给水处理课件

第一章给水处理概论给水处理的任务：

用不同的方法与装置改变原水的主要质量指标以满足用户的要求，提高水的质量，解决原水不能满足用户要求的矛盾。§1-1原水的水质一、天然水中的杂质1.按杂志的来源性质分：有机物

无机物

悬浮物溶解杂质二、各种天然水源的水质特点1.地下水

2.江河水

3.湖泊及水库水4.海水§1-2用户对水质的要求—水质标准一、生活饮用水水质标准许多国家都规定了饮用水水质标准。我国于1956年颁布的《生活饮用水卫生标准（试行）》直至1986年实施《生活饮用水卫生标准》（GB5749-85），经过了30多年共修定4次。水源污染给人类健康带来了严重的威胁，主要解决途径就是

保护好水源，控制污染源；

强化水处理工艺。水质标准的确定主要保证：1.对人体健康无害；2.水应具有良好的性状；3.对生活使用无不良影响。二、工业用水水质标准1.原料用水水质要求同生活饮用水。2..工艺用水水质不能影响产品质量。3.锅炉用水严格限制水的硬度和碱度。4.特种工业用水对水中的离子和杂质的存在有严格要求。5.冷却用水水质要求不高，但水温较低。§1-3给水处理方法概论给水处理方法应根据水源水质和用户对水质的要求确定悬浮杂质——沉淀方法去除；胶体状态存在水中的杂质——混凝沉淀过滤去除；离子、分子状态存在水中的杂质——生成沉淀物将这种杂质去除；有机物——用活性炭吸附；微生物、细菌等——消毒方法。以上各种方法可以单独使用，也可几种方法结合使用，以形成不同的处理系统，就是所谓的水处理流程。1.以河水为水源的自来水厂一般处理系统图示：

混凝剂

消毒河水混合絮凝沉淀过滤清水池二泵用户2.以含铁地下水为水源的自来水厂一般处理系统图示：消毒原水曝气天然锰砂接触吹化过虑清水池二泵用户

第二章水的混凝投药是混凝工艺必要的前题，混合和絮凝是混凝工艺的两个阶段。为了提高混凝效果，技术上的关键在于结合原水水质选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力条件，是混凝工艺各阶段顺利进行的关键。§2-1水的混凝机理一、水中胶体的稳定性胶体稳定性的主要原因有三种：1.微粒的布朗运动；2.胶体颗粒间的静电斥力；3.胶体颗粒表面的水化作用。二、混凝机理1.双电层作用机理；胶核表面的电位既热力电位一般固定的，滑动面上的电位电位是表面双电层构造的一个主要指标，如扩散层的厚度变小，电位曲线变陡，电动电位自然也下降，斥力势能变小。当扩散层厚度压缩到某种程度两个胶粒因布朗运动相互碰撞时，由于胶粒之间的范德华引力不变，而静电斥力变小两种力的对比便发生变化，如最大斥力势能Eb´小于布朗运动的能量时，则胶粒就可以在引力的作用下相互结合起来。扩散层厚度可按强电解质溶液理论中的计算离子半径的公式来考虑：

δ——扩散层厚度。

A——常数。

Ci——溶液中第i种离子的克分子浓度。

Zi——第i种离子的价数。

CiZ——该溶液的离子强度。

当混凝剂投加量适当时，就可以使排斥能峰降低到Eb´,Eb´小于胶体布朗运动能时，这时两个相互碰撞的胶粒就可以越过排斥能峰而继续接近，最终结合成一个较大的胶粒。对于胶粒而言，这就是由稳定状态解脱出来，一般称为胶粒脱稳。脱稳胶粒相互凝结，通常称为混凝。高价反离子压缩胶体扩散层，元比低价离子有效。2.吸附架桥作用机理作为混凝剂的高分子物质以及AL2(SO4)3，FeCL2溶于水后，经水解和缩聚反应形成高聚物，这些物质均具有线型结构，整分子具有一定的长度，胶体微粒对这类高分子具有强烈的吸附作用，由于高分子物质易被胶粒所强烈吸附，线型长度较大，因而它可以在相距较远的两个胶粒之间进行吸附架桥。既当它的一端吸附某一胶粒后，另一端伸入水中又吸附另一胶粒，微粒通过高分子吸附架桥颗粒逐渐变大，最终形成肉眼可见的粗大絮凝体（凡花）。由高分子物质吸附架桥而使液粒相互黏结的过程，通常称为絮凝。对于高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂来说，吸附架桥起决定作用；对AL2(SO4)3

