第二章 污水物理处理

第二章污水的物理处理

第一节格栅第二节沉淀的基础理论第三节沉砂池第四节沉淀池第五节隔油和破乳第六节浮上法第一节格栅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。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。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。人工格栅设计面积应采用较大的安全系数，一般不小于进水渠道面积的2倍，以免清渣过于频繁。与水平面倾角：45º~60º机械格栅过水面积一般应不小于进水管渠的有效面积的1.2倍。与水平面倾角：60º~70º格栅的分类齿耙式机械格栅阶梯式机械格栅转鼓式机械格栅回转式固液分离机格栅的设计要求格栅栅条断面形状矩形圆形方形圆形的水力条件较方形好，但刚度较差目前多采用断面形状为矩形的栅条过格栅渠道的水流流速一方面泥沙不至于沉积在沟渠底部另一方面截留的污染物又不至于冲过格栅通常采用0.4~0.9m/s格栅渠道的宽度要设置得当，应使水流保持适当流速污水过栅条间距的流速为防止栅条间隙堵塞，一般采用0.6~1.0m/s最大流量时可高于1.2~1.4m/s第二节沉淀的基础理论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。自由沉淀悬浮颗粒浓度不高；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。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。理论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。沉降速率计算（自由沉淀）1.悬浮颗粒在水中受到的力沉降力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；

ρS——颗粒的密度；

ρL——水的密度；

g——重力加速度。2.水对自由颗粒的阻力式中：FD——水对颗粒的阻力；

λ′——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：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。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沉淀池沉降速率分析

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。第三节沉砂池沉砂池的作用沉砂池的工作原理沉砂池的几种形式从污水中去除砂子、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平流式、曝气沉砂池、旋流式沉砂池等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。

平流式沉砂池的系统参数

工作原理

污水在池中存在着两种运动形式，其一为水平流动（一般流速0.1m/s），同时在池的横断面上产生旋转流动，整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。由于曝气以及水流的螺旋旋转作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦，并受到气泡上升时的冲刷作用，使粘附在砂粒上的有机污染物得以去除，沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，长期搁置也不至于腐化。曝气沉砂池旋流沉砂池水流切向进入砂粒靠离心力去除第四节沉淀池沉淀池按水流方向分平流式辐流式竖流式池型：长方形一端进水,另一端出水贮泥斗在池进口池内水流由下向上池内水流向四周辐流池型:多为圆形,有方形或多角形池中央进水，池四周出水贮泥斗在池中央沉淀池三种流态平流式竖流式辐流式沉淀池的运行方式连续式污水中可沉颗粒的沉淀在流过水池时完成，这时可沉颗粒受到重力所造成的沉速与水流流动的速度两方面的作用污水连续不断地流入与排出污水中可沉淀的悬浮物在静止时完成沉淀过程，由设置在沉淀池壁不同高度的排水管排出工作过程：进水、静止、沉淀、排水间歇式沉淀池特点与适用条件池型优点缺点适用条件平流式1.对冲击负荷和温度变化的适应能力较强；2.施工简单，造价低采用多斗排泥，每个泥斗需单独设排泥管各自排泥，操作工作量大，采用机械排泥，机件设备和驱动件均浸于水中，易锈蚀1.适用地下水位较高及地质较差的地区；2.适用于大、中、小型污水处理厂竖流式1.排泥方便，管理简单；2.占地面积较小1.池深度大，施工困难；2.对冲击负荷和温度变化的适应能力较差；3.造价较高；4.池径不宜太大适用于处理水量不大的小型污水处理厂辐流式1.采用机械排泥，运行较好，管理较简单；2.排泥设备已有定型产品1.池水水流速度不稳定；2.机械排泥设备复杂，对施工质量要求较高1.适用于地下水位较高的地区；2.适用于大、中型污水处理厂提高沉淀池沉淀效果的有效途径沉淀池均存在去除率不高的问题，且占地面积较大，体积庞大提高沉淀池的分离效果和去除能力的方法斜流式沉淀池对污水进行曝气搅动回流部分活性污泥斜板沉淀池第五节隔油和破乳含油废水的来源石油开采及加工工业固体燃料热加工纺织工业中的洗毛废水轻工业中的制革废水铁路及交通运输工业屠宰及食品加工机械工业中车削工艺中的乳化液石油开采石油炼制石油化工带水原油的分离水钻井提钻时的设备冲洗水井场及油罐区的地面降水生产的油水分离过程,油品、设备的洗涤、冲洗过程焦化含油废水焦炉气的冷凝水洗煤气水各种储罐的排水油的状态可浮油乳化油溶解油油滴的粒径较大(100μm以上)，可以依靠油水密度差而从水中分离出来，对于石油炼厂废水而言，这种状态的油一般占废水中含油量的60%~80%左右。非常细小的油滴(粒径<10μm)，由于其表面有一层由乳化剂形成的稳定薄膜，阻碍油滴合并，故不能用静沉法从废水中分离出来；以溶解态形式存在。油品在水中的溶解度非常低，只有几个毫克每升。细分散油油滴粒径(10-100μm)，长期静置可形成可浮油。常用隔油池有平流式和斜板式两种形式。隔油池平流式隔油池特点：构造简单，便于运行管理，油水分离效果稳定。平流式隔油池可去除的最小油滴直径为100~150μm，相应的上升速度不高于0.9mm/s。斜板式隔油池斜板式隔油池可去除的最小油滴直径为60μm，相应的上升速度约为0.2mm/s。

