维普资讯 http://www.cqvip.com ５４ 铜 业 工 程 ２ｏｏ４ Ｎｏｌ 文章编号：１００９—３８４２（２００４）０１—００５４－０３ 沉淀工艺的研究现状及其发展趋势 南方冶金学院摘要王华生刘祖文 本文简要叙述了沉淀工艺给水处理中的作用，系统阐述了沉淀理论及沉淀池的研究现状并在研究分 析的基础上预测了今后沉淀工艺的发展趋势。 关键词给水处理 沉淀池沉淀工艺 中图分类号：ＴＵ９９１．２３ 文献标识码：Ａ １ 概述 给水处理中的沉淀工艺是指在重力作用 Ｆ悬浮 固体从水中的分离过程。沉淀所要研究的是固相在 液相的迁移运动 。 利用沉淀工艺以达到净水的目的，早在古代已 为人们所熟悉和应用。在现代净水技术中，沉淀仍 然是应用广泛的处理工艺。从简单的沉砂，预沉，到 混凝沉淀和软化后悬浮物的去除，以及污泥的浓缩， 都属沉淀工艺。 沉淀工艺之所以被广泛采用主要是由于沉淀截 留的污泥量大，而且构造简单，管理方便以及经营费 用低。对于悬浮物质含量较多的原水，沉淀则是净 水中必不可少的手段。在一般情况下，沉淀池在整 沉降过程可以分为以下几种基本形式 ： ２．１．１分散颗粒的自由沉降。当颗粒不具有絮凝 性能，也就是说颗粒相互接触后不会产生聚集，Ｉ 时 悬浮液中颗粒浓度较低时，沉降属于分散颗粒的自 由沉降。此时，颗粒在其沉降过程中，沉速将不会发 生变化，同时颗粒沉降所交换的液体，在上升时不造 成对其它颗粒沉速的影响。给水处理中低浓度的除 砂或预沉属于这种类型。 在重力场中，颗粒受重力的作用而下沉，同时颗 粒受到液体浮力以及颗粒下沉时液体对颗粒的摩擦 阻力的作用。当这些作用力达到平衡时，颗粒将以 等速度下沉，此时的沉降速度称为稳定沉速。当颗 粒为球形时，其沉降速度为： 个净水系统中担负着去除８０％～９０％的悬浮固体。 沉淀池的造价仅为普通滤池造价的５０％～６０％。 从排除污泥的含水率分析，沉淀池排出污泥的固体 浓度一般可达１％～２％，而滤池冲洗排水的污泥浓 蕊－Ｐ）ｄ 式中ｕ ——颗粒的沉速（ｅｍ／ｓ ）； ｄ——颗粒直径（ｃｍ）； ｇ——重力加速度（ｅｍ／ｓ ）； 度则不到０．１％。从耗能角度分析，混凝沉淀池克 服水头损失所需的电耗约为每千立方米水２ｋｗ／ｈ 而快滤池则为８ｋｗ／ｈ～１０ｋｗ／ｈ。由此可见沉淀工艺 在净水中的技术及经济作用 Ｊ。 Ｐ 及ｐ——颗粒和液体的密度（ｇ／ｅｍ ）。 由实验可知，阻力系数Ｃ。与雷诺数Ｒ （Ｒ ＝ ）有关。也就是说，Ｃ。将随着沉降阻力中粘滞 力与惯性力的作用大小而有所区别。对于不同的 ２研究现状 ２．１颗粒沉降理论 Ｒ ，可以采用不同的沉降速度公式 Ｊ，见表１所示。 ２．１．２絮凝颗粒的自由沉降。在混凝沉淀池中悬 浮物大多具有絮凝性能，因而其沉降不再如分散颗 在给水处理中，根据悬浮液中固体的浓度和颗 粒特性（主要是颗粒的絮凝性能），悬浮固体的分离 粒那样保持沉速不变。当颗粒因碰撞而聚集后，其 沉速加快。大多，文混凝沉淀属于这一类型。 米收稿日期：２ｏｏ３—１１—０６ 作者简介：王华生（１９７７一），男，江西赣州人，在读硕士，主要从事给水排水工程研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４ Ｎｏ ｌ 王华生、刘祖文：沉淀工艺的研究现状及其发展趋势 ５５ 表１ 各种沉降速度公式列表 对于絮状结构颗粒沉速的研究，目前还不多见。 丹保宪仁利用沉降管和摄影的方法，对絮凝颗粒的 粒径、有效密度和沉速进行了测定，并建立了絮凝颗 粒的密度公式： ａ ｐｅ ｐｓ—ｐ 式中ｐ ——絮粒的有效密度（ｇ／ｃｍ ）； ａ——参数（ｇ／ｃｍ ）； Ｋ。——指数参数（无因次），随混凝剂品 种和加注量而定。 考虑球粒的球度为０．