物理化学作业

读书报告

摘要：通过阅读参考书籍，了解了水处理工艺中的混凝和沉淀理论。应用胶体双电层理论

分析了混凝剂的作用原理。总结了理想沉淀池和浅池沉淀理论要点，分析了斜板（管）沉淀池的设计原理。通过比较不同形式的沉淀池，总结了平流式，辐流式，竖流式，旋流式，斜板（管）沉淀的池的优缺点，适用条件及设计参数。

关键词：混凝；沉淀；胶体

一、混凝

1.胶体双电子层理论

胶体由胶核、密实层及扩散层所组成，故称为双电层结构。由于胶核带负电荷（其表面电位ф称为总电位或表面电位或热力学电位），故在其表面将吸附并控制一层较密实且排列整齐的正电荷离子（该层表面称为滑动面，ф =0，其电位称为电位）组成胶粒，与其外的扩散层（被热运动扰乱其排列）中的正

电荷共同形成电性中和并组成胶团。扩散层外边缘的电位为零。

滑动面上的电位决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。 2.混凝机理

混凝剂对水中胶体颗粒的混凝作用有三种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相撞聚集，必须降低或消除排斥能峰。吸引势能与胶粒电荷无关，它主要取决于构成胶体的物质种类、尺寸和密度。对于一定水质，胶粒的这些特性是不变的。因此，降低排斥能峰的办法即是降低或消除胶粒的动电位。在水中投加电解质可达到此目的。对于水中负电荷胶粒而言，投入的电解质即混凝剂应是正电荷离子或聚合离子，如果是正电荷离子是简单离子，其作用是压缩胶体双电层—为保持胶体电性中和所要求的扩散层厚度，从而使胶体滑动面上的动电位降低。若是聚合离子或是高分子物质，其直接吸附在胶核表面中和动电位，称为吸附-电性中和。

絮凝主要指脱稳的胶体或者微小悬浮物聚集成大的絮凝体的过程。要使两个完全脱稳的胶体颗粒聚集成大颗粒的絮体，需要给胶体颗粒创造相互碰撞的机会。能够是脱稳的胶体颗粒之间发生碰撞的动力有两个方面，一是颗粒在水中的热运动和布朗运动，二是颗粒受外力（水力或者机械力）推动产生运动，这两种运动

双电子层结构图 对应胶体颗粒的两种絮凝机理，即由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集称为“异向絮凝”机理，由外力所引起的胶体颗粒碰撞聚集称为“同向絮凝”机理。 胶体双电子层理论：胶体粒子是由化学元素组成，并且能在电场中移动，说明胶体颗粒是携带电荷的粒子。

1. 胶体颗粒结晶中的晶格取代胶体表面产生电荷。 2. 胶体颗粒表面某些化学集团在水中电离使胶体带电。 3. 胶体颗粒表面与水作用后溶解并电离使胶体带电。

4. 胶体颗粒对水中某些离子的吸附使胶体带电。

二、沉淀

1.理想沉淀池的基本假设：

颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到池底就被认为去除，不再返回水流中。理想沉淀池的工作情况见图。

沉速为u的颗粒以水平流速v向右

理想沉淀池示意图 水平运动，同时以沉速u向下运动，其

运动轨迹是水平流速v，沉速u的合成速度方向直线。具有相同沉速的颗粒无论从哪一点进入沉淀区，沉降轨迹互相平行。从沉淀池最不利点（即进水区液面A）进入沉淀池的沉速为u0的颗粒，在理论沉淀时间内，恰好沉到沉淀池终端池底，被称为临界沉速或截留速度，沉降轨迹为直线Ⅲ。

沉速大于u0的颗粒全部去除，沉降轨迹为直线Ⅰ。沉速小于u0的某一颗粒沉速为ui，在进水区液面以下某一高度i点进入沉淀池，可被去除，沉降轨迹为虚线Ⅱ。而在i点以上进入沉淀池的ui颗粒未被去除，如实线Ⅱ，虚线Ⅱ与实线Ⅱ平行。

2.浅池沉淀理论

沉速等于颗粒的去除率，用Ei表示：

Ei?ui

Q/A 式中 Q—流量，m3/s；

A—沉淀池的表面积，也是沉淀池在水平面上的投影，即为沉淀池面积，㎡。

由此式可知，提高悬浮颗粒去除效率的途径是：一是增大颗粒沉速，二是增大沉淀面积。在沉淀池容积一定的条件下，池深越浅，沉淀池面积越大，悬浮颗粒去除率越高。此即“浅池沉淀原理”。将平流式沉淀池加设底板可以提高处理能力。但是，如此分层排出污泥有一定难度。为解决排泥问题，可把众多水平隔板改为倾斜隔板，并预留排泥区间，这就变成了斜板沉淀池。用管状组件（组成六边形、四边形断面）代替斜板，即为斜管沉淀池。斜板（或斜管）沉淀池沉淀面积是众多斜板（或斜管）的水平投影之和，沉淀面积很大，从而减少了截留速度。又因斜板（或斜管）湿周增大，水流状态为层流，更接近理想沉淀池。

