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1、第第3章章废水的物理处理废水的物理处理沉淀沉淀重力分离重力分离是依靠废水中悬浮物密度与水密度不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。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，悬浮物下沉形成下，悬浮物下沉形成沉淀物沉淀物(sludge)(sludge)。当悬浮。当悬浮物的密度小于水的密度时，悬浮物将上浮到水物的密度小于水的密度时，悬浮物将上浮到水面形成面形成浮渣（浮渣（scumscum），通过收集沉淀物与浮，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渣，使废水得到净
2、化的过程就是重力分离的方法。法。重力分离法又分为：重力分离法又分为：沉降法沉降法(settlement)(settlement)上浮法上浮法(floating)(floating)重力分离可以除去的污染物：重力分离可以除去的污染物：悬浮物悬浮物(SS)：包括有机悬浮物和无机悬浮物包括有机悬浮物和无机悬浮物油类物质油类物质(oil and grease)：包括浮油和乳化油包括浮油和乳化油2.沉降在废水处理系统中的作用沉降在废水处理系统中的作用(1)(1)在一级处理的废水处理系统中，沉降是主要在一级处理的废水处理系统中，沉降是主要 处理工艺，废水处理效果的高低，基本取决处理工艺，废水处理效果的高低
3、，基本取决 于沉淀池的沉淀效果于沉淀池的沉淀效果。(2)(2)在二级处理的废水处理系统中，沉降具有多在二级处理的废水处理系统中，沉降具有多 种功能。种功能。在在生生物物处处理理设设备备前前设设初初次次沉沉淀淀池池，以以减减轻轻后后继继处处理理设设备备的的负负荷荷，保保证证生生物物处处理理设设备备净净化化功功能能的正常发挥。的正常发挥。在在生生物物处处理理设设备备后后设设二二次次沉沉淀淀池池，用用以以分分离离生生物污泥，使处理水得到澄清。物污泥，使处理水得到澄清。(3)(3)污泥处理阶段的污泥浓缩污泥处理阶段的污泥浓缩2沉降过程的分类根根据据废废水水中中可可沉沉降降物物质质颗颗粒粒的的大大小小、
4、凝凝聚聚性性能能的的强强弱弱及及其其浓浓度度的的高高低低，按按观观察察到到的的现现象象可可把把沉沉降降可可分分为四种类型：为四种类型：自由沉降自由沉降絮凝沉降絮凝沉降集团沉降集团沉降(成层沉降、干涉沉降）成层沉降、干涉沉降）压缩沉降压缩沉降自由沉降自由沉降的特点的特点发生条件：发生条件：废水中的悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚废水中的悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚性时发生的。性时发生的。特征：特征：沉降过程中，固体颗粒不改变形状和尺寸，沉降过程中，固体颗粒不改变形状和尺寸，也不互相粘合，各自独立地完成沉降过程。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颗粒的
5、沉降速度在经一定的沉降时间后保持 不变。不变。现象：现象：实验时可观察到水是从上到下逐步变清的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自由沉降过程示意图液面液面t=0时时t=t1时时t=t2时时t=无穷大时无穷大时在搅拌的作用下分布均匀随着沉降的进行，上部变清到一定到一定时间，时间，沉降完沉降完成。成。絮凝沉降絮凝沉降的特点的特点发生条件：发生条件：固体浓度也不高，但具有凝聚性是发生的。固体浓度也不高，但具有凝聚性是发生的。特征：特征：在沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结在沉降的过程中，颗粒互相碰撞、粘合，结 合成较大的絮凝体而沉降；合成较大的絮凝体而沉降；沉降的过程中颗粒的
6、尺寸不断变化；颗粒的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。沉降速度是变化的。现象：现象：水也是逐渐变清的，但可观察到颗粒的絮凝现水也是逐渐变清的，但可观察到颗粒的絮凝现象象。成层沉降成层沉降的特点的特点发生条件：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。废水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后发生的。特征：特征：每个颗粒的沉淀将受到其周围颗粒存在的干扰，沉速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。整体，各自保持相对不变的位置共同下沉
