污水的物理处理-沉淀理论和沉砂池.ppt

1,10-2 沉淀的基础理论,2,一、概述二、沉淀类型三、自由沉淀及分析四、沉淀池工作原理,本节内容,3,1、沉淀的概念,一、概述,是利用水中悬浮颗粒和水的密度差，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。,4,按照废水的性质与所要求的处理程度的不同，沉淀处理工艺可以是整个水处理过程中的一个工序，亦可以作为唯一的处理方法。,2、应用场合,在典型的污水处理厂中，有以下4种用法：(1)用于废水的预处理沉砂池(2)用于污水进入生物处理构筑物前的初步处理(初沉池)(3)用于生物处理后的固液分离(二次沉淀池)(4)用于污泥处理阶段的污泥浓缩,5,二、沉淀类型,自由沉淀,絮凝沉淀,区域沉淀,压缩沉淀,根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉淀通常可以分为四种不同的类型：,6,1、自由沉淀,实例：固体颗粒在沉砂池及沉淀池内的初期沉降,自由沉淀也称为离散沉降，是一种非絮凝性或弱絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。由于悬浮固体浓度低，而且颗粒之间不发生聚集，因此在沉降过程中颗粒的形状、粒径和密度都保持不变，互不干扰地各自独立完成匀速沉降过程。,7,2、絮凝沉淀,实例：颗粒在初沉池内的后期沉降，生化处理中污泥在二沉池中间段的沉淀，及水处理的混凝沉淀。,这是一种絮凝性固体颗粒在稀悬浮液中的沉淀。虽然悬浮固体浓度也不高（50-500mg/L），但颗粒在沉降过程中接触碰撞时能互相聚集为较大的絮体，因而颗粒粒径和沉降速度随沉降时间的延续而增大。,8,3、区域沉淀,也称成层沉淀、拥挤沉淀。这是一种固体颗粒（特别是强絮凝性颗粒）在较高浓度(500mg/L以上)悬浮液中的沉降。,实例：生化处理中污泥在二沉池下部的沉降和在浓缩池内的初期沉降。,由于悬浮固体浓度较高，颗粒彼此靠的很近，吸附力将促使所有颗粒聚集为一个整体，但各自保持不变的相对位置共同下沉。此时，水与颗粒群体之间形成一个清晰的泥水界面，沉降过程就是这个界面随沉降历时下移的过程。,9,当悬浮液中的悬浮固体浓度很高时，颗粒之间便互相接触，彼此上下支承。在上下颗粒的重力作用下，下层颗粒间隙中的水被挤出，颗粒相对位置不断靠近，颗粒群体被压缩。,4、压缩沉淀,实例：生化污泥在二沉池污泥斗和浓缩池内的浓缩过程。,10,沉淀过程示意图,11,分析的假定,三、自由沉淀及分析,12,悬浮颗粒在水中的受力：重力F1、浮力F2、下沉中的摩擦阻力F3,重力大于浮力和摩擦力时，下沉；重力等于浮力和摩擦力时，相对静止；重力小于浮力和摩擦力时，上浮。,，F3,13,用牛顿第二定律表达颗粒的自由沉淀过程:式中：m颗粒质量，kg；u颗粒沉速，m/s；t沉淀时间，s；F1颗粒的重力 F2颗粒的浮力 F3颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力。,悬 浮 颗 粒 在 水 中 的 受 力 分 析,14,（1）颗粒的重力：其中：S为颗粒密度，kg/m3；d为颗粒直径，m；g为重力加速度。（2）颗粒的浮力：其中：L为液体密度，kg/m3；,15,（3）颗粒沉淀过程中受到的摩擦阻力：式中：阻力系数，当颗粒周围绕流处于层流状态时，=24/Re；Re为颗粒绕流雷偌数，与颗粒的直径、沉速、液体的粘度等有关，A自由沉淀颗粒在垂直面上的投影面积，,16,颗粒下沉开始时，沉速为0，逐渐加速，阻力F3也随之增加，很快三种力达到平衡，颗粒等速下沉，du/dt=0，代入公式：,17,即为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，亦称斯托克斯公式,18,由上式可知，颗粒沉降速度uS与下述因素有关：,斯托克斯定律讨论,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。,19,为了便于说明沉淀池的工作原理以及分析水中悬浮颗粒在沉淀池内运动规律，Hazen和Camp提出了理想沉淀池的概念。,四、沉淀池工作原理,理想沉淀池划分为4个区域，即进口区域、沉淀区域、出口区域及污泥区域。,20,作如下假设(1)沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为；(2)悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；(3)在沉淀区的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；(4)颗粒一经沉到池底，即认为已被去除。