第8章 水的物理化学方法治理

Fc (mp m1 ) 2r
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而该颗粒在水中的净重力Fg＝(mp–m1)g。若以n表示转 速（rpm），并将代入上式，以f表示颗粒所受离心力 与重力之比，则有：
Fc 2r rn 2 f Fg g 900
• f称为（离心设备的）分离因素，是衡量离心设备分离 性能的基本参数。在旋转半径r一定时，f值随转速n的 平方急剧增大，例如，当r＝0.2 m，n＝500 rpm时，f ＝56；而当n＝3000 rpm时，则f＝2000。可见，在离心 分离中，离心力对悬浮颗粒的作用远远超过了重力， 从而极大地强化了分离过程。
按转速
高速离心机（f >3000 rpm） 中速离心机（f =1000-3000 rpm） 低速离心机（f < 1000 rpm）
转筒式 管式 盘式 板式 按转鼓的 安装角度 立式离心机 卧式离心机
按转鼓几 何形状
• 常速离心机多用于分离纤维类悬浮物和污泥脱水等液 固分离，而高速离心机适用于分离乳化油和蛋白质等 密度较小的细微悬浮物。
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Stokes公式
g ( s )d u 18
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• u－颗粒的沉降末速度，m/s； • s, －分别表示颗粒及水的密度，kg/m3 • g－重力加速度，m/s2 • －水的粘度，Pa• s； • d－颗粒的粒径，m。
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Stokes公式应用举例：
• 油珠的直径为50 m，密度为 800 kg/m3。试计算 油珠在20℃水中的上浮速度。 • 解: • 油珠d ＝ 50 m = 5×l0-5 m， • 20℃水的粘度 ＝ 0.0010l Pa· s， • 代入Stokes公式得： • u = 9.81(1000-800)×(5×10－5)2/18×1.01×10－3 = 2.7×10－4 m/s = 0.97 m/h
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2. 曝气沉砂池(aerated grit chamber)
• 普通沉砂池的最大缺点是在其截留的沉砂中夹 杂有一些有机物，而对被少量有机物包覆的砂 粒截留效果也不高。 使用曝气沉砂池能够在一定程度上克服上述缺 点。曝气沉砂池集曝气和除砂于一身，不但可 使沉砂中的有机物降低至5%以下，而且还有预 曝气、除臭、除油等多种功能。 由于曝气的作用，废水中的有机颗粒经常处于 悬浮状态，砂粒互相摩擦并承受曝气的剪切力， 砂粒上附着的有机污染物能够去除，有利于获 得较为纯净的砂粒。
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3 沉砂池（grit chamber）
• 沉沙池一般设置在泵站或沉淀池之前，用以分离 废水中比重较大的砂粒、灰渣等无机固体颗粒， 使水泵和管道免受磨损和阻塞，同时也减轻沉淀 池的无机负荷，使污泥具有良好的流动性，便于 排放输送。 • 沉砂池既是一种预防性的处理构筑物，又是一种 预备性的处理构筑物。
• 按照池内水流方向的不同，沉砂池可分为平流 式和竖流式两种，其中以平流式应用最为广泛。 近年来，曝气沉砂池也得到了推广应用。
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1.平流式沉砂池
沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2 mm以上。
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平流沉砂池的主要设计参数如下：
• 流量 当废水以自流方式进入时,应取最大小时流量;当用泵送入时， 应取工作水泵的最大组合流量。 • 分格数 分格数一般不小于2，并按并联方式运行。 • 流速 应控制在最大流速0.3 m/s和最小流速0.15 m/s之间。 • 停留时间 流量最大时，废水在池内的停留时间不小于30 s，一般 为30～60 s。 • 结构尺寸 有效水深一般为0.25～1.0 m，不大于1.2 m（h=u0t，u0 可按斯托克斯公式）；超高不小于0.3 m；每格宽不小于0.6 m； • 沉砂量 依水质不同而异，对城市污水可按每106m3废水产生30 m3 沉砂考虑。 • 贮砂斗 容积一般按2日以内的沉砂量设计，斗壁倾角不小于55°； 池底以0.01～0.02的坡度倾向砂斗。
• （一）离心力分离原理 • （二）离心分离设备
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（一）离心力分离原理
• 使废水作高速旋转时，密度大于水的悬浮固体被抛向 外围，而密度小于水的悬浮物质（如乳化油）则被推 向内层。如将水和悬浮物从不同的出口分别引出，即 可使二者得以分离。废水在高速旋转过程中，悬浮颗 粒同时受到两种径向力的作用，即离心力和水对颗粒 的向心推力。设颗粒和同体积水的质量分别为和m1 （kg），旋转半径为r（m），角速度为ω（rad/s）， 则颗粒受到的离心力和径向推力分别为mpω2r和m1ω2r。 此时，颗粒所受的净离心力Fc（N）为二者之差，即：
