当代给水与废水处理原理部分2(共计547).pptx

第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝憎水胶体间的憎水胶体间的互凝沉淀互凝沉淀 亲水胶体间的亲水胶体间的互凝沉淀互凝沉淀 同带相反电号的亲水肢体互相凝聚而沉淀同带相反电号的亲水肢体互相凝聚而沉淀正负离子相中和而沉淀正负离子相中和而沉淀 带正电胶体与带负电的胶体互相凝聚带正电胶体与带负电的胶体互相凝聚 两种带负电荷的亲水肢体混合后，其两种带负电荷的亲水肢体混合后，其中一种沉淀出来而只一种保持分散中一种沉淀出来而只一种保持分散 带带负电荷的强亲水胶体与带正电荷带带负电荷的强亲水胶体与带正电荷的强亲水胶体混合而不凝聚的强亲水胶体混合而不凝聚第一节 凝聚与絮凝5.1.4 絮凝动力学絮凝动力学1.三种物理传输过程三种物理传输过程:同向絮凝同向絮凝差降絮凝差降絮凝 异向絮凝异向絮凝三种三种物理传输过程物理传输过程胶体颗粒由于布朗运动胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象（这相碰而凝聚的现象（这里指颗粒已处于脱稳状里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在态，所以相碰后可粘在一起）在胶体化学中称一起）在胶体化学中称为异向絮凝。为异向絮凝。使细小颗粒凝聚主要靠使细小颗粒凝聚主要靠搅拌搅拌的作用，的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚速度太慢，不能单独使颗粒凝聚速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种会停止。这种藉搅拌使胶体颗粒相藉搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用碰后的凝聚作用称为同向絮凝。给称为同向絮凝。给水处理中的絮凝池即为体现同向絮水处理中的絮凝池即为体现同向絮凝的设备。凝的设备。对于两种不同尺寸的颗粒之对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮间的絮凝，除同向、异向絮凝之外，还存在着所谓差降凝之外，还存在着所谓差降絮凝。絮凝。大的颗粒以较快速度大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而发生碰撞小的小颗粒，因而发生碰撞，产生絮凝现象。产生絮凝现象。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝2.异向絮凝异向絮凝（5-17）式中：式中：n为为t时刻的颗粒浓度；时刻的颗粒浓度；n0为颗粒的初始浓度；为颗粒的初始浓度；ap为颗粒间为颗粒间粘附效率因数；粘附效率因数；为水的粘度；为水的粘度；k为为Boltzmann常数；常数；T为绝对温度。为绝对温度。（5-18）2kaexp(-Vm/kT)粘附效率因数粘附效率因数ap与与斥能峰斥能峰Vm及及扩散双电层厚度扩散双电层厚度k-1有关。压缩双有关。压缩双电层和降低电层和降低电势从而降低斥能峰可使电势从而降低斥能峰可使ap值提高。值提高。（5-20）（5-19）第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝3.同同向絮凝向絮凝水中两种颗粒由于搅拌作用，在每秒钟内相碰水中两种颗粒由于搅拌作用，在每秒钟内相碰Jij次：次：表明：表明：每秒钟每立方米水中两种颗粒相碰的次数与搅拌产生的每秒钟每立方米水中两种颗粒相碰的次数与搅拌产生的速度梯度成正比。速度梯度成正比。n个颗粒的半衰期：个颗粒的半衰期：（1）加大搅拌所产生的速加大搅拌所产生的速度梯度度梯度du/dz可以缩短可以缩短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）同样数日的大颗粒与同样数日的大颗粒与小颗粒相比，其小颗粒相比，其t1/2相关的相关的数量级为数量级为(d大大/d小小)3；（3）在搅拌的过程中，随着颗在搅拌的过程中，随着颗粒的不断长大，粒的不断长大，t1/2也就迅也就迅速缩短；速缩短；（4）如果在搅拌如果在搅拌开始，就有较大的颗粒存开始，就有较大的颗粒存在，总的颗粒数下降速度在，总的颗粒数下降速度必然会很快。必然会很快。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝反应器中利用机械设备进行搅拌，产生速度梯度反应器中利用机械设备进行搅拌，产生速度梯度G：（5-21）（5-22）时间时间tn用用T表示，与表示，与G相乘则得相乘则得个无量钢数个无量钢数GT数：数：GT数反映了在时间数反映了在时间T时颗粒数时颗粒数n的值，也反映了颗粒的大小。