第10章 污水的物理處理--沉淀理論和沉砂池2

1、1,§10-2 沉淀的基礎(chǔ)理論,2,一、概述二、沉淀類型三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理,本節(jié)內(nèi)容,3,1、沉淀的概念,一、概述,是利用水中懸浮顆粒和水的密度差，在重力作用下產(chǎn)生下沉作用，以達(dá)到固液分離的一種過程。,4,按照廢水的性質(zhì)與所要求的處理程度的不同，沉淀處理工藝可以是整個(gè)水處理過程中的一個(gè)工序，亦可以作為唯一的處理方法。,,2、應(yīng)用場合,在典型的污水處理廠中，有以下4種用法：(1) 用于廢水的預(yù)處理——沉

2、砂池 (2) 用于污水進(jìn)入生物處理構(gòu)筑物前的初步處理 (初沉池)(3) 用于生物處理后的固液分離(二次沉淀池)(4) 用于污泥處理階段的污泥濃縮,5,,二、沉淀類型,自由沉淀,絮凝沉淀,區(qū)域沉淀,壓縮沉淀,,根據(jù)水中懸浮顆粒的性質(zhì)、凝聚性能及濃度，沉淀通常可以分為四種不同的類型：,6,1、自由沉淀,實(shí)例：固體顆粒在沉砂池及沉淀池內(nèi)的初期沉降,自由沉淀也稱為離散沉降，是一種非絮凝性或弱絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。

3、 由于懸浮固體濃度低，而且顆粒之間不發(fā)生聚集，因此在沉降過程中顆粒的形狀、粒徑和密度都保持不變，互不干擾地各自獨(dú)立完成勻速沉降過程。,,7,2、絮凝沉淀,實(shí)例：顆粒在初沉池內(nèi)的后期沉降，生化處理中污泥在二沉池中間段的沉淀，及水處理的混凝沉淀。,,這是一種絮凝性固體顆粒在稀懸浮液中的沉淀。 雖然懸浮固體濃度也不高（50-500mg/L），但顆粒在沉降過程中接觸碰撞時(shí)能互相聚集為較大的絮體，因而顆粒粒徑和沉降速度

4、隨沉降時(shí)間的延續(xù)而增大。,8,,3、區(qū)域沉淀,也稱成層沉淀、擁擠沉淀。 這是一種固體顆粒（特別是強(qiáng)絮凝性顆粒）在較高濃度(500mg/L以上)懸浮液中的沉降。,實(shí)例：生化處理中污泥在二沉池下部的沉降和在濃縮池內(nèi)的初期沉降。,由于懸浮固體濃度較高，顆粒彼此靠的很近，吸附力將促使所有顆粒聚集為一個(gè)整體，但各自保持不變的相對位置共同下沉。此時(shí)，水與顆粒群體之間形成一個(gè)清晰的泥水界面，沉降過程就是這個(gè)界面隨沉降歷時(shí)下移的過程。,9

5、,當(dāng)懸浮液中的懸浮固體濃度很高時(shí)，顆粒之間便互相接觸，彼此上下支承。在上下顆粒的重力作用下，下層顆粒間隙中的水被擠出，顆粒相對位置不斷靠近，顆粒群體被壓縮。,4、壓縮沉淀,實(shí)例：生化污泥在二沉池污泥斗和濃縮池內(nèi)的濃縮過程。,10,,沉淀過程示意圖,11,分析的假定,三、自由沉淀及分析,12,懸浮顆粒在水中的受力：重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3,重力大于浮力和摩擦力時(shí)， 下沉；重力等于浮力和摩擦力時(shí)，

6、 相對靜止；重力小于浮力和摩擦力時(shí)， 上浮。,，F(xiàn)3,13,用牛頓第二定律表達(dá)顆粒的自由沉淀過程: 式中： m—顆粒質(zhì)量，kg； u—顆粒沉速，m/s； t—沉淀時(shí)間，s； F1—顆粒的重力 F2—顆粒的浮力 F3—顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力。,懸 浮 顆 粒 在 水 中 的 受 力 分 析,14,（1）顆粒的重力：其中：ρS為