7、。现象：现象：实验时可观察到水与颗粒群之间有明显的分界面，沉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。降的过程实际上是该界面下沉的过程。压缩沉降压缩沉降的特点的特点发生条件：发生条件：废水中悬浮物的浓度很高时发生的。废水中悬浮物的浓度很高时发生的。特征：特征：此时固体颗粒互相接触，互相支承，在上层颗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。出界面，固体颗粒群被浓缩。现象：现象：粒群与水之间也有明显的界面，但颗粒群部分粒群与水之间也有明显的界面，但颗粒群部
8、分比成层沉降时密集，界面的沉降速度很慢。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公式公式计算颗粒沉降速度计算颗粒沉降速度(terminal settling velocity)的假设：的假设：（1 1）颗粒为球形，不可压缩，也无凝聚性，）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；沉降过程中其大小、形状和质量等均不变；（2 2）水处于静止状态；）水处于静止状态；（3 3）颗粒沉降仅受重力和水的阻力作用）颗粒沉降仅受重力和水的阻力作用。1212 式中：式中：F F1 1颗粒重力；颗粒重力；F F2 2 颗粒浮力；颗粒浮力
9、；F F3 3 摩擦阻力；摩擦阻力；VV颗粒的体积；颗粒的体积；S S颗粒的密度；颗粒的密度；L L水的密度；水的密度；gg重力加速度。重力加速度。式中：式中：F F3 3水对颗粒的阻力；水对颗粒的阻力；阻力系数；阻力系数；A A自由颗粒的投影面积自由颗粒的投影面积；u u颗粒在水中的运动速度，颗粒在水中的运动速度，即颗粒沉速。即颗粒沉速。悬悬浮浮颗颗粒粒在在水水中中的的受受力力分分析析1.悬浮颗粒在水中受到的力悬浮颗粒在水中受到的力F2.水对自由颗粒的阻力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
10、滞阻力作用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，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。颗粒运动是处于层流状态。在层流状态下，在层流状态下，=24/=24/ReRe，带入式中，整理得自，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）：由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）：式中式中:水的动力黏度。水的动力黏度。Stokes公式公式式中：式中：u颗粒的沉降速度颗粒的沉降速度,m/s；s、L分别表示颗粒及水的分别表示颗粒及水的密度，密度，kg/m3g重力加速度，重力加速度，m/s2 水的粘度，水的粘度，Pa s；d颗粒的粒径，颗粒的粒径，m。
11、Stokes公式说明的问题公式说明的问题（1）颗粒与水的密度差（）颗粒与水的密度差（s L）愈大，它的沉速也愈大，成正）愈大，它的沉速也愈大，成正比关系。比关系。当当 s L时时u0，颗粒下沉；，颗粒下沉；当当 s L时时,u0，颗粒上浮；，颗粒上浮；当当 s=L时，时，u=0，颗粒既不，颗粒既不下沉也不上浮。下沉也不上浮。Stokes公式说明的问题公式说明的问题（2 2）水水的的粘粘度度 愈愈小小，沉沉速速愈愈快快，成成反反比比关关系系。因因粘粘度度与与水水温温成成反反比比，故故提提高高水水温温有有利利于于沉沉降。降。Stokes公式说明的问题公式说明的问题（3 3）颗粒直径愈大，沉颗粒直径
12、愈大，沉速愈快，成平方关系。速愈快，成平方关系。因此随粒度的下降，因此随粒度的下降，颗粒的沉降速度会迅颗粒的沉降速度会迅速降低。速降低。2.自由沉降去除率的确定 目的：目的：颗粒自由沉降虽然能够计算，但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降要复杂得多，需要通过试验才能确定设计沉淀池的参数设计沉淀池的参数。自由沉降去除率的确定实验自由沉降试验所用的自由沉降试验所用的沉降柱沉降柱(settling column)示意图示意图 每次试验用每
13、次试验用57个相个相相同的沉降柱相同的沉降柱溢流口溢流口取样口取样口试验步骤：试验步骤：（1 1）根据废水的性质和希望达到的去除率估计所）根据废水的性质和希望达到的去除率估计所 需的需的总沉降时间总沉降时间、沉降时间间隔沉降时间间隔和和取样的次取样的次 数数。把沉降柱编号写在记录表中。把沉降柱编号写在记录表中。一一般般为为5 57 7次次，取取样样太太多多，测测定定所所需需的的时时间间和和费费用用高高，数数据据处处理理也也麻麻烦烦，次次数数太太少少则则准准确确性性差差。然然后后确定所需沉降柱的数目；确定所需沉降柱的数目；(2(2）将待测废水搅拌均匀，加入到各沉降柱中将待测废水搅拌均匀，加入到各