等无机盐混凝剂来说，吸附架桥作用和双电层作用均具有重要作用。3.硫酸铝的混凝机理

AL2(SO4)3

18H2O是水厂中常用的混凝剂之一，溶于水后，立即离解出AL

3+

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

3+并非以这种裸露的简单形态存在，而是结合有6个配位水分子的水合离子

AL(H2O)6

3+

这是一种最简单络合物，水合离子水解时，配位水分子可以失去H+而形成单羟基单核络核物。反应如下：[AL(H2O)6]3++H2O

[AL(OH)(H2O)5]2++H3O+单羟基单核配合物进一步水解[AL(OH)(H2O)5]2++H2O+

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

[AL(OH)3(H2O)3]↓+H3O+由上述反应可见，降低水中H+浓度或提高PH，水解反应趋向右方，配位水分子逐渐减少，羟基逐渐增多，而水合羟基络合物的电荷却逐渐降低，最终生成中性轻氧化铝难溶沉淀物。经研究：

当PH4

时，水解受到抑制水中存在的主要是

AL(H2O)6

3+

当PH=4

时，水中将出现

AL(OH)(H2O)5

2+、

AL(OH)2(H2O)5

+及少量[AL(OH)3(H2O)3]

单羟基水合铝离子双羟基水合铝离子当PH=7

8时，水中主要是中性的[AL(OH)3(H2O)3]沉淀物当PH

8.5时，由于轻氧化铝是典型的两性化合物，它又重新溶解，并继续水解，生成可溶性的阳离子。

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在它们之间再进一步结合，还可以生成如[AL3(OH)4(H2O)10]5+以及更多的聚合物，缩聚反应结果，使聚合物水解反应仍继续进行。

[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偏低时，水中电荷低聚合度的络合物占主导地位，它能对水中胶体杂质发挥压缩扩散层及电中和作用，使杂质发生凝聚，既起脱稳凝聚作用，吸附架桥居次。在PH值高时，低电荷高聚合度的高聚物占主要地位，它能在胶体杂质微粒之间粘结架桥，使之发生凝聚，既起架桥凝聚作用，电中和脱稳居次。在PH值=7

8时，聚合度极大的中性[AL(OH)3(H2O)3]

将占绝对多数，它能生成微小的凝聚，吸附和粘结水中的胶体杂质，卷带它们一起从水中分离出去，既起吸附卷扫作用，高聚物具有十分优异的絮凝作用。§2-2混凝剂和助凝剂一、混凝剂水质净化对混凝剂的基本要求：混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；货源充足，价格低廉。混凝剂的种类：（一）无机盐类混凝剂1.铝盐

AL2(SO4)318H2O

明矾AL2(SO4)3•

K2SO4•24H2O2.铁盐

FeCL3•

6H2O

FeSO4•

7H2O二、高分子混凝剂（分无机和有机两类）1.无机高分子混凝剂

聚合氯化铝[AL2(OH)nCL6

n]m这种形式可看作以羟基络合物AL2(OH)nCL6

n为单体，m为聚合度的高分子聚合物，式中：n=1

5,m

10;如：AL2(OH)5CL

既为：m=1,n=5的简单的羟基络合物。

AL4(OH)10CL2

既为：m=2,n=5聚合物或多核络合物。碱式氯化铝ALn(OH)mCL3n

m，

这种形式可看作复杂的多核络合物。如：AL6(OH)14CL4、AL13(OH)34CL5等。上述各种物质溶于水后，变离解为复杂的高聚物离子。

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

发挥混凝作用的就是这些带正电荷的高离子。2.有机高分子混凝剂有机高分子混凝剂虽然效果优异，但制造过程复杂，价格昂贵，它们的毒性问题始终为人们所注意，因而，当前使用的还不普遍。二、助凝剂(一)什么是助凝剂

当单用混凝剂不能取得良好效果时，须投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。也就是能促进和加速凝聚过程，提高绒粒质量的物质称为助凝剂。(二)分类1.调整混凝过程的PH值当原水碱度不足而使混凝剂水解困难时，可投加碱剂，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

混凝剂水解产生的H+

2.

氧化剂3.改善絮凝体结构的高分子助凝剂常用的高分子助凝剂有聚丙烯酰胺、活化硅酸等。活化硅酸是水玻璃配制的，水玻璃的成分可表示为：

Na2OXSiO2yH2O将水玻璃中的SiO2成分分解出来产生胶体的操作过程称为活化，活化剂一般用H2SO4。

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

活化剂水玻璃XH2SiO2发生缩聚反应、生成带有负电荷的硅酸高分子化合物加酸搅拌后尚需等待6∼8小时（成熟时间），待溶液变成乳白色后变可使用。

当酸化度为158%时，SiO2将全部分解出来，一般酸化度宜采用75

100%，活化水玻璃以SiO2浓度1

1.5%为宜。它配合铝盐、铁盐使用效果较好，尤其是处理低温、低浊水更为有利。要现场调制，即日使用（18小时以内），否则宜形成冻胶。粘土、沉淀污泥等，也可作为絮凝剂的助凝剂。§2-3混凝动力学推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称“异向絮凝”。另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。一、异向絮凝

假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：

Np=8dDBn2…..

Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s）n——颗粒数量浓度；（个/cm3）d——颗粒直径；（cm)DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示：

……………….

K——波兹曼常数,(1.3810-16g.cm2/s2.k)T——水的绝对温度,(K)

——水的运动黏度,(cm2/s)

——水的密度,(g/cm3)将式代入式

…………….二、同向絮凝同向絮凝简称须凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.如图所示,当水流处于层流状态下的流速分布,i和j颗粒均跟随水流前进.由于I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某一时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为均匀球体，di=dj=d

,则再以j颗粒中心为圆心，Rij为半径的范围内的所有i和j颗粒均会发生碰撞。碰撞速率N0为：

…………..

.

…………….

G——速度梯度(S-1)u和

u——分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s)

z——垂直与水流方向的两流层之间距离(cm)n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中，往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。

所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比，以G表示。

公式推导如下：在被搅动的水流中，考虑一个瞬息受剪而扭转的隔离体

,在隔离体受剪而扭转过程中，剪力作了扭转功。如设在

时间内，隔离体扭转了角度，于是角速度为：

……..

式中u为扭转线速度，G为速度梯度，转矩J：

J=（

）

……..…………

式中：

——剪应力。

——作用在隔离体上的剪力。隔离体扭转所耗功率等于转矩与角速度的乘积，于是单位体积水流所耗功率P为：

………...

根据牛顿内摩擦定律：=G代入

式

……………..

——水的动力黏度（pa

s)p——单位体积流体所耗功率（w/m3)G——速度梯度（S-1）

当用机械搅拌时，式

中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池时，P应为水流本身能量消耗；

PV=gQh…………

V=QT……………(11)将

和(11)代入得：

……………..（12）g——重力加速度（9.8m/s2)h——混凝设备中的水头损失（m)

——水的运动黏度（m2/s）T——水流在混凝设备中的停留时间（s)三、混凝控制指标在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度快速剧烈，通常在10

30S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速度梯度计，一般G=7001000S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。在絮拧阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。通常以G值和GT作为、控制指标。G=20

70S-1

范围内，GT=1

1041

105范围内。有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以CVGT或aCVGT值作为控制指标。

CV——水中颗粒体积浓度。a——颗粒有效碰撞系数。如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：

a=1

,而实际a1。从理论上而言，采用CVGT或aCVGT值控制絮凝体效果自然更合理，但具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继续研究的目标。§2-4影响混凝的因素一、水温水温低时及低温水

1.混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，强度小，不易沉淀。2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间碰撞机会减少，影响了混凝效果。克服水温低效果差的措施：1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重量和强度，提高沉速。二、水的PH值和碱度水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑浊水，投硫酸铝的最佳PH范围为6.5

7.5。我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2。H++HCO3-=CO2+H2O

这使水中碳酸平衡发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样受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+三价铁盐混凝剂适应的PH值范围较宽，最优PH值大约在6.0

8.4之间。使用FeCL47H2O时：Fe2++H2O

Fe(OH)++H+

Fe(OH)++H2O

Fe(OH)2

+H+Fe(OH)2溶解度较大，且Fe2+只能形成较简单的络合物，混凝效果较差，因此要把Fe2+氧化成Fe3+，就和FeCL3一样了。氧化的方法：利用溶解氧氧化4FeSO4+O2+10H2O

4Fe(OH)3+4H2SO4要求：PH

8.5，这样氧化时间才能短，因此投FeSO4同时投加CaO提高原水的PH。PH8.5时氧化过程缓慢，很难在净化构筑物内完成。加CL2氧化6FeSO4+3CL2

2Fe(SO4)3+2FeCL3三、水中悬浮物浓度的影响因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能对混凝发生影响，由于AL2(SO4)3的水解产物都带正电核，所以天然水中Ca++、Mg++对混凝有利，而水中某些阴离子如CL-，对混凝产生不利影响，不过，这些方面还有许多问题有待研究。粘土杂质，不同的水源粒经大小和级配、化学组成、带电性能和吸附性能等，各不相同，因而即使浊度相同，混凝性能也未必一样。一般而言，粒经细小而均一者，混凝效果较差，粒经不同者于混凝有利。颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加粘土或其它混凝剂可提高混凝效果。当水中有机物过高时，吸附于胶体颗粒上使胶体具有很高的稳定性，这就是所谓有机物对胶体的保护作用，向水中投CL2以氧化有机物，破坏其作用，能提高混凝效果。有机物少时有助凝作用，在实际应用时我们应利用这个作用。混凝剂的最佳投量，主要还靠混凝试验。

从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然导致水的PH值的下降，天然水中含有一定的碱度。

HCO3-+H+CO2+H2O

当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓冲作用，水的PH值略有降低，对混凝效果不会有大的影响。当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度以不足已中和水解产生的酸时，水的PH将大幅度下降，以至将至最优混凝条件以下。这时便不能获得良好的混凝效果，为了保持水的PH值在混凝过程中始终处于最优范围内须向水中投加碱剂，既对水进行碱化。一般投加CaO.