８，试验所用公式取Ｃ 为 ４５／Ｒ ，因此絮粒的沉速为： “ｓ－√ 面 — 【ｐｓ—ｐ ｄ 代入密度公式，可得： ｕ。：０．０３笠ａｄ 一 因此只要知道密度公式中的常数ａ及Ｋ。，即可 求出相应絮粒粒径的沉降速度。 ２．１．３拥挤沉降。当颗粒浓度增加时，颗粒问的间 隙相应减小，颗粒下沉所交换的液体体积的上涌将 对周围颗粒的下沉产生影响。颗粒实际的沉降速度 将是自由沉降时的沉速减去液体的上涌速度。当颗 粒浓度还不太高时，只产生对沉降速度的一定降低， 颗粒还可保持个别的沉速形式。 随着颗粒浓度的继续增大，经过一段时间的平 衡，沉速较快的颗粒沉降至下层，相应增加了下层的 浓度，使下层的上涌速度加大，最终使悬浮液的全部 颗粒以接近相同的沉速下沉，形成了界面形式的沉 降，故又称作层状沉降。 给水处理中高浊度水的沉淀以及澄清池中澄清 水和泥渣的分离都属这一类型。 拥挤沉降时单位颗粒的沉速将小于同一颗粒在 自由沉降时的沉速，此时的沉降速度ｕ 为： ｕ ＝ｐｕ。 式中ｐ成为沉速减低系数（ｐ＜１）。 许多学者认为，拥挤沉降中的沉降减低系数应 为体积浓度Ｃ的函数。 ２．１．４压缩沉降。压缩沉降液称为污泥的浓缩。 当沉降颗粒积聚在沉淀池底部后，先沉降的颗粒将 承受上部沉积污泥的重量。颗粒问的空隙水将由于 压力增加和结构的变形而被挤出，使污泥的浓度提 高。因此污泥的浓缩过程也是不断排除空隙水的过 程。各种污泥浓缩池及沉淀池积泥区的污泥浓缩均 属这一类。 关于压缩沉降的计算，常以Ｋｙｎｃｈ沉淀理论为 基础。Ｋｙｎｃｈ沉淀理论的基本假设为： （１）悬浮固体层的任何水平面内固体的浓度是 均匀的，且颗粒都以相同的速度下沉； （２）颗粒的沉速只是其所在位置处颗粒浓度的 函数，即ｕ＝ｆ（Ｃ）； （３）整个沉降高度的初始浓度分布是均匀的， 或者是沿沉降深度逐渐增加。根据上述假设，Ｋｙｎｃｈ 建立了高度为ｈ处的颗粒运动应符合： ｄｈ ｄ “ 一 式中 ｕ一固体颗粒的下沉速度； ｈ～颗粒所处高度； 固体颗粒通量（ ＝ｕＣ）； ｃ一固体颗粒浓度。 ２．２沉淀池类型 沉淀池根据具体布置可设计成多种形式 ｊ。 ２．２．１ 竖流式沉淀池。在２０世纪５０年代设计的 小型水厂中，有不少采用了竖流式沉淀池。这种沉 淀池效果较差，目前已不选用。原有的竖流式沉淀 池也被改造为各种类型的澄清池。 ２．２．２辐流式沉淀池。普通辐流式沉淀池呈圆形 或正方形，直径（或边长）６ｍ～６０ｍ，最大可达 １００ｍ，池周水深１．５ｍ～３．０ｍ。用机械排泥，池底坡 度大于０．０５，其构造为中心进水，周边出水，中心转 动排泥。为了使布水均匀，进水管设穿孔档板，穿孔 率为１０％一２０％，出水水堰采用锯齿堰，堰前设档 板，拦截浮渣。 辐流式沉淀池多用作自然沉淀，适用于高浊度 原水的预沉池。我国兰州西固水厂即采用辐流式沉 淀池作为黄河高浊度水的预沉淀，而对于一般浊度 的水厂是不适用的。 ２．２．３平流式沉淀池。平流式沉淀池是净水厂设 维普资讯 http://www.cqvip.com 铜 业 工 程 ２Ｏ０４ Ｎｏｌ ［ｆ１应用较早也是较普遍的一种沉淀形式，它既 ｌ 用作滤前沉淀处理，也叮用作预沉（沉砂）或最终沉 淀处理。主要特征是构造简单，池深较浅，造价低， 沉淀效果稳定，操作管理方便。主要缺点是平面面 移｛较大，池深较浅，因而常限制后续滤池的选用。 其沉淀界限是理想沉淀池，它的沉淀效率不能超过 理想沉淀池状态下的效果，而且斜板（管）沉淀池对 小颗粒矾花的去除效率很低。 ３发展趋势 纵观沉淀构筑物的发展可以发现：在２０世纪 ６０年代以前主要采用平流式、竖流式和辐流式沉淀 池，６０年代起各种澄清池盛行一时，７０年代后，主要 是斜板、斜管及“复合型”的沉淀池。沉淀构筑物型 式的改进导致了沉淀效率的提高。通过研究分析． 