第二章 水的物理化学处理方法

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曝气量:0.1~0.2m3/m3污水,或3~5m3/h.
曝气沉砂池实景
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
一、 沉淀的理论基础
沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能,在重力 作用下产生下沉作用,以达到固液分离的一种过程。
(一)理论基础(四种类型) ( 1 )自由沉淀:离散颗粒、沉速不变(沉砂池、初沉池前期)
球状颗粒自由沉淀的沉速公式
当颗粒所受外力平衡时,
Fg FD
即 因
V g (S L ) CD A (L u / 2)
2
1 1 3 V πd ,A πd 2 6 4
得球状颗粒自由沉淀的沉速公式:
4 g ( S L ) d u 3C D L
沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变
颗粒只在重力作用下沉淀,不受器壁和其他 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, 颗粒即等速下沉
悬浮颗粒在水中的受力:重力、浮力
重力大于浮 力时,下沉; 重力等于浮 力时,相对静源自文库止; 重力小于浮 力时,上浮。
水泵机组、曝气器、管道阀门、 配水设施,进出水口
作用:去除可能堵塞水 泵机组及管道阀门的较 粗大悬浮物,并保证后 续处理设施能正常运行 。
选用栅条间距的原则:不 堵塞水泵和水处理厂、站 的处理设备。规模、污水 性质、后续构筑物
格栅的种类
按栅条的间距 粗:50-100mm 中:10-40mm 细: 1.5-10mm
vmin qv min / n1 Amin
S1 S2 )
式中:h’3 ——贮砂斗高度,m; S1,S2 ——贮砂斗上口和 下口的面积。 6.贮砂室的高度h3 设采用重力排砂,池底坡度i= 6%,坡向砂斗,则
h3 h'3 0.06 l2 h'3 0.06( L 2b2 b' ) / 2
(2)絮凝沉淀:絮凝性颗粒,沉速增加(初沉池后期、二沉
池中前期、混凝沉淀) (3)拥挤(成层)沉淀:颗粒浓度大,相互间发生干扰,分
层(高浊水、二沉池后期)
(4)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。(沉淀池污泥斗、污泥浓缩池)
29
自由沉淀及其理论基础
颗粒为球形
分 析 的 假 定
池的有效水深为2~3m,池宽与池深比为1~1.5,池的长宽比可
达5,当池长宽比大于5时,应考虑设置横向挡板。 曝气沉砂池多采用穿孔管曝气,孔径为2.5~6.0mm,距池底约 为0.6~0.9m,并应有调节阀门。 曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角,在砂槽上方宜
安装纵向挡板,进出口布置,应防止产生短流。
us与μ成反比,μ随水温上升而下降;即沉速受水
温影响,水温上升,沉速增大。
理想沉淀池理论 沉淀池的工作原理
分为: 进口区域、沉淀区域、出口区域 、污泥区域四个部分
理想沉淀池的几个假定:
沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同,水平流 速为v; 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉,下沉速度为u; 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; 颗粒一经沉到池底,即认为已被去除。
式中:v——颗粒的水平分速; qv——进水流量; A′——沉淀区过水断面 面积, H×b; H——沉淀区的水深; b——沉淀区宽度。
I.
II.
设u0为某一指定颗粒的最 小沉降速度。 当颗粒沉速u≥u0时,无论 这种颗粒处于进口端的什 么位置,它都可以沉到池 底被去除,即左上图中的 迹线xy与x′y′。 当颗粒沉速u<u0时,位于 水面的颗粒不能沉到池底 ,会随水流出,如左下图 中轨迹xy″所示;而当其 位于水面下的某一位置时 ,它可以沉到池底而被去 除,如图中轨迹x′y所示 。 说明对于沉速u小于指定颗 粒沉速u0的颗粒,有一部 分会沉到池底被去除。
悬浮颗粒在水中的受力分析
1.悬浮颗粒在水中受到的 力Fg
Fg是促使沉淀的作用力,
是颗粒的重力与水的浮力之 差:
2. 水对自由颗粒的阻力
2
FD CD A (L u / 2)
Fg V S g V L g V g(S L )
式中:Fg——水中颗粒受到的作 用力; V——颗粒的体积; ρS——颗粒的密度; ρL——水的密度; g——重力加速度。 式中:FD——水对颗粒的阻力; CD——阻力系数; A——自由颗粒的投影面积; u——颗粒在水中的运动 速度,即颗粒沉速。
式中:μ——水的动力黏度。
斯托克斯定律:
1 S L u g d2 18
由上式可知,颗粒沉降速度us与下述因素有关: 当ρs大于ρL时,ρs-ρL为正值,颗粒以us下沉; 当ρs与ρL相等时,u=0,颗粒在水中呈悬浮状态, 这种颗粒不能用沉淀去除; ρs小于ρL时,ρs-ρL为负值,颗粒以us上浮,可用 浮上法去除。 u与颗粒直径d的平方成正比,因此增加颗粒直径有 助于提高沉淀速度(或上浮速度),提高去除效果。
第二章 水的物理化学处理方法
第一节 水中粗大颗粒物质的去除 一、格栅、筛网和微滤机 作用:去除水中粗大物质,保护后续设备。 (一)格栅 (二)筛网 (三)微滤机
1
格栅的 作用
格栅由一组(或多组)相平行 的金属栅条与框架组成,倾斜 安装在进水的渠道,或进水泵 站集水井的进口处,以拦截污 水中粗大的悬浮物及杂质。
1/ 2
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,颗粒主要受水的黏滞阻力 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,CD=24/Re, Re(雷诺数)= ρl · u· d/ μ 带入式中,整理得自由颗粒在静水中的运动公式 (亦称斯托克斯定律):
1 S L u g d2 18