的值，也反映了颗粒的大小。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝4.差降絮凝差降絮凝结论：结论：颗粒直径越小，扩散传递速率越大。颗粒直径越小，扩散传递速率越大。对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大，这些作用越显著。直径越大，这些作用越显著。存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。传递速率应为扩散、梯度和差沉传递速率的叠加：传递速率应为扩散、梯度和差沉传递速率的叠加：Km=kD+kI+kS （5-23）总的絮凝速率常数：总的絮凝速率常数：kT=kma （5-24）絮凝速率：絮凝速率：（5-25）第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝5.1.5 水处理中的絮凝与凝聚水处理中的絮凝与凝聚1.水处理中的混凝特点水处理中的混凝特点（1）水处理要求颗粒尽快长大到一定的粒度，以便能从沉淀设备中水处理要求颗粒尽快长大到一定的粒度，以便能从沉淀设备中去除掉而胶体化学往许只是在烧杯中的去除掉而胶体化学往许只是在烧杯中的种试验，没有对于粒度和种试验，没有对于粒度和沉淀时间的较严格要求。沉淀时间的较严格要求。（2）絮凝的颗粒是一个很复杂的体系，而胶体化学所研究的，一般絮凝的颗粒是一个很复杂的体系，而胶体化学所研究的，一般都是单一的胶体，颗粒大小基本是均匀的，这种差别特别大。都是单一的胶体，颗粒大小基本是均匀的，这种差别特别大。（3）由于有机和无机混凝剂的使用，水处理中的凝聚与絮凝机理要由于有机和无机混凝剂的使用，水处理中的凝聚与絮凝机理要比压缩双电层脱稳凝聚机理复杂得多。比压缩双电层脱稳凝聚机理复杂得多。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝2.常用的混凝剂常用的混凝剂无无机机铝系铝系硫酸铝硫酸铝明矾明矾聚合氯化铝（聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（PAS）适宜适宜pH：5.58铁系铁系三氯化铁三氯化铁硫酸亚铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁聚合硫酸铁聚合氯化铁聚合氯化铁适宜适宜pH：511，但腐蚀性强但腐蚀性强有有机机人工人工合成合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物国外开始增多，国内尚少国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙），聚氧化乙烯（烯（PEO）两性型两性型使用极少使用极少天然天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂微生物絮凝剂第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝3.凝聚和絮凝过程的四种作用凝聚和絮凝过程的四种作用（1）双电层压缩：）双电层压缩：胶体化学中双电层压缩专指金属离子对于带负电憎水胶体化学中双电层压缩专指金属离子对于带负电憎水胶体的作用，在水处理中，这相当于混凝剂所离解的胶体的作用，在水处理中，这相当于混凝剂所离解的Al3+和和Fe3+的作用。的作用。但脱稳凝聚不只是但脱稳凝聚不只是Al3+和和Fe3+的作用，所有中间产物中的带正电的高价离的作用，所有中间产物中的带正电的高价离子，也同样能起到促使胶体脱稳凝聚的作用。子，也同样能起到促使胶体脱稳凝聚的作用。（2）吸附中和：吸附中和：指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低物质、胶粒等，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位电位可反号。可反号。（3）吸附架桥：）吸附架桥：吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥。之间的架桥。（4）絮体网捕：）絮体网捕：金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。多，反之亦然。