14、沉降柱中 直至水从上部溢流口溢出为止，测定原始直至水从上部溢流口溢出为止，测定原始 浓度浓度 c c0 0；（3 3）搅拌均匀后开始计时，并按确定好的时间）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，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分别测定相应的悬浮物浓度c c1 1、c c2 2、c c3 3 c cn n。把结果添入记录表中；把结果添入记录表中；沉降柱沉降柱（4 4）计算各沉降时间的沉降速度）计算各沉降时间的沉降速度u ui i=H/t=H/ti i。它的意它的意 义是在时间义是在时间t ti i内能沉降内能沉降H H高度的最小颗粒
15、的沉高度的最小颗粒的沉 降速度；降速度；沉降柱沉降柱 表表（5 5）计算剩余固体分数）计算剩余固体分数x,xx,xi i=c=ci i/c/c0 0，它的意义是悬它的意义是悬 浮物中沉降速度小于浮物中沉降速度小于u ui i的颗粒占悬浮物总量的的颗粒占悬浮物总量的 分数。分数。表表 因因为为在在沉沉降降t ti i时时间间时时，悬悬浮浮物物中中沉沉降降速速度度大大于于u ui i的的颗颗粒粒已已全全部部沉沉降降过过了了取取样样口口，而而沉沉降降速速度度小于小于u ui i的颗粒的浓度不变。所得数据见下表。的颗粒的浓度不变。所得数据见下表。表表试验记录用表格沉降柱编号沉降柱编号123n沉降时间沉
16、降时间/mint1t2t3tn试样固体浓度试样固体浓度/（mg/L）c1c2c3cn沉降速度沉降速度/（m/s）ui=H/tiu1u2u3un剩余固体分数剩余固体分数xi=ci/c0 x1x2x3xn沉淀效率沉淀效率E1E2E3En绘制E-tu0=H/t 对于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
17、/u0dP。在t时间内悬浮固体的总沉降效率E为:（6）以沉降速度）以沉降速度u为横坐标，为横坐标，x为纵坐标作为纵坐标作图，得到下图所示曲线：图，得到下图所示曲线：xx0u0u（7 7）按下式求出指定沉降速度）按下式求出指定沉降速度u u0 0或指定沉降时间或指定沉降时间 t t0 0(u(u0 0=H/t=H/t0 0)悬浮物的总去除率悬浮物的总去除率E Et tX X0 0-指定沉降速度指定沉降速度u u0 0时剩余固体分数；时剩余固体分数；示意示意(1-x(1-x0 0)-)-是是沉沉降降速速度度大大于于u u0 0的的颗颗粒粒的的去去除除率率,也也称称为为表表观观去去除率（除率（app
18、arent removal rate)apparent removal rate)；U-U-颗粒的实际沉降速度；颗粒的实际沉降速度；U U0 0-指定的沉降速度；指定的沉降速度；积分项是沉降速度小于积分项是沉降速度小于u u0 0的颗粒的去除率。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此沉速将随深度而增加。絮凝沉淀的效率通常由试验确定。定。等去除率曲等去除率曲线3.3 理想
19、沉淀池工作过程分析理想沉淀池工作过程分析1.1.理想沉淀池理想沉淀池(idea settlement tank)(idea settlement tank)的概念的概念理想沉淀池的条件：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；入区沿水深均匀分布；(2)悬浮物在沉淀区等速下沉；悬浮物在沉淀区等速下沉；(3)悬浮物在沉淀过程中的水平分速等于水流速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；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，不再浮悬浮物落到池底污泥区，即认为已被除去，不再浮起。起。
20、理想沉淀池的工作过程分析uu0的颗粒uu0的颗粒u=u0的颗粒u=u0的颗粒vu 式中：式中：v 颗粒的水平分速；颗粒的水平分速；qv进水流量；进水流量；A沉淀区过水断面面积沉淀区过水断面面积 Hb；H 沉淀区的水深；沉淀区的水深；b 沉淀区宽度。沉淀区宽度。当某一颗粒进入沉淀池后当某一颗粒进入沉淀池后另一方面，颗粒在重力另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由其沉速即是颗粒的自由沉降速度沉降速度u u 一方面随着水流在水平一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速方向流动，其水平流速v v 等于水流速度等于水流速度 颗粒运动的轨迹为其水平分速颗粒运动
21、的轨迹为其水平分速v v和沉速和沉速u u的矢量和，在的矢量和，在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度 i i=u/vu/v 沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系：沉淀池溢流率与颗粒沉降速度的关系：Q/AQ/A的的物物理理意意义义是是单单位位时时间间内内通通过过单单位位沉沉淀淀池池表表面面积积 的的 流流 量量，一一 般般 称称 之之 为为 表表 面面 负负 荷荷(surface(surface loading)loading)或或溢溢流流率率(surface(surface overflow overflow rate)rate)（过过流率），用流率），用q
