水质与水处理概论.ppt

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1、水质与水处理概论,内蒙古工业大学市政系 刘宇红,第1章 水质与水质标准,1.1 天然水中杂质的种类与性质一.杂质分类,二.各种典型水体的水质特点地表水 江河水 湖泊水库水 海水地下水,水中常见污染物及来源 按污染物的污染特征分类：1.可生物降解的有机污染物-耗氧有机污染物 2.难生物降解的有机污染物 3.无直接毒害作用的无机污染物4.有直接毒害作用的无机污染物,生活污水中的主要杂质,表示：COD、BOD、TOD、TOC,人工合成化合物（主要）,纤维素、木质素等植物残体,颗粒状无机杂质,酸、碱,氮、磷等营养杂质,氰化物,砷化物,重金属离子：汞、镉、铅、铬、砷（五毒重金属）,1.2 水体的污染与自

2、净,1.2.2 水体的富营养化,水体的富营养化 由于N、P等营养物质输入过量 而引起的一种水体效应。主要特征：水中藻类和水中植物过度生长，引起水 体及其生态的变化。产生富营养化的因素：1.自然因素：如水流（急缓、深浅）、光照、温 度、地质环境等。2.人为因素：地理特征的人为改变 大量营养物质的输入 点源工业污水、生活污水的排入 面源农业面源（施肥）、家禽养殖 内源底泥营养物质释放,危害 1.使水味变得腥臭难闻 2.降低水的透明度 3.消耗水中的溶解氧 4.向水体中释放有毒物质 5.影响供水水质并增加供水成本 6.对水生生态的影响图片,1.2.3 水体的自净,1.什么是水体自净？污染物进入水体后

3、，通过物理、化学、生物的作用，使污染物浓度降低或总量减少，将水体部分或全部恢复原状。水体自净按作用机制可分为三类：物理过程：稀释、扩散、挥发、沉淀等等 化学和物理化学过程：氧化、还原、吸 附、凝聚、中和等等 生物学和生物化学过程：进入水体中的污染物质，特别是有机物质，由于水中的微生物的代谢活动而被分解氧化并转化为无机物的过程。,1.3 饮用水水质与健康,一.水中的生物对人体健康的影响 细菌 病毒 寄生虫 藻类二.水中的化学物质对人体健康的影响 微量元素及其他无机物 有机物 放射性物质 消毒剂及消毒副产物三.水质与地方病,1.4 用水水质标准,一.生活饮用水水质标准制定原则 不得含有病原微生物所

4、含化学物质及放射性物质不得危害人体健康感官性状良好2.生活饮用水水质标准的4大类指标微生物学指标水的感官性状指标和一般化学指标毒理学指标放射性指标3.我国的生活饮用水水质标准（GB5749-2006）,二.其他用水的水质标准 1.食品及饮料类水质标准 2.城市杂用水水质标准 3.游泳池用水 4.工业用水水质标准,1.5 污水的排放标准,我国地表水环境质量标准将水体分为5类：类 主要适用于源头水，国家自然保护区；类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级 保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵 场、仔稚幼鱼的梭饵场等；类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二 级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道

5、、水产 养殖区等渔业水域及游泳区；类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触 的娱乐用水区；类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。,思考题,1.天然水体中杂质的分类2.各种天然水体的水质特点3.水体富营养化(eutrophication)的定义 4.什么是水体自净，结合河流的氧垂曲线描述水体的自净过程，并说明其在污水处理中的实际意义？5.什么是水体富营养化？富营养化有哪些危害？6.BOD、COD、TOC、TOD7.生活饮用水的水质标准分为哪几类?,本章参考文献,1生活饮用水水质标准（GB5749-2006）2吴薇薇,周律,邢丽贞等.再生水回用人工景观水体优势藻和水华指示指标的研究.给水

6、排水,2007,33（增刊）:7273.3张自杰,林荣忱,金儒霖主编.排水工程.北京:中国建筑工业出版社,1999,6:144.,第2章 水的处理方法概论,内蒙古工业大学市政系 刘宇红,2.1 主要单元处理方法,2.1.1 水的物理化学处理方法混凝沉淀和澄清浮选过滤膜分离吸附离子交换中和氧化与还原,2.1.2 水的生物处理方法 好氧处理 厌氧处理,2.2 反应器的概念及其在水处理中的应用,一.反应器的概念二.理想反应器分类及物料在反应器内的流动模型 见图2-1,有完全混合间歇式反应器（CMB型）、完全混合连续式反应器（CSTR型）、推流式反应器（PF型）三种。,三.物料衡算方程,设在反应器内某