,21,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。,22,从沉淀区顶部x点进入的颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为u0，到达沉淀区末端时刚好能沉至池底。,当颗粒沉速uiu0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。大颗粒.ppt,当颗粒沉速uiu0时，从沉淀区顶端进入的颗粒不能沉淀到池底，会随水流排出，而当其位于水面下的某一位置进入沉淀区时，它可以沉到底部而被去除。小颗粒.ppt,23,自 由 沉 淀 实 验,设在一水深H的沉淀柱内进行自由沉淀实验，实验开始，沉淀时间为0，此时沉淀柱内悬浮物分布是均匀的，即每个断面上颗粒的数量与粒径的组成是相同的，悬浮物浓度为C0（mg/L）,此时去除率E=0。,自由沉淀图解,24,在同一沉淀时间t，下式成立：故:,设沉速u1u0的颗粒占全部颗粒的dP(%)，其中 的颗粒将会从水中沉到池底而去除。,25,对于沉速为u（uu0）的全部悬浮颗粒，可被沉淀于池底的总量为：而沉淀池能去除的颗粒包括uu0以及 uu0的两部分，故沉淀池对悬浮物的总去除率为：,26,不同沉淀速度的总去除率,27,不同沉淀时间的总去除率,28,中并简化后得出,下图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：,将上式带入式,qv/A反映沉淀池效力的参数，一般称为沉淀池的表面负荷率，或称沉淀池的过流率，用符号q表示：,29,理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：u0的单位是m/h；q表示单位面积的沉淀池在单位时间内通过的流量，单位是m3/m2h。故只要确定颗粒的最小沉速u0，就可以求得理想沉淀池的过流率或表面负荷率。,理想沉淀池的沉淀效率与池的水面面积A有关，与池深H和沉淀时间t无关，即与池的体积V无关。,比较两式可知：,30,实际中，常按以下经验公式确定设计表面负荷q和沉降时间t：,式中：u0、t0分别为由沉降曲线上查得的理论沉降速度和沉降时间。,31,例 题,某自由沉淀试验数据如下表所示，沉淀高度H=120cm。试绘制沉淀曲线P-u曲线，并计算不同沉淀时间条件下的悬浮颗粒的总去除率，并绘制-t、-u曲线。,32,解：（1）计算各沉淀时间相应的沉速u，表观去除率E（2）以Pi为纵坐标，u为横纵标作图得沉淀曲线：P-u曲线（3）图解计算各沉速下的总去率,u0=3.0为例，小于此沉速的颗粒与全部颗粒之比P0=0.67,积分项等于各矩形面积之和。则：=(1-0.67)+1.07/3=0.687 以此计算出各时总沉淀效率。,33,（4）以总效率为纵坐标，以沉淀时间t为横纵标作图的效率-时间曲线,不同沉淀时间的总去除率,34,不同沉淀速度的总去除率,35,思考题,下图是沉降实验所得总去除率与颗粒沉淀速度u0 的关系，有人认为从图中可以看出，颗粒的沉淀速度越大去除率越低。另外的人认为沉淀速度越大说明颗粒粒径越大，而颗粒越大越易除去，为什么此时去除率越低呢？你如何解释？,36,10-4 沉砂池,37,污水中的无机颗粒不仅会磨损设备和管道，降低活性污泥活性，而且会板积在反应池底部减小反应器有效容积，甚至在脱水时扎破滤带损坏脱水设备。沉砂池设置目的就是去除污水中泥沙、煤渣等相对密度较大（比重为2.65）的无机颗粒，以免影响后续处理构筑物的正常运行。,38,沉砂池的作用,沉砂池的工作原理,沉砂池的几种型式,一、概论,39,沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数：,(1)城市污水厂一般均应设置沉砂池，工业污水是否设置视水质情况而定。城市污水厂的沉砂池的只数或分格数应不少于2，并按并联运行原则考虑。,(2)设计流量应按分期建设考虑：当污水自流进入时，应按每期的最大设计流量计算；当污水为提升进入时，应按每期工作水泵的最大组合流量计算；在合流制处理系统中，应按降雨时的设计流量计算。,40,(3)沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2mm以上。(4)城市污水的沉砂量可按每106 m3污水沉砂30m3计算，其含水率约60，容重约1500kg/m3。(5)贮砂斗的容积应按2日沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55。排砂管直径不应小于200mm。