7、顆粒密度，kg/m3； d為顆粒直徑，m； g為重力加速度。（2）顆粒的浮力： 其中：ρL為液體密度，kg/m3；,15,（3）顆粒沉淀過程中受到的摩擦阻力：式中：λ—阻力系數(shù)，當(dāng)顆粒周圍繞流處于層流狀態(tài)時(shí)， λ=24/Re；Re為顆粒繞流雷偌數(shù)，與顆粒的直徑、沉速、液體的粘度等有關(guān)， A—自由沉淀顆粒在垂直面上的投影面積，,16,顆粒下沉開始時(shí)，沉速為0，逐漸加速，阻力F3也隨之增加，

8、很快三種力達(dá)到平衡，顆粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：,,17,,,,即為球狀顆粒自由沉淀的沉速公式，亦稱斯托克斯公式,18,由上式可知，顆粒沉降速度uS與下述因素有關(guān)：,斯托克斯定律討論,當(dāng)ρS大于ρL時(shí)，ρS-ρL為正值，顆粒以uS下沉；當(dāng)ρS與ρL相等時(shí)，uS=0，顆粒在水中呈懸浮狀 態(tài)，這種顆粒不能用沉淀去除；ρS小于ρL時(shí)，ρS-ρL為負(fù)值，顆粒以uS上浮，可 用浮上法去除。uS與顆粒直徑d的平方成正比

9、，因此增加顆粒直徑有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。uS與μ成反比，μ隨水溫上升而下降；即沉速受水溫影響，水溫上升，沉速增大。,,19,為了便于說明沉淀池的工作原理以及分析水中懸浮顆粒在沉淀池內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，Hazen和Camp提出了理想沉淀池的概念。,四、沉淀池工作原理,理想沉淀池劃分為4個(gè)區(qū)域，即進(jìn)口區(qū)域、沉淀區(qū)域、出口區(qū)域及污泥區(qū)域。,,,,,20,,作如下假設(shè)(1) 沉淀區(qū)過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的水流速度均相同，水平流

10、速為ν；(2) 懸浮顆粒在沉淀區(qū)等速下沉，下沉速度為u；(3) 在沉淀區(qū)的進(jìn)口區(qū)域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個(gè)過水?dāng)嗝嫔希?4) 顆粒一經(jīng)沉到池底，即認(rèn)為已被去除。,,21,式中：v-顆粒的水平分速； qv-進(jìn)水流量； A′-沉淀區(qū)過水?dāng)嗝婷娣e，H×b H -沉淀區(qū)的水深； b -沉淀區(qū)寬度。,當(dāng)某一顆粒進(jìn)入沉淀池后,另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降

11、速度u。,,,22,從沉淀區(qū)頂部x點(diǎn)進(jìn)入的顆粒中，必存在著某一粒徑的顆粒，其沉速為u0，到達(dá)沉淀區(qū)末端時(shí)剛好能沉至池底。,當(dāng)顆粒沉速ui≥u0時(shí)，無論這種顆粒處于進(jìn)口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除。大顆粒.ppt,當(dāng)顆粒沉速ui<u0時(shí)，從沉淀區(qū)頂端進(jìn)入的顆粒不能沉淀到池底，會(huì)隨水流排出，而當(dāng)其位于水面下的某一位置進(jìn)入沉淀區(qū)時(shí)，它可以沉到底部而被去除。小顆粒.ppt,23,自 由 沉 淀 實(shí) 驗(yàn),設(shè)在一水深H的沉淀柱內(nèi)進(jìn)行自

12、由沉淀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)開始，沉淀時(shí)間為0，此時(shí)沉淀柱內(nèi)懸浮物分布是均勻的，即每個(gè)斷面上顆粒的數(shù)量與粒徑的組成是相同的，懸浮物濃度為C0（mg/L）,此時(shí)去除率E=0。,自由沉淀圖解,24,在同一沉淀時(shí)間t，下式成立： 故:,設(shè)沉速u1<u0的顆粒占全部顆粒的dP(%)，其中 的顆粒將會(huì)從水中沉到池底而去除。,,,25,對于沉速為u（u<u0）的全部懸浮顆粒，可被沉淀于

