水污染課件版 第2章 物理處理1-4節(jié)

要解決的問題:重力沉降在水處理中的作用是什么？重力沉降的原理？重力沉降的規(guī)律是什么？沉淀池的體積是如何確定的？實際沉淀池是如何工作的？沉淀池有哪些種類？各有什么特點和用途？1.2

沉淀的基礎(chǔ)理論1.2.1概述

1、基本概念重力分離:是依靠廢水中懸浮物密度與水密度不同這一特點來分離廢水中固體懸浮物的方法。當(dāng)懸浮物的密度大于水的密度時，在重力作用下，懸浮物下沉形成沉淀物(sludge)。當(dāng)懸浮物的密度小于水的密度時，懸浮物將上浮到水面形成浮渣（scum）2、沉降在廢水處理系統(tǒng)中的作用：(1)在一級處理的廢水處理系統(tǒng)中，沉降是主要處理工藝，廢水處理效果的高低，基本取決于沉淀池的沉淀效果。(2)在二級處理的廢水處理系統(tǒng)中，沉降具有多種功能。在生物處理設(shè)備前設(shè)初次沉淀池，以減輕后繼處理設(shè)備的負(fù)荷，保證生物處理設(shè)備凈化功能的正常發(fā)揮。在生物處理設(shè)備后設(shè)二次沉淀池，用以分離生物污泥，使處理水得到澄清。2、沉降在廢水處理系統(tǒng)中的作用：(3)在灌溉或排入氧化塘前，廢水也必須進(jìn)行沉降處理，以穩(wěn)定水質(zhì)，去除寄生蟲卵和能夠堵塞土壤孔隙的固體顆粒。

（4）污泥處理階段的污泥濃縮1.2.2

沉降過程的類型

根據(jù)廢水中可沉降物質(zhì)顆粒的大小、凝聚性能的強(qiáng)弱及其濃度的高低，按觀察到的現(xiàn)象可把沉降可分為四種類型：自由沉降

(discretesettling)

絮凝沉降

(flocculentsettling)成層沉降(集團(tuán)沉降、干涉沉降）(zone,settlinggroupsettling,hinderedsettling)

壓縮沉降

(compressionsettling)自由沉降的特點：發(fā)生條件：

廢水中的懸浮固體濃度不高，而且不具有凝聚性時發(fā)生的。特征：

※沉降過程中，固體顆粒不改變形狀和尺寸，也不互相粘合，各自獨立地完成沉降過程。

※顆粒的沉降速度在經(jīng)一定的沉降時間后保持不變?，F(xiàn)象：

實驗時可觀察到水是從上到下逐步變清的。自由沉降過程示意圖液面t=0時t=t1時t=t2時t=無窮大時在攪拌的作用下分布均勻隨著沉降的進(jìn)行，上部變清到一定時間，沉降完成。絮凝沉降的特點：發(fā)生條件：

固體濃度也不高，但具有凝聚性是發(fā)生的。特征：

※在沉降的過程中，顆?；ハ嗯鲎?、粘合，結(jié)合成較大的絮凝體而沉降；

※沉降的過程中顆粒的尺寸不斷變化；顆粒的沉降速度是變化的?，F(xiàn)象：

水也是逐漸變清的，但可觀察到顆粒的絮凝現(xiàn)象。影響絮凝沉降速度的因素：顆粒的絮凝程度：顆粒之間的碰撞幾率：廢水流量的大?。侯w粒濃度和粒徑的變化范圍：是否添加藥劑；因此，絮凝沉降是比自由沉降復(fù)雜得多的過程，其沉降規(guī)律只能用實驗的方法來確定。成層沉降的特點：發(fā)生條件：

廢水中懸浮顆粒的濃度提高到一定程度后發(fā)生的。特征：

每個顆粒的沉淀將受到其周圍顆粒存在的干擾，沉速有所降低，在聚合力的作用下，顆粒群結(jié)合成為一個整體，各自保持相對不變的位置共同下沉?，F(xiàn)象：

實驗時可觀察到水與顆粒群之間有明顯的分界面，沉降的過程實際上是該界面下沉的過程。壓縮沉降的特點：發(fā)生條件：

廢水中懸浮物的濃度很高時發(fā)生的。特征：

此時固體顆粒互相接觸，互相支承，在上層顆粒的重力作用下，下層顆粒間隙中的液體被擠出界面，固體顆粒群被濃縮。現(xiàn)象：

粒群與水之間也有明顯的界面，但顆粒群部分比成層沉降時密集，界面的沉降速度很慢。不同沉降過程示意圖

A－澄清區(qū)(clearwaterzone)；B－沉降區(qū)(hinderedsettlingzone)；C－過渡區(qū)(transitionzone)；D－壓縮區(qū)(compressionzone)開始時在攪拌的作用下是分布均勻清水區(qū)，此處等于出水的水質(zhì)沉降區(qū)，該區(qū)內(nèi)濃度基本相同，且不隨時間變化過渡區(qū)，該區(qū)內(nèi)濃度隨深度變化壓縮區(qū)，該區(qū)內(nèi)濃度基本相同，但比沉淀區(qū)高沉降區(qū)和清水區(qū)有明顯的界面，沉降的過程是該界面以等速下沉1.2.3

