水污染课件版第2章 物理处理1-4节.ppt

要解决的问题:n重力沉降在水处理中的作用是什么？n重力沉降的原理？重力沉降的规律是什么？n沉淀池的体积是如何确定的？n实际沉淀池是如何工作的？n沉淀池有哪些种类？各有什么特点和用途？1.2 沉淀的基础理论1.2.1概述 1、基本概念 重力分离 : 是依靠废水中悬浮物密度与水密度不同这一特点来分离废水中固体悬浮物的方法n当悬浮物的密度大于水的密度时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物(sludge)n当悬浮物的密度小于水的密度时，悬浮物将上浮到水面形成浮渣（scum）2 、沉降在废水处理系统中的作用：(1)在一级处理的废水处理系统中，沉降是主要处理工艺，废水处理效果的高低，基本取决于沉淀池的沉淀效果2)在二级处理的废水处理系统中，沉降具有多种功能n在生物处理设备前设初次沉淀池，以减轻后继处理设备的负荷，保证生物处理设备净化功能的正常发挥n在生物处理设备后设二次沉淀池，用以分离生物污泥，使处理水得到澄清2 、 沉降在废水处理系统中的作用：(3)在灌溉或排入氧化塘前，废水也必须进行沉降处理，以稳定水质，去除寄生虫卵和能够堵塞土壤孔隙的固体颗粒 （4）污泥处理阶段的污泥浓缩1.2.2 沉降过程的类型 根据废水中可沉降物质颗粒的大小、凝聚性能的强弱及其浓度的高低，按观察到的现象可把沉降可分为四种类型：自由沉降 (discrete settling) 絮凝沉降 (flocculent settling)成层沉降(集团沉降、干涉沉降）(zone, settling group settling, hindered settling) 压缩沉降 (compression settling)自由沉降的特点：n发生条件：废水中的悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚性时发生的。

n特征：沉降过程中，固体颗粒不改变形状和尺寸，也不互相粘合，各自独立地完成沉降过程颗粒的沉降速度在经一定的沉降时间后保持不变n现象：实验时可观察到水是从上到下逐步变清的自由沉降过程示意图液面t=0时t=t1时t=t2时t=无穷大时在搅拌的作用下分布均匀随着沉降的进行，上部变清到一定时间，沉降完成絮凝沉降的特点：n发生条件：固体浓度也不高，但具有凝聚性是发生的n特征：在沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结合成较大的絮凝体而沉降；沉降的过程中颗粒的尺寸不断变化；颗粒的沉降速度是变化的n现象：水也是逐渐变清的，但可观察到颗粒的絮凝现象影响絮凝沉降速度的因素：n颗粒的絮凝程度：n颗粒之间的碰撞几率：n废水流量的大小：n颗粒浓度和粒径的变化范围：n是否添加药剂； 因此，絮凝沉降是比自由沉降复杂得多的过程，其沉降规律只能用实验的方法来确定成层沉降的特点：n发生条件：废水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后发生的n特征：每个颗粒的沉淀将受到其周围颗粒存在的干扰，沉速有所降低，在聚合力的作用下，颗粒群结合成为一个整体，各自保持相对不变的位置共同下沉n现象：实验时可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面，沉降的过程实际上是该界面下沉的过程。

压缩沉降的特点：n发生条件：废水中悬浮物的浓度很高时发生的n特征：此时固体颗粒互相接触，互相支承，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的液体被挤出界面，固体颗粒群被浓缩n现象：粒群与水之间也有明显的界面，但颗粒群部分比成层沉降时密集，界面的沉降速度很慢不同沉降过程示意图A澄清区(clear water zone)；B沉降区(hindered settling zone)；C过渡区(transition zone)；D 压缩区(compression zone)开始时在搅拌的作用下是分布均匀清水区，此处等于出水的水质沉降区，该区内浓度基本相同，且不随时间变化过渡区，该区内浓度随深度变化压缩区，该区内浓度基本相同，但比沉淀区高沉降区和清水区有明显的界面，沉降的过程是该界面以等速下沉1.2.3 自由沉淀及其理论基础1、颗粒自由沉降速度的确定n计算颗粒最终沉降速度 (terminal settling velocity)的假设：（1）颗粒为球形，不可压缩，也无凝聚性，沉降 过程中其大小、形状和质量等均不变；（2）水处于静止状态；（3）颗粒沉降仅受重力和水的阻力作用 在以上假设的条件下可以得出球形颗粒的沉降速度公式。

