污水的物理处理

第三章  污水的物理处理

物理处理：不改变物质的化学性质的条件下利用过滤、重力分离、重心分离等物理方法去除废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物质。

重点：沉淀的基本理论；沉淀池和浮上法的设计计算

难点：斯托克斯定律、设计参数选择

第一节  格栅和筛网

一.  作用及分类：

1.1作用：拦阻大的悬浮物和杂质，防治后续的泵、管渠等设备被堵塞。

1.2分类：人工清理格栅  设计过水面积≥有效面积的2倍。倾角 45°～60°

         机械格栅      设计过水面积≥有效面积的1.2倍。倾角 60°～70°

选择机械或人工清渣依据？ 每日栅渣量是否大于0.2m³/d

1.3设计参数： 格栅栅条间隙/间距（水泵要求）：粗（＞40mm，保护型格栅）、中（15~25mm主要作用）、细（4~10 mm）

              栅前流速（0.4-0.8 m/s），过栅流速（0.6-1.0m/s），过栅水头损失（0.2-0.5m）

1.4设计基本原则：以不堵塞后续工艺为基准。

二. 格栅的设计计算

2.1根据水头损失选泵

2.2建筑尺寸计算 见书

泵——间隙——间隙数——栅条数——宽度——总宽度——每日栅渣量

栅前水深与总的设计水量及栅前渠道设计有关，栅前渠道内污水流速一般为0.4~0.8m/s

2.3机械格栅除污机的选择

   安装方式：固定式、移动式

   有效间隙：粗、中、细

   角度：倾斜安装、垂直安装、弧形

   运动部件：（高）链式、伸缩臂式、循环齿耙式、曲面机械式、旋转式、钢丝绳牵引式、液压式等等

不同型号适用不同废水（水质与水量）不同场合，考虑因素：经济（功率、价格）、有效格栅间隙、宽度、渠宽、安装角度、除渣速率。污水pH值等

提问：第四污水处理厂是那个类型？见FTP上图片。高链式

若采用机械格栅时，不宜少于2台，如为1台时，应设人工清除格栅备用。

三. 运行管理

3.1 控制方式

人工控制（按时或按需）

自动定时（时间程序控制，需人监视随时调整）、

水位差控制：污水通过栅渣有一定水头损失，当栅渣增多，水头损失增大，即栅前栅后水位差增大。用传感器测量水位差，当测得结果超过一定值，表示积累的栅渣较多需除。

3.2过栅流速的控制

     栅前流速

，  过栅流速

其中： B栅前渠道宽度；

为栅距/栅条间隙；n栅条数量；Q入流污水流量；H₁栅前水深；H₂格栅工作水深

具体情况可调整过栅流量、投入工作格栅台数等调节，流速范围根据具体污水情况确定。

3.3 栅渣清除

栅渣的含水率一般为80％，容重为960kg／m³。

    利用液位差清除较好。

    提问：是否值班人员都应经常现场巡检？

什么可能使得液位计探头测量不准确？热蒸汽冷凝

3.4定期检查渠道的沉砂情况

注意有无异常声音，栅条是否变形，应定期保养。

3.5卫生与安全

a、强制通风，夏季保证每小时换气10次以上，或者预先通风或曝气。为什么？

    硫化氢、甲硫醇等恶臭有毒气体。

b、及时运走栅渣，并清洗堆放处，栅渣压榨机排出的压榨液应及时导入污水渠道，严禁明槽流入或地面漫流。

3.6分析测量与记录

判断格栅的拦污效率：记录栅渣量的容量或重量、初沉池和浓缩池的浮渣尺寸

焚烧：含水率、有机分

四、筛网

振动、水力筛网

作用：回收短小纤维

捞毛机：1-200mm直径的纤维等杂物

五、栅渣处理

填埋、焚烧（820度以上）、堆肥；粉碎作为初沉污泥

六、其他

过滤：压力滤池、虹吸滤池、快滤池、生物滤池（生物方法）

调节：水量调节池、集水井等、水质（化学法）

第二节 沉淀的基本理论

一、概述

原理：重力作用

应用：1. 预处理——沉砂池

      2. 进入生物处理前的初步处理——初沉池

