水处理工程沉淀与澄清.ppt

第四章 沉淀与澄清,沉淀的基本理论 沉淀池 隔油池 气浮池,第1节 沉淀原理与分类 (Sedimentation, or settling and Clarification) 一、原理 利用颗粒与水的密度之差，比重1，下沉 比重1，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除100um以上的颗粒 给水处理混凝沉淀，高浊预沉 废水处理沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离）,二、分类： （1）自由沉淀-沉砂池、初沉池前期发生 离散颗粒，尺寸形状不变，相互无干扰，沉速不变 （2）絮凝沉淀-絮凝性颗粒，在沉淀过程中沉速增加 （初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀） 颗粒有凝聚性，颗粒相互聚集，粒径质量增大 （3）成层沉淀（拥挤沉淀）：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层，形成网状“絮毯”下沉，颗粒群与澄清水层之间有明显的界面。 （高浊水、二沉池、污泥浓缩池） 沉速就是界面下沉速度。无机颗粒5-8g/L以上，如泥沙。活性污泥2-3g/L以上。 （4）压缩沉淀-污泥浓缩池 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，污泥得到浓缩。,沉淀过程示意图,一、颗粒沉速公式（Stokes law） 假设条件： 球状颗粒，不可压缩，无凝聚性，沉淀过程中大小、形状、重量不变；水处于静止状态颗粒仅受重力和水的阻力作用 水中重浮合力 阻力，量纲分析得到 在等速沉淀情况下 对于层流，Re1时,第2节 自由沉淀(discrete particle settling),对于非球形颗粒:,：形状系数,Stokes公式， 颗粒与水的密度差(s )愈大，沉速愈快，成正比关系。当s 时，u0，颗粒下沉；当s ，u0,颗粒上浮；当s=,颗粒既不下沉又不上浮；颗粒直径越大，沉速越快；水的粘度越小，沉速越快，提高水温,颗粒沉淀曲线 将含悬浮物浓度为c0的原水混合均匀后，注入一组沉淀管，经过t1时间后，从第一沉淀管深度为H处取样，测定浓度为c1；在t1时刻沉速大于u1的所有颗粒全部沉过了取样面，而沉速小于u1的颗粒浓度不变，仍为c1,c1/c0表示这部分颗粒与全部颗粒之比，记作x1,余类同。将xi与ui作图，得沉淀曲线。 对于指定沉淀时间t0， u0=H/t0 , uu0颗粒 全部除去 uu0颗粒 部分除去，去除比例h/H，去除量 总去除量,经t0时间沉淀，各种颗粒沉淀的总去除效率为：,H高度时各种颗粒百分比为xj，沉淀h距离去除的量,不同沉淀时间的总去除率,二、理想沉淀池 假设： 颗粒为自由沉淀 水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。 颗粒到底就被去除。,水平流速v=Q/(h0 B) B: 池宽 考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为u0的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。,uu0的颗粒可以全部去除 uu0的颗粒只能部分去除 去除率为Eui/u0 = ui/(Q/A) A沉淀池表面积 ( u0=h0/t t=L/v=Lh0B/Q) q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率,对于颗粒沉速小于u0的颗粒来讲，去除率为 Eui/u0 = ui/(Q/A) 颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷及颗粒沉降速度有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。 (Hazen 理论,1904年） 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题： 1）E一定，ui越大，表面负荷越大。ui与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。 2）ui一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深“浅层理论”。