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水质工程学（给水处理工程） 全套课件
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黄河泥沙的自然沉淀特性及机理研究
西安建筑科技大学 硕士学位论文 黄河泥沙的自然沉淀特性及机理研究 姓名：贾亚军 申请学位级别：硕士 专业：市政工程 指导教师：金同轨
西安建筑科技大学硕士学位论文黄河泥沙的自然沉淀特性及机理研究专业：市政工程姓名：贾亚军导师：金同轨教授摘要本文通过对高浊度水的理论分析及试验研究，讨论了稳定泥沙的组成随浓度的 变化规律；浑液面的形成规律；将高浊度水的自然沉降过程可以分为干扰沉降阶段、 絮网沉降阶段、超絮网沉降阶段、固结压缩阶段；在干扰沉降阶段的絮体大小、密 度及结构模型；在各个沉降阶段的沉降规律。通过加药沉淀的数据分析，讨论了界 面沉速在加药量不变，浓度增加的情况下．沉速随浓度的增加以指数递减的规律；阳离子高分子絮凝剂的起动剂量及其与颗粒比表面积的关系。Ｋｙｎｃｈ法和Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ法的比较．何种方法更适合浓缩池的设计。关键词：高浊度水沉淀絮凝高分子絮凝剂起动剂量论文类型：基础理论类（国家自然科学基金资助项目批准号：５００７８０４３）西安建筑科技大学硕士学位论文Ａ Ｓｔｕｄｙ Ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ＡｎｄＭｅｃｈａｎｉｓｍ ＯｆＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｙｅｌｌｏｗ Ｒｉｖｅｒ’Ｓ Ｌｏｅｓｓ ＰａｒｔｉｃｌｅｓＳｐｅｃｉａｌｉｔｙ：ＭｕｎｉｃｉｐａｌＡｕｔｈｏｒ： ＪｉａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＹａｊｕｎＡｄｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｊｉｎ ＴｏｎｇｇｕｉＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｃａｄｅｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅｈｉ曲ｔｕｒｂｉｄｉｔｙｗａｔｅｒ，ｉｎｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｄｅｂａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｎｇ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｐ―ｓｕｐｅｒｎａｔａｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｄｉｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｓｔａｇｅｓ―ｚｏｎｅ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ，ｆｌｏｃｃｕｌｅｎｔ ｎｅｔ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ，ｓｕｐｅｒ ｆｌｏｃｃｕｌｅｎｔ ｎｅｔ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ；ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｆｌｏｃ，ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｆｌｏｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｏｅ；ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅａｎｄ ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｇｅｓ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｐｏｉｎｔｓ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅｄｏｓａｇｅｉｓｆｉｘｅｄ，ｔｈｅｓｅｔｔｌｉｎｇｒａｔｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙ ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｒｅａｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ；ｏｂｔａｉｎｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｄｏｓａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｐｅｒ ｃｕｂｉｃ ｄｉｌｕｔｉｏｎ，ｗｈｅｎｔｈｅ ｃａｔｉｏｎｉｃ ｍａｃｒｏ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｉｓｕｓｅｄ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｋｙｎｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ Ｋｙｎｃｈ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｂｅｔｔｅｒ ｉｎ ｔｈｉｃｋｅｎｅｒ ｄｅｓｉｇｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｈｉｇｈｔｕｒｂｉｄｉｔｙ ｗａｔｅｒ，ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｏｎ，ｃａｔｉｏｎｉｃ ｐｏｌｙｍｏｌｅｃｕｌｅｆｌｏｃｃｕｌａｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ，ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｄｏｓａｇｅＰＡＰＥＲ ＴＹＰＥ：ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｔｈｅｏｒｙ（Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｇｒａｎｔｅｄ ｂｙ ＮＳＥ ｕｎｄｅｒ ５００７８０４３）ＩＩ声明本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关．责任。论文作者签名：贾丑军日期：二。。－ｊ?３／关于论文使用授权的说明本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 （保密的论文在论文解密后应遵守此规定）论文作者签名：荧胖导师签名 南 歙注：请将此页附在论文首页。期：西安建筑科技大学硕士学位论文１绪论１．１课题的来源、意义及其研究的内容我国是多沙河流较多的国家之一，年平均输沙量在１０００万吨以上的河流有４２ 条，年最大输沙量超过１０００万吨的有６０条。直接入海泥沙总量年平均为１９．４亿吨， 其中黄河占５９％，长江占２５％，海河及其它河流占１６％，黄河是世界罕有的多沙河流…。据初步统计，黄河中游地区每年每平方公里被冲去的土壤约为３７００吨，为全世界土壤平均侵蚀模数的２７．５倍，年输沙量和平均含沙量均居世界首位：１９７７年８ 月初黄河下游出现一次高含沙洪峰，小浪底的最大含沙量达到８９８ｋｇ／ｒｒｌ３，黄河支流某些河段的实测最大含沙量达到１６００ ｋｇ／ｍ３，亦即泥沙的体积占水体积６０％左右。黄河年输沙总量１６亿吨，长江上游高浊度水也较严重，黄河、长江的总输沙量占世界十三条大河总沙量的２９．３％，其它地区也有季节性的高浊度河流㈨引。因此，对高浊度水处理技术的研究，己成为我国经济建设和水资源开发中一项重大研究课 题。据预测，到２０５０年，黄河地表水资源利用率约为５６％．地下水利用率约为９３％，都远远超过全国平均利用水平【４】。然而黄河流域的水资源特别贫乏，人均占有 水量仅是世界平均水平的１／１０。因此为了满足生产建设的需要，合理地应用现有水 源，人们千方百计地寻求高浊度水资源的开发利用途径，对黄河高浊度水的研究做出了大量的工作。“黄河泥沙的絮凝形态学及絮凝沉泥再浓缩特性研究”为国家自然科学基金资 助项目，项目由两部分组成，第一部分是进行黄河泥沙在自然状态和高分子絮凝剂 作用下的絮凝形态学研究【５１，同时进行絮体电动特性和絮凝过程研究以得出泥沙颗 粒表面的最优吸附条件：第二部分研究絮凝后沉泥的浓缩规律及再浓缩最佳工艺及生产控制方法，以期取用黄河高浊度水后其沉泥不再排回黄河，以节约排泥用水和 保护水资源。论文课题是该基金项目的一个子课题，研究内容包括： （１）自然沉淀试验 干扰沉降时界面沉速与泥沙浓度、泥沙颗粒分布的关系及表达式。 自然沉淀时第一等速段与第二等速段絮体构造基本模型。 第二等速段出现的时间，及其絮网界面上升的速度。西安建筑科技大学硕士学位论文第二等速段的沉速。 超絮网阶段的沉速不同泥沙浓度时的速度递减规律及数学表达式。 固结压缩阶段的应力变化，最终沉降量。（２）静水混凝试验确定不同泥沙浓度时阳离子高分子絮凝剂的启动剂量及其规律。 界面沉速在泥沙浓度不同、但投药量相同时的速度递减规律及数学表达式。 （３）静水试验结果应用于动水试验 用Ｋｙｎｃｈ方法和Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ方法提供静水沉降基本数据比较确定何种数据进行浓缩池计算。２西安建筑科技大学硕士学位论文２高浊度水的特点２．