第二章 污水物理處理

第二章污水的物理處理

第一節(jié)格柵第二節(jié)沉淀的基礎(chǔ)理論第三節(jié)沉砂池第四節(jié)沉淀池第五節(jié)隔油和破乳第六節(jié)浮上法第一節(jié)格柵選用柵條間距的原則：不堵塞水泵和水處理廠、站的處理設(shè)備。格柵的作用格柵由一組（或多組）相平行的金屬柵條與框架組成，傾斜安裝在進(jìn)水的渠道，或進(jìn)水泵站集水井的進(jìn)口處，以攔截污水中粗大的懸浮物及雜質(zhì)。作用：去除可能堵塞水泵機(jī)組及管道閥門的較粗大懸浮物，并保證后續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行。人工格柵設(shè)計(jì)面積應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，一般不小于進(jìn)水渠道面積的2倍，以免清渣過于頻繁。與水平面傾角：45o~60o機(jī)械格柵過水面積一般應(yīng)不小于進(jìn)水管渠的有效面積的1.2倍。與水平面傾角：60o~70o格柵的分類齒耙式機(jī)械格柵階梯式機(jī)械格柵轉(zhuǎn)鼓式機(jī)械格柵回轉(zhuǎn)式固液分離機(jī)格柵的設(shè)計(jì)要求格柵柵條斷面形狀矩形圓形方形圓形的水力條件較方形好，但剛度較差目前多采用斷面形狀為矩形的柵條過格柵渠道的水流流速一方面泥沙不至于沉積在溝渠底部另一方面截留的污染物又不至于沖過格柵通常采用0.4~0.9m/s格柵渠道的寬度要設(shè)置得當(dāng)，應(yīng)使水流保持適當(dāng)流速污水過柵條間距的流速為防止柵條間隙堵塞，一般采用0.6~1.0m/s最大流量時(shí)可高于1.2~1.4m/s第二節(jié)沉淀的基礎(chǔ)理論沉淀法是利用水中懸浮顆粒的可沉降性能，在重力作用下產(chǎn)生下沉作用，以達(dá)到固液分離的一種過程。自由沉淀懸浮顆粒濃度不高；沉淀過程中懸浮固體之間互不干擾，顆粒各自單獨(dú)進(jìn)行沉淀,顆粒沉淀軌跡呈直線。沉淀過程中,顆粒的物理性質(zhì)不變。發(fā)生在沉砂池中。根據(jù)水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀可分成四種類型懸浮顆粒濃度不高；沉淀過程中懸浮顆粒之間有互相絮凝作用，顆粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀軌跡呈曲線。沉淀過程中，顆粒的質(zhì)量、形狀、沉速是變化的?；瘜W(xué)絮凝沉淀屬于這種類型。絮凝沉淀區(qū)域沉淀或成層沉淀壓縮沉淀懸浮顆粒濃度較高（5000mg/L以上）；顆粒的沉降受到周圍其他顆粒的影響，顆粒間相對(duì)位置保持不變，形成一個(gè)整體共同下沉，與澄清水之間有清晰的泥水界面。二次沉淀池與污泥濃縮池中發(fā)生。懸浮顆粒濃度很高；顆粒相互之間已擠壓成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，互相接觸，互相支撐，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力作用下被擠出，使污泥得到濃縮。二沉池污泥斗中及濃縮池中污泥的濃縮過程存在壓縮沉淀。理論假定沉淀過程中顆粒的大小、形狀、質(zhì)量等不變。顆粒為球形

顆粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他顆粒影響。靜水中懸浮顆粒開始沉淀時(shí),因受重力作用產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng),經(jīng)過很短的時(shí)間后,顆粒的重力與水對(duì)其產(chǎn)生的阻力平衡時(shí),顆粒即等速下沉。沉降速率計(jì)算（自由沉淀）1.懸浮顆粒在水中受到的力沉降力Fg