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

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

§2-5混凝剂的配制和投加混凝剂的配制和投加其流程为：混凝剂的溶解和溶液的配制大中型水厂通常建造混凝土溶解池并配置搅拌装置，搅拌的目的在于加速药剂溶解。搅拌装置有：机械搅拌、压缩空气搅拌、水泵搅拌、水力搅拌等。

中小型水厂，常用自然浸溶，压力水经穿孔管淋溶或冲溶。

溶液池的容积：

W1——溶液池的容积（M3）；Q——处理的水量（M3/h)；

a——混凝剂的最大投量（mg/l)；b——溶液浓度，一般取（b=10

20）n——每日调制次数2

6次溶液池一般设二个，一用一备。溶解池的溶积：

W2=（0.2

0.3）W1（M3）二、混凝剂溶液的投加对投药设备的基本要求：1.投量准确、易调节。2.设备简单、工作可靠、操作方便。

（一）计量设备1.孔口计量

q——流量；

w——孔口面积；

——孔口的流量系数；

g——重力加速度；

h——孔口前作用水头。3.转子流量计计量

2.浮杯计量

4.计量加药泵计量

4.计量加药泵计量（二）投加方式湿投法1.重力投加

2.水射器投加3.水泵前投加湿投法优点：

投药量准确、工作稳定可靠；适应性强（粗、精、块均可）。缺点：设备较庞大，占地大、造价高；投药量突然增大时，不易调节，排渣困难。干投法把固体药剂（通常系硫酸铝）破碎成粉末后进行定量头加。优点：

设备占地小；

易调节排渣容易。缺点：投药量不太准确，（特别是用药量少时）块状药剂须进行破碎，须增设破碎机。深圳某水厂石灰投加设备石灰头加设备局部

石灰投加平台药剂溶解池及贮液池

溶液池溶解溶液池（一）隔板絮凝池主要设计参数：1.流速：u从大到小逐渐变化，起端0.5

0.6m/s，末端0.2

0.3

m/s。2.絮凝时间：T=20

30分钟。3.隔板间距：b不小于0.5

0.6m,a=(1.2

1.5)b,池底应有i=0.02

0.03,设不小于150mm排泥管。

4.水头损失计算ui—第i段廊道内水流速度m/s;uit—第i段廊道转弯处水流速度m/s;mi—第i段廊道水流转弯处次数；—隔板转弯处的局部阻力系数，往复式隔板（180º转弯）=3，回转式隔板（90º转弯）=1;Li—第i段廊道总长度m;Ri—第i段廊道过水断面水力半径m;Ci—流速系数。絮凝池的总水头损失：

h=hi一般按絮凝池容积大小水头损失往复式

hI=0.3

0.5m;回转式比往复式小40%左右。优点：1.适用于大型水厂，因为Q小b小，不便于施工和维护；2.构造简单、管理方便、效果较好，回转式比往复式效果好，水头损失小30

40%。缺点：1.絮凝时间长，容积较大，水头损失较大；2.流量变化大时，效果受影响。适合中小型水厂的有竖流式隔板絮凝池。（见例题P276页）（二）折板絮凝池按水流通过折板的间隙数，又分为“单通道”和“多通道”。多通道折板絮凝池

折板絮凝池与隔板絮凝池相同，其间距应根据水流速度的大小而改变，隔板之间的流速通常也分段设计，分段数一般不少于3段。各段流速分别为：第一段0.25

0.35m/s；第二段0.15

0.25m/s；第三段0.10

0.15m/s。折板的夹角采用90

120，折板可采用钢丝网水泥或塑料板等拼装而成，波高一般采用0.25

0.4m。优点：

1.无论是同波还是异波折板间水流流动连续不断，可行成众多小旋涡，提高了颗粒碰撞絮凝效果。2.在折板的每个转角处，两折板之间的空间可视为CSTR完全混合连续反应器，众多连续反应器串联起来就接近或相当于推流型（PF型）反应器。所以折板絮凝池接近推流型。3.与隔板絮凝池相比，水流条件大大地改善，在总的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高。所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小。缺点：

1.因板距小，安装维修较困难；2.折板费用较高，一般常用于中小型水厂。采用波纹板缺点就更突出。深圳某水厂折板絮凝池（三）机械絮凝池机械设备的优点：

1.絮凝效果好；2.易调节、受水质变化的影响小；3.水头损失小。缺点：

1.需设置机电设备；2.维修管理较复杂。常用的浆板式机械絮凝池主要设计参数为：1.浆板：总面积为水流截面积的（10

20）%不易超过25%，以免池水随浆板共同旋转减弱搅拌效果，浆板长度不大于叶轮直径的75%，宽度为10

30cm，

2.叶轮旋转线速度：按叶轮半径中心点的线速度计算（相当于池中水流的平均速度）第一格0.5

0.6m/s,以后逐渐递减，最末一格采用0.1

0.2m/s。3.絮凝时间：一般采用15

20分钟。机械搅拌设备的计算：1.搅拌叶轮转数n—叶轮转数，转/分；v—叶轮半径中心点线速度，m/s;D0—叶轮半径中心点旋转直径，M（其值与叶轮半径相等）2.浆板旋转时，克服水的阻力所耗功率

