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1、水污染控制工程（下）主讲：成官文教学要求：1.掌握沉淀理论，理解各种沉淀类型的内在联系和区别，并学会分析沉淀池的影响因素。2.了解各种沉淀池的适用范围，掌握其相关的工程设计，并结合流体力学理解其设计要求。第三章污水的物理处理第三章污水的物理处理概述生活污水和工业废水中都含有大量的漂浮物与悬浮物，其进入水处理构筑物会沉入水底或浮于水面，对设备的正常运行带来影响，使其难以发挥应有的功效，必须予以去除。物理处理的去除对象：漂浮物、悬浮物。物理处理方法：筛滤、重力分离、离心分离。筛滤：筛网、格栅（去除漂浮物、纤维状物质和大块悬浮物） 滤池、微滤机（去除中细颗粒悬浮物）。重力分离：沉砂池、沉淀池（去除不
2、同密度、不同粒径悬浮物）、隔油池与气浮池（去除密度小于1或接近1的悬浮物）。离心分离：离心机、旋流分离器（去除比重大、刚性颗粒）。本章主要就城市生活污水处理中使用的格栅、沉砂池、沉淀池进行讲授。一、格栅1.格栅:是一组平行的金属栅条、带钩的塑料栅条或金属筛网组成。安装地点：污水沟渠、泵房集水井进口、污水处理厂进水口及沉砂池前。设置目的：根据栅条间距，截留不同粒径的悬浮物和漂浮物，以减轻后续构筑物的处理负荷，保证设备的正常运行。栅渣：被截留的污染物，其含水率7080，容重750kg/m 3 。分类：平面格栅和曲面格栅（又称回转式格栅）。2.平面格栅1）格栅设计主要依靠水量大小、栅渣量多少来确定（
3、机械清渣、人工清渣）。机械清渣采用回转式、或栅条置于外侧耙头抓渣适于水量大、渣多或机械程度、自动化程度较高时采用；人工清渣适于水量小、少栅渣，当栅渣多为纤维状物质而难于用耙清楚时，也多采用定时吊起栅渣人工清除。2）设计参数B、L、e和b的相关尺寸见p55表31。长度L：取决于水深，以200mm为一级增长值。当L1000mm时，框架应加横向肋条。栅条材质为A 3钢制，栅条偏差1/1000，总偏差2mm。栅条间隙e：10、15、20、25、30、40mm（细格栅）；50、60、70150mm（中或粗格栅）。 a.水泵前：人工清渣e 20mm；对大中型泵站，采用机械清渣，e 20150mm。 b.污
4、水处理系统前：人工清渣e2540mm，机械清渣e1525mm。污水处理厂前可设粗细二道格栅，粗格栅e50150mm，细格栅e1540mm；当提升泵站前格栅e 25mm时，泵后可不住设格栅。 c.格栅数量：当每日渣量0.2 m 3时，一般采用机械清渣，格栅台组数不宜少于2台。若仅为1台时，应另设一条人工清渣格栅备用。d.格栅安装角度：一般4575,对人工清渣，为省力一般角度60 ；对机械清渣，角度一般6075 ,特殊时为90 ；对回转式一般6090 。e.流速：栅前渠道流速V0.40.9m/s，过栅流速0.61.0m/s，通过格栅水头损失宜采用0.080.15m。f.高度：设水深h，格栅水头损失
5、h1 ，栅前渠道超高h2（一般采用0.3m），则后槽总高度H h1h2h。格栅工作台高度：高出栅前最高设计水位0.5m工作台宽度：人工清渣1.2m，机械清渣1.5m。g.栅条断面形状、尺寸：正方形2020mm；圆形=20；长方形1050mm，迎水面半园矩形1050mm。3）设计参数栅槽宽度：已知B或Qmax 、水深h、流速V，则栅条间隙数：nAmax(sin) 0.5 /ehv，Ben(n-1)，栅条数n1，栅宽s。格栅的水头损失： h1Rh。R为倍数，一般取3。 h0V sin /2g， (s/e) 4/3，为阻力系数；对圆形1.79，矩形2.42，迎面半园1.83，迎背面半园1.67。栅槽