Stokes公式式中：u颗粒的沉降末速度，m/s；s、分别表示颗粒及水的密度，kg/m3g重力加速度，m/s2水的粘度，Pa s；d颗粒的粒径，m如何加强Stokes沉降过程？Stokes公式说明的问题1（1）颗粒与水的密度差（s）愈大，它的沉速也愈大，成正比关系当s时u0，颗粒下沉；当s时,u0，颗粒上浮；当s=时，u=0，颗粒既 不下沉也不上浮Stokes公式说明的问题2（2）水的粘度愈小，沉速愈快，成反比关系因粘度与水温成反比，故提高水温有利于沉降Stokes公式说明的问题3（3）颗粒直径愈大，沉速愈快，成平方关系因此随粒度的下降，颗粒的沉降速度会迅速降低 Stokes公式应用举例：n 油珠的直径为50m，密度为 800 kg/m3， 0.001OlPas 试计算油珠在20水 中的上浮速度n解:油珠d50m=5l0-5m，20水的粘度 0.0010lPas，代入Stokes公式得：u=9.81(1000-800)(5105)2/181.01103 = 2.7104 m/s = 0.97 m/h补充资料自由沉降去除率的确定n目的：颗粒自由沉降虽然能够计算，但其计算公式推导过程有许多假设，实际情况与这些假设相差较大，因此实际沉降要复杂得多，需要通过试验才能确定设计沉淀池的参数。

1、自由沉降去除率的确定自由沉降试验所用的沉降柱(settling column)示意图 每次试验用57个相同的沉降柱溢流口取样口1、自由沉降去除率的确定n试验步骤：（1）根据废水的性质和希望达到的去除率估计所需的总沉降时间、沉降时间间隔和取样的次数把沉降柱编号写在记录表中示范n一般为57次，取样太多，测定所需的时间和费用高，数据处理也麻烦，次数太少则准确性差然后确定所需沉降柱的数目；1、自由沉降去除率的确定（2）将待测废水搅拌均匀，加入到各沉降柱中直至水从上部溢流口溢出为止，搅拌均匀并测定原始浓度c0；（3）搅拌均匀后开始计时，并按确定好的时间间隔，顺序从不同的沉降柱取样口取样，分别测定相应的悬浮物浓度c1、c2、c3 cn把结果添入记录表中；沉降柱（4）计算各沉降时间的沉降速度ui=H/ti它的意义是在时间ti内能沉降H高度的最小颗粒的沉降速度；表（5）计算剩余固体分数x,xi=ci/c0，它的意义是悬浮物中沉降速度小于ui的颗粒占悬浮物总量的分数表因为在沉降ti时间时，悬浮物中沉降速度大于ui的颗粒已全部沉降过了取样口，而沉降速度小于ui的颗粒的浓度不变所得数据见下表表试验记录用表格沉降柱编编号123n沉降时间时间 /mint1t2t3tn试样试样 固体浓浓度/（mg/L）c1c2c3cn沉降速度/（m/s）ui=H/tiu1u2u3un剩余固体分数pi=ci/c0p1p2p3pn（6）以沉降速度u为横坐标，p为纵坐标作图，得到下图所示曲线：pp0u0u（7）按下式求出指定沉降速度u0或指定沉降时间t0(u0=H/t0)悬浮物的总去除率Etnp0指定沉降速度u0时剩余固体分数；n(1-p0)是沉降速度大于u0的颗粒的去除率,也称为表观去除率（apparent removal rate)；nu颗粒的实际沉降速度；nu0指定的沉降速度；n积分项是沉降速度小于u0的颗粒的去除率。

