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1、第3章 废水的物理处理沉淀,重力分离是依靠废水中悬浮物密度与水密度不同这一特点来分离废水中固体悬浮物的方法。当悬浮物的密度大于水的密度时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物(sludge)。当悬浮物的密度小于水的密度时，悬浮物将上浮到水面形成浮渣（scum），通过收集沉淀物与浮渣，使废水得到净化的过程就是重力分离的方法。,重力分离法又分为：沉降法(settlement)上浮法(floating)重力分离可以除去的污染物：悬浮物(SS)：包括有机悬浮物和无机悬浮物油类物质(oil and grease)：包括浮油和乳化油,2.沉降在废水处理系统中的作用,(1)在一级处理的废水处理系统中，沉降是主
2、要 处理工艺，废水处理效果的高低，基本取决 于沉淀池的沉淀效果。(2)在二级处理的废水处理系统中，沉降具有多 种功能。在生物处理设备前设初次沉淀池，以减轻后继处理设备的负荷，保证生物处理设备净化功能的正常发挥。在生物处理设备后设二次沉淀池，用以分离生物污泥，使处理水得到澄清。(3)污泥处理阶段的污泥浓缩,2沉降过程的分类,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降可分为四种类型：自由沉降絮凝沉降集团沉降(成层沉降、干涉沉降）压缩沉降,自由沉降的特点,发生条件：废水中的悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚性时发生的。特征：沉降过程中，固体颗粒不改变形状和尺寸
3、，也不互相粘合，各自独立地完成沉降过程。颗粒的沉降速度在经一定的沉降时间后保持 不变。现象：实验时可观察到水是从上到下逐步变清的。,自由沉降过程示意图,液面,t=0时,t=t1时,t=t2时,t=无穷大时,在搅拌的作用下分布均匀,随着沉降的进行，上部变清,到一定时间，沉降完成。,絮凝沉降的特点,发生条件：固体浓度也不高，但具有凝聚性是发生的。特征：在沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结 合成较大的絮凝体而沉降；沉降的过程中颗粒的尺寸不断变化；颗粒的 沉降速度是变化的。现象：水也是逐渐变清的，但可观察到颗粒的絮凝现象。,成层沉降的特点,发生条件：废水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后发生的。特征：
4、每个颗粒的沉淀将受到其周围颗粒存在的干扰，沉速有所降低，在聚合力的作用下，颗粒群结合成为一个整体，各自保持相对不变的位置共同下沉。现象：实验时可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面，沉降的过程实际上是该界面下沉的过程。,压缩沉降的特点,发生条件：废水中悬浮物的浓度很高时发生的。特征：此时固体颗粒互相接触，互相支承，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的液体被挤出界面，固体颗粒群被浓缩。现象：粒群与水之间也有明显的界面，但颗粒群部分比成层沉降时密集，界面的沉降速度很慢。,3.1.2 颗粒自由沉降速度的确定,1.Stokes公式计算颗粒沉降速度(terminal settling velocity
5、)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。,12,式中：F1颗粒重力；F2 颗粒浮力；F3 摩擦阻力；V颗粒的体积；S颗粒的密度；L水的密度；g重力加速度。,悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析,1.悬浮颗粒在水中受到的力F,2.水对自由颗粒的阻力,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，=24/Re，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）：,式中:
6、水的动力黏度。,Stokes公式,式中：u颗粒的沉降速度,m/s；s、L分别表示颗粒及水的 密度，kg/m3g重力加速度，m/s2水的粘度，Pa s；d颗粒的粒径，m。,Stokes公式说明的问题,（1）颗粒与水的密度差（sL）愈大，它的沉速也愈大，成正比关系。当sL时u0，颗粒下沉；当sL时,u0，颗粒上浮；当s=L时，u=0，颗粒既不下沉也不上浮。,Stokes公式说明的问题,（2）水的粘度愈小，沉速愈快，成反比关系。因粘度与水温成反比，故提高水温有利于沉降。,Stokes公式说明的问题,（3）颗粒直径愈大，沉速愈快，成平方关系。因此随粒度的下降，颗粒的沉降速度会迅速降低。,2.自由沉降去
7、除率的确定 目的：颗粒自由沉降虽然能够计算，但其计算公式推导过程有许多假设，实际情况与这些假设相差较大，因此实际沉降要复杂得多，需要通过试验才能确定设计沉淀池的参数。,自由沉降去除率的确定实验,自由沉降试验所用的沉降柱(settling column)示意图 每次试验用57个相相同的沉降柱,溢流口,取样口,试验步骤：（1）根据废水的性质和希望达到的去除率估计所 需的总沉降时间、沉降时间间隔和取样的次 数。把沉降柱编号写在记录表中。一般为57次，取样太多，测定所需的时间和费用高，数据处理也麻烦，次数太少则准确性差。然后确定所需沉降柱的数目；,(2）将待测废水搅拌均匀，加入到各沉降柱中 直至水从上
