第二章 水的物理化学处理方法

曝气量：0.1~0.2m3/m3污水，或3~5m3/h.
曝气沉砂池实景
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
一、 沉淀的理论基础
沉淀法是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力 作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。
（一）理论基础（四种类型） （ 1 ）自由沉淀：离散颗粒、沉速不变（沉砂池、初沉池前期）
球状颗粒自由沉淀的沉速公式
当颗粒所受外力平衡时，
Fg FD
即 因
V g (S L ) CD A (L u / 2)
2
1 1 3 V πd ，A πd 2 6 4
得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：
4 g ( S L ) d u 3C D L
沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变
颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他 颗粒影响
静水中悬浮颗粒开始沉淀时, 因受重力作用 产生加速运动,经过很短的时间后,颗粒的重力与 水对其产生的阻力平衡时, 颗粒即等速下沉
悬浮颗粒在水中的受力：重力、浮力
重力大于浮 力时，下沉； 重力等于浮 力时，相对静源自文库止； 重力小于浮 力时，上浮。
水泵机组、曝气器、管道阀门、 配水设施，进出水口
作用：去除可能堵塞水 泵机组及管道阀门的较 粗大悬浮物，并保证后 续处理设施能正常运行 。
选用栅条间距的原则：不 堵塞水泵和水处理厂、站 的处理设备。规模、污水 性质、后续构筑物
格栅的种类
按栅条的间距 粗：50-100mm 中：10-40mm 细: 1.5-10mm
vmin qv min / n1 Amin
S1 S2 )
式中:h’3 ——贮砂斗高度，m； S1，S2 ——贮砂斗上口和 下口的面积。 6.贮砂室的高度h3 设采用重力排砂，池底坡度i= 6%，坡向砂斗，则
h3 h'3 0.06 l2 h'3 0.06( L 2b2 b' ) / 2
（2）絮凝沉淀：絮凝性颗粒，沉速增加（初沉池后期、二沉
池中前期、混凝沉淀） （3）拥挤（成层）沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分
层（高浊水、二沉池后期）
（4）压缩沉淀：颗粒间相互挤压，下层颗粒间的水在上层颗 粒的重力下挤出。（沉淀池污泥斗、污泥浓缩池）
29
自由沉淀及其理论基础
颗粒为球形
分 析 的 假 定
池的有效水深为2~3m，池宽与池深比为1~1.5，池的长宽比可
达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板。 曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.5~6.0mm，距池底约 为0.6~0.9m，并应有调节阀门。 曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜
安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流。
us与μ成反比，μ随水温上升而下降；即沉速受水
温影响，水温上升，沉速增大。
理想沉淀池理论 沉淀池的工作原理
分为： 进口区域、沉淀区域、出口区域 、污泥区域四个部分
理想沉淀池的几个假定：
沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流 速为v； 悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u； 在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布 在整个过水断面上； 颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。
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， H×b； H——沉淀区的水深； b——沉淀区宽度。
I.
II.
设u0为某一指定颗粒的最 小沉降速度。 当颗粒沉速u≥u0时，无论 这种颗粒处于进口端的什 么位置，它都可以沉到池 底被去除，即左上图中的 迹线xy与x′y′。 当颗粒沉速u<u0时，位于 水面的颗粒不能沉到池底 ，会随水流出，如左下图 中轨迹xy″所示；而当其 位于水面下的某一位置时 ，它可以沉到池底而被去 除，如图中轨迹x′y所示 。 说明对于沉速u小于指定颗 粒沉速u0的颗粒，有一部 分会沉到池底被去除。
悬浮颗粒在水中的受力分析
1.悬浮颗粒在水中受到的 力Fg
Fg是促使沉淀的作用力，
是颗粒的重力与水的浮力之 差：
2. 水对自由颗粒的阻力
2
FD CD A (L u / 2)
Fg V S g V L g V g(S L )
式中：Fg——水中颗粒受到的作 用力； V——颗粒的体积； ρS——颗粒的密度； ρL——水的密度； g——重力加速度。 式中：FD——水对颗粒的阻力； CD——阻力系数； A——自由颗粒的投影面积； u——颗粒在水中的运动 速度，即颗粒沉速。
式中:μ——水的动力黏度。
斯托克斯定律:
1 S L u g d2 18
由上式可知，颗粒沉降速度us与下述因素有关： 当ρs大于ρL时，ρs-ρL为正值，颗粒以us下沉； 当ρs与ρL相等时，u=0，颗粒在水中呈悬浮状态， 这种颗粒不能用沉淀去除； ρs小于ρL时，ρs-ρL为负值，颗粒以us上浮，可用 浮上法去除。 u与颗粒直径d的平方成正比，因此增加颗粒直径有 助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。
第二章 水的物理化学处理方法
第一节 水中粗大颗粒物质的去除 一、格栅、筛网和微滤机 作用：去除水中粗大物质，保护后续设备。 （一）格栅 （二）筛网 （三）微滤机
1
格栅的 作用
格栅由一组（或多组）相平行 的金属栅条与框架组成，倾斜 安装在进水的渠道，或进水泵 站集水井的进口处，以拦截污 水中粗大的悬浮物及杂质。
1/ 2
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，CD=24/Re， Re（雷诺数）= ρl · u· d/ μ 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）：
1 S L u g d2 18

