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1、第10章 污水的物理处理,大纲(outline),1.格栅(Screens)2.沉淀的基础理论(basic theory of sedimentation)3.沉砂池和沉淀池(Grit chamber&Settling tank)4.隔油池和气浮池(oil separator&flotation tank),水污染控制技术概述Outline of wastewater treatment technology,(1)一级处理（Primary treatment）物理法（physical unit operation）：过滤、沉淀、气浮、离心分离；(2)二级处理（Secondary treatm
2、ent）生物法（biological unit operation）：好氧生物处理、厌氧生物处理；(3)三级处理（Tertiary treatment/advanced treatment）化学法（chemical unit operation）：化学沉淀、混凝、中和、氧化还原；物理化学法（physical-chemical unit operation）：萃取、吸附、离子交换、膜法。,回顾：沉淀池的工作原理(ideal settling tank),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：,对于沉速为u1(u1 u0)的全部悬浮
3、颗粒，可被沉淀于池底的总量为：,沉淀池对悬浮颗粒的去除率：,由运动轨迹可以得出：,V:颗粒的水平流速；qv:进水流量A1:沉淀区过水断面面积；H:沉淀区水深b:沉淀区宽度；L:沉淀区长度u0:颗粒下沉速度；A：沉淀池沉淀区面积,q,q：表面水力负荷（Hydraulic surface loading rate）,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（Overflow rate），用q表示，单位（量纲）是：m3/(m2s)或m3/(m2h)，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(Surf
4、ace area)有关，与池深、体积均无关。,3 沉砂池(Grit chamber),功能(function)：去除比重较大的无机颗粒(inorganic particles)，比重2.65、粒径0.21mm以上。现有沉砂池能去除粒径0.11mm砂粒70%以上。工作原理：重力（gravitational force）分离和离心力（centrifugal force）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（pumping station）、初次沉淀池前。常用种类：平流式（horizontal-flow）、曝气沉砂池（aerated）、旋流式（vort
5、ex grit chamber）。,(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。污水自流进入时，应按每期的最大设计流量（peak flowrate）计算；污水为提升进入时，按每期工作水泵的最大组合流量计算；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（specific weight）为2.65、粒径（diameter of particles）为0.21mm以上。,一般原则与主要设计参数（design principle）,(4)城市污水的沉砂量（grit quantities）可按每106m3污
6、水含砂30m3计算，其含水率（moisture content）约60，容重（volume-weight）约1 500kg/m3。(5)贮砂斗容积（volume of grit hopper）应按2日沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55。排砂管（grit discharge pipe）直径不应小于200mm。(6)沉砂池的超高不宜小于0.3m。,一般原则与主要设计参数,一般原则与主要设计参数（design principle）,3.1 平流式沉砂池（horizontal-flow）3.2 曝气沉砂池（aerated）3.3 旋流沉砂池（vortex-type）,第3节 沉砂池(Grit ch
7、amber),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。,3.1 平流式沉砂池(Rectangular horizontal-flow),3.1 平流沉砂池(horizontal-flow grit chamber),构造：入流渠(influent channel)、出流渠(effluent channel)、闸板(baffle)、沉砂区（grit chamber）及沉砂斗(grit hopper)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(max flow velocity)为0.3m/s,最小0.15m/s。最大流量时，停留时间（detention time
8、）3060s。有效水深不大于1.2m，通常0.251.0m，池宽不小于0.6m。池底坡度（bottom slope）一般为0.010.02。,3.池总宽度b 式中：h2设计有效水深。4.贮砂斗所需容积V 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。,1.长度L 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。2.水流断面面积A 式中：qvmax最大设计流量，m3/s。,设计计算（design and calculation）,3.1 平流式沉砂池(Rectangular horizont
9、al-flow),3.2 曝气沉砂池（aerated grit chamber）,特点：沉砂中有机物含量低于；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（helical/spiral flow）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。In aerated grit chambers,air is introduced along one side of a rectangular tank to create a spiral flow patte
10、rn perpendicular to the flow through the tank.The heavier grit particles settle to the bottom of the tank,while the lighter(organic particles)remain in suspension and pass through the tank.,Photo of aerated ST,设计参数（design parameter）最大流量时，停留时间（Detention time）1-3min；水平流速（horizontal velocity）一般取0.1m/s；
11、有效水深宜为2.0-3.0m。池宽与池深比（width-depth ratio）为1-1.5；长宽比（length-width ratio）可达5；曝气池多采用穿孔管曝气(diffuser tube)。距离池底约0.6-0.9m；每立方污水所需曝气量（air supply per m3 wastewater）宜为0.1-0.2m3，或每平方米池表面积曝气量为3-5m3/h；集砂槽（grit storage trough）侧壁倾角应不小于60度；底部坡度（集砂一测）i=0.1-0.5。,3.2 曝气沉砂池,设计计算（p39）总有效容积（available volume）V；池断面面积(cross
12、-sectional area)A；池总宽度(width)B；池长(length)L；所需曝气量(air supply requirment)q。贮砂斗体积(volume of grit trough)V1和尺寸？,3.2 曝气沉砂池,功能(performance)：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
13、砂池应用较为广泛。,3.3 旋流沉砂池(vortex grit chamber),进水口（Inlet）,出水口（Outlet）,集砂斗（grit hopper）,涡轮驱动装置（Rotating turbine）,吸砂管（Airlift pump）,沉砂区(settling chamber),沉砂池排砂方式,设计参数（design parameter）：最高流量（peak flowrate）设计时，停留时间（detention time）不应小于30s；设计水力表面负荷(surface loading rate)宜为150-200m3/（m2h）有效水深(water depth)宜为1.0-2.