沉淀效率提高的原因可归结以下几点 ： 平流式沉淀池一般适宜用作大、中型水厂的混 凝沉淀，尤以大型水厂更为经济、合适。对于沉淀作 最终处理的 工业用水，常可根据出水水质的要求 米控制加药量，节省药耗。 ２ ２ ４气浮池 气浮池在国外已有一定的历史，在 吲内该技术廊用还不斗、分普遍，从２０世纪７０年代 赶，苏州、昆明、武汉等［｛来水公司先后应用了气浮 池进行处理，为气浮池的应用积累了经验。 气浮法净水对于浊度低、色度大、藻类多以及受 有机物污染而溶解氧低、耗氧量高的原水较适用。 （１）沉淀面积增大。主要体现在斜板与斜管的 运用上。 （２）水流流态的改变，其结果是导致了水 流稳 这类原水若采用一般的混凝沉淀不易形成良好的絮 体或者形成的絮体比重较小，分离困难。 气浮法由于需投加空气，要有一套相应的配套 定性增强（体现在费劳德数Ｆｒ的增大和霄诺数Ｒｅ 的减小上）。 （３）沉淀动力因素的增多（从单一依靠颚 身重力到综合利用重力、水流阻力和离心力等）。 纵览沉淀构筑物的历史，我们还可以发现：从最 没施，因而设备较多，耗电量较高。 ２ ２．５斜板（管）沉淀池。斜板（管）沉淀池是把与 水平面成一定角度（一般为６０。左右）的众多斜板 早的平流式沉淀池到２０世纪７０年代以后的斜板、 斜管沉淀池，沉淀池的设计或开发都是在依靠颗粒 矾花自身重力沉降的基础上围绕怎样增大沉淀面积 和改变水流流态这两方面进行的 Ｊ。所以，目前的 沉淀池基本上只满足了上述三点原因中的前两点。 （管）放置于沉淀池中构成，水从下向上流动（也有 从上向下，或水平方向流动），颗粒则沉于斜板（管） 底部或中部，当颗粒积累到一定程度时，便自动滑 下。 斜板（管）沉淀源于１８８４年英国人Ｈｏｗａｔｓｏｎ提 然而，第三点原因才是影响沉淀效率的主要原因，因 为力的大小、多少才是决定颗粒沉速快慢、除去效率 高低的决定性因素，但是目前在这方面的研究比较 少。 出的“浅层沉淀”理论，其理论特征是颗粒的沉淀效 率是沉淀面积的函数，面积越大，沉淀效率越高。当 沉淀池流量与颗粒沉降速度一定时，其沉降效率与 水平沉降面积成正比。在池中装置了斜板（管）以 后，斜板（管）的水平投影面积就是所增加的沉淀面 沉淀池的设计研究总是以提高沉淀池的沉降效 率为目的。所谓提高沉降效率就是使矾花颗粒在最 短时间内的去除率最高。其实现有两种办法：一是 缩短颗粒的沉淀距离，斜板、斜管沉淀池属这一类 积，因此可以大幅度地提高沉淀效率；装置了斜板 （管）以后，颗粒的沉淀距离大大缩短了，由原来的 池深缩短到两相邻斜板（管）的垂直距离，从而大大 减少了沉淀时间；在池中装置了斜板（管）以后，水 （此方面已有大量的研究且已比较完善）；二是增大 矾花颗粒的下沉速度（高效絮凝剂及絮凝工艺的研 究属于这方面内容并且已有大量的研究，但沉淀工 艺在这方面的研究不多）。要使矾花颗粒的下沉速 流从板（管）间通过，由于加大了过水断面的湿周， 减小水力半径，在同样的流速下，可以降低雷诺数， 从而提高了水流的稳定性，促进了矾花颗粒从水中 ·度在最短的时间内达到最大值，也有两种途径：一是 分离，有利于矾花的稳定 Ｊ。 增大颗粒的密实变；二是增大作用在颗粒上的下沉 虽然斜板（管）沉淀池有以上诸多优点，但它是 基于“浅层理论”提出并设计出来的，而“浅层理论” 又是在理想沉淀理论的三个假设中诞生的Ｌ６ Ｊ。所 合力。前者属于絮凝方面的研究范畴，后者则属于 沉淀工艺方面的研究范畴。基于以上分析，可以预 测今后沉淀池的发展将是围绕矾花颗粒的多因素沉 （下转第４３页） 以，斜板（管）沉淀池只是向着理想沉淀池的逼近， 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４ Ｎｏｌ 叶武斌、丁克有：０２．