包括两种情形：包括两种情形：第一种情形第一种情形指高分子絮凝剂把许多较指高分子絮凝剂把许多较小的胶体吸附起来，形成更大的颗粒。小的胶体吸附起来，形成更大的颗粒。第二种情形第二种情形是指，在两个大的同号胶是指，在两个大的同号胶体中间，由于有一个较小的异号胶体体中间，由于有一个较小的异号胶体而连在一起。而连在一起。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝4.无机混凝剂无机混凝剂对于某一种原水，对于某一种原水，一个最佳的剂混凝剂量，最佳剂量可获最佳一个最佳的剂混凝剂量，最佳剂量可获最佳的混凝效果，处理后水的残余浊度最低。的混凝效果，处理后水的残余浊度最低。每一种混凝剂都有一每一种混凝剂都有一个使用的个使用的PH范围。范围。无机混凝剂的无机混凝剂的最佳剂量的确定最佳剂量的确定主要靠烧杯实验。辅助手段有：主要靠烧杯实验。辅助手段有：颗粒电泳测定，尺寸分布测定及可滤性测定。颗粒电泳测定，尺寸分布测定及可滤性测定。投加混凝剂的剂量与原水浊度和投加混凝剂的剂量与原水浊度和TOC有密切关系有密切关系。无机无机高分子高分子絮凝剂絮凝剂例例聚合铝聚合铝 聚硅酸铝盐聚硅酸铝盐 是人工控制设备下制备的铝盐水解聚合是人工控制设备下制备的铝盐水解聚合-沉淀反应动力学沉淀反应动力学过程的中间产物。聚合铝中最佳凝聚形态主要是由过程的中间产物。聚合铝中最佳凝聚形态主要是由Ferron逐时络合比色法测定的逐时络合比色法测定的Alb或或Al27及核磁共振法及核磁共振法（NWR）所检测的）所检测的A113O4(OH)247+形态（简称形态（简称Al13），），其含量的多少大致反映出产品的絮凝效能。其含量的多少大致反映出产品的絮凝效能。是另一类新型无机高分子混凝剂，是在活化硅酸（即聚硅酸）及是另一类新型无机高分子混凝剂，是在活化硅酸（即聚硅酸）及铝盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铝盐的复合产物。带有铝盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铝盐的复合产物。带有负电荷的聚硅酸具有较高的相对分子质量，对水体中的胶粒具有负电荷的聚硅酸具有较高的相对分子质量，对水体中的胶粒具有很强的吸附架桥能力；而铝盐在水溶液中水解可形成系列带有正很强的吸附架桥能力；而铝盐在水溶液中水解可形成系列带有正电荷的水解羟基铝离子具有较强的电中和能力。把二者复合成电荷的水解羟基铝离子具有较强的电中和能力。把二者复合成一种产品，可使其成为同时具有电中和作用及吸附架桥能力的无一种产品，可使其成为同时具有电中和作用及吸附架桥能力的无机高分子混凝剂。机高分子混凝剂。第一节第一节 凝聚与絮凝凝聚与絮凝5.加药混合与絮凝池设计加药混合与絮凝池设计Kolmogoroff涡旋微尺度：涡旋微尺度：（5-26）式中，式中，为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；v为水的运动为水的运动粘度，且粘度，且v/。（5-27）微尺度微尺度大于颗粒直径大于颗粒直径d1的的1.33至至2倍时，碰撞速率最小，在选倍时，碰撞速率最小，在选择择 值时应尽量避免这种情况发生。对于絮体网捕凝聚过程，值时应尽量避免这种情况发生。对于絮体网捕凝聚过程，高高 值使停留时间可以缩短，这是比较经济的。值使停留时间可以缩短，这是比较经济的。混合设备中紊流的平均速度梯度混合设备中紊流的平均速度梯度 亦与能量耗散亦与能量耗散和水的运动和水的运动粘度粘度v有定量关系有定量关系：通过控制通过控制 值就可以调整涡旋微尺度值就可以调整涡旋微尺度的长短。的长短。第一节 凝聚与絮凝絮凝他的设计：絮凝他的设计：（1）原水颗粒物质尺寸广泛分布）原水颗粒物质尺寸广泛分布：（5-28）式中，式中，ni、nj分别为分别为i级颗粒和级颗粒和j级颗粒的浓度；级颗粒的浓度；(i,j)为为i级颗粒与级颗粒与j级颗级颗粒间絮凝的速率常数；粒间絮凝的速率常数；(i,k)为为j级颗粒与级颗粒与k级颗粒间絮凝速率常数。级颗粒间絮凝速率常数。上式可理论上计算出任意时刻絮凝池内颗粒尺寸分布以及它们的浓度。上式可理论上计算出任意时刻絮凝池内颗粒尺寸分布以及它们的浓度。（2）颗粒尺寸）颗粒尺寸 微小颗粒以扩散传递为主，微小颗粒以扩散传递为主，温度控制温度控制很重要。很重要。大颗粒以大颗粒以流速梯度流速梯度和和差降传递差降传递为主，为主，值的正确选择及增加絮体的密值的正确选择及增加絮体的密实程度很重要。实程度很重要。第二节 沉淀实验水中悬浮颗粒 离散颗粒 絮凝颗粒 5.2.1 基本概念基本概念如果颗粒在整个沉淀过程中由于絮凝如果颗粒在整个沉淀过程中由于絮凝作用而不断结成新的、粒度较大、沉作用而不断结成新的、粒度较大、沉淀较快的颗粒，从而原始的颗粒不复淀较快的颗粒，从而原始的颗粒不复存在时，则称为絮凝颗粒。