒足夠靠近以致擴(kuò)散雙電層相重疊時(shí)它們之間產(chǎn)生靜電排斥力。 圖圖5-3 兩平板雙

11、電層疊加示意圖兩平板雙電層疊加示意圖xhh/200(x)0m第一節(jié) 凝聚與絮凝邊界條件為：在邊界條件為：在z0和和xh時(shí)時(shí)=0。xh/2時(shí)，時(shí)， 。由此得兩。由此得兩平平行平板中間位置處（行平板中間位置處（x=h/2）的電位）的電位： 0dxd)2exp(8hzem（5- 6） 兩平板間可列靜電力和靜水壓力之間的平衡方程兩平板間可列靜電力和靜水壓力之間的平衡方程，即：，即： 0ddP（5- 7） 式中：式中：P為平板間的靜水壓強(qiáng)；為平板間的靜水壓強(qiáng)；為平板間空間電荷密度；為平板間空間電荷密度；為平板間電勢(shì)為平板間電勢(shì)分布。分布。0)(22dxddxddxdp（5-8） 第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝

12、凝聚與絮凝常數(shù)2)(2dxdp（5-9） 在在x=h/2時(shí)，時(shí)， 。因此，該處只存在靜水壓強(qiáng)（。因此，該處只存在靜水壓強(qiáng)（Pm）。兩平板）。兩平板因擴(kuò)散雙電層疊加產(chǎn)生的靜電斥力（因擴(kuò)散雙電層疊加產(chǎn)生的靜電斥力（Fdl）就等于）就等于(P mP0)之差，即：之差，即： 0dxdmmsmDLddpppF000（5- 10） 兩平板間范德華引力勢(shì)能兩平板間范德華引力勢(shì)能 ：2012 hAVL（5- 11） 圖圖5-4 膠體化學(xué)勢(shì)能作用曲線示意圖膠體化學(xué)勢(shì)能作用曲線示意圖第一節(jié) 凝聚與絮凝 范德華引力是顆粒凝聚或平板間粘附的主要作用力。靜電雙電層斥力范德華引力是顆粒凝聚或平板間粘附的主要作用力。靜電雙

13、電層斥力部分地甚至全部地抵消范德華引力的作用，而使顆粒保持穩(wěn)定。靜電雙電部分地甚至全部地抵消范德華引力的作用，而使顆粒保持穩(wěn)定。靜電雙電層作用勢(shì)能層作用勢(shì)能VDL和范德華引力勢(shì)能和范德華引力勢(shì)能VL0的合成稱為的合成稱為相互作用勢(shì)能相互作用勢(shì)能。 一般存在一極大值一般存在一極大值Vm稱為稱為斥能峰斥能峰。這樣，當(dāng)兩。這樣，當(dāng)兩個(gè)顆粒在靠近斥能峰時(shí)，個(gè)顆粒在靠近斥能峰時(shí)，在靜電斥力作用下將重新在靜電斥力作用下將重新分開，不能發(fā)生凝聚。分開，不能發(fā)生凝聚。22012)exp(64hAkhkkTnVVVLODLT（5- 12） 48642220AkkekTnVm（5- 13） 斥能峰的表達(dá)式：斥能峰

14、的表達(dá)式：第一節(jié) 凝聚與絮凝結(jié)論：結(jié)論： 根據(jù)膠體化學(xué)作用勢(shì)能曲線的變化趨勢(shì)，擴(kuò)散雙電層厚度大致可取為根據(jù)膠體化學(xué)作用勢(shì)能曲線的變化趨勢(shì)，擴(kuò)散雙電層厚度大致可取為1/k的的3倍。因此，較強(qiáng)的膠體化學(xué)相互作用將發(fā)生在倍。因此，較強(qiáng)的膠體化學(xué)相互作用將發(fā)生在6/k的距離范圍之內(nèi)。的距離范圍之內(nèi)。 范德華引入勢(shì)能曲線決定于范德華引入勢(shì)能曲線決定于Hamaker常數(shù)值，因此對(duì)給定的膠體顆粒常數(shù)值，因此對(duì)給定的膠體顆粒間的相互作用，它是不變的。然而，雙電層作用勢(shì)能曲線卻隨著溶液條間的相互作用，它是不變的。然而，雙電層作用勢(shì)能曲線卻隨著溶液條件的變化而變化。這是因?yàn)樵搫?shì)能決定于件的變化而變化。這是因?yàn)樵搫?shì)

15、能決定于n0和和k-1等受溶液條件控制的參等受溶液條件控制的參數(shù)。數(shù)。 當(dāng)雙電層作用足夠強(qiáng)烈時(shí)，當(dāng)雙電層作用足夠強(qiáng)烈時(shí)，VT-h曲線上存在一正的極大值曲線上存在一正的極大值Vm，見圖，見圖5-4中曲線中曲線1。隨著雙電層作用減弱，即雙電層作用勢(shì)能曲線下移，極大值。隨著雙電層作用減弱，即雙電層作用勢(shì)能曲線下移，極大值減小以致最終消失成為負(fù)值，見圖減小以致最終消失成為負(fù)值，見圖5-4中曲線中曲線2。這時(shí)，顆粒間將發(fā)個(gè)脫。這時(shí)，顆粒間將發(fā)個(gè)脫穩(wěn)而凝聚。水處理中的混凝過程就是為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變。穩(wěn)而凝聚。水處理中的混凝過程就是為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變。第一節(jié) 凝聚與絮凝5. 電勢(shì)電勢(shì) 由上述討論可以得出：由

16、上述討論可以得出： 膠體顆粒在水中由于表面官能團(tuán)的解離，電勢(shì)決定離子的吸附以及膠體顆粒在水中由于表面官能團(tuán)的解離，電勢(shì)決定離子的吸附以及晶格缺陷等原因產(chǎn)生表面電荷及電勢(shì)。顆粒表面電荷大部分情況受水的晶格缺陷等原因產(chǎn)生表面電荷及電勢(shì)。顆粒表面電荷大部分情況受水的pH控制，并存在一控制，并存在一電荷零點(diǎn)的電荷零點(diǎn)的pH（PH0）。）。 固液界面處靜電場(chǎng)受到吸附層中的吸附反離子和擴(kuò)散層中的反離子的固液界面處靜電場(chǎng)受到吸附層中的吸附反離子和擴(kuò)散層中的反離子的屏蔽作用。吸附層內(nèi)電勢(shì)導(dǎo)線性降低而擴(kuò)散層的電勢(shì)則呈指數(shù)函數(shù)降低。屏蔽作用。吸附層內(nèi)電勢(shì)導(dǎo)線性降低而擴(kuò)散層的電勢(shì)則呈指數(shù)函數(shù)降低。 影響膠體顆粒穩(wěn)定