13、池底的總量為： 而沉淀池能去除的顆粒包括u≥u0以及 u<u0的兩部分，故沉淀池對懸浮物的總?cè)コ蕿椋?26,不同沉淀速度的總?cè)コ?27,不同沉淀時(shí)間的總?cè)コ?28,,中并簡化后得出,下圖的運(yùn)動(dòng)跡線中的相似三角形存在著如下的關(guān)系：,將上式帶入式,qv/A—反映沉淀池效力的參數(shù)，一般稱為沉淀池的表面負(fù)荷率，或稱沉淀池的過流率，用符號(hào)q表示：,,29,理想沉淀池中，u0與q在數(shù)值上相同，但它們的物

14、理概念不同： u0的單位是m/h；q表示單位面積的沉淀池在單位時(shí)間內(nèi)通過的流量，單位是m3/m2·h。故只要確定顆粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的過流率或表面負(fù)荷率。,理想沉淀池的沉淀效率與池的水面面積A有關(guān)，與池深H和沉淀時(shí)間t無關(guān)，即與池的體積V無關(guān)。,比較兩式可知：,30,實(shí)際中，常按以下經(jīng)驗(yàn)公式確定設(shè)計(jì)表面負(fù)荷q和沉降時(shí)間t：,式中：u0、t0——分別為由沉降曲線上查得的理論沉降速度和沉降時(shí)間。,31,,

15、例 題,某自由沉淀試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示，沉淀高度H=120cm。試?yán)L制沉淀曲線P-u曲線，并計(jì)算不同沉淀時(shí)間條件下的懸浮顆粒的總?cè)コ师牵⒗L制η-t、η-u曲線。,32,解：（1）計(jì)算各沉淀時(shí)間相應(yīng)的沉速u， 表觀去除率E（2）以Pi為縱坐標(biāo)，u為橫縱標(biāo)作圖得沉淀曲線： P-u曲線 （3）圖解計(jì)算各沉速下的總?cè)ヂ?u0=3.0為例，小于此沉速的顆粒與全部顆粒之比P0=0.67, 積分項(xiàng)等于

16、各矩形面積之和。則：η=(1-0.67)+1.07/3=0.687 以此計(jì)算出各時(shí)總沉淀效率η。,33,（4）以總效率η為縱坐標(biāo)，以沉淀時(shí)間t為橫縱標(biāo)作圖的效率-時(shí)間曲線,不同沉淀時(shí)間的總?cè)コ?34,不同沉淀速度的總?cè)コ?35,思考題,下圖是沉降實(shí)驗(yàn)所得總?cè)コ逝c顆粒沉淀速度u0 的關(guān)系，有人認(rèn)為從圖中可以看出，顆粒的沉淀速度越大去除率越低。另外的人認(rèn)為沉淀速度越大說明顆粒粒徑越大，而顆粒越大越易除去，為什么此時(shí)去除率越

17、低呢？你如何解釋？,36,§10-4 沉砂池,37,污水中的無機(jī)顆粒不僅會(huì)磨損設(shè)備和管道，降低活性污泥活性，而且會(huì)板積在反應(yīng)池底部減小反應(yīng)器有效容積，甚至在脫水時(shí)扎破濾帶損壞脫水設(shè)備。 沉砂池設(shè)置目的就是去除污水中泥沙、煤渣等相對密度較大（比重為2.65）的無機(jī)顆粒，以免影響后續(xù)處理構(gòu)筑物的正常運(yùn)行。,38,沉砂池的作用,沉砂池的工作原理,沉砂池的幾種型式,一、概論,39,沉砂池工程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原則與主