(6)沉砂池的超高不宜小于0.3m。,41,一般认为大于0.21mm粒径的砂粒是造成后续处理问题的主要原因，所以传统上沉砂池设计是基于去除粒径0.21mm（65目）以上，相对密度为2.65的砂粒。但除砂数据分析表明，沉砂的相对密度范围在之间，而且现已有沉砂池能够去除到0.11mm（140目）砂粒70%以上。,42,二、平流式沉砂池,43,平流式沉砂池的主要缺点是沉砂中约夹杂有15的有机物，使沉砂的后续处理增加难度。,故常需配洗砂机，排砂经清洗后，有机物含量低于10，称为清洁砂，再外运。,平流式是最常用的一种型式，它的截留效果好，工作稳定，构造亦较简单。上图所示为平流式沉砂池的一种。池的上部是过水部分，是一条加宽了的明渠，渠的两端设有闸门以控制水流，池底设有12个贮砂斗，下接带闸阀的排砂管。,44,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3060s;有效水深应不大于1.2m,一般采用0.251.0m,池宽不小于0.6m；池底坡度一般为0.010.02,当设置除砂设备时，可根据除砂设备的要求，考虑池底形状。,平流式沉砂池的设计参数,45,1.沉砂部分长度L 式中：v-最大设计流量时的 速度，m/s;t-最大设计流量时的停留时 间，s。2.水流断面面积A 式中：qvmax-最大设计流量，m3/s。,3.池总宽度b 式中：h2-设计有效水深，m。4.贮砂斗所需容积V 式中：X-城市污水的沉砂 量，一般采用30m3/106m3（污水）；T-排砂时间的间隔，d；kz 生活污水流量的总变化 系数。,平 流 式 沉 砂 池 的 设 计 计 算,46,5.贮砂斗各部分尺寸计算 设贮砂斗底宽b1=0.5m；斗壁与水平面的倾角为60；则贮砂斗的上口宽b2为：贮砂斗的容积V1：式中：h3-贮砂斗高度，m；S1，S2-贮砂斗上口和下口的面积。,6.贮砂室的高度h3 设采用重力排砂，池底坡度 i=6%，坡向砂斗，则：,平 流 式 沉 砂 池 的 设 计 计 算,47,平 流 式 沉 砂 池 的 设 计 计 算,7.池总高度H 式中：h1-超高，m；h3-贮砂斗高度，m。8.核算最小流速vmin 式中：qvmin-设计最小流量，m3/s；n1-最小流量时工作的沉砂池数目 Amin-最小流量时沉砂池中的水流断面面积，m2。,48,三、曝气沉砂池,49,曝气沉砂池是一个狭长形渠道，沿渠壁一侧的整个长度上设置曝气装置。为增强曝气推动水流回旋的作用，可在曝气器的外侧装设导流挡板。池底内侧设有集砂斗，池底以0.10.5的坡度坡向砂斗。,50,曝气沉砂池剖面示意,51,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（旋转流速0.4m/s），整个池内水流产生螺旋状前进的流动形式。,曝气沉砂池的工作原理,52,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。,特点：沉砂中含有机物的量低于5；,由于池中设有曝气设备，还具有预曝气、脱臭、防止污水厌氧分解、除泡以及加速污水中油类的分离等作用。,53,水平流速一般取0.080.12m/s。污水在池内的停留时间为46min；雨天最大流量时为13 min。如作为预曝气，停留时间为1030min。池的有效水深为23m，池宽与池深比为11.5，池的长宽比可达5，当池长宽比大于5时，应考虑设置横向挡板。曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.56.0mm，距池底约为0.60.9m，并应有调节阀门。曝气沉砂池的形状应尽可能不产生偏流和死角，在砂槽上方宜安装纵向挡板，进出口布置，应防止产生短流。,曝气沉砂池的设计参数,54,四、旋流沉砂池,旋流沉砂池是利用机械力控制水流流态与流速，加速砂粒的沉淀并使有机物随水流带走的沉砂装置。,沉砂池由流入口、流出口、沉砂区、砂斗及带变速箱的电动机、传动齿轮、压缩空气输送管和砂提升管以及排砂管组成。,55,56,污水由流入口切线方向流入沉砂区，利用电动机及传动装置带动转盘和斜坡式叶片旋转。在离心力的作用下，污水中密度较大的砂粒被甩向池壁，掉入砂斗，有机物则被截留在污水中。调整转速，可达到理想的沉砂效果。沉砂用压缩空气经砂提升管、排砂管清洗后排除，清洗水回流至沉砂区。根据处理污水量的不同，旋流沉砂池可分为不同的型号。,57,旋流沉砂池最高时设计流量时，停留时间不应小于30s，设计水力表面负荷宜为150-200m3/（m2h）有效水深宜为，池径与池深比宜为。沉砂池的各部分尺寸，可以根据处理流量的大小按表10-3选用型号，并确定相关尺寸。,旋流沉砂池的设计,