17、件的主要參數(shù)是影響膠體顆粒穩(wěn)定件的主要參數(shù)是擴(kuò)散層電位擴(kuò)散層電位d和和厚度厚度（由參數(shù)（由參數(shù)k-1代代表）。增加溶液離子強(qiáng)度可使表）。增加溶液離子強(qiáng)度可使k值增大，表現(xiàn)為擴(kuò)散雙電層變薄。當(dāng)吸附值增大，表現(xiàn)為擴(kuò)散雙電層變薄。當(dāng)吸附層內(nèi)過量吸附反離子可引起電荷反號(hào)，使表面電位層內(nèi)過量吸附反離子可引起電荷反號(hào)，使表面電位0與擴(kuò)散電位與擴(kuò)散電位d符號(hào)符號(hào)相反。這些都會(huì)引起肢體顆粒脫穩(wěn)而凝聚。相反。這些都會(huì)引起肢體顆粒脫穩(wěn)而凝聚。第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝電勢(shì)的大小和符號(hào)與擴(kuò)散層電勢(shì)電勢(shì)的大小和符號(hào)與擴(kuò)散層電勢(shì)d相近。相近。 =d （5- 14）當(dāng)對(duì)電泳槽兩端施加直流電壓時(shí)，可通過顯微鏡觀測(cè)到

18、電泳槽中膠當(dāng)對(duì)電泳槽兩端施加直流電壓時(shí)，可通過顯微鏡觀測(cè)到電泳槽中膠體顆粒在水中向正極（帶負(fù)電膠體）或負(fù)極（帶正電膠體）運(yùn)動(dòng)的體顆粒在水中向正極（帶負(fù)電膠體）或負(fù)極（帶正電膠體）運(yùn)動(dòng)的遷移率。顆粒電泳遼移率遷移率。顆粒電泳遼移率uc定義為定義為 ：Evucc（5- 15） uc與與電勢(shì)的關(guān)系為電勢(shì)的關(guān)系為 ：式中，式中，為水的介電常數(shù)；為水的介電常數(shù)；為水的粘度；為水的粘度；f（ka）為修正系數(shù)。）為修正系數(shù)。a為顆粒半徑。為顆粒半徑。 )(32kafuc（5- 16） 第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝電解質(zhì)對(duì)親水膠體起凝聚作用的特點(diǎn)：電解質(zhì)對(duì)親水膠體起凝聚作用的特點(diǎn)：第一，離子的價(jià)數(shù)對(duì)凝聚

19、無重要作用；例如，帶負(fù)電的膠體明膠分子，第一，離子的價(jià)數(shù)對(duì)凝聚無重要作用；例如，帶負(fù)電的膠體明膠分子，加氯化鈉不沉淀，加氯化鈣同樣也不沉淀。加氯化鈉不沉淀，加氯化鈣同樣也不沉淀。第二，使親水膠體凝聚沉淀出來起重要作用的是陰離子，陰離子個(gè)僅第二，使親水膠體凝聚沉淀出來起重要作用的是陰離子，陰離子個(gè)僅對(duì)帶正電的親水肢體起凝聚作用，同樣也對(duì)帶負(fù)電的親水膠體起凝聚對(duì)帶正電的親水肢體起凝聚作用，同樣也對(duì)帶負(fù)電的親水膠體起凝聚作用。作用。陰離子起凝聚作用的陰離子起凝聚作用的 Hofmeister 順序：順序： ， 檸檬酸根，檸檬酸根， 酒石酸根，酒石酸根，CH3COO-，Cl-， ，Br-，I- )( ,

20、75624OHCSO2446)(OHC3NO各種陽離子起凝聚作用的能力差別，不如陰離子那樣明顯。各種陽離子起凝聚作用的能力差別，不如陰離子那樣明顯。 第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝憎水膠體間的憎水膠體間的互凝沉淀互凝沉淀 親水膠體間的親水膠體間的互凝沉淀互凝沉淀 同帶相反電號(hào)的親水肢體互相凝聚而沉淀同帶相反電號(hào)的親水肢體互相凝聚而沉淀正負(fù)離子相中和而沉淀正負(fù)離子相中和而沉淀 帶正電膠體與帶負(fù)電的膠體互相凝聚帶正電膠體與帶負(fù)電的膠體互相凝聚 兩種帶負(fù)電荷的親水肢體混合后，其兩種帶負(fù)電荷的親水肢體混合后，其中一種沉淀出來而只一種保持分散中一種沉淀出來而只一種保持分散 帶帶負(fù)電荷的強(qiáng)親水膠體與帶

21、正電荷帶帶負(fù)電荷的強(qiáng)親水膠體與帶正電荷的強(qiáng)親水膠體混合而不凝聚的強(qiáng)親水膠體混合而不凝聚第一節(jié) 凝聚與絮凝5.1.4 絮凝動(dòng)力學(xué)絮凝動(dòng)力學(xué)1. 三種物理傳輸過程三種物理傳輸過程 :同向絮凝同向絮凝差降絮凝差降絮凝 異向絮凝異向絮凝三種三種物理傳輸過程物理傳輸過程膠體顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)膠體顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)相碰而凝聚的現(xiàn)象（這相碰而凝聚的現(xiàn)象（這里指顆粒已處于脫穩(wěn)狀里指顆粒已處于脫穩(wěn)狀態(tài)，所以相碰后可粘在態(tài)，所以相碰后可粘在一起）在膠體化學(xué)中稱一起）在膠體化學(xué)中稱為異向絮凝。為異向絮凝。使細(xì)小顆粒凝聚主要靠使細(xì)小顆粒凝聚主要靠攪拌攪拌的作用，的作用，原因有二：其一是，靠布朗運(yùn)動(dòng)來原因有二：其一是，靠布

22、朗運(yùn)動(dòng)來使顆粒凝聚速度太慢，不能單獨(dú)使顆粒凝聚速度太慢，不能單獨(dú)使用；其二是，顆粒相碰凝聚逐漸使用；其二是，顆粒相碰凝聚逐漸長大后，布朗運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止，相碰長大后，布朗運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止，相碰的機(jī)會(huì)就會(huì)降得很低，凝聚過程就的機(jī)會(huì)就會(huì)降得很低，凝聚過程就會(huì)停止。這種會(huì)停止。這種藉攪拌使膠體顆粒相藉攪拌使膠體顆粒相碰后的凝聚作用碰后的凝聚作用稱為同向絮凝。給稱為同向絮凝。給水處理中的絮凝池即為體現(xiàn)同向絮水處理中的絮凝池即為體現(xiàn)同向絮凝的設(shè)備。凝的設(shè)備。對(duì)于兩種不同尺寸的顆粒之對(duì)于兩種不同尺寸的顆粒之間的絮凝，除同向、異向絮間的絮凝，除同向、異向絮凝之外，還存在著所謂差降凝之外，還存在著所謂差降絮凝。絮凝。