6、总高度：H h1h2h， h2为超高。栅槽总长度：L L1L21.00.5H1 /tg ， 式中：L1(BB1)/2tg1，L2 L1/2， H1 h2h L1为进水渠渐宽部分长度；L2为渠出水渐窄处长度。 1为渠道展开角，一般20 ； B1为进水渠宽度。 0.5与1.0为格栅前后的过渡段长度。每日栅渣量：W Amax W186400/K总1000(m 3 /d)。式中： W1为栅渣量(m 3 /10 3 m 3污水)，一般取0.010.1。粗格栅取小值，中格栅取中值，细格栅取大值。 K总为生活污水变化系数，见p59表33。例题：见p59例31。二、沉淀理论1.沉淀类型：沉淀是实现固液分离或泥
7、水分离的重要环节，由于沉淀的对象和空间不同，其沉淀形式也各异自由沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀、压缩沉淀。自由沉淀：指SS浓度不高，沉淀过 程中颗粒间互不碰撞、呈单颗粒状 态，各自独立地完成沉淀过程。如 沉砂池和初沉池中的沉淀。絮凝沉淀(干涉沉淀)：当SS浓度较 高(50500mg/L)时，沉淀过程中颗 粒间可能互相碰撞产生絮凝作用， 使颗粒粒径与质量逐渐加大，沉速 加快。如活性污泥在二沉池中的沉 淀。区域沉淀（成层、拥挤沉淀）：因SS过大，沉淀过程中相邻颗粒间互相妨碍、干扰，沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，各自保持相对位置不变，颗粒群以整体向下速度沉降，并与上清液形成清晰的固液界面。如二沉池中
8、下部的沉淀。压缩沉淀：颗粒间相互支撑，上层颗粒在重力作用下挤压下层颗粒间的间隙水，使污泥得到浓缩。如二沉池泥斗和浓缩池的过程。2沉淀类型分析1）自由沉淀：假设颗粒为球形，由牛顿第二定律得： mdu/dtF1F2F3 。 式中 ； F1为重力，Vgg； F2为浮力，Vgy。 F3为下沉摩擦阻力，CA y u 2 /2。带入整理得：u (g y )gd 2/18，即斯托 克斯公式。可见沉速u与g y以及d 2成正比，与成反比。但由于污水中的颗粒为非球形，直接采用斯托克斯公式会油很大误差，需要修正。具体修正方法如下：多个沉降柱试验法：见p63，沉降柱68个，d80100mm，h15002000mm，
9、出水口位于1200mm处，出泥口在底部，进水SS浓度为C0，经沉淀t1 、t2、t3 ti tn时，分别在18号沉淀柱取水样100ml，得出水SS浓度C1 C8，并作出t的关系曲线以及ui的关系曲线（见图39）。沉速ui是指在沉淀时间ti内能从水面恰好下沉到水深H处的最小颗粒的沉淀速度。对于u ui的颗粒，可在时间ti内全部沉淀去除；而对u ui的颗粒，在时间ti内能否被沉淀去除取决于颗粒所在位置，因而此方法存在误差。沉降柱修正试验法：试验方法同前，在每根沉降柱上开多个取样口，取H以上所有取样口的水样。设水样中的SS浓度为Ci ，则出水中的剩余SS的比例为PiCi/ C0 ，SS实际在ti时的
10、去除率为1 Pi，作的P0 ut曲线，凡沉速ut u0H/t的所有颗粒都可能去除，其去除率为1 P0 ；而沉速ut u0H/t的颗粒能被去除的比例为ut / u0 ，其在t时刻去除该颗粒的效率为ut / u0 dp；故总去除率为(1 P0 )+ ut / u0 dp 。所以% (100 P0 )+ 100/ u0 ut dp 。例题 （见p65例32）2）絮凝沉淀试验思路同前，柱略高略粗，取样口间距500mm，取样时间间隔5或10min，则SS在ti时的去除率为(1 Ci/ C0 ) 100% 。记算去除率，并记录与表中（见表36）。具体计算见例33，首先计算临界沉速，后在图上作中间曲线，找出
11、其与t时刻的交点，计算对应沉速，后计算去除率。 1 u1/ u0(1 2） u2/ u0 (2 3）.3)区域沉淀和压缩沉淀安排在第八章讲解。3.理想沉淀池原理从上面分析可以看出，沉淀理论与实际沉淀池的运动规律有所差距，为合理表征实际沉淀状态，提出了“理想沉淀池”概念。理论假设条件： a.污水在池内沿水平方向作等速流动，速度为v。 b.在流入区颗粒沿AB断面均匀分布，并处于自由沉淀状态， 其水平分速等于v。 c.颗粒沉到池底即认为被去除。1）平流式理想沉淀池平流式理想沉淀池分流入区、流出区、沉淀区和底部的污泥区。从图中可以看出，必存在一种从A点进入、以流速为u0 的颗粒，最后刚好在出水口D点沉