1.0 x0
u0
dx
沉速u颗粒去除率：
t0 时刻
x
u h u0 H
1
H
0
u u0
h
2 3 4
对于沉淀时间t0，沉速u0
u 总去除率： E (1 x0 ) 100% x u0 E (1 x0 ) 100%
x0 0
u dx u0
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2、絮凝沉降
在沉淀过程中，颗粒变大，沉速变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。 无理论描述公式，只能通过沉淀试验模拟沉淀效果。 沉淀柱高度＝实际沉淀池深度 1）在时间ti，不同深度测 i 2) 计算各时间各深度处的颗粒去除百分率 3）绘制去除百分率等值线
沉砂池的 工作原理
沉砂池的 几种形式
平流式、曝气沉砂池、旋流式 沉砂池等
沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数
城市污水厂一般均设置沉砂池，个数或分格数应不小于2； 设计流量应按分期建设考虑： 最大时流量、最大组合流量、合流制流量 沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65，粒径为0.2mm以上。 城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为 60%，容重约1500kg/m3。 贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55º, 排砂管直径不应小于200mm。 沉砂池的超高不宜小于0.3m。
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。
曝气沉砂池的设计参数
水平流速一般取0.08~0.12m/s。 污水在池内的停留时间为2~4min；雨天最大流量时为1~3 min 。如作为预曝气，停留时间为10~30min。
1.平流式沉砂池
平流式沉砂池是一种最传统的沉砂池，它构造简 单，工作稳定。
平流式沉砂池的系统参数
污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为 0.15m/s； 最大流量时，污水在池内的停留时间不少于30s， 一般为30~60s； 有效水深应不大于1.2m，一般采用0.25~1.0m，池 宽不小于0.6m； 池底坡度一般为0.01~0.02，当设置除砂设备时， 可根据除砂设备的要求，考虑池底形状。


按清渣方式: 人工和机械 形状：平面和曲面
回转式格栅除砂机及 栅渣皮带输送机
6
7
格栅、筛网截留的污染物的处置方法：
填埋 焚烧（820‴以上） 堆肥 当有回收利用价值 时,可送至粉碎机 或破碎机被破碎后再用
二、沉砂池
沉砂池 的作用 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 影响后续处理构筑物的正常运行 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 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
式中:qvmin ——设计最小流量， m3/s； n1——最小流量时工作 的沉砂池数目; Amin ——最小流量时沉砂 池中的水 流断面面积，m2。
例题

某城市污水最大设计流量0.3m3/s，最小设
计流量为0.15m3/s，总变化系数Kz=1.45，
请为该污水处理厂设计平流式沉砂池。
2. 曝气沉砂池
曝气沉砂池剖面示意
曝气沉砂池的构造
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； 在池底设置沉砂斗，池底有i=0.1~0.5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。
曝气沉砂池的特点：
V
qv max X T 86400 k z 106
2.水流断面面积A
A qv max / v
式中：qvmax——最大设计流 量，m3/s。
式中: X——城市污水的沉砂量, 一般采用30m3/ (106m3污水）; T——排砂时间的间隔,d; kz ——生活污水流量的总 变化系数。
q qv / A
理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同： u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流 量，单位是m3/（m2·h）。故只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以 求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。
重要结论

理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面 积A有关，与池深H无关，即与池的体 积V无关。 理想沉淀池中，u0与q在数值上相同， 但它们的物理概念不同，只要确定颗 粒的最小沉速u0，就可以求得表面负 荷率。
0 i 100% 0
70%
0.3 0.5 1.0 1.5
60% 50%
30% 20%
0
40%
t
43
3、拥挤（成层）沉降和压缩沉降
平流式沉砂池 的计算公式
5.贮砂斗个部分尺寸计算 设贮砂斗底宽b1=0.5m；斗 壁与水平面的倾角为60º；则贮 砂斗的上口宽b2为：
b2 2h'3 b1 t g60
7.池总高度h
hh 1 h2 h 3
贮砂斗的容积V1：
1 V 1 3 h'3 (S1 S2
式中: h1——超高，m； h2——有效水深,m; h3——贮砂斗高度,m。 8.核算最小流速vmin
上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：
v / u0 L / H
将上式带入式中
v u0 ( L / H )
v qv / A' qv / H b
并简化后得出
qv u0 ( L / H ) H b u0 A
u0 qv / A
qv/A——反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷 率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示：
由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线：
当某一颗粒进入沉淀池后
一方面随着水流在水平 方向流动，其水平流速 v等于水流速度
另一方面，颗粒在重力 作用下沿垂直方向下沉 ，其沉速即是颗粒的自 由沉降速度u
颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和，在 沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度i=u/v
v qv / A' qv /(H b)
平流沉砂池设计步骤
沉砂部分的长度 水流断面积 池的总宽度 贮砂斗的容积、尺寸

平流式沉砂池的计算公式
1.长度L 3.池总宽度b
L vt
b A / h2
式中： h2——设计有效水深。
式中：v——最大设计流量时 的速度，m/s； t——最大设计流量时 的停留时间, s。
4.贮砂斗所需容积V