,h=H,r=R时,对沉速为u0的颗粒，积分,圆形平流沉淀池，径向水流速度是一变数,实际沉淀池偏离理想沉淀池条件的情况: 水流状况；颗粒絮凝过程 实际水流状况对沉淀过程的影响 沉淀池进、出水的影响：进水流速大于池中平均流速 异重流的影响：浑水比清水比重大；温差异重流，白天效果均低于晚上 水流紊动性和稳定性的影响： 水流紊动性判别Re=vR/，平流沉淀池中水流Re为4000-15000，降低雷诺数有利于沉淀 水流稳定性以弗劳德数判别，Fr=v2/Rg，高，对温差、密度异重流及风浪抵抗能力强 降低雷诺数和提高弗劳德数的有效措施是减小水力半径R。R=过水断面/湿周,理想与实际有差距，设计的表面负荷应为试验值的1/1.25-1/1.7,平均为1/1.5;沉淀时间为试验值的1.5-2.0倍。,二、絮凝沉淀 沉淀效率由实验确定。在直径0.1-0.15m，高1.52.0m，且沿高度方向设有5个取样口的沉淀筒。 沉淀柱应有适当的口径，以及一定的深度，这样可以有一定的容量，取样时不影响水深； 沉淀柱的高度尽可能和真实沉淀池相等； 起始浓度在桶中应分布均匀，模拟沉淀池进口端悬浮物颗粒分布情况，水样注入时应平稳缓慢； 沉淀柱底部应留有一个沉淀部分，以备沉泥之用；,三、成层沉淀与压缩,vs,A-澄清液层，B-受阻沉降层，C-过渡层，D-压缩层；1-1面均匀下降，2-2面匀速上升，t2时相遇，B,C消失，直到压实,第二节沉淀池,一、沉砂池 作用：去除废水中携带的泥沙。 分类：平流和竖流，平流效率高，应用广泛。 构造：过水部分是明渠，渠底有贮砂斗，一般两个。下部设有带闸门的排砂管。 设计控制参数：水平流速0.150.3m/s，停留时间大于30s，有效水深55，排泥管径不小于200mm。 防止有机物沉淀：采用曝气沉砂池，鼓风曝气形式。,二、平流沉淀池 基本技术参数：长宽比4，有效水深3m，超高0.3m。进口均匀布水，流速25mm/s，水流流入点应高出泥层面0.5m以上，尽快消能，加挡板。出口采用溢流堰，大多采用锯齿形堰。平堰加工严格。用排泥斗排泥，一般设两个池。 设计计算：沉淀区、污泥斗、池总深度、进出口设备及排泥设备。 沉淀区计算 池平面面积A=Q/u 沉淀区水深h2=Qt/A=ut 确定B，计算L=A/B,校核长宽比 污泥体积计算 进出水SS浓度；污泥容重;P污泥含水率，%；T-排泥间隔时间（d) 沉淀池的总高度 H=h1+h2+h3+h4 H1-超高，h2有效水深，h3缓冲层高度，h4污泥部分高度,三、竖流式沉淀池 大多为圆形，直径8m以下，中心管进水，从下部流出，集水槽采用平顶堰或锯齿堰。污泥采用排泥管排出。 优点：排泥简单，用于小型污水处理 存在一个u0,v与u0 Vu0全流失 V=u0 悬浮 Vu0 全沉降 计算：中心管直径、喇叭口与反射板缝隙高度、沉淀区有效断面积、沉淀池直径、沉淀区有效深度、截圆锥部分容积、沉淀池总高度。,四、辐流式沉淀池 基本参数：直径较大（2030m），中心深度2.55.0m，周边深度1.53.0m；中心进水，辐射流动，流速渐减；机械排泥 应用：主要用于大型污水处理设施；广泛用于城市污水处理厂,辐流式沉淀池结构图,五、斜板斜管沉淀池 理想沉淀池的特性：沉淀池的处理效率仅与颗粒沉淀速度和表面负荷有关，与池深无关 原理：如将水深为H的沉淀池分隔为n个水深为H/n的沉淀池，则当沉淀区为原沉淀区长度L的1/n时，就可处理与原来的沉淀池相同的水量，并达到完全相同的处理效果。,为了让沉到底部的污泥便于流动排除，需要把这些浅的沉淀区倾斜60，超过污泥的休止角，因此称为斜板沉淀池。,水,斜板沉淀池构造 根据水流和泥流的相对方向，可将斜板沉淀池分为逆向流、同向流、横向流三种类型 计算：以异向流为例 应用： 大量应用在给水处理中，因为矾花容易滑下去。污水处理中慎用斜板，因为会产生生物膜，飘在出水中，泥易堆积在斜板上，易坍塌 占地面积：斜板小，极易损坏，5年更换一次。与平流式对比，总造价差不多，可节省地价。 平流式过流慢约1h；斜板过流快，约10min，要求前边反应好，需加药等，不可有小颗粒。 给水：广泛使用斜板；废水：少用斜板,颗粒由A移动到B被去除，可理解为颗粒以v的速度上升到l+l1的同时以u0的速度下沉l2，两者在时间上相等：,沉淀单元长度,沉淀单元断面面积为dw,则单元通过的流量为q=dwv 代入上式变换得：,lwcos即为斜板在水平方向投影的面积，用af代替；dw/sin沉淀池在水平方向的面积，用a表示。 则:q=u0(af+a) 考虑 各种影响，取修正系数0.7,第三节隔油池,一、油在水中的存在状态 悬浮油、乳化油、溶解油，隔油池仅能去除悬浮油 二、种类 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，一般不少于两个，池深1.5-2.0m，超高0.4m，单格长宽比不小于4,工作水深与每格宽度之比0.4,池内流速一般2-5mm/s，停留时间一般1.5-2.0h，去除油粒最小直径100-150m。