水污染控制教程第十章 污水的物理处理

水污染控制工程化学与环境工程系杨爽

第十章污水的物理处理目录第一节格栅和筛网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池第六节气浮池（一）格栅的定义、作用格栅是由一组平行的金属栅条制成，安装在污水渠道、泵房、集水井的进口处或污水处理厂的前端，用以截留较大的悬浮物或漂浮物，如：纤维、碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜、塑料制品等，以便减少后续处理构筑物的处理负荷，并使之正常运行。第一节格栅和筛网

格栅的分类

1.按形状分

1)平面格栅:由栅条与框架组成

2）曲面格栅污水从鼓筒向鼓筒外流动,栅渣被截留

2.按栅条间隙分

·粗格栅:50-100mm

·中格栅:10-50mm·细格栅:3-10mm3.按清渣方式分

·人工清渣格栅：中、小型污水厂，格栅安装角为30-45°

·

机械清渣格栅：大型污水厂，栅渣量大于0.2m3/d时,60-70°GL型格栅除污机GL型格栅除污机（二）筛网

某些悬浮物用格栅不能截流，也难通过重力沉降去除，常给后续处理构筑物或设备带来麻烦，可采用筛网过滤来分离和回收。

1作用有效的去除和回收水中夹带的如羊毛、化纤以及造纸废水中的纸浆等纤维杂质。2分类振动筛网：水力筛网：依靠进水水流作为动力一、概述1.定义

沉淀是利用水中悬浮颗粒的可沉降性，在重力的作用下产生下沉，以达到固液分离的一种过程。2.处理对象

（1）砂粒；（2）化学沉淀物；（3）混凝处理所形成的絮体；（4）生物处理的污泥；（5）沉淀污泥的浓缩第二节沉淀的基础理论3.名称

（1）沉砂池：用于去除易沉物，如砂粒；

（2）初次沉淀池：进入生物处理系统前的初步处理；

（3）二次沉淀池：生物处理后用以分离生物膜、活性污泥等；（4）污泥浓缩池：经来自初次沉淀池、二次沉淀池的污泥进一步浓缩脱水。二、沉淀类型

根据污水中可沉物质的性质、凝聚性能及其浓度的高低，沉淀分为四种类型。1.自由沉淀

污水中的悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚的性能，在沉淀过程中，固体颗粒不改变形状、尺寸，也不互相粘合，各自独立的完成沉淀过程。典型例子如砂粒在沉砂池中的沉淀以及悬浮物浓度较低的污水在初次沉淀池中的沉淀过程和二沉池的顶部。2.絮凝沉降

污水中的悬浮固体浓度不高，但具有凝聚的性能，在沉淀的过程中，互相粘合，结为较大的絮凝体，活性污泥二沉池的上部就属于此类型。由于絮凝沉淀过程中，颗粒不断增大，因此，相应的沉速在不断的增大，目前尚无描述絮凝颗粒沉淀的关系表达式。在解决实际问题时，通常将絮凝沉淀池分割为若干层，在每一层中认为颗粒的沉降可应用自由沉降速度公式。显而易见，采用自由沉降颗粒近似絮凝颗粒时，分层越多，则误差越小。3.拥挤沉淀（干扰、成层、区域）

污水中悬浮固体的浓度增到一定的数值后，由于颗粒之间的相互干扰和影响，所有颗粒（不论粒径大小）以团状整体沉淀，泥水之间形成清晰可见的泥水界面，此时，所有颗粒的沉速相同，且以同一速度沉淀，活性污泥二沉池的下部属于此类型。4.压缩沉淀

发生在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间已挤集成团块结构，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。二沉池污泥斗中的浓缩过程以及浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。四种沉淀类型在二沉池中的应用：活性污泥在二沉池中的沉淀过程上清水自由沉淀絮凝沉淀区域沉淀压缩沉淀ABCDEF水深时间三、自由沉淀与絮凝沉淀分析理论基础自由沉淀颗粒受力情况式中：As——运动方向的面积

Cd——牛顿无因次阻力系数：Cd=f(Re)

us——颗粒沉降速度，自由沉淀理论基础当颗粒所受外力平衡时：Fd=Fg-Ff对于球形颗粒：层流区（stokes区）:

过渡流区（艾伦区）、紊流区（牛顿区）us？

分析自由颗粒在静水中运动公式得：颗粒沉速us的决定因素是ρs-ρL，当ρs＞ρL时，颗粒下沉，反之则上浮。颗粒沉速us与d2成正比，所以增大d，大大提高沉降效果。us与μ成反比，μ决定于水质、水温，在水质相同时，T↑、μ↓、us↑。由于污水中颗粒非球形，故stocks定律不能直接用于工艺计算，需对非球形颗粒修正。四、沉淀池的工作原理

1.理想沉淀池分为四个区域：进口区域、沉淀区域、出口区域和污泥区域。Hazen和Camp提出这一概念，并假设：（1）污水在池内沿水平方向作等速流动，水平流速v，从入口到出口的流动时间为t。（2）在流入区，颗粒沿截面AB均匀分布并处于自由沉淀状态，颗粒的水平分速等于水平流速v。（3）悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u。（4）颗粒一经沉到水底再不重新浮起（即认为沉到底部即视为被去除）。理想沉淀池示意图入流区出流区污泥区u0us<u0us<u0us>u0LHhABDC沉淀区vvvvqv从点A进入的颗粒，它们的运动轨迹是水平流速和颗粒沉速的矢量和，这些颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为，恰巧能沉至池底D点，故可得关系式：从图2-3可得：沉速us≥u0的颗粒，无论以AB断面任何高度处进入沉淀区，都可以在D点前沉降，如绿线所示。沉速us＜u0的颗粒，其是否能沉降由其进入沉淀区时在AB断面上的位置所定，例如从靠近水面A进入的us＜u0的颗粒，则不能沉降随水流进入流出区，如红线1所示。同样的颗粒若处在靠近池底的位置及h高度以下进入，则能被去除，如红线2所示。这说明对于沉速us＜u0的颗粒，有一部分会沉到池底被去除。

设沉速为us的颗粒占全部颗粒的dp%，其中的h/H·

dp%的颗粒将会沉淀到池底而去除。在同一沉淀时间t,下式成立：

h=us·tH=u0·t可见沉速小于u0的颗粒被沉淀去除的重量为理想沉淀池总去除量为用去除率表示：ρ0—沉速小于u0的颗粒在全部颗粒所占的百分数1－ρ0—us≥u0的颗粒占的百分数根据理想沉淀池的原理，可说明两点：设处理水量为qv(m3/s),沉淀池宽度为B，水面面积A=B·L，故颗粒在池内的沉淀时间为：沉淀池容积：的物理意义是:在单位时间内沉淀池单位表面积的流量称为表面负荷或溢流率（q），量纲m3/m2.s，而u0的量纲m/s,二者的物理意义不同，但对理想沉淀二者相等，可见，只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的表面负荷q2、实际沉淀池∵在实际沉淀池，理想沉淀池的假设是不存在的，颗粒的运动是不规则运动。第三节沉砂池作用去除污水中的沙子、煤渣等颗粒物，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。分类平流式沉砂池竖流式沉砂池曝气沉砂池1平流沉砂池构造入流渠、出流渠、水流部分和沉砂斗组成。优点截留效果好，工作稳定，构造简单，排砂方便。缺点不适应流量变化，较少使用。

2曝气沉砂池构造长型渠道，在一侧设置曝气管。优点对沙砾有淘洗作用，沉砂中有机物含量低于5%；具有预曝气、脱臭等作用；适应水量变化。缺点能耗大、气味大。

污水在池中存在着两种运动形式，其一为水平流动(流速一般取0.1m/s，不得超过0.3m/s)，同时，由于在池的一侧有曝气作用，因而在池的横断面上产生旋转运动，整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。旋转速度在过水断面的中心处最小，而在池的周边则为最大。空气的供给量应保证在池中污水的旋流速度达到0.25—0.4m／s之间，一般取0.4m／s。