      3. 生物处理后固液分离——二沉池

      4. 污泥处理——污泥浓缩池

二、沉淀类型

根据凝聚性能和浓度及比重，分为四种类型：

自由沉淀：浓度不高、颗粒物理性质不变、单独沉淀、沉淀轨迹为直线（沉砂池）

絮凝沉淀：互相絮凝聚合增大加快沉降，轨迹为曲线（化学混凝）

区域沉淀：颗粒浓度较高，整体下沉，有泥水界面（二沉池、污泥浓缩池）

压缩沉淀：高浓度颗粒沉降，团块结构，互相支撑挤压、有浓缩作用（二沉池污泥斗、污泥浓缩池）

一、自由沉淀及其理论基础

假定条件：书中123

力平衡——沉速

，阻力系数

雷诺指数

 或

，其中

 

——水的动力粘滞度，

——水的运动粘度

层流区（斯托克斯区）R_e<2，b=24, n=1.0, d=0.06~0.1,

过渡区（爱伦区） 2<R_e<500,b=18.5, n=0.6, d=0.1~2,

紊流区（牛顿区），Re>500, b=0.4,n=0.0, d.>2,

一般而言，自由沉淀中颗粒运动属于层流区，b＝24，n＝1.0，d=0.06～0.1，

代入上述公式，可得：

斯托克斯定律

（1）

>0, 

>0，下沉——沉淀法

＝0,

＝0，悬浮态——混凝沉淀或絮凝沉淀法，或浮上法

<0, 

<0，上浮——浮上法；

（2）

与d²成正比，即

随d²增大而增大，增加颗粒直径有助于提高沉速（上浮速度），提高去除效率；

（3）

与

成反比，而

随T_L升高而下降，所以

随T_L升高而增大

*：着重在于理解沉淀规律

四、沉淀池的工作原理

理想沉淀（四个假定：水平、垂直、分布均匀、去除概念）：

进口区＋沉淀区＋出口区＋污泥区

去除率10-12

10-13＋10-14——10-15＋10-16

最小沉速与表面负荷率数值上相等，但其物理意义不同。

设问：二者区别？

单位不同，意义不同，

沉速只表示垂直方向上单位时间的位移；

表面负荷率则表示单位面积的沉淀池在单位时间内的水流量。

*只在理想沉淀池中存在，且沉淀效率与A有关，与H无关，因此沉淀池宜采样大的表面积A及较浅的水深H。（浅池原理）

设问：池深的考虑因素主要决定于哪些因素？

a  在池底设置机械排泥装置所需要的深度；

b  为防止将已沉淀的颗粒从池底再冲起，必须使水平分速限制在一定范围内（水平流速，为沉淀池的设计参数之一）。

第三节 沉砂池

一. 概述

作用：去除污水中的砂子、煤渣等比重比较大的颗粒。

原理：自由沉淀

类型：平流式、竖流式、曝气池等

二. 设计原则和主要参数

2.1 并联式，备用

2.2 最大流量设计原则

2.3 砂粒比重2.65，粒径0.2mm以上（表10－5）

2.4 沉砂量30m³/10⁶m³污水（城市污水），含水率60％左右，容重1500kg/m³，当含水率大于95%，容重约等于1000 kg/m³等于1t/m³

2.5 贮砂斗容积按2日沉砂量计算，斗壁倾角大于或等于55°，排砂管直径大于或等于200mm

2.6 超高大于或等于0.3m

2.7 图中h₃与h₃`的差别（见书）

三、平流式与曝气式的区别与联系

沉砂池类型 设计参数	平流式	曝气式
水平流速	0.15-0.3 m/s	0.08-0.12 m/s
停留时间	30-60 s	4-6 min；1-3 min（雨天）；10-30 min（预曝气）
有效水深	0.25-1.0m 不大于1.2 m	2-3 m
池宽	不小于0.6m	长宽比约为5，大于5则应设置横向挡板； 池宽/深1-1.5
池底坡度	0.01-0.02	0.1-0.5
曝气	无	穿孔管曝气，距池底0.6-0.9m，有调节阀门
效率决定参数	水平流速	旋流速度，旋转圈数
控制方式	调节水深，改变池数	曝气强度（单位池容的曝气量）
特点	效果稳定、简单可靠	可有效去除部分有机物，沉淀的砂粒较为纯净（原理？）；能耗较大