7、一指定部位，任选某一物组分i，可写出如下物料平衡式：单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量(21)当变化量为零时，称为稳态，即：单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量0,在进口流量Q和A的进口浓度CAi 的条件下，反应器内的浓度总是永远为CA，而出口的浓度完全与反应器内的浓度一样，也是CA。列物料A的衡算方程：,例：,QCA0,在V中，物料A由于化学反应（或其他作用）有一个产生（或消失）的速度rA（如果按一级反应来说，rA=kCA，k为反应速率常数；rA根据A的产生或消失，即CA的增加或减少分别取正值或负值。,dCA,dt,V,dCA,dt,=QCAi-QCA0

8、+VrA,物料衡算方程,当浓度CA保持恒定，则上式中 值为0，物料衡算方程为：QCAi+VrA=QCA0 稳态的物料衡算方程式,dCA,dt,四.反应器概念在水处理中的应用,表2-1 水处理工程中若干反应器的类型,2.3 水处理工艺流程,1.典型给水处理工艺流程（1）常规处理工艺流程,（2）预处理常规处理工艺 预处理方法：粉末活性炭吸附法、臭氧或高锰酸氧化、生物氧化法等。,（3）常规处理工艺深度处理 深度处理方法：粒状活性炭吸附法、臭氧活性炭吸附联用、化学氧化、光化学氧化法等。,混凝剂,投,混合装置,絮凝池,沉淀池,过滤池,颗粒活性炭滤池,清水池,出水,受污染水源水,臭氧,接触池,臭氧,图26

9、 臭氧活性炭水处理工艺系统,2.典型污水处理工艺流程,图2-7 典型城市污水处理工艺流程,(1)典型城市污水处理工艺流程,（2）典型的焦化废水处理流程,蒸氨废水,调节池,容器罐,除油池,冷却塔,曝气池,二次沉淀池,排放江河,终冷水,渣油池,外运,污泥浓缩池,外排,图2-8 典型的焦化废水处理流程,（3）典型的洗浴废水回用处理流程,图2-9典型的洗浴废水回用处理流程,思考题,1.何谓“反应器”？2.反应器原理用于水处理有何特点？3种理想反应器的假定条件是什么？研究理想反应器对水处理设备的设计和操作有何作用？3.为什么串联的CSTR型反应器比同容积的单个CSTR型反应器效果好？4.混合与返混在概念

10、上有何区别？5.常用的水处理方法有哪些？6.典型给水处理工艺流程；典型城市污水处理工艺流程。,本章参考文献,1严煦世,范瑾初主编.给水工程.北京:中国建筑工业出版社,1999,12:230251.2张自杰,林荣忱,金儒霖主编.排水工程.北京:中国建筑工业出版社,1996,6:4447.3许保玖，安鼎年著.给水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社,1992,11:9499.,第3章 凝聚和絮凝,内蒙古工业大学市政系 刘宇红,混凝(coagulation)的定义,混凝的去除对象 胶体及部分细小的悬浮物 粒径范围在1nm0.1m（有时认为在1m）混凝目的 投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾

11、花。混凝的定义 包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)两个步 骤,凝聚是指使胶体脱稳并生成微小聚集体的过程,而絮凝是指使脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的 絮凝体的过程。混凝过程涉及到三个方面的问题 水中胶体的性质 混凝剂在水中的水解与形态 胶体与混凝剂的相互作用,3.1 胶体的稳定性,一.胶体的稳定性 动力学稳定性 布朗运动对抗重力。聚集稳定性 胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。,二.胶体的双电层结构,电位：决定了胶体的聚集 稳定性。一般粘土电位-15-40mV 细菌电位-30-70mV,胶体的凝

12、聚：降低静电斥力电位势垒脱稳凝聚办法：加入电解质，但只 适用于憎水性胶体,三.DLVO理论,3-2,一.铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表性的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即离解铝离子,通常是以Al(H2O)63+存在.在水中,会发生下列过程。1.水解过程 配位水分子发生水解：Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+H+.其结果是：价数降低，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀,3.2 混凝机理,2.缩聚反应 OH发生架桥,产生高价聚合离子(多核羟基配合物).其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基配合物还会继续水解。因此,产物包括：未水解的水合铝离子 单核羟基

