第三讲 沉淀 第2章 水的物理化学处理方法（4学时） 本章教学内容： 粗大颗粒物质的去除，悬浮物质和胶体物质的去除，溶解物质的去除，消毒 本章教学要求： （1）了解物化处理的主要方法，掌握粗大颗粒去除的原理，掌握悬浮物质和胶体物质去除的基本原理和常用方法； （2）了解溶解物质的处理方法，掌握几种重要方法的去除机理，掌握消毒原理，熟悉常用的几种消毒方法； （3）了解水的其他物理化学处理方法。 本章教学重点： 格柵、沉砂池、沉淀、消毒 本章习题: P200 1, 7, 9, 18，30 2.1粗大颗粒物的去粗 格栅：去除污水中悬浮物，保证泵正常的工作，减轻提升水位，对于减少土方的开挖量有效。 设施：截流构筑物。截流构筑物的种类如：格栅，筛网，滤池。 重力分离 ——沉砂池，沉淀池，隔油池 2.１.1格栅 1、定义（definition）:由一系列平行的栅条， 2．作用：去除大颗粒悬浮物，保证有序进行。 3．分类： 按形状分为：(1)平面格栅（2）曲面格栅 格栅按照间距来分：粗格栅；中格栅；细格栅 按清渣的方式来分： 人工清渣：W≤ 0.2m3 /d；可采用人工清渣，安装角度为 30°－45° 机械清渣：分为 （1）固定式 （2）活动式（3）回转耙式 2.1.2沉砂池 作用：去除无机砂，并非有机砂。 分类：（ 1）平流式沉砂池（2）曝气沉砂池（3）多尔沉砂池（4）钟式沉砂池 ??平流沉砂池 1、构造见课本 71页 2、平流沉沙池的优点与缺点： 优点：平流沉沙池的适应性强，效果稳定 缺点：占地面积大，沉沙池中含有15%的有机物，为后续处理增加困难。 ?? 曝气沉砂池 50年代以后，主要以曝气沉沙池为主，优点为： 特点：①沉砂中有机物含量小于 5% 　　　②具有预曝气、除臭、防止厌氧分解，除泡和加速分离作用 构造和工作原理 ?? 构造：①形状：矩形　②有 I＝0.1－0.5坡度，坡向集砂槽　③集砂槽侧有曝气装置，距池底0.6－ 0.9m ?? 工作原理：水平运动，旋流运动 ?? 设计： 同沉淀池 2.2沉淀（混凝、澄清和过滤部分自学） 一、原理 利用颗粒与水的密度之差，比重>1，下沉 比重<1，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒 给水处理――混凝沉淀，高浊预沉 废水处理――沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离） 二、分类★ 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 （沉砂池、初沉池前期） 絮凝沉淀：絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀） 拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层 （高浊水、二沉池、污泥浓缩池） 压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出，污泥得到浓缩。 ★自由沉淀(discrete particle settling) 一、颗粒沉速公式（Stokes’ law） 假设沉淀的颗粒是球形 所受到的重力为F1= 1/6 ( d3 ((p - (l ) g 所受到的水的阻力F2=CD (l u2/2. （( d2/4） CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 平衡时：F1＝F2 可得到沉速(terminal velocity)计算公式（对球形颗粒）： 对于非球形颗粒： (：形状系数 CD与Re有关。 Re<1, CD= 24/Re (：水的动力粘度，Pa s 该公式难以反映实际，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。 但可以了解u的影响因素。 此外，一般d难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定u，算出d（注意是名义上的）。 二、颗粒沉淀实验 在ti时，从底部取样，测定Ci 计算 ti( ui = h/ti Ci ( pi = Ci/C0 pi：沉速小于ui的颗粒占全部颗粒的比重 p－u 曲线（颗粒粒度分布曲线） 4.