浆板旋转时，水对浆板的阻力，也即浆板施于水的推力，在dA面积上水流的阻力可用因次分析方法求得如下的表达式：(见p279)式中：P—浆板所耗总功率，W;n—同一旋转半径上浆板数；

r2—浆板外缘旋转半径，m;r1—浆板内缘旋转半径，m;CD—阻力系数，

—水的密度，—相对于水的旋转角速度；3.每个旋转轴所需电动机功率式中：N—电动机功率

1—搅拌设备总机械效率(一般取0.75）;

2—传动效率，可采用0.6

0.95。注意：浆板线速度是以池子为固定参照物，相对线速度为浆板相对水流运动线速度，其值为旋转线速度0.50.75倍。只有浆板刚启动时，两者才相等，因此浆板受的阻力最大，所以在选用电机时，应考虑启动功率这一因素。但计算运转功率获速度梯度G值，应按全部浆板所耗功率（P公式），或以旋转线速度乘以0.50.75倍代入。见（P280例题）（四）其他形式絮凝池1.旋流絮凝池一般喷嘴出口：u=2

3m/s.池子出水口：u=0.15

0.20m/s.逆水流方向出水。水头损失主要集中在进水喷嘴上：—喷嘴流量系数（0.9

0.95）

u—喷嘴流速，m/s.

效果不理想，由于水的短流现象比较严重，射流持续搅动时间短，搅动程度不足，为克服上述缺点。出现了多级旋流反应池。

多级旋流反应池是由一系列方格组成，方格四角抹成圆角，每一个称为一级，一般分6

12级，进水口沿圆的切线方向上、下交错布置原水以较高流速进入各格，都能在其中形成旋转运动，以搅动水流。第一级进口流速2

3m/s，而后逐渐递减，最后一级进口流速可为0.15m/s左右。由于第一级进口流速特别高，对水流持续搅动时间较长，故一般将第一级容积加大。总絮凝时间一般约20分钟。2.孔室絮凝池

孔室絮凝池由一系列串联格间（孔室）组成，格间呈方型或长方形，水以较高流速经孔口流入格间，在格间中造成水流的紊动，从而促进絮凝，一般分6

12级。第一级u=12m/s

以后各级的进口流速依次减少。最末一级.u=0.2m/s;絮凝时间T=20分钟。进出口上、下交错布置。适宜中小水厂3.涡流絮凝池水在池中形成涡流扩散后上升，随着过水断面逐渐增大，上升u逐渐减小，池子数不少于2个。进口u=0.7m/s；上升水流u=4

5m/s；T=6

10分钟；出口u

0.2m/s。=30º

45º；适合小水厂、小水量，水量大效果不理想。4.组合使用日益增多在隔板絮凝池前设机械絮凝池；在旋流絮凝池后设隔板絮凝池；效果好，但设备形式增多。5.网格、栅条絮凝池如图：共分成两组，每组9个格（9个竖井），网格层数共分成27层，当水流通过网格时，相继收缩、扩大，形成涡流，造成颗粒碰撞。水流通过竖井之间孔洞流速及过网流速按絮凝规律逐渐减小，网格和栅条絮凝池主要设计参数见（P28表15-3）网格和格栅絮凝池所造成的水流紊动颇接近于各项同性紊流，故各项同项紊流理论应用网格和栅条絮凝池更为合适。特点：1.絮凝效果好；2.水头损失小；3.絮凝时间短。缺点：1.从运行看，末端有积泥现象；2.网格上易滋生藻类、有堵塞网眼现象。一般与沉淀池合建，分成两组，从中间进水，每组水量在1

2.5万M3/d之间效果较好。第三章沉淀和澄清

水中固体颗粒依靠重力作用，从水中分离出来的过程称为沉淀，按着水中固体颗粒的性质，沉淀分为三类：1.自然沉淀颗粒在沉淀过程中不改变其大小、形状和密度。2.混凝沉淀在沉淀过程中，颗粒由于相互接触凝聚而改变其大小、形状和密度，这种过程称为混凝沉淀。3.化学沉淀在某些特种水处理中，投加药剂使水中溶解杂质结晶为沉淀物，称为化学沉淀。§3-1概论§3-2悬浮颗粒在净水中的沉淀自由沉淀：颗粒沉淀时不受容器壁和其他悬浮物的影响，颗粒状沉淀。拥挤沉淀：颗粒处于互相干扰的沉淀（网状沉淀）。一、悬浮颗粒在净水中的自由沉淀一般认为，悬浮颗粒与器壁的距离大于50倍颗粒的直径，同时体积浓度小于0.002时（5400mg/L），可认为自由沉淀，此时的沉淀速度称为自由沉淀速度。以球型颗粒为例，在水中作沉降运动时将受重力、浮力、摩擦阻力三种力的作用。（一）颗粒的重力为：

