1.基本原理
沉淀是水处理技术中最基本的方法之一，是利用水中悬浮颗粒的可沉淀性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。
2.沉淀类型
沉淀的过程根据性质可以分为4种类型：①自由沉淀；②絮凝沉淀；③区域沉淀（或成层沉淀）；④压缩沉淀。
3.应用范围
（1）自由沉淀 用于废水的预处理工艺（沉砂池），主要是去除污水中的无机物（沙粒）以及某些相对密度较大的颗粒状物质。
（2）絮凝沉淀 用于污水进入生物处理构筑物前的初次沉淀池。在这一阶段，是去除相当部分的呈悬浮物状的有机物，以减轻微生物处理的有机负荷。
（3）区域沉淀 用于生物处理后的二次沉淀池。主要用来分离微生物处理工艺中产生的微生物脱落物、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。
（4）压缩沉淀 用于污泥处理阶段的污泥浓缩池。主要将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减少污泥体积、降低后续工艺的构筑物尺寸及处理费用等。
（一）自由沉淀实验
1.实验目的
（1）掌握颗粒自由沉淀的实验方法。
（2）了解和掌握自由沉淀的规律，根据实验结果绘制颗粒自由沉淀曲线，即时间—沉淀率（t-E），沉速—沉淀率（u-E）的关系曲线。
2.实验原理
沉淀是指从液体中借重力作用去除固体颗粒的一种过程。根据液体中固体物质的浓度和性质，可将沉淀过程分为自由沉淀、絮凝沉淀、成层沉淀和压缩沉淀等四类。本实验是研究探讨污水中非絮凝性固体颗粒自由沉淀的规律，用沉淀管进行（图2-1）。设水深为h，在t时间能沉到h深度颗粒的沉速u=h/t。根据某给定的时间t0计算出颗粒的沉速u0。凡是沉淀速度等于或大于u0的颗粒，在t0时都可全部去除。设原水中悬污物浓度为C0，t时的悬浮物浓度为Ct，则沉淀率：
式中在时间t时能沉到h深度的颗粒沉淀速度u
3.实验装置及材料
（1）有机玻璃沉淀柱一根D=150mm，高2.0m；工作水深设为两种，H1=1.5m，H2=1.2m，每根沉淀柱由取样管、进水管及放空阀组成。
（2）测定水深用标尺，计时用秒表。
（3）玻璃烧杯、移液管、玻璃棒和搪瓷托盘。
（4）万分之一天平、干燥器、烘箱、抽滤装置和定量滤纸等。
（5）人工配制水样。
实验装置如图2-1所示。
图2-1 自由沉淀实验设备图
4.实验步骤
（1）打开沉淀管的阀门将污水注入沉淀管，然后打开进气阀，曝气搅拌均匀。
（2）关闭进气阀，此时取水样100mL（测得悬浮物浓度C0），同时记下取样口高度，开启秒表，记录沉淀时间。
（3）分别取样100mL，测其悬浮物浓度（Ct），记录沉淀柱内液面高度。
（4）测定每一沉淀时间的水样悬浮物固体量。悬浮物固体的测
定方法：首先调烘箱至（105±1）℃，叠好滤纸放入称量瓶中，打开盖子，将称量瓶放入已调好的烘箱（105±1）℃中至恒重；然后将已恒重好的滤纸取出放在玻璃漏斗中，过滤水样，并用蒸馏水冲净，使滤纸上得到全部悬浮固体，然后将带有滤渣的滤纸移入称量瓶，烘干至恒重。
（5）悬浮物固体计算
悬浮物固体含量
式中 ω1——称量瓶+滤纸质量，g
ω2——称量瓶+滤纸质量+悬浮物固体的质量，g
V——水样体积，mL
（6）整理实验数据，填写实验记录表（表2-2和表2-3）。
表2-2 自由沉淀实验记录表
表2-3 u-E计算结果统计表
5.结果整理与分析
（1）实验基本参数
水样性质及来源__________
柱高H=__________
沉淀柱直径D=__________
水温__________
原水悬浮物浓度C0=__________mg/L
（2）实验数据整理及关系曲线绘制 根据不同沉淀时间的取样口距液面平均深度h和沉淀时间t，计算出各种颗粒的沉淀速度ut和沉淀率E，并绘制时间—沉淀率和沉速—沉淀率的曲线。
利用上述实验数据，计算不同时间t时，沉淀管内未被去除的悬浮物的百分比，即：
以颗粒沉速u为横坐标，以P为纵坐标，在普通格纸上绘制u-P关系曲线。
（3）通过u-P曲线，利用图解法计算不同沉速时悬浮物的去除率E并绘制u-E关系曲线及t-E关系曲线。
（二）成层沉淀实验
1.实验目的
