水污染控制工程(下)
主讲:成官文教学要求:
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/m 3 。
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
L>1000mm时,框架应加横向肋条。栅条材质为 A 3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 >0.2 m 3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?=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 ·sin α /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 /tg α,
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= Amax W1× 86400/K总 × 1000(m 3 /d)。
式中,W1为栅渣量 (m 3 /10 3 m 3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,CA ρy u 2 /2。
带入整理得,u= (ρg - ρy )gd 2/18μ,即斯托克斯公式。
可见沉速 u与 ρg - ρy以及 d 2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… t i… t n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 u < ui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 ut< u0= 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 / u0 dp;故总去除率为 (1- P0 )+ ∫ ut / u0 dp 。
所以 η%= (100- P0 )+ 100/ u0 ∫ ut dp 。
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 ut < ut的颗粒质量为 dP,则可被沉淀去除的量为 ut / ut dP,故总去除率 η= (1- P0 )+ 1/ u0 ∫ ut dp,
用百分数表示为 η%= (100- P0 )+ 100/ u0 ∫ ut dp,
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=A u0 。 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~ 30 m3/106m3污水,
含水率 60%;④砂斗容积 ≤2