水處理工程沉淀與澄清4

第四章沉淀與澄清沉淀的基本理論沉淀池隔油池氣浮池第1節(jié)沉淀原理與分類(Sedimentation,orsettlingandClarification)一、原理利用顆粒與水的密度之差，比重>1，下沉比重<1，上浮沉淀工藝簡單，應(yīng)用極為廣泛，主要用于去除100um以上的顆粒給水處理――混凝沉淀，高濁預(yù)沉廢水處理――沉砂池（去除無機(jī)物）初沉池（去除懸浮有機(jī)物）二沉池（活性污泥與水分離）

二、分類：（1）自由沉淀-沉砂池、初沉池前期發(fā)生離散顆粒，尺寸形狀不變，相互無干擾，沉速不變（2）絮凝沉淀-絮凝性顆粒，在沉淀過程中沉速增加（初沉池后期、二沉池前期、給水混凝沉淀）顆粒有凝聚性，顆粒相互聚集，粒徑質(zhì)量增大（3）成層沉淀（擁擠沉淀）：顆粒濃度大，相互間發(fā)生干擾，分層，形成網(wǎng)狀“絮毯”下沉，顆粒群與澄清水層之間有明顯的界面。（高濁水、二沉池、污泥濃縮池）沉速就是界面下沉速度。無機(jī)顆粒5-8g/L以上，如泥沙?；钚晕勰?-3g/L以上。（4）壓縮沉淀-污泥濃縮池顆粒間相互擠壓，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力下擠出，污泥得到濃縮。上澄水自由沉淀帶絮凝干涉沉淀帶成層沉淀帶壓縮沉淀時(shí)間t水深A(yù)BCD沉淀過程示意圖一、顆粒沉速公式（Stokes’law）假設(shè)條件：①球狀顆粒，不可壓縮，無凝聚性，沉淀過程中大小、形狀、重量不變；②水處于靜止?fàn)顟B(tài)③顆粒僅受重力和水的阻力作用水中重浮合力阻力，量綱分析得到在等速沉淀情況下對于層流，Re<1時(shí)阻力重力浮力第2節(jié)自由沉淀(discreteparticlesettling)對于非球形顆粒:

：形狀系數(shù)Stokes公式，①顆粒與水的密度差(ρs–ρ)愈大，沉速愈快，成正比關(guān)系。當(dāng)ρs>ρ時(shí)，u>0，顆粒下沉；當(dāng)ρs<ρ，u<0,顆粒上??；當(dāng)ρs=ρ,顆粒既不下沉又不上??；②顆粒直徑越大，沉速越快；③水的粘度越小，沉速越快，提高水溫例4-1油珠的直徑為50μm，密度為800kg/m3,試計(jì)算油珠在20℃水中的上浮速度。解：20℃水的粘度μ＝0.0010Pa·s，代入Stokes公式得校核雷諾數(shù)Re顆粒沉淀曲線將含懸浮物濃度為c0的原水混合均勻后，注入一組沉淀管，經(jīng)過t1時(shí)間后，從第一沉淀管深度為H處取樣，測定濃度為c1；…..在t1時(shí)刻沉速大于u1的所有顆粒全部沉過了取樣面，而沉速小于u1的顆粒濃度不變，仍為c1,c1/c0表示這部分顆粒與全部顆粒之比，記作x1,余類同。將xi與ui作圖，得沉淀曲線。對于指定沉淀時(shí)間t0，u0=H/t0,u≥u0顆粒全部除去u<u0顆粒部分除去，去除比例h/H，去除量總?cè)コ拷?jīng)t0時(shí)間沉淀，各種顆粒沉淀的總?cè)コ蕿椋簎u0xx01.0沉速dx0Hhuu0×××××××Ht=0顆粒沉速所占%u1x1u2x2u3x3u*x*un-2xn-2un-1xn-1unxn××××××t=t1×××××t=t*hn-2hn-1hnH高度時(shí)各種顆粒百分比為xj，沉淀h距離去除的量沉淀試驗(yàn)數(shù)據(jù)