18、要參數(shù)：,(1) 城市污水廠一般均應(yīng)設(shè)置沉砂池，工業(yè)污水是否設(shè)置視水質(zhì)情況而定。城市污水廠的沉砂池的只數(shù)或分格數(shù)應(yīng)不少于2，并按并聯(lián)運(yùn)行原則考慮。,(2) 設(shè)計(jì)流量應(yīng)按分期建設(shè)考慮：①當(dāng)污水自流進(jìn)入時(shí)，應(yīng)按每期的最大設(shè)計(jì)流量計(jì)算；②當(dāng)污水為提升進(jìn)入時(shí)，應(yīng)按每期工作水泵的最大組合流量計(jì)算；③在合流制處理系統(tǒng)中，應(yīng)按降雨時(shí)的設(shè)計(jì)流量計(jì)算。,40,(3) 沉砂池去除的砂粒比重為2.65、粒徑為0.2mm以上。(4) 城市污水的沉砂量可按每1

19、06 m3污水沉砂30m3計(jì)算，其含水率約60％，容重約1500kg/m3。(5) 貯砂斗的容積應(yīng)按2日沉砂量計(jì)算，貯砂斗壁的傾角不應(yīng)小于55°。排砂管直徑不應(yīng)小于200mm。(6) 沉砂池的超高不宜小于0.3m。,41,一般認(rèn)為大于0.21mm粒徑的砂粒是造成后續(xù)處理問題的主要原因，所以傳統(tǒng)上沉砂池設(shè)計(jì)是基于去除粒徑0.21mm（65目）以上，相對密度為2.65的砂粒。但除砂數(shù)據(jù)分析表明，沉砂的相對密度范圍在1.3-2.

20、7之間，而且現(xiàn)已有沉砂池能夠去除到0.11mm（140目）砂粒70%以上。,42,二、平流式沉砂池,,43,平流式沉砂池的主要缺點(diǎn)是沉砂中約夾雜有15％的有機(jī)物，使沉砂的后續(xù)處理增加難度。,故常需配洗砂機(jī)，排砂經(jīng)清洗后，有機(jī)物含量低于10％，稱為清潔砂，再外運(yùn)。,平流式是最常用的一種型式，它的截留效果好，工作穩(wěn)定，構(gòu)造亦較簡單。上圖所示為平流式沉砂池的一種。池的上部是過水部分，是一條加寬了的明渠，渠的兩端設(shè)有閘門以控制水流，池底設(shè)有1～

21、2個(gè)貯砂斗，下接帶閘閥的排砂管。,44,污水在池內(nèi)的最大流速為0.3m/s,最小流速為0.15m/s;最大流量時(shí)，污水在池內(nèi)的停留時(shí)間不少于30s,一般為30~60s;有效水深應(yīng)不大于1.2m,一般采用0.25~1.0m,池寬不小于0.6m；池底坡度一般為0.01~0.02,當(dāng)設(shè)置除砂設(shè)備時(shí)，可根據(jù)除砂設(shè)備的要求，考慮池底形狀。,平流式沉砂池的設(shè)計(jì)參數(shù),45,1.沉砂部分長度L 式中：v-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的 速

22、度，m/s; t-最大設(shè)計(jì)流量時(shí)的停留時(shí) 間，s。 2.水流斷面面積A 式中： qvmax-最大設(shè)計(jì)流量，m3/s。,3.池總寬度b 式中： h2-設(shè)計(jì)有效水深，m。 4.貯砂斗所需容積V 式中：X-城市污水的沉砂 量，一般采用30m3/106m3 （污水）； T-排砂時(shí)間的間隔，d； kz –生活污水流量的總變化 系數(shù)。,平 流 式 沉 砂 池 的 設(shè) 計(jì)

23、計(jì) 算,,,,,46,,5.貯砂斗各部分尺寸計(jì)算 設(shè)貯砂斗底寬b1=0.5m； 斗壁與水平面的傾角為60º； 則貯砂斗的上口寬b2為： 貯砂斗的容積V1： 式中：h’3-貯砂斗高度，m； S1，S2-貯砂斗上口和下口的面積。,6. 貯砂室的高度h3 設(shè)采用重力排砂， 池底坡度 i=6%， 坡向砂斗，則：,平 流 式 沉 砂 池 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算,,,,,,,4