Fg是促使沉淀的作用力，是顆粒的重力與水的浮力之差：

式中：Fg——水中顆粒受到的作用力；

V——顆粒的體積；

ρS——顆粒的密度；

ρL——水的密度；

g——重力加速度。2.水對(duì)自由顆粒的阻力式中：FD——水對(duì)顆粒的阻力；

λ′——阻力系數(shù)；

A——自由顆粒的投影面積；

uS——顆粒在水中的運(yùn)動(dòng)速度，即顆粒沉速。懸浮顆粒在水中的受力分析球狀顆粒自由沉淀的沉速公式當(dāng)顆粒所受外力平衡時(shí)，即因得球狀顆粒自由沉淀的沉速公式：式中：v——顆粒的水平分速；qv——進(jìn)水流量；A′——沉淀區(qū)過水?dāng)嗝?/p>

面積，

H×b；H——沉淀區(qū)的水深；b——沉淀區(qū)寬度。當(dāng)某一顆粒進(jìn)入沉淀池后另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降速度u一方面隨著水流在水平方向流動(dòng)，其水平流速v等于水流速度顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀過程中，是一組傾斜的直線，其坡度i=u/v沉淀池沉降速率分析

設(shè)u0為某一指定顆粒的最小沉降速度。當(dāng)顆粒沉速u≥u0時(shí)，無論這種顆粒處于進(jìn)口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上圖中的跡線xy與x′y′。當(dāng)顆粒沉速u<u0時(shí)，位于水面的顆粒不能沉到池底，會(huì)隨水流出，如左下圖中軌跡xy″所示；而當(dāng)其位于水面下的某一位置時(shí)，它可以沉到池底而被去除，如圖中軌跡x′y所示。說明對(duì)于沉速u小于指定顆粒沉速u0的顆粒，有一部分會(huì)沉到池底被去除。第三節(jié)沉砂池沉砂池的作用沉砂池的工作原理沉砂池的幾種形式從污水中去除砂子、煤渣等密度較大的無機(jī)顆粒，以免這些雜質(zhì)影響后續(xù)處理構(gòu)筑物的正常運(yùn)行平流式、曝氣沉砂池、旋流式沉砂池等以重力或離心力分離為基礎(chǔ)，即將進(jìn)入沉砂池的污水流速控制在只能使相對(duì)密度大的無機(jī)顆粒下沉，而有機(jī)懸浮顆粒則隨水流帶走平流式沉砂池是一種最傳統(tǒng)的沉砂池，它構(gòu)造簡單，工作穩(wěn)定。

平流式沉砂池污水在池內(nèi)的最大流速為0.3m/s，最小流速為0.15m/s；最大流量時(shí)，污水在池內(nèi)的停留時(shí)間不少于30s，一般為30~60s；有效水深應(yīng)不大于1.2m，一般采用0.25~1.0m，池寬不小于0.6m；池底坡度一般為0.01~0.02，當(dāng)設(shè)置除砂設(shè)備時(shí)，可根據(jù)除砂設(shè)備的要求，考慮池底形狀。

平流式沉砂池的系統(tǒng)參數(shù)