沉淀時(shí)間t,min

0

15

30

45

60

90

180

xi=ci/c0

1

0.96

0.81

0.62

0.46

0.23

0.06

表觀去除率E=1-xi

0

0.04

0.19

0.38

0.54

0.77

0.94

u=H/t,cm/min

8

4

2.67

2

1.33

0.67

η

0.344

0.576

0.747

0.816

0.909

0.976

解：（1）各沉淀時(shí)間相應(yīng)的沉速（2）以xi為縱坐標(biāo)，u為橫縱標(biāo)作圖得沉淀曲線（3）圖解計(jì)算各沉速下的總?cè)コ?u0=3.0為例，小于此沉速的顆粒與全部顆粒之比x0=0.67,積分項(xiàng)等于各矩形面積之和u0x00.1(0.5+1.0+1.3+1.6+2.0+2.4)+0.07×2.7=1.07η=(1-0.67)+1.07/3=0.687以此計(jì)算出各時(shí)總沉淀效率（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)間曲線例題:某廢水靜置沉淀數(shù)據(jù)如表，有效水深1.2m,計(jì)算各沉淀時(shí)間的顆粒去除率。不同沉淀時(shí)間的總?cè)コ识?、理想沉淀池假設(shè)：顆粒為自由沉淀水流水平流動(dòng)，在過水?dāng)嗝嫔?，各點(diǎn)流速相等。顆粒到底就被去除。水平流速v=Q/(h0B)B:池寬考察頂點(diǎn)，流線III：正好有一個(gè)沉降速度為u0的顆粒從池頂沉淀到池底，稱為截留速度。u