１高浊度水中的颗粒组成及其性质天然高浊度水是一种分散体系，它同时为租分散体系（水中颗粒粒径ｄ＞１００ｎｍ）， 胶体分散体系（ｄ＝１００～ｌｎｒｎ）和分子及离子分散体系（ｄ＜１ｎｍ）。沉淀分离的主 要对象是粗分散体系和胶体分散体系中的微粒。［５１ 黄河泥沙属于粗分散体系和胶体分散体系，并以粗分散系为主。粗分散相的粒 径在０．００１ｒａｍ以上，其中较细部分属于超胶体，能够表现出胶体的～些特性。胶体分 散相主要是粘土矿物，以蒙脱土和伊利土为代表，主要呈片状【７１。从电子显微镜照片 看，黄河泥沙颗粒以不规则形状颗粒为主，粘土相对含量较低，仅占２１％，其余多为粉砂（ｄ＝Ｏ．００２－－４）．２ｒａｍ）及细砂（出０．０２ｍｍ）１８１。以下是从有关文献中综合得到的不同矿物成分颗粒的物理性质，可供参考。表２．１特征不同矿物成分颗粒的物理性质常见非粘土矿物多数＞０．０１ 蒙脱土＜Ｏ．０ｌ伊利土＜Ｏ．０１高岭土＜０．０ｌ雠２（ｍｍ）形娴警，比表面积６ｎ２／ｇ） 吸附水膜厚（分子）１￣３～２００～１００～１５Ｏ．０２￣ｏ．２８ｌＯ４～４０８０２０一个水分子厚“４０４～４０膨胀性湿润热（ｃａＶｇ） 阳离子吸附量无 石英湿润热近似为零长石平均２．５ 云母平均６．５显著２２．１ １２６ ４．０ ２５ ０。９５～１．８７ ８（毫克当量／百克）注：ｌｃａｌ－－４．１８６Ｊ２．２高浊度水中颗粒的凝聚特性２．２．１凝聚的理论基础 尽管人们早就知道凝聚现象，并利用凝聚使水澄清，但对所以发生凝聚作出科３西安建筑科技太学硕士学位论文学解释，还只有４０年的历史。从胶体化学关于悬浮体（如把颗粒小于１个ｇｍ的悬 浮体称为溶胶，则悬浮体也包括溶胶）现有的稳定理论，可以把粘着力看作由下列两部分作用力组成： （１）范德华（ＶａｎｄｅｒＷａａｌｓ）引力； （２）双电层斥力先将这两种作用力的性质及其表达式则要说明如下。（ａ）范德华（ＶａｎｄｅｒＷａａｌｓ）引力这是普遍存在与各种分子（以及原子或离子）间的细引力，有的书上也称为色散力。首先有范德华在１８７３年的博士论文中提出，后来由伦敦（Ｌａｎｄｏｎ）于１９３０年从量子力学的角度进行了论证和推导。所以，有时也称这种里为伦敦力。分子间存在有引力，也就等于两个分子间存在有一种相互吸引的势能毋一样。两个分子间的吸引势能与两个分子的间距，的６次方成反比，即邑＝一等其中，口为伦敦常数，与分子的性质有关。公式右边的符号表示吸引，正号表示排斥。把各对分子间的吸引势能叠加，最后由于Ｈａｍａｋｅｒ于１９７３年得出两个球形颗粒间的吸引势能为耻一剖去÷?ｎ孚ｌ如果两个颗粒的净距Ｈ＝Ｒ一打很小，则上式可近似的简化为旺，，其中，ｓ＝Ｒ／ｒ，Ｒ为两个求中心的距离，ｒ为颗粒半径，Ａ为Ｈａｍａｋｅｒ常数。Ｅ．：一旦“（２．２）１２丑Ｈａｍａｋｅｒ常数Ａ是与分子性质有关的一个常数。如果颗粒间不是真空，而有介质 存在，则Ａ值也与介质性质有关。虽有确定Ａ值的理论方法如Ｖｉｓｓｅｒ（１９７６）所提 供，但需要有关分子的物理化学特性资料。文献中也常列出各种胶体的Ａ值，如 Ｌｙｋｌｅｍａ（１９６８），但多胺化学成分开列，要应用到泥沙颗粒，需先对各地的泥沙颗 粒作出化学和矿物成分的分析。所以，目前要对泥沙颗粒精确的确定应由的Ａ值， 是有一定困难的。距Ｖｅｒｗｅｙ和Ｏｖｅｒｂｅｅｋ（１９４８）的论述，一般情况下Ａ值约在１０一１９Ｊ左右。有了Ａ值以后，从式（２．１）即可得到两个圆球颗粒之间的吸引势能与颗粒间距的关系。从吸引势能即可得出引力ＦＡ：４西安建筑科技大学硕士学位论文’一一面（ｂ）双电层斥力Ｐ―ｄＥｔ（２．３）沉浸在水中的粘性颗粒在颗粒表面都带有负电荷，一般多带负电。同时，水体 中也总存在各种离子。由于静电的吸附作用，在颗粒周围就有与颗粒表面电荷相反 的离子聚积成离子云。颗粒表面电荷与周围的反号粒子构成一个双电层。双电层厚 度用Ｘ。表示，它即与颗粒表面电荷强度有关，也与水体中的离子强度有关，专可表示为一Ｘ一【丽Ｊ三：ｆ』一ｉ“１’ （２．４）其中，ｎ为离子浓度，以每个立方厘米中的离子个数表示；ｋ为Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数＝１．３８１×１０’２３Ｊ／ｋ；ｅ为粒子的电子电荷，ｌｅ＝１．６００２×１０。１ ９Ｃ（库仑）；ｚ为离子的化合价。从上式可以看出，双电层厚度与离子浓度的平方根√”成反比。离子浓度越高，双电层越薄，以后可以看到，这是颗粒间相互排斥的势能越小。所以，人们可以通 过控制离子浓度来控制絮凝的发生。水质之所以影响颗粒的粘着力，从而影响絮凝１现象，主要是通过水中离子浓度来实现的。一般情况下，双电层厚度二为０．１～工Ｏ．０１哪的量级。当两个颗粒相互靠拢，两个双电层互相发生干扰时，就会产生互相排斥的力来 排除干扰。如果颗粒较粗，双电层较薄时，即Ｘｒ＞＞１时，两个圆球颗粒的双电层的 排斥势能＆可表示为Ｂ＝－盯－７躬ｌＩｌ｛ｌ＋ｅｘｐ【＿ｚ忸一２ｒ）］｝（２．５）其中，ｓ为介质的介电常数，水的占为７８．５４（２５＂Ｃ） 颗粒中心到中心的距离。当Ｘｒ＜＜ｌ，则‰为颗粒表面的电位；Ｒ为西安建筑科技大学硕士学位论文Ｂ＝（华）胁№砌）Ｂ在双电层范围内以内的水被称为束缚水。 （Ｃ）颗粒间的粘着力偿ｓａ，范德华引力和双电层斥力的叠加可以用来判别颗粒是否会发生凝聚，也可以作 为悬浮体（或溶胶）是否稳定的指标。这个理论现在简称为ＤＬＶＯ理论，按照ＤＬＶＯ理论，两个颗粒问的粘着力Ｒ为Ｆｃ＝ＦＲ＋Ｆ＾或用势能表示为Ｅｃ＝ＥＲ＋Ｅ＾（２．６）０一８｛厂＼心ＫＥ／―＼两种势能叠加的结果，按这两种势能的强弱对比．可能有三种情况，如图２．１ 所示。图中的Ｉ线系排斥势能特强，除了极接近的一小段距离以外，都是排斥势能。西安建筑科技大学硕士学位论文图中的ＩＩＩ线代表吸引势能相对于排斥势能甚为强大，全部间距都是吸引。最常见的 ’隋况试图中的ＩＩ线。有一断间距是排斥，最小的一段间距和较大的的一段间距是吸 引。当间距缩小到很小时，在图中直线表示的是指另一种近距离排斥势能，这是上 面没有提到过的。这里特别提一下是为了说明：近距离吸引势能不是无穷大，是一个有限值，在接近就要引起近距离的排斥势能了。 根据现有极不完备的材料，我们对两颗粘性泥沙颗粒估算了它们之间的作用势能和粘着力随间距的变化曲线，如图２．２（谭小苹，１９８０）［９１所示。由图可以看出， 当作用势能曲线达到最大或最小时正是粘着力等于零的地方。其中，吸引最大的两 点，即图２．１中的ＲＩ和Ｒ２，是两个颗粒可以稳定维持的距离。此外的各种间距都是 不稳定的，包括斥力势能最大的那一点。因为如果间距略太一点，两个颗粒就会发 生斥力，结果就会使间距继续增大。反之如果间距略小一点，颗粒就会发生引力， 将使间距继续缩小。胄。和Ｒ２两处的情况则与此相反，所以是稳定的，如果颗粒有机会接近，首先将要以月：的间距互相凝聚在一起。如果颗粒在接近时的动能很大，足以冲破△Ｅ（图２．１）阻拦，则两个颗粒将在月ｌ处凝聚在一起，以月Ｉ间距凝聚的称 为近距离凝聚，以Ｒｚ间距凝聚的称为远距离凝聚。从图可以看出．近距离凝聚要比 远距离凝聚来得牢固，不易破裂。图２．１中的△Ｅ称为能量壁垒。颗粒是否能实现 近距离凝聚，完全取决于能量壁垒△Ｅ的大小及颗粒互相接近时的动能的对比关系 ｐＪ。促使颗粒互相接近的原因，可能是颗粒的布朗运动、颗粒的沉降及流体的流动等。１?６１?２ 一０?８Ｏ?４日Ｚ礁０－０．４二．腻ｌ＼…二八一Ｏ?６¨龟舌一０．２－０．８．１．２图２．２两个泥沙颗粒的作用势能和粘着力与间距的关系∥一―０．２ｍ．４．０．６西安建筑科技大学硕士学位论文２．２．２高浊度水影响凝聚的因素 ２．２．２．１粘性颗粒的组成及形态 高浊度水中的颗粒可以根据是否发生自发絮凝分为粘性颗粒和非粘性颗粒。这 可以从泥沙的颗粒分析加不加分散剂的颗分曲线的差别看出来。其临界粒径文献【５】 给出为０．叭～０．０３ｒａｍ的范围，文献【２１测定为Ｏ．０１８一Ｏ．０２５ｒａｍ之间变动。此次试验 泥沙的加不加分散剂的颗分曲线如下：图２．３由图可以看出黄土的临界粒径在ｌＯｕ ｍ左右，高岭土的在５０仙ｍ左右。比文献给出西安建筑科技太学硕士学位论文值稍大。较细的粘性颗粒在水体中聚集在一起。发生所谓絮凝现象。絮凝现象是粘性颗粒所特有的现象。对于含非粘性砂粒的浆体来说，不管浓度多高，不问水质如何，都不会出现絮凝。絮凝是粘性颗粒特有的粘着力所引起的结果。 影响絮凝的基最本因素当然是粘性颗粒的组成。粘粒是岩石风化的产物，由母 岩矿物及其风化物所组成，因而粘粒的特性与其母岩的矿物组成密切相关。粘粒矿 物属于层状硅酸盐，其主要构造单元是二维排列的硅一氧四面体和二维排列的铝或 镁一氧一清八面体。最普遍的有蒙脱土、伊利土、高岭土等。在蒙脱土中，常用３价的Ａｌ替换４价的ｓｉ，也可能有２价的Ｍｇ替换３价的Ａｌ。其他原子如铁（Ｆｅ）、锌（Ｚｎ）锂（Ｌｉ）等也可能替换Ａｌ。这种替换称为同晶替换。以一个较低价的正原子替换一个较高价的正原子，造成正电荷不足，负电荷 过剩。这种过剩负电荷有吸附在晶层表面的阳离子来补偿。但在水中，吸附在表面的阳离子容易被溶液中存在的其它阳离子交换，成为交换性阳离子。 在形成蒙脱土颗粒的叠层中，交换性阳离子位于晶层的两边，它不仅存在于颗粒的表面，而且也存层与层中间，当蒙脱土与水接触时，水分子侵入晶层之间，这些阳离子具有很强的亲水性，一旦这些阳离子于水的结合力克服了粘土层间的分子 引力，则层于层分开，遂使蒙脱土变为极薄的片层．发生层间膨胀。这是蒙脱土的 主要特征之～。蒙脱土也容许极性或离子性有机化合物进入晶层中间。有机化合物 的吸附形成蒙脱土一有机复合物。 伊利土的晶层组成与蒙脱土相似，但表面吸附了另一类阳离子（Ｋ＋等）．这些Ｋ＋离子起着架桥的作用，增强了两晶层间的静电连接，使得层与层闻分离性减弱，故伊利土的颗粒稍厚，没有层间膨胀。因加水时晶层不分开，所以层间钾离子不起交换作用，只有处于外表面的钾离子可以交换。因同晶置换雨产生的净负电荷总量， 亦即补偿的钾离子数量，一般比大多数蒙脱土为大，常可达蒙脱土的一倍到一倍半。尽管伊利±有较高的同晶置换，但由于只外部的阳离子可以交换，所以离子交换量 比蒙脱土低。伊利土的阳离子交换量一般约为１００克２０～４０毫克当量，而补偿性阳 离子的总量可达每１００克１５０毫克当量。我国西北地区黄土高原所产生的粘土矿物以伊利土为主。高岭土结构与前两类又有所不同。