工作原理

污水在池中存在著兩種運(yùn)動(dòng)形式，其一為水平流動(dòng)（一般流速0.1m/s），同時(shí)在池的橫斷面上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，整個(gè)池內(nèi)水流產(chǎn)生螺旋狀前進(jìn)的流動(dòng)形式。由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，污水中懸浮顆粒相互碰撞、摩擦，并受到氣泡上升時(shí)的沖刷作用，使粘附在砂粒上的有機(jī)污染物得以去除，沉于池底的砂粒較為純凈，有機(jī)物含量只有5%左右，長期擱置也不至于腐化。曝氣沉砂池旋流沉砂池水流切向進(jìn)入砂粒靠離心力去除第四節(jié)沉淀池沉淀池按水流方向分平流式輻流式豎流式池型：長方形一端進(jìn)水,另一端出水貯泥斗在池進(jìn)口池內(nèi)水流由下向上池內(nèi)水流向四周輻流池型:多為圓形,有方形或多角形池中央進(jìn)水，池四周出水貯泥斗在池中央沉淀池三種流態(tài)平流式豎流式輻流式沉淀池的運(yùn)行方式連續(xù)式污水中可沉顆粒的沉淀在流過水池時(shí)完成，這時(shí)可沉顆粒受到重力所造成的沉速與水流流動(dòng)的速度兩方面的作用污水連續(xù)不斷地流入與排出污水中可沉淀的懸浮物在靜止時(shí)完成沉淀過程，由設(shè)置在沉淀池壁不同高度的排水管排出工作過程：進(jìn)水、靜止、沉淀、排水間歇式沉淀池特點(diǎn)與適用條件池型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用條件平流式1.對(duì)沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)；2.施工簡單，造價(jià)低采用多斗排泥，每個(gè)泥斗需單獨(dú)設(shè)排泥管各自排泥，操作工作量大，采用機(jī)械排泥，機(jī)件設(shè)備和驅(qū)動(dòng)件均浸于水中，易銹蝕1.適用地下水位較高及地質(zhì)較差的地區(qū)；2.適用于大、中、小型污水處理廠豎流式1.排泥方便，管理簡單；2.占地面積較小1.池深度大，施工困難；2.對(duì)沖擊負(fù)荷和溫度變化的適應(yīng)能力較差；3.造價(jià)較高；4.池徑不宜太大適用于處理水量不大的小型污水處理廠輻流式1.采用機(jī)械排泥，運(yùn)行較好，管理較簡單；2.排泥設(shè)備已有定型產(chǎn)品1.池水水流速度不穩(wěn)定；2.機(jī)械排泥設(shè)備復(fù)雜，對(duì)施工質(zhì)量要求較高1.適用于地下水位較高的地區(qū)；2.適用于大、中型污水處理廠提高沉淀池沉淀效果的有效途徑沉淀池均存在去除率不高的問題，且占地面積較大，體積龐大提高沉淀池的分離效果和去除能力的方法斜流式沉淀池對(duì)污水進(jìn)行曝氣攪動(dòng)回流部分活性污泥斜板沉淀池第五節(jié)隔油和破乳含油廢水的來源石油開采及加工工業(yè)固體燃料熱加工紡織工業(yè)中的洗毛廢水輕工業(yè)中的制革廢水鐵路及交通運(yùn)輸工業(yè)屠宰及食品加工機(jī)械工業(yè)中車削工藝中的乳化液石油開采石油煉制石油化工帶水原油的分離水鉆井提鉆時(shí)的設(shè)備沖洗水井場及油罐區(qū)的地面降水生產(chǎn)的油水分離過程,油品、設(shè)備的洗滌、沖洗過程焦化含油廢水焦?fàn)t氣的冷凝水洗煤氣水各種儲(chǔ)罐的排水油的狀態(tài)可浮油乳化油溶解油油滴的粒徑較大(100μm以上)，可以依靠油水密度差而從水中分離出來，對(duì)于石油煉廠廢水而言，這種狀態(tài)的油一般占廢水中含油量的60%~80%左右。非常細(xì)小的油滴(粒徑<10μm)，由于其表面有一層由乳化劑形成的穩(wěn)定薄膜，阻礙油滴合并，故不能用靜沉法從廢水中分離出來；以溶解態(tài)形式存在。油品在水中的溶解度非常低，只有幾個(gè)毫克每升。細(xì)分散油油滴粒徑(10-100μm)，長期靜置可形成可浮油。常用隔油池有平流式和斜板式兩種形式。隔油池平流式隔油池特點(diǎn)：構(gòu)造簡單，便于運(yùn)行管理，油水分離效果穩(wěn)定。平流式隔油池可去除的最小油滴直徑為100~150μm，相應(yīng)的上升速度不高于0.9mm/s。斜板式隔油池斜板式隔油池可去除的最小油滴直徑為60μm，相應(yīng)的上升速度約為0.2mm/s。