u0的顆?？梢匀咳コ?/p>

u<u0的顆粒只能部分去除去除率為E＝ui/u0=ui/(Q/A)A—沉淀池表面積(u0=h0/tt=L/v=Lh0B/Q)q=Q/A=u0

表面負(fù)荷或溢流率對于顆粒沉速小于u0的顆粒來講，去除率為

E＝ui/u0=ui/(Q/A)顆粒在理想沉淀池的沉淀效率只與表面負(fù)荷及顆粒沉降速度有關(guān)，而與其它因素（如水深、池長、水平流速、沉淀時(shí)間）無關(guān)。(Hazen理論,1904年）但實(shí)際沉淀池是偏離理想沉淀池。從上式反映以下兩個(gè)問題：1）E一定，ui越大，表面負(fù)荷越大。ui與混凝效果有關(guān)，應(yīng)重視加強(qiáng)混凝工藝。2）ui一定，增大A，可以增加產(chǎn)水量Q或增大E。當(dāng)容積一定時(shí)，增加A，可以降低水深――“淺層理論”。h=H,r=R時(shí)對沉速為u0的顆粒，積分圓形平流沉淀池，徑向水流速度是一變數(shù)hhu0u0uuv’v”v”v”Rrr0污泥區(qū)水流表面積A出水區(qū)進(jìn)水Q沉淀區(qū)drdh實(shí)際沉淀池偏離理想沉淀池條件的情況:水流狀況；顆粒絮凝過程實(shí)際水流狀況對沉淀過程的影響沉淀池進(jìn)、出水的影響：進(jìn)水流速大于池中平均流速異重流的影響：渾水比清水比重大；溫差異重流，白天效果均低于晚上水流紊動(dòng)性和穩(wěn)定性的影響：水流紊動(dòng)性判別Re=vR/ν，平流沉淀池中水流Re為4000-15000，降低雷諾數(shù)有利于沉淀水流穩(wěn)定性以弗勞德數(shù)判別，F(xiàn)r=v2/Rg，高，對溫差、密度異重流及風(fēng)浪抵抗能力強(qiáng)降低雷諾數(shù)和提高弗勞德數(shù)的有效措施是減小水力半徑R。R=過水?dāng)嗝?濕周理想與實(shí)際有差距，設(shè)計(jì)的表面負(fù)荷應(yīng)為試驗(yàn)值的1/1.25-1/1.7,平均為1/1.5;沉淀時(shí)間為試驗(yàn)值的1.5-2.0倍。二、絮凝沉淀沉淀效率由實(shí)驗(yàn)確定。在直徑0.1-0.15m，高1.5～2.0m，且沿高度方向設(shè)有5個(gè)取樣口的沉淀筒。沉淀柱應(yīng)有適當(dāng)?shù)目趶?，以及一定的深度，這樣可以有一定的容量，取樣時(shí)不影響水深；沉淀柱的高度盡可能和真實(shí)沉淀池相等；起始濃度在桶中應(yīng)分布均勻，模擬沉淀池進(jìn)口端懸浮物顆粒分布情況，水樣注入時(shí)應(yīng)平穩(wěn)緩慢；沉淀柱底部應(yīng)留有一個(gè)沉淀部分，以備沉泥之用；600600600600φ150時(shí)間(min)指定深度的SS濃度和E（括號中）0.6m1.2m1.8m510203040506075356.9(17.0)309.0(28.0)251.6(41.5)197.8(54.0)163.4(62.0)144.1(66.5)116.1(73.0)107.5(75.0)387.0(10.0)346.2(19.5)298.9(30.5)253.7(41.0)230.1(46.5)195.7(54.5)178.5(58.5)143.2(66.7)395.6(8.0)365.5(15.0)316.1(26.5)288.1(33.0)251.6(41.5)232.2(46.0)204.3(52.5)180.6(58.0)表4-2沉淀試驗(yàn)數(shù)據(jù)例題4-3：某廢水含懸浮物430mg/L，絮凝沉淀試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-2所示，試求該廢水在1.8m深的沉淀池中沉淀25min的總懸浮物去除率，繪制沉淀效率與沉淀速度曲線。絮凝沉淀的沉淀柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)（1）首先計(jì)算出每個(gè)取樣口的剩余懸浮顆粒的百分?jǐn)?shù)ct/c0，沉淀效率E=(c0-ct)/c0×100%（表中括號內(nèi)的數(shù)字）（2）根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，繪制出沉淀時(shí)間與沉淀效率的關(guān)系曲線，（3）據(jù)沉淀時(shí)間與沉淀效率關(guān)系曲線，繪出絮凝沉淀的等去除率曲線。