12、入池底污泥区。根据几何相似原理，则u0 /v=H/L，即u0 vH/L。所以凡沉速大于u0者全部沉入池底（代表I轨迹的颗粒）；凡沉速小于u0者、且在对角线AD以上者，均不能被去除（代表轨迹的颗粒）；凡沉速小于u0者、且在对角线AD以下者，仍可以被去除（代表虚线轨迹的颗粒）。设沉速ut 0.15m/s进行验算，保证沉掉0.21mm的砂，而不去除有机物。VminQmin/n。 为单池过水断面面积。2.曝气沉砂池（可去除11的有机物）构造：横断面呈矩形，底坡i0.10.5， 坡向砂槽；砂槽上方设曝气器，器安装 高度距池底0.60.9m。目的：a.使粘在砂粒上的污泥及有机物 更好分离（通过摩擦作用实现
13、），避免 泥沙沉于初沉池而影响污泥的处理。 b.送入空气，使无机颗粒甩向外侧而沉淀。 c.预曝气，改善污水水质，减轻散发气味。设计参数： a.旋流速度：0.250.3m/s； b.水平流速：0.060.12 3m/s； c.水力停留时间：13min； d.池深：23m；宽深比11.5；长宽比5；池长1420m。 e.曝气量：0.10.2 m3 空气/m3污水或35 m3 空气/m2 h 。计算 a.池总有效容积：v60 Qmaxt，t为最大设计流量时的水力停留时间。 b.水平断面面积 A Qmax/v，v为最大设计流量时的水平流速. c.池总宽：BA/H，H为有效水深。 d.池长LV/A。 e
14、.曝气量：q=3600DQmax，q为每小时的曝气量，D为单位污水量所需气量。检验 水的流态：旋流。其旋流速度V（V12V22）1/2 。 污水每旋转一周推进的距离：Lr2rtg，式中r0.5倍池宽， 即旋流半径； 为旋转角，tgV1/V2。 根据试验必须旋转3周（V 0.35m/s时），能取得较好的效果。故要求V1 tL 3Lr。3.多尔沉砂池 自学。4.钟式沉砂池 自学。四、沉淀池1.概述分类： 按工艺布置分：初沉池和二沉池。 初沉池是一级污水处理的主体构筑物，或作为二级处理的预处理，可去除4055的SS、2030的BOD，降低后续构筑物负荷。 二沉池位于生物处理装置后，用于泥水分离，它是
15、生物处理的重要组成部分。经生物处理二沉池沉淀后，一般可去除7090的SS和6595的BOD。 按池内水流流态分：平流式、辐流式和竖流式。结构：各种沉淀池均含有五个区：进水、沉淀、缓冲、污泥与出水区。优缺点和适用条件 平流式：沉淀效果好，耐冲击负荷与温度变化，施工简单，造价较低。但配水不易均匀，采用多个泥斗排泥时每个泥斗需单独设排泥管，操作量大；采用链式刮泥设备，因长期浸泡水中而生锈。适用条件：大中型污水处理厂和地下水位高、地质条件差的地区。 竖流式：排泥方便，管理简单，占地面积少。但池深大，施工困难，对冲击负荷与温度变化适应能力差，造价高，池径不宜过大，否则布水不均。适于小型污水处理厂 辐流式
16、：机械排泥，运行效果较好，管理较方便，排泥设备已定型。但排泥设备复杂，对施工质量要求高。适于地下水位较高地区和大中型污水处理厂。一般规定： a.沉淀池数目不应少于2座，宜按并联运行设计。 b.沉淀池的超高h 0.3m，其缓冲层高度一般采用0.30.5m。c.初沉池应设撇渣设施。d.有效水深H、沉淀时间t与表面负荷率的关系如下： 表面负荷率q 沉淀时间t（h） （ m3 /m2 h ） H2.m 2.5m 3.0m 3.5m 4.0m 3.0 1.0 1.17 1.33 2.5 1.0 1.20 1.40 1.60 2.0 1.0 1.25 1.50 1.75 2.0 1.5 1.33 1.67