沉淀池是分离悬浮物的一种常用处理构筑物。第四节沉淀池

1.分类（1）

按位置分：初沉池——用于生物处理前做一级处理的称为初沉池。二沉池——用于生物处理后沉淀活性污泥或生物膜脱落污泥的称二沉池。二沉池是生物处理不可缺少的一个组沉部分，对于一般城市污水，初沉池可去除约30%的BOD5和55%的悬浮物。一、沉淀池概况（2）按水流方向分：平流式、竖流式、辐流式三种型式沉淀池示意图构成进水区、出水区、沉淀区、污泥区和缓冲区运行方式间歇式连续式

平流式沉淀池

构造进水区使水流均匀的分布在整个进水截面上，并尽量减少扰动，一般设置整流措施。出水区设置堰口，使出水均匀。堰的负荷为：初沉池：250m3/m·d

二沉池：130～250m3/m·d沉淀区一般纵向分格，改善水流条件。污泥区设污泥斗、排泥管，排泥应及时。竖流式沉淀池构造一般为圆形、正方形和多角形，池形小，直径或边长为4～7m。由中心导流筒、反射板、排泥管等组成。评价该池抗冲击负荷能力差，池形小，仅适用于小型污水处理厂。

辐流式沉淀池一般为圆形，直径较大而有效水深则浅的池子，池径可达60m或更大。

进水出水排泥中心进水周边出水辐流式沉淀池示意图

2.三种类型沉淀池优缺点分析池型优点缺点适用条件平流式1.对冲击负荷和温度变化适应能力强2.施工简单，造价低采用多斗排泥时，每个泥斗需单独设排泥管，操作工作量大，采用机械排泥时，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.占地面积小1.池子深度大，施工困难2.对冲击负荷及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.机械排水设备复杂，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、中型污水处理厂二、沉淀池的一般设计原则及参数(1)流量当自流进入时，应按最大流量设计；厂内设置提升泵房时，应按工作水泵的最大组合流量设计。(2)沉淀池只数：不少于2只(3)沉淀池经验设计参数

当无沉淀资料时，t、q、污泥量参见表2-1类别沉淀池位置沉淀时间(h)表面负荷(m3/m2.h)污泥量（干物质）(g/pc.d)污泥含水率(%)初沉池仅一级处理1.5-2.01.5-2.515-2796-97二级处理1.0-2.01.5-3.014-2595-97二沉池活性污泥法1.5-2.51.0-1.510-2199.2-99.5生物膜法1.5-2.51.0-2.07-1996-98表2-1沉淀池的功能与负荷或停留时间的关系(4)

沉淀池的有效水深、沉淀时间、表面水力负荷的相互关系表面水力负荷q’/（m3.m-2.h-1）沉淀时间t/hH=2.0mH=2.5mH=3.0mH=3.5mH=4.0m3.01.01.171.332.51.01.21.41.62.01.01.251.51.752.01.51.331.672.02.332.671.02.02.53.03.54.0(5)沉淀池的几何尺寸沉淀池超高不少于0.3m，缓冲层高0.3-0.5m，贮泥斗的斜壁倾角不宜小于60°,圆斗不宜小于55°，排泥管径不小于200mm(6)沉淀池出水部分一般采用溢流堰，出水负荷：初沉池应不大于2.9L/s，二沉池取1.5-2.9L/s。(7)贮泥斗的容积

一般不大于2d，对于二沉池，贮泥时间不超过2小时。辐流式沉淀池泥斗一般为圆台形，上部直径为2m，下部直径为0.5-1m，泥斗倾角大于45º；平流式沉淀池泥斗一般为（正）棱台形，上部边长与池宽相同（若池宽较大时可设多个泥斗），下部边长一般为0.5-1.0m，泥斗倾角大于45º。竖流式沉淀池泥斗：圆台形或（正）棱台形。(8)