當(dāng)油和水相混，又有乳化劑存在時(shí)，乳化劑會(huì)在油滴與水滴表面上形成一層穩(wěn)定的薄膜，這時(shí)油和水就不會(huì)分層，而呈一種不透明的乳狀液。乳化油及破乳方法

破乳的基本原理：破壞液滴界面上的穩(wěn)定薄膜，使油、水得以分離。

破乳方法：（1）投加化學(xué)破乳劑，如含鈣、鎂、鐵、鋁的鹽類或無機(jī)酸，堿等；（2）劇烈攪拌、振蕩或轉(zhuǎn)動(dòng)，使乳化的液滴相互碰撞而合并；（3）改變溫度（加熱或冷凍）破壞乳狀液的穩(wěn)定。

隔油池僅依靠油滴與水的密度差產(chǎn)生上浮而進(jìn)行油水分離，油的去除率一般為70-80%左右，隔油池的出水一般仍含有一定數(shù)量的乳化油和附著在懸浮固體上的油分，一般難降至排放標(biāo)準(zhǔn)以下。通常需聯(lián)合氣浮法做進(jìn)一步處理。第六節(jié)浮上法

原理：浮上法處理是將空氣以微小氣泡形式通入水中，使微小氣泡與在水中懸浮的顆粒粘附，形成水-氣-顆粒三相混合體系，顆粒粘附上氣泡后，密度小于水即上浮水面，從水中分離，形成浮渣層。顆粒與氣泡界面能的變化是形成黏附的主要驅(qū)動(dòng)力。一、基礎(chǔ)理論氣固固δ水·氣δ水·粒δ氣·粒δ水·氣δ水·粒δ氣·粒液θ＞90°θ＜90°界面能的變化氣泡黏附顆粒后的運(yùn)動(dòng)形式氣-顆粒吸附上升氣泡頂托

氣泡裹挾按生產(chǎn)細(xì)微氣泡的方法分微氣泡曝氣浮上法剪切氣泡浮上法加壓溶氣浮上法真空浮上法電解浮上法分散空氣浮上法溶解空氣浮上法二、浮上法的工藝類型微氣泡曝氣浮上法剪切氣泡浮上法電解浮上法

電解浮上法是將正負(fù)極相間的多組電極浸泡在廢水中，當(dāng)通以直流電時(shí)，廢水電解，正負(fù)兩級(jí)間產(chǎn)生的氫和氧的細(xì)小氣泡粘附于懸浮物上，將其帶至水面而達(dá)到分離的目的。電解浮上法產(chǎn)生的氣泡小于其他方法產(chǎn)生的氣泡，故特別適用于脆弱絮狀懸浮物。電解浮上法的表面負(fù)荷通常低于4m3/(m2·h)。電解浮上法主要用于工業(yè)廢水處理方面，處理水量約在10~20m3/h。由于電耗高、操作運(yùn)行管理復(fù)雜及電極結(jié)垢等問題，較難適用于大型生產(chǎn)。電解浮上法

從溶解空氣和析出條件來看加壓溶氣浮上法：空氣在加壓條件下溶解，常壓下使過飽和空氣以微小氣泡形式釋放出來需要溶氣罐、空壓機(jī)或射流器、水泵等設(shè)備真空浮上法：空氣在常壓下溶解，真空條件下釋放優(yōu)點(diǎn)：無壓力設(shè)備缺點(diǎn)：溶解度低，氣泡釋放有限，需要密閉設(shè)備維持真空，運(yùn)行維護(hù)困難溶解空氣浮上法

真空浮上法壓力溶氣浮上法系統(tǒng)的組成壓力溶氣系統(tǒng)氣浮池

空氣釋放系統(tǒng)壓力溶氣罐溶氣釋放裝置加壓水泵附屬設(shè)備溶氣水管路空氣供給設(shè)備加壓溶氣的兩種方式存在問題：填料長膜；壓縮氣含油；調(diào)節(jié)不便；時(shí)而需放氣。存在問題：設(shè)備較復(fù)雜；造價(jià)偏高。氣浮池