在沉淀時(shí)間t與沉淀效率的關(guān)系曲線上，取沉淀率E分別為5%，10%，20%·····70%，找出該沉淀效率E所對應(yīng)不同取樣深度h的每一根曲線上的時(shí)間t，見下頁表（4）計(jì)算顆粒的總?cè)コ视捎谒泻懈鞣N不同沉淀速度的懸浮顆粒，顆粒表觀去除率是通過沉降柱試驗(yàn)而取得的。顆粒沉速為u1≥u0(u0=H/t)時(shí)，這些顆粒能沉淀下來，而顆粒沉速u1<u0的顆粒，將按照ut/u0=h/H的比例沉淀下來。具體計(jì)算過程解：①確定沉淀時(shí)間為25min，相應(yīng)顆粒的沉淀速度為：②從等去除率曲線上橫坐標(biāo)沉淀時(shí)間為25min處劃一豎直線，左邊去除率為30%，表示沉速的顆粒全部被除去。③沉速小于u0的顆粒去除率可按深度比率h/H或速度比率ｕ1/ｕ0計(jì)算。具體方法：在30%與40%二等去除率前線之間作一中間曲線35%,此線與25min縱軸相交于一點(diǎn),此點(diǎn)深度為1.26m，在這個(gè)范圍內(nèi)，顆粒平均沉速為u1=1.26/(25×60)=0.84mm/s在這一間隔內(nèi)，懸浮顆粒得去除率為：用同樣的方法，以10%的間隔增加，劃出45%，55%，65%以及75%的去除率曲線，并從t=25min處，讀得平均沉淀深度h2=0.72m;h3=0.42m,h4=0.25m;h5=0.084m。25總沉淀效率計(jì)算如下：當(dāng)沉淀時(shí)間為25分鐘時(shí)100%去除的顆粒占沉淀效率的η30%第四間距（65%）時(shí):第二間距（45%）時(shí):第三間距（55%）時(shí):第一間距（35%）時(shí):第五間距（75%）時(shí):∑45.2%h平均-每一選定艱巨的平均沉淀深度；△x-任意選定的間距，選得越小，總沉淀率越接近真實(shí)值。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)乘上一個(gè)系數(shù)，表面負(fù)荷將乘上1/125-1/1.75(平均1/1.5)的系數(shù)，而對沉淀時(shí)間這一參數(shù)則應(yīng)乘上1.5-2.0(平均1.75)同樣計(jì)算出其他沉速的總沉淀效率，列于下表：并繪成沉速與總?cè)コ是€換算為表面負(fù)荷并繪出總沉淀效率與表面負(fù)荷關(guān)系曲線三、成層沉淀與壓縮vsA-澄清液層，B-受阻沉降層，C-過渡層，D-壓縮層；1-1面均勻下降，2-2面勻速上升，t2時(shí)相遇，B,C消失，直到壓實(shí)bABCD1122v0<t<t2cADH2t=t2壓縮開始dADHut=tu壓縮結(jié)束at=0均勻污泥C0受阻沉降過渡壓縮ABCDvsv2110t2時(shí)間H2界面高度C2第二節(jié)沉淀池一、沉砂池作用：去除廢水中攜帶的泥沙。分類：平流和豎流，平流效率高，應(yīng)用廣泛。構(gòu)造：過水部分是明渠，渠底有貯砂斗，一般兩個(gè)。下部設(shè)有帶閘門的排砂管。設(shè)計(jì)控制參數(shù)：水平流速0.15～0.3m/s，停留時(shí)間大于30s，有效水深<1.2m，渠寬不小于0.6m，超高為0.3m。采用最大流量計(jì)算，最小流量校核。貯砂斗坡角>55°，排泥管徑不小于200mm。防止有機(jī)物沉淀：采用曝氣沉砂池，鼓風(fēng)曝氣形式。二、平流沉淀池基本技術(shù)參數(shù)：長寬比>4，有效水深<3m，超高0.3m。進(jìn)口均勻布水，流速<25mm/s，水流流入點(diǎn)應(yīng)高出泥層面0.5m以上，盡快消能，加擋板。出口采用溢流堰，大多采用鋸齒形堰。平堰加工嚴(yán)格。用排泥斗排泥，一般設(shè)兩個(gè)池。設(shè)計(jì)計(jì)算：沉淀區(qū)、污泥斗、池總深度、進(jìn)出口設(shè)備及排泥設(shè)備。沉淀區(qū)計(jì)算池平面面積A=Q/u沉淀區(qū)水深h2=Qt/A=ut確定B，計(jì)算L=A/B,校核長寬比污泥體積計(jì)算—進(jìn)出水SS濃度；γ—污泥容重;P—污泥含水率，%；T-排泥間隔時(shí)間（d)沉淀池的總高度H=h1+h2+h3+h4H1-超高，h2—有效水深，h3—緩沖層高度，h4—污泥部分高度三、豎流式沉淀池大多為圓形，直徑8m以下，中心管進(jìn)水，從下部流出，集水槽采用平頂堰或鋸齒堰。污泥采用排泥管排出。優(yōu)點(diǎn)：排泥簡單，用于小型污水處理存在一個(gè)u0,v與u0V>u0全流失V=u0