排泥部分

采用静水压力排泥、泵吸式法。

三、平流式沉淀池结构及设计计算(1)结构设计入流装置：平流式沉淀池的配水可采用进水挡板或进水穿孔墙等，通常有：带溢流堰的进水槽+整流墙；带侧孔的进水槽+整流墙；带侧孔的进水槽+挡板；带底孔的进水槽+挡板。出流装置：一般采用挡板+溢流堰+集水槽。排泥装置和方法：静水压力法、机械排泥。(2)设计计算沉淀池的表面积A沉淀区有效水深h2沉淀区有效容积V1沉淀池长度L沉淀池总宽度b沉淀池只数n污泥区容积沉淀池的总高度污泥斗的容积污泥斗以上梯形部分容积四、竖流式沉淀池的设计1.构造：池的直径≤8米，一般4-7米；径深比≤3：1。2.设计计算类似平流式沉淀池设计计算：中心管：中心管管径按流速应大于0.4m/s的最小沉速设计；导流筒：导流筒的深度一般为池深的一半，容积占沉淀容积的5％；出水集水渠：现行辐流式沉淀池的出水集水渠一般位于距池壁的1／10R处；出水堰：单侧或双侧三角堰。超高、缓冲区五、辐流式沉淀池的设计六、斜板（管）沉淀池1.斜板（管）沉淀池的理论基础—浅层理论

入流区出流区污泥区u0u’0=1/2u0LHABDC沉淀区vvqv由可知，若qv不变，则增大A，uo减小，即截流粒径减小，沉降下来的悬浮颗粒增多。由可知，若uo不变，即截流粒径不变，则有效水深H减少，沉淀时间变短，处理量增大。

因此，在处理量不变的情况下，若用平板把沉淀池的沉降空间分成n层，这时沉降高度显著缩短，变为原来的1/n，处理效果明显提高；同样，若保持沉淀时间不变，将有效水深减小到原来的1/n，则处理量会提高到原来的n倍。

实际应用中，考虑排泥的要求，将隔板以45-60°角度倾斜。2.结构特点：斜板（管）倾角多采用60°，斜板（管长一般在1.0-1.2m左右，板间距一般不小于5.0mm，斜管直径25-35mm。斜板材料：大多采用聚氯乙烯平板或波纹板。斜板沉淀池的结构形式：按水流方向不同，分为异向流、同向流和横向流（侧向流）。进水方式：大多采用异向流。出水方式：采用穿孔集水管集水。排泥方式：采用多斗排泥。3.斜流式沉淀池的构造斜板（管）沉淀区进水配水区清水出水区缓冲区污泥区1－进水管；

2－配水槽；

3－斜板；

4－集水槽；

5－出水落水斗；

6－污泥斗；

7－排泥管

4.斜板（管）沉淀池设计举例

异向流斜板（管）沉淀池的设计表面水力负荷一般可按比普通沉淀池的设计表面水力负荷提高一倍考虑。

异向流斜板（管）沉淀池的设计，应符合下列要求：斜板净距（或斜管孔径）为80-100mm；斜板（管）斜长为1m；斜板（管）倾角为60°；斜板（管）区上部水深为0.7-1.0m；斜板（管）区底部缓冲层高度为1.0m。

七、提高沉淀池沉淀效果的有效途径定义：气浮法是固-液或液-液分离的一种方法。它是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附水中的悬浮固体，使其随气泡浮到水面而加以分离去除的一种水处理方法。处理对象：疏水性细微固体或液体悬浮物质。第六节气浮池实现气浮分离的必要条件：A.必须向水中提供足够量的细微气泡；B.必须使污水中的污染物质能形成悬浮状态；C.必须使气泡与悬浮的物质产生粘附作用。一、气浮法的类型（1）电解气浮法（2）分散空气气浮法微气泡曝气气浮法剪切气泡气浮法（3）溶解空气气浮法真空气浮法加压溶气气浮法（1）电解气浮法

向水中通入5～10V直流电，废水电解产生H2、O2和CO2等，气泡微细，密度小，直径约10～60μm，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。（气泡理想尺寸为15～30μm）表面负荷通常低于4m3/m2.h。缺点：电耗较高、电极板易结垢，操作管理复杂。目前主要用于小规模（10-204m3/h）的工业废水处理。

电解气浮①微气泡曝气气浮法通过由素烧陶瓷、粉末冶金或塑料制成的微孔板（管），将压缩空气分散为小气泡。

气泡尺寸：较大（直径1～10mm）

缺点：微孔板（管）容易堵塞。（2）分散空气气浮法

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，气泡直径1mm左右。

②剪切气泡气浮法

特点：适用于悬浮物浓度较高的废水，如用于洗煤废水及含油脂、羊毛等废水的处理，也可用于含表面活性剂的废水泡沫浮上分离，设备不容易堵塞。（3）溶解空气气浮法

溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后骤然减压释放，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。