1.0 x0
u0
dx
沉速u颗粒去除率:
t0 时刻
x
u h u0 H
1
H
0
u u0
h
2 3 4
对于沉淀时间t0,沉速u0
u 总去除率: E (1 x0 ) 100% x u0 E (1 x0 ) 100%
x0 0
u dx u0
42
2、絮凝沉降
在沉淀过程中,颗粒变大,沉速变大。 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,只能通过沉淀试验模拟沉淀效果。 沉淀柱高度=实际沉淀池深度 1)在时间ti,不同深度测 i 2) 计算各时间各深度处的颗粒去除百分率 3)绘制去除百分率等值线
沉砂池的 工作原理
沉砂池的 几种形式
平流式、曝气沉砂池、旋流式 沉砂池等
沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数
城市污水厂一般均设置沉砂池,个数或分格数应不小于2; 设计流量应按分期建设考虑: 最大时流量、最大组合流量、合流制流量 沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65,粒径为0.2mm以上。 城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算,其含水率约为 60%,容重约1500kg/m3。 贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算,贮砂斗壁的倾角不应小于55º, 排砂管直径不应小于200mm。 沉砂池的超高不宜小于0.3m。
沉砂中含有机物的量低于5%; 由于池中设有曝气设备,它还具有 预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、 除泡以及加速污水中油类的分离等作 用。
曝气沉砂池的设计参数
水平流速一般取0.08~0.12m/s。 污水在池内的停留时间为2~4min;雨天最大流量时为1~3 min 。如作为预曝气,停留时间为10~30min。
1.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。
平流式沉砂池的系统参数
污水在池内的最大流速为0.3m/s,最小流速为 0.15m/s; 最大流量时,污水在池内的停留时间不少于30s, 一般为30~60s; 有效水深应不大于1.2m,一般采用0.25~1.0m,池 宽不小于0.6m; 池底坡度一般为0.01~0.02,当设置除砂设备时, 可根据除砂设备的要求,考虑池底形状。