颗粒去除率 在t0 时， u(u0 的颗粒全部去除 u<u0 的颗粒部分去除 hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0 通过实验可绘制以下曲线： E-t 曲线 E－u曲线（与水深无关） 中部取样法： P= (C0-C)/C0 *100% 三、理想沉淀池 假设： 颗粒为自由沉淀 水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。 颗粒到底就被去除。 水平流速v=Q/(h0 B) B: 池宽 考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。 u(u0的颗粒可以全部去除 u<u0的颗粒只能部分去除 去除率为E＝ui/u0 = ui/(Q/A) q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率 对于颗粒沉速小于uo的颗粒来讲，去除率为 E＝ui/uo = ui/(Q/A) 由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。 (Hazen 理论,1904年） 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题： 1）E一定，ui越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。 2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深――“浅层理论”。 斜管斜板沉淀理论（浅层理论） 斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理设计的新型沉淀池。与普通沉淀池比较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。 设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为L、B和H，表面积为A，处理水量为Q，表面负荷为q，颗粒沉速为uo，则由公式2-11，可得Q=uoA。由此可见，在A一定的条件下，若增大Q，则uo成正比增大，从而使uuo的颗粒所占分率（1－po）和u<uo的颗粒中能被去除的分率u/uo都减小，总沉降效率ET相应降低；反之，要提高沉降效率，则必须减小uo，结果Q成正比减小。以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之间呈此长彼落的负相关系。 但是，如果象图2.4那样，将沉降区高度分隔为n层，即n个高度为h=H/n的浅层沉降单元，那么在Q不变的条件下，颗粒的沉降深度由H减小到H/n，可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的uuo扩大到uuo/n，沉速u<uo的颗粒中能被除去的分率也由u/uo增大到nu/uo，从而使ET值大幅度提高；反之，在ET值不变，即沉速为uo的颗粒在下沉了距离h后恰好运动到浅层的右下端点，那么由和可得v′=nv，即n个浅层的处理水量Q′=HBnv=nQ，比原来增大了n倍。显然，分隔的浅层数愈多，ET值提高愈多或Q′值增加愈多。 絮凝沉淀(flocculent settling) 特点: 在沉淀过程中，颗粒变大，沉淀变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。 无理论描述公式，只能通过沉淀实验预测沉淀效果。 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling) 特点: 发生在SS浓度较高的情况 分层沉淀，出现清水－浑水交接面 A：清水区 B：等浓度区（与原水颗粒浓度相同）或称受阻沉降层 颗粒沉速等于界面（1－1面）沉降速度，等速下降（Vs） C：变浓度区 颗粒浓度由小变大 D：压实区 颗粒沉速从大――小 悬浮物缓慢下沉是这一区内悬浮物缓慢压实过程 界面（2－2面）以一定速度上升 沉淀开始，1－1面下降，2－2面上升 当t＝tc时，1－1面和2－2面相遇时，临界沉降点 当再延长沉降时间，污泥层就会发生压实。 分区的条件：最大颗粒粒径/最小颗粒粒径<6 发生在：混凝后的矾花（>2-3g/L） 活性污泥>1g/L 高浓度泥沙>5g/L 压缩沉降：又叫污泥浓缩，底部的颗粒受到上部污泥重力的作用，颗粒间的孔隙水被挤出。 沉淀池或沉淀设备 一、分类 平流式 竖流式 辐流式 斜流式 二、平流式沉淀池 进水区、沉淀区、存泥区、出水区 1．