特点：

气泡直径约为20～100μm；可人为控制气泡与废水的接触时间；净化效果比分散空气法好，应用广泛。

根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分：

a、真空气浮法：空气在常压或加压下溶于水中，在负压下析出；

b、加压溶气气浮法：空气在加压下溶于水中，在常压下析出。A、真空气浮

特点：气浮池在负压下运行；溶气压力比加压溶气低，能耗较小；缺点：气浮池结构复杂，设备密闭，运行维护都较困难，生产中应用不多。

B、加压溶气气浮

使空气在加压的条件下溶解于水，然后将压力骤减至常压而使过饱和的空气以微细气泡的形式释放出来。

按溶气水不同分为三种基本流程：

①全溶气流程

②部分溶气流程③回流溶气流程①全溶气流程

全部原水由泵加压至0.3～0.5MPa，压入溶气罐，用空压机或射流器向溶气罐压入空气进行溶气，然后经减压释放装置进入气浮池进行固液分离。②部分溶气流程

部分原水进行压力溶气，其余部分直接进入气浮池。③回流溶气流程无论何种流程，其主要设备有加压泵、溶气罐和气浮池。三种溶气方式比较：

（1）与①全溶气流程相比，②部分溶气流程和③回流溶气流程两种方式用于加压溶气的水量只分别占总水量的30～35%和10～20%；更节能；设备容积大大减小。

（2）在相同能耗下，③溶气压力可大大提高，形成的气泡更小，更均匀，更能得到充分利用；

（3）当采用混凝气浮时，③能够充分利用混凝剂，减少投药量，并避免絮凝体破坏。

二、加压溶气气浮法的基本原理（1）气泡与悬浮颗粒粘附的条件气泡与颗粒的吸附力是由两相之间的界面张力引起的。根据作用于气-固-液三相之间的界面张力，可以推测这种吸附力的大小。

当废水中有气泡存在时，并非所有的颗粒都能粘附上去，它们能否与气泡粘附取决于水对该颗粒的表面性质(即颗粒的润湿性)。

一般规律：疏水性颗粒易与气泡粘附，而亲水性颗粒难以与气泡粘附。容易被水润湿的物质称为亲水性物质.

难于被水润湿的物质称为疏水性物质。

颗粒的润湿程度常用气、液、固三相间互相接触时所形成的接触角的大小来解释。在静止状态下，当气、液、固三相接触时，在气-液界面张力线和固-液界面张力线之间的夹角（对着液相的），称为平衡接触角，用θ表示。

θ<90°者为亲水性物质;θ>90°者为疏水性物质。气固液三相体系

在气固液三相的接触点上，由液、气界面与液、固界面构成的θ角称为接触角。根据三个界面张力在接触点处于平衡有：δG·S=δL·G×cosθ+δL·S当θ=0时，固体表面完全被润湿，气泡不能吸附在固体表面。当0＜θ＜90°时，固体与气泡吸附的不够牢固，容易在水流的作用下脱附。当θ≥90°时，则容易吸附。气固固δL·GδL·SδG·SδL·GδL·SδG·S液θ＞90°θ＜90°总之，亲水性颗粒不易被气泡吸附，疏水性颗粒易被吸附（2）微气泡与悬浮颗粒的粘附形式有三种：气泡吸附颗粒上浮气泡顶托颗粒上浮气泡裹夹颗粒上浮（3）“颗粒-气泡”复合体上浮速度

当颗粒上粘附的气泡越多，粒径越大，密度越小，上升的速度越大。2.化学药剂投加对气浮效果的影响除强疏水性物质外，一般疏水性物质和亲水性物质均需投加化学药剂，以改善颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。常用的化学药剂有：混凝剂、浮选剂、助凝剂、抑制剂、调节剂。3.气浮法的应用

（1）分离水中的细小悬浮物、藻类及微絮体；（2）回收有用物质：如纸浆、细小纤维等；（3）代替二沉池，分离和浓缩活性污泥；（4）分离回收含油废水中的悬浮油及乳