8、部溢流口溢出为止，测定原始 浓度 c0；（3）搅拌均匀后开始计时，并按确定好的时间 间隔，顺序从不同的沉降柱取样口取样，分别测定相应的悬浮物浓度c1、c2、c3 cn。把结果添入记录表中；沉降柱,（4）计算各沉降时间的沉降速度ui=H/ti。它的意 义是在时间ti内能沉降H高度的最小颗粒的沉 降速度；沉降柱 表（5）计算剩余固体分数x,xi=ci/c0，它的意义是悬 浮物中沉降速度小于ui的颗粒占悬浮物总量的 分数。表 因为在沉降ti时间时，悬浮物中沉降速度大于ui的颗粒已全部沉降过了取样口，而沉降速度小于ui的颗粒的浓度不变。所得数据见下表。表,试验记录用表格,绘制E-t u0=H/t 对于
9、uu0的颗粒，在t时间内能全部去除；对于uu0的颗粒，部分被去除。总去除率为上述两种颗粒去除率之和。以P0表示uu0颗粒量占总悬浮物量的分率，被去除的uu0颗粒量占总悬浮物量的分率为(1-P0)。以dP表示uu0颗粒中某一微小粒径范围占总悬浮物量的分率，其中能被去除的部分占u/u0，这种粒径范围的颗粒中能被去除的部分占总悬浮物量的分率为u/u0dP。在t时间内悬浮固体的总沉降效率E为:,（6）以沉降速度u为横坐标，x为纵坐标作 图，得到下图所示曲线：,x,x0,u0,u,（7）按下式求出指定沉降速度u0或指定沉降时间 t0(u0=H/t0)悬浮物的总去除率Et,X0-指定沉降速度u0时剩余固体
10、分数；示意(1-x0)-是沉降速度大于u0的颗粒的去除率,也称为表观去除率（apparent removal rate)；U-颗粒的实际沉降速度；U0-指定的沉降速度；积分项是沉降速度小于u0的颗粒的去除率。,絮凝沉淀分析,由于原水中含絮凝性悬浮物，在沉淀过程中大颗粒将会赶上小颗粒，互相碰撞凝聚，形成更大的絮凝体，因此沉速将随深度而增加。絮凝沉淀的效率通常由试验确定。,等去除率曲线,3.3 理想沉淀池工作过程分析,1.理想沉淀池(idea settlement tank)的概念理想沉淀池的条件：(1)进出水均匀分布到整个横断面，悬浮物在流 入区沿水深均匀分布；(2)悬浮物在沉淀区等速下沉；(3
11、)悬浮物在沉淀过程中的水平分速等于水流速 度，水流是稳定的；(4)悬浮物落到池底污泥区，即认为已被除去，不再浮起。,理想沉淀池的工作过程分析,uu0的颗粒,uu0的颗粒,入流区,污泥区,uu0的颗粒,u=u0的颗粒,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 Hb；H 沉淀区的水深；b 沉淀区宽度。,当某一颗粒进入沉淀池后,沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系：,Q/A的物理意义是单位时间内通过单位沉淀池表面积的流量，一般称之为表面负荷(surface loading)或溢流率(surface overflow rate)（过流率），用q表示，单位为：m3/(m2h)或m3/(m
12、2s)。,4.结论沉淀池的表面负荷在数值上与该沉淀池能 够完全除去的最小的颗粒沉降速度相同。,因此通过沉降试验，根据要求达到的沉淀总效率，得到能够完全除去的最小的颗粒沉降速度，即得到了沉淀池的表面负荷。,在一定流量下，沉淀池表面积越大，则分离的悬浮 颗粒沉淀速度越小，颗粒粒径也越小，由沉降性能 曲线可知，其总去除率也越大。,由此可以看出，沉淀池的去除率仅与颗粒沉速或沉 淀池的表面负荷有关，而与池深无关。,应该把沉淀池做得浅些，表面积大些，这就是颗粒 沉降的浅层理论。后边将要讲到的斜板(管)沉淀池 就是基于这个理论。,3.4 沉砂池,1.普通沉砂池沉砂池的功能就是从废水中分离密度较大的无机泥砂颗
13、粒，例如砂粒等。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。沉砂池的形式，按池内水流方向的不同，可分为平流式和竖流式两种。其中以平流式沉砂池的截留效果最好，而且常用。,35,沉砂池 的作用,沉砂池的 工作原理,沉砂池的 几种形式,平流式沉砂池,平流式沉砂池,2.曝气沉砂池,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。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。,39,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。,曝气沉砂池的特点：,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；池底设置沉砂斗，池底有i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。,曝气沉砂池的构造：,曝气沉砂池剖面图,曝气管,集砂槽,曝气沉砂池,曝气沉砂池,43,曝气沉砂池实景,砂水分离器和排砂机,Thank you！,
