水污染控制工程下第三章污水的物理处理

水污染控制工程（下）主讲：***教学要求：1.掌握沉淀理论，理解各种沉淀类型的内在联系和区别，并学会分析沉淀池的影响因素。2.了解各种沉淀池的适用范围，掌握其相关的工程设计，并结合流体力学理解其设计要求。第三章污水的物理处理•概述•生活污水和工业废水中都含有大量的漂浮物与悬浮物，其进入水处理构筑物会沉入水底或浮于水面，对设备的正常运行带来影响，使其难以发挥应有的功效，必须予以去除。•物理处理的去除对象：漂浮物、悬浮物。•物理处理方法：筛滤、重力分离、离心分离。•筛滤：筛网、格栅（去除漂浮物、纤维状物质和大块悬浮物）滤池、微滤机（去除中细颗粒悬浮物）。•重力分离：沉砂池、沉淀池（去除不同密度、不同粒径悬浮物）、隔油池与气浮池（去除密度小于1或接近1的悬浮物）。•离心分离：离心机、旋流分离器（去除比重大、刚性颗粒）。•本章主要就城市生活污水处理中使用的格栅、沉砂池、沉淀池进行讲授。一、格栅1.格栅:是一组平行的金属栅条、带钩的塑料栅条或金属筛网组成。•安装地点：污水沟渠、泵房集水井进口、污水处理厂进水口及沉砂池前。•设置目的：根据栅条间距，截留不同粒径的悬浮物和漂浮物，以减轻后续构筑物的处理负荷，保证设备的正常运行。•栅渣：被截留的污染物，其含水率70～80％，容重750kg/m3。•分类：平面格栅和曲面格栅（又称回转式格栅）。•2.平面格栅•1）格栅设计主要依靠水量大小、栅渣量多少来确定（机械清渣、人工清渣）。机械清渣采用回转式、或栅条置于外侧耙头抓渣适于水量大、渣多或机械程度、自动化程度较高时采用；人工清渣适于水量小、少栅渣，当栅渣多为纤维状物质而难于用耙清楚时，也多采用定时吊起栅渣人工清除。•2）设计参数•B、L、e和b的相关尺寸见p55表3－1。•长度L：取决于水深，以200mm为一级增长值。当L1000mm时，框架应加横向肋条。栅条材质为A3钢制，栅条偏差≦1/1000，总偏差≦2mm。•栅条间隙e：10、15、20、25、30、40mm（细格栅）；50、60、70………150mm（中或粗格栅）。a.水泵前：人工清渣e≦20mm；对大中型泵站，采用机械清渣，e＝20～150mm。b.污水处理系统前：人工清渣e＝25～40mm，机械清渣e＝15～25mm。污水处理厂前可设粗细二道格栅，粗格栅e＝50～150mm，细格栅e＝15～40mm；当提升泵站前格栅e≦25mm时，泵后可不住设格栅。c.格栅数量：当每日渣量0.2m3时，一般采用机械清渣，格栅台组数不宜少于2台。若仅为1台时，应另设一条人工清渣格栅备用。d.格栅安装角度：一般45～75°,对人工清渣，为省力一般角度≦60°；对机械清渣，角度一般60～75°,特殊时为90°；对回转式一般60～90°。e.流速：栅前渠道流速V＝0.4～0.9m/s，过栅流速0.6～1.0m/s，通过格栅水头损失宜采用0.08～0.15m。f.高度：设水深h，格栅水头损失h1，栅前渠道超高h2（一般采用0.3m），则后槽总高度H＝h1＋h2＋h。•格栅工作台高度：高出栅前最高设计水位0.5m•工作台宽度：人工清渣≧1.2m，机械清渣≧1.5m。g.栅条断面形状、尺寸：正方形20×20mm；圆形ø=20；长方形10×50mm，迎水面半园矩形10×50mm。3）设计参数•栅槽宽度：已知B或Qmax、水深h、流速V，则栅条间隙数：n＝Amax(sinα)0.5/ehv，B＝en＋(n-1)，栅条数n－1，栅宽s。•格栅的水头损失：h1＝Rh。R为倍数，一般取3。h0＝ζ·V·sinα/2g，ζ＝β(s/e)4/3，为阻力系数；对圆形β＝1.79，矩形β＝2.42，迎面半园β＝1.83，迎背面半园β＝1.67。•栅槽总高度：H＝h1＋h2＋h，h2为超高。•栅槽总长度：L＝L1＋L2＋1.0＋0.5＋H1/tgα，•式中：L1＝(B－B1)/2tgα1，L2＝L1/2，H1＝h2＋h•L1为进水渠渐宽部分长度；L2为渠出水渐窄处长度。•α1为渠道展开角，一般20°；B1为进水渠宽度。