曝气池原理：水流螺旋剪切——悬浮颗粒相互碰撞及摩擦＋气泡上升冲刷作用

曝气强度越大，旋转圈数越多，沉砂效率越高；水平流速越大，圈数越少，效率越低

       0.2mm以上的砂粒的95％有效去除，污水在池内至少旋转？三圈。

四、设计计算

贮砂斗各部分尺寸为重点。

步骤：选择合适的设计参数（水平流速/表面水力负荷）——计算——核算——空气量（曝气池）

五、其他类型沉砂池

涡流式沉砂池、漩流式曝气沉砂池、

六、运行维护

6.1 配水与配气、排泥：怎样自动化运行？

6.2 排砂操作：

根据沉砂量的多少及变化规律，合理安排排砂次数，保证及时排砂。

ü  重力排砂（阀门控制）：排砂间隙过长，排砂管会？堵塞，怎么办？用气泵反冲洗，疏通；间隙时间过短会？排砂含水率增加，增加处置难度

ü  砂泵排砂：类似（涡流式）

ü  刮砂机：刮板卡住，原因？ 行走太快/次数太少，间隙太长。

ü  砂量及粒径大小取决于排水系统的情况

合流制系统，下雨时砂量会？增大很多（为什么？雨水冲刷管道，雨水本身带入），应该？增加排砂次数，或连续排砂

6.3 清除浮渣、卫生与安全（注意换气，随时处置沉砂）

6.4 分析测量与记录

    除砂量、含砂量、排砂筛分分析、排砂的有机分、曝气量（曝气式）等

第四节 沉淀池

一、概述

作用：分离悬浮物，去除BOD、SS（初沉池，二沉池）

原理：自由沉淀、絮凝沉淀（初沉池）、成层沉淀、压缩沉淀（二沉池）

类型：平流式、竖流式、辐流式（水流方式不一样，各有优缺点和适用条件，见表10－7）

组成部分：进水、出水、沉淀、贮泥、缓冲

运行方式：间歇式（进水、静置、出水）；连续式

二、一般设计原则和参数

2.1 设计流量与只数（与沉砂池类似）

提问：池的只数？设计流量？雨水与污水合流设计流量按降雨时的设计，为什么？沉淀时间为什么不小于30min。

2.2 经验设计参数：用途不同，参数选取不同

2.3 有效水深、沉淀时间、表面水力负荷间关系

   表面负荷与池深无关（沉淀基本理论）设问：对不对？

   所需沉淀时间随池深增大而增加，为什么？

   相同池深，随表面水力负荷减小，沉淀时间增加，为什么？

2.4 几何尺寸（经验参数）

超高、缓冲层、贮泥斗斜壁倾角（形状）、排泥管直径

2.5 出水部分

堰流、堰口水平、出水堰负荷、出水整流装置

2.6 贮泥斗容积及排泥部分

初沉池：2d，二沉池： 2h  设问：为什么？

排泥部分：不同用途所需压力不同

三、平流式

3.1 构造：进水整流

         出水控制高度及均匀分布：出水堰板的溢流负荷（出流堰的单位长度溢流量）相等          初沉池：250 m³/md 二沉池：130-250 m³/md为什么？