23、大的顆粒以較快速度大的顆粒以較快速度下降過程中，能趕上沉速較下降過程中，能趕上沉速較小的小顆粒，因而發(fā)生碰撞小的小顆粒，因而發(fā)生碰撞，產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝2. 異向絮凝異向絮凝tkTannp34110（5-17）式中：式中：n為為t時(shí)刻的顆粒濃度；時(shí)刻的顆粒濃度；n0為顆粒的初始濃度；為顆粒的初始濃度；ap為顆粒間為顆粒間粘附效率因數(shù)；粘附效率因數(shù)；為水的粘度；為水的粘度；k為為Boltzmann常數(shù)；常數(shù)；T為絕對(duì)溫為絕對(duì)溫度。度。dSSkTVaTp221)/exp(2（5-18）2kaexp(-Vm/kT)粘附效率因數(shù)粘附效率因數(shù)ap與與斥能峰斥能

24、峰Vm及及擴(kuò)散雙電層厚度擴(kuò)散雙電層厚度k-1有關(guān)。壓縮雙有關(guān)。壓縮雙電層和降低電層和降低電勢(shì)從而降低斥能峰可使電勢(shì)從而降低斥能峰可使ap值提高。值提高。dzduat8693. 002/1（5-20）dzduznnJijjiij3)(34（5-19）第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝3. 同向絮凝同向絮凝水中兩種顆粒由于攪拌作用，在每秒鐘內(nèi)相碰水中兩種顆粒由于攪拌作用，在每秒鐘內(nèi)相碰Jij次：次：表明：表明：每秒鐘每立方米水中兩種顆粒相碰的次數(shù)與攪拌產(chǎn)生每秒鐘每立方米水中兩種顆粒相碰的次數(shù)與攪拌產(chǎn)生的速度梯度成正比。的速度梯度成正比。n個(gè)顆粒的半衰期：個(gè)顆粒的半衰期：（1）加大攪拌所產(chǎn)生的速加大

25、攪拌所產(chǎn)生的速度梯度度梯度du/dz可以縮短可以縮短t1/2 ， 但它所起的作用并不太大但它所起的作用并不太大；（2）同樣數(shù)日的大顆粒與同樣數(shù)日的大顆粒與小顆粒相比，其小顆粒相比，其t1/2相關(guān)的相關(guān)的數(shù)量級(jí)為數(shù)量級(jí)為(d大大/d小小)3；（3）在攪拌的過程中，隨著顆在攪拌的過程中，隨著顆粒的不斷長大，粒的不斷長大， t1/2也就迅也就迅速縮短速縮短；（4）如果在攪拌如果在攪拌開始，就有較大的顆粒存開始，就有較大的顆粒存在，總的顆粒數(shù)下降速度在，總的顆粒數(shù)下降速度必然會(huì)很快。必然會(huì)很快。第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝反應(yīng)器中利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行攪拌，產(chǎn)生速度梯度反應(yīng)器中利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行攪拌，產(chǎn)

26、生速度梯度G：ntannG8ln00（5-21）nannGT)/8()/ln(00（5-22）時(shí)間時(shí)間tn用用T表示，與表示，與G相乘則得相乘則得個(gè)無量鋼數(shù)個(gè)無量鋼數(shù)GT數(shù)：數(shù)：GT數(shù)反映了在時(shí)間數(shù)反映了在時(shí)間T時(shí)顆粒數(shù)時(shí)顆粒數(shù)n的值，也反映了顆粒的大小。的值，也反映了顆粒的大小。)()(923ijjiipsaaaagk3)(34jiIaaGk)11)(32jijiDaaaakTk第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝4. 差降絮凝差降絮凝結(jié)論：結(jié)論： 顆粒直徑越小，擴(kuò)散傳遞速率越大。顆粒直徑越小，擴(kuò)散傳遞速率越大。 對(duì)于大顆粒，速度梯度傳遞相差降傳遞作用為主，而且顆粒對(duì)于大顆粒，速度梯度傳遞相差

27、降傳遞作用為主，而且顆粒直徑越大，這些作用越顯著。直徑越大，這些作用越顯著。 存在一個(gè)特定的顆粒直徑使傳遞速率最小。存在一個(gè)特定的顆粒直徑使傳遞速率最小。傳遞速率應(yīng)為擴(kuò)散、梯度和差沉傳遞速率的疊加：傳遞速率應(yīng)為擴(kuò)散、梯度和差沉傳遞速率的疊加： Km=kD+kI+kS （5-23）總的絮凝速率常數(shù)：總的絮凝速率常數(shù)： kT=kma （5-24）絮凝速率：絮凝速率： jiTnnkdtdn（5-25）第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝5.1.5 水處理中的絮凝與凝聚水處理中的絮凝與凝聚1. 水處理中的混凝特點(diǎn)水處理中的混凝特點(diǎn)（1） 水處理要求顆粒盡快長大到一定的粒度，以便能從沉淀設(shè)備中水處理要求顆

28、粒盡快長大到一定的粒度，以便能從沉淀設(shè)備中去除掉而膠體化學(xué)往許只是在燒杯中的去除掉而膠體化學(xué)往許只是在燒杯中的種試驗(yàn)，沒有對(duì)于粒度和種試驗(yàn)，沒有對(duì)于粒度和沉淀時(shí)間的較嚴(yán)格要求。沉淀時(shí)間的較嚴(yán)格要求。（2）絮凝的顆粒是一個(gè)很復(fù)雜的體系，而膠體化學(xué)所研究的，一般絮凝的顆粒是一個(gè)很復(fù)雜的體系，而膠體化學(xué)所研究的，一般都是單一的膠體，顆粒大小基本是均勻的，這種差別特別大。都是單一的膠體，顆粒大小基本是均勻的，這種差別特別大。（3） 由于有機(jī)和無機(jī)混凝劑的使用，水處理中的凝聚與絮凝機(jī)理要由于有機(jī)和無機(jī)混凝劑的使用，水處理中的凝聚與絮凝機(jī)理要比壓縮雙電層脫穩(wěn)凝聚機(jī)理復(fù)雜得多。比壓縮雙電層脫穩(wěn)凝聚機(jī)理復(fù)雜得

