《环保设备》重力沉降规律及其设备

1、第三章 水污染控制机械与设备3.1 不溶态污染物的分离技术与设备重力沉降规律及其设备 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。 沉淀处理工艺的四种用法 沉砂池：用以去除污水中的无机易沉物。初次沉淀池：较经济地去除，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。二次沉淀池：用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。污泥浓缩池：将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。自由沉淀1 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀, 颗粒沉淀轨迹呈直线。沉淀过程中,颗粒的

2、物理性质不变。发生在沉砂池中。根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型 2 悬浮颗粒浓度不高；沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状、沉速是变化的。化学絮凝沉淀属于这种类型。絮凝沉淀区域沉淀或成层沉淀压缩沉淀3 悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上）；颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中发生。 4 悬浮颗粒浓度很高；颗粒相互之间已挤压成团状结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使

3、污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中及浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。自由沉淀及其理论基础 分析的假定沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变颗粒为球形 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，相对静止；重力小于浮力时，上浮。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： 式中：Fg水中颗粒受到的作 用力； V颗粒的体积； S颗粒的密度； L水的密度； g重力

4、加速度。 式中：FD水对颗粒的阻力； 阻力系数； A自由颗粒的投影面积； uS颗粒在水中的运动速 度，即颗粒沉速。悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析2. 水对自由颗粒的阻力球状颗粒自由沉淀的沉速公式 当颗粒所受外力平衡时，即因得球状颗粒自由沉淀的沉速公式：阻力系数与雷诺数(Re)有关= f(Re)从流体力学可知,雷诺数可用下式表示:Re=usd/ 式中:Re 水流雷诺数 d 水流的特征尺寸,这里为球状自由颗粒的直径,cm 水的运动粘度cm2/s,=/L(:水的动力粘滞度g/cm秒) us颗粒沉速当颗粒粒径较小、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

5、，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，=24/Re，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）：式中:水的动力黏滞度。讨论:1、Stokes公式虽然是表示出根据颗粒粒径去计算颗粒的速度，但实际中测量这些微小粒径比观察它们下沉的速度还麻烦，有时几乎不可能。实际工作中，观察它们的下沉速度，然后用Stokes公式求粒径，它变成了间接测量细小颗粒粒径(d小于0.1mm)的工具。2、当s小于L时，颗粒在水中受到的是浮力的作用，此时得出的Stokes公式为 u上浮=(1/18)(L-s)/gds2 3、Stokes公式同样可以应用于在水以外的其它流体中，计算颗粒的

6、沉或浮升速度，但要注意Re=usd/必须小于2。 由上式可知，颗粒沉降速度us与下述因素有关：斯托克斯定律:当s大于L时，s-L为正值，颗粒以us下沉；当s与L相等时，us=0，颗粒在水中呈悬浮状态，这种颗粒不能用沉淀去除；s小于L时，s-L为负值，颗粒以us上浮，可用浮上法去除。us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。us与成反比，随水温上升而下降；即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。沉淀池的工作原理理想沉淀池 分为：进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分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

7、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。理想沉淀池的几个假定：由上述假定得到的悬浮颗粒自由沉降迹线：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， Hb； H沉淀区的水深； b沉淀区宽度。当某一颗粒进入沉淀池后另一方面，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 设u0为某一颗粒的沉降速度（刚巧从池面沉到池底）。当颗粒沉速uu0时，无

8、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xy。当颗粒沉速u5万m3/d）比较经济实用；机械排泥设备已定型化，排泥较方便。辐流式沉淀池的主要缺点： 排泥设备复杂，要求具有较高的运行管理水平；施工质量要求高。辐流式沉淀池的适用场合： 适用于地下水位较高地区；适用于大、中型水厂和废水处理厂（主要是二沉池和污泥浓缩池）。3.1.4.4斜板(管)沉淀池在沉淀池内加设一组倾斜的隔板，这种形式便为斜板沉淀池。如各斜隔板之间还进行分隔，即成为斜管沉淀池。按水流与污泥的相对运动方向，斜板(管)沉淀池分为异向流、同向流和横向流三种形式。异向流的水流倾斜向上，污泥倾斜向下；同向