自由沉淀及其理論基礎(chǔ)1、顆粒自由沉降速度的確定計算顆粒最終沉降速度(terminalsettlingvelocity)的假設(shè)：（1）顆粒為球形，不可壓縮，也無凝聚性，沉降過程中其大小、形狀和質(zhì)量等均不變；（2）水處于靜止?fàn)顟B(tài)；（3）顆粒沉降僅受重力和水的阻力作用。

在以上假設(shè)的條件下可以得出球形顆粒的沉降速度公式。

Stokes公式式中：u－顆粒的沉降末速度，m/s；s、－分別表示顆粒及水的密度，kg/m3g－重力加速度，m/s2－水的粘度，Pa?s；d－顆粒的粒徑，m。如何加強(qiáng)Stokes沉降過程？Stokes公式說明的問題1（1）顆粒與水的密度差（s－）愈大，它的沉速也愈大，成正比關(guān)系。

當(dāng)s>時u>0，顆粒下沉；

當(dāng)s<時,u<0，顆粒上??；

當(dāng)s=時，u=0，顆粒既不下沉也不上浮。Stokes公式說明的問題2（2）水的粘度愈小，沉速愈快，成反比關(guān)系。因粘度與水溫成反比，故提高水溫有利于沉降Stokes公式說明的問題3（3）顆粒直徑愈大，沉速愈快，成平方關(guān)系。因此隨粒度的下降，顆粒的沉降速度會迅速降低。

Stokes公式應(yīng)用舉例：油珠的直徑為50m，密度為800kg/m3，

＝0.001OlPa·s

。試計算油珠在20℃水中的上浮速度。解:油珠d＝50m=5×l0-5m，20℃水的粘度＝0.0010lPa·s，代入Stokes公式得：u=9.81(1000-800)×(5×10－5)2/18×1.01×10－3=2.7×10－4m/s=0.97m/h補(bǔ)充資料自由沉降去除率的確定目的：顆粒自由沉降雖然能夠計算，但其計算公式推導(dǎo)過程有許多假設(shè)，實際情況與這些假設(shè)相差較大，因此實際沉降要復(fù)雜得多，需要通過試驗才能確定設(shè)計沉淀池的參數(shù)。1、自由沉降去除率的確定

自由沉降試驗所用的沉降柱(settlingcolumn)示意圖

每次試驗用5–7個相同的沉降柱溢流口取樣口1、自由沉降去除率的確定試驗步驟：（1）根據(jù)廢水的性質(zhì)和希望達(dá)到的去除率估計所需的總沉降時間、沉降時間間隔和取樣的次數(shù)。把沉降柱編號寫在記錄表中。示范一般為5–7次，取樣太多，測定所需的時間和費用高，數(shù)據(jù)處理也麻煩，次數(shù)太少則準(zhǔn)確性差。然后確定所需沉降柱的數(shù)目；1、自由沉降去除率的確定（2）將待測廢水?dāng)嚢杈鶆?，加入到各沉降柱中直至水從上部溢流口溢出為止，攪拌均勻并測定原始濃度c0；（3）攪拌均勻后開始計時，并按確定好的時間間隔，順序從不同的沉降柱取樣口取樣，分別測定相應(yīng)的懸浮物濃度c1、c2、c3…cn。把結(jié)果添入記錄表中；沉降柱（4）計算各沉降時間的沉降速度ui=H/ti。它的意義是在時間ti內(nèi)能沉降H高度的最小顆粒的沉降速度；表（5）計算剩余固體分?jǐn)?shù)x,xi=ci/c0，它的意義是懸浮物中沉降速度小于ui的顆粒占懸浮物總量的分?jǐn)?shù)。表