29、多。第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝2. 常用的混凝劑常用的混凝劑無無機(jī)機(jī)鋁系鋁系硫酸鋁硫酸鋁明礬明礬聚合氯化鋁（聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（聚合硫酸鋁（PAS）適宜適宜pH：5.58鐵系鐵系三氯化鐵三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國內(nèi)生產(chǎn)少）硫酸鐵（國內(nèi)生產(chǎn)少）聚合硫酸鐵聚合硫酸鐵聚合氯化鐵聚合氯化鐵適宜適宜pH：511，但腐蝕性強(qiáng)但腐蝕性強(qiáng)有有機(jī)機(jī)人工人工合成合成陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物國外開始增多，國內(nèi)尚少國外開始增多，國內(nèi)尚少陰離子型：水解聚丙烯酰胺（陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（非離子型：聚丙烯酰胺（PAM），

30、聚氧化），聚氧化乙烯（乙烯（PEO）兩性型兩性型使用極少使用極少天然天然淀粉、動(dòng)物膠、樹膠、甲殼素等淀粉、動(dòng)物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑微生物絮凝劑第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝3. 凝聚和絮凝過程的四種作用凝聚和絮凝過程的四種作用（1）雙電層壓縮：）雙電層壓縮：膠體化學(xué)中雙電層壓縮專指金屬離子對(duì)于帶負(fù)電憎膠體化學(xué)中雙電層壓縮專指金屬離子對(duì)于帶負(fù)電憎水膠體的作用，在水處理中，這相當(dāng)于混凝劑所離解的水膠體的作用，在水處理中，這相當(dāng)于混凝劑所離解的Al3+和和Fe3+的作用。的作用。但脫穩(wěn)凝聚不只是但脫穩(wěn)凝聚不只是Al3+和和Fe3+的作用，所有中間產(chǎn)物中的帶正電的高價(jià)離的作用，所有中間產(chǎn)

31、物中的帶正電的高價(jià)離子，也同樣能起到促使膠體脫穩(wěn)凝聚的作用。子，也同樣能起到促使膠體脫穩(wěn)凝聚的作用。（2） 吸附中和：吸附中和：指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷的聚合離子、高分子指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷的聚合離子、高分子物質(zhì)、膠粒等，來降低物質(zhì)、膠粒等，來降低電位。其特點(diǎn)是：當(dāng)藥劑投加量過多時(shí)，電位。其特點(diǎn)是：當(dāng)藥劑投加量過多時(shí)，電位電位可反號(hào)?？煞刺?hào)。（3）吸附架橋：）吸附架橋：吸附架橋作用是指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠吸附架橋作用是指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋。粒之間的架橋。（4）絮體網(wǎng)捕：）絮體網(wǎng)捕：金屬氫氧化物在形成過程中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕與卷掃。所金屬氫氧化物在形成過程

32、中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕與卷掃。所需混凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比，即當(dāng)原水膠體含量少時(shí)，所需混凝需混凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比，即當(dāng)原水膠體含量少時(shí)，所需混凝劑多，反之亦然。劑多，反之亦然。包括兩種情形：包括兩種情形：第一種情形第一種情形指高分子絮凝劑把許多較指高分子絮凝劑把許多較小的膠體吸附起來，形成更大的顆粒。小的膠體吸附起來，形成更大的顆粒。第二種情形第二種情形是指，在兩個(gè)大的同號(hào)膠是指，在兩個(gè)大的同號(hào)膠體中間，由于有一個(gè)較小的異號(hào)膠體體中間，由于有一個(gè)較小的異號(hào)膠體而連在一起。而連在一起。第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝4. 無機(jī)混凝劑無機(jī)混凝劑對(duì)于某一種原水，對(duì)于某一種原水，一個(gè)最佳的劑混凝

33、劑量，最佳劑量可獲最佳一個(gè)最佳的劑混凝劑量，最佳劑量可獲最佳的混凝效果，處理后水的殘余濁度最低。的混凝效果，處理后水的殘余濁度最低。每一種混凝劑都有一每一種混凝劑都有一個(gè)使用的個(gè)使用的PH范圍。范圍。 無機(jī)混凝劑的無機(jī)混凝劑的最佳劑量的確定最佳劑量的確定主要靠燒杯實(shí)驗(yàn)。輔助手段有：主要靠燒杯實(shí)驗(yàn)。輔助手段有：顆粒電泳測(cè)定，尺寸分布測(cè)定及可濾性測(cè)定。顆粒電泳測(cè)定，尺寸分布測(cè)定及可濾性測(cè)定。 投加混凝劑的劑量與原水濁度和投加混凝劑的劑量與原水濁度和TOC有密切關(guān)系有密切關(guān)系 。 無機(jī)無機(jī)高分子高分子絮凝劑絮凝劑例例聚合鋁聚合鋁 聚硅酸鋁鹽聚硅酸鋁鹽 是人工控制設(shè)備下制備的鋁鹽水解聚合是人工控制設(shè)備

34、下制備的鋁鹽水解聚合-沉淀反應(yīng)動(dòng)力沉淀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的中間產(chǎn)物。聚合鋁中最佳凝聚形態(tài)主要是由學(xué)過程的中間產(chǎn)物。聚合鋁中最佳凝聚形態(tài)主要是由Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法測(cè)定的逐時(shí)絡(luò)合比色法測(cè)定的Alb或或Al27及核磁共振法及核磁共振法（NWR）所檢測(cè)的）所檢測(cè)的A113O4(OH) 247+形態(tài)（簡稱形態(tài)（簡稱Al13），），其含量的多少大致反映出產(chǎn)品的絮凝效能。其含量的多少大致反映出產(chǎn)品的絮凝效能。 是另一類新型無機(jī)高分子混凝劑，是在活化硅酸（即聚硅酸）及是另一類新型無機(jī)高分子混凝劑，是在活化硅酸（即聚硅酸）及鋁鹽混凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的聚硅酸與鋁鹽的復(fù)合產(chǎn)物。帶有鋁鹽混凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

35、聚硅酸與鋁鹽的復(fù)合產(chǎn)物。帶有負(fù)電荷的聚硅酸具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)水體中的膠粒具有負(fù)電荷的聚硅酸具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)水體中的膠粒具有很強(qiáng)的吸附架橋能力；而鋁鹽在水溶液中水解可形成系列帶有正很強(qiáng)的吸附架橋能力；而鋁鹽在水溶液中水解可形成系列帶有正電荷的水解羥基鋁離子具有較強(qiáng)的電中和能力。把二者復(fù)合成電荷的水解羥基鋁離子具有較強(qiáng)的電中和能力。把二者復(fù)合成一種產(chǎn)品，可使其成為同時(shí)具有電中和作用及吸附架橋能力的無一種產(chǎn)品，可使其成為同時(shí)具有電中和作用及吸附架橋能力的無機(jī)高分子混凝劑。機(jī)高分子混凝劑。 第一節(jié)第一節(jié) 凝聚與絮凝凝聚與絮凝5. 加藥混合與絮凝池設(shè)計(jì)加藥混合與絮凝池設(shè)計(jì)Kolmogo

