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1、第二章 水处理,2.6 沉淀（1）概述在沉淀池（或叫澄清池）中，在一定时间内沉淀下来的颗粒可以被去除。沉淀池通常为矩形或圆形，水流可以是辐流式或上流式。尽管沉淀池的形式不同，但是其设计上一般分成四个区域：进水区、沉淀区、出水区和污泥储存区。设置进水区的目的是使水流均匀分布，且使悬浮颗粒通过截面进入沉淀区。进水区包括一系列进水管和挡板。挡板设置在沉淀池1m以下并延伸到池底。在挡板系统后面，水流依进水构造的不同，呈现不同的流动形式，在某些点水流呈均匀分布且水的流速减慢到沉淀区的设计流速。在这些点，进水区终止，沉淀区开始。,平流式沉淀池,上流式沉淀池,圆形沉淀池污泥收集系统的照片,圆形沉淀池污泥收集
2、系统的示意图,设计良好的挡板系统，进水区就在沉淀池的长度方向上延伸约1.5米，进水区设计是否合理对去除效率有很大影响。如果进水区的设计不合理，进水流速将无法降低到沉淀区的设计流速。进水区的长度不能加到沉淀区的设计长度中去，两者的长度必须分开设计。污泥储存区的构造和深度取决于清泥方式、清泥频率和估计的污泥量等参数。所有这些参数都可以估算。如果沉淀池足够长，则储存深度可由池的底部深度提供，否则必须在进水末端设置污泥斗。,在沉淀池内水流回经过很大的面积。流速缓慢。如果澄清水的输出管道设置在沉淀池的末端，所有的水将会冲进管道，在沉淀池内形成较高流速，从而导致已经沉淀的絮体上升，并混入出水中。絮体洗出的
3、现象称为“冲洗”（scouring）。产生的原因之一是出水区的设计不合理。较理想的方式是设计一系列水槽，以提供较大的面积使水流通过，并减少沉淀池中靠近出水区水流的速度。这些水槽称为堰（weirs）。在堰的后面再将水流导入中央处的渠或管道，输送沉淀后的出水。与轻颗粒相比，重颗粒所需要的堰较短。典型的堰溢流率,2.6.2 沉淀原理,沉淀区设计需要了解两个重要参数：絮体沉降速率Vs和沉降池运行的设计速率V0。颗粒向下沉降的同时，水流垂直地上升。颗粒从沉降池底部去除而不会随出水流走的条件：Vs V0。设计中需要确定颗粒的沉降速率，并将溢流率设定为较低的数值。对于上流式沉降池，V0=50%70%Vs。,
4、溢流率（overflow rate）：水的上升速率，有时也称为表面负荷率，单位为m3/(d m2)，表示单位面积上的流量（m3/d）。可以看成每天每平方米的沉淀池表面积上所流经的水量，与负荷类似。与液体速率相同（m/s）。理想的平流式沉淀池符合以下三个假设：颗粒与水流的流速均匀地分布在沉淀池截面上；颗粒均匀分布，沉速不变，等速下沉，水平分速等于v；任何颗粒只要接触到池底就认为被去除。,理想的平流式沉淀池中颗粒去除情况,假设一颗粒在A点，若要将其从水中去除，则该颗粒需要有足够大的沉降速度，以确保在水流通过沉淀池的停留时间内能够到达沉淀池的底部，即沉降速度至少应该等于沉淀池的深度除以停留时间：Vs
5、=h/t0。颗粒的沉降速率必须大于或等于沉降池的溢流率。Vs=h/t0=h/(V/Q)=hQ/(lw h)=Q/(lw)而(lw)即为沉淀池的表面积（As）这表明平流式沉淀池的去除效果与池的深度无关。,平流式沉淀池的去除效果为什么与深度无关？,当颗粒沉降速率Vs大于或等于溢流率V0时，去除该颗粒所需的沉淀池颗粒仅为h/2，如果深度较大时则沉降速率等于V0的颗粒将无法完全去除。不过在较低深度处进入沉淀池的颗粒，可以到达底部，所以会发生部分去除的现象。,平流式沉淀池部分去除发生的原因？,与上流式沉淀池不同，在平流式沉淀池中VsV0的颗粒仍有部分能够去除。例如，沉降速率为V0/2的颗粒均匀地进入沉降