上两类是所谓２：１的层状结构，即有两片硅 氧片与一片铝氧（或镁氧）供用氧原子；而高岭土为ｌ：１的层状结构，即一片硅氧 与一片铝氧共用氧原子。高蛉土在水中不膨胀，其阳离子交换量很低，一般每１００ 克只有ｌ～１０毫克当量。由于高岭土的底面间距没留有容纳层间阳离子的地方，因而 所有的补偿电荷的阳离子必定吸附在一个颗粒叠层的外表面。西安建筑科技大学硕士学位论文由此可见：粘土颗粒内部晶层结构决定片层的厚薄，而片层的厚薄则是影响胶 体稳定的重要因素，越厚沉淀性能越好。高岭土与蒙脱土是两种不同类型的典型粘 土矿物。高岭土亲水性差．自然沉淀性能好；蒙脱土亲水性强．悬浊液的稳定性好。 混合物悬浊液的沉降性能和其中高岭土和蒙脱土的含量比密切有关，高蒙比越大．沉降性能越好，悬浊液的稳定性越差。黄河高浊度水的高蒙比虽低（＜１），但其自然沉降性能却因悬浮物中以粉砂、细砂居多，粒径陡增而变好。由此分析可知：在高浊度水中，胶体的稳定性与粒径有很大关系，另一方面胶粒在水中的形状也是一个极为重要的因素，而‘电位则只是影响胶体稳定性的诸因素之一，而且‘电位本身也受胶粒形状的制约Ｉ”。粘粒矿物成分除了以上三太类以外，还有绿泥石、蛭石、纤维棒石及混合层矿 石等。此外还有铁、锰、铝、钛、硅等氧化物及其水合物，水铝英石等非晶质、非 层状的硅酸盐，以及有机种类繁多，变化无常，而且常有杂质掺混其间。例如，天 然粘土里经常存在有颗粒大小与胶粒差不多的石英，难以分离出来。这种成分和结 构上的参差不齐都会引起凝聚的差异。 ２．２．２．２水质和温度 除了颗粒特性以外，影响凝聚的另一个因素就是水质。水的离子浓度通过对双 电层厚度的重要作用，从而对凝聚产生影响，现在就水的ｐＨ值和温度对凝聚影响进行分析叙述。呈片状的粘性颗粒中，晶层表面和边缘表面的原子结构是不同的，即铝基和硅 基在这两种表面的比例不一样。因它们的酸性强度有差异，因而可以预期，表面和边缘的电荷密度随ＰＨ值的变化关系会有所不同。像高岭土颗粒，ｐＨ值在５．５附近时，边缘上是正电，而表面仍是负电。这种高岭土会形成面和边相联接的絮凝方式，而这种连接方式正是产生高屈服应力ｒ口的原因。如果把ｐＨ值提高，表面和边缘都 会具有符号一致的电荷，颗粒的絮凝就以边和边的联接方式为主，产生屈服应力ｒＢ 较低。浓度较低的蒙脱土颗粒（低于１％），在各种ＰＨ值范围内多位牛顿流体。当 它为非牛顿流体时，其絮凝为边和边的联接方式。 在絮团阶段（低于临界浓度）．温度对凝聚没有突出的影响：在絮网阶段，随温 度升高，絮网更易于压缩，意味着温度的升高使絮网趋于松散，絮网的强度趋弱， 就好像温度升高，清水的粘滞系数趋小一样。 ２．２．２．３水的流动 最后一个影响絮凝的重要因素是水的流动。不论是层流还是紊流，对絮凝（不 论是异向絮凝还是同向絮凝）都会有一定影响。但问题异常复杂，至今还不甚了了。 在层流运动中，流动对异向絮凝起着抑制的作用，因为流动降低了颗粒互相碰１０西安建筑科技大学硕士学位论文撞的机会。 紊流运动对絮凝的影响有更大的实际意义。但问题也更为复杂。现在比较明确的是：紊动对絮凝有双重作用，既有促进颗粒碰撞、产生絮凝的作用，也有分裂凝聚在一起颗粒作用。紊动对絮凝的破坏作用对絮凝现象的影响更为重要。因为碰撞机会的增减只是 一个快慢的问题，而对絮团或絮网的破坏作用则是影响絮凝发展成什么状况的问题。 如前所述，絮团的破裂将最终影响到絮团大小的分布。 ２．２．３高浊度水中颗粒凝聚的发育过程 颗粒粘着力是判别可否发生凝聚的必要条件，但凝聚是否发生还要看颗粒有无接触机会。对于较１ｕｍ为细的颗粒，布朗运动为颗粒发生接触创造了条件。由布ｕ朗运动引起的凝聚现象称为异向凝聚。对于大于ｌｍ的颗粒，布朗运动的作用已可以忽略，颗粒发生接触的机会主要由水流运动所提供。流动创造颗粒接触的机会 主要由于各点的速度有差异，即有流速梯度的存在。因流速梯度引起的絮凝称为同 向凝聚。大小不同的颗粒在静水中沉降，因沉速不同而发生的接触，也能引起凝聚。 沉降凝聚也是同向凝聚的一种特例，因为颗粒与水体的相对运动也会产生速度梯度。 粘着力曲线中没有斥力存在的情况，如图２．１中的ＩＩＩ线，只要颗粒接触就会凝聚，这种凝聚称为快速凝聚（Ｒａｐｉｄ ｆｌｏｃｅｕｌａｔｉｏｎ。反之，如作用势能曲线中包含有能量壁垒，如图２．２中的ＩＩ线，则每次颗粒间的碰撞，不一定都能产生凝聚，只有一部分接触 能实现凝聚。这种凝聚称为慢速凝聚（Ｓｌｏｗｆｌｏｅｅｕｌａｔｉｏｎ）。粘土颗粒多成片状。片状颗粒凝聚时．可能有三种不同的联接方式：面一面， 边一面，和边一边。片状颗粒的晶层表面和边缘表面的电荷分布，以及电荷正负号 都可以不同。因此，表面上的双电层和边缘的双电层可以完全不同。由于范德华引力势能也与两个表面的几何形状有关，因此，三种联接方式的势能曲线，亦即三种 粘着力的变化关系是各不相同的。所以，上述三种联接方式不能同时发生，不能以同样的可能性随机地发生。 三种联接方式地后果也是不一样的。面一面的联接仅仅导致较厚的薄片，但边 一面或边一边的联接则引起体积庞大的三维片架结构。可以预料．各种不同的絮凝方式使絮凝后的悬浮体的力学特性也是不同的。细泥沙的絮凝现象使十分复杂的，在悬浮液中，泥沙颗粒因沉降运动和布朗运 动而相互碰撞、结合，形成较大的絮粒； ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉｆｌ９１７１首先为异向絮凝提出了一个絮凝发育过程的理论。这为异 向絮凝提供了确定由ｋ各颗粒组成的絮团（Ｆｌｏｅｓ）个数与原始颗粒个数的比值。Ｃａｍｐ西安建筑科技大学硕士学位论文和Ｓｔｅｉｎ（１９４３）把这个理论推广到同向絮凝。从Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ理论出发的絮凝发 育过程只考虑了颗粒碰撞次数为各种颗粒凝聚提供的机会，但对絮团最后发展到多 大并无最后的限制。这显然与同向絮凝的实际情况不相符。在具有速度梯度的流场里，絮团尺寸的发展是有限制的，不会无限制的发展下去。在静水沉降条件下，絮团尺寸的增大是有一定限制的。这是因为絮凝颗粒间相 当于由若干条脆弱的键把它们结台在一起。当絮凝的颗粒受到某种作用力后，若该 力大于键的强度，絮凝颗粒复又被解散（解凝）。属于解凝作用的有分子的热运动、 水流的剪切运动、紊动及高能量粒子的撞击、化学解凝及机械破坏等。在静水沉降 的絮团发育过程中，由于体积和重量的不断加大，沉速加大，其于水流之间的摩擦 阻力也增大。当摩擦阻力大于键的强度，絮团便停止发育，达到临界状态。 此外含沙量也会影响凝聚。当含沙量小时，颗粒相遇的几率小，絮团在相当长 的时间内都处于成长发育过程中，其直径在不断的增大，直径增大与碰撞几率成正 比，即与含沙量成正比，也就是沉速与含沙量的平方成正比。而含沙量大时，颗粒 相遇的几率大，在较短的时间内经较短的沉距即可发育成熟，达到极限稳定状态。 极限状态下的絮团，一方面继续与周围的泥沙碰撞而增大体积：另一方面由于体积 和重量加大，下沉阻力增大，受到破坏而又使絮团体积向着缩小的方面转化。两种 作用相互制约，使得絮团沉速只与含沙量的较低次方成正比。并且随着浓度的增大， 絮团尺寸逐渐趋于均匀化，这使所有的絮团的直径都趋于同一个极限值，这个理论 促进了絮凝理论的发展，同时为粘性颗粒的成层沉降提供了依据。自凝后形成絮团直径扩大倍数的经验关系为，ｎ、ｆ兰ｆ∞Ｃ“。Ｓ“６ｄ０９ 一Ｌｄ Ｊｓｏ其中Ｃ为含盐度，Ｓ为泥沙浓度，Ｄ和ｄ为泥沙自凝前后的粒径Ｉｌ ０１。 以不加分散剂颗粒级配曲线上的中数粒径（或５。）与加分散剂颗粒级配曲线上的 中数粒径（如ｏ）的比值来表示絮凝作用，可以近似用下式表示鱼：旦坐ｄ５０ ｄ∞上式表示：絮凝团的大小是常数，并接近絮凝粒径，絮凝粒径可认为Ｏ．Ｏｌ毫米，粒径小于０．０１毫米时。絮凝作用显著，并且与粒径成反比【ｌ。１。随着浓度的提高和絮凝的继续发展，将使具有极限尺寸的絮团个数不断增加。 当絮团个数达到一定成都以后，絮团与絮团之间开始发生联接，形成一种松散的网 状结构。从絮团开始转变成絮网的颗粒浓度成为临界浓度。在未达到临界浓度以前， 絮团内部各颗粒之间因受粘着力的作用而相互吸引着，而絮团与絮团之间却无粘着１２西安建筑科技大学硕士学位论文力的作用，可按离散型对待。但在超过临界浓度以后，絮团与絮团发生搭接，形成 结构，使悬浮体开始具有结构体的力学性质，絮团与絮团之间，开始起着传递力的 作用Ｄ６］。这使悬浮体的流变特性发生质的变化，从牛顿体转变成非牛顿体。絮网结构的密度随浓度的增高而提高。同一浓度下的絮网结构，随着时间的推移，在自重的作用下，也在不断的调整，缓慢地将清水分离出来，使结构的密度逐 渐提高。悬浮液静止不动时．可以观察到表层会形成一层清水，清水层下面有一明显的浑液面，以极其缓慢的速度下沉。从此现象可以推论，絮网结构中有的联接点比较脆弱，承受不住自身产生的应力，不断的变形或发生破裂。同时，新的联接点 又不断的建立。经过这种调整，絮网结构逐渐向密实度较高的阶段发展。 絮网结构的密实度愈高，其结构强度也愈大。这种不同的絮网结构强度与不同 的结构层次（九）相适应。不同的结构层次就意味着不同的流变参数。杨美卿用照片证实了细泥沙絮凝结构具有多层次的特点【１ ２１。絮网可能是由许多较大的絮团组成的。而絮团往往又包含着许多较小的絮团与絮粒，还有部分的单个泥沙颗粒由于自身或别的粘土颗粒的胶结作用而结合到絮团之中。并测得极限粒径 在ｌＯ～２０ｕｍ之间，符合上述公式。照片表明，絮团之间存在着较大的空隙，形成大大小小的空腔。空腔的大小和分布与各絮团的联接情况有关，其中一部分可能与 周围的水体连通，仍然具有自由水的性质。还有一部分空腔可能完全为絮凝体所包围。形成所谓的封闭水，它所占的比例也许还不会太少。同时，表面上看来很“密实”的絮体内部，可能还包围着相当一部分的封闭水。封闭水的存在增大了絮体的总体积，亦即增大了悬浮液的浓度。泥沙絮凝现象是一种十分复杂的物理现象，受到许多因素的影响，并存在某种 随机性质。通过以上分析，可以得到以下几点认识。（１）浓度较低时，细泥沙絮凝的发展比较缓慢，有条件经历颗粒、絮粒、 絮团和絮网的各个发展阶段。而在浓度较高时，颗粒容易“一起”絮 凝，形成絮团粒径比较均匀，在未形成较大絮团之前便很快连接成絮网结构。（２）粘土颗粒在泥沙絮凝过程中起着重要的作用。粘土颗粒多呈薄片的形 状，具有很大的表面积，其双电层可能具有不同的极性，并存在着束 缚水膜，在悬浮液中很容易相互结合，因而在絮凝的形成合发展的过 程中起着胶结作用。