14、0m，池径与池深比以为2.0-2.5。钟式沉砂池设计可按p42表10-3选型。,3.3 旋流沉砂池,旋流沉砂池尺寸,小结（Summary）,格栅（回转式）工作机理；格栅设计计算（设备选型）；沉淀4种类型及水力表面负荷率q；曝气沉砂池、旋流沉砂池设计计算。,功能（function）：分离悬浮物（SS），可去除20-30%左右的BOD5和40-55%左右的悬浮物;位置（application）：絮凝池后或污水生物处理构筑物前后，在前边称为初次沉淀池（primary settling tank），在后边为二沉池（secondary settling tank）;运行方式（operation）：间歇式
15、和连续式（batch or continuous）;构造（structure）：进水区（inlet）、出水区（outlet）、沉淀区（settling zone）、贮泥区（sludge storage zone）及缓冲区（buffering zone）;类型（categories）：平流式，竖流式，辐流式。,第4节 沉淀池(settling tank),沉淀池三种流态,平流式（horizontal-flow）,竖流式Vertical-flow,辐流式Radial-flow,4.1 平流式沉淀池(Horizontal-flow ST)4.2 竖流式沉淀池(Vertical-flow ST)4.3
16、 辐流式沉淀池(Radial-flow ST)4.4 斜板/管沉淀池(Inclined-plate/tube ST),第4节 沉淀池(Settling Tank),平流式沉淀池Rectangular horizontal-flow settling tank,竖流式沉淀池Circular vertical-flow settling tank,辐流式沉淀池 Circular radial-flow settling tank,1)设计流量（flowrate）：与沉砂池相同，按最大流量（peak flowrate）作为设计流量；2)座数(number)：不少于2座；3)经验设计参数p45表10-
17、5:沉淀时间(detention time)，表面水力负荷(surface loading rate)，污泥量(solid quantity)，污泥含水率(moisture content)等；4)有效水深宜为2.0-4.0m，沉淀时间与表面水力负荷的关系：有效水深=表面水力负荷*沉淀时间5)沉淀池几何尺寸(dimension)：超高不少于0.3米，缓冲层0.3-0.5米，排泥管(solid drawoff pipe)直径不小于200mm。,沉淀池一般设计原则及参数（design principle）,6)沉淀池出水部分：一般采用堰流，堰口(outlet weir)水平，出水堰负荷(weir
18、loading)有一定要求。7)贮泥斗(solid hopper)的容积：一般按不大于2日的污泥量计算。对二沉池，按贮泥时间不超过2小时。8)排泥方式：一般采用静水压力排泥(hydraulically)；静水压力(hydrostatic pressure)数值：初次沉淀池不小于1.5mH2O；活性污泥法的二沉池不小于0.9mH2O；生物膜法的二沉池不小于1.2mH2O。,沉淀池一般设计原则及参数（design principle）,4.1 平流式沉淀池（horizontal-flow ST）,构造(structure)：进水装置（进水槽influent weir、挡流墙baffle整流措施），
19、出水装置（出水槽effluent weir），排泥装置（泥斗hopper、排泥管drawoff piping、刮泥行车traveling-bridge collectors、刮泥板chain-and-flight collector等）特点：池型成长方形(rectangular)，废水从池的一端流入，水平方向流过池子，从池的另一端流出。在池的进口处底部设贮泥斗，其它部位池底有坡度，倾向贮泥斗。设计计算(design and calculation),I.流入装置(inlet):配水槽(influent channel)、挡板(baffle):起均匀布水、消能作用,阻挡浮渣.挡流板入水深 0.2
20、5 m,水面以上0.15-0.2 m,距流入槽0.5-1.0 m。II.流出装置(outlet)：流出槽(effluent channel):设溢流堰(overflow weir),溢流堰严格水平,既可保证水流均匀,又可控制沉淀池水位,为此溢流堰常采用 锯齿形堰(V-notch)。溢流堰最大负荷(max weir loading):初沉池 250 m3/md 二沉池 250 m3/md 出流挡板(baffle):入水深0.3-0.4 m,高出水面0.1-0.15m,距溢流堰 0.25-0.5 m（一般取 0.3 m）,III.沉淀区(settling zone)水力条件(hydraulic c