36、roff渦旋微尺度：渦旋微尺度：413/v（5-26）式中，式中，為單位質(zhì)量的流體在紊流中的能量耗散；為單位質(zhì)量的流體在紊流中的能量耗散；v為水的運(yùn)動(dòng)為水的運(yùn)動(dòng)粘度，且粘度，且v/。21/vG（5-27）微尺度微尺度大于顆粒直徑大于顆粒直徑d1的的1.33至至2倍時(shí)，碰撞速率最小，在選倍時(shí)，碰撞速率最小，在選擇擇 值時(shí)應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。對(duì)于絮體網(wǎng)捕凝聚過程，值時(shí)應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。對(duì)于絮體網(wǎng)捕凝聚過程，高高 值使停留時(shí)間可以縮短，這是比較經(jīng)濟(jì)的。值使停留時(shí)間可以縮短，這是比較經(jīng)濟(jì)的。 GGG混合設(shè)備中紊流的平均速度梯度混合設(shè)備中紊流的平均速度梯度 亦與能量耗散亦與能量耗散和水的運(yùn)動(dòng)和

37、水的運(yùn)動(dòng)粘度粘度v有定量關(guān)系有定量關(guān)系 ：通過控制通過控制 值就可以調(diào)整渦旋微尺度值就可以調(diào)整渦旋微尺度的長短。的長短。G第一節(jié) 凝聚與絮凝絮凝池的設(shè)計(jì)：絮凝池的設(shè)計(jì)： （1）原水顆粒物質(zhì)尺寸廣泛分布）原水顆粒物質(zhì)尺寸廣泛分布 ：iikjikjiknjinnnjidtdn1,21（5-28）式中，式中，ni、nj分別為分別為i級(jí)顆粒和級(jí)顆粒和j級(jí)顆粒的濃度；級(jí)顆粒的濃度；(i,j)為為i級(jí)顆粒與級(jí)顆粒與j級(jí)顆級(jí)顆粒間絮凝的速率常數(shù)；粒間絮凝的速率常數(shù)；(i,k)為為j級(jí)顆粒與級(jí)顆粒與k級(jí)顆粒間絮凝速率常數(shù)。級(jí)顆粒間絮凝速率常數(shù)。上式可理論上計(jì)算出任意時(shí)刻絮凝池內(nèi)顆粒尺寸分布以及它們的濃度。上式

38、可理論上計(jì)算出任意時(shí)刻絮凝池內(nèi)顆粒尺寸分布以及它們的濃度。（2）顆粒尺寸）顆粒尺寸 微小顆粒以擴(kuò)散傳遞為主，微小顆粒以擴(kuò)散傳遞為主，溫度控制溫度控制很重要。很重要。大顆粒以大顆粒以流速梯度流速梯度和和差降傳遞差降傳遞為主，為主， 值的正確選擇及增加絮體的密值的正確選擇及增加絮體的密實(shí)程度很重要。實(shí)程度很重要。G第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)水中懸浮顆粒 離散顆粒 絮凝顆粒 5.2.1 基本概念基本概念如果顆粒在整個(gè)沉淀過程中由于絮凝如果顆粒在整個(gè)沉淀過程中由于絮凝作用而不斷結(jié)成新的、粒度較大、沉作用而不斷結(jié)成新的、粒度較大、沉淀較快的顆粒，從而原始的顆粒不復(fù)淀較快的顆粒，從而原始的顆粒不復(fù)存在時(shí)，則稱為絮凝

39、顆粒。存在時(shí)，則稱為絮凝顆粒。經(jīng)過混凝過程的懸浮物以及活性構(gòu)泥經(jīng)過混凝過程的懸浮物以及活性構(gòu)泥的絮體，都屬于絮凝顆粒。的絮體，都屬于絮凝顆粒。 在沉淀過程中，顆粒保持其原在沉淀過程中，顆粒保持其原始的大小形狀，彼此間不發(fā)生始的大小形狀，彼此間不發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象時(shí)，稱為離散顆粒。粘結(jié)現(xiàn)象時(shí)，稱為離散顆粒。泥砂大都是屬于離散顆粒一類。泥砂大都是屬于離散顆粒一類。 第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.2 離散顆粒的沉淀實(shí)驗(yàn)離散顆粒的沉淀實(shí)驗(yàn)1. 離散顆粒的沉淀試驗(yàn)在圓管內(nèi)進(jìn)行。整個(gè)水深中懸浮物的百分離散顆粒的沉淀試驗(yàn)在圓管內(nèi)進(jìn)行。整個(gè)水深中懸浮物的百分?jǐn)?shù)為：數(shù)為： *0*1100PvdPvPP（5- 29） 2.

40、沉淀試驗(yàn)的兩條重要性質(zhì)沉淀試驗(yàn)的兩條重要性質(zhì)： 沉淀試驗(yàn)的高的沉淀試驗(yàn)的高的h可以選用任何值，對(duì)于沉淀去除百分?jǐn)?shù)并可以選用任何值，對(duì)于沉淀去除百分?jǐn)?shù)并不發(fā)生影響；不發(fā)生影響； 當(dāng)沉淀管高度當(dāng)沉淀管高度h與沉淀他的水深一樣時(shí)，與沉淀他的水深一樣時(shí)，t*即等于活塞流沉即等于活塞流沉淀他的停留時(shí)間，淀他的停留時(shí)間，v*為從水面能夠?yàn)閺乃婺軌?00地去除的最小顆粒的地去除的最小顆粒的沉降速度。沉降速度。 第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)3. 沉淀試驗(yàn)的沉淀試驗(yàn)的P-v曲線實(shí)際上是懸浮物粒度的分布曲線曲線實(shí)際上是懸浮物粒度的分布曲線. 圖圖5-5 沉淀試驗(yàn)的沉淀試驗(yàn)的P-v曲線曲線第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)4. 活塞流模型活塞

41、流模型 用活塞流模型表示沉淀池中懸浮顆粒下沉的軌跡，如圖用活塞流模型表示沉淀池中懸浮顆粒下沉的軌跡，如圖5-6所示：所示： 圖圖5-6 活塞流沉淀池模型活塞流沉淀池模型位于水面能夠位于水面能夠100地去地去除的最小顆粒沉速除的最小顆粒沉速v*實(shí)際實(shí)際就是沉淀池的設(shè)計(jì)溢流率就是沉淀池的設(shè)計(jì)溢流率（也稱表向負(fù)荷或過流（也稱表向負(fù)荷或過流率）。率）。 溢流率沉淀池表面積沉淀池流量沉淀池表面面積沉淀池?cái)嗝婷娣e池寬池寬UCvACUUCvACv*第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.3 絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)1. 離散顆粒的去除百分?jǐn)?shù)離散顆粒的去除百分?jǐn)?shù) 圖圖5-7 離散顆粒的去除百分?jǐn)?shù)離散顆粒的去除百分