存在时，则称为絮凝颗粒。经过混凝过程的悬浮物以及活性构泥经过混凝过程的悬浮物以及活性构泥的絮体，都属于絮凝颗粒。的絮体，都属于絮凝颗粒。在沉淀过程中，颗粒保持其原在沉淀过程中，颗粒保持其原始的大小形状，彼此间不发生始的大小形状，彼此间不发生粘结现象时，称为离散颗粒。粘结现象时，称为离散颗粒。泥砂大都是属于离散颗粒一类。泥砂大都是属于离散颗粒一类。第二节 沉淀实验5.2.2 离散颗粒的沉淀实验离散颗粒的沉淀实验1.离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：数为：（5-29）2.沉淀试验的两条重要性质沉淀试验的两条重要性质：沉淀试验的高的沉淀试验的高的h可以选用任何值，对于沉淀去除百分数并可以选用任何值，对于沉淀去除百分数并不发生影响；不发生影响；当沉淀管高度当沉淀管高度h与沉淀他的水深一样时，与沉淀他的水深一样时，t*即等于活塞流沉即等于活塞流沉淀他的停留时间，淀他的停留时间，v*为从水面能够为从水面能够100地去除的最小颗粒的地去除的最小颗粒的沉降速度。沉降速度。第二节 沉淀实验3.沉淀试验的沉淀试验的P-v曲线实际上是悬浮物粒度的分布曲线曲线实际上是悬浮物粒度的分布曲线.图图5-5 沉淀试验的沉淀试验的P-v曲线曲线第二节 沉淀实验4.活塞流模型活塞流模型 用活塞流模型表示沉淀池中悬浮颗粒下沉的轨迹，如图用活塞流模型表示沉淀池中悬浮颗粒下沉的轨迹，如图5-6所示：所示：图图5-6 活塞流沉淀池模型活塞流沉淀池模型位于水面能够位于水面能够100地去地去除的最小颗粒沉速除的最小颗粒沉速v*实际实际就是沉淀池的设计溢流率就是沉淀池的设计溢流率（也称表向负荷或过流率）（也称表向负荷或过流率）。第二节 沉淀实验5.2.3 絮凝颗粒的沉淀试验絮凝颗粒的沉淀试验1.离散颗粒的去除百分数离散颗粒的去除百分数 图图5-7 离散颗粒的去除百分数离散颗粒的去除百分数当去沉淀时间为当去沉淀时间为t*时去除悬浮物的百分数可表示为：时去除悬浮物的百分数可表示为：第二节 沉淀实验2.絮体颗粒沉淀试验的去除百分数絮体颗粒沉淀试验的去除百分数 由于颗粒在下沉的过程中不断与其它颗粒相碰而粘结在一起，粒度不断由于颗粒在下沉的过程中不断与其它颗粒相碰而粘结在一起，粒度不断加大，沉降速度也就不断加大，下沉的轨迹线，即去除百分数线加大，沉降速度也就不断加大，下沉的轨迹线，即去除百分数线 等等曲线，必然是一条曲线，而不是直线。曲线，必然是一条曲线，而不是直线。图图5-8 絮体颗粒沉淀试验的去除百分数等值线絮体颗粒沉淀试验的去除百分数等值线去除的百分数表示为：去除的百分数表示为：第二节 沉淀实验5.2.4 浓悬浮液的沉淀试验浓悬浮液的沉淀试验清水区清水区等浓度区等浓度区变浓度区变浓度区压实区压实区沉淀过程中，清水区高度逐渐增加，压实区沉淀过程中，清水区高度逐渐增加，压实区高度也逐渐增加而等浓度区的高度则逐渐高度也逐渐增加而等浓度区的高度则逐渐减小，最后不复存在。变浓度区的高度开始减小，最后不复存在。变浓度区的高度开始是基本不变的，但当等浓度区消失后，也就是基本不变的，但当等浓度区消失后，也就逐渐消失。变浓度区消失后，压实区内仍然逐渐消失。变浓度区消失后，压实区内仍然继续压实，直至这一区的悬浮物达到最大密继续压实，直至这一区的悬浮物达到最大密度为止。度为止。当沉降达到变浓度区刚消失的位置时，称为当沉降达到变浓度区刚消失的位置时，称为临界沉降点临界沉降点。整个沉降过程各区的变化见图整个沉降过程各区的变化见图5-9。1.浓悬浮液的沉淀浓悬浮液的沉淀 第二节 沉淀实验图图5-9 浓悬浮液的沉淀过程浓悬浮液的沉淀过程第二节 沉淀实验2.固体通量曲线固体通量曲线图图5-10 固体通量曲线固体通量曲线固体通量固体通量的定义为：的定义为：（5-30）当当m时，时，值为正；值为正；当当mi时，时，值为负，但其绝值为负，但其绝对值随对值随值增加而减小。值增加而减小。第二节 沉淀实验5.2.5 Kynch的沉淀理论的沉淀理论悬浮液的浓度分布包括连续均匀的、从顶部到底部连续增加的悬浮液的浓度分布包括连续均匀的、从顶部到底部连续增加的以及含有不连续浓度的三种情况。以及含有不连续浓度的三种情况。Kynch理论中有关连续均匀的理论中有关连续均匀的悬浮液浓度的部分后来成为浓缩池设计的基本理论。悬浮液浓度的部分后来成为浓缩池设计的基本理论。