按清渣方式: 人工和机械 形状:平面和曲面
回转式格栅除砂机及 栅渣皮带输送机
6
7
格栅、筛网截留的污染物的处置方法:
填埋 焚烧(820‴以上) 堆肥 当有回收利用价值 时,可送至粉碎机 或破碎机被破碎后再用
二、沉砂池
沉砂池 的作用 从污水中去除砂子、煤渣等密 度较大的无机颗粒,以免这些杂质 影响后续处理构筑物的正常运行 以重力或离心力分离为基础, 即将进入沉砂池的污水流速控制在 只能使相对密度大的无机颗粒下 沉,而有机悬浮颗粒则随水流带走
式中:qvmin ——设计最小流量, m3/s; n1——最小流量时工作 的沉砂池数目; Amin ——最小流量时沉砂 池中的水 流断面面积,m2。
例题

某城市污水最大设计流量0.3m3/s,最小设
计流量为0.15m3/s,总变化系数Kz=1.45,
请为该污水处理厂设计平流式沉砂池。
2. 曝气沉砂池
曝气沉砂池剖面示意
曝气沉砂池的构造
曝气沉砂池是一个长形渠道,沿渠道壁一侧 的整个长度上,距池底约60~90cm处设置曝气 装置; 在池底设置沉砂斗,池底有i=0.1~0.5的 坡度 ,以保证砂粒滑入砂槽; 为了使曝气能起到池内回流作用,在必要时 可在设置曝气装置的一侧装设挡板。
曝气沉砂池的特点:
V
qv max X T 86400 k z 106
2.水流断面面积A
A qv max / v
式中:qvmax——最大设计流 量,m3/s。
式中: X——城市污水的沉砂量, 一般采用30m3/ (106m3污水); T——排砂时间的间隔,d; kz ——生活污水流量的总 变化系数。
q qv / A
理想沉淀池中,u0与q在数值上相同,但它们的物理概念不同: u0的单位是m/h;q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流 量,单位是m3/(m2·h)。故只要确定颗粒的最小沉速u0,就可以 求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。
重要结论

理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面 积A有关,与池深H无关,即与池的体 积V无关。 理想沉淀池中,u0与q在数值上相同, 但它们的物理概念不同,只要确定颗 粒的最小沉速u0,就可以求得表面负 荷率。
0 i 100% 0
70%
0.3 0.5 1.0 1.5
60% 50%
30% 20%
0
40%
t
43
3、拥挤(成层)沉降和压缩沉降
平流式沉砂池 的计算公式
5.贮砂斗个部分尺寸计算 设贮砂斗底宽b1=0.5m;斗 壁与水平面的倾角为60º;则贮 砂斗的上口宽b2为:
b2 2h'3 b1 t g60
7.池总高度h
hh 1 h2 h 3
贮砂斗的容积V1:
1 V 1 3 h'3 (S1 S2
式中: h1——超高,m; h2——有效水深,m; h3——贮砂斗高度,m。 8.核算最小流速vmin
上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系:
v / u0 L / H
将上式带入式中
v u0 ( L / H )
v qv / A' qv / H b
并简化后得出
qv u0 ( L / H ) H b u0 A
u0 qv / A
qv/A——反映沉淀池效力的参数,一般称为沉淀池的表面负荷 率,或称沉淀池的过流率,用符号q表示:
由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线:
当某一颗粒进入沉淀池后
一方面随着水流在水平 方向流动,其水平流速 v等于水流速度
另一方面,颗粒在重力 作用下沿垂直方向下沉 ,其沉速即是颗粒的自 由沉降速度u
颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和,在 沉淀过程中,是一组倾斜的直线,其坡度i=u/v
v qv / A' qv /(H b)
平流沉砂池设计步骤
沉砂部分的长度 水流断面积 池的总宽度 贮砂斗的容积、尺寸

平流式沉砂池的计算公式
1.长度L 3.池总宽度b
L vt
b A / h2
式中: h2——设计有效水深。
式中:v——最大设计流量时 的速度,m/s; t——最大设计流量时 的停留时间, s。
4.贮砂斗所需容积V
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