42、數(shù)當(dāng)去沉淀時(shí)間為當(dāng)去沉淀時(shí)間為t*時(shí)去除懸浮物的百分?jǐn)?shù)可表示為：時(shí)去除懸浮物的百分?jǐn)?shù)可表示為： )100(1*21*132*2*nnnnnnnnknknPvvPPvvPPvvPPvvPP第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)2. 絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù)絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù) 由于顆粒在下沉的過程中不斷與其它顆粒相碰而粘結(jié)在一起，粒度不斷由于顆粒在下沉的過程中不斷與其它顆粒相碰而粘結(jié)在一起，粒度不斷加大，沉降速度也就不斷加大，下沉的軌跡線，即去除百分?jǐn)?shù)線加大，沉降速度也就不斷加大，下沉的軌跡線，即去除百分?jǐn)?shù)線 等曲線，必然是一條曲線，而不是直線。等曲線，必然是一條曲線，而不是直線。 21,PP圖圖5-8

43、絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù)等值線絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù)等值線)100(/)(/)(/)(/6*656*545*4*4*3*PvthPPvthPPvthPPvthPPR去除的百分?jǐn)?shù)表示為：去除的百分?jǐn)?shù)表示為：第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.4 濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)清水區(qū)清水區(qū)等濃度區(qū)等濃度區(qū)變濃度區(qū)變濃度區(qū)壓實(shí)區(qū)壓實(shí)區(qū)沉淀過程中，清水區(qū)高度逐漸增加，壓實(shí)區(qū)沉淀過程中，清水區(qū)高度逐漸增加，壓實(shí)區(qū)高度也逐漸增加而等濃度區(qū)的高度則逐漸高度也逐漸增加而等濃度區(qū)的高度則逐漸減小，最后不復(fù)存在。變濃度區(qū)的高度開始減小，最后不復(fù)存在。變濃度區(qū)的高度開始是基本不變的，但當(dāng)?shù)葷舛葏^(qū)消失后，也就是基

44、本不變的，但當(dāng)?shù)葷舛葏^(qū)消失后，也就逐漸消失。變濃度區(qū)消失后，壓實(shí)區(qū)內(nèi)仍然逐漸消失。變濃度區(qū)消失后，壓實(shí)區(qū)內(nèi)仍然繼續(xù)壓實(shí)，直至這一區(qū)的懸浮物達(dá)到最大密繼續(xù)壓實(shí)，直至這一區(qū)的懸浮物達(dá)到最大密度為止。度為止。當(dāng)沉降達(dá)到變濃度區(qū)剛消失的位置時(shí)，稱為當(dāng)沉降達(dá)到變濃度區(qū)剛消失的位置時(shí)，稱為臨界沉降點(diǎn)臨界沉降點(diǎn)。整個(gè)沉降過程各區(qū)的變化見圖整個(gè)沉降過程各區(qū)的變化見圖5-9。 1. 濃懸浮液的沉淀濃懸浮液的沉淀 第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)圖圖5-9 濃懸浮液的沉淀過程濃懸浮液的沉淀過程沉 淀 時(shí) 間 t臨 界 沉 降 點(diǎn)清 水 區(qū)等 濃 度 區(qū)變 濃 度 區(qū)沉 淀 過 程 線沉淀高度h沉淀柱示意圖h第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)2.

45、固體通量曲線固體通量曲線圖圖5-10 固體通量曲線固體通量曲線固體通量固體通量的定義為：的定義為： v（5- 30） 當(dāng)當(dāng)m時(shí)，時(shí)， 值為正；值為正；當(dāng)當(dāng)mi時(shí)，時(shí)， 值為負(fù)，但其絕值為負(fù)，但其絕對(duì)值隨對(duì)值隨值增加而減小。值增加而減小。dddddd第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.5 Kynch的沉淀理論的沉淀理論懸浮液的濃度分布包括連續(xù)均勻的、從頂部到底部連續(xù)增加的懸浮液的濃度分布包括連續(xù)均勻的、從頂部到底部連續(xù)增加的以及含有不連續(xù)濃度的三種情況。以及含有不連續(xù)濃度的三種情況。Kynch理論中有關(guān)連續(xù)均勻的理論中有關(guān)連續(xù)均勻的懸浮液濃度的部分后來成為濃縮池設(shè)計(jì)的基本理論。懸浮液濃度的部分后來成為濃縮池

46、設(shè)計(jì)的基本理論。Kynch沉淀理論的基本假定：沉淀理論的基本假定：（1）在總浮物區(qū)的任何水平層內(nèi)，懸浮物的濃度是均勻的，）在總浮物區(qū)的任何水平層內(nèi)，懸浮物的濃度是均勻的，這一水平層內(nèi)的全部顆粒以同樣的速度下沉。顆粒形狀、大小以這一水平層內(nèi)的全部顆粒以同樣的速度下沉。顆粒形狀、大小以及成分的任何差別都不會(huì)改變這一性質(zhì)。及成分的任何差別都不會(huì)改變這一性質(zhì)。（2）顆粒的下沉速度只是顆粒附近局部懸浮物濃度的函數(shù)。）顆粒的下沉速度只是顆粒附近局部懸浮物濃度的函數(shù)。（3）整個(gè)沉淀高度的初始濃度為均勻的，或者是沿深度逐漸）整個(gè)沉淀高度的初始濃度為均勻的，或者是沿深度逐漸增加的。增加的。1. Kynch理論介

47、紹理論介紹vdtdhdd（5- 31） 第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)上式中上式中d h/dt代表位于高度代表位于高度h處，濃度處，濃度為常數(shù)的面的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的面的運(yùn)動(dòng)速度v，按，按上述假定上述假定，d h/dt即為這一等濃度面內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的速度。即為這一等濃度面內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的速度。 圖圖5-11 i的濃度傳播過程線的濃度傳播過程線在懸浮物區(qū)高度在懸浮物區(qū)高度h處的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律處的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律: 當(dāng)當(dāng)im時(shí)，斜率時(shí)，斜率d/d為負(fù)值，為負(fù)值，等濃度面的運(yùn)動(dòng)速度等濃度面的運(yùn)動(dòng)速度dh/dt必然為必然為正值，因此正值，因此h高度隨時(shí)間增加，說高度隨時(shí)間增加，說明等濃度面應(yīng)該以等速度上升。等明等濃度面應(yīng)該以等速度