         水位宜在堰高二分之一处，调整堰口水平装置，可否用传感器测定水流变化或构筑物内的不均沉降？

堰前收渣和排除、多斗式排泥无需机械刮泥

3.2 设计计算

建筑尺寸计算，选择参数：水平流速和沉淀时间或者表面负荷。

复核指标：长宽比3-5，长深比8-12，有效水深2-3m

注意事项：设计容积必须大于所需容积，复核部分指标

当SN未知，污泥容积

：容重，当含水率达到95％以上，为1。

为含水率的分子值

沉淀效率

，

分别为沉淀前后的悬浮物浓度。

总变化系数

＝日变化系数

×时变化系数

日变化系数

＝最大日污水量/平均日污水量；

时变化系数

＝最大日最大时污水量/最大日平均时污水量

四、竖流式与辐流式

竖流式：水流从下反向上，悬浮颗粒的运动状态

提问！当处于絮凝沉淀类型时？状态

适用：废水中含大量无机悬浮物且水量不大

构造：中心管流速（设计参数之一）、深宽比、形状

辐流式：周边进出水、中心进出水、刮泥机

   适用：废水中含大量无机悬浮物且水量又大，直径一般大于16m，甚至有60m的，水深一般2－3m

   回转式刮泥机：中心传动（直径小于20m），周边驱动（小于20m）；

全桥（大池）、半桥（小池）

浮渣挡板、浮渣斗、浮渣刮板

五、斜流式

构造：浅池理论（10-13公式L/H=ν/μ₀，ν不变，H减小，最小沉速μ₀减小），分隔n层，则可ν减小至ν/n

    所以，在沉淀区加斜板或斜管可提高沉淀效率

组成：斜板（管）沉淀区、进水配水区、清水出水区、缓冲区、污泥区

类型：同向流、异向流（根据斜板或斜管间水流与污泥的相对运动方向）

应用：优点（沉淀效率高、停留时间短、占地少） 

六、影响沉淀的因素

水平流速不得大于冲刷速度（足以将已经沉下的污泥重新冲刷起来的流速，初沉池一般为50mm/s，下雨时增大）

表面负荷越小沉淀效率越高。对不对？

水力停留时间合适，才可获得较高沉淀效率。

出水堰板的溢流负荷（单位堰板长度在单位时间内所能溢流的污水量）小于10m³/mh 是否与前矛盾？

入流污水的特征，污水越新鲜越好，为什么？因为严重腐败的污水在初沉池内会产生气体，使污泥上浮，影响沉淀效果。工业废水尤其厉害。此外其SS突然增大也可能造成密度流造成上层死区和下层扰动

温度升高时会产生什么情形？ 1腐败导致沉淀效果降低；2 但是同时温度升高使污水粘度降低，使颗粒易于与污水分离，从而提高沉淀效果（斯托克斯定律，温度与沉淀的关系）；3 冬天温度降低，水密度增大使污泥与其密度差变小从而难以沉淀。