不仅絮团的形成有赖与粘土颗粒，而且絮团之间 或絮团与颗粒之间的连接也有赖于粘土颗粒的作用。（３）絮凝结构是一种多层次的复杂体系，取决于其形成条件和发展程度。 在悬浮液浓度较低时，可以观察到絮凝各个发展阶段的“痕迹”，形成西安丑！筑科技大学硕一二学位论文比较丰富的层次；而浓度较高时，则层次减少，絮凝单元的尺寸趋于均匀化。（４）絮团中颗粒之间的结合相对比较紧密，而絮团之间的连接则比较松散和脆弱，受到外力时，絮凝结构容易发生破坏，破坏的位置首先可能 在絮团之间的连接部位，另一方面，由于粘土颗粒具有很强的“胶结” 作用，被破坏的絮粒结构又容易’恢复，重新搭结。（５）在泥沙形成的絮凝结构中，在絮团内部和絮团之间，都可能包围着相 当数量的封闭水，其数量可能在絮网体积中占有很大比例，这与絮凝的发展和絮团的连接有关，封闭水数量的变化在一定程度上可以反应絮凝发展的程度。根据上述认识，我提出用结构链的模型来描述絮凝结构，使之定量化，这在后面将具体论述。２．２．４高浊水的加药絮凝 另外一种控制絮凝的方法是把长链型的高分子溶解在水中。高分子被吸附在颗 粒周围，形成一层保护层。当两个颗粒的保护层相互重叠时，会产生一种排斥势能， 阻止颗粒的絮凝。所以会产生排斥，是因为重叠区的高分子相互渗透，增加了该区 里高分子浓度，从而会产生排斥的缘故。因此，这种排斥又称为渗透排斥。但是，高分子也有促进絮凝的～面。如果高分子一端吸附在～个颗粒上，另一端吸附在另～个颗粒上，起着搭桥的作用，就会形成颗粒的絮凝。或者分别吸附在 两个颗粒上的两个高分子互相搭接成桥，也能起到促使絮凝的作用。一个高分子究 竟起着絮凝还是解凝的作用，取决于许多因素。由于高分子对絮凝的这两种作用，控制高分子浓度就成为控制絮凝的另一方法。天然高分子絮凝剂在水处理中的应用已有两千多年的历史，但由于其电荷密度较小，分子量较低，且易发生生物降解而失去絮凝活性，因此它们的使用远少于人工合成高分子絮凝剂。人工合成的高分子絮凝剂都是水溶性聚合物，重复单元中常 包含带电基团．因而也被称为聚电解质。包含带正电基团的为阳离子型聚电解质； 包含带负电基团的为阴离子型聚电解质；既包含带正电基团，又包含带负电基团的 为两性电解质；没有人为引进带电基团的人工高分子絮凝剂，称为非离子型聚电解质。阴离子型聚电解质主要是重复单元中包含一ＣｏＯＭ（其中Ｍ为氢离子或金属离子）基团或～ｓ０３Ｈ基团的水溶性聚合物，主要品种有部分水解的聚丙烯酰胺（包含聚丙烯酸钠）和聚磺基苯乙烯。阳离子型聚电解质主要是分子重复单元中含有带正４两安建筑科技大学硕士学位论文电荷的胺基（ＮＨ３＋），亚胺基（一ＣＨ２一ＮＨ２＋一ＣＨ２一）或季胺基（Ｎ＋凡）的水溶性聚合物．主要品种有二甲基二烯丙基氯化铵与丙烯酰胺的共聚物或均聚物，聚乙烯 基咪唑啉等。非离子型聚电解质的主要品种为未水解的聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯。聚丙烯酰胺系列聚电解质由聚丙烯酰胺及其衍生物聚合而成，其产物根据所含的阴（阳）离子量，平均分子量和分子量分布的不同而不同，是用量最大的人工合成高分子絮凝剂。有机高分子聚丙烯酰胺与泥沙颗粒的相互作用较为复杂。而通常认为的作用机理是 高分子的分子链吸附在不同颗粒的表面上，在各个固相颗粒之间形成聚合物桥叩】。 黄河泥沙颗粒的表面一般带负电荷［孙，阴离子型及非离子型高分子絮凝剂中的非离子型基团（一ＣｏＮＨ２、一ＣＯＯＨ等）可以和泥沙颗粒表面之间产生氢键而吸附，或由于水分子对非极性聚合物或聚合物基团的排斥作用，即憎水键合（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ）作用而吸附【“］，而阳离子型高分子絮凝剂与泥沙颗粒表面之间的作用力除 了氢健、憎水键合等非离子型作用力外，还存在着静电引力的作用。 ２．２．４．１高分子絮凝剂絮凝过程及设想 高分子絮凝剂架桥模型认为高分子的末端首先固定在颗粒表面上，然后在伸入溶液的高分子链节的作用下，相邻的颗粒空白位被高分子链节所吸附。根据分子链段所处 的状态，将其分为链序（ｔｒａｉｎ），链环（１００ｐ）和链端（ｔａｉｌ）三种形式【ｌ”，如图２一ｌ 所示。链序处于吸附状态，而链环和链端处于伸向溶液的状态。链端图２．３高分子链的吸附状态人工合成高分子絮凝剂发展应用后，拉马尔和希利【Ｉ ６ｌ发表了架桥作用的理论。随后奥梅利亚根据这个理论提出一个较为完善的图解，描述了絮凝过程的六个反应，形成絮凝过程架桥作用的现象过程㈣【１７】，如图２―２所示。图中反应（１）：在分散体系中加入絮凝剂，这时加入量为最佳使用量。絮凝剂 的一端首先吸附于微粒上，而另一端随时可以通过碰撞接触吸附其它微粒，形成架西安建筑科技大学硕士学位论文桥作用，产生絮团。对稳定的分散体系来说，这种可以随时实现架桥作用的微粒，称为不稳定的微粒；反应（２）：许多不稳定的微粒，通过架桥实现絮凝，形成不规则的絮团； 反应（３）：不稳定的微粒在运动过程中不能及时与其它微粒碰撞接触，实现架桥作用。由于聚合物是带有许多宫能团的高分子线状化合物，没有吸附微粒的另一端在运动过程中将会缠绕本身已吸附的微粒，并通过官能团的吸附作用将此微粒表 面覆盖，产生分散作用，因而不能再与其它微粒实现架桥作用，再次形成稳定的微粒：反应（４）：如果絮凝剂用量过大，每个微粒都吸附多量的高分子化含物，则此 种微粒就没有空余的表面，当然也就不可能再实现架桥作用，因而分散体系稳定； 反应（５）：通过架桥作用形成的絮团，如果还继续进行剧烈或长时间的搅拌， 则絮团将被打散而破裂，形成散碎的絮团；反应（６）：散碎絮团在运动过程中，通过微粒本身所带的高分子聚合物对它的二次吸附，形成了再次的稳定散碎絮团，由于它的分散作用，使分散体系形成稳定的保护胶体，因而不易絮凝。图２―２是对各个别固体微粒的吸附和架桥作用过程，扩展后可以用来于描述和解释整个分散体系的絮凝过程。高分子絮凝剂处理高浓度泥沙悬浊液时，根据架桥模型原理，其最佳投药和颗 粒表面的容许吸附面积存在着某种函数关系，亦即投药与颗粒表面积有关，下面将讨论两者间存在的关系［３５】。㈣、之＋０竺高分子用量适当（（２）＋’‰等铃粒子 不稳定粒子 Ｌ／＋卜厶孓两广弋Ｓ颦＞絮体Ｌ不重新稳定粒子６西安建筑科技大学硕士学位论文（４）高分子过量＋ｏ一粒子稳定粒子絮体（６）重新稳定粒子图２．４高分子絮凝剂的絮凝模式 ２．２．４．２高分子絮凝剂投药量与水中颗粒表面积关系的理论分析 Ｓｔｕｍｎ和０’Ｍｅｌｉａ应用Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程，提出了求得混凝剂最佳投量的公式【１８ｌ：冉Ｃ，ｅ２西南ｉ【１＋删＿（１一日）］（２－７） （２．８）Ｃ，８＝ｅ＋ｅ 式中：Ｇ。一混凝剂最佳投量，ｍｏｌ／Ｌ ｅ一残留的混凝剂量，ｍｏｌ／Ｌ ｏ一被吸附的混凝剂量，ｍｏｌ／Ｌ 厂。一最大吸附量，ｍｏｌ／ｍ２Ｓ一分散相的表面积，ｍ２几髟一系数，对于ｌａｎｇｍｕｉｒ方程来说，Ｋ是吸附反应的平衡常数目一分散相颗粒表面被混凝剂复盖的程度，目＝厂／厂。厂一吸附量，ｍｏｌ／ｍ２但此公式的原理并未在确定低浊度水混凝剂投量时得到实际应用。西安冶金建 筑学院在分析高浊度水投药量的影响因素时认为，可以用此原理来解决长期未能解决的颗粒因素对投药量的影响问题［１ ９］ｆ２。】【２１ｌ。堕室塞苎型苎查堂堡主兰些堡苎 高浊度水处理中，把高分子絮凝剂认为是被吸附的物质， 泥沙颗粒看作是吸附质，则公式（２，７）及（２．８）可改写为：ｃ＝矗！％【１＋矾跚棚】Ｃ＝Ｃ。＋ｔＳ＝ＲＣｗ（２．７）（２．８）（２．９）式中：Ｃ一高分子投药量，ｍｏｌ／Ｌ ｃⅣ一泥沙浓度，∥Ｌ ＆一泥沙颗粒比表面积，ｍ２／ｇ 其余参数含义与前类似。 其中，泥汐的表面覆盖率口：旦：ｇｒ。Ｓ ｒ。ＳｏＣ”（２．１０）式（２．７）就是高分子絮凝剂处理高浊度水时投药量的理论分析式。根据Ｓｔｕｍｍ和Ｍｅｌｉａ的研究‘１ ８１，吸附能力常数厂。和平衡常数Ｋ在一定吸附体系中可认为是一定值。而表面覆盖率的大小较为复杂，它与颗粒性质、吸附剂性质、投药量以及颗 粒比表面积的大小、含沙量的大小有关。 式（２．７）表明，投药量与泥沙颗粒表面积Ｓ有密切的关系。若以式（２．７）对Ｓ 求偏导，可得：ａｃ矿‘币％＋―ＫＯ≥＋ｒⅢ趴嚣＋ｒｍ。ａＳ‘足ｒ１―０Ｊ一０ｊ２…。ａＳ”＋（２… 、…‘。（２．１２）如果处理效果相同时，颗粒表面覆盖率相同，则在同一处理效果下，有：ｏｅ／ｍ＝０下，高分子絮凝剂投药量随颗粒表面积的增大而增大。 根据絮体形成和破坏的速度关系式，可求得平衡时絮体的半径Ｒ。为‘２２】：式（２．１２）代入（２．１１）后得ｏｃ／ｏｓ＝ｏ口＞０，这说明，在相同处理效果的前提也＝拿．ｎｏＺ０２（１一口）２Ｋ２（２．１３）式中：‰一单位体积的粒子数 七，，岛一速度常数 由上式可见，当日＝０．５时，Ｒ。为最大值，这时聚合物的浓度就是最佳的聚合物 浓度。这在低分子量聚合物试验中虽得到过验证，但一些研究结果表明日应远小于 Ｏ．５【１４】。论文第三部分将讨论与此相关的问题。西安建筑科技大学硕士学位论文２．３高浊度水中颗粒的沉淀特性高浊度水与低浊度水之不同，除了在含沙量上存在数量级差别外，更重要的是在沉淀机理上也有本质区别。对于给水工程而言，所谓高浊度水是和一定的沉降特性相联系的。天然浑水的 沉降中，泥沙和絮体颗粒下沉过程中只有运动阻力起阻碍作用，而颗粒与颗粒问无 分子力的相互作用。这是典型的离散型颗粒沉降机理。这里所指的高浊度水，系指 在沉降过程中，出现明显的浑水与清水的交界面，即以浑液面沉降为特征的水体。． 给水工程中对高浊度水的划分，依据其含沙量适用范围和特点，以出现混液面 和泥沙分选这两个概念为前提条件把高浊度水自然沉降划分为三种类型：（１）干扰群体沉降水中泥沙颗粒，尤其是细泥沙颗粒开始碰撞接触后，逐渐形成絮体或絮团。并 当细颗粒泥沙被向上水流浮动时，粗颗粒泥沙发生分选下沉，絮体颗粒之间相对位 置发生变化。这时由于清水与浑水之间组成了浑液面，被悬浮的细泥沙絮凝，并以 浑液面形式整体下沉，称之为干扰群体沉降。在此过程中，自由水被挤出。 显然，干扰群体下沉是在原水初始含沙量低，未超过相应泥沙具体特点的临界 含沙量时，即当Ｓ＜、Ｓａ时的条件下发生的。其沉降规律一开始由于泥沙的自絮凝作 用，絮体颗粒增大．