9、流的水流和污泥均倾斜向下；横向流的水流方向为水平，污泥倾斜向下。废水处理中，目前常采用异向流这种形式，它可以选用斜板和斜管断面，而横向流只能采用斜板断面。 图3-20为异向流斜管沉淀池结构图。沉淀池工作时，水从平行板间或斜管内流过，流速以0.7mm/s1.0mm/s为宜，沉积在斜板底侧上的泥渣靠重力自动滑入集泥斗。为使水流在池内均匀分布，进水常采用穿孔墙整流布水，出流常采用穿孔管或淹没孔口，外设集水槽。集泥常用多斗式，以穿孔管或机械排泥。为了防止水流短路，应在池壁与斜板的间隙内装设阻流板。 图3-20 斜板斜管沉淀池 斜板倾角越小，则沉淀面积越大，沉淀效率也越高，从理论上来讲450为最佳，但排

10、泥困难，通常倾角宜为500600。 斜管断面形状呈六角形并组成蜂窝状斜管堆。斜板(管)的材料要求轻质、壁薄、坚固、无毒而价廉。斜板大多采用塑料板、玻璃钢板或木板，斜管除上述材料外，还可以用酚醛树脂涂刷的蜂窝，常以一种组装形式安装。 池出水一般采用多排孔管集水，孔眼应在水面以下2cm处，防止漂浮物被带走。如漂浮物太多应设漂浮物收集及排除装置。 斜板（管）沉淀池可采用多斗排泥，也可采用钢丝绳牵引的刮泥车，刮泥车在斜板（管）组下面来回运动，将池底的污泥汇集到污泥斗。污泥斗及池底构造与一般平流沉淀池相同。 斜板(管)沉淀池有效率高、停留时间短、占地少等优点，但在废水处理中应慎重使用。一般用在自来水厂、

11、选矿水尾矿浆的浓缩，炼油厂含油污水的隔油，城市污水处理的初沉处理等。 具体设计计算参见有关设计手册气浮原理及其设备3.1.5 气浮装置 气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附废水中的颗粒物，使其密度小于水而上浮水面实现固液或液液分离的过程。在水处理中，气浮法广泛应用于处理含有细小悬浮物、藻类及微絮体的废水、造纸废水和含油废水等（特别适用于含油、含纤维等疏水性的悬浮物的废水）。依照产生微气泡方式的不同，气浮装置可分为电解气浮装置、布气气浮装置和溶气气浮装置。 动画演示3.1.5.1 电解气浮装置 电解气浮是在直流电的作用下，采用不溶性的阳极和阴极直接电解废水，正负两极产生氢和氧的微细气泡，

12、将废水中颗粒状污染物带至水面进行分离的一种技术。气泡直径约为1060m，浮升过程中不会引起水流紊动，浮载能力大，特别适用于脆弱絮凝体的分离。此外，电解气浮还具有降低BOD、氧化、脱色和杀菌作用，对废水负荷变化适应性强，生成污泥量少，占地少，无噪声。常用处理水量一般为 1020m3/h。由于电耗较高及操作运行管理，电极结垢等问题，较难适应处理水量大的场合。 电解气浮装置可分为竖流式和平流式两种，如图3-21和图3-22所示。 图3-21 竖流式电解气浮池 图3-22 平流式电解气浮装置 动画演示动画演示 叶轮气浮设备示意图如下。气浮池底部设有叶轮叶片，由上部的电机驱动，叶轮上部装设带有导向叶片的

13、固定盖板，叶片与直径成600角，盖板上开有1218个孔径为2030mm的孔洞，盖板外侧的底部空间装有整流板。 图3-23 叶轮气浮设备构造示意图 3.1.5.2 布气气浮装置 一、叶轮气浮装置动画演示工作原理叶轮在电机驱动下高速旋转，在盖板下形成负压，从进气管吸入空气，废水由盖板上的小孔进入。在叶轮的搅动下，空气被粉碎成细小的气泡，并与水充分混合形成水气混合体甩出导向叶片之外，导向叶片可使阻力减小。再经整流板稳流后，在池体内平稳地垂直上升，形成的泡沫不断地被缓慢转动的刮板刮出槽外。图3-24为叶轮盖板的构造图。图324 叶轮盖板的构造二、射流气浮射流气浮是采用以水带气的方式向废水中混入空气进行