17、 2.00 2.33 2.67 1.0 2.0 2.5 3.0 3.50 4.0 e. 污泥区容积按 2d污泥量计算。采用机械排泥时，可按4h泥量计算；人工排泥应按每天排泥量计算。 初沉池排泥静水头1.5m；二沉 池排泥静水头为：活性污泥法 0.9m，膜法0.9m。 f.污泥斗斜壁与水平面倾角：方斗60，圆斗55 。 g.排泥管d 200mm，采用多泥斗时应设单独闸阀和排泥管。h.沉淀池入口和出口均采取整流措施，入流口设调节闸门，以调节流量；出口堰也如此。 i.重力排泥时，污泥斗的排泥管一般采用铸铁管，其下端伸入斗内，顶端敞口，伸出水面，以便与大气连通；在水下0.91.5m处接水平排泥管，污泥
18、借静水压力排出。2.平流式沉淀池构造:由进水、沉淀、缓冲、污泥、出水五区以及排泥装置组成。 流入有侧向配水槽、挡流板组成，起均匀布水的作用。挡板入水深度0.25m，高处水面0.150.2m，距流入槽0.51.0m。 流出由出水槽和挡板组成。流出槽为自由溢流堰，其要求水平，以保证出流均匀，控制沉淀池水位。堰口采用锯齿形，最大负荷2.9L/(m.s)（初沉池）、1.7L/(m.s)（二沉池）。为改善出水水质，可设多出水槽，以降低出水负荷。 缓冲层：避免已沉淀污泥被水流搅起。污泥区： 贮存、浓缩和排泥作用。排泥装置与方法：利用进水压力。底坡I0.010.02；机械刮渣速度1m/min（初沉池）。如二
19、沉池采用平流式沉淀池，因污泥絮体含水率为99，密度接近1，不宜挂起，而只能采用泵抽吸（p80图330），目前少用。设计参数 a.长宽比以35为宜，对大型沉淀池宜设导流墙；L/H=812，L一般3050m。 b.采用机械排泥时，池宽应根据排泥设备确定，此时底坡一般0.010.02；刮泥机行进速度1.2m/min，一般0.60.9 m/min. c.表面负荷：最大水平流速，初沉池3mm/s，二沉池5mm/s。计算 当无沉淀试验资料时，按沉淀时间与表面负荷计算。 a.池子总面积： A3600.Qmax/q。 b.有效水深：h2qt。（初沉池t12h，二沉池1.52.5h）c.沉淀区有效容积：V1A
20、h2或Qmax t。 d.沉淀区长度：L3.6vt，v为最大设计流量时的水平流速， 一般小于5mm/s。 e.沉淀区总宽度：BA/L。 f.沉淀池座数 ： nB/b，b为每座宽度，一般510m。 g.污泥区容积：按人算，WSNt/1000。S为每人每天产泥量，取0.30.8L；N为人口数；t为二次清泥时间间隔（d）。按进出水SS浓度计算，W Qmax.24(C0C1).100t/r(100p) Qmax. (C0C1).86400.100t/Kzr(100p)。 h.池子总高度：H h1h2 h3h4 ， h1为超高，取0.3m； h3为缓冲层高度，无刮泥机时取0.5m，有则取0.3m。 h4
21、泥斗区高度。 i.泥斗容积：V2h4 (f1+f2+f10.5f20.5)/3。 f1为斗上口面积， f2为斗下口面积。而对有沉淀试验数据时 因u0q，A Qmax /q= Qmax / u0 h2qt= u0 t 其它计算同前。例题：p82例343.辐流式沉淀池构造：一般为圆形，可分为中心进水周边出水、周边进水周边出水二种。均由进水、沉淀、缓冲、污泥、出水五区以及排泥装置组成。流入区设穿孔整流板，穿孔率为1020。流出区设出水堰，堰前设挡板，拦截浮渣。设计参数 a.D/H一般取612，D 16m。 b.池底底坡0.050.1。采用机械刮泥时，若D 20m，一般采用单臂中心传动刮泥机；反之采用
22、周边传动刮泥机。刮泥机转速13周/h，或外周线速度3.0m/min，一般1.5m/min 。 c.周边进水的沉淀效率高，起设计表面负荷可提高1倍左右，即34 m3 /m2 h 。 d.若为静水压力排泥，其设计参见p84图334，要求排泥槽泥面低于沉淀池水面0.3m。计算 a.沉淀池表面积、座数及单池直径：A1 Qmax /n.q ， D(4 A1 /) 0.5 。 b.沉淀池有效水深： h2qt。 c.池子总高度：H h1h2 h3h4 h5 ， h1为超高，取0.3m； h3为缓冲层高度，无刮泥机时取0.5m，有则取0.3m。 44为底坡落差，h5为泥斗高度。 d.污泥区容积：按人算，WSN