F1=1/6

d3

sg

颗粒下沉的速度可得自牛顿第二定律：vs——颗粒下沉速度；m——颗粒的质量；t——时间。

s——颗粒的密度；d—颗粒直径；g—重力加速度。（二）颗粒的浮力为：F2=

1/6

d3

1g

1——水的密度。（三）摩擦阻力其值与颗粒在运动方向上的投影面积A及动压1/2

vS2有关。

FD——颗粒在水中所受的阻力；cD——阻力系数；

1—水的密度；A—颗粒在运动方向垂直面上的投影面积d2/4；vS——流速（下沉速度）有：颗粒下沉时，起始沉速为零，故以加速度下沉，随着vs增加，阻力也相应增加，很快颗粒即等速下沉。dvs/dt=0

上式为沉速基本公式，式中虽不出现Re，但是，式中阻力系数cD却与Re有关，Re=ud/

—水的运动粘度。阻力系数cD与雷诺数Re的关系通过实验得出，见图：1.层流区Re≤1此时曲线倾角为45°上式可得均匀下沉速度vs,简称沉速u层流区过渡区紊流区代入前式，得：这个公式为斯笃克斯公式,式中（因为ss=

s/1比重），即颗粒越大、水温越高，沉速u愈快.

—运动粘滞系数；ss—颗粒的比重。这个公式适用d≤0.1mm泥沙颗粒，Re在10-4~1之间。2.过渡区1≤Re≤5003.紊流区500≤Re≤105此时cD=0.4，代入公式，得到牛顿公式：这个公式适用d＞2mm的砂粒。给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上，常常以沉速代表某一特点颗粒而无需求出颗粒的直径。沙粒粒径：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

胶体，不能自行下沉

必须混凝去除此时取代入公式，得阿兰公式：这个公式适用于d≤2mm的砂粒。2.过渡区1＜Re＜10003.紊流区1000＜Re＜25000此时cD=0.4，代入公式，得到牛顿公式：这个公式适用d＞2mm的砂粒。给水沉淀池中的泥沙颗粒的沉淀一般属于层流沉降状况。给水处理主要研究对象是0.1mm以下的颗粒的去除问题。在实际应用上，常常以沉速代表某一特点颗粒而无需求出颗粒的直径。沙粒粒径：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

胶体，不能自行下沉

必须混凝去除此时取代入公式，得阿兰公式：这个公式适用于d≤2mm的砂粒。二、悬浮颗粒在净水中的拥挤沉淀

自由沉淀可以看成单个颗粒在无边无际的水体中下沉，此时颗粒排挤开同体积的水，水将以无限小的速度上升，当大量颗粒在有限的水中下沉时，被排挤的水便有一定的速度，使颗粒所受到的摩擦阻力有所增加，颗粒处于互相干扰状态，此过程称为拥挤沉淀，此时的沉淀速度称为拥挤沉速。

一般讲，当原水含沙量增到一定数量，泥沙即处于拥挤沉淀状态，含沙量再大时，再沉淀过程中会产生浊度相差悬殊的清水区和浑水区，两区交界面清晰可见，称为浑液面，该面缓缓下降，直至泥沙完全沉积为止。黄河高浊度水当含沙量＞6kg/m3时，具有拥挤沉淀性质；当含沙量＞15~20kg/m3时，就出现清晰可见的浑液面。

交界面以下的颗粒均处于拥挤沉淀状态，交界面下降的速度可理解为颗粒在互相干扰时的平均速度，即平均拥挤沉速。某一瞬时，沉淀管中按悬浮物浓度的分布情况，可分为四个区：清水区A；浓度为C0的等浓度区B；过渡区C；浓缩区D。

随时间增长，交界面继续下降，直至B、C两个区消失，只剩A、D两个区，D区高度也逐渐减小，设压实时间t→

，最后压实到H

为止。以交界面高度为纵坐标，沉淀时间为横坐标，可得交界面沉降过程曲线。絮凝过程交界面等速下沉下降速度逐渐变小B区消失c-d为上凹的曲线，表明交界面下降的速度逐渐变小。此时B区以消失，故C点称为沉降临界点，相应于C点的交界面下的浓度均大于C0。c-d段表示B、C、D三个区重合后沉降物压实的过程，随着时间的增长，压实变慢，最后压实高度为H∞。a-b段为向下的曲线，可解释为颗粒间的絮凝过程，由于颗粒凝聚变大，使下降速度逐渐变大。