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•
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曝气沉砂池的主要设计参数
• （1）废水在池内的水平流速一般取0.08～0.12 m/s，在过水断面周边的最大旋转线速为0.25～ 0.4 m/s。 • （2）废水在池内的停留时间取4～6 min，最 大流量时为1～3 min。 • （3）有效水深取2～3 m，宽深比为(1～l.5):1， 长宽比可达5:1。 • （4）曝气装置多采用穿孔管曝气器，孔径 2.5～6.0 mm，曝气管安装于池壁一侧距池底 0.6～0.9 m处，曝气量为0.2 m3(空气)/ m3(水)或 1.5 m3(空气)/ m3(池容)h。
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第二节 沉淀法
• • • • • • （一） 概述 （二） 沉淀理论 （三） 沉降试验 （四） 沉砂池 （五） 沉淀池 （六） 沉淀池的强化与改进
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1 概述
• 1. 沉淀类型 • 根据废水中可沉降物质颗粒的大小、凝聚性能 的强弱及其浓度的高低，按观察到的现象可把 沉淀可分为四种类型： • 自由沉淀（discrete settling） • 絮凝沉淀（flocculent settling） • 区 域 沉 淀 （ 成 层 沉 淀 、 拥 挤 沉 淀 ） (zone settling, group settling, hindered settling) • 压缩沉淀（compression settling）
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2 沉淀理论
自由沉淀理论及斯托克斯公式
• 自由沉淀可用牛顿第二定律表述。 • 计算颗粒沉降速度(terminal settling velocity)的假设： • （1）颗粒为球形，不可压缩，也无凝聚性，沉降过 程中其大小、形状和质量等均不变； • （2）水处于静止状态； • （3）颗粒沉降仅受重力和水的阻力作用。 • 在以上假设的条件下可以得出球形颗粒的沉降速度 公式。
第八章 水的物理化学处理方法
• • • • 第一节 水中粗大颗粒的去除 第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除 第三节 水中溶解物质的去除 第四节 水中有害微生物的去除
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第一节 水中粗大颗粒的去除
• 一、格栅、筛网和微滤机 • 二、离心法
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一、 拦截法（格栅与筛网）
作用：
• 筛滤的目的是去除废水中粗大的悬浮物和 杂物(detritus)，以保护后续处理设施能正 常运行的一种预处理方法。
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（三）筛余物的处置
• 收集的筛余物（screenings）运至处 置区填埋（landfill）或与城市垃圾 一起处理。 • 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。
• 对于大型水处理系统，也可采用焚 烧的方法彻底处理。
6Hale Waihona Puke Baidu
二、 离心分离法
• 概念：物体高速旋转时，产生离心力场。利用 离心力分离废水中密度与水不同的悬浮物的处 理方法，就是离心分离法。 •
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• 另外，根据颗粒随水旋转时所受到的向心力与水的反 向阻力平衡的原理，可导出粒径为为dp（m）的颗粒的 稳定分离速度uc（m/s）为：
2 2r( p 1 )d p uc 18
• 式中，ρp和ρ1分别为颗粒和水的密度（kg/m3）；µ为水 的动力粘度（0.1 Pa· s）。当ρp > ρ1时，uc轧为正值，颗 粒被抛向周边；当ρp < ρ1时，颗粒被推向中心。在离心 分离设备中，能进行离心沉降和离心浮上两种操作。
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（1）预曝气
• 第一种是单纯曝气，即仅进行曝气，不 投加任何物质，目的是促进自然絮凝。
• 第二种是在曝气的同时，投加生物处理 单元排出的剩余生物污泥，利用这些污 泥所具有的活性产生絮凝作用，这一过 程称为生物絮凝。
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（2）向心辐流式沉淀池
• 一般的辐流式沉淀池，废水是从中心进 入而在池四周出流，进口处流速很大， 呈紊流状态，这时原废水中悬浮物质浓 度亦高，紊流状态阻碍了它的下沉，影 响沉淀池的分离效果。 • 而向心辐流式沉淀池与此恰恰相反，原 废水从池周流入，澄清水则从池中心流 出。 • 也可以采取池周进水池周出水的方式.