氣浮池的功能是提供一定的容積和池表面積，使微氣泡與水中懸浮顆粒充分混合、接觸、粘附，并使帶氣顆粒與水分離。補(bǔ)充一化學(xué)混凝法一、混凝原理化學(xué)混凝處理的對(duì)象主要是水中的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。1.膠體的穩(wěn)定性膠體所受影響由于上述的膠體帶電現(xiàn)象，帶相同電荷的膠粒產(chǎn)生靜電斥力，而且ξ電位越高，膠粒間的靜電斥力越大受水分子熱運(yùn)動(dòng)的撞擊，使微粒在水中作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，即“布朗運(yùn)動(dòng)”膠粒之間還存在著相互引力——范徳華引力膠體間的相互斥力不僅與ξ電位有關(guān)，還與膠粒的間距有關(guān)，距離越近，斥力越大。而布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能不足以將兩顆膠粒推進(jìn)到使范徳華引力發(fā)揮作用的距離。因此，膠體微粒不能相互聚結(jié)而長期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)?；炷?1)壓縮雙電層作用混凝劑提供大量正離子會(huì)涌入膠體擴(kuò)散層甚至吸附層,使ξ電位降低。當(dāng)ξ電位為零時(shí),稱為等電狀態(tài)。此時(shí)膠體間斥力消失,膠粒最易發(fā)生聚結(jié)。膠粒因ξ電位電位降低或消除以至失去穩(wěn)定性的過程，稱為膠體脫穩(wěn)。脫穩(wěn)的膠粒相互聚結(jié)，稱為凝聚。(2)吸附架橋作用由高分子物質(zhì)吸附架橋作用而使微粒相互粘結(jié)的過程。(3)網(wǎng)捕作用沉淀物在自身沉降過程中，能集卷、網(wǎng)捕水中的膠體等微粒，使膠體粘結(jié)。以硫酸鋁為例討論混凝過程

硫酸鋁Al2(SO4)3·18H2O溶于水后，離解出Al3+，并結(jié)合有6個(gè)配位水分子，成為水合鋁離子[Al(H2O)6]3+。

水合鋁離子進(jìn)一步水解，形成單羥基單核絡(luò)合物：單羥基單核絡(luò)合物又進(jìn)一步水解：

上述反應(yīng)中，降低水中H+(或H3O+)濃度或提高pH，使反應(yīng)趨向右方，水合羥基絡(luò)合物的電荷逐漸降低，最終生成中性氫氧化鋁難溶沉淀物。