   在保证不严重腐败的前提下，总沉淀效果将随温度升高而提高，27摄氏度时的沉速是10摄氏度时的1.5倍以上。

此外，温度变化产生内部的密度流使污水紊动不稳定，效果降低。如冬天低温污水不流经下部：短路，之后可能翻转再短路；

风力主要对直径大的辐流式（30m直径以上）或宽度较大的平流式。短路和紊动

七、提高沉淀池效果的有效途径

斜流（浅池原理）、曝气搅动（自然絮凝）、回流活性污泥（生物絮凝）、调节池中的预曝气等

八、运行管理

望闻问切——观察、闻气味（听声音）、记录、检查

间隔排泥、连续排泥、排浮渣

刮泥周期与排泥周期是否一致要看用的什么刮泥机。

确定排泥时间：当开始排泥时，从排泥管取样口连续取样分析其含固量降至基本为零即为排泥时间。

沉淀池的形式与刮泥机的特点（行车式刮泥机、链条式刮泥机、）

第五节  隔油和破乳

一、概述

1.1 来源

1.2 状态：悬浮态，乳化态，溶解态

破乳：消除乳化剂的作用乳化油即可转化为悬浮态的油，从而易于去除。这个过程叫破乳。

一吨油品＝5×10_­­⁶m²油膜

1.3 危害：破坏生态系统

二、隔油池

平流式、斜流式

平流：水平速度慢，2~5mm/s，为什么？避免搅拌破坏油水分离。与平流式沉淀池比加盖板和集油管。

斜流：可分离油滴直径更小，停留时间30min，仅为平流的1/4-1/2，为什么？

隔油池效率：70-80％，气浮法较好。

撇油装置，自动——液位差

三、应对方法

乳化来源：生产工艺中的人为乳化液；洗涤剂；乳化剂废水

状态：水包油、油包水

处理：就地隔油处理以避免乳化；

破乳：化学法（加药剂）；物理方法（搅拌、改变温度、过滤等）

四、其他

自动油水分离器、同向流隔油池、浮油吸收机、带式除油机、水力旋流式油水分离器等。原理：密度差、动力或非动力

第六节 浮上法

一、概述

适用范围：密度小于或等于溶液密度的颗粒与污水的分离（固－液，液－液）

设问？油类三类物质是否都可以用浮上法分离？溶解态不可。

工艺过程：

细微气泡产生——污染物呈悬浮态——二者粘附——上浮——分离，浮渣清理

应用：油水分离；回收物质；取代二沉池，可避免活性污泥膨胀（187页）为什么？因为没有污泥沉积；剩余活性污泥浓缩。

二、类型

按照生产微细气泡的方法分类：

电解法：水电解，适用脆弱絮状悬浮物（气泡小），小量工业废水处理

分散空气法：微气泡曝气（微孔板分散）；剪切气泡（外力，高速旋转混合器或叶轮机切割）

溶解空气法：利用压强差。真空浮上法（常压预先机械曝气溶气，释放的过程；）

           加压溶气浮上法（加压溶气于水，减压释放的过程）

三、加压溶气浮上法

主要设备：水泵、溶气罐、浮上池（压力溶气系统、空气释放系统、气浮分离设备/气浮池）

空气进入溶气罐：空压机或射流器

三种流程（图10－36，37，38）：按溶气载体的来源

全溶气：全部入流废水

部分溶气：部分入流废水；省电和设备，但压力较高

回流溶气：部分澄清液回流；

提问：图10-34-38中差别，类别，化学药剂的作用？（52页）

（一）、原理

水－气－颗粒混合体系产生颗粒浮上现象。三相关系——浮上效率

1. 外在条件

温度升高，压力增大，溶解度升高。

空气析出：气泡核小而多、直径越小越好。

2. 内在能量条件

表面能（三相界面张力关系）

推论：颗粒能否粘附与θ（湿润角）有关。

亲水性物质；憎水性物质（疏水性物质）哪种易于用浮上法去除？

怎样用浮上法去除亲水性物质和疏水性不强的物质？加混凝剂、浮选剂、助凝剂、抑制剂、调节剂等化学药剂。

3. 粘附形式

气泡与颗粒的相对大小（吸附、顶托、裹夹）

4. 上浮速度

斯托克斯定律，但d与ρ_s不同？？

（二）组成及设计

1. 设备选型

压力溶气系统：加压水泵（溶气罐压力和管路水力损失）、溶气罐类型（填料式溶气罐）、空气供给设备（空压机供气）

空气释放系统：溶气释放装置（图10－34－48中用的是？？）、溶气水管路

2. 构筑物工艺设计

气浮池：气浮所需空气量（气固比A/S）、加压溶气水量（回流比R`）、溶气罐尺寸（工作压力、接触时间、过流密度I）、建筑尺寸（接触室上升流速及水力停留时间、分离室表面负荷率、分离室水力停留时间）

一般而言，A/S增大，可提高气浮效率，促使浮渣浓缩，降低浮渣总量。正确？

(1) 选择A/S——溶气罐工作压力，Q_r与P相关复核计算

，注意单位

1.3：空气密度（20摄氏度，一个大气压），kg/m³

p：绝对压力，atm。

，p_a：表压，kPa

f：溶气罐中空气的饱和百分比

c_a：大气压力下，以体积表示的空气在水中的溶解度，mL/L

设Q_r，Q_r代表溶气水量。求p并复核或反之

(2) 溶气罐计算：过流密度I、接触时间T相关复核

(3) 气浮池计算：停留时间T与流速或负荷率复核

考虑因素：水深（二室相同）、单格池宽与池长、施工方便

3. 新型气浮装置

涡流溶气气浮、组合式高效气浮、两级气浮、高效浅层气浮等

生化产气气浮法、化学产气气浮法

*总结

重力分离（斯托克斯定律、三相分离原理）

设计计算：（注意单位，经验数值选取，复核等）

格栅：过栅流速0.6-1.0m/s

沉砂：水平流速0.08-0.12m/s

沉淀：水平流速＜5mm/s    表面负荷

隔油：水平流速2-5mm/s

浮上：表面负荷/上升流速10-20mm/s向下平均流速1.0-3.0mm/s

    水力停留时间，建筑尺寸的合适比例，施工方便，供气量等。

运行管理：控制参数，影响因素，排泥或排渣（望闻问切）