14、气浮。 射流气浮的原理是由喷嘴射出的高速水流使吸入室内形成真空，从而使吸气管吸入空气。气、水混合物在喉管内进行激烈的能量交换，空气被粉碎成微细的气泡。进入扩散段后，动能转化为势能，进一步压缩气泡，增大了空气在水中的溶解度，随后进入气浮池。射流器各部分结构尺寸的最佳值一般通过试验确定。 射流器构造图动画演示3.1.5.3 溶气气浮装置溶气气浮是使空气在一定压力作用下，溶解于水中，并达到过饱和的状态，然后再突然使溶气水的压强为常压，此时空气将以微细气泡的形式从水中逸出，从而进行气浮。溶气气浮形成的气泡细小，其初粒度为80m左右。而且在操作过程中，还可以人为地控制气泡与废水的接触时间。因此，溶气气浮

15、的净化效果较好，特别在含油废水、含纤维废水处理方面已得到广泛应用。根据气泡在水中析出所处压力的不同，溶气气浮可分为加压溶气气浮和溶气真空气浮两种类型。前者，空气在加压条件下溶入水中，而在常压下析出；后者是空气在常压或加压条件下溶入水中，而在负压条件下析出。加压溶气气浮是国内外最常用的气浮法。 动画演示动画演示一、平流式气浮池 平流式气浮池在目前气浮净水工艺中使用最为广泛，常采用反应池与气浮池合建的形式，如下图示。废水进入反应池完成反应后，将水流导向底部，以便从下部进入气浮接触室，延长絮体与气泡的接触时间，池面浮渣刮入集渣槽，清水由底部集水管集取。该形式的优点是池身浅、造价低、构造简单、管理方便

16、；缺点是与后续处理构筑物在高程上配合较困难、分离部分的容积利用率不高等。 图326 平流式气浮池动画演示二、竖流式气浮池常用的还有竖流式气浮池，如图3-27所示。其优点是接触室在池中央，水流向四周扩散，水力条件比平流式单侧出流要好，便于与后续构筑物配合；缺点是与反应池较难衔接，容积利用率低。常用气浮设备还有加压泵、空气压缩机、刮渣机等。 图327 竖流式气浮池动画演示过滤原理及其设备3.1.6 滤池滤池是常用的深层过滤设备。按照过滤度的不同，可分为慢滤池（4m/s）、快滤池（410m/s）和高速滤池（1060m/s）三种；按作用力不同，有重力滤池（水头有45m）和压力滤池（作用水头1525m）

17、两种；按过滤时水的方向分，有下向流、上向流、双向流和径向流滤池四种；按滤料层组成分，有单层滤料、双层滤料和多层滤料滤池三种。 过滤原理过滤过程演示反冲洗过程演示3.1.6.1普通快滤池普通快滤池是常用的过滤设备，也是研究其它滤池的基础。一、快滤池的基本结构及工作原理图3-28为普通快滤池的透视图和剖面示意图。快滤池一般用钢筋混凝土建造，滤池内包括滤料层、承托层、配水系统、集水渠和洗砂排水槽五个部分；池外有集中管廊，配有原水进水管、清水出水管、冲洗水管、冲洗排水管等主要管道以及相配的控制闸阀等附件。图3-28 快滤池构造图 快滤池快滤池的运行过程主要是过滤和冲洗两个过程的交替循环。过滤是生产清水

18、过程，过滤时加入凝聚剂的原水自进水管经集水渠、洗砂排水槽流入滤池，自上而下穿过滤料层和承托层，清水由配水系统收集，经清水总管流出滤池。此时开F1、F2阀，关F3、F4、F5阀。过滤一段时间后，由于滤料层不断截污，滤料层孔隙逐渐减小，水流阻力不断增大，另一方面水流对孔隙中截留的杂质冲刷力增大，使出水水质变差。当滤层的水头损失达到最大允许值时，或当过滤出水水质接近超标时，则应停止滤池运行，进行反冲洗。 滤池反冲洗时，开F3、F4，关F1、F2。反冲洗水由冲洗水管经滤池配水系统进入滤池底部，由下而上逆向通过垫料层和滤料层，使滤料层膨胀、悬浮，借水流剪切力和颗粒碰撞摩擦力清洗滤料层并将滤层内污物排出。