因為在沉降ti時間時，懸浮物中沉降速度大于ui的顆粒已全部沉降過了取樣口，而沉降速度小于ui的顆粒的濃度不變。所得數(shù)據(jù)見下表。表試驗記錄用表格沉降柱編號123…n沉降時間/mint1t2t3…tn試樣固體濃度/（mg/L）c1c2c3…cn沉降速度/（m/s）ui=H/tiu1u2u3…un剩余固體分?jǐn)?shù)pi=ci/c0p1p2p3…pn（6）以沉降速度u為橫坐標(biāo)，p為縱坐標(biāo)作圖，得到下圖所示曲線：pp0u0u（7）按下式求出指定沉降速度u0或指定沉降時間t0(u0=H/t0)懸浮物的總?cè)コ蔈tp0－指定沉降速度u0時剩余固體分?jǐn)?shù)；(1-p0)是沉降速度大于u0的顆粒的去除率,也稱為表觀去除率（apparentremovalrate)；u－顆粒的實際沉降速度；u0－指定的沉降速度；積分項是沉降速度小于u0的顆粒的去除率。由于得到u與x的數(shù)學(xué)表達(dá)式比較難，實際計算時后面的積分項用圖解法求得。如下圖所示，則Et＝(1-p0)+(∑uipi)/u0pp0Δpiuu0ui（8）按上述方法求出不同沉降時間的總?cè)コ?，再以沉降時間t為橫坐標(biāo)，總?cè)コ蔈t為縱坐標(biāo)作圖，即可得到右圖所示的總?cè)コ逝c沉降時間之間的關(guān)系。絮凝沉降分析（自學(xué)）1.2.4

沉淀池工作原理1、理想沉淀池的條件2、沉降過程分析3、沉淀池的去除效率4、沉淀池溢流率與顆粒沉降速度的關(guān)系1、理想沉淀池的條件(1)進(jìn)出水均勻分布到整個橫斷面，懸浮物在流入?yún)^(qū)沿水深均勻分布；(2)懸浮物在沉淀區(qū)等速下沉；(3)懸浮物在沉淀過程中的水平分速等于水流速度，水流是穩(wěn)定的；(4)懸浮物落到池底污泥區(qū)，即認(rèn)為已被除去，不再浮起。2、沉降過程分析u<u0的顆粒u<u0的顆粒入流區(qū)沉降區(qū)污泥區(qū)u>u0的顆粒u=u0的顆粒u=u0的顆粒vu2、沉降過程分析3、沉淀池的去除效率式中：Et為總?cè)コ剩?/p>

P0-懸浮物中沉降速度小于u0的顆粒的百分?jǐn)?shù)；u0-能被完全除去的最小顆粒的沉降速度；u-沉降速度小于u0的顆粒的沉降速度；H-沉淀池的有效水深；h-沉降速度為u的顆粒在入流區(qū)所處的位置。4、沉淀池溢流率與顆粒沉降速度的關(guān)系因為：u0t=H，

vt=L，有u0=H/t，t=L/v；又因為：Q=vBH，所以H＝Q/(vB)，所以有：HLu0v長為L，有效水深為H，寬為B的沉淀池，表面積為A=LB沉淀池溢流率與顆粒沉降速度的關(guān)系：Q/A的物理意義是單位時間內(nèi)通過單位沉淀池表面積的流量，一般稱之為表面負(fù)荷(surfaceloading)或溢流率(surfaceoverflowrate)（過流率），用q表示，單位為：m3/(m2h)或m3/(m2s)。結(jié)論：

?沉淀池的表面負(fù)荷在數(shù)值上與該沉淀池能夠完全除去的最小顆粒的沉降速度相同。

表面負(fù)荷q值越小，沉速u≧u0的顆粒占SS總量的分率越大，沉速u﹤u0中能被除去的分率也越大，總沉降效率就越高。在自由沉降中，沉淀池的去除率僅與顆粒沉速或沉淀池的表面負(fù)荷有關(guān)，而與池深無關(guān)。把沉淀池做得淺些，表面積大些，這就是顆粒沉降的淺層理論。后邊將要講到的斜板(管)沉淀池就是基于這個理論。1.3