２ｍ圆锥破碎机碗形瓦定位装置的改进 ４３ 经深人分析，决定保持原有的定位方式不变，将 定位销孔 碗形座与碗形瓦在原定位的半径处（原１２个孔中 间）均布６个Ｏ１９ｍｍ的通孔，并为碗形座加设凸台 （由于有斜面），确保螺丝紧固后不弯曲。如图３所 示： 图４改进后碗形瓦结构图 ５改进后的效果 （１）根据实践，圆锥破碎机运转一年之久没有 因为碗形错位上串而甩油和飞车。 （２）延长了维修周期，减轻维修人员的劳动强 图３改进后碗形座结构图 度，年节约检修费用约１２万元，保证了长周期的安 另外碗形瓦的孔加工为阶梯形，利用销钉螺栓 全生产。 将座与瓦联接固定，这样既增加了圆周方向错位限 综上所述，圆锥碗形瓦定位的改进，是完全可行 制力，同时又可避免因吊动锥上来将瓦带起的现象 的，它能确保碗形瓦和碗形座不错位，提高设备的运 发生，保证了设备的安全可靠。如图４所示： 转率，该定位方法的改进现已在我矿推广使用。 ＭｏＤⅡⅡＣＡ ｎｏＮ ｏＦ ＢｏＷＬ ＰｏＳＩＴＩｏＮＤ Ｇ ＤＥＶＩＣＥ Ｄ－『Ｉ２Ｉ２．２ｍ Ｃ０ＮＥ ＣＲＵＳＨＥＲ Ｊｉａｎｇｘｉ Ｃｏｐｐｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｄｅｘｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ Ｍｉｎｅ Ｙｅ Ｗｕｂｉｎ Ｄｉｎｇ Ｋｅｙｏｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｂ０ｗｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ０２．２ｍ ｃｏｎｅ ｃｒｕｓｈｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａＩｌａｌｙ。ｅｄ ａｎｄ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｍｅｄｉ－ ｉｆｃａｆｉｏｎ ｍｅａｓ１．１ｉ￣Ｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒａｉｓｅｄ ａｎｄ ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｇｏｏｄ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅｓｕｌｔｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ Ｃｏｎｅ ｃｒｕｓｈｅｒ Ｂｏｗｌ ｓｅａｔ Ｂｏｗｌ ｆｉｌｅ Ｐｉｎ ｈｏｌｅ （上接第５６页） 版杜，１９９９． 降展开，比如开发磁絮凝剂、改变沉淀池的结构形式 ［５］高廷耀，顾国维．水污染控制工程（第二版，下册）［Ｍ］．高等 以增加颗粒的多因素沉降等。目前，有专家研究设 教育出版杜，ｌ９９９． ［６］崔继平．新型斜螺旋沉淀技术的试验研究与机理初探．净 计出了一种新型沉淀池——拦截式沉淀池，这种集 水技术［Ｊ］，１９９５，５１（１）：５一ｌ３． 重力、碰撞吸附力、接触吸附力等多种沉降因素于一 ［７］徐立群，王芳，何中怡．反应池中颗粒惯性作用的影响分析． 体的沉淀池，实现了矾花颗粒的多因素沉降 Ｊ。。。 中国给水排水［Ｊ］，２００２，１８（３）：４＿４—４７． 参考文献 ［８］吕春生，曲久辉，李大鹏等．微絮凝拦截沉淀处理低温低浊 ［１］余英影．新型重力沉淀技术浅述．北京市市政工程设计研 水［Ｊ］．中国给水排水［Ｊ］，２０００，１６（１）：９—１３． 究总院建院四十五周年论文集【ｃ］，２０００，４． 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