使沉速加快。但同时由于相对上升水流流速的增加，下沉颗粒 所受的阻力也相应增大，很快达到一个新的受力平衡状况。这时，浑液面下沉由加速进入等速阶段。群体沉降的机理是自絮凝体颗粒在有分选的情况下，以分散状态的共同沉降为 特征，其外观表现为浑液面下沉，这时，浑液面等速段沉速即代表泥沙的平均沉速。并可由此沉速求出絮体的大小。对于黄河高浊度水给水工程中的自然沉淀，该类型一般发生在初始泥沙浓度较低，并在沉降开始的前面一段时间内。（２）絮网及超絮网沉降：当水中含沙量超过相应的临界值以后，即当Ｓ＞Ｓａ时，水体流变特性开始有所 改变，这时絮颗粒问的距离进一步缩小．加强了颗粒之间的吸引力，并逐渐地互相络合搭接，开始初步形成网状结构体，这也就相应于Ｖａｎ Ｏｌｐｂｅｎ所描述的“适当粘土 浓度”１２３｝高浊度水泥沙中细颗粒泥沙含量愈多，其网状絮体结构形成的速度愈快。 刚刚开始形成网状结构的浓度成为临界浓度，此时网状结构的构造是框架结构；随 着浓度提高或沉降的进行，框架结构逐渐向海绵结构转变，在这个过程中挤出的是絮体ｆ刮的空隙水。西安建筑科技大学硕士学位论文从泥沙结构的微观分析，发现高浊度水网状絮体结构发生和形成的全过程中， 有一个开始出现分散网状絮体和该絮体逐渐结合扩大，或在外力作用下，絮团又突 然破碎，分散和再聚集的多次反复过程，最后才发展到网状絮体逐渐稳定和全部形 成网状整体的全过程。 在网状絮体开始出现的前一段时间内，由于水中絮体比较疏散，絮体之间的空隙仍然较大。这时粗颗粒泥沙仍有通过这些空隙下沉的可能。因此，这时的高浊度水泥沙仍然存在分选现象。只不过这是分选程度和分选下沉的速度，都比前面的一种类型小的多，下沉沿途所遇到的阻力要大一些。分选颗粒被截阻于网体，则于网体形成同步下沉而停止分选。这时，只有能穿过网体孔隙结构而未被截流的那部分粗颗粒泥沙，才能落到底部完成分选下沉的全过程。由于黄河高浊度水稳定泥沙中含粘土矿物质成份较多，而在粘土矿物中又以蒙脱土和伊利土为主。其絮体结构一般容易以边一边、边一角或角一角等形式连结或 搭接，这种连接形成的网状絮体，其结构很不稳定，容易在较小的剪切外力或水流紊动作用下突然破碎，而又较快地再连接，重新组合形成所谓的“二次絮凝体”。黄 河高浊度水中这一泥沙絮体结构形成破坏再形成的反复演变特点，决定了高浊度水 自然沉淀浑液面沉降规律的多变性和复杂性。 泥沙网状絮体沉降总的变化规律是，随着初始浓度的增加或在沉降过程中变浓 浑水层泥沙浓度的纵向递增，其网状结构出现上述反复演变的可能性就愈小，即该 沉降段从开始到结束所经历的时间就愈短【３…。 试验表明，黄河高浊度水自然沉淀中从群体沉降过渡到网状沉降的临界过渡含 沙量与在同样条件下（主要是泥沙颗粒组成条件），高浊度水自牛顿流体转变为宾汉 流体的临界含沙量是一致的。这是研究高浊度水自然沉淀中的一个重要概念。 ｆ３）固结压缩沉降 随着高浊度水含沙量的继续增大，泥沙絮体颗粒的进一步靠近与互相接触，颗 粒间分子为作用更为明显与强化，这时絮团的网状结构很快出现并将在较短的时间内形成网状整体，同时，由于水体内极限切应力ｔ Ｂ的急剧加大，泥沙颗粒的相对 运动逐渐变弱甚至消失，以至使各种大小不同的颗粒以整体形式下沉，这时不存在泥沙的分选，絮体形成的海绵结构逐渐向单粒结构转变，外观表现特点是浑液面沉速进一步减小。随着网状逐渐密实和封闭水的进一步从絮体中排挤流出，其水体也 逐渐从液态转变为伪塑性体的半固态状态。由于高浊度水泥沙颗粒组成的不同，即使含沙量相近的情况下，其絮凝特征也 不相同。因此，上述沉降类型划分的临界含沙量也应是泥沙粒径组成，颗粒级配特点等因素的函数。西安建筑科技大学硕士学位论文２．４高浊度水的粘性高浊度水的性质与清水比较起来至少有两点不同。一是悬浮液的容重高于水， 含沙量越高，悬浮液容重越大。二是悬浮液的粘性大于清水，如以粘滞系数表示粘 性，则悬浮液含沙量在５００～１０００ｋｇ／ｍ３时，其粘滞系数将是同温清水的几倍几十倍、 甚至上百倍，视悬浮液中泥沙颗粒的粗细而不同而不同。 泥沙颗粒存在对水流粘性的影响，甚至使后者不再成为牛顿体的主要原因是流 线在固体颗粒附近的变形。如果泥沙颗粒较少，则这种紊流作用只涉及到固体对流体的影响；如果含沙量很高，颗粒与颗粒之间的距离很小，则这种紊流作用必然还 涉及到固体与固体之间的相互影响。其次，随着泥沙颗粒的增加，特别是粘性颗粒 泥沙的增加，固体与液体的接触面积大大增加，从而提高了悬浮液流动时的内摩擦 力。如在高浊度水的凝聚特性中指出的那样，粘性颗粒在带有离子的水中，由于双电层的作用，颗粒表面形成一层与之牢固结合的束缚水，又称薄膜水。这种水膜的容重比清水大很多，具有半固半液的性质和很高的粘性。同时，细颗粒之间因絮凝 作用而形成絮团集合体和网状结构，这种结构一方面在剪切作用下很容易破坏，另 一方面又很容易恢复和形成。所有这些，使含沙悬浮液的物理性质与清水相比有很大不同。工．流体在流动中所承受的剪力ｆ和切变速率半的关系，称为流体的流变特性，表妙示这种特性的方程称为流变方程。当液体中的较细颗粒达到一定的含沙浓度之后， 其流变性质就不再符合牛顿线性流变方程工．ｆ：“竺‘咖（２．１４）也就是说，此时的流体己不属于牛顿流体，方程２．１４己不再适用，而是服从别 的流变规律。如前所述，对水沙系统而言，大多属于宾汉流体，或被近似的看作宾 汉流体ｐ…，即流变特性符合，＾』ｆ＝ｒＢ＋∥孚ａｙ（２．１５）从２．１５可以清楚地看出，流体在受剪切力ｆ时，首先要克服宾汉极限应力ｆ。（即 ｒ＞ｆ。）以后，液体才能产生变形。 从研究细颗粒泥沙的特性出发，我们有理由认为，浑水体系中的极限应力ｆ。的 形成，主要是颗粒之间能够形成一个有联系的整体或称结构。而这种结构又是颗粒 之间的粘着力把它们互相联系起来的。西安建筑科技大学硕士学位论文２．６高浊度水的处理方法高浊度水的自然沉淀，包括泥沙自絮凝状态下的沉淀，由于絮体小，结构松散， 密度较低等原因，泥沙的自然沉淀速度很小，一般在０．０５ ｍｌｎ／ｓ以下。利用这样低 的沉淀速度，在实际净化工程中往往是很不现实的。欲使高浊度水泥沙沉速增大， 工程中应采用人工投入一定数量的外加混凝剂，实现混凝沉淀。 另外，由高浊度水自然沉淀的实验可知，为使沉淀池内浑水的泥沙沉淀和浓缩 过程能够正常进行，沉淀池进水负荷应低于或等于浑水浑液面沉速。正如前面高浊 度水自然沉淀中所述，随着原水含沙量的增加，浑液面沉速减小。这样，对于泥沙 含量较大的高浊度水来说，单纯靠自然沉淀也往往不能满足设计要求。 高浊度水的混凝沉淀，是根据高浊度水泥沙浓度高，颗粒碰撞几率大，并带有 负电荷和具有较强的布朗运动的情况下，人工地投入一定数量的混凝剂后，利用混 凝剂的吸附架桥的双重作用，来达到加大絮团尺寸，增加絮体密度，从而提高浑液面沉速和快速浓缩的目的。经过理论研究和生产实践证明，普通的混凝剂和高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（ＰＡＭ）处理高浊度水的能力分别为： 硫酸铝 最大处理含沙量 最大处理含沙量１０～２０ｋｇ／ｍ３ ｋｇ／ｍ３ｋｇ／ｍ３ ｋｇ／ｍ３三氯化铁２０～３０聚合氯化铝最大处理含沙量４０－－－５０ 聚丙烯酰胺最大处理含沙量１００～１５０普通混凝剂处理高浊度水时，往往投药量很大，且能力有限，生产实际中很少 单独使用。高分子絮凝剂具有高聚合度和长分子链的特性，其吸附架桥作用均优于 无机混凝剂，且具有投剂量，絮凝体密实，沉降速度快，并容易自液体中分离和有 利浓缩等优点，故在高浊度水处理中，已被广泛地采用。 高分子絮凝剂，根据其分子链上是否带有电荷以及所带电荷的正负性而分为非 离子型，阴离子型和阳离子型三大类。近年来又发展了两性絮凝剂。分散系浑水中 的杂质通常带有电荷，欲使其加速沉淀去除，应选用具有反电荷的高分子絮凝剂。 高分子絮凝剂在水处理中应用始于５０年代，当时主要是非离子型聚丙烯酰胺， 随着科学技术的发展，阴离子型和阳离子型絮凝剂开始应用．由于水中悬浮物多数 带有负电荷，所以阳离子絮凝剂的絮凝效果更好，在工程应用中也逐渐增多。但目 前在高浊度水混凝处理中，一般仍以阴离子型聚丙烯酰胺为主。 一般采用二级混凝沉淀的方式处理高浊度水。第一次投加高分子絮凝剂ＰＡＭ， 出水余浊一般在２００ＮｒＵ以下，最大不超过５００ＮＴＵ。絮凝沉淀后的水投加普通混西安建筑科技大学硕士学位论文凝剂进行二次混凝沉淀，可获得浊度在１０ＮＴＵ以下的净水。 高浊度水混凝沉淀同样可划分为分散型干扰沉淀、网体干扰沉淀和整体压缩沉 淀三种类型。在表观上是己更为清晰明显的浑液面形式下沉，浑液面下沉速度随原 水泥沙浓度的增加而减小。但混凝沉淀中影响浑液面下沉速度的因素比自然沉淀要 多，除水质本身的因素外，还直接受混凝剂选用，投加量和投加方式等因素的影响， 使其浑液面的沉降规律更为复杂化。换言之，高浊度水的混凝处理欲达到高效经济 运行的效果，在水厂的运行管理，操作技术等方面比自然沉淀都将有更为复杂和严格的要求。西安建筑科技大学硕士学位论文３高浊度水沉淀浓缩理论几乎所有的浓缩理论都假设或默认，在一个给定区域中的所有颗粒都以同一个 速度下沉。它们只是在别的假设或数学推导上有所不同。不同的假设对应于沉降过 程中不同的物理模型。在这个方向上的进展包括把越来越多的影响考虑进去从而减少假设。有～些数学推导是十分重要的，在于它们揭示了一些先前并不知道的物理关系。为了给出各种浓缩理论的相同点和不同点，我们先给出一个常见的微分方程。 为了得出方程的解，对于方程中变量间的关系我们作出不同的假设，所以有些项将 会被舍去。这给出了沉降的不同物理模型。一生兰出矗平衡方程式卜黔＋●一鲁）。卅一＝芸＋警图３．１浓缩力学平衡这个微分方程来自与对一层体积浓度为ｊ，高度为ｄｘ，面积为Ａ的一微分层的力学平衡分析。此微分层中固体的量＝印。Ａｄｘ此微分层中液体的量＝（１－ｏ）ｐｆＡｄｘ固体的惯性力＝（ａ一宝）印；４出西安建筑科技大学硕士学位论文液体的惯性力＝ｆ口一号｝］（１一。加，一出液体层间压力差（假设颗粒间有接触）：一ＡｄＰ：ａ－一－Ｐ－ＰＡｄｘ固体层问压力差＝一Ａｄ缈：掣爿也合力（ｎ一害ｐ，一出＋卜一鲁］（１＿。扣，一也＝罢彳出＋警一出ｃ。．，，Ｐ，一固体的密度，Ｐ，液体的密度。“固体的速度，“ｒ液体的速度。Ｐ液体层间压力，妒固体层间压力。几乎在所有的数学处理中，当地加速度项都被省略了。假如它们最终将被省略， 为了简化计算，我们在这里把它们省略。