懸浮V<u0

全沉降計(jì)算：中心管直徑、喇叭口與反射板縫隙高度、沉淀區(qū)有效斷面積、沉淀池直徑、沉淀區(qū)有效深度、截圓錐部分容積、沉淀池總高度。vu0四、輻流式沉淀池基本參數(shù)：直徑較大（20～30m），中心深度2.5～5.0m，周邊深度1.5～3.0m；中心進(jìn)水，輻射流動(dòng)，流速漸減；機(jī)械排泥應(yīng)用：主要用于大型污水處理設(shè)施；廣泛用于城市污水處理廠輻流式沉淀池結(jié)構(gòu)圖五、斜板斜管沉淀池理想沉淀池的特性：沉淀池的處理效率僅與顆粒沉淀速度和表面負(fù)荷有關(guān)，與池深無關(guān)原理：如將水深為H的沉淀池分隔為n個(gè)水深為H/n的沉淀池，則當(dāng)沉淀區(qū)為原沉淀區(qū)長度L的1/n時(shí)，就可處理與原來的沉淀池相同的水量，并達(dá)到完全相同的處理效果。vu0vu0vu0vu0ABDC為了讓沉到底部的污泥便于流動(dòng)排除，需要把這些淺的沉淀區(qū)傾斜60°，超過污泥的休止角，因此稱為斜板沉淀池。水泥異向流同向流水水泥水水泥橫向流斜板沉淀池構(gòu)造根據(jù)水流和泥流的相對方向，可將斜板沉淀池分為逆向流、同向流、橫向流三種類型計(jì)算：以異向流為例應(yīng)用：大量應(yīng)用在給水處理中，因?yàn)榈\花容易滑下去。污水處理中慎用斜板，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生生物膜，飄在出水中，泥易堆積在斜板上，易坍塌占地面積：斜板小，極易損壞，5年更換一次。與平流式對比，總造價(jià)差不多，可節(jié)省地價(jià)。平流式過流慢約1h；斜板過流快，約10min，要求前邊反應(yīng)好，需加藥等，不可有小顆粒。給水：廣泛使用斜板；廢水：少用斜板顆粒由A移動(dòng)到B被去除，可理解為顆粒以v的速度上升到l+l1的同時(shí)以u0的速度下沉l2，兩者在時(shí)間上相等：沉淀單元長度沉淀單元斷面面積為dw,則單元通過的流量為q=dwv

代入上式變換得：lwcosα即為斜板在水平方向投影的面積，用af代替；dw/sinα沉淀池在水平方向的面積，用a表示。則:q=u0(af+a)考慮各種影響，取修正系數(shù)η—0.7ABvu0ldα第三節(jié)隔油池一、油在水中的存在狀態(tài)懸浮油、乳化油、溶解油，隔油池僅能去除懸浮油二、種類平流式隔油池、斜板式隔油池平流式隔油池—同平流式沉淀池，一般不少于兩個(gè)，池深1.5-2.0m，超高0.4m，單格長寬比不小于4,工作水深與每格寬度之比>0.4,池內(nèi)流速一般2-5mm/s，停留時(shí)間一般1.5-2.0h，去除油粒最小直徑100-150μm。隔油后含油50-100mg/L.采用刮油機(jī)收油，底刮泥，上刮油。斜板隔油池—提高單位容積的處理效率，斜板大多采用聚酯玻璃鋼波紋板，板間距20-50mm,傾角>45°，采用異向流，停留時(shí)間為平流式的1/2-1/4,約30min，去除最小粒徑60μm.應(yīng)用：前平后斜，平隔大量油；斜板最好用鍍鋅或不銹鋼板，以利熱水或蒸汽清洗。第四節(jié)氣浮池一、概述通入空氣，→顆粒附著在氣泡上，浮力作用，氣泡上升，攜帶顆粒漂浮水面。達(dá)到固液分離的目的特點(diǎn)：用于自然沉淀比較難于去除的比重比較輕的細(xì)小顆粒氣浮表面負(fù)荷可達(dá)到12m3/m2h,水在池中停留時(shí)間只需10-20min，池深2m，占地少，節(jié)省投資氣浮有預(yù)曝氣作用，泥渣不易腐化對于低濁含藻水，處理效率高，可除浮游生物，出水好浮渣含水率低，比沉淀污泥少2-10體積，表面刮渣比池底排泥方便可回收利用有用物質(zhì)，所需藥量比沉淀法省。缺點(diǎn)：電耗大，釋放器易堵塞，浮渣怕大風(fēng)雨襲擊二、基本原理氣浮分離的必要條件向水中提供足夠量的微細(xì)氣泡，尺寸15-30μM使目的物呈懸浮態(tài)或具有疏水性，附著氣泡上升1.氣泡的產(chǎn)生：電解法、分散空氣法、溶解空氣法電解法—產(chǎn)生氣泡均勻細(xì)小，但電耗高，電極易結(jié)垢，主要用于小規(guī)模水處理分散空氣法通過粉末冶金、素?zé)沾苫蛩芰现瞥傻奈⒖装澹瑢嚎s空氣分散成小氣泡—簡便易行，氣泡較大，易堵塞吸氣氣浮—將空氣引入一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪附近，通過葉輪的高速剪切運(yùn)動(dòng)，將空氣吸入并分散為小氣泡?！m用于懸浮物濃度很高的廢水，如洗煤廢水，含油脂、羊毛等廢水，設(shè)備不易堵塞利用射流或水泵吸入和分散空氣溶氣氣浮法使空氣在壓力下溶于水中并呈飽和狀態(tài)，然后使廢水壓力驟然降低，這時(shí)溶解的空氣便以微小的氣泡從水中析出并進(jìn)行氣浮溶氣氣浮法真空氣浮—在負(fù)壓下析出加壓溶氣氣浮—在常壓下析出—應(yīng)用最多加壓溶氣氣浮按溶氣水不同有全部進(jìn)水溶氣、部分進(jìn)水溶氣、部分處理水溶氣三種基本流程。部分進(jìn)水溶氣和處理水溶氣流程，用于加壓溶氣的水量只占總水量的30%—35%或10%—20%，溶氣壓力高、氣泡小、均勻、不破壞絮體關(guān)鍵設(shè)備：溶氣罐，操作壓力0.3-0.5MPa，水泵吸水管進(jìn)氣、出水射流吸氣或空壓機(jī)供氣。釋放器，釋放效果好，不易堵塞2.懸浮物與氣泡的附著：界面張力和濕潤接觸角接觸角θ>90°疏水物質(zhì)，易于氣??；θ<90°親水物質(zhì)顆粒與氣泡的附著條件