n由于得到u与x的数学表达式比较难，实际计算时后面的积分项用图解法求得如下图所示，则Et(1-p0)+(ui pi)/u0pp0piuu0ui（8）按上述方法求出不同沉降时间的总去除率，再以沉降时间t为横坐标，总去除率Et为纵坐标作图，即可得到右图所示的总去除率与沉降时间之间的关系絮凝沉降分析（自学）1.2.4 沉淀池工作原理1、理想沉淀池的条件2、沉降过程分析3、沉淀池的去除效率4、沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系1、理想沉淀池的条件(1)进出水均匀分布到整个横断面，悬浮物在 流入区沿水深均匀分布；(2)悬浮物在沉淀区等速下沉；(3)悬浮物在沉淀过程中的水平分速等于水流 速度，水流是稳定的；(4)悬浮物落到池底污泥区，即认为已被除 去，不再浮起2、沉降过程分析uu0的颗粒uu0的颗粒u=u0的颗粒u=u0的颗粒vu2、沉降过程分析3、沉淀池的去除效率式中： Et为总去除率； P0-悬浮物中沉降速度小于u0的颗粒的百分数；u0 -能被完全除去的最小颗粒的沉降速度；u -沉降速度小于u0的颗粒的沉降速度；H -沉淀池的有效水深；h -沉降速度为u的颗粒在入流区所处的位置4、沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系n因为：u0t=H， vt=L，n有 u0=H/t，t=L/v；n又因为：Q=vBH，所以 HQ/(vB)，n所以有：HLu0v长为L，有效水深为H，宽为B的沉淀池，表面积为A=LB沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系：nQ/A的物理意义是单位时间内通过单位沉淀池表面积的流量，一般称之为表面负荷(surface loading)或溢流率(surface overflow rate)（过流率），用q表示，单位为：m3/(m2h)或m3/(m2s)。

结论：沉淀池的表面负荷在数值上与该沉淀池能够完全除去的最小颗粒的沉降速度相同 表面负荷q值越小，沉速uu0的颗粒占SS总量的分率越大，沉速u u0中能被除去的分率也越大，总沉降效率就越高在自由沉降中，沉淀池的去除率仅与颗粒沉速或沉淀池的表面负荷有关，而与池深无关把沉淀池做得浅些，表面积大些，这就是颗粒沉降的浅层理论后边将要讲到的斜板(管)沉淀池就是基于这个理论1.3 沉砂池1.3.1 普通沉砂池(grit chamber)n沉砂池的功能就是从废水中分离密度较大的无机泥砂颗粒，例如砂粒等n工作原理：n设计原则与主要参数：n常见的沉砂池的形式：平流式、竖流式、曝气式、旋流式沉砂池平流式沉砂池n平流式沉砂池主要设计参数：n设计计算要点：1.3.2曝气沉砂池(aerated grit chamber)n普通沉砂池的最大缺点是在其截留的沉砂中夹杂有一些有机物，而对被少量有机物包覆的砂粒截留效果也不高n使用曝气沉砂池能够在一定程度上克服上述缺点n由于曝气的作用，废水中的有机颗粒经常处于悬浮状态，砂粒互相摩擦并承受曝气的剪切力，砂粒上附着的有机污染物能够去除，有利于获得较为纯净的砂粒曝气沉砂池剖面图曝气管集砂槽曝气沉砂池动画曝气沉沙池运行实物图曝气沉砂池全景施工中的曝气池、二沉池全景机械排砂曝气沉砂池n利用机械力控制水流流态和流速、加速砂粒的沉淀，并使有机物随水流带走的沉砂装置。

n钟式沉砂池1.3.3 旋流沉砂池除砂： n除砂设备工作流程n桥式吸砂机n链斗式除砂机n门式抓斗除砂机n砂泵砂水分离间n某城市污水处理厂的最大设计流量为0.2m3/s，最小设计流量为0.1m3/s，总变化系数为KZ=1.50，求平流沉砂池个部分尺寸n某城市污水处理厂的最大设计流量为0.8m3/s，求曝气沉砂池的总有效容积、水流断面积、池总宽度、池长等个部分尺寸即每小时所需空气量1.4 沉淀池1.4.1 沉淀池的分类n平流式(horizontal-flow) ：平流式沉淀池 ，废水从池一端流入，沿水平方向在池内流动，从另一端溢出，池的形状呈长方形，在进口处的底部设贮泥斗平流式沉淀池动画 辐流式(radial-flow) 形状呈圆形或方形，废水从池中心进入，沉淀后废水从池周边溢出辐流式动画竖流式(upward-flow)废水从池中央下部进入，由下向上流动出水进水竖流式沉淀池动画1.4.2 沉淀池的基本属性沉淀池的主要组成部分及作用：进水区出水区沉淀区缓冲区贮泥区平流式沉淀池结构示意图流入装置:沉淀区流出装置污泥区缓冲层1.4.2 沉淀池的基本属性 流入装置：其作用是消能，使废水均匀分布n流入装。