构造 1）进水区（如右图） 流量均匀分布 可采用配水孔或者缝 给水中，通常采用穿孔花墙 v<0.15-0.2 m/s 2）沉淀区 水力条件要求： 减少紊动性：紊动性指标Re = vR/( (：运动粘度 提高稳定性：弗劳德数Fr ＝v2/Rg （Fr高，表明对温差、密度差异重流和风浪的抵抗能力强。 同时满足的只能降低水力半径R，措施是加隔板 L/B>4, L/H>10 水流速度的控制也很重要 适宜范围：10-25 mm/s（给水） 5－7mm/s（污水） 3）出水区 出水均匀。通常采用：溢流堰（施工难） 三角堰（对出水影响不大） 淹没孔口（容易找平） 控制单位堰长的出水量： 给水：<500 m3/(m d) 初沉：<2.9L/(m s) 二沉：1.5- 2.9 L/(m s) 4）存泥区及排泥措施 泥斗排泥 靠静水压力 1.5 – 2.0m，下设有排泥管 多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时） 机械排泥 带刮泥机，池底需要一定坡度 虹吸吸泥车 2．设计计算 1）设计参数的确定 u0或T0 由沉淀实验得到 选u0时，絮凝性颗粒-----池深要与实验柱高相等 选T0时，无论颗粒的性质如何-------池深要与实验柱高相等 考虑水流的影响 u设＝u0/1.25-1.75 T设＝1.5-2.0 T0 在数值上，q设＝u设 根据经验： q设（m3/m2h） T设(h) 给水处理（混凝后） 1－2 1-3 初次沉淀池 1.5-3 1-2 二次沉淀池（生物膜法后） 1-2 1.5-2.5 （活性污泥法后） 1-1.5 1.5-2.5 2）设计计算 以q来计算 A ＝Q/q设 L=3.6 v T；T：水力停留时间 水流流速v＝10-25mm/s（给水） 5－7mm/s（污水） 宽度B＝A/L 以T来计算 计算有效体积V ＝Q T 选池深H（3.0-3.5m） 计算B＝V/(LH) L=3.6 v T 校核水流的稳定性，Fr ＝10-4~10-5之间。 二、竖流式沉淀池 水流上升速度v 颗粒沉速>v，下沉 (v, 沉不下来 根据沉淀实验得u0---u设；v设≤u设 沉淀去除率＝1－p0 无沉淀资料时，对于生活污水，v设＝1.5- 3 m/h, T设＝1 – 2.0 h 由v设→A=Q/v设 注意：A的算法 →直径( 由T设→H＝v设T设 (/H<3，使水流接近竖流，(<10m 注意：中心管的流速不宜太大，<30mm/s 适用于小水深，池深大，但沉淀效果较差 排泥方便，占地小。 三、幅流式沉淀池 1．中央进水幅流式 带刮泥机：中央驱动式 周边驱动式（使用较多） (＝20－30mm，(>16mm 适用于大水量，但占地大，机械维修，配水条件差 由于水流速度由大――小 颗粒沉降轨道是曲线。 计算：由q设――A＝Q/q设 H＝u设T设 u设:1.5-3m/h; T设:1.5-2.5h 2．向心幅流式 周边进水――中心进水：进水断面大，进水易均匀 周边进水――周边出水 向心式的表面负荷可提高约1倍。 四、斜板（管）沉淀池 1．原理 沉淀效率—ui/ u0（Q/A） 在原体积不变时，较少H，加大A，可以提高沉淀效率或提高Q (浅层理论 1904年 Hazen 提出 1945年 Camp认为池浅为好 1955年 多层沉淀池产生（Fr和Re可以同时满足） 1959年 日本开始应用斜板 1972年中国汉阳正式应用 断面形状：圆形、矩形、方形、多边形 除园性以外，其余断面均可同相邻断面共用一条边。 水力半径 R>d/3 ---------斜板 R≤d/3 --------斜管 斜管比斜板的水力条件更好。 材质： 轻质，无毒 纸质蜂窝、薄塑料板（硬聚氯乙烯、聚丙烯） 2．构造 1）异向流 异向流基本参数： (＝60度，L＝1-1.2m 板间距 50－150mm 清水区 0.5-1.0 m 布水区 0.5-1.0 m u0=0.2-0.4 mm/s, v(3 mm/s Q设＝(u0（A斜＋A原） (：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积 2）同向流 水流促进泥的下滑，斜角可减少到30－40度 沉淀效果提高，但构造比较复杂，使用少 Q设＝(u0（A斜－A原） 3）横向流 使用少，结构和平流式沉淀池较接近，易于改造，但水流条件差（Re大），难支撑 Q设＝(u0A斜 3．优缺点 优点：沉淀面积增大，水深降低，产水量增加 q＝9－11m3/(m2 h) 平流式q<2 m3/(m2 h) 层流状态Re<200，平流式>500 缺点：停留时间短（几分钟），缓冲能力差 对混凝要求高 耗材，有时堵，常用于给水处理，和污水隔油池