界面能W=σS（S-界面面積）顆粒附著氣泡前W1=σLG+σLS（假設(shè)S=1cm2)

附著后W2=σGS

界面能變化△W=W1-W2=σLG+σLS-σGS據(jù)熱力學(xué)，氣泡和顆粒的附著過程，是向該體系界面能減小的方向自發(fā)地進(jìn)行，附著后的總界面能小于附著前θθσLGσLGσGSσGSσLSσLS被水濕潤的面積被水濕潤的面積水氣泡顆粒顆粒親水性顆粒氣氣氣氣氣氣氣θθσLGσLSσGSσSGσGLσLS水顆粒顆粒疏水性顆粒液氣顆粒處于平衡時(shí)，水、氣、固三相界面張力應(yīng)是σLS＝σLGcos(180°-θ)-σGS代入上式，得：△W=σLG(1-COSθ）

得出結(jié)論：①當(dāng)顆粒完全被水濕潤時(shí)，θ→0,COSθ→1,△W→0,顆粒與氣泡不能粘附，不能用氣浮處理；②0°<θ<90°0<△W<σLG氣浮效果不夠好；③90°<θ<180°,△W>σLG氣浮效果較好，易氣?、堞取?80°,△W＝2σLG，最易氣浮。σLG↑，△W↑，易氣?。沪襆G與水中所含的表面活性物質(zhì)有關(guān)，表面活性物質(zhì)多，σLG↓；表面活性物質(zhì)少，σLG↑。氣泡的穩(wěn)定性：氣浮要求氣泡在水中有一定的分散度，一定的穩(wěn)定性。潔凈水（表面張力大）中，氣泡易兼并，達(dá)不到一定的分散度，且易破滅?？赏屑右欢ǖ钠鹋輨康慕档挺襆G，在氣泡表面起保護(hù)作用，保護(hù)氣泡之穩(wěn)定性；但加氣泡劑太多，σLG降低太多，顆?！?dú)馀莞街缓?。如何控制氣泡劑的量是氣浮效果好壞的重要條件。分離親水性顆粒：投加合適的藥劑，改變顆粒的表面性質(zhì)—稱為浮選劑。浮選劑帶有親水基團(tuán)，被親水性物質(zhì)吸附，另一端朝向水，使顆粒表面變成疏水表面。水包油-破乳三、氣浮設(shè)備及其設(shè)計(jì)計(jì)算常用加壓溶氣氣浮、射流氣浮、葉輪氣浮應(yīng)用廣泛。部分回流用的較多設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①溶氣罐壓力V=KTP(亨利定律）壓力越大，溶解空氣越多?？諝膺^多，細(xì)小氣泡易聚