21、ondition)要求：a.减少紊动性：紊动性(Turbulence)指标Re=vR/：运动粘度 b.提高稳定性(hydraulic stability)：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。）同时满足时只能降低水力半径（hydraulic radius）R，措施是加隔板及满足：L/b 4,L/h2=8-12；此外，水流速度（flow velocity）的控制也很重要：适宜范围：10-25 mm/s（给水）v 5mm/s（污水）,IV.缓冲层(buffering zone)：避免已沉污泥被水流搅起以及缓冲冲击负荷.V.污泥区(solid storage
22、 zone)：起贮存、浓缩、排泥作用.VI.排泥装置(solid drawoff device)：i.集泥:刮泥机（适于初沉池）链带式刮泥机(chain-and-flight collector):链带装有刮板,沿池底缓慢移动,速度约 1 m/min,把污泥缓缓推入污泥斗。缺点:机件长期浸于水中,易被腐蚀,且难维修。行走小车刮泥机(traveling-bridge collectors):小车沿池壁顶的导轨往返行走,使刮板将污泥刮入污泥斗,浮渣刮入浮渣槽(scum trough)。优点:整套刮泥机都在水面上,不易腐蚀,易于维修,2)设计计算(design and calculation),包括
23、流入（inlet）、流出（outlet）装置，沉淀区（settling zone）、污泥区（solid storage zone）、排泥和排渣设备（solid-removal method and device）选择等。,a.表面负荷q（surface loading rate）,单 独 处 理：q=1.52.5 m3/m2.h 二级处理前：q=1.5 2.04.5 m3/m2.h,b.池有效沉淀表面积（surface area）A A=Qvmax/q设,c.沉淀区有效水深h2 h2=q设t设,h2:一般用2-3m,d.沉淀区有效容积V V=Ah2,e.沉淀区长度L L=vt设,v:最大设计流
24、量时的水平流速,一般不大于5mm/s L:一般30-50m,f.沉淀区宽度B B=A/L,b:每座或每格宽度,一般5-10m L/b4,L/h2=8-12,h.缓冲层高(height of buffering zone)缓冲层h3=0.3-0.5m,超高h1=0.3m,i.污泥区计算：容积Vw,已知污水SS浓度及去除率时:W：每日污泥量；C1、C2：原水与出水SS浓度；P：污泥含水率,处理生活污水（domestic sewage）时：S 每人每日产生的污泥 量,0.3-0.8L/人.d N设计人口数 T 污泥清除间隔时间,Vw=SNT/1000,H=h1+h2+h3+h4(污泥区高度),j.沉
25、淀区总高度(total height of settling zone),k.污泥区尺寸计算(dimension of solid storage zone)贮泥斗容积V1和梯形部分容积V2,4.2 竖流式沉淀池(vertical-flow ST),特点：池型多为圆形(circular)，废水从池中央的中心管(central tube)进入，从中心管的下端经过反射板(baffle-board)后均匀缓慢的分布在池的横断面上，污水以一定流速作向上作竖向运动，出水堰口(outlet weir)设置在池面或池墙四周(periphery of the tank)。,工作原理：悬浮颗粒三种运动状态(fl
26、ow patten)：当颗粒沉速uv（上升速度）时，则颗粒以u-v的差值向下沉淀，颗粒得以去除；当u=v时，颗粒处于随机状态，不下沉也不上浮；当uv时，颗粒不能沉淀下来将随水流走。当颗粒属于自由沉淀（discrete particle setting）时，其沉淀去除效果要比平流式沉淀池差。当颗粒属于絮凝沉淀（flocculation settling）时，池中就会出现上升颗粒与下降颗粒、上升颗粒与上升颗粒之间、下降颗粒与下降颗粒之间相互接触、碰撞，致使颗粒的直径逐渐增大，有利于颗粒沉淀。,4.2 竖流式沉淀池(vertical-flow ST),1)构造（structure）,圆形或正方形,直
27、径或边长 4-7m,不大于 10 m,沉淀池呈圆柱形(circular),污泥斗为倒锥体(inverted cone),=4560 等,污泥管直径:200mm,中心管(center tube)内流速v0=30mm/s,喇叭口直径及高度为中心管直径的1.35倍;反射板直径为喇叭口直径的1.30倍,与水平倾角为17，底距泥面至少0.3米.喇叭口与反射板之间的v1(对于初沉池=30mm/s,对于二沉池=20mm/s),D/h2=3,以保证水自下而上做垂直流动;,排泥（discharge of solids）：竖流式沉淀池可用静水压力排泥(hydraulically),不必用机械刮泥设备,但池深较大,