Kynch沉淀理论的基本假定：沉淀理论的基本假定：（1）在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，）在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内的全部颗粒以同样的速度下沉。颗粒形状、大小以这一水平层内的全部颗粒以同样的速度下沉。颗粒形状、大小以及成分的任何差别都不会改变这一性质。及成分的任何差别都不会改变这一性质。（2）颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数。）颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数。（3）整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或者是沿深度逐渐）整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或者是沿深度逐渐增加的。增加的。1.Kynch理论介绍理论介绍（5-31）第二节 沉淀实验上式中上式中d h/dt代表位于高度代表位于高度h处，浓度处，浓度为常数的面的运动速度为常数的面的运动速度v，按，按上述假定上述假定，d h/dt即为这一等浓度面内颗粒运动的速度。即为这一等浓度面内颗粒运动的速度。图图5-11 i的浓度传播过程线的浓度传播过程线在悬浮物区高度在悬浮物区高度h处的颗粒运动规律处的颗粒运动规律:当当im时，斜率时，斜率d/d为负值，为负值，等浓度面的运动速度等浓度面的运动速度dh/dt必然为必然为正值，因此正值，因此h高度随时间增加，说高度随时间增加，说明等浓度面应该以等速度上升。等明等浓度面应该以等速度上升。等浓度面高度浓度面高度h的变化与时间的变化与时间t的关系的关系可以表示为通过原点可以表示为通过原点0、斜率为、斜率为v与与沉淀过程线相交的沉淀过程线相交的段直线。特殊段直线。特殊情况：在这一区内只有一条拐点为情况：在这一区内只有一条拐点为i的浓度上升的过程线，这一条直的浓度上升的过程线，这一条直线实际也是线实际也是i区的一族等浓度上区的一族等浓度上升过程射线的边界线。升过程射线的边界线。当当0i时，斜率时，斜率d/d为负值，为负值，但但d/d的绝对值是随浓度的增的绝对值是随浓度的增加而降低的。在这一区内，每加而降低的。在这一区内，每一个浓度都能够从管底开始，一个浓度都能够从管底开始，以其所特有的上升速度以其所特有的上升速度dg/dt上上升，最后都能达到恳浮物区表升，最后都能达到恳浮物区表面，互不干扰。因而出现一族面，互不干扰。因而出现一族以以0为原点的射线，如图所示。为原点的射线，如图所示。第二节 沉淀实验2.Kynch理论应用理论应用图图5-12 公式推导图示公式推导图示当大于当大于P的一个浓度的一个浓度0的沉淀过程线已知的沉淀过程线已知后，通过这一曲线上后，通过这一曲线上的不向点作切线，可的不向点作切线，可求出高于求出高于0浓度的等浓度的等浓度沉淀速度浓度沉淀速度up，因，因此，由一个此，由一个0浓度的浓度的沉淀试验的资料就可沉淀试验的资料就可能得出从能得出从0到到的固的固体通量曲线体通量曲线-来来 在初始浓度在初始浓度0i的沉淀的沉淀过程线上等浓度区消失过程线上等浓度区消失后的某一点后的某一点P（浓度为（浓度为P）作切线。与沉淀水深）作切线。与沉淀水深OA线交于线交于B点，令点，令OA及及OB的高度分别为的高度分别为h0及及h p，则：，则：在高度在高度h0内均匀浓度为内均匀浓度为0的悬浮物总量，与高度的悬浮物总量，与高度为为h p内均匀浓度为内均匀浓度为P的的悬浮物总量完全相等。悬浮物总量完全相等。第二节 沉淀实验图图5-13 相似关系公式推导图示相似关系公式推导图示不同水深的等浓度沉淀过程不同水深的等浓度沉淀过程线间存在相似关系。如图线间存在相似关系。如图5-13所示，所示，A1P1Q1及及A2P2Q2分别为水深分别为水深h1及及h2的等浓度的等浓度0的沉降过程线，由时间零的沉降过程线，由时间零点点O引引OP2P1及及OQ2Q1分别分别与与A2P2Q2及及A1P1Q1，交于，交于P2、Q2及及P1、Q1两点。则存两点。则存在下列相似关系：在下列相似关系：第三节 浓缩池5.3.1 基本内容基本内容1.定义：定义：处理高浓度悬浮物液体的设备。处理高浓度悬浮物液体的设备。2.功能：功能：双重功能。一个是在池子上部生产清液，其流量称为溢双重功能。一个是在池子上部生产清液，其流量称为溢流流量；另流流量；另个是从池子底部排出浓缩液，这部分流量称为底流流个是从池子底部排出浓缩液，这部分流量称为底流流量。量。水处理中，一般用浓缩池来获得澄清水，底流属于废弃部分。其水处理中，一般用浓缩池来获得澄清水，底流属于废弃部分。