以后将看到，在任何情况下，它们都不应该被省略，这也是在（３．１）式中包括这些项的原斟“ｌ。但是，假如它们被省略的话，（３．１）式将简化为：４ｃｐ，唧≯＿（罢一印，］＋豢ｇｎ㈨但是ａｐｆ是液体静力压强梯度。∽，既一印，）项是液体动力压强梯度庐，蕊。此项是导致液体流过由固体结构组成的多孔介质的动力。在重力沉降中口＝ｇ。因此：Ｐｓ－Ｐｆ）ｅ＝罢＋罢㈦ｚ，在早期的论文中，ｖ定义为由于颗粒与颗粒的接触传递的固体压力。但是就像 Ｄｉｘｏｎａ（１９７８）所提到的，压力可以由于水动力由一个颗粒传递到另一个颗粒，假如 颗粒足够接近的话。压力通过当地增强的液体压力所传递，而液体压力的增强是由 于液体从接近的颗粒之间流出的阻力所引起的。（３．２）中的固体压强定义为包括水动力的贡献。因此总的固体压力妒＝虬＋‰。３．１集团沉降理论３．１．１ＣＯＥ ＡＮＤＣＬＥＶＥＮＧＥＲ模型，“＝“（０经典的集团沉降理论假设，固体之间没有压力，因此ａ缈／缸为零。又由于当地 加速度与ｇ比较被完全忽略。这导致，西安建筑科技大学硕士学位论文ｇＰｓ－Ｐｆ｝＝罢液体动力压强梯度是与液体通量有关的：㈦，，望：ｋｕ觑（３．４）阻力系数ｋ在经典的理论中被认为是６的函数，也就是说，ｋ＝．ｉ｝０），因此：“＝唑掣“＝――――７Ｔ―二－㈦ｓ，Ｌｊ．）Ｊ或者“＝“０）因为Ｃ＝风ｊ“＝ｕ（ｃ１这就是经典的Ｃｏｅ 连续浓缩Ｃｏｅ ａｎｄ（３．６）ａｎｄＣｌｅｖｅｎｇｅｒ集团沉降的数学模型。Ｃ１ｅｖｅｎｇｅｒ（１９１６）认为，在连续浓缩池中有个限制浓度，在这个浓度下，沉淀通量最小。这个限制通量是在稳定工作的浓缩池中，沉向底泥底最大通量。 固体通过某一层的沉淀速度有两个组成部分：固体的沉淀速度ｕ相对与悬浮液： 由于排泥引起的悬浮液的沉淀速度ｖ。因此，总的固体沉淀通量：Ｇ＝Ｃ（ｕ＋ｖ）（３．７）通过物料平衡分析，ｖ＝巩／Ａ，吉冈认为： Ｇ＝Ｃ（ｕ＋吼／一）＝巴ａｕ／ＡＦｉｔｃｈ（１９６２）通过消去Ｑｕ／Ａ，得出：（３．８）Ｇ＝丁斗Ｃ（３．９）Ｑ这里Ｇ是某一层中沉向底泥的固体通量；Ｃ是固体浓度；“是此浓度下的固体 沉淀速度；Ｃｈ是底泥浓度。 假如“＝“（ｃ）的话，速度在间歇试验和在连续操作中应有同样的值（浓度和别的 因素是同样的）。因此速度可以由不同浓度的间歇试验决定，把结果代入（３．９）式。 给定ＣＭ，对应于不同的Ｃ，有不同的沉淀通量Ｇ。假如结果用图形表示，如图３．２。 在图３．２中最重要的实际现象是在ＧｖｓＣ的曲线上有一个最小值，我们把它叫做限制浓度Ｃｃ。通常情况下进水浓度（丁比ｃｃ小，而底泥浓度Ｃ“比Ｃ七大。因此， 沉向底泥的最大固体通量为此最小值。在图３．２上限制浓度为Ｇｃ。假如进水固体通量超过此值，在浓缩池中将形成一个浓度为ｃｃ的限制区域。在这个区域中的沉淀西安建筑科技大学硕士学位论文固体通量将小于进水的固体通量。沉向这个区域中的过剩的固体将增加这个区域的 高度，直到这个区域充满整个浓缩池。假如你你不想浓缩池中的固体溢流出来，对于给定的底泥浓度，你必须增加浓缩池面积来保证沉淀通量小于Ｇｃ。因此Ｇｃ为浓缩池固体负荷的上限。成层沉淀为浓缩池设计提出了面积要求。Ｇ毫哑日｜１赠 投 固ｃｆ图３．２Ｃｏｅ ａｎｄ固体浓星ｃＣｕＣｌｅｖｅｎｇｅｒ固体通量曲线图但是，在另一方面，当进水固体通量小于Ｇｃ，通过此限制浓度区域的固体的沉 淀速度比进水的固体进入速度更快。这个限制区域逐渐缩小并消失。因此你并不需 要为成层沉淀区域提供特殊的高度。因此成层沉淀对浓缩池的高度设计并没有要求。 这个限制浓度是唯一可以在沉淀池中累积的成层沉淀区域，并且它只有在进水 的固体通量等于或超过沉淀池的沉淀能力时才能存在。除了在特定控制条件下的操 作外，比如在污水处理中的活性污泥法，对正确设计的浓缩池的操作中限制浓度应该永远不出现。３．１．２吉冈分析 我们现在得到方程（３．７）。吉冈认为在一个连续浓缩池中固体的沉降速度是两 个部分的总和。颗粒相对于悬浮液的沉降速度ｕ，和排泥引起的整体迁移速度ｖ。我们来看方程（３．８）。吉冈用图３．３来表示方程（３．８）。他提出了一个更简单的图形【２”。在曲线３．２和３＿３，通量是由两部分组成，沉降通量ＵＣ和迁移通量ｗ，沉降通 量对于给定的浓度是固定的，因为“＝“（ｏ．但是总通量的曲线将会对应不同的ｖ而有不同的形式。２７西安建筑科技大学硕士学位论文ｑ唧蝗 回鼎固体浓度图３．３吉冈通量的组成 我们可以对应于不同的Ｃ绘出沉降通量ｕＣ如图３．４所示。这个曲线表达了在任意浓度下可提供的沉降通量或可能的沉降通量。我们可以在同一个图上绘出对于给 定的沉淀池通量Ｇ所要求的沉降通量。从方程（３．７）可以得出：ｕＣ ｎｅｅｄｅｄ＝Ｇ－ｖＣ（３．１ Ｏ）由物料平衡Ｇ－－ｖＣｕｕＣｎｅｅｄｅｄ＝Ｇ（１一Ｃ／Ｃｕ）（３．１１）方程（３．１１）在图上给出了一条的操作直线，Ｇ和白是参数。Ｇ的值是在ｕＣ坐标轴上的截距， Ｃｕ是在Ｃ轴上的截距。能稳定存在的成层沉淀区只有当提供的沉降通量等于需要的沉降通量才能发 生。操作线与沉淀通量曲线在ｂ点相切给出了成层区域。Ｇ的任何增长都使操作线 在ｂ点的临近区域升高蓟沉降通量曲线上边。需求的沉降通量超出了泥浆固有性质 所能提供的，这种操作状态是不被允许的。如前所述，一个ｂ浓度的成层区域将形 成并逐渐升高直到超过浓缩池。西安建筑科技大学顾Ｊ：学位论文Ｕ锥 督∞嘏型兰 匿 笸蛙图３．４吉冈沉降通量曲线 间歇沉降试验在间歇沉降试验中，一沉降柱初始浓度均匀的泥浆被静沉。混液面高度被认为 是时间的函数被测定。我们希望以间歇沉降试验来预测连续浓缩现象。 Ｃｏｅ．Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ发现沉降速度有一个或两个不连续的点如图３．５。这两个不连续 点将沉降曲线分成等速沉降段（有时会有第二等速段）、第一减速沉降段或过渡段、 第二减速沉降段。魁框图３．５间歇沉降曲线 等速段对应于泥浆初始浓度。用不同初始浓度的泥浆做系列试验，等速段提供 了用于确定Ｃｏｅ－Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ方法确定通量曲线和限制通量的数据。在沉降的最后，泥 浆进入压缩段，这将在以后讨论。堕茎堡塑型垫查堂竺兰兰些堡兰 Ｃｏｅ－ＣＩｅＶｅＩｌ２ｅｒ从逻辑和性质上推断在过渡区域中混液面沉速的递减是由于浓 度高但沉淀通量小的层上升引起的。三十六年后Ｋｙｎｃｈ用数学方法得到的定量结果得出同样的结论。３．１．３Ｋｙｎｃｈ理论Ｋｙｎｃｈ从最基本的假设出发“＝“（ｏ，应用连续性方程得出：一个浓度不连续降以一个速度上升：【，：竺 ＡＣ（３．１２）这将在图３．６上表示。假如一个不连续上部是浓度Ｇ下部是浓度Ｇ，这个不连续沿沉降方向传播，传播速度为弦ａ．ｂ的斜率，此弦交通量曲线在浓度Ｇ、Ｇ处。 因为此处弦的斜率为负值，不连续将向上传播。Ｕ：椰 镫∞删 圈 基 囤 进 器Ｃ。Ｃｂ固体浓度图３．６浓度不连续２．一个浓度处在一个浓度梯度范围内将以一个速度传播删：ｕ：堕ｄＣ（３．１３）西安建筑科技大学硕士学位论文图３．７Ｋｙａｃｈ三假设曲线因此假如浓度沿高度连续变化，其中有ｏ，那么此ｃ６浓度将以通量曲线在ｂ 点的切线斜率的速度传播。应用这个结果．Ｋｙｎｃｈ认为在某一时刻在混液面下的浓 度可以由沉降曲线如图３．７所决定。在零时刻，某一浓度将由底部向上传播，传播 速度将由３．１３式所决定。当它在ａ点到达清混交界面时，混液面将以此浓度的沉降 速度沉降。此浓度可以如下表达：Ｃａ＝警此时，清混交界面下的固体沉降速度即为混液面的沉降速度： ｔ，ｔ。＝－ｄＨ／ｄｔＩｎ２Ｈｚ／ｔ＝因此：Ｓ４：－日．ｏｔｏ‘ｚ㈦…（３．１５）（３．１６）Ｋｙｎｃｈ的这几个关系式是十分有用和令人激动的。因为它提供了一个方法从间 歇试验中得到浓缩池设计中需要的所有沉降信息，而不需要像Ｃｏｅ．Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ那样做 一系列浓度试验。西安建筑科技大学预●：学位论文ｑ梅餐∞蚓 赠 拉 匦 篷 蟋Ｃ。ＣｂＣｃ固体浓度图３．８Ｋｙｎｃｈ曲线上浓度不连续的表达假如初始浓度处在这样一个区域，通量曲线在图上是下凹（４．Ｃ）ｆｄＣ是负的）例如图３．８上的ａ点，那么在ａ与ｃ之间的浓度在间歇试验中不会传播到清混交界 面上。浓度ａ与ｃ之间的不连续传播速度比他们之间的任何浓度传播速度都快，比 较图３．４和图３．８将会发现原水浓度至少应和进水浓度一样，那么在不连续之间的浓 度将不会成为连续浓缩池的限制浓度。 Ｋｙｎｃｈ并没有对稳态的浓缩池解释清楚。在Ｋｙｎｃｈ理论上更进一步，Ｋｙｎｃｈ的 所有假设仍为正确．Ｔａｌｍａｇｅ和Ｆｉｔｃｈ发现在一定的排泥浓度Ｃｈ下，浓缩池中的限 制浓度可以由间歇沉降试验沉降曲线直接确定。西安建筑科技大学硬ｊ一学位论文图３．９Ｔａｌｍａｇｅ和Ｆｉｔｃｈ压缩曲线耻等从沉降曲线上读出ｒ。，得出（３．１７）Ｇ：旦鱼ａｔａ（３．１８）得到以上方程的方法如下：Ｓｈａｎｎｏｎ和Ｔｏｒｙ认为在稳定浓缩池中，限制浓度层 是静止不动，这是因为在成层沉淀中，能唯一存在的浓度层就是向上的传播速度等 于由于排泥引起的向下的迁移速度ｖ，也就是ｖ＝－Ｕ。问歇沉降试验时的所有固体 量＝ＣｏＨｏＡ。当某一浓度层传播到接口时，所有固体都通过此浓度层，通过此浓度层 的速度为ｃ０ＨｏＡ／ｔ。，通量速度为ｃ０日ｏ／ｔ。。因为此浓度层在稳态浓缩池中静止，所 以通过此浓度层的通量即为通过浓缩池的通量，因此：Ｇ．：盟（３．１８） Ｌ，＾＝一，得到方程３．１８。 为了使Ｃａ浓度层保持静止， 而Ｇ。＝ｖＣｕ，因此：因此：西安建筑科技大学硕士学位论文Ｈ。：ｎＯＬ 。Ｃ“ｏ（３．１７）得到所有方程。３．１．４ＤＩＸＯＮ模型，“＝ｕ（Ｃ，Ｄｕ／Ｄｒ） 当惯性因素被考虑，而固体间的作用力仍被忽略，方程３．１被简化为ｇ（Ｐｓ－－∥地嘲考＋（１一句即鲁（３１９）如前所述沉降速度在浓缩池中十分低。因此除了在真正的或接近不连续外，当 地加速度项比较流体托拽力ｈ来说是十分小的，成层沉淀现象将被近似。此外，在 一个粒状浓缩系统中，真正的浓度不连续是不能存在的。从一个浓度沉降到另一个 浓度，颗粒必沉降经过一个有限的距离。在此距离内，浓度梯度为一个有限的ｄＣ／ｄｘ， 在这其中Ｄｕ／Ｄｔ和Ｄｕ，／Ｄｔ时有限的但是很小，Ｈａｓｓｅｔ（１９６５）认识到了其中的问题，他写到：“从一个低浓度到相邻的下部高浓度，单个颗粒从其低浓度下的沉速“’减速到 高浓度下的较低沉速”的动力并不清楚。