28、故一般适用于中小型污水处理厂.竖流式沉淀池可用作二沉池，污泥浓缩池。,2)设计计算（design and calculation）,a.中心管直径与面积,面积f1=Qmax/v0(m2)直径d0=(4f1/)1/2(m),Qmax:每个池的最大设计流量,m3/s v0:中心管内流速,m/s,b.沉淀池的有效沉淀高度,即中心管高度h2,h2=vt(m),Qmax:每个池的最大设计流量,m3/s v:污水在沉淀区的上升流速,m/s,如有资料,v=u(拟去除的最小颗粒的沉速)如无资料,v=0.5-1.0mm/s(实际为表面负荷),c.中心管喇叭口到反射板之间的间隙高度h3,h3=Qmax/(v1d1
29、)(m)d1h3:表面积 v1:间隙流出速度,一般=30mm/s d1:喇叭口直径,m,d.沉淀池总面积和池径(total area and diameter),沉淀区面积f2=Qmax/v(m2)沉淀池面积(含中心管)A=f1+f2(m2)沉淀池直径 D=(4A/)1/2(m)校核:D/h2=3,e.缓冲层高(height of buffering zone)h4=0.3m,f.污泥斗高(height of solid hopper)h5=(R-r)tg,g.沉淀池总高度(total height of the tank)H=h1+h2+h3+h4+h5,4.3 辐流式沉淀池(radial
30、flow ST),特点：池型多呈圆形(circular)。池型、进出口布置与竖流池相同，但池径与池深之比远大于竖流池，是一种大型沉淀池，水流在池中央呈水平方向向四周辐射流动(radial flow)，泥斗设在池中央，池底向中心倾斜，污泥通常用刮泥(或吸泥)机械排出。构造特点：进水槽(influent weir)端面较大，布水比较均匀。可分为普通辐流式沉淀池（中心进水central inflow，周边出水peripheral outflow）和向心辐流式沉淀池（周边进水，中心出水；周边进水，周边出水 peripheral inflow-outflow）,辐 流 式 沉 淀 池 剖 面,中心进水,
31、周边进水,可用作初沉池（primary）和二沉池（secondary clarifier）。尺寸（dimension）:池型呈圆形或正方形,直径或边长6-60m，最大可达100m，池周水深1.53.0m,池底坡度一般0.05。布水（flow distribution）:穿孔档板，穿孔率：1020%污泥贮存时间（solid detention time）:一般为4h(机械刮泥)；旋转刮泥机：23转/h。排泥（solid removal）:真空吸泥机或静水压力排泥。出水堰（effluent weir）：锯齿堰（V-notch），堰前设档板，拦截浮渣。,适用（application）：大水量，但占地
32、大，机械维修，配水条件差,2)设计计算（design and calculation）设计表面负荷q 初沉池：24 m3/m2.h 二沉池：1.53.0 m3/m2.h,每座沉淀池表面积(surface area)和直径(diameter)A1=Qmax/nq n:池子个数 一般3050 m(660 m)有效水深(depth)h2=qt t：沉淀时间，一般用1.02.0 h D/h2=612 此处校核,沉淀池总高度(total height)H=h1+h2+h3+h4+h5 h1:保护高度，取0.3 m；h2：有效水深；h3：缓冲层高；h4：池底坡落差；h5：污泥斗高 向心幅流式（centri
33、petal radial flow）向心式的表面负荷（surface loading rate）可提高约1倍。,平流 辐流 竖流 水力负荷(m3/m2s)1 3 2 4 1.8 3.6 总高度 小 小 大 占地 大 大 小 管理 简单 复杂 简单 适用范围 大中小流量 大流量 中小流量,三种沉淀池的比较,1)前三种沉淀池的缺点：去除率不高；池体大、深,占地面积大。,2)改善的途径：改善水中颗粒的沉降性能(混凝、预曝气、回流污泥）改进沉淀池的构造（斜板沉淀池）,沉淀性能的改进与强化,工作机理：浅池理论“shallow tank theory”池长为L，池深为H，池中水平流速（horizontal
34、 velocity）为v，颗粒沉速（settling velocity）为u0的沉淀池中，在理想状态下，L/H=v/u0。L与v值不变时，池深H越浅，可被沉淀去除的悬浮物颗粒（SS）u0也越小。若用水平隔板，将H分为3等层，每层深H/3，在u0与v不变的条件下，则只需L/3，就可将沉速为u0的颗粒去除，也即总容积可减小到1/3。如果池长L不变，由于池深为H/3，则水平流速可增加到3v,仍能将沉速为u0的颗粒沉淀掉，也即处理能力可提高3倍。把沉淀池分成n层就可把处理能力提高n倍。这就是20世纪初，哈真(Hazen)提出的浅池沉淀理论。,4.4 斜板沉淀池（Inclined-plate ST）,构