•0.5与1.0为格栅前后的过渡段长度。•每日栅渣量：W＝AmaxW1×86400/K总×1000(m3/d)。•式中：W1为栅渣量(m3/103m3污水)，一般取0.01～0.1。粗格栅取小值，中格栅取中值，细格栅取大值。K总为生活污水变化系数，见p59表3－3。•例题：见p59例3－1。二、沉淀理论•1.沉淀类型：•沉淀是实现固液分离或泥水分离的重要环节，由于沉淀的对象和空间不同，其沉淀形式也各异—自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。•自由沉淀：指SS浓度不高，沉淀过程中颗粒间互不碰撞、呈单颗粒状态，各自独立地完成沉淀过程。如沉砂池和初沉池中的沉淀。•絮凝沉淀(干涉沉淀)：当SS浓度较高(50～500mg/L)时，沉淀过程中颗粒间可能互相碰撞产生絮凝作用，使颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速加快。如活性污泥在二沉池中的沉淀。•区域沉淀（成层、拥挤沉淀）：因SS过大，沉淀过程中相邻颗粒间互相妨碍、干扰，沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，颗粒群以整体向下速度沉降，并与上清液形成清晰的固液界面。如二沉池中下部的沉淀。•压缩沉淀：颗粒间相互支撑，上层颗粒在重力作用下挤压下层颗粒间的间隙水，使污泥得到浓缩。如二沉池泥斗和浓缩池的过程。2沉淀类型分析1）自由沉淀：•假设颗粒为球形，由牛顿第二定律得：mdu/dt＝F1－F2－F3。式中；F1为重力，Vgρg；F2为浮力，Vgρy。F3为下沉摩擦阻力，CAρyu2/2。•带入整理得：u＝(ρg－ρy)gd2/18μ，即斯托克斯公式。•可见沉速u与ρg－ρy以及d2成正比，与μ成反比。但由于污水中的颗粒为非球形，直接采用斯托克斯公式会油很大误差，需要修正。具体修正方法如下：•多个沉降柱试验法：见p63，沉降柱6～8个，d＝80～100mm，h＝1500～2000mm，出水口位于1200mm处，出泥口在底部，进水SS浓度为C0，经沉淀t1、t2、t3…ti…tn时，分别在1～8号沉淀柱取水样100ml，得出水SS浓度C1～C8，并作出η～t的关系曲线以及η～ui的关系曲线（见图3～9）。沉速ui是指在沉淀时间ti内能从水面恰好下沉到水深H处的最小颗粒的沉淀速度。对于u≧ui的颗粒，可在时间ti内全部沉淀去除；而对uui的颗粒，在时间ti内能否被沉淀去除取决于颗粒所在位置，因而此方法存在误差。•沉降柱修正试验法：试验方法同前，在每根沉降柱上开多个取样口，取H以上所有取样口的水样。设水样中的SS浓度为Ci，则出水中的剩余SS的比例为Pi＝Ci/C0，SS实际在ti时的去除率为1－Pi，作的P0～ut曲线，凡沉速ut≧u0＝H/t的所有颗粒都可能去除，其去除率为1－P0；而沉速utu0＝H/t的颗粒能被去除的比例为ut/u0，其在t时刻去除该颗粒的效率为∫ut/u0dp；故总去除率为(1－P0)+∫ut/u0dp。•所以η%＝(100－P0)+100/u0∫utdp。•例题（见p65例3－2）•2）絮凝沉淀•试验思路同前，柱略高略粗，取样口间距500mm，取样时间间隔5或10min，则SS在ti时的去除率为η＝(1－Ci/C0)×100%。记算去除率，并记录与表中（见表3－6）。•具体计算见例3－3，首先计算临界沉速，后在图上作中间曲线，找出其与t时刻的交点，计算对应沉速，后计算去除率。η＝η1＋u1/u0(η1－η2）＋u2/u0(η2－η3）＋….•3)区域沉淀和压缩沉淀安排在第八章讲解。3.理想沉淀池原理•从上面分析可以看出，沉淀理论与实际沉淀池的运动规律有所差距，为合理表征实际沉淀状态，提出了“理想沉淀池”概念。•理论假设条件：a.污水在池内沿水平方向作等速流动，速度为v。b.在流入区颗粒沿AB断面均匀分布，并处于自由沉淀状态，其水平分速等于v。c.颗粒沉到池底即认为被去除。