6、区，将有50%的颗粒会被去除。同样，沉降速率为V0/4的颗粒，有1/4的比例会被去除。在沉淀池中溢流率设计值为V0，沉降速率为Vs时，颗粒的去除率P为：P=Vs/V0。,理想沉淀池中部分颗粒去除情况示意图,Example 1,一平流式沉淀池，其溢流率为17m3/(d.m2)，希望去除沉降速率分别为0.1mm/s,0.2mm/s和1mm/s的颗粒。试计算在理想沉淀池中不同沉降速率颗粒的去除率。Solution：转换单位：V0=17m3/(d.m2)=0.2mm/s；（1）Vs=0.1mm/s V0，去除率P=100%,，所有颗粒可以被轻易地除去。,2.6.3 Vs的确定方法,在设计理想沉淀池时，
7、首先需要确定欲被去除颗粒的沉降速率（Vs），然后设定溢流率（V0）的值小于或等于Vs。对于不同类型的颗粒，其沉降速率的确定方法不同。颗粒的沉淀类型通常氛围以下三种：I型沉淀：颗粒以一定的沉降速率独立地沉淀。这些颗粒在沉淀过程中互不干扰，其形状、尺寸和质量均不会改变，下降速率也不改变。即颗粒以单一的形态沉降且在沉降期间不会发生絮凝或被其它颗粒粘附，例如沙与砾石的沉淀。常见于沉沙池、预沉池中。II型沉淀：沉淀过程中颗粒会发生絮凝作用，其形状、尺寸和质量会不断地改变，下降速率也会变化。常见于铝、铁的混凝过程、初级沉淀池等。,III型沉淀或区域沉淀：颗粒在区域沉淀中具有较高的密度（大于1000mg/L
8、），颗粒形成层状物，呈整体沉淀状，并形成较明显的固-液界面。清楚地呈现出澄清区和污泥区。区域沉淀发生于石灰软化沉淀、活性污泥沉淀和污泥浓缩池中。2.6.4 V0的确定方法：有5种方法确定Vs，从而确定溢流率V0。（1）计算I型沉淀：落入静止流体中的颗粒会进行加速运动，直至颗粒受到的作用力（重力，摩擦力和浮力）均衡为止。,2.6.4 V0的确定方法：,三种力的定义：重力FG，浮力FB，拖拽力（摩擦阻力）FD（CD为拖拽系数）：使颗粒加速运动的牵引力是重力与浮力之差：当拖拽力等于此牵引力时，颗粒的速度将达到一个定值，称为终端沉降速度，Vs。此时，FG-FB=FD，从而,对于直径为d的球形颗粒：由此
9、可以得到终端速率的表达式：拖拽系数或摩擦系数CD根据周围流体的流态不同而取不同的值。流态可以定性地分为层流、湍流和过渡流。采用雷诺数（Reynolds number）来定量地描述不同的流态。,牛顿拽力系数与雷诺数的关系,在高雷诺数（Re10,000）情况下，对球体所产生的涡流阻力而言，CD值约为0.4。在低雷诺数（Re0.5）时，对球体产生的粘滞阻力而言：CD=24/Re在过渡区，0.5Re10,000，球体的拖拽系数可用下式近似计算：在静态层流情况下，Vs采用Stokes定理：可设定V0=(0.330.7)Vs。,（2）第二方法：絮凝沉淀实验室数据或中试数据目前没有合适的数学关系式可用来描述
10、II型沉淀。在沉淀过程中，絮体颗粒持续地改变形状、尺寸与密度，因此不能用Stokes公式计算。通常在实验室中用沉淀柱试验来获得设计数据。首先将沉淀柱装满待分析的悬浮液，在一定的时间间隔内于采样口排水取样，分析每个样品的悬浮固体浓度。去除百分比可利用下式计算：R表示在某一深度与时间下的去除率；Ct为在一定深度处，时间t时的浓度，mg/L。绘出沉淀柱中颗粒的去除率与深度的关系图，以5%或10%的间隔连接图中各点以组成等浓度曲线。以沉淀柱底部与等浓度曲线的交点求溢流率。,溢流率：V0=H/ti式中H为沉淀柱高度，m；ti，时间：沉淀柱底部（x轴）与等浓度曲线的交点的时间，其中下标i表示第1，2，3等