（1）加深对成层沉淀的特点、基本概念以及沉淀规律的理解。
（2）通过实验确定某种污水曝气池混合液的静沉曲线，并为设计澄清浓缩池提供必要的设计参数。
2.基本原理
高浓度水，如黄河高浊度水、活性污泥曝气池混合液等，不论所含颗粒性质如何，在沉淀时，颗粒间的相对位置保持不变，颗粒的下沉速度表现为浑液面等速下沉速度。该速度与原水浓度、悬浮物性质等因素有关。因此成层沉淀研究针对的是水中所含悬浮物整体，即整个浑液面的沉淀过程，从而提供设计浓缩池所需的参数。为消除器壁效应，实验柱内装设慢速搅拌器。为方便实验记录，柱上设标尺表明高度。
3.实验装置及材料
（1）2000mL量筒1个。
（2）人工配制高浓度水样。
（3）秒表1块。
4.实验步骤及记录
（1）将配好的水样倒入2000mL大量筒中，至1800～2000mL。
（2）充分摇匀量筒，使量筒中水样浓度处于均匀。
（3）停止摇动，放在静止的实验台上静沉。
（4）待水样出现浑液面时开始计时（作为0时），记下泥面高度。
（5）每隔一定时间，记录浑液面高度，并记入表2-4，直至浑液面不再下降为止。
表2-4 氧总转移系数KLa计算表
5.结果整理
（1）以沉淀时间为横坐标，以沉淀高度为纵坐标，绘制各浓度的H-t线。
（2）根据所得的H-t关系线，利用肯奇式分别求得各断面处的Ci及泥面沉速Ui，绘制U-C曲线。
6.思考题
观察实验现象，注意成层沉淀不同于自由沉淀的地方，原因是什么？
（三）斜板沉淀实验
1.实验目的
（1）通过斜板沉淀池的模拟实验，进一步加深对其构造和工作原理的认识。
（2）进一步了解斜板沉淀池运行的影响因素。
（3）熟悉斜板沉淀池的运行操作方法。
2.实验原理
根据浅层理论，在沉淀池有效容积一定的条件下，增加沉淀面积，可以提高沉淀效率。斜板沉淀池实际上是把多层沉淀池底板做成一定倾斜率，以利于排泥。斜板与水平成60°角放置于沉淀池中，水流从下向上流动，颗粒沉于斜板上，当颗粒积累到一定程度时，便自动滑下。(www.xing528.com)
在池长为L，池身为H，池中水平流速为v，颗粒沉速为u0的沉淀池中，当池水在池中为流动状态时，
可见，L与v值不变时，池身H越浅，可被沉淀去除的悬浮颗粒也越小。若用水平隔板，将H分为三等，每层深H/3，如图2-2（a）所示，在u0与v不变的条件下，则只需L/3，就可将沉速为u0的颗粒去除，即总容积可减少1/3。如果池长L不变，如图2-2（b）所示，由于池深为H/3，则水平流速可增加3v，仍能将沉速为u0的颗粒沉淀去除，即处理能力可提高3倍。把沉淀池分成n层就可把处理能力提高n倍。这就是20世纪初，Hazen提出的浅层沉淀理论。
图2-2 浅层沉淀理论示意图
浅层理论应用于实践中，需要考虑解决排泥问题，工程上通常将水平隔板改为水平倾斜成一定角度（通常为60°）的斜面板，构成斜板沉淀池。
水平隔板改成有一定倾角的斜面后，其水流的总沉降面积就是各斜板有效面积总和与倾角α的余弦的乘积，用公式来表示即
式中 A——水流沉降总面积（即所有澄清单元在水面上的投影面积总和），m2
α——斜板与水平面的夹角
A1——每块斜板的有效面积（澄清单元在水平面的投影面积，如图所示），m2
式中 B——池宽，m
a——水平间距，m
l——斜板长度，m
θ——斜板倾角
斜板沉淀池按照水流方向与颗粒沉淀方向之间的相关关系，可分为：
（1）侧向流斜板沉淀池，水流方向与颗粒沉淀方向互相垂直，如图2-3（a）所示。
（2）同向流斜板沉淀池，水流方向与颗粒沉淀方向相同，如图2-3（b）所示。
（3）逆向流斜板沉淀池，如图2-3（c）所示。
3.实验装置及材料
（1）斜板沉淀池（图2-4）。
（2）浊度仪1台。
图2-3 斜板沉淀池的类型
图2-4 斜板沉淀池实验图
（3）酸度计1台。
（4）烧杯（200mL，5个）。
（5）投药设备与反应器。
（6）混凝剂 FeCl3·6H2O；Al2（SO4）3·18H2O。
4.实验步骤
（1）打开进水阀启动水泵，原水经进水槽通过底部配水花墙，均匀流入配水区，水流向上流通过斜板区到达清水区，经净化后从表层出水。沉淀物从斜板滑落到池底。
（2）打开排水阀即可排泥、排水或放空。
（3）可用不同的原水或混凝剂以及混凝剂的不同投加量来进行实验，测定其去除率。