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按沉降污泥与水的运动方向的不同， 斜板（管）沉淀池分为异向流、同向 流和横向流三种，
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四、过滤法
（一） （二） （三） （四） （五） 过滤的含义和分类 深层过滤的基本过程 过滤理论 滤池类型与结构 其它滤池
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（一）过滤的含义和分类
• 概念：过滤是使含悬浮物的废水流过具 有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮 物被截留在介质表面或内部而除去。 • 根据所采用的过滤介质不同，可将过滤 分为两大类：
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（三）过滤理论
• 快滤池分离悬浮颗粒涉及多种因素和过程， 一般分三类： • 迁移机理：悬浮颗粒脱离流线而与滤料接 触的过程。 • 附着机理：由上述迁移过程而与滤料接触 的悬浮颗粒，附着在滤料表面上不再脱离， 就是附着过程。 • 脱落机理：反冲洗过程
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按形状
（二）筛网
• 筛网孔的形状和大小与格栅不同，最常 用的使用金属丝编织成的方孔筛网。作 用是除去细小的悬浮物。
振动筛网 (vibration screen) 水力筛网 (hydraulic screen)
分类
转鼓式筛网 (drum screen) 转盘式筛网 (disc screen)
微滤机 (micro filtration)
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（3）斜板（管）沉淀池（lamella plate） 颗粒在多层沉淀池内沉降的示意图
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浅池沉淀理论
• 通过降低沉淀池的深度可以提高沉淀池的效率 • 如果把沉淀池分成n层，理论上在不改变流量 和处理效率的条件下，沉淀池的体积可以缩小 为原来的1/n； • 在不改变沉淀池体积的条件下可以把处理量提 高到原来的n倍。 • 但分层后在实际应用时会带来一定的问题，如 排泥和维修问题。 • 所以工程上把水平隔层改为倾斜成一定角度的 斜面，这就是斜板沉淀池，如果板间再加隔板 则称为斜管沉淀池。
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4.6.5 沉淀池
沉淀池的分类 • 平流式(horizontal-flow) ：平流式沉淀池 ，废 水从池一端流入，沿水平方向在池内流动，从 另一端溢出，池的形状呈长方形，在进口处的 底部设贮泥斗。
• 辐流式(radial-flow)：形状呈圆形或方形， 废水从池中心进入，沉淀后废水从池周 边溢出。 • 竖流式(upward-flow)：废水从池中央下 部进入，由下向上流动。
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（二）离心分离设备
• 按照离心力的产生方式，分为两类： • 1. 水力旋流器：水力旋流器、旋流沉淀池，其 特点是器体固定不动，而由沿切向高速进入胎 内的物料产生离心力； • 2. 离心机：各种离心机，其特点是由高速旋转 的转鼓带动物料产生离心力。
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• 2．离心机
• 离心机的种类和型式很多。
分类：
• 筛滤的构件包括平行的棒、条、金属网、格网或 穿孔板。 • 由平行的棒和条构成的称为格栅(bar screen)； • 由金属丝织物或穿孔板构成的称为筛网(screen)。
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（一）格栅
位置： 格栅一般斜置在进水泵站集水井的进口处。 分类：
平面格栅（flat bar screen）： 筛网呈平面 曲面格栅（curve bar screen）： 筛网呈弧状
• • • • • • 1. 多孔材料过滤 （1）格筛过滤（screen） （2）微孔过滤（microfiltration） （3）膜过滤（membrane filtration） 2. 颗粒材料过滤 深层过滤（depth filtration）
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（二）深层过滤的基本过程
• 过滤过程分为过滤(filtration)和反洗(backwash) 两个阶段： • 过滤(filtration)：过滤即截留污染物； • 反洗(backwashing)：反洗即把污染物从滤料层 中冲走，使之恢复过滤能力。 • 过滤周期(filter run)：从过滤开始到结束延续的 时间称为过滤周期（或工作周期）。 • 过滤循环(filter cycle)：从过滤开始到反洗结束 称为一个过滤循环。