隔油后含油50-100mg/L.采用刮油机收油，底刮泥，上刮油。 斜板隔油池提高单位容积的处理效率，斜板大多采用聚酯玻璃钢波纹板，板间距20-50mm,倾角45，采用异向流，停留时间为平流式的1/2-1/4,约30min，去除最小粒径60m. 应用：前平后斜，平隔大量油；斜板最好用镀锌或不锈钢板，以利热水或蒸汽清洗。,第四节 气浮池,一、概述 通入空气，颗粒附着在气泡上，浮力作用，气泡上升，携带颗粒漂浮水面。达到固液分离的目的 特点：用于自然沉淀比较难于去除的比重比较轻的细小颗粒 气浮表面负荷可达到12m3/m2h,水在池中停留时间只需10-20min，池深2m，占地少，节省投资 气浮有预曝气作用，泥渣不易腐化 对于低浊含藻水，处理效率高，可除浮游生物，出水好 浮渣含水率低，比沉淀污泥少2-10体积，表面刮渣比池底排泥方便 可回收利用有用物质，所需药量比沉淀法省。 缺点：电耗大，释放器易堵塞，浮渣怕大风雨袭击,二、基本原理 气浮分离的必要条件 向水中提供足够量的微细气泡，尺寸15-30M 使目的物呈悬浮态或具有疏水性，附着气泡上升 1.气泡的产生： 电解法、分散空气法、溶解空气法 电解法产生气泡均匀细小，但电耗高，电极易结垢，主要用于小规模水处理 分散空气法 通过粉末冶金、素烧陶瓷或塑料制成的微孔板，将压缩空气分散成小气泡简便易行，气泡较大，易堵塞 吸气气浮将空气引入一个高速旋转的叶轮附近，通过叶轮的高速剪切运动，将空气吸入并分散为小气泡。适用于悬浮物浓度很高的废水，如洗煤废水，含油脂、羊毛等废水，设备不易堵塞 利用射流或水泵吸入和分散空气 溶气气浮法 使空气在压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水压力骤然降低，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮,溶气气浮法 真空气浮在负压下析出 加压溶气气浮在常压下析出应用最多 加压溶气气浮按溶气水不同有全部进水溶气、部分进水溶气、部分处理水溶气三种基本流程。 部分进水溶气和处理水溶气流程，用于加压溶气的水量只占总水量的30%35%或10%20%，溶气压力高、气泡小、均匀、不破坏絮体 关键设备：溶气罐，操作压力0.3-0.5MPa，水泵吸水管进气、出水射流吸气或空压机供气。释放器，释放效果好，不易堵塞 2.悬浮物与气泡的附着： 界面张力和湿润接触角 接触角90疏水物质，易于气浮； 90亲水物质 颗粒与气泡的附着条件 界面能W=S（S-界面面积） 颗粒附着气泡前W1= LG+ LS（假设S=1cm2) 附着后W2= GS 界面能变化W=W1-W2= LG+ LS-GS 据热力学，气泡和颗粒的附着过程，是向该体系界面能减小的方向自发地进行，附着后的总界面能小于附着前,颗粒处于平衡时，水、气、固三相界面张力应是 LS LGcos(180-) -GS 代入上式，得： W=LG(1-COS） 得出结论： 当颗粒完全被水湿润时，0,COS 1, W0,颗粒与气泡不能粘附，不能用气浮处理； 0 LG气浮效果较好，易气浮 180,W2 LG，最易气浮。 LG， W，易气浮； LG与水中所含的表面活性物质有关，表面活性物质多， LG；表面活性物质少， LG。 气泡的稳定性：气浮要求气泡在水中有一定的分散度，一定的稳定性。洁净水（表面张力大）中，气泡易兼并，达不到一定的分散度，且易破灭。可往水中加一定的起泡剂，目的降低LG，在气泡表面起保护作用，保护气泡之稳定性；但加气泡剂太多， LG降低太多，颗粒气泡附着不好。如何控制气泡剂的量是气浮效果好坏的重要条件。 分离亲水性颗粒：投加合适的药剂，改变颗粒的表面性质称为浮选剂。浮选剂带有亲水基团，被亲水性物质吸附，另一端朝向水，使颗粒表面变成疏水表面。水包油-破乳,三、气浮设备及其设计计算 常用加压溶气气浮、射流气浮、叶轮气浮应用广泛。部分回流用的较多 设计要点： 溶气罐压力 V=KTP(亨利定律）压力越大，溶解空气越多。 空气过多，细小气泡易聚集，效果不好 最佳：气水比 1%5%；气固比0.5%1%；溶气罐中空气的饱和程度50%80% 水力停留时间：10-20min；池型：平流式，竖流式 气固比G/S的选择：影响出水水质和浮渣浓度 G/S=释放出空气总量/原水带入悬浮固体总量 计算空气量,加压溶气气浮流程（回流式）,1-混合器，2-反应室，3-入流室，4-分离室，5-泵，6-射流器，7-气体流量计，8-溶气罐，9-释放器，10-浮渣槽，11-刮渣机,部分回流溶气气浮装置流程图,四、气浮法在水处理中的应用 废水： 1、含油废水的处理，主要去除乳化油 悬浮油用隔油池去除 2、造纸白水回收纤维 3、毛纺废水：含有羊毛脂，洗涤剂 4、染色