第二章污水的物理处理

四 格栅的设计与计算
• 格栅设计的主要参数是确定栅条间隙宽度。 • 设置在污水处理厂处理系统前的格栅，应考虑到使整个污水 处理系统能正常运行，对处理设施或管道等均不应产生堵塞 作用。因此，可设置粗细两道格栅。第一道格栅间隙较粗， 通常设置在提升泵前，一般16-40mm；第二道格栅间隙较细， 一般设置在污水处理构筑物前，1.5-10mm。 • 设置格栅的渠道，宽度要适当，应使水流保持适当的流速， 一方面泥砂不至于沉积在沟渠底部，另一方面截留的污染物 又不至于冲过格栅。通常采用0.4－0.9m/s。 • 为了防止格栅前渠道出现阻流回水现象，一般在设置格栅的 渠道与栅前渠道的联结部，应有一展开角α1=20˚渐扩部位(见 课本图10-12)。
3.4
沉砂池(Grit chamber)
功能：去除比重较大的无机颗粒，比重2.65、 粒径0.2mm以上 工作原理：重力分离为基础，通过控制污水 流速使比重大的无机颗粒下沉，有机悬浮颗 粒随水流走 位置：泵站、倒虹管、初次沉淀池前 常用种类：平流式沉砂池（horizontal-flow）、 曝气沉砂池（aerated grit chamber）、旋流 沉砂池（vortex grit chamber）
沉砂池排砂方式
二次沉淀池中污泥的沉淀过程
球状颗粒自由沉淀速率公式（斯托克斯公式）
水中的悬浮颗粒，都因二种力的作用而发生运动：悬浮颗粒 受到的重力，水对悬浮颗粒的浮力。重力大于浮力时，下沉； 两力相等时，相对静止；重力小于浮力时，上浮。 为分析简便起见，假定： ①颗粒为球形； ②沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变； ③颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其它颗粒影响。 静水中悬浮颗粒开始沉淀时，因受重力作用产生加速运动， 经过很短的时间后，颗粒的重力与水对其产生的阻力平衡时( 即颗粒在静水中所受到的力Fg与水对颗粒产生的阻力FD相平 衡)，颗粒即呈等速下沉。
第二章 污水的物理处理
物理处理方法与设备
物理处理对象主要是：漂浮物质和悬浮物质，采 用的处理方法与设备有： 筛滤截流法——格栅、筛网等 重力分离法——沉砂池、沉淀池、隔油池，气 浮池 离心分离法——离心机与旋流分离器
3.1格栅
一 格栅定义及作用 由一组平行金属栅条或筛网制成，倾斜安装在 污水渠道、泵房集水井进口处或污水处理厂端 部。用于拦截较粗大的悬浮物或漂浮物。 被拦截的物质称为栅渣。含水率约为70%～ 80%，密度约为960kg/m3。

计算公式
平流式沉砂池的计算公式
L vt
b A / h2
3.池总宽度b 1.长度L 式中：v——最大设计流量 式中：h2——设计有效水深。 4.贮砂斗所需容积V 时的 速度，m/s； t——最大设计流量时的停 式中：X——城市污水的沉砂 量，一般采用30m3/106m3 留时间，s。 （污水）； 2.水流断面面积A T——排砂时间的间隔，d； 式中： kz ——生活污水流量的总变化 qvmax——最大设计流量，m3/s。 系数。
1 S L 2 uS g d 18
意义： 当ρs>ρL时， us为正值，颗粒下降，us为下沉速度。 当ρs<ρL时， us为负值，颗粒上浮，us为上浮速度。因此, 沉降理论也适用于上浮过程 当ρs=ρL时，us=0，颗粒既不下沉，也不上浮，此时不能 用重力沉降和自然上浮法去除。 颗粒速度与颗粒直径平方成正比，与液体粘度μ成反比。 因此，增大颗粒粒径和密度，适当提高水温，都有助于增大 颗粒沉速。
常用的平流式沉砂池和曝气沉砂池
平流式沉砂池
平流式沉砂池是一种最传统的沉砂池，它构 造简单，工作稳定。
平流沉砂池