特点浅层理论的应用 （1）水力条件好（R小），Re小，Fr大，有利于沉淀； （2）水流为层流，沉淀效率高，产水量大； （3）倾角为60°便于排泥；

（4）水流可从上向下或从下向上流动，颗粒沉于斜管底部，而后自动下滑。 （5）由于停留时间短，其缓冲能力差； （6）对混凝要求高；

（7）维护管理较难，使用一段时间后需更换斜板（管） 设计计算

（1）沉淀池面积A?Q q选定表面负荷（2.5-3.0mm/s），计算得到面积A。 （2）沉淀池总高度

H=h1+h2+h3+h4+h5（=4.66m） 式中：

h1--超高0.3m；

h2---清水层高度1.2m；

h3--斜板（管）按60°自身高度0.866m； h4--配水区高度1.5m h5--污泥斗高度0.8m。

三．比较沉淀池的优缺点，使用条件以及设计参数。

1.给水处理中各种沉淀池的优缺点，适用条件及设计参数

沉淀池形式的比较

形式 平流式沉淀池 优点：1.造价低 2.操作管理方便，施工较简单 3.对原水适应性强，潜力大，处理效果大 4.带有机械排泥设备时，排泥效果好 缺点：1.占地面积大 2.不采用机械排泥设备时，排泥较困难 3.需维护机械排泥设备 优点：1.沉淀效率高 2.池体小，占地少 缺点：1.斜板（管）耗用较多材料，老化后需更换，费 2.对原水浊度适应性较平流池差 3.不设机械排泥装置时，排泥困难；设机械排泥 时，维护管理较平流池麻烦 1.可用于各种规模水厂 2.宜用于老沉淀池的改建， 扩建和挖潜 3.适用于需保温的低温地区 优缺点 一般用于大、中型净水厂 适用条件 斜板（管）沉淀池 用较高 竖流式沉淀池 优点：1.水流与沉降颗粒运动方向相反 2.去除沉淀速度大于上升水流速度的颗粒较高 缺点：1.表面负荷小导致占地面积增大 2.处理效果差 现已基本不被采用 辐流式沉淀池 优点：1.可处理高浊度水 2.多为机械排泥，排泥方便 缺点：机械排泥设备复杂，对施工质量要求高 可用于处理黄河上游高浊度水的净水厂 旋流式沉淀池 （沉砂） 优点：占地少，沉砂效果好，构造简单，水头损失小 缺点：作沉淀时，叶片会破坏絮凝体，沉淀效果较低 适应于小型净水厂 2.污水处理中各种沉淀池的优缺点，适用条件及设计参数 沉淀池形式的比较 形式 平流式沉淀池 优点：1.沉淀效果好 2.对冲击负荷和温度变化的适应能力较强 3.施工简单，平面布置紧凑 4.排泥设备已趋定型 缺点：1.配水不易均匀 2.采用多泥斗排泥时，每个排泥斗需单独设排 泥管各自排泥，操作量大 3.采用机械排泥时，设备复杂，对施工质量要求 高 竖流式沉淀池 优点：1.排泥方便，管理简单 2.占地面积小 缺点：1.池子深度大，施工困难 2.对冲击负荷和温度变化的适应能力差 3.池径不易过大，否则布水不均 辐流式沉淀池 优点：1.多为机械排泥，运行可靠，管理较简单 2.排泥设备已定型化 缺点：机械排泥设备复杂，对施工质量要求较高 优点：1.沉淀效率高 2.停留时间短，占地少 适应于中，小型污水处理厂 适用于大，中型污水处理厂 适用于小型污水处理厂 优缺点 适用于大，中，小型污水处理厂 适用条件 斜板（管）沉淀池 缺点：1.耐冲击负荷的能力较差 2.在一定条件下，可孳生藻类，给维护管理带来 困难 旋流沉淀池 （沉砂） 优点： 作沉砂池时，沉砂效果好，占地少，运行稳定， 维护管理方便 缺点： 需用水冲洗排砂管，池形较高 适应于小型污水处理厂 3.设计参数

各沉淀池设计参数