48、上升。等濃度面高度濃度面高度h的變化與時(shí)間的變化與時(shí)間t的關(guān)系的關(guān)系可以表示為通過原點(diǎn)可以表示為通過原點(diǎn)0、斜率為、斜率為v與與沉淀過程線相交的沉淀過程線相交的段直線。特殊段直線。特殊情況：在這一區(qū)內(nèi)只有一條拐點(diǎn)為情況：在這一區(qū)內(nèi)只有一條拐點(diǎn)為i的濃度上升的過程線，這一條直的濃度上升的過程線，這一條直線實(shí)際也是線實(shí)際也是i區(qū)的一族等濃度上區(qū)的一族等濃度上升過程射線的邊界線。升過程射線的邊界線。 當(dāng)當(dāng)0i時(shí)，斜率時(shí)，斜率d/d為負(fù)值，為負(fù)值，但但d/d的絕對(duì)值是隨濃度的增的絕對(duì)值是隨濃度的增加而降低的。在這一區(qū)內(nèi)，每加而降低的。在這一區(qū)內(nèi)，每一個(gè)濃度都能夠從管底開始，一個(gè)濃度都能夠從管底開始，以

49、其所特有的上升速度以其所特有的上升速度dg/dt上上升，最后都能達(dá)到懇浮物區(qū)表升，最后都能達(dá)到懇浮物區(qū)表面，互不干擾。因而出現(xiàn)一族面，互不干擾。因而出現(xiàn)一族以以0為原點(diǎn)的射線，如圖所示。為原點(diǎn)的射線，如圖所示。第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)2. Kynch理論應(yīng)用理論應(yīng)用圖圖5-12 公式推導(dǎo)圖示公式推導(dǎo)圖示當(dāng)大于當(dāng)大于P的一個(gè)濃度的一個(gè)濃度0的沉淀過程線已知的沉淀過程線已知后，通過這一曲線上后，通過這一曲線上的不向點(diǎn)作切線，可的不向點(diǎn)作切線，可求出高于求出高于0濃度的等濃度的等濃度沉淀速度濃度沉淀速度up，因，因此，由一個(gè)此，由一個(gè)0濃度的濃度的沉淀試驗(yàn)的資料就可沉淀試驗(yàn)的資料就可能得出從能得出從0到到的

50、固的固體通量曲線體通量曲線-來來 在初始濃度在初始濃度0i的沉淀的沉淀過程線上等濃度區(qū)消失過程線上等濃度區(qū)消失后的某一點(diǎn)后的某一點(diǎn)P（濃度為（濃度為P）作切線。與沉淀水深作切線。與沉淀水深OA線交于線交于B點(diǎn)，令點(diǎn)，令OA及及OB的高度分別為的高度分別為h0及及h p，則：則： 在高度在高度h0內(nèi)均勻濃度為內(nèi)均勻濃度為0的懸浮物總量，與高度的懸浮物總量，與高度為為h p內(nèi)均勻濃度為內(nèi)均勻濃度為P的的懸浮物總量完全相等。懸浮物總量完全相等。pphh00第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn)圖圖5-13 相似關(guān)系公式推導(dǎo)圖示相似關(guān)系公式推導(dǎo)圖示不同水深的等濃度沉淀過不同水深的等濃度沉淀過程線間存在相似關(guān)系。如程線間存在

51、相似關(guān)系。如圖圖5-13所示，所示，A1P1Q1及及A2P2Q2分別為水深分別為水深h1及及h2的的等濃度等濃度0的沉降過程線，由的沉降過程線，由時(shí)間零點(diǎn)時(shí)間零點(diǎn)O引引OP2P1及及OQ2Q1分別與分別與A2P2Q2及及A1P1Q1，交于，交于P2、Q2及及P1、Q1兩點(diǎn)。則存在下列相似兩點(diǎn)。則存在下列相似關(guān)系：關(guān)系： 2121OQOQOPOP第三節(jié) 濃縮池5.3.1 基本內(nèi)容基本內(nèi)容1. 定義：定義：處理高濃度懸浮物液體的設(shè)備。處理高濃度懸浮物液體的設(shè)備。2. 功能：功能：雙重功能。一個(gè)是在池子上部生產(chǎn)清液，其流量稱為溢雙重功能。一個(gè)是在池子上部生產(chǎn)清液，其流量稱為溢流流量；另流流量；另個(gè)是

52、從池子底部排出濃縮液，這部分流量稱為底流流個(gè)是從池子底部排出濃縮液，這部分流量稱為底流流量。量。水處理中，一般用濃縮池來獲得澄清水，底流屬于廢棄部分。其水處理中，一般用濃縮池來獲得澄清水，底流屬于廢棄部分。其它工業(yè)中往往利用濃縮池來獲取濃縮液，以回收其中所含固體物質(zhì)，它工業(yè)中往往利用濃縮池來獲取濃縮液，以回收其中所含固體物質(zhì)，清液則屬于廢棄部分。僅水處理中也利用濃縮池來濃縮污泥。清液則屬于廢棄部分。僅水處理中也利用濃縮池來濃縮污泥。3. 濃縮池的設(shè)計(jì)濃縮池的設(shè)計(jì)：包括確定它的面積及深度。最主要的是確定面：包括確定它的面積及深度。最主要的是確定面積。積。確定濃縮池面積的方法有兩個(gè)。一個(gè)是確定濃縮

53、池面積的方法有兩個(gè)。一個(gè)是利用沉淀過程曲線結(jié)合利用沉淀過程曲線結(jié)合Kynch理論來定面積理論來定面積；另一個(gè)是；另一個(gè)是利用固體通量曲線來定面積利用固體通量曲線來定面積。ueQQQ0（5- 32） uueeQQQ00（5- 33） 第三節(jié) 濃縮池4. 工作過程：工作過程： 圖圖5-14 濃縮池的工作過程濃縮池的工作過程液體流量及固體流量的衡算關(guān)系液體流量及固體流量的衡算關(guān)系分別為分別為:Q0、Qe及及Qu分別為進(jìn)水、溢流及分別為進(jìn)水、溢流及底流的流量底流的流量;0、e及及u，分別為，分別為進(jìn)水、溢流及底流中的懸浮物濃進(jìn)水、溢流及底流中的懸浮物濃度。度。 濃縮池與一般沉淀池不同濃縮池與一般沉淀池