其它工业中往往利用浓缩池来获取浓缩液，以回收其中所含固体物质，它工业中往往利用浓缩池来获取浓缩液，以回收其中所含固体物质，清液则属于废弃部分。仅水处理中也利用浓缩池来浓缩污泥。清液则属于废弃部分。仅水处理中也利用浓缩池来浓缩污泥。3.浓缩池的设计浓缩池的设计：包括确定它的面积及深度。最主要的是确定面：包括确定它的面积及深度。最主要的是确定面积。积。确定浓缩池面积的方法有两个。一个是确定浓缩池面积的方法有两个。一个是利用沉淀过程曲线结合利用沉淀过程曲线结合Kynch理论来定面积理论来定面积；另一个是；另一个是利用固体通量曲线来定面积利用固体通量曲线来定面积。（5-32）（5-33）第三节 浓缩池4.工作过程：工作过程：图图5-14 浓缩池的工作过程浓缩池的工作过程液体流量及固体流量的衡算关系液体流量及固体流量的衡算关系分别为分别为:Q0、Qe及及Qu分别为进水、溢流及分别为进水、溢流及底流的流量底流的流量;0、e及及u，分别为，分别为进水、溢流及底流中的悬浮物浓进水、溢流及底流中的悬浮物浓度。度。浓缩池与一般沉淀池不同浓缩池与一般沉淀池不同之处也在于：图之处也在于：图5-14（b）所示的浓度分布特点。所示的浓度分布特点。这个纵向浓度分布图反映这个纵向浓度分布图反映了整个池子所容纳悬浮物了整个池子所容纳悬浮物的总量。这样，不断进入的总量。这样，不断进入池子的悬浮物就必须不断池子的悬浮物就必须不断地完全排掉。地完全排掉。第三节 浓缩池5.3.2 利用利用Kynch理论确定浓缩池面积理论确定浓缩池面积图图5-15 沉淀过程曲线的应用沉淀过程曲线的应用Si及及Su分别为断面处液体分别为断面处液体及底流液体的相对密度。及底流液体的相对密度。Su/u为给定值，为给定值，Si/i值和值和vi值都随浓度值都随浓度i的增加逐的增加逐渐减小，可知面积渐减小，可知面积Ai是变是变化的。存在化的。存在个极大值个极大值Aimax，即为浓缩池所需的，即为浓缩池所需的面积。面积。第三节 浓缩池5.3.3 利用利用固体通量曲线确定浓缩池面积固体通量曲线确定浓缩池面积图图5-16 t-曲线曲线 用固体通量求浓缩池面积用固体通量求浓缩池面积的方法可以总结为：的方法可以总结为：由试验得到悬浮物浓度由试验得到悬浮物浓度与相应沉淀速度与相应沉淀速度V的资料；的资料；选用底流速度选用底流速度u；按图按图5-27作作t-曲线；曲线；求出最小固体通量求出最小固体通量min值及相应的底流浓度值及相应的底流浓度u；浓缩池面积浓缩池面积A应大于应大于Q00/min。1.方法一：方法一：第三节 浓缩池2.Yoshioka求求min法：法：图5-17 Yoshioka求min法 如图如图5-17，图中只用，图中只用了了b-曲线，然后在曲线，然后在浓度轴上取底流浓度浓度轴上取底流浓度值，得值，得u点。从点。从u点点在在b曲线极小值点一曲线极小值点一侧作切线，延长这条侧作切线，延长这条切线与切线与轴所得的交轴所得的交点即点即min值。这样，值。这样，一次作图可定的一次作图可定的min值值。第四节 滤床过滤5.4.1 滤床过滤的流体力学滤床过滤的流体力学1.定义：定义：滤床过滤是通过原水流经孔隙滤床使水中颗粒物质沉积滤床过滤是通过原水流经孔隙滤床使水中颗粒物质沉积在滤料表面而被去除。滤床属于一种孔隙介质。在滤料表面而被去除。滤床属于一种孔隙介质。2.主要参数：主要参数：水头损失水头损失H和出水水质（出水颗料浓度和出水水质（出水颗料浓度n或浊度）。或浊度）。悬浮颗粒在滤床中沉积和所导致的滤床水头损失的增长都与孔悬浮颗粒在滤床中沉积和所导致的滤床水头损失的增长都与孔隙滤床中的流体力学特性密切相关。即使按滤速为隙滤床中的流体力学特性密切相关。即使按滤速为20m/h计算，计算，孔隙滤床属低流速流动。流态为层流，符合孔隙滤床属低流速流动。流态为层流，符合Darcy定律：定律：（5-34）式中式中p为滤层厚度为为滤层厚度为L的压强差；的压强差；K为孔隙滤床的渗透系数，它为孔隙滤床的渗透系数，它主要与孔隙率主要与孔隙率f和滤料直径和滤料直径d*有关。有关。第四节 滤床过滤3.两种孔隙介质流态的模型：两种孔隙介质流态的模型：一种是常用的一种是常用的Kozeny-Carman模型模型。认为孔隙介质是由不同弯曲和形状。认为孔隙介质是由不同弯曲和形状的孔道组成，其流态基于直圆管内的的孔道组成，其流态基于直圆管内的Poiseuille流动方程来分析；流动方程来分析；另一种是另一种是Happel模型模型，集中分析单个球形滤料的粘性流场。，集中分析单个球形滤料的粘性流场。孔隙介质的渗透系数孔隙介质的渗透系数：沿滤床深度的水头损失：沿滤床深度的水头损失：式中：式中：H为滤床深度；为滤床深度；L 为为水头损失；水头损失；1为水的密度；为水的密度；g为重为重力加速度；力加速度；U为滤速；为滤速；rs为滤料为滤料颗粒的半径。