它们减速的唯一方法就是处于高浓度中， 但是由于它们总是越过此平衡浓度层而处在此浓度的下边，因为在整个减速过程中， 只有处在更高的浓度层中，减速过程才能进行。” 从连续性方程考虑，使他得出这样的结论：“好像颗粒在浓度增加以前，就开始减速相仿。”Ｄｉｘｏｎ对此模型进行了详细的数学分析，。他得出结论：ａ）“在连续浓缩中，浓 缩区域中的‘自由沉淀区’并没有固体沉淀通量限制。”ｂ）“在间歇沉淀试验中，只 有在压缩区域中才会出现浓度梯度。” 这些结论从根本上对现有的理论和实践提出了怀疑。至少有一些实验结果是符 合这些结论的。在近些年，絮凝颗粒在原来被认为是自由沉降区中表现了一些屈服 应力。浓度限制区域也经常发现处于压缩区中。Ｄｉｘｏｎ的结论对浓缩池的实际设计 并没有什么帮助。絮凝颗粒确实表现了至少一些屈服应力在间歇试验的浓度梯度中， 或在连续浓缩中的浓度限制区域中。但是．这就有问题了：当惯性力比较重力和流体托拽力来说是很小时，沉淀现象是否接近模型所预测的现象？特别当屈服应力和颗粒加速度比较流体托拽力来说是很小时，Ｋｙｎｃｈ的连续浓度传播是近似有效还是 完全失效？Ｄｉｘｏｎ的理论认为是后者。 另外就是：方程３．１８所表达的数学模型是否包括了非处在压缩区的泥浆的所有 因素？这个模型是否有效？假如否的话，那么修正后的模型预测的现象是什么呢？西安建筑科挫大学硕Ｊ：学位论文Ｄｉｘｏｎ在最近的论文中提出确实有有一项在自由沉淀中起作用的因素在模型中 没有考虑。他认为当ｃ３Ｃ／Ｏｔ是正数时，并且当两个颗粒相互接近时，颗粒问有动力压力。Ｄｉｘｏｎ认为．当有浓度的不连续出现时，下部的浆体必须有足够的强度来承担由于沉降速度改变所引起的阻力。因为是絮体结构在承担阻力，所以不连续下部絮体一定处于压缩区。最初的浓度不连续不会发展成为一个渐变的浓度区域。这些争论都是以真实的或数学上的不连续为基础的。如前所述，像Ｄｉｘｏｎ认为 的，这样的浓度不连续在颗粒沉降系统中是不存在的。那儿必须有一个浓度渐变区域。假如颗粒在通过这个区域的加速度比较ｇ来说较大，那么这个速度就足够大， 可以使颗粒通过不考虑惯性因素时的任何临界或限制浓度区域。但是另～方面，假如颗粒在通过这个区域时，加速度比较ｇ来说较小，在此区域中某一点，颗粒的动 力将会被消耗尽，此后Ｋｙｎｃｈ现象将会发生。 Ｄｉｘｏｎ，Ｓｏｕｔｅｒ设计了一个粒状沉降系统的计算机模型，如上所述有一个浓度渐变区域。这个模型包括惯性力因素，显示在不考虑惯性因素由Ｋｙｎｃｈ理论得出逐渐增长的浓度渐变区域时，此时为一个厚度不变的浓度梯度区域。由于当时计算机的 速度有限，模型结果只是在较低的Ｎ值（Ｎ为重力和惯性力的比值）下得到的。如 上所述争论的基础是当惯性力比较重力来说很小时（即Ｎ值很大时），是否会与惯 性力比较重力很大（即低Ｎ值）出现本质的不同。但是计算结果并不支持增长的浓 度变化区域现象并不出现。 Ｋｙｎｃｈ理论预测不连续在一些情况下为固定高度的浓度渐变区域，在大部分情 况下为高度逐渐增加的浓度渐变区域。但是Ｄｉｘｏｎ的计算结果显示在Ｋｙｎｃｈ理论认 为是高度渐增的浓度梯度时也应该是固定高度的渐变区域。非稳态的浓度渐变区域 在数学表示上很复杂，在逻辑分析上也很困难。稳态的浓度渐变区域比较简单．在 理解上也比较容易。于是，我们考虑求解稳态状态下方程３．１８解的可能性。 Ｄｉｘｏｎ的模型与方程３．１８的区别在于它省略了液体的当地加速度Ｄ“，／Ｄｔ项。 省略此项大大简化了方程的数学表达。但是，既然我们的模型包含此项，我们就来 看一看液体的当地加速度项有什么效果。 在一个稳定操作中，浓度渐变层相对于泥水混合液来说上升的速度（就如在浓 缩池中那样），那么就有稳定的固体通量和液体通量沉向底泥。固体是由低浓度沉向高浓度，因此是减速。但是，液体是从（１一ｅ）浓度高的地方沉向低的地方，因此它一定是加速。根据方程３．２式，这将部分的抵消固体浓度增加。但是在大部分的实际 情况下，固体的减速将占主导地位．所有的模型都预测了这个同样的结果。 一个有固定浓度渐变层的完整的动力学平衡模型将由方程西安建筑科技人学硕Ｊ．学位论文ｇ（Ｐｓ一彬＝ｋｕ＋城鲁＋（１＿户，鲁“ｊ＋“，０一∞２ ０（系统通量相对于自身来说为零） ０一户譬＝口（ａ为常数）（３１９）（３．２０） （３．２１’ （３．２２）０一卢ｘｌ―ｊ）＝ｂ（ｂ为常数）３．２１和３．２２表示通过相对于泥水混合液以速度口上升的稳定浓度渐变层的固体通量和液体通量为常数。这个方程组太过复杂，使其物理重要性变得有些降低。在以后的讨论中，我们认为减速的颗粒的沉速比不考虑减速时的大。 相对于任何处于其中的浓度来说，具有固定厚度和形状的渐变层都是稳定的。吉冈曲线正确表达了这个数学关系，这个曲线表示了不考虑惯性因素时的沉淀，操 作线代表了连续性平衡的限制。图３．２０就是这样的曲线。 如前面的例子，假设浓缩池的进水浓度或上部浓度对应于图上的１点，临界浓度或下部浓度对应于图上的２点。按照Ｄｉｘｏｎ的理论，在这样的情况下，２点的泥 浆应有足够的屈服强度来支持Ｃｉ、Ｃ，之间的浓度不连续。Ｕ３粑 镫∞喇 蚓 蛙 回 滋 蜉Ｃ１Ｃ２Ｃ３固体浓度图３．１０稳态存在的浓度不连续在连续性模型当中，那儿应该有一个完全的或者是数学上的ｃｌ、Ｃ２之间的不 连续。ｃ．、ｃ２之间的浓度没有任何限制，因为它们根本就不在那儿?但是在粒状 系统中，当它们从ｃｌ浓缩到ｃ２时，它们必须经过任何中间浓度。在ｃＩ、Ｃ２之间的 操作线处于通量曲线之下，在这样浓度下的沉淀速度比单独由重力引起的沉淀速度西安建筑科技人学磺卜学位论文小，这就意味着Ｄｕ／皿一定是正值。为了满足动力平衡，颗粒必须要加速。但是当它们沉降时，因此为了满足物质平衡，它们又要减速。因此，稳态的或固定厚度的浓度渐变层的ｃ１、Ｃ，之间的浓度不连续与粒状沉降系统理论并不相掎。面第二种情况，上部的浓度对应于而点２是处于自由沉降，而下部的浓度对应 于３点是自由沉降的临界浓度。则能满足物质平衡的浓度渐变层就是可能的了。在Ｃ，、ｃ，浓度之间被物质平衡所要求的多余的通量将由减速的传播所提供。操作线与通量曲线在２点与３点负荷，因此这两点的速度不会变化，Ｄｕ／Ｄｆ在 这两点一定为令，ａｃ／缸也一定是零。因此浓度渐变层是以浓度ｃ２、Ｃ３为渐近线的。数学解表示浓度渐变层是上下都趋近于极限浓度。 而通量曲线３点以下的渐进线将由于不连续以下的固体的屈服强度所斩断。即使是很小的固体屈服强度（动力的或者静力的）就已经足够。因为大部分动力在通过浓度渐变层是已经在使颗粒加速过程中消耗掉了（克服增加的托拽力）。 对此解的稳定性提出怀疑是可以理解的。Ｄｉｘｏｎ浓度不连续，上部是自由沉降， 下部是压缩区压强来提供抵消颗粒动力的阻力，这种不连续是稳定的。假如在原始 状态下，渐变区的浓度梯度比在稳定时的浓度梯度大，则原始的浓度渐变区将会成 为稳定的Ｄｉｘｏｎ不连续【２”。假如原始渐变区浓度比在稳定时的浓度梯度小，则原始 的浓度渐变区将会膨胀，如Ｋｙｎｃｈ理论所预示的那样。 在粒状沉降系统中，原始的浓度渐变区的梯度在几何上是有限制的。取决于它 们与稳定时的梯度的比较，它们会发展成为Ｋｙｎｃｈ的膨胀渐变区或Ｄｉｘｏｎ的固定厚度浓度渐变区。３．２压缩区理论从经典理论上来说，泥浆不处在成层沉淀区就被假设处在压缩区。Ｃｏｅ和 Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ定义压缩区为“泥浆被认为连接成为整体，一个沉降在另一个上面并相互 接触。泥浆进入Ｄ区（压缩区）后，进一步的固液分离必须压缩出絮体内或絮体间的水。”３．２．１ Ｃｏｅ－Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ｛２４１Ｃｏｅ和Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ观察到，对于给定初始浓度的间歇沉降试验，处在压缩区的沉 降速度和泥浆高度成正比。由此，他们推断对于此种泥浆压缩只是时间的函数。对 于此种泥浆他们陈述到，“泥浆的最终浓度取决于泥浆在压缩区的停留时间。”他们阿置建筑科投大学顶士学位论文对于浓缩池的设计就是基于这个假设上进行的。 然而无论如何Ｃｏｅ和Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ强调对于高粘度的均质结构来说，浓缩是时Ｉ可的函数这个法则并不成立。他们建议：他们的浓缩结论对于通常的冶金工业设计是 有效的，但是对于化学沉淀物来说并不成立，并且对于含高石灰的泥浆来说也不成立。我们现在可以认为除了对坚硬的冶金废渣来说，他们的理论或多或少的都成立。 但是我们不能责怪Ｃｏｅ和Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ．他们已经告诉我么这一点了。３．２．２Ｒｏｂｅｒｔｓ模型Ｒｏｂｅｒｔｓ（１９４９）假设在浓缩区中，空隙水分离出来的速度正比于空隙中剩余水的量：型塑二坠２：一加出（３．２３）Ｄ＝每单位固体的水量％＝无穷时间后的Ｄ这在数学上，间歇沉降压缩区曲线是：ＩｎＣＨ―Ｈ。）＝一七（ｆ―ｔｏ）和浓度的同样的悬浮液，这样的曲线应该是平行的【２４】。（３．２４）ｌｏｇ（Ｈ。一Ｈ）ＶＳ ｔ曲线应该是条直线。假如方程３．２２有效的话，对于不同高度我们现在知道方程３．２２并不总是有效，Ｃｏｍｉｎｇｓ证明在连续浓缩池中，最终的泥浆浓度并不只是时间的函数，而这个条件对方程３．２２是必需的‘２＂。吉冈（１９５５）用实验证明ｋ值并不是常数，而是和ｃ０凰成正比。然而，好像他们把Ｒｏｂｅｒｔｓ关系应用到沉降曲线上第一减速段或Ｋｙｎｅｈ理论区了。他们发现把第一减速段画到日／ⅣｏＣｏＶＳｆ，‰ｃｏ曲线上得到逐渐减小的斜率。这可以从Ｋｙｎｅｈ理论推断得到。但是吉冈结果和得理．罗伯茨．吉冈关系式Ｔｏｔｙ和Ｓｈａｎｎｏｎ（１９６５）发表掣：七／％ｃ０）（Ｈ―Ｈ。）或许并不关系到Ｒｏｂｅｒｔｓ得到他方程的那个区。（３．２５）尽管Ｒｏｂｅｒｓ关于压缩区的模型并不总是有效。但是我们从来没有看到过沉降曲 线的第二减速段有和方程３．２３很好的符合。它一定是某个动力学操作的基本结果。州安建筑科技大学硕士学位论文３．２．