54、不同之處也在于：圖之處也在于：圖5-14（b）所示的濃度分布特點(diǎn)。所示的濃度分布特點(diǎn)。這個(gè)縱向濃度分布圖反映這個(gè)縱向濃度分布圖反映了整個(gè)池子所容納懸浮物了整個(gè)池子所容納懸浮物的總量。這樣，不斷進(jìn)入的總量。這樣，不斷進(jìn)入池子的懸浮物就必須不斷池子的懸浮物就必須不斷地完全排掉。地完全排掉。 第三節(jié) 濃縮池5.3.2 利用利用Kynch理論確定濃縮池面積理論確定濃縮池面積圖圖5-15 沉淀過程曲線的應(yīng)用沉淀過程曲線的應(yīng)用uuiiiiSSvQA00Si及及Su分別為斷面處液體分別為斷面處液體及底流液體的相對(duì)密度。及底流液體的相對(duì)密度。Su/u為給定值，為給定值，Si/i值和值和vi值都隨濃度值都隨濃度

55、i的增加逐的增加逐漸減小，可知面積漸減小，可知面積Ai是變是變化的。存在化的。存在個(gè)極大值個(gè)極大值A(chǔ)imax，即為濃縮池所需的，即為濃縮池所需的面積。面積。 第三節(jié) 濃縮池5.3.3 利用固體通量曲線確定濃縮池面積利用固體通量曲線確定濃縮池面積圖圖5-16 t-曲線曲線 用固體通量求濃縮池面積用固體通量求濃縮池面積的方法可以總結(jié)為：的方法可以總結(jié)為： 由試驗(yàn)得到懸浮物濃度由試驗(yàn)得到懸浮物濃度與相應(yīng)沉淀速度與相應(yīng)沉淀速度V的資料；的資料； 選用底流速度選用底流速度u； 按圖按圖5-27作作t-曲線；曲線； 求出最小固體通量求出最小固體通量min值及相應(yīng)的底流濃度值及相應(yīng)的底流濃度u； 濃縮池面積

56、濃縮池面積A應(yīng)大于應(yīng)大于Q00/min。1. 方法一：方法一：第三節(jié) 濃縮池2. Yoshioka求求min法：法： 圖5-17 Yoshioka求min法 如圖如圖5-17，圖中只用，圖中只用了了b-曲線，然后在曲線，然后在濃度軸上取底流濃度濃度軸上取底流濃度值，得值，得u點(diǎn)。從點(diǎn)。從u點(diǎn)點(diǎn)在在b曲線極小值點(diǎn)一曲線極小值點(diǎn)一側(cè)作切線，延長這條側(cè)作切線，延長這條切線與切線與軸所得的交軸所得的交點(diǎn)即點(diǎn)即min值。這樣，值。這樣，一次作圖可定的一次作圖可定的min值值 。第四節(jié) 濾床過濾5.4.1 濾床過濾的流體力學(xué)濾床過濾的流體力學(xué) 定義：定義：濾床過濾是通過原水流經(jīng)孔隙濾床使水中顆粒物質(zhì)沉積濾

57、床過濾是通過原水流經(jīng)孔隙濾床使水中顆粒物質(zhì)沉積在濾料表面而被去除。濾床屬于一種孔隙介質(zhì)。在濾料表面而被去除。濾床屬于一種孔隙介質(zhì)。 主要參數(shù)：主要參數(shù)：水頭損失水頭損失H和出水水質(zhì)（出水顆料濃度和出水水質(zhì)（出水顆料濃度n或濁度）。或濁度）。懸浮顆粒在濾床中沉積和所導(dǎo)致的濾床水頭損失的增長都與孔懸浮顆粒在濾床中沉積和所導(dǎo)致的濾床水頭損失的增長都與孔隙濾床中的流體力學(xué)特性密切相關(guān)。即使按濾速為隙濾床中的流體力學(xué)特性密切相關(guān)。即使按濾速為20m/h計(jì)算，計(jì)算，孔隙濾床屬低流速流動(dòng)。流態(tài)為層流，符合孔隙濾床屬低流速流動(dòng)。流態(tài)為層流，符合Darcy定律：定律：LpKU（5- 34） 式中式中p為濾層厚度

58、為為濾層厚度為L的壓強(qiáng)差；的壓強(qiáng)差；K為孔隙濾床的滲透系數(shù)，為孔隙濾床的滲透系數(shù)，它主要與孔隙率它主要與孔隙率f和濾料直徑和濾料直徑d*有關(guān)。有關(guān)。 第四節(jié) 濾床過濾3. 兩種孔隙介質(zhì)流態(tài)的模型：兩種孔隙介質(zhì)流態(tài)的模型：一種是常用的一種是常用的Kozeny-Carman模型模型。認(rèn)為孔隙介質(zhì)是由不同彎曲和形狀。認(rèn)為孔隙介質(zhì)是由不同彎曲和形狀的孔道組成，其流態(tài)基于直圓管內(nèi)的的孔道組成，其流態(tài)基于直圓管內(nèi)的Poiseuille流動(dòng)方程來分析；流動(dòng)方程來分析；另一種是另一種是Happel模型模型，集中分析單個(gè)球形濾料的粘性流場(chǎng)。，集中分析單個(gè)球形濾料的粘性流場(chǎng)?？紫督橘|(zhì)的滲透系數(shù)孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù)

59、：沿濾床深度的水頭損失：沿濾床深度的水頭損失：232)1 (45ffaKs3212)1 (45fgrfULHKs式中：式中：H為濾床深度；為濾床深度；L 為為水頭損失；水頭損失；1為水的密度；為水的密度；g為為重力加速度；重力加速度；U為濾速；為濾速；rs為濾為濾料顆粒的半徑。料顆粒的半徑。上式表明，濾床水頭損失與濾料上式表明，濾床水頭損失與濾料直徑的平方成反比，與濾速直徑的平方成反比，與濾速U和和（1-f）2/f3值成正比。該式只適值成正比。該式只適于清潔濾床或過濾初期的情況。于清潔濾床或過濾初期的情況。 滲透系數(shù)滲透系數(shù)K與孔隙率與孔隙率f關(guān)系為：關(guān)系為：濾層的水頭損失為：濾層的水頭損失為

60、： )23(3)332(53652srK)(62332)23(321553sgrULH對(duì)于濾床孔隙率對(duì)于濾床孔隙率f=0.40.7時(shí)，時(shí)，Kozeny-Carman模型與模型模型與模型與與Happel模型對(duì)水頭損失的計(jì)算結(jié)果是一致的。由于模型對(duì)水頭損失的計(jì)算結(jié)果是一致的。由于Happel孔隙流態(tài)模型給出了單個(gè)濾料的流場(chǎng)的微觀理論描孔隙流態(tài)模型給出了單個(gè)濾料的流場(chǎng)的微觀理論描述，因而它可用來分析懸浮顆粒在濾料上沉積過程的機(jī)理。述，因而它可用來分析懸浮顆粒在濾料上沉積過程的機(jī)理。第四節(jié) 濾床過濾5.4.2 水處理中的濾床過濾水處理中的濾床過濾快濾池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行營理仍需要快濾池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行營理仍需要