19、冲洗废水由洗砂排水槽、经集水渠和排污管排出。反冲洗完毕，滤池又进入下一个过滤周期。二、快滤池的组成部分滤料 滤料是滤池的核心部分，它提供悬浮物接触凝聚的表面和纳污的空间。在水处理中常用的滤料有石英砂、无烟煤粒、石榴石粒、磁铁矿粒、白云石粒、花岗岩粒及聚丙烯发泡塑料球等，其中以石英砂使用最广。 2. 配水系统 快滤池配水系统的作用是均匀收集滤后水，更重要的是均匀分配反冲洗水，故又称为排水系统。 管式大阻力配水系统由一条干管(或渠)和若干支管所组成，支管上开有向下成450角的配水孔，相邻两孔的方向相错开，配水孔总面积与滤池面积之比为0.2%0.25%。图3-29 管式大阻力配水系统 当滤池面积较大

20、，干管直径较大时，为了保证干管顶部配水，可在干管顶上开孔安装滤头(图3-30a)，或将干管埋设在滤池底板以下，干管顶连接短管，穿过底板与支管相连(图3-30b)。 小阻力配水系统的形式很多，最常用的是穿孔板上安装滤头。常见的滤头为圆柱型和塔型两种(图3-31)，冲洗水从穿孔板下空间流入滤头，通过滤头的缝隙分配入滤池。穿孔板与滤池底的空间为集水空间，高度为0.3m，水在集水空间内流动的阻力可以忽略不计。通常，每平方米滤池面积，安装滤头4060个，总缝隙面积为滤池面积的0.5%2%。 图3-31 过滤头 3. 排水槽及集水渠 排水槽用以均匀收集和输送反冲洗污水，因此，排水槽的分布应使排水槽溢水周边

21、的服务面积相等，并且在滤池内分布均匀。此外，排水槽应及时将反洗污水输送到集水渠，不致产生壅水现象。如果排水槽壅水，槽内水面将与反冲洗时的滤池水面连成一片，反冲洗污水就不能以溢流形式排除，从而影响反冲洗水的分布。在排水槽的末端，反冲洗污水应以自由跌落的形式流入集水渠，集水渠的水面不干扰排水槽的出流。 图3-32 冲洗排水槽断面形状 为了使所设置的排水槽不影响反冲洗水的均匀分布，槽的横断面一般采用图3-32所示的形状。每单位槽长溢流流量必须相等，一般沿槽长方向槽宽不变，而是采用倾斜槽底，起端的槽深度为末端深度的一半.3.1.6.2无阀滤池 图3-33为开敞式无阀滤池结构示意图。图3-33 重力式无

22、阀滤池结构示意图 工作原理原水自进水管2进入滤池后，自上而下穿过滤床，滤后水经连通管进入顶部贮水箱，待水箱充满后，过滤水由出水管12排入清水池。随着过滤进行，水头损失逐渐增大，虹吸上升管3内的水位逐渐上升(即过滤水头增大)，当这个水位达到虹吸辅助管的管口处时，废水就从辅助管下落，并抽吸虹吸管顶部的空气，在很短的时间内，虹吸管因出现负压而投入工作，滤池进入反冲洗阶段。贮水箱中的清水自下而上流过滤床，反冲洗水由虹吸管排入排水井。当贮水箱水位下降至虹吸破坏管口时，虹吸管吸进空气，虹吸破坏，反洗结束，滤池又恢复过滤状态。无阀滤池多用于中、小型给水工程，且进水悬浮物浓度宜在100mg/L以内。由于采用小

23、阻力配水系统，所以单池面积不能太大。现有标准设计可供选用。动画演示具体设计计算参见有关设计手册3.1.6.3虹吸滤池虹吸滤池的滤料组成和滤速选定，与普通快滤池相同，采用小阻力配水系统。所不同的是利用虹吸原理进水和排走反洗水，其构造和工作原理如图3-34所示.图3-34 虹吸滤池构造和工作原理图 动画演示图3-34的右半部表示过滤时的情况：经过澄清的水由进水槽1流入滤池上部的配水槽2，经虹吸管3流入进水槽4，再经过进水堰5(调节各单元滤池的进水量)和布水管6流入滤池。水经过滤层7和配水系统8而流入集水槽9，再往出水管10流入进水井11，由控制堰流出滤池。滤池在过滤过程中水头损失不断增长，滤池内水位不断上升。当水位上升到预定i高度(一般为1.52.0m)时，则破坏进水虹吸作用，停止进水，滤池即自动进行反冲洗。 图3-34