5.实验数据及结果整理
（1）将实验中测得的数据填入表2-5中。
（2）根据测得的进出水浊度计算去除率。
表2-5 实验记录表
6.应用
斜板沉淀池由于去除率高、停留时间短、占地面积小等优点，故常用于已有污水处理厂挖潜或扩大处理能力；或常用作初沉池。因活性污泥的黏度较大，容易粘在斜板上，经厌氧消化后，脱落并浮到水面结壳或阻塞斜板，影响沉淀面积，所以在废水处理中应慎重使用。一般用在选矿水尾矿浆的浓缩、炼油厂含油污水的隔油等都有成功经验。
7.思考题
提高沉淀池沉淀效果的有效途径是什么？
（四）混凝沉淀实验
1.实验目的
（1）通过本实验确定某水样的最佳投药量。
（2）观察矾花的形成过程及混凝沉淀效果。
2.实验原理
混凝就是在原水中投入药剂后，经过搅拌、混合、反应，使水中悬浮物及胶体杂质形成易于沉淀的大颗粒絮凝体，而后通过沉淀池进行重力分离的过程。水中粒径小的悬浮物以及胶体物质，由于微粒的布朗运动、胶体颗粒间的静电斥力和胶体的表面作用，致使水中这种浑浊状态稳定。向水中投加混凝剂后，由于①能降低颗粒间的排斥能峰，降低胶的ζ电位，实现胶粒“脱稳”；②同时也能发生高聚物式高分子混凝剂的吸附架桥作用；③网捕作用，而达到颗粒的凝聚。创造适宜的化学和水力条件，是混凝工艺上的技术关键。由于各种原水有很大差别，混凝效果不尽相同。混凝剂的混凝效果不仅取决于混凝剂投加量，同时还取决于水的pH、水流速度梯度等因素。投加混凝剂的多少，直接影响混凝效果。投加量不足不可能有很好的混凝效果。同样，如果投加的混凝剂过多，也未必能得到好的混凝效果。水质是千变万化的，最佳的投药量各不相同，必须通过实验方可确定。
3.实验装置及材料
（1）无极调速六联搅拌机（图2-5）。
图2-5 无极调速六联搅拌机示意图
1—显示屏 2—程序按键 3—加药短管 4—搅拌器 5—烧杯 6—电源
（2）1000mL烧杯6～8个。
（3）200mL烧杯8个。
（4）100mL注射器1～2支，移取沉淀水上清液。
（5）100mL洗耳球1个，配合移液管移药用。
（6）1mL、5mL、10mL移液管各1根。
（7）温度计1支（测水温用）。
（8）1000mL量筒1个，量原水体积。
（9）1%FeCl3或Al2（SO4）3溶液一瓶。
（10）酸度计、浊度仪各1台。
4.实验步骤
（1）测原水水温、浊度（70°～80°）和pH，记入表2-6中。
表2-6 实验数据记录表
（2）用1000mL量筒分别量取500mL水样置于6个1000mL的烧杯中。
（3）用移液管分别移取0、0.5mL、1mL、2mL、3mL、5mL的混凝剂于搅拌机的加药试管中，混凝剂为3%的Al2（SO4）3溶液或FeCl3溶液。
（4）将准备好的水样置于搅拌机中，开动机器调整转速，中速（200r/min）运转5min。
（5）5min后将搅拌机调快，快速（400r/min）运转，同时将混凝剂加入水样中（用蒸馏水将药管中残留液洗净，一同加入水样中），同时开始计时，快速搅拌30s。
（6）30s后，迅速将转速调到中速运转（200r/min），搅拌5min后，再迅速将转速调至慢速（100r/min），搅拌10min。
（7）搅拌过程中，注意观察并记录矾花形成的过程，矾花外观、大小、密实度等填入表2-7中。
（8）搅拌完成后，停机，将水样杯取出，于一旁静置15min并观察矾花沉淀过程。15min后，用注射器分别汲取水样中上清液约100mL（能测浊度、pH即可），置于6个洗净的20mL的烧杯中，测浊度及pH，并记入表2-6中。
（9）整理实验数据，填写表2-7。
表2-7 混凝沉淀实验观察记录
5.注意事项
（1）取水样时，所取水样要搅拌均匀，要一次量取以尽量减少所取水样浓度上的差别。
（2）移取烧杯中沉淀上清液时，要在相同条件下取上清液，不要把沉下去的矾花搅起来。
6.实验数据及结果整理
以投药量为横坐标，以剩余浊度为纵坐标，绘制投药量—剩余浊度曲线。
7.思考题
（1）根据实验结果以及实验中所观察到的现象，简述影响混凝的几个主要因素。
（2）为什么最大投药量时混凝效果不一定好？
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