b-c段为直线，表明交界面等速下降。

a-b曲线段一般较短，且有时不是很明显，所以可以认为是b-c直线段的延伸。絮凝过程交界面等速下沉下降速度逐渐变小B区消失

该式的含义是：高度为Ht，均匀浓度为Ct的沉淀管中所含悬浮物遇原水高度H0均匀浓度为C0的沉淀管中所含悬浮物浓量是相等的。曲线a´—

Ct—d所虚拟的沉淀管悬浮物拥挤下沉曲线。这条曲线与沉淀管中悬浮物下沉曲线在Ct点以前（即t时间以前）是不一致的，但在Ct点以后（t时间以后）两曲线重合。作Ct点切线目的，就是为了求任意时间内交界面下沉速度。这条切线斜率即表示浓度为Ct的交界面下沉速度：

由上图曲线可知，a-c段的悬浮物浓度为C0，c-d段浓度均大于C0，设在c-d曲线上任意一点Ct(Ct>C0)作切线与纵坐标相交于a´点，高度为Ht，按肯奇沉淀理论可得：在a-c段，因切线就是a-c直线本身，Ht=H0,故Ct=C0。由于a-c线斜率不变，说明浑液面等速下沉。当压缩到H

高度后，斜率为0。即vt=0，说明悬浮物不在压缩，此时Ct=C

（压缩浓度）。如同样的水样，用不同高度的水深作实验，发现在不同沉淀高度H1及H2时，两条沉淀过程线之间存在着相似关系：

说明当原水浓度相同时，A、B区交界的浑液面的下沉速度是不变的，但由于沉淀水深大时，压实区也较厚，最后沉淀物的压实要比沉淀水深低时压实的密实些。由于这种沉淀过程与沉淀高度无关的现象，使有可能用较短的沉淀管作实验，来推测沉淀的效果。A、B交界面的高度0tp1p2Q2Q1H1H2§3-3平流沉淀池平流沉淀池在运行时，由于受到各种因素的影响池中实际水流情况以及颗粒杂质的沉降过程是十分复杂的，为了使问题得到适当简化，便于突出主要矛盾，暂将一些次要因素去除，这样就提出了关于理想沉淀池的概念。一、非絮凝性颗粒沉淀过程分析（理想沉淀池的沉淀原理）1.颗粒处于自由沉淀状态。即在沉淀过程中颗粒之间互不干扰，不在凝聚和破碎，颗粒的大小、形状和密度不变，因此颗粒沉速始终不变。2.水流沿着水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等。在流动过程中，v始终不变。3.颗粒沉到池底即认为已被去除。理想沉淀池应符合以下三个假定：沉淀效率：式中：L—沉淀区的长度；h0—沉淀区的水深；

V—水平流速；B—沉淀区的宽度；

A—沉淀区的面积；ui—小于截流速度的沉速（截流沉速）。q—表面负荷率（单位面积沉淀区单位时间所沉淀的水量）；

E—沉淀效率。●BAB´A´u0uibmvv●b′△ABB′～△Abb′相似同样所以Bh0v=Q水的流量；BL=A沉淀区平面面积；Q/A—

单位面积沉淀区所沉淀的水流量，称沉淀池的表面负荷（过流率）

理想沉淀池的表面负荷就是它的截流沉速，反应了能全部去除的颗粒中的最小颗粒沉速。由上述可知，浑水在理想沉淀池中的沉淀效率只与沉淀池的表面负荷率有关，而与其他因素（水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关，这一结论抓住了沉淀池的主要矛盾，阐明了决定沉淀效率的主要因素反应了下列两个问题：（1）当E一定时ui越大，q也越高，亦即产水量越大，或当Q、A不变时ui越大、E越高。

ui的大小与混凝效果有关，因此，生产上一定要重视絮凝工艺。（2）ui一定，A增加、E提高。当W（容积）一定时，池深浅些，则表面积大些，沉淀效率可以高些，此即“浅池理论”，斜板、斜管沉淀池的发展即基于此理论。

设P1为所有小于ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率，显然dpi为具有沉速ui的一种颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。按：式中：p0—所有沉速小于理想沉淀池截留沉速u0的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率；u0—理想沉淀池的截留沉速；

ui—小于截留沉速的颗粒沉速；

pi—所有沉速小于ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率；dpi—具有沉速为ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。

能够在沉淀池中下沉的这种具有沉速ui的颗粒占原水中全部颗粒重量百分率应为：ui/u0·dpi，因此所有能够在沉淀池中下沉的，沉速小于u0的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率及其去除率应为：

另外，沉速大于和等于u0的颗粒已经全部下沉，其去除率应为（1-p0）,因理想沉淀池总的去除率，即沉淀池效率p为：

以上的讨论是理想沉淀池中颗粒沉淀状况，尽管与实际工作情况并不相符，而理想沉淀池的理论仍可反应颗粒在动水中沉降的某些规律。对研究和发展沉淀工艺，具有一定的实际意义，后面的斜板、斜管沉淀池的工艺即基于理想沉淀池理论。如图：原水中各种颗粒的数量特性。横坐标表示颗粒的沉速ui用以反应颗粒的大小；纵坐标P表示所有小于和等于ui的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率。020406080100002004006008010012014P沉速（cm/s）dpiuiu0p0积累曲线