平流沉砂池 构造：入流渠、出流渠、闸板、水流 部分及沉砂斗组成。 常用排砂方法：重力排砂与机械排砂 设计参数： 污水最大流速为0.3m/s，最小0.15m/s
最大流量时，停留时间30~60s 有效水深不大于1.2m，通常0.25~1.0，池宽不小于 0.6m 池底坡度一般为0.01~0.02
沉淀池对悬浮颗粒的去除率：
1 P0 (1 P0 ) udP u0 0
η：颗粒去除率（removal rate） u：颗粒沉速（settling velocity） P0：沉速小于u0的颗粒在全部颗粒中所占百分数
运动轨迹可以得出：
v u0 L
H
v u0 L
H
V: 颗粒的水平流速 qv v qv H b qv: 进水流量 A1 A1:沉淀区过水断面面积 H: 沉淀区水深 qv u0 L H b u0 L b u0 A H b: 沉淀区宽度 L: 沉淀区长度 qv qv u0 u u0: 颗粒下沉速度 q 0 A A A：沉淀池沉淀区面积 理想沉淀池中， u0与q在数值上相同，但物理概念不同。 qv/A的物理意义：单位时间内通过沉淀池单位面积的流量，称为表 面负荷或溢流率（Hydraulic surface loading rate），用q表示，单 位（量纲）是：m3/(m2•s)或m3/(m2•h)，反映的是沉淀池的效率。 理想沉淀池的沉淀效率与水面面积A有关，与池深、体积均无关
• 为避免造成栅前涌水,故将栅后槽底下降h2作为补偿。 在实际采用时，城市污水一般取0.1—0.4m。对工业 污水，根据使用的格栅栅条间距以及清理时间间隔等 因素，应留有因部分堵塞而必需的安全量。
四 格栅的设计与计算

格栅的设计内容包括尺寸计算、水力计算、栅渣量计算和 清渣机械的选用等。 计算前应根据污水量和工程经验选定设计流量，栅前水深， 过栅流速，栅条间隙，格栅安装角，栅渣量等参数
(4) 城市污水的沉砂量可按每 106 m3 污水沉砂 30m3 计算，其含水率 约60％，容重约1 500kg/m3。
(5)贮砂斗的容积（volume of grit hopper ）应按2日沉砂量（grit quantities）计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55˚。排砂管直径不应 小于200mm。 (6)沉砂池的超高不宜小于0.3m。
• 当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周 围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的粘滞阻力 作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层 流状态。 • 在层流状态下，λ'＝24/Re，代上式整理后得
1 S L uS g d2 18
• µ是水的动力粘滞度
球状颗粒自由沉淀速率公式（斯托克斯公式,Stokes’ law）
格栅、筛网截留的污染物的处置方法：
填埋 焚烧（820℃以上） 堆肥 将栅渣粉碎后再返回废水中，作为 可沉固体进入初沉池。
3.3 沉淀的基础理论（sedimentation theory）
沉淀（sedimentation）：水中的悬浮物依靠重力作 用从水中分离(gravity separation)出来的过程。可单 独应用，也可作为整个处理流程中的一个工序。典型 污水厂四种用法： 用于污水预处理，如沉砂池（grit chamber） 用于污水进入生物处理构筑物前的初步预处理，如初 沉池（primary settling tank）; 用于生物处理后的固液分离，如二沉池（secondary settling tank） 用于污泥处理阶段的污泥浓缩，如污泥浓缩池（ sludge thickener ）
沉淀池的工作原理--理想沉淀池
理想沉淀池分进口区、出口区、沉淀区和 污泥区。假设：
在沉淀池内各过流断面的所有点上，水都以流 速v作水平流动； 悬浮颗粒在沉淀区等速下降，下沉速度为U； 颗粒一经沉到池底即被除去而不再重新浮起； 在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀 分布在整个过水断面上。


栅条断面形状：圆形、矩形和方形，常用矩形
三 栅渣的清除
人工清渣 适用于小型的污水处理厂〔站〕。 格栅安装角度宜为45℃～60℃。 机械清渣，角度宜为60℃～70℃