当油和水相混，又有乳化剂存在时，乳化剂会在油滴与水滴表面上形成一层稳定的薄膜，这时油和水就不会分层，而呈一种不透明的乳状液。乳化油及破乳方法

破乳的基本原理：破坏液滴界面上的稳定薄膜，使油、水得以分离。

破乳方法：（1）投加化学破乳剂，如含钙、镁、铁、铝的盐类或无机酸，碱等；（2）剧烈搅拌、振荡或转动，使乳化的液滴相互碰撞而合并；（3）改变温度（加热或冷冻）破坏乳状液的稳定。

隔油池仅依靠油滴与水的密度差产生上浮而进行油水分离，油的去除率一般为70-80%左右，隔油池的出水一般仍含有一定数量的乳化油和附着在悬浮固体上的油分，一般难降至排放标准以下。通常需联合气浮法做进一步处理。第六节浮上法

原理：浮上法处理是将空气以微小气泡形式通入水中，使微小气泡与在水中悬浮的颗粒粘附，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附上气泡后，密度小于水即上浮水面，从水中分离，形成浮渣层。颗粒与气泡界面能的变化是形成黏附的主要驱动力。一、基础理论气固固δ水·气δ水·粒δ气·粒δ水·气δ水·粒δ气·粒液θ＞90°θ＜90°界面能的变化气泡黏附颗粒后的运动形式气-颗粒吸附上升气泡顶托

气泡裹挟按生产细微气泡的方法分微气泡曝气浮上法剪切气泡浮上法加压溶气浮上法真空浮上法电解浮上法分散空气浮上法溶解空气浮上法二、浮上法的工艺类型微气泡曝气浮上法剪切气泡浮上法电解浮上法

电解浮上法是将正负极相间的多组电极浸泡在废水中，当通以直流电时，废水电解，正负两级间产生的氢和氧的细小气泡粘附于悬浮物上，将其带至水面而达到分离的目的。电解浮上法产生的气泡小于其他方法产生的气泡，故特别适用于脆弱絮状悬浮物。电解浮上法的表面负荷通常低于4m3/(m2·h)。电解浮上法主要用于工业废水处理方面，处理水量约在10~20m3/h。由于电耗高、操作运行管理复杂及电极结垢等问题，较难适用于大型生产。电解浮上法

从溶解空气和析出条件来看加压溶气浮上法：空气在加压条件下溶解，常压下使过饱和空气以微小气泡形式释放出来需要溶气罐、空压机或射流器、水泵等设备真空浮上法：空气在常压下溶解，真空条件下释放优点：无压力设备缺点：溶解度低，气泡释放有限，需要密闭设备维持真空，运行维护困难溶解空气浮上法

真空浮上法压力溶气浮上法系统的组成压力溶气系统气浮池

空气释放系统压力溶气罐溶气释放装置加压水泵附属设备溶气水管路空气供给设备加压溶气的两种方式存在问题：填料长膜；压缩气含油；调节不便；时而需放气。存在问题：设备较复杂；造价偏高。气浮池

气浮池的功能是提供一定的容积和池表面积，使微气泡与水中悬浮颗粒充分混合、接触、粘附，并使带气颗粒与水分离。补充一化学混凝法一、混凝原理化学混凝处理的对象主要是水中的微小悬浮物和胶体杂质。1.胶体的稳定性胶体所受影响由于上述的胶体带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且ξ电位越高，胶粒间的静电斥力越大受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动”胶粒之间还存在着相互引力——范徳华引力胶体间的相互斥力不仅与ξ电位有关，还与胶粒的间距有关，距离越近，斥力越大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推进到使范徳华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。混凝原理(1)压缩双电层作用混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层,使ξ电位降低。当ξ电位为零时,称为等电状态。此时胶体间斥力消失,胶粒最易发生聚结。胶粒因ξ电位电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。(2)吸附架桥作用由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程。(3)网捕作用沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。以硫酸铝为例讨论混凝过程

硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水后，离解出Al3+，并结合有6个配位水分子，成为水合铝离子[Al(H2O)6]3+。

水合铝离子进一步水解，形成单羟基单核络合物：单羟基单核络合物又进一步水解：

上述反应中，降低水中H+(或H3O+)浓度或提高pH，使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。

当pH<4时，水解受到抑制，水中存在的主要是[Al(H2O)3]3+。

当pH＝4~5时，水中有[Al(OH)(H2O)5]2+、[Al(OH)2(H2O)4]+及少量[Al(OH)3(H2O)3]。

当pH＝7~8时，水中主要是[Al(OH)3(H2O)3]沉淀物。

但在某一特定pH时，水解产物还有许多复杂的高聚物和络合物同时共存。

在由[Al(H2O)6]3+转向[Al(OH)3(H2O)3]的中间过程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物：或

两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基双核络合物：

从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物。带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥的作用。二、影响混凝效果的主要因素1.水温2.pH3.水中杂质的成分、性质和浓度4.水力条件水力条件：混凝过程分为两个阶段：混合和反应。混合阶段的要求是使药剂迅速均匀扩散到全部水中，以良好的水解和聚合条件使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚，混合要求快速和剧烈搅拌；反应阶段要求使混凝剂通过絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝体，反应阶段搅拌强度较低，避免将絮体打碎。三、混凝工艺(1)水泵混合(2)隔板混合(3)机械混合补充二过滤第一节过滤操作的基本概念第二节过滤操作的过程分析第三节过滤操作的理论计算本章主要内容一、基本原理混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力）的作用下通过过滤介质，固体粒子被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒物的分离。过滤分离的对象粗大颗粒、细微粒子、细菌、病毒和高分子物质等

第一节过滤操作的基本概念固体颗粒：由一定形状的固体颗粒堆积而成，包括天然的和人工合成的。

天然：石英砂、无烟煤、磁铁矿粒等。

人工：聚苯乙烯发泡塑料球等。固体颗粒过滤介质在水处理中的各类滤池中应用广泛，通常称为滤料。二、过滤介质第一节过滤操作的基本概念

织物介质：又称滤布，如棉、麻、丝、毛、合成纤维、金属丝等编制成的滤布。

多孔固体介质：如素烧陶瓷板或管、烧结金属板或管等。

多孔膜：由高分子有机材料或无机材料制成的薄膜，根据分离孔径的大小，可分为微滤、超滤等。第一节过滤操作的基本概念按促使流体流动的推动力分：重力过滤：在水位差的作用下被过滤的混合液通过过滤介质进行过滤，如水处理中的快滤池。

真空过滤：在真空下过滤，如水处理中的真空过滤机。

压力差过滤：在加压条件下过滤，如水处理中的压滤滤池。离心过滤：使被分离的混合液旋转，在所产生的惯性离心力的作用下，使流体通过周边的滤饼和过滤介质，从而实现与颗粒物的分离。三、过滤分类

第一节过滤操作的基本概念一、表面过滤被过滤的颗粒粒径较小的情况表面过滤通常发生在过滤流体中颗粒物浓度较高或过滤速度较慢的情况。滤饼过滤多孔性介质第二节表面过滤的基本理论

第二节过滤操作的过程分析二、深层过滤滤料内部空隙大于悬浮颗粒粒径。悬浮颗粒随流体进入滤料内部，在拦截、惯性碰撞、扩散沉淀等作用下颗粒附着在滤料表面上而与流体分开。第三节深层过滤的基本理论第二节过滤操作的过程分析(1)迁移行为：颗粒偏离流线运动到滤料内部空隙表面推动力主要包括：a.扩散作用力（布朗运动），主要对非常小的颗粒（<1m）起作用；b.重力沉降，当颗粒较大时，重力沉降起主要作用；c.流体运动作用力（惯性力），如惯性离心力，使颗粒偏离流线而运动到滤料表面。

第二节过滤操作的过程分析颗粒进入滤料内部后，主要包括以下几个行为：

(2)附着行为：影响附着的作用力有：静电作用力（静电斥力或静电引力）范德华引力(3)脱落行为：影响附着颗粒脱落的主要因素有：流体对附着颗粒的剪切作用