11、交点。在ti处绘制垂直线，与所有通过时间ti的等浓度曲线相交，再利用等浓度曲线间的中点定义H1、H2、H3等高度。以计算固体物质的去除率。该式为沉淀时间为Ta时的总的去除率。这些实验数据应用于沉淀池设计时，溢流率的放大系数为0.65，停留时间的放大系数为1.75。,（3）区域沉淀的实验室数据：对于区域沉淀而言，设计参数可以通过实验室实验得到。溢流率设计值设定为实验室数值的0.50.7倍。（4）烧杯实验数据：可确定混凝絮体的沉降速率。（5）经验设计值：所有形式的沉淀池均有典型的设计值。但这些设计值一般很保守。只有这样才能保证设计不佳的进水区或出水区能正常地工作。典型沉淀池溢流率数值见下表：,Ex
12、ample 2,某水处理厂的设计流量为0.5m3/s，设计溢流率为32.5 m3/(d m2)，确定沉淀池的表面积。假设典型溢流设计值为20 m3/(d m2)，计算沉淀池的表面积，并将这两个值进行比较。停留时间为95分钟，确定沉淀池的深度。Solution：（1）计算表面积：首先换算流量单位：0.5m3/s=43200m3/d；As=Q/V0=43200/32.5=1330m2。,利用保守设计值，计算表面积：As=Q/V0=43200/20=2160m2。显然，在这种情况下使用保守设计值将会导致沉淀池表面积有60%的富余。一般沉淀池的长宽比介于2：15：1之间，而长度很少超过100米。一般情
13、况下，最少设计2个沉淀池。若按照2个池设计，假定池宽12米，总表面积为1330m2：1330m2/(2)(12m)=55m。长宽比为55m/12m=45，符合一般沉淀池长宽比要求。（2）确定沉淀池的深度：沉淀池的总体积：V=Qt0=0.5 95 60=2850m3。沉淀池深度：H=V/As=2850/1330=2米。该深度不包括污泥储存区。最终设计为两个沉淀池：宽12m长55m 2m，加上污泥储存深度。,2.7 过滤,沉淀池的出水中仍含有絮体颗粒，且出水的浊度在110NTU之间。为了将浊度降低到0.3NTU，一般使用过滤方法。水的过滤是利用沙或其它多孔介质，将流经的水与悬浮状或胶体状物质分开的
14、过程。水 充满沙粒之间的空隙，水中杂质因阻塞在空隙中或附着在沙粒表面而与水分离。滤池分类方法有多种，一种根据使用的介质（沙、无烟煤等），另一种是根据允许的溶剂负荷率。负荷率是单位面积滤床上流过的水量。是水流经滤床表面的流速。,按照不同的负荷率，分为慢砂滤池（2.97.6m3/(d.m2)）、快砂滤池（120m3/(d.m2)）、以及高速砂滤池。,快砂滤池的简化图如下。来自沉淀池的水进入滤池，渗过沙层和砾石床，经过隔板而流入过滤水储存槽。过滤时滤床越来越被堵塞，因水难以通过滤床而使水位上升到砂层以上。最后水位将上升到一个定点，此时滤床已完全堵塞，必须加以清理，此点叫做终端水头损失(termina
15、l head loss)。,此时，关闭阀门A和C，以停止进水并防止水流入过滤水储槽。然后打开阀门E和B，让大量的冲洗水从滤床的底部流入。冲洗水促使砂床膨胀，原来陷在胶体颗粒间的胶体杂质释放出来并进入冲洗水中。几分钟后，冲洗过程结束，而过滤过程重新开始。,2.7.1 滤料的粒径特性,粒状材料的大小分布是使样品材料通过一系列的标准筛来确定的。美国标准筛系列为其中的一种。以1mm的筛网开口为基准，按照(2)1/4倍数递增或递减，最大开口为5.66mm，最小为0.037mm。所有能够通过最小筛网的物质落在一个盘子里，成为系列筛筛出的最终物质。,粒径筛分析是将筛网从开口最大的到开口最小的由上而下放置，再
16、将滤砂样品置于顶层的筛中，经过一段时间的振动以后，称量留在各筛上的砂粒质量。记录其累积质量，并换算成小于或等于各筛口尺寸的砂粒质量分数，然后 绘出质量累计平率分布曲线。2.7.2 过滤水力学原水通过干净成层、空隙率均匀的砂滤池时所产生的压力损失（一般称为水头损失），可用Rose推导的公式表示如下：式中va-流速，m/s；D-滤床深度,m；CD-拖拽系数；f-粒径为d的砂粒的质量分数；d-粒径，m；-形状因子；g-重力加速度，m/s2；-空隙率。CD由拖拽系数与雷诺数的关系确定。,尽管Rose方程只限于干净滤床，但可用它检查过滤的初期状态和砂粒大小分布对水头损失的影响。当滤池堵塞时，水头损失将增