链条式机械格栅
移动式伸缩臂格栅 圆周回转式机械格栅 钢丝绳牵引式机械格栅
钢丝绳牵引式机械格栅
回转式固液分离机



具体计算包括： 水头损失：水流在运动过程中克服水流阻力而消耗的能量 称为水头损失。 格栅的间隙数量 格栅的建筑宽度 栅后槽的总高度 格栅的总建筑长度 每日栅渣量
3.2 筛网
筛网的去除效果可相当于初次沉淀池的作用。 作用：分离悬浮物主要是纤维类 分为：

振动筛网 水力筛网
A qv max / v
V
qv max X T 86400 kz 106
曝气沉砂池



特点：①沉砂中有机物含量低于５％②池中加设 曝气设备，具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分 解、除泡和加速油水分离等作用。 工作原理： 曝气和水流的螺旋旋转作用可使污水中悬浮颗粒 相互碰撞、摩擦、并受到气泡上升的冲刷作用， 粘附在砂粒上的有机物就得以去除，沉于池底的 砂粒较为纯净。 设计参数（见课本P28）
最大流量时，停留时间４~6min
曝气沉砂池实景
ห้องสมุดไป่ตู้
旋流沉砂池 (vortex grit chamber)
功能：利用机械力控制水流流态与流速、加速 砂粒的沉淀并使有机物随水流带走的除砂装置。 结构：由流入口(inlet)、流出口(outlet)、沉砂区 (chamber)、砂斗(grit hopper)、涡轮驱动装置 (rotating turbine equipment)及排砂系统(grit pump/airlift pump)等组成。 目前钟式沉砂池应用较为广泛。
二 格栅与栅条类型

按形状：平面格栅和曲面格栅
平面格栅由框架和栅条组成，基本尺寸包括：宽度、长 度、栅条间距、栅条至外框距离。 曲面格栅 分为固定曲面格栅和旋转鼓筒式格栅两种。

按格栅栅条的净间距分为：
粗格栅〔50～100mm〕 中格栅〔10～40mm〕 细格栅〔3～10mm〕 栅渣截流量与栅条的间距有关
• 设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP%，其中的h/H *dP%颗粒将会从水中沉淀到池底而去除 • 同一沉淀时间：
h u1 t
h u1 dP dP H u0
对于沉速为u1( u1< u0)的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为
h u1 H u0
H u0 t

p0
0
1 p0 u1 u0 dP u1dP u0 0
一般原则与主要设计参数
(1)城市污水厂一般均应设置沉砂池，工业污水是否要设置沉砂池， 应根据水质情况而定。 (2)设计流量应按分期建设考虑。①污水自流进入时，应按每期的 最大设计流量（max flowrate）计算；②污水为提升进入时，按每 期工作水泵的最大组合流量计算；③合流制处理系统中，按降雨时 的设计流量计算。 (3)沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2mm以上。
3.3 沉淀的基础理论（sedimentation theory）
沉淀的四种基本类型： 自由沉淀(discrete particle settling) ，悬浮固体浓度不高， 沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒粒径、密度不变，单 独进行沉淀，如沉砂池的沉淀过程。 絮凝沉淀(flocculent settling)，当悬浮物浓度约为 50~500mg/L时，在沉淀过程中，颗粒与颗粒之间可能发生 碰撞产生絮凝作用，颗粒粒径和质量增大沉淀速度加快，如 二沉池中间段的沉淀过程。 区域沉淀（zone settling ,成层沉淀，拥挤沉淀）悬浮物浓 度高于5000mg/L，颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响， 颗粒间相对位置不变，但整个颗粒形成一个整体共同下沉， 与澄清水之间有清晰的泥水界面，如二沉池下部的沉淀过程。 压缩沉淀(compression settling)，高浓度悬浮颗粒的沉降， 颗粒间已挤集成团块结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒 间水在上层颗粒重力作用下被挤出，如二沉池污泥浓缩过程 和污泥重力浓缩池。