在分析凝聚性颗粒沉淀过程时，可采用沉淀实验筒。筒长尽量接近实际沉淀池长度，一般可采用2-3米，直径不小于100毫米，设5～6个取样口。将各深度处的颗粒去除百分数的数据点绘在座标纸上（t、p），把去除百分比相同的点p连成光滑曲线，称为“去除百分数等值线”。这些“去除百分数等值线”代表着：对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的颗粒的最远沉降途径。浑度与时间的比值则为指明去除百分数时的颗粒的最小平均沉速。二、凝聚性颗粒沉淀过程的分析

凝聚性颗粒的去除百分数可以从图上算出，如：当沉降为t0时，其相应的沉速，亦即表面负荷uo=h/t0。为方便起见，时间一般选在曲线与横坐标相交处。按前面所介绍凡沉速等于或大于uo的颗粒能全部沉掉，而沉速小于uo的颗粒则按照u/uo比值仅仅部分地沉掉。沉降时间为t0时，相邻两根曲线所表示的数值之间的差别，反映出同一时间、不同深度的去除百分数的差别。说明有这样一部分颗粒对于上面一条曲线来说，已认为沉降下去了，而对下面一条曲线来说，则认为尚未沉降下去。或者说这部分颗粒正介于两曲线之间，其平均流速等于其平均高度除以时间t0，其数量即为两曲线所表示的数值之差。这些颗粒正是小于uo的颗粒。根据以上分析，对于某以表面负荷而言，按此图所示的凝聚性颗粒百分数等值曲线，可以得出总的去除百分数：式中：p2—表示沉降高度h，沉降时间t0时的去除分数，并且是沉速等于或大于u0的已全部沉降掉的颗粒的去除分数。h1—表示时间t0时，曲线p2与p3之间的中点高度；h2—表示时间t0时，曲线p3与p4之间的中点高度；h3—表示时间t0时，曲线p4与p5之间的中点高度；

上述方法是在静止条件下进行的。应用于生产中实际沉淀池，根据经验，表面负荷和停留时间应乘以经验系数。三、影响平流沉淀池沉淀效果的因素1、进水的影响水流经进水穿孔板孔眼的流速0.1～0.2m/s,较池中水流速3～20m/s高出很多，所以进池水流有很大的功能，它能在池内持续很长距离才逐渐消失，这种射流加剧水的紊动，从而影响沉淀效果。影响距离可达数米至数十米之遥。在沉淀池的末端，以水流的出水溢流堰顶为轴心向上形成出流水舌，细粒杂质在出流水舌夹带下能随水流流出池外，从而使沉淀效果降低。2、异重流的影响浑水进入沉淀池后，因水中颗粒杂质不断沉淀而逐渐变清，流出沉淀池的水中浑水物质的含量已经很少，浑水和清水的比重是不同的。即进入沉淀池浑水的比重比流出沉淀池清水的比重大。比重大的浑水进沉淀池后，在重力作用下会潜入池的底部流动，形成所谓的浑水异重流。此外，水的比重与温度有关，当进水温度较池内水温高时，进水有可能趋向池表流动，形成温度异重流，当进水温度较池水温度低时，将会加剧浑水异重流。3、水流紊动性和稳定性对沉淀效果的影响水的紊动性以雷诺数Re判别浑水异重流是平流沉淀池中的基本现象之一，当进池浑水的浓度高时异重流的现象就明显一些，进池浑水的浓度低时，异重流现象就不如浓度高时明显。

—水的流速；R—水力半径；

—水的运动拈滞系数。一般认为，在明渠流中，Re＞500时，水流是紊流状态，平流沉淀池中水流的Re一般为4000～15000，属紊流状态。此时水流除水平流速外，尚有上、下、左、右的脉动分速，且伴有小的涡流体，对水中杂质颗粒的沉降是有影响的，因此，在沉淀池中，通常要求降低雷诺数以利于颗粒沉降。Fr高，惯性力作用相对增加，重力相对减少。水流对温差、密度异重流及风浪等影响的抵抗的能力强，使沉淀池中的水流流型保持稳定，一般认为平流沉淀池中Fr＞10-5。在沉淀池中，降低Re和提高Fr的有效措施是减小水力半径R，平流沉淀池的纵向分隔及斜板、斜管沉淀池都能达到上述目的。水的稳定性以费劳德数判别R—水力半径；—水平流速；g—重力加速度。

在沉淀池中，增大

，一方面提高Re，加强水力的紊动性而不利于沉淀，但另一方面也提高了Fr，而加强了水的稳定性，从而有利于沉淀效果