17、大。此时的计算结果为期望的最小水头损失。最初水头损失大于0.6m时意味着负荷率太高，或细砂所占的比例太小。设计时，必须考虑到滤池运行时可能发生的其它水头损失。因此，滤池深度必须至少等于最大设计水头损失，应为3m左右。计算反冲洗水头损失可确定滤槽上方反冲洗水槽的位置。反冲洗水槽的底部必须离膨胀滤床表面至少0.15m，以防止滤料损失Fair 和Geyer提出预测膨胀滤床深度的公式：式中：D-原来滤床深度，m；-原来滤床空隙率；-膨胀滤床空隙率。vb-反冲洗流速，m/s；vs-沉淀速率，m/s。,严格地说，以上计算膨胀滤床空隙率的公式只适合于层流状况。所以Richardson和Zaki提出了更具代表
18、性的方程式：式中，d60%-通过率为60%时的颗粒直径，m。De的值可以直接确定。eVs;而;必须计算CD,而CD是Re的函数;因此也是沉降速率Vs的函数。所以我们必须利用Vs求出Vs。所以就必须采用试差法了。首先估计一个沉降速率值。如果知道砂粒的直径和密度，则利用下图可以得到第一个沉降速率的估计值，以计算Re准数。反冲洗速率选择的限制因素是那些留在滤池中的最小砂粒的终端沉降速率。反冲洗工艺实际上可看成是一个上流式澄清池，反冲洗速率即为澄清池的溢流率，它决定滤料颗粒是留在滤池中还是经洗砂水槽流出。,粘度,2.8 消毒,在水处理中，通过消毒将水体中的病原菌（引起疾病的微生物）减少到可以接受的程度
19、。消毒与灭菌不同，灭菌消灭了所有活的生物，饮用水不需要达到无菌。人体内病原菌主要有三类：细菌、病毒和阿米巴胞囊。有目的的消毒必须能够消灭以上三类病原菌。水的消毒剂必须包括以下特性：（1）必须能够消灭一定温度范围下、在水中存在相当时间的所有种类和数目的病原微生物；（2）必须能够适应待处理水或废水的成分、浓度和其他情况的可能波动；,（3）必须对人和动物无害。在所需浓度范围内无其他（如味觉上）不好的感觉；（4）必须成本低廉、安全、容易储存、输送、处理和使用；（5）消毒剂在处理水中的强度或浓度必须能容易地、迅速地和（最好能）自动测定；（6）能在水中保持一定的浓度，以提供足够强的杀伤力，防止水在使用前被
20、再次污染。残余杀菌力消失表示水可能受到二次污染。2.8.1 消毒动力学在理想条件下，当具有单一敏感位点的微生物暴露于消毒剂中时，其死亡速率遵循Chick定律。即在单位时间内被消灭的微生物数目与其残余的数目成正比：,这是一个一级反应。在实际情况下，杀灭率可能偏离Chick定律。由于消毒剂进入生物细胞中心引起时间延迟，而可能使杀菌率增加。当消毒剂浓度减少或消毒剂与病原菌分布不均匀时，杀菌率可能逐渐降低。2.8.2 水中加氯反应氯是最常使用的消毒剂。其利用形式有氯气，NaOCl和Ca(OCl)2。Cl2+H2O HClO+HCl 几毫秒内完成反应。HClO是一种弱酸，在pH值小于6.0时难于离解。H
21、ClO H+ClO-，pK=7.537（25C）。以HClO和ClO-形式存在的氯称为有效氯。次氯酸盐溶于水中产生ClO-：NaOCl Na+ClO-氯气倾向于降低pH，1mg/L的氯可降低CaCO3硬度1.4mg/L。,2.8.3 氯消毒氯消毒涉及一系列复杂反应并且受到与氯反应物质的种类、反应程度、温度、pH、试验生物活性以及各种其它因素的影响。这些因素使氯对细菌及其它微生物的作用变得复杂化。一般情况下，假设消毒剂的杀菌作用遵循CT理论：溶液中消毒剂浓度（C）与杀菌时间（T）的乘积为一常数。在SWTR中，CT理论广泛应用于胞囊与病毒消毒的标准。CT是一种定义生物失活性能的经验公式：CT=0.