22、q表示，单位为：表示，单位为：m m3 3/(m/(m2 2 h)h)或或m m3 3/(m/(m2 2 s)s)。4.4.结论结论沉淀池的表面负荷在数值上与该沉淀池能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。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。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
23、，颗粒粒径也越小，由沉降性能颗粒沉淀速度越小，颗粒粒径也越小，由沉降性能 曲线可知，其总去除率也越大。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。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，这就是颗粒应该把沉淀池做得浅些，表面积大些，这就是颗粒 沉降的沉降的浅层理论浅层理论。后边将要讲到的斜板。后边将要讲到的斜板(管管)沉淀池沉淀池 就是基于这个理论。就是基于这个理论。3.4 沉砂池1.1.普通沉砂池普通沉砂池沉砂池的功能就是从废水中沉砂池的功能就是从废水中分离密
24、度较大的无机泥砂颗粒，例如砂粒分离密度较大的无机泥砂颗粒，例如砂粒等。等。沉沉砂砂池池既既是是一一种种预预防防性性的的处处理理构构筑筑物物，又又是一种预备性的处理构筑物。是一种预备性的处理构筑物。沉沉砂砂池池的的形形式式，按按池池内内水水流流方方向向的的不不同同，可可分分为为平平流流式式和和竖竖流流式式两两种种。其其中中以以平平流流式沉砂池的截留效果最好，而且常用式沉砂池的截留效果最好，而且常用。3535 沉砂池沉砂池的作用的作用沉砂池的沉砂池的工作原理工作原理沉砂池的沉砂池的几种形式几种形式从污水中去除砂子、煤渣等密从污水中去除砂子、煤渣等密度较大的无机颗粒，以免这些杂质度较大的无机颗粒，以
25、免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行影响后续处理构筑物的正常运行平流式、竖流式、曝气沉砂池、平流式、竖流式、曝气沉砂池、旋流式沉砂池、旋流式沉砂池、Doer沉砂池等沉砂池等以重力或离心力分离为基础，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沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走平流式沉砂池平流式沉砂池2.2.曝气沉砂池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杂有一些有机物，而对被少量
26、有机物包覆的砂粒截留效果也不高。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使用曝气沉砂池能够在一定程度上克服上述缺点。点。由于曝气的作用，废水中的有机颗粒经常处于由于曝气的作用，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，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。得较为纯净的砂粒。3939 沉砂中含有机物的量低于沉砂中含有机物的量低于5%5%；由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱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
27、水臭、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。中油类的分离等作用。曝气沉砂池的特点曝气沉砂池的特点：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，距池底约整个长度上，距池底约60-90cm60-90cm处设置曝气装处设置曝气装 置；置；池底设置沉砂斗，池底有池底设置沉砂斗，池底有i i的坡度，的坡度，以保证砂粒滑入砂槽；为了使曝气能起到池内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回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧 装设挡板。装设挡板。曝气沉砂池的构造：曝气沉砂池的构造：曝气沉砂池剖面图曝气管曝气管集砂槽集砂槽曝气沉砂池曝气沉砂池4343 曝气沉砂池实景砂水分离器和排砂机Thank you！