颗粒的半径。上式表明，滤床水头损失与滤料上式表明，滤床水头损失与滤料直径的平方成反比，与滤速直径的平方成反比，与滤速U和和（1-f）2/f3值成正比。该式只适值成正比。该式只适于清洁滤床或过滤初期的情况。于清洁滤床或过滤初期的情况。渗透系数渗透系数K与孔隙率与孔隙率f关系为：关系为：滤层的水头损失为：滤层的水头损失为：对于滤床孔隙率对于滤床孔隙率f=0.40.7时，时，Kozeny-Carman模型与模型模型与模型与与Happel模型对水头损失的计算结果是一致的。由于模型对水头损失的计算结果是一致的。由于Happel孔隙流态模型给出了单个滤料的流场的微观理论描述，孔隙流态模型给出了单个滤料的流场的微观理论描述，因而它可用来分析悬浮颗粒在滤料上沉积过程的机理。因而它可用来分析悬浮颗粒在滤料上沉积过程的机理。第四节 滤床过滤5.4.2 水处理中的滤床过滤水处理中的滤床过滤快滤池的设计和运行营理仍需要快滤池的设计和运行营理仍需要借助于半经验的理论借助于半经验的理论。这种理论是。这种理论是基于实验研究对过滤过程中水头损失及出水浊度的变化进行规律性基于实验研究对过滤过程中水头损失及出水浊度的变化进行规律性的总结获得的，主要是建立水头损失及出水浊度与滤床比沉积量的总结获得的，主要是建立水头损失及出水浊度与滤床比沉积量之间的半经验公式。从而定量地描述这些参数在过滤过程中的变化之间的半经验公式。从而定量地描述这些参数在过滤过程中的变化规律。规律。滤床比沉积量滤床比沉积量：单位体积滤床中沉积的颗粒物质的体积，是一无单位体积滤床中沉积的颗粒物质的体积，是一无量纲参数。它随着过滤时间量纲参数。它随着过滤时间t的延长而不断增加。的延长而不断增加。随着过滤的进行，颗粒物质不断在滤床孔隙内沉积改变了孔隙内随着过滤的进行，颗粒物质不断在滤床孔隙内沉积改变了孔隙内流动状态和颗粒传递效率，从而改变滤床水头损失和去除颗粒物流动状态和颗粒传递效率，从而改变滤床水头损失和去除颗粒物质的效率。同时，随着颗粒物质的不断沉积也改变了滤料表面状质的效率。同时，随着颗粒物质的不断沉积也改变了滤料表面状态和性质，从而也使粘附效率因数态和性质，从而也使粘附效率因数a发牛了改变。发牛了改变。第四节 滤床过滤1.过滤的半经验理论过滤的半经验理论滤床内的质量守恒关系：滤床内的质量守恒关系：（5-59）滤床出水浊度的残余率以滤床出水浊度的残余率以n/n0表示。它与过滤时间表示。它与过滤时间t构成过滤的泄构成过滤的泄漏曲线：漏曲线：图图5-18 典型的过滤泄漏曲线示意图典型的过滤泄漏曲线示意图段为滤床成熟期段为滤床成熟期.经过两个峰值后浊度迅速下降，达到水质经过两个峰值后浊度迅速下降，达到水质标准。该段占整个过滤周期很小部分，可以忽略。标准。该段占整个过滤周期很小部分，可以忽略。段为滤池有效运行期。由于沉积到滤料表面的颗粒具有很段为滤池有效运行期。由于沉积到滤料表面的颗粒具有很高活性，能商有效地收集水中颗粒，因此，在一个较长时间高活性，能商有效地收集水中颗粒，因此，在一个较长时间内能够保证出水水质。内能够保证出水水质。随着沉积量不断增加，孔隙内流速逐渐增大，水力冲刷作用随着沉积量不断增加，孔隙内流速逐渐增大，水力冲刷作用越来越强烈。使已沉积在滤料表面的颗粒解脱出来重新进入越来越强烈。使已沉积在滤料表面的颗粒解脱出来重新进入水中的趋势增强，到一定时候，出水浊度达到泄漏点，即最水中的趋势增强，到一定时候，出水浊度达到泄漏点，即最大的允许值。这时滤池必须停止运行，进行反冲洗的操作。大的允许值。这时滤池必须停止运行，进行反冲洗的操作。第四节 滤床过滤据泄漏曲线所反映出的规律，可建立滤床系数据泄漏曲线所反映出的规律，可建立滤床系数与比沉积量与比沉积量的关系：的关系：（5-35）式中：式中：，x，y，z为实验确定的参数；为实验确定的参数；0为过滤初期滤床系数；为过滤初期滤床系数；为饱和比沉积量。即滤池达为饱和比沉积量。即滤池达100%泄漏率时的比沉积量。泄漏率时的比沉积量。滤床水头损失滤床水头损失H随比沉积量的增加而增加：随比沉积量的增加而增加：（5-36）式中：式中：为过滤初期水头损失；为过滤初期水头损失；k为比例系数，经过实验确定为比例系数，经过实验确定k与滤料与滤料直径和滤速有关。直径和滤速有关。第四节 滤床过滤2.过滤的预处理过滤的预处理过滤工况条件除了滤床本身的状态（滤床厚度、滤料直径以及滤速过滤工况条件除了滤床本身的状态（滤床厚度、滤料直径以及滤速等），还应注意滤前水中颗粒物质的最佳状态。包括等），还应注意滤前水中颗粒物质的最佳状态。包括颗粒物质的尺颗粒物质的尺寸分布寸分布和和表而电性表而电性两方面。