23、t/1000n。S为每人每天产泥量，取0.30.8L；N为人口数；t为二次清泥时间间隔（d）。按进出水SS浓度计算，W Qmax.24(C0C1).100t/r(100p) Qmax. (C0C1).86400.100t/Kzr(100p)n。 e.泥斗容积： V1 h5 /3.(r1 2 +r1 r2+r2 2 ) , r1 、r2为泥斗上下半径。泥斗以上锥体部分容积：V2 h4/3.(R2+r1R+r1 2 )。具体计算见p85例35和图335。 对周边进水（周边出和中间出）沉淀池，其效率提高。原因：中间进水的进水筒流速V 100mm/s。流速大，污泥难絮凝，且易冲击或扰动池底。构造：周边
24、进水，中间出水。出水位置：R处（即周边）、1/2R处、1/3R、1/4R处。其中以周边最好。其在流入槽底均匀开设布水孔；导流絮凝区设挡流板，使布水均匀，污泥絮凝沉淀区流速小而改善沉淀效果。设计计算 布水孔孔径50100mm，孔内流速0.30.8m/s（ Vn ）， 即Vn（2t) 0.5 Gm。式中Gm2(V12 V22 / 2t) 2 式中t为导流絮凝区平均停留时间，取360720s； 为运动粘滞系数； Gm为导流絮凝区平均速度梯度，取1030s1；V1为配水孔水流收缩断面流速，V1 Vn /= Vn ；V2为导流絮凝区平均下向流速， V2 Q1/f， Q1为单池最大设计流量。为便于施工和安
25、装，当导流絮凝区槽宽B 0.4m时，与配水槽等宽，此时要检验Gm，若Gm10 30s1 时满足，否则调整B。同时还要对堰口负荷机械校核，q1 Q1 /（23.6 D），要求q1 4.34L/s.m。4.竖流式沉淀池1）构造：由进水、沉淀、缓冲、污泥、出水五区以及排泥装置组成。排泥为重力排泥，锥体角度陡，5560。水流经中心管流入，经反射板 布水折向上流。中心管下口设 喇叭口和反射板。沉淀区颗粒沉速受向上水流流 速和向下重力沉速二者之和的 影响，即uv上时，颗粒能被 去除,此时去除率少1/ u0utdp, 但颗粒在上升过程中碰撞次数增加，颗粒变大，沉速随之增大，又提高了颗粒的去除率。2）设计参数
26、D/H 3，一般47m,不宜大于8m,最大10m。中心管内流速7m时，采用周边出水；当D 7m时，应增加集水支渠。排泥管为200mm，其在初沉池中排泥三通管口的水下深度h 1.5m；对膜法污泥h 1.2m；对活性污泥h 0.9m（即与污泥性质有关）；排泥管下端距池底距离小于0.2m，管上端超出水面距离大于0.4m。3）计算（参见p90）4）例题 p91例37。5.斜板（管）沉淀池理论基础：根据理想沉淀池的结论：L/H=V/U，当L、V不变时，池深H越浅，则U越小，即可被沉淀去除的悬浮颗粒粒径越小。或者当U、V不变时，如进水深度分为三层，则长度只需原来的1/3就可将沉速U的颗粒去除；或深为H/3
27、时，水平流速增大到3V时，仍能将沉速U的颗粒去除。即把沉淀池分成n层，可把处理能力提高n倍浅池理论。该理论的关键在于水动力学条件无水动力扰动。对排水，因污泥絮体密度小于1，实现有一定难度，而对给水相对容易些。适用范围与优缺点：去除率高，停留时间短，占地面积小，但因污泥粘附，易导致堵塞，在缺氧条件下会发生厌氧硝化，影响沉淀效果（上海曹杨污水处理厂使用效果不理想） 。该法在给水和工业废水化学处理中常用。分类：侧向流、同向流和逆向流三类。设计例题 p93，自学。 第四章、污水的生物处理教学要求掌握活性污泥法的基本原理及其微生物指标，理解其反应动力学，了解活性污泥处理系统的运行方式及其工艺，掌握曝气理论及其工程技术措施，掌握曝气池的设计计算。一、活性污泥法的基本原理1.基本概念与流程活性污泥：是由多种好氧微生物、夹带某些兼性厌氧微生物与废水中的固体物质、胶体等混凝交织在一起的呈黄褐色絮体。活性污泥法：是以活性污泥为主体的污水生物处理技术。实质：人工强化下微生物的新陈代谢(包括分解和合成)，