24、7,平 流 式 沉 砂 池 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算,7.池總高度H 式中：h1-超高，m； h3-貯砂斗高度，m。 8.核算最小流速vmin 式中： qvmin-設(shè)計(jì)最小流量，m3/s；n1-最小流量時(shí)工作的沉砂池?cái)?shù)目 Amin-最小流量時(shí)沉砂池中的水流斷面面積，m2。,48,三、曝氣沉砂池,49,曝氣沉砂池是一個(gè)狹長形渠道，沿渠壁一側(cè)的整個(gè)長度上設(shè)置曝氣裝置。為增強(qiáng)曝氣推動(dòng)水流回旋的作用，可在曝氣器的外側(cè)

25、裝設(shè)導(dǎo)流擋板。池底內(nèi)側(cè)設(shè)有集砂斗，池底以0.1～0.5的坡度坡向砂斗。,50,曝氣沉砂池剖面示意,51,污水在池中存在著兩種運(yùn)動(dòng)形式，其一為水平流動(dòng)（一般流速0.1m/s），同時(shí)在池的橫斷面上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)（旋轉(zhuǎn)流速0.4m/s ），整個(gè)池內(nèi)水流產(chǎn)生螺旋狀前進(jìn)的流動(dòng)形式。。,曝氣沉砂池的工作原理,52,由于曝氣以及水流的螺旋旋轉(zhuǎn)作用，污水中懸浮顆粒相互碰撞、摩擦、并受到氣泡上升時(shí)的沖刷作用，使粘附在砂粒上的有機(jī)污染物得以去除，沉于池底

26、的砂粒較為純凈，有機(jī)物含量只有5%左右，長期擱置也不至于腐化。,特點(diǎn)：①沉砂中含有機(jī)物的量低于5％；,②由于池中設(shè)有曝氣設(shè)備，還具有預(yù)曝氣、脫臭、防止污水厭氧分解、除泡以及加速污水中油類的分離等作用。,53,水平流速一般取0.08~0.12m/s。污水在池內(nèi)的停留時(shí)間為4~6min；雨天最大流量時(shí)為1~3 min。如作為預(yù)曝氣，停留時(shí)間為10~30min。池的有效水深為2~3m，池寬與池深比為1~1.5，池的長寬比可達(dá)5，當(dāng)池長寬

27、比大于5時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置橫向擋板。曝氣沉砂池多采用穿孔管曝氣，孔徑為2.5~6.0mm，距池底約為0.6~0.9m，并應(yīng)有調(diào)節(jié)閥門。曝氣沉砂池的形狀應(yīng)盡可能不產(chǎn)生偏流和死角，在砂槽上方宜安裝縱向擋板，進(jìn)出口布置，應(yīng)防止產(chǎn)生短流。,曝氣沉砂池的設(shè)計(jì)參數(shù),54,四、旋流沉砂池,旋流沉砂池是利用機(jī)械力控制水流流態(tài)與流速，加速砂粒的沉淀并使有機(jī)物隨水流帶走的沉砂裝置。,沉砂池由流入口、流出口、沉砂區(qū)、砂斗及帶變速箱的電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)齒輪、壓

28、縮空氣輸送管和砂提升管以及排砂管組成。,55,,56,污水由流入口切線方向流入沉砂區(qū)，利用電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤和斜坡式葉片旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，污水中密度較大的砂粒被甩向池壁，掉入砂斗，有機(jī)物則被截留在污水中。調(diào)整轉(zhuǎn)速，可達(dá)到理想的沉砂效果。沉砂用壓縮空氣經(jīng)砂提升管、排砂管清洗后排除，清洗水回流至沉砂區(qū)。 根據(jù)處理污水量的不同，旋流沉砂池可分為不同的型號(hào)。,57,旋流沉砂池最高時(shí)設(shè)計(jì)流量時(shí)，　停留時(shí)間不應(yīng)