1）平流式理想沉淀池①平流式理想沉淀池分流入区、流出区、沉淀区和底部的污泥区。从图中可以看出，必存在一种从A点进入、以流速为u0的颗粒，最后刚好在出水口D点沉入池底污泥区。根据几何相似原理，则u0/v=H/L，即u0＝vH/L。•所以凡沉速大于u0者全部沉入池底（代表I轨迹的颗粒）；凡沉速小于u0者、且在对角线AD以上者，均不能被去除（代表Ⅱ轨迹的颗粒）；凡沉速小于u0者、且在对角线AD以下者，仍可以被去除（代表虚线Ⅱ轨迹的颗粒）。•设沉速utut的颗粒质量为dP，则可被沉淀去除的量为ut/utdP，故总去除率η＝(1－P0)+1/u0∫utdp，用百分数表示为η%＝(100－P0)+100/u0∫utdp，与前者分析推导结果相同，说明理论上是可行的。②将实际数据Q、L、B、H带入，则颗粒在池内最长沉淀时间为：t＝L/v=H/u0。沉淀池容积V＝Qt＝HLB，因Q＝HBL/t＝HA/t=Au0。故Q/A=u0＝q。•Q/A的物理意义：在单位时间内通过沉淀池单位表面积的流量，即表面负荷率或溢流率，用q表示(m3/m2s或m3/m2h)。表面负荷的数值等于颗粒沉速u0。•由L/v=h/ut，h＝utL/v,则沉速ut为的颗粒去除率为：η＝h/H=utL/vH=ut/vH/L=ut/vHB/LB=ut/Q/A=ut/q=ut/u0。•所以，平流式理想沉淀池的去除率取决于表面负荷及颗粒沉速ut，而与t无关。③竖流式理想沉淀池（自学。分析方法同前，但结果有差距，p＝100－p0）。④实际沉淀池与理想沉淀池之间的差距（自学）a.深度方向水流速度分布不均匀对去除率没有影响。b.宽度方向水流速度分布不均匀是降低沉淀池去除率的主要原因。c.紊流对去除率的影响：减慢沉速，降低去除率；扰动底部沉淀物，降低去除率。三、沉砂池•功能和任务：去除比重比较大的无机颗粒（ρ≧2.65，d≧0.21mm，或65目的砂），以减轻对设备的磨损，降低或减轻构筑物（沉淀池）的负荷。•设置位置：泵站、倒虹管和初沉池前。•常见类型：平流式沉砂池、曝气沉砂池和多尔沉砂池等。•设计规范要求：①组数不少于2组，一备一用；②设计流量：自流按最大设计流量设计，提升泵站按工作水泵最大组合流量设计，合流制系统按降雨时的设计流量设计；③沉砂量15～30m3/106m3污水，含水率60％；④砂斗容积≤2日沉砂量，斗壁与水平面倾角≧55°。•1.平流式沉砂池。•构造：由入流渠、出流渠、闸板、砂斗组成。•设计参数：•A.Vmax≤0.3ms，Vmin≤0.15ms。（为什么？）•B.水力停留时间：Qmax不少于30s，一般30～60s。•C.有效水深h≤1.2m，一般采用0.25～1.0m；池宽≧0.6m。•D.进水头部应采取消能和整流措施。•E.池底底坡一般为0.01～0.02。•F.沉砂池超高不宜小于0.3m。•排砂方式：重力排砂，排砂管d≧200mm。对大中型污水处理厂，一般采用机械排砂。•优缺点：构造简单、处理效果好，但重力排砂时构筑物需高架。•计算公式：见p73•池长：L＝vt，V为最大设计流量时的停留时间；•水流断面面积：A＝Qmax/v；•池总宽：B＝A/h2；h2为设计有效水深；•沉砂斗容积：V＝86400Qmaxtx1/105K总，x1为城市污水沉砂量，取3m3/105m3污水；•沉砂池总高度：H＝h1＋h2＋h3；h1为超高，取0.3m。h3为砂斗高度；•检验：按最小流速0.15m/s进行验算，保证沉掉0.21mm的砂，而不去除有机物。Vmin＝Qmin/nω。ω为单池过水断面面积。2.曝气沉砂池（可去除11％的有机物）•构造：横断面呈矩形，底坡i＝0.1～0.5，坡向砂槽；砂槽上方设曝气器，器安装高度距池底0.6～0.9m。•目的：a.使粘在砂粒上的污泥及有机物更好分离（通过摩擦作用实现），避免泥沙沉于初沉池而影响污泥的处理。b.送入空气，使无机颗粒甩向外侧而沉淀。c.预曝气，改善污水水质，减轻散发气味。•设计参数：a.旋流速度：0.25～0.3m/s；b.水平流速：0.06～0.123m/s；c.水力停留