35、造(structure)：为了解决沉淀池的排泥问题，浅池理论在实际应用时，把水平隔板改为倾角(inclined angle)为a的斜板(inclined plate)或斜管(inclined tube)。分类(categories)：按水流方向与颗粒沉淀方向间的相对关系分为：a.侧向流(lateral flow)斜板（管）沉淀池;b.同向流(cocurrent flow)斜板（管）沉淀池;c.逆（或异）向流(Reverse Flow)斜板（管）沉淀池。设计计算（p55）,4.4 斜板沉淀池（Inclined-plate ST）,第5节 隔油和破乳5.oil separation and dem
36、ulsification,废水中油类污染物的3种状态：呈悬浮状态的可浮油(floatable oil)，呈乳化状态的乳化油(emulsified oil)，呈溶解状态的溶解油(soluble oil).隔油池（oil separator）：利用油水比重差将可浮油从水中分离的装置；分平流式和斜流式(inclined flow)；去除效率70%80%。破乳（demulsification）：投加乳化剂（demulsifier），将乳化油表面乳化剂作用消除，将乳化油转变为可浮油的过程。,第6节 气浮法(Flotation),作用：固液或液液分离方法，常用于颗粒密度接近或小于水的细小颗粒的分离。原理：
37、将空气以微小气泡（fine gases）形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离出去。气浮法需要的基本条件：必须向水中提供足量的小气泡（tiny bubbles）；污染物质能形成悬浮状态；气泡和悬浮物质能粘合。,6.1 气浮法的应用（application）,在污水处理领域，浮选广泛应用于：分离地面水中的细小悬浮物、藻类及微絮体；代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥；浓缩化学混凝处理产生的絮状化学污泥；回收含油污水中的悬浮油及乳化油；回收工业废水中的有用物质，如造纸厂污水中的纸浆纤维等。,6.2 气浮法的
38、类型（categories）,电解气浮法（Electrolytic air floatation）：利用电解作用产生氢气和氧气将微小颗粒上浮，适用于脆弱絮状悬浮物。分散空气气浮法（Dispersed-air floatation）：包括微气泡曝气和剪切气泡法。溶解空气气浮法（Dissolved-Air Floatation）：真空气浮法和加压溶气气浮法(pressure DAF)。,加压溶气气浮法Pressurized Dissolved-Air Floatation,原理：operates by forcing air under pressure to dissolve in the re
39、turn flow and releasing the pressure as the return is mixed with the inflow.As the air comes out of the solution,tiny bubbles attach themselves to the solids and carry them upward,to be scraped off.系统组成：加压溶系统由水泵(pressurizing pump)、溶气罐(pressure tank)、气浮池(flotation tank)、刮渣机(scum collector)等设备组成。空气注入溶
40、气罐可用空气压缩机或射流器(jet)。类型：全加压溶气/部分加压溶气/部分回流加压溶气(part circumfluence DAF)。,1)气浮所需空气量，通过气固比 A/S 计算；2)容器灌（pressure tank）选型；3)气浮池尺寸(dimension of flotation tank):接触室表面积Ac=(Q+QR)/uc；uc取10-20 mm/s 分离室表面积As=(Q+QR)/q；q取6-8 m3/m2d 气浮池体积V=(Ac+As)H；H 取2.0-2.5 m 停留时间t=V/Q；接触室tc12min，反应池t=5 15min。用停留时间(detention time)核实。,6.3 气浮池设计参数（design parameters）,本章需重点掌握的知识点,污水物理处理的对象、工艺以及机理；格栅选型和旋流沉砂池的设计；沉淀池设计的一般原则，主要设计参数和设计计算；气浮法的原理和分类。,