22、9847C0.1758pH2.7519t-0.1467式中t表示温度，C。该式表示当游离氯浓度、pH、水温已知时，游离氯使梨形虫胞囊减少99.9%，所需要的浓度和时间的乘积。,2.8.4 氯-氨反应：NH3+HOCl NH2Cl+H2ONH2Cl+HOCl NHCl2+H2ONHCl2+HOCl NCl3+H2O氯也会与有机氮，如蛋白质、氨基酸等反应生成有机氯胺化合物。氯与氨或有机氮化合物在水中结合形成的氯化合物称为结合有效氯。游离氯溶液的氧化能力随pH变化，这是由HOCl与OCl-浓度的比值随pH变化所致。2.8.5 二氧化氯一种很强的氧化剂。初期消毒、杀灭细菌和胞囊，然后利用氯胺在配水管网
23、系统消毒。ClO2不能在配水系统中维持长时间的余氯量。当ClO2处理水时会形成2种副产物：亚氯酸盐和氯酸盐，这些副产物会影响人体健康。,水氯化的实践应用：结合余氯和游离余氯。,使用ClO2还会产生味与嗅的问题。以及相对高的成本等因素限制了ClO2的使用。然而应用ClO2作为前期消毒剂取得了满意的结果。2.8.6 臭氧臭氧是一种具有刺激性气味、不稳定的气体，分子式为O3。由于不稳定性，通常在使用地点生产臭氧。臭氧发生器的反应（1500020000V电压）：O2 2O；O+O2 O3。从臭氧发生器出来的氧气中含有0.5%1.0%（体积分数）的臭氧。这样的气体混合物便被注入水中进行消毒。臭氧、二氧化
24、氯及氯胺去除99.9%的梨形虫胞囊的CT值：,与ClO2一样，臭氧不会长时间地存在于水中，几分钟后就会重新变成氧气。因此典型的流程是在原水或沉淀池与过滤池之间加入臭氧进行初级消毒，然后加入氯胺作为配水系统的消毒。2.8.7 紫外线照射紫外线是波长在0.20.39m范围内的电磁波。利用紫外线消毒的方法是：将薄层的水暴露于汞蒸汽弧光灯中，该弧光灯产生波长在0.20.29m法案安慰内的紫外线。UV在水中的穿透深度大约在5080mm。为了覆盖更大的水域范围，需要使用更多的灯管。光线能否穿过水体到达水中的目标物影响着杀菌的效果。,2.8.8 高级氧化工艺(Advanced oxidation proce
25、sses)AOPs采用几种消毒剂相结合，以产生羟基自由基(OH)。羟基自由基是无选择性的强氧化剂，可以分解很多有机物质。最有用的AOPs工艺采用的氧化剂是臭氧加双氧水。2.9 吸附吸附是一种传质过程，物质从液相转移到固体表面，通过物理或化学作用相结合。水处理中常用的吸附剂是活性炭。许多水厂已经将滤池中的无烟煤换成颗粒状活性炭，以控制味与嗅的产生，十分有效。颗粒状活性炭可用于去除水中的合成有机物，天然有机物，消毒的副产物，以及一些潜在的致癌物。,2.10 水厂废物管理在原水净化为自来水或饮用水的过程中，沉降的化学药剂与其它杂质从水中分离，形成污泥，可能含有高达98%的水分。水厂的主要废弃物见下表
26、：,污泥处理,重力浓缩池,污泥浓缩在重力浓缩池中进行。处理石灰污泥的固体负荷100200 kg/(m2/d);混凝污泥负荷1520 kg/(m2/d)。,污泥的最终处置,污泥经过所有可能的最终处理后，残余的污泥必须经过最终处置。大致有三种方法：（1）与污水混合处置。将处理任务转嫁给了污水处理厂；（2）填埋处置（固化/稳定化的预处理要求）（3）作为肥料（但会带来相应的问题，如重金属、有机物、病原菌等）,Questions,1.假设颗粒的沉降速率为0.64cm/s，平流式澄清池的溢流率为0.8cm/s，试计算截留在澄清池中的颗粒的百分数？2.假设颗粒的沉降速率为2.8mm/s，上流式澄清池的溢流率为0.560cm/s，试计算截留在澄清池中的颗粒的百分数？,