沉砂池1.3.1

普通沉砂池(gritchamber)沉砂池的功能就是從廢水中分離密度較大的無機(jī)泥砂顆粒，例如砂粒等。工作原理：設(shè)計原則與主要參數(shù)：常見的沉砂池的形式：平流式、豎流式、曝氣式、旋流式沉砂池平流式沉砂池平流式沉砂池主要設(shè)計參數(shù)：設(shè)計計算要點：1.3.2曝氣沉砂池(aeratedgritchamber)普通沉砂池的最大缺點是在其截留的沉砂中夾雜有一些有機(jī)物，而對被少量有機(jī)物包覆的砂粒截留效果也不高。使用曝氣沉砂池能夠在一定程度上克服上述缺點。由于曝氣的作用，廢水中的有機(jī)顆粒經(jīng)常處于懸浮狀態(tài)，砂?；ハ嗄Σ敛⒊惺芷貧獾募羟辛Γ傲Ｉ细街挠袡C(jī)污染物能夠去除，有利于獲得較為純凈的砂粒。曝氣沉砂池剖面圖曝氣管集砂槽曝氣沉砂池動畫曝氣沉沙池運行實物圖曝氣沉砂池全景施工中的曝氣池、二沉池全景機(jī)械排砂曝氣沉砂池利用機(jī)械力控制水流流態(tài)和流速、加速砂粒的沉淀，并使有機(jī)物隨水流帶走的沉砂裝置。鐘式沉砂池1.3.3旋流沉砂池除砂：除砂設(shè)備工作流程橋式吸砂機(jī)鏈斗式除砂機(jī)門式抓斗除砂機(jī)砂泵砂水分離間某城市污水處理廠的最大設(shè)計流量為0.2m3/s，最小設(shè)計流量為0.1m3/s，總變化系數(shù)為KZ=1.50，求平流沉砂池個部分尺寸。某城市污水處理廠的最大設(shè)計流量為0.8m3/s，求曝氣沉砂池的總有效容積、水流斷面積、池總寬度、池長等個部分尺寸即每小時所需空氣量。1.4

沉淀池1.4.1

沉淀池的分類平流式(horizontal-flow)：平流式沉淀池，廢水從池一端流入，沿水平方向在池內(nèi)流動，從另一端溢出，池的形狀呈長方形，在進(jìn)口處的底部設(shè)貯泥斗。平流式沉淀池動畫

輻流式(radial-flow)形狀呈圓形或方形，廢水從池中心進(jìn)入，沉淀后廢水從池周邊溢出。輻流式動畫豎流式(upward-flow)廢水從池中央下部進(jìn)入，由下向上流動。出水進(jìn)水豎流式沉淀池動畫1.4.2

沉淀池的基本屬性沉淀池的主要組成部分及作用：進(jìn)水區(qū)出水區(qū)沉淀區(qū)緩沖區(qū)貯泥區(qū)平流式沉淀池結(jié)構(gòu)示意圖流入裝置:沉淀區(qū)流出裝置污泥區(qū)緩沖層1.4.2

沉淀池的基本屬性流入裝置：其作用是消能，使廢水均勻分布。流入裝置是橫向潛孔，潛孔均勻地分布在整個寬度上，在潛孔前設(shè)擋板。擋板高出水面0.15－0.2m，伸入水下的深度不小于0.2m。也有潛孔橫向水平排列的流入裝置。流出裝置：出流堰是沉淀池的重要部件，它不僅控制沉淀池內(nèi)水面的高程，而且對沉淀池內(nèi)水流的均勻分布有著直接的影響。多采用自由堰型式，堰前也設(shè)擋板，以阻攔浮渣，或設(shè)浮渣收集和排除裝置。連沉淀區(qū)（工作區(qū)）：是可沉降顆粒與廢水分離的區(qū)域。連污泥區(qū)和排泥裝置：排除沉于池底的污泥是使淀池工作正常，保證出水水質(zhì)的一項重要措施。在池的前部設(shè)貯泥斗，其中的污泥通過排泥管借1.5－2.0m的靜水壓力排出池外，池底坡度一般為0.01－0.02。沉降在沉淀池其它部位的污泥通過機(jī)械裝置集中到貯泥斗中。刮泥設(shè)備是橋式行車刮泥機(jī)或鏈帶式刮泥機(jī)。也可采用多斗式排泥。連緩沖層：緩沖層則是分隔沉淀區(qū)和污泥區(qū)的水層，保證已沉下的顆粒不因水流攪動而再行浮起。WXN型吸泥（刮泥）機(jī)橋式刮泥機(jī)中心傳動刮泥機(jī)行車刮泥機(jī)1.4.3

沉淀池的設(shè)計原則及參數(shù)1、設(shè)計流量2、沉淀池的數(shù)量3、沉淀池的經(jīng)驗設(shè)計參數(shù)4、沉淀池的有效水深5、沉淀池的幾何尺寸6、沉淀池得出水部分7、貯泥斗的容積8、排泥部分1.4.4

沉淀池設(shè)計一）平流式沉淀池二）豎流式沉淀池三）輻流式沉淀池四）斜流式沉淀池五）沉淀效果的強(qiáng)化一）平流式沉淀池