两方面。滤前水中颗粒物质达到最佳状态要靠滤前水中颗粒物质达到最佳状态要靠预处理预处理来完成，而最重要的预来完成，而最重要的预处理手段是凝聚与絮凝，使原水中颗粒在混凝过程中形成大的絮体。处理手段是凝聚与絮凝，使原水中颗粒在混凝过程中形成大的絮体。然而过大的絮体也是不可取的，因为太大的絮体将被阻截在滤床表然而过大的絮体也是不可取的，因为太大的絮体将被阻截在滤床表层，引起水头损失迅速增长。同时，大的絮体不能通过孔隙而深入层，引起水头损失迅速增长。同时，大的絮体不能通过孔隙而深入到滤床深层。这也不利于发挥整个滤床的截污能力。到滤床深层。这也不利于发挥整个滤床的截污能力。对于成熟的滤床，在混凝操作中通过改变对于成熟的滤床，在混凝操作中通过改变原水化学条件原水化学条件（如选择最（如选择最佳混凝剂和调整佳混凝剂和调整pH）以使颗粒脱稳凝聚过程的）以使颗粒脱稳凝聚过程的值达到最佳，这对值达到最佳，这对混凝预处理的要求比较简单。只要在加药混合和絮凝反应等环节中混凝预处理的要求比较简单。只要在加药混合和絮凝反应等环节中达到了脱稳凝聚的最佳条件，就满足了过滤单元的要求。达到了脱稳凝聚的最佳条件，就满足了过滤单元的要求。第四节 滤床过滤不同尺寸颗粒的传递效率与速率相差很大。不同尺寸颗粒的传递效率与速率相差很大。水中的颗粒尺寸分布都遵循指数法则：水中的颗粒尺寸分布都遵循指数法则：（5-37）式中，式中，n（di）是颗粒直径为）是颗粒直径为di的体积粒子数；的体积粒子数；Q，都为常数，且都为常数，且对一种确定的原水或絮凝池出水对一种确定的原水或絮凝池出水值是确定的。值是确定的。值的大小正好反映颗粒传递的不同机理。测定和控制值的大小正好反映颗粒传递的不同机理。测定和控制值在过滤预值在过滤预处理过程，即加药混合、絮凝池以及沉淀池中的变化，将能更好地处理过程，即加药混合、絮凝池以及沉淀池中的变化，将能更好地保持过滤池的有效运行。原水的颗粒物质的保持过滤池的有效运行。原水的颗粒物质的值可通过对颗粒尺寸分值可通过对颗粒尺寸分布的测定来获得。絮凝池和沉淀池出水的颗粒物质的布的测定来获得。絮凝池和沉淀池出水的颗粒物质的值除可以直接值除可以直接测定外，还可运用絮凝动力学的理论知识进行预测，从而做到根据测定外，还可运用絮凝动力学的理论知识进行预测，从而做到根据原水的原水的值及在预处理过程中值及在预处理过程中值的变化以确定过滤的最佳工况。值的变化以确定过滤的最佳工况。5-13 膜分离法概述1、定义、定义膜分离法是微孔过滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析方法的统称。2、几种膜分离法、几种膜分离法 微孔过滤、超滤和反渗透是以压力差作为驱动力的膜分离法。渗析是以浓度差作为驱动力的膜分离法。电渗析是利用离子交换膜对水中离子的选择性，以电位差作为驱动力的膜分离法。其中电渗析、超滤、反渗透是目前给水与废水处理常用的三种膜分离法。超滤和反渗透的应用范围及工作压力见图5-46。5-13 膜分离法概述3、半透膜、半透膜 （1）半透膜是一种只能通过溶液中某种组分的膜。反渗透作用所用的滤膜就是半透膜，它厚约几个m到0.1mm，可以分为平膜和中空纤维膜两种。（2）半透膜的断面分为表皮层、过渡层和多孔层三层。如图5-475-13 膜分离法概述表皮层：一种微晶片结构，含有结合水。具有透水而又不被堵塞的特性。过渡层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水。多孔层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水，空隙大，起支撑 作用。（3）膜的半透性的几中解释）膜的半透性的几中解释 第一种，筛除作用，即膜孔大小介于水分子与溶质分子之间因此水能透过，而溶质不能透过。但这不能解释盐离子不能透过的原因，因为这些离子和水分子的大小基本样。第二种，是在半透膜孔的壁上吸附了水分子，因此堵塞了溶质分子的通路，水分子可以自由运动通过膜孔，而溶质分子则需要把水分子顶下来后才能通过，这需要较大能量，因此，在通常溶液的情况下就不能通过半透膜。第三种，认为膜的聚合物上有带电荷部位，这些电荷阻挡了电解质的离子通过，起了渗透膜的作用。但是，大多数的反渗透用膜，都不具有带电荷部位。第四种，有一种机理认为是由于水能溶解于膜内，而溶质不能溶解于膜内。但是以上的四种都不能解释全部渗透现象。5-14 反渗透1、渗透与渗透压、渗透与渗透压如图5-48所示，在联通管中所装的半透膜的两边分别装不含溶质的水和含溶 质的溶液。水(溶剂)透过膜扩散到溶液一侧，结果使溶液一侧的液面逐渐上升，直至达到某一水位高度的平衡状态为止此所