當(dāng)pH<4時(shí)，水解受到抑制，水中存在的主要是[Al(H2O)3]3+。

當(dāng)pH＝4~5時(shí)，水中有[Al(OH)(H2O)5]2+、[Al(OH)2(H2O)4]+及少量[Al(OH)3(H2O)3]。

當(dāng)pH＝7~8時(shí)，水中主要是[Al(OH)3(H2O)3]沉淀物。

但在某一特定pH時(shí)，水解產(chǎn)物還有許多復(fù)雜的高聚物和絡(luò)合物同時(shí)共存。

在由[Al(H2O)6]3+轉(zhuǎn)向[Al(OH)3(H2O)3]的中間過程中，羥基可將單核絡(luò)合物通過橋鍵縮聚成多核絡(luò)合物：或

兩個(gè)單羥基絡(luò)合物通過羥基橋聯(lián)可縮合成雙羥基雙核絡(luò)合物：

從上述反應(yīng)可以看出，三價(jià)鋁鹽發(fā)揮混凝作用的是各種形態(tài)的水解聚合物。帶有正電的水解聚合物，同時(shí)起到壓縮雙電層的脫穩(wěn)和吸附架橋的作用。二、影響混凝效果的主要因素1.水溫2.pH3.水中雜質(zhì)的成分、性質(zhì)和濃度4.水力條件水力條件：混凝過程分為兩個(gè)階段：混合和反應(yīng)?；旌想A段的要求是使藥劑迅速均勻擴(kuò)散到全部水中，以良好的水解和聚合條件使膠體脫穩(wěn)并借顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)和紊動(dòng)水流進(jìn)行凝聚，混合要求快速和劇烈攪拌；反應(yīng)階段要求使混凝劑通過絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝體，反應(yīng)階段攪拌強(qiáng)度較低，避免將絮體打碎。三、混凝工藝(1)水泵混合(2)隔板混合(3)機(jī)械混合補(bǔ)充二過濾第一節(jié)過濾操作的基本概念第二節(jié)過濾操作的過程分析第三節(jié)過濾操作的理論計(jì)算本章主要內(nèi)容一、基本原理混合物中的流體在推動(dòng)力（重力、壓力、離心力）的作用下通過過濾介質(zhì)，固體粒子被截留，而流體通過過濾介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)流體與顆粒物的分離。過濾分離的對(duì)象粗大顆粒、細(xì)微粒子、細(xì)菌、病毒和高分子物質(zhì)等

第一節(jié)過濾操作的基本概念固體顆粒：由一定形狀的固體顆粒堆積而成，包括天然的和人工合成的。

天然：石英砂、無煙煤、磁鐵礦粒等。

人工：聚苯乙烯發(fā)泡塑料球等。固體顆粒過濾介質(zhì)在水處理中的各類濾池中應(yīng)用廣泛，通常稱為濾料。二、過濾介質(zhì)第一節(jié)過濾操作的基本概念

織物介質(zhì)：又稱濾布，如棉、麻、絲、毛、合成纖維、金屬絲等編制成的濾布。

多孔固體介質(zhì)：如素?zé)沾砂寤蚬?、燒結(jié)金屬板或管等。

多孔膜：由高分子有機(jī)材料或無機(jī)材料制成的薄膜，根據(jù)分離孔徑的大小，可分為微濾、超濾等。第一節(jié)過濾操作的基本概念按促使流體流動(dòng)的推動(dòng)力分：重力過濾：在水位差的作用下被過濾的混合液通過過濾介質(zhì)進(jìn)行過濾，如水處理中的快濾池。

真空過濾：在真空下過濾，如水處理中的真空過濾機(jī)。

壓力差過濾：在加壓條件下過濾，如水處理中的壓濾濾池。離心過濾：使被分離的混合液旋轉(zhuǎn)，在所產(chǎn)生的慣性離心力的作用下，使流體通過周邊的濾餅和過濾介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)與顆粒物的分離。三、過濾分類

第一節(jié)過濾操作的基本概念一、表面過濾被過濾的顆粒粒徑較小的情況表面過濾通常發(fā)生在過濾流體中顆粒物濃度較高或過濾速度較慢的情況。濾餅過濾多孔性介質(zhì)第二節(jié)表面過濾的基本理論

第二節(jié)過濾操作的過程分析二、深層過濾濾料內(nèi)部空隙大于懸浮顆粒粒徑。懸浮顆粒隨流體進(jìn)入濾料內(nèi)部，在攔截、慣性碰撞、擴(kuò)散沉淀等作用下顆粒附著在濾料表面上而與流體分開。第三節(jié)深層過濾的基本理論第二節(jié)過濾操作的過程分析(1)遷移行為：顆粒偏離流線運(yùn)動(dòng)到濾料內(nèi)部空隙表面推動(dòng)力主要包括：a.擴(kuò)散作用力（布朗運(yùn)動(dòng)），主要對(duì)非常小的顆粒（<1m）起作用；b.重力沉降，當(dāng)顆粒較大時(shí)，重力沉降起主要作用；c.流體運(yùn)動(dòng)作用力（慣性力），如慣性離心力，使顆粒偏離流線而運(yùn)動(dòng)到濾料表面。

第二節(jié)過濾操作的過程分析顆粒進(jìn)入濾料內(nèi)部后，主要包括以下幾個(gè)行為：

(2)附著行為：影響附著的作用力有：靜電作用力（靜電斥力或靜電引力）范德華引力(3)脫落行為：影響附著顆粒脫落的主要因素有：流體對(duì)附著顆粒的剪切作用