３Ｍｉｃｈａｅｌｓ－Ｂｏｌｇｅｒ模型“＝”（ｃ，ｄＣ］ｄｘ）Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ（１９６２）假设絮网在压缩阶段将受到压强或者屈服强度是浓度的函数。絮网的阻力系数在经过最初的絮婀结构孔道的形成阶段后也是浓度的函数。即仃＝仃（ｃｌ足＝Ｋ（ｃ），Ｋ值在压缩阶段由于孔道的形成而增加。他们忽略了颗粒加速度项和固体动力压强项，在这些假设下，从方程３．２得：当泥浆真正处于压缩（忽略妒＾），ｙ＝仃。在此时，方程３，２写为：ｇ［等Ｊ如篆＋豢 ｇｆ盟１ｃ：ｋｕ ｇｌ■■ｒ’而ｉＬ几Ｊ出出，，，“ ㈦２。，４．生箜（３．２７） ’因此“＝ｕ（ｃ，ｄＣ／出）。Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ关心的是处于压缩区的泥浆最初沉降速度。首先只有处于底部的泥浆进入压缩状态，所以底部的屈服强度ｖ＝盯。对非处于压缩状态的整个泥浆柱体凰进行力学平衡分析（忽略边界效应，Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ没有提到这样做）：网状柱体所受重力＝ｇ∞；一刀肛。流体托拽力＝一妇ｆ日。固体压力强度＝一仃 因此ｇｈ―Ｐｆ卢日。一ｋｕｉＨ０一叮＝ｏ零。（３．２８）屈服高度Ｙ被定义为底部的压力强度盯可以支持的那部分泥浆柱体，它的“为ｇ扣。一Ｐｆｐｙ＝盯Ｕ。定义为在没有固体压强或者日。为无限时的泥浆沉速，ｇ忉Ｆ―Ｐｆ）Ｃｌｉｏ＝＾舛。Ｈｏ把Ｙ和“。代入３．２７简化可以得到Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ关系旦：１一三“∞ｆ３．２９）。 ’珂ｏ为了确定给定的浓度的参数ｙ和“。的值，以给定浓度为原始浓度，以不同初始 高度进行系列沉降试验。峨ＶＳ Ｉ／Ｈｏ应为一条直线。它和１，日。轴的交点给出Ｉ厂ｙ 的值。它和蜥的交点是Ｕ。的值。 这个Ｍｉｃｈａｌｓ?Ｂｏｌｇｅｒ模型在数学上推广到原始柱体下的压缩区，直接和浓缩池两安建筑科技大学顿＿：学位论文设计的问题相联系。当固体确实进入固结状态时，应用方程３．２６。则参数ｋ和ｄ盯／ｄＣ未知。参数ｋ可以用不考虑固体压强时的沉降速度＂。表示，当盯是零（自由沉降）或者８Ｃ／缸是零。女：ｇｆ堡二．丛１旦ＬＰｓ／“＊参数ｄ盯，把可以以当固结完成、沉速为零时的浓度梯度（篆］。表达。『Ｐｓ―Ｐｆ １，１曲ｄＣ。ｌＰｆＪｌ忑Ｊ上边的式子代入方程３．２６简化（ｄＣ℃篆＝（匐ｄｘ。（?一罢］舐ｌ ＪＩ“。ＣＪ眩。。，在稳定状态下浓缩时，“Ｃ就是物质连续性平衡所需要的通量Ｇ，这可以由吉冈 曲线与操作线的交点得到。“。ｃ是不考虑固体压力强度梯度时的固体通量Ｓ。对任意给定的浓度Ｃ，“。可以从Ｕｉｖｓｌ／峨曲线中由Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ的方法得到。实际上，它可以从初始高度很大的间歇沉降试验的初始沉速近似得到。 进一步的处理和代换后得：ｚ＝ｅ。（面Ｓ）（面ｄｘ）。ｄｃ这里的ｚ是在连续浓缩池中压缩区的高度。㈦ｓｔ，Ｓｈｉｒａｔｏ（１９７０）发现了Ｍｉｃｈａｅｌｓ－Ｂｏｌｇｅｒ模型和Ｔｅｒｚａｇｈｉ土壤固结模型的相似性。 他们采取了Ｔｅｒｚａｇｈｉ的基本方法，但是修正和进化使其适合在浓缩中迸行的自固结 作用。他们的目的是用土壤动力学的方法来解释在间歇试验中的固结作用，他们的 基本微分方程表达了ａＦ／ａｔ。然而，他们不是用体积浓度０和沉淀高度ｚ作为参数， 而是用在给定高度以上的单位面积上的固体体积ＣＯ和单位体积固体的空隙率ｅ作为参数。￡＝ａ吐，／舐，ｅ＝（１一ｏ）／￡。作为结果他们的方程在形式上和以￡，ｘ，和ｔ作为参数的方程不同。他们的方法优点是间歇沉降试验的边界条件简单。我们需要渗透性和空隙率及空隙率和固体压强矿的经验关系式来解这些方程。关于渗透性的关系式，Ｓｈｉｒａｔｏ假设Ｋｏｚｅｎｙ的方程给出了功能关系式，它的参 数是由间歇沉降的初始沉降速度狭定。后一步在理论上并不完全正确，因为作者断 言在所有的试验中，初始浓度都处于压缩状态。在这种情况下，从方程３．２８可以得西安建筑科技大学顿｜二学位论文出“，应该是凰的函数。但是他们的试验结果却显示社，明显的与Ｈｏ无关ｔ所以在任何情况下屈服高度ｙ应该比Ⅳｎ小的特别多。因此有理论带来的系统误差是一个不可测的小量。假如心被证明是Ｈｏ的函数，“。就可以用Ｍｉｃｈａｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ的方法从曲线得出。为了确定可压缩性，他们让间歇试验进行到沉降完成，以最终高度Ⅳ。ＶＳ单位面积上的固体体积国。做曲线，以不同的ｍ。做系列曲线。ｊ＝ｄｏ）ｏ／ｄ日。。由此可压缩 系数可以计算出来。Ｓｈｉｎ和Ｄｉｃｋ对从上清液表面到沉降区的某个高度的沉降柱进行力学平衡分析，他们得到了方程２的积分形式。他们也提到ａ芦／舐＝ｕｋ，但是数学模型上并没有超越此形式：他们以水厂的污泥进行间歇沉降试验，以Ｓｈｉｒａｔｏ的方法得到了浓度和Ｐ 的曲线。他们发现给定浓度下的固体压强和渗透性都和时间和出现此浓度的地点没有关系。这证明了Ｍｉｃｈａｅｌｓ和Ｂｏｌｇｅｒ模型的正确。 Ａｄｏｔｊａｎ结合方程３．２６的等价方程和连续性方程以ｃ，ｆ，ｘ为坐标得出ＭｉｃｈａｅｌｓａｎｄＢｏｌｇｅｒ浓缩的通用偏微分方程。就像Ｆｉｔｃｈ在论文中说道的以ｅ，ｔ，珊为坐标的Ｓｈｉｒａｔｏ方程那样，它是很难解出来的。计算机快速发展，使Ｓｈｉｒａｔｏ和Ａｄｏｒｊａｎ都立 即给出了计算机数解的微分关系式。Ａｄｏｒｊａｎ给出：ｄｒ＝口’ｓｉｎｈ（Ｃ―Ｃ：）ｌ／ｋ＝ｂＣ“Ｍｉｃｈａｌｓ＆Ｂｏｌｇｅｒ模型的缺点｛醚姬是好袋絮体体积浓度 图３．１ｌ稳定浓缩池中的体积浓度曲线 自从Ｔａｌｍａｇｅｌ９５９年的实验研究以后，每一个连续浓缩池的研究都显示在原来西童建筑科技入学硕。Ｉ二学位诧文被认为是压缩区区域的项部有一个区域，其中固体压力强度没有或者很小。圈ｌｌ是 Ｓｃｏｔｔ提出的稳定浓缩池中的曲线，给出了固体压强的分布。在一个相当长的区域旱， 浓度变化变化很大。但是固体压强很小。在这个区域里，根据Ｍｉｃｈａｅｌｓ―Ｂｏ］ｇｃｒ模型， 沉降应近似为成层沉降，但是成层沉降并不允许浓度梯度区域。 争论并不仅限于此。Ｔａｌｍａｇｅ发现即使在泥浆的不同高度或者以不同浓度的排 泥浓度排泥，在连续浓缩池中的压缩区域固体压强很小。真实的沉降通量和操作线 如吉网曲线所示。操作线的下部比沉降通量曲线低很多，这就意味着在任何给定浓度下“都变低了。根据Ｍｉｃｈａｅｌｓ．Ｂｏｌｇｅｒ的观点，“的降低是由于高固体压强梯度的阻碍作用造成的。但是固体压强在整个区域内都很小，所以固体压强梯度不可能很 大。所以在这些实验中的渗透性不可能只是浓度的函数。 ３．２．４成层沉淀区和压缩区之间的关系 尽管从理论上尝试以成层沉淀和Ｋｙｎｃｈ理论为基础解释所有的浓缩现象。在工 业实践中从来没有否认压缩区的存在，并且在浓缩池的设计中要考虑这～点。有一 点是Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｃｒ法默认的，那就是成层沉淀的限制区域不会再压缩区中出现。孔 道是压缩区的附属产物，孔道的形成将大大提高压缩区的沉降速度，所以压缩区的 浓度不会成为通量限制浓度。这一点被后来的“三英尺”法则所修改： “根据Ｃｏｅ．Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ法，通常由经验来确定泥浆在压缩区的停留时间，指出压 缩区的高度（设计）一般不会超过三英尺。对于缓慢压缩的泥浆来说这将导致压缩 区对面积的要求超过成层沉淀区的面积要求。”（１９６６） 在１９６６年，根据Ｍｉｃｈａｅｌｓ．Ｂｏｌｇｅｒ模型，Ｆｉｔｃｈ向我们指明了成层沉淀的浓度限制区域是如何在压缩区中形成的。根据这个模型，Ⅳ＝ｕ（Ｃ，ａＣ／Ｏｘｌ，从这里可以得出，沉降通量ｓ（＝ｕＣ）是ｓ（ＣＯＣ／Ｏｘ）。这个函数关系可以用参数ａｃ／Ｏｘ不同值的～组ＳＶＳＣ的曲线表达。一组假象的这样的曲线如图３，１２。ａｃ／０ｘ＝０的那条曲线代表了固体压强为零（ａ盯／ａｘ＝０）的沉降通量。这个条件对任何处于成层沉淀的泥浆来说都满足。所以处于压缩区的配／融＝０的曲线只是自由沉降曲线的延伸。西安娃筑科技人学碗士学位论文号粪Ｇ怒矍要蛙Ｃｕ固体浓度图３．１２ａＣ／反为参数的通量曲线根据模型【方程３．２６】，当ａＣ／融是零时，在任何给定浓度下的固体通量、沉降速度才最大（相反的浓度，ａＣ／ａｘ是负值在物理上是不对的）。这个最大的沉速“。。也是当凰远大于Ｙ时的近似沉降速度。“。。Ｃｖｓ Ｃ曲线既包括成层沉降区也包括压缩区。／Ａｍａ。ＣＶＳＣ的曲线的吉冈方法建立了一个临界通量Ｇ目。根据这个方法操作线是最大通量曲线的切线，切点即是临界通量，假如这个临界通量处于成层沉降区图３．４，啷将给出经典的Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ成层沉降这个临界通量所需要的单位面积。假如这个临界通量处于压缩区图３．１ｌ，则这个方法确定的单位面积将是实际需要的面积的 下限。切点ｃ将是临界点，在这个点上，浓度梯度将是零，所以它需要一个有限的高度。降低操作线（降低Ｇ口或降低ｑ）将使操作线不通过ＯＣ／ａｘ等于零的区图３．１２。越降低操作线，将使浓缩池中给定浓度的ａＣ，缸越大，压缩区的高度越小。但是对 于易于压缩的泥浆（或者临界点处于易压缩区）来说，临界点上操作线和沉降通量 曲线之间的差距也须不足够大产生一个浅的压缩层。 上述的结果就是即使临界浓度出于压缩区，Ｃｏｅ．Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ法在某些情况下也能 近似预测所需要的浓缩单位面积。这个特定的情况就是间歇沉降试验中初始高度日。远远大于屈服高度ｌ，，以至于观察到的沉降速度接近于“．。：泥浆必须易于压缩（或者处于易压缩区）。对于难于压缩的泥浆，降低操作线必须要仔细考虑以避免产生太大的压缩区高度。这是很明显的，你必须在高的通量嘞或者捧泥浓度Ｇ和低的压缩区高度ｚ之间做出取舍。在Ｃｏｅ―Ｃｌｅｖｅｎｇｅｒ理论中，他们假设浓度限制区域不会出现在压缩区（因为形成 通道），标志着混液面下的泥浆从成层沉淀区进入压缩区的问歇沉降试验沉降曲线}