13、配合物 多核羟基配合物 氢氧化铝沉淀 各种产物的比例多少与水解条件(水温、pH、铝盐投加量)有关。,二.胶体的凝聚机理目前比较公认的凝聚机理有四个方面：压缩双电层作用吸附-电中和作用吸附-架桥作用网捕-卷扫作用,（1）压缩双电层作用,加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。,3-3,（2）吸附电中和作用（3）吸附架桥作用 是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图3-4

14、。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；但投加过多,会出现“胶体保护”现象，见图3-5。(4)网捕或卷扫,吸附架桥作用模型示意图,3-4,3-5,三.絮凝机理异向絮凝（perikinetic flocculation）由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。同向絮凝（orthokinetic flocculation）由外力（水力或机械力）推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。,四.影响混凝效果的主要因素,(1)水温的影响(2)水的pH值的影响(3)水的碱度的影响(4)水中浊质颗粒浓度的影响(5)水中有机污染物的影响(6)混凝剂种类与投加量的影响(7)混凝剂投加

15、方式的影响(8)水力条件的影响,3.3 混凝剂,一.混凝剂 种类有不少于200300种其分类见表3-1,表3-1 常用混凝剂,无机复合聚合物混凝剂 无机有机复合 有机高分子絮凝剂,发展方向,二.助凝剂 凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类：酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。可投加Cl2、O3等。,三.混凝剂选用原则混凝效果好无毒害作用货源充足成本低新型药剂的卫生许可借鉴已有经验,3.4 混凝动力学,一.

16、异向絮凝动力学 由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率 Np8/(3)KTn2(3-1)n：颗粒数量浓度：运动粘度 凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒 数量有关，而与颗粒粒径无关。当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,二.同向絮凝动力学 由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。层流条件下颗粒的碰撞示意见图3-6。,x,1.层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。颗粒的碰撞速率按下式计算：(3-2)在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体，见图3-7。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为：(3-3),转矩 为：(3-4

17、)于是单位体积水所耗功率p为：(3-5)由于，故(3-6),当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定：(3-7)则采用水力絮凝池时，(3-8),2.同向紊流理论 外部施加的能量形成大涡旋；大涡旋将能量输送给不涡旋；小涡旋将能量输送给更小的涡旋；只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞。（3-9）式中，紊流扩散系数，为相应于尺度的脉动速度，为（3-10）故（3-11）,三.混凝过程的控制指标 用G可以来判断混合和絮凝的程度：混合(凝聚)过程：G7001000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂,时间通常在1030s,一般2min.絮凝过程

18、：不仅与G有关(随着絮凝的进行,G值应逐渐减小)，还与时间有关。平均G2070s-1，GT1104105实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC(建议值100),C：颗粒浓度,一.混凝剂的溶解和溶液配制 溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2（3-12）式中W2为溶液池容积。（3-13）式中：W2溶液池容积，m3 Q处理的水量 m3/h a混凝剂最大投加量，mg/L c溶液浓度，一般取5%20%n每日调制次数，一般不超过3次,3.5 混凝过程,二.混凝剂的计量 常用的计量设备 计量泵 流量计（转子、电磁）孔口 苗嘴等。,三.混凝剂的投加方式（1）泵前投加（2）高位溶液

19、池重力投加（3）水射器投加（4）泵投加,四.混凝剂投加量自动控制 数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多 现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍 有一定滞后。流动电流检测器（SCD）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化,五.快速混合 目的 使胶体颗粒凝聚脱稳 要求 强烈、快速、短时六.絮凝反应 目的 促使细小颗粒有效碰撞逐渐增长成大颗粒 要求 G由大 小 有足够的反应时间,3.6 混凝设施,一.混合设施（1）水力混合（2）水泵混合（3）管式混合（4）机械混合,水泵混合 投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节

20、省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。,管式混合 管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.30.4m，简单易行，见图3-12。扩散混合器 是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，流速为1.01.5m/s，混合时间23s。管节长度不小于500mm。水头损失约0.30.4，直径在DN200DN1200，见图3-13。,机械混合 在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度7001000s-1，时间1030s以内，优点是混合

21、效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。,二.絮凝设施 水力絮凝反应设施 隔板絮凝池 折板絮凝池 栅条（网格）絮凝池 穿孔旋流絮凝池 机械絮凝反应设施 其他形式的絮凝池,1.隔板絮凝池,隔板絮凝池 往复式（见图3-14）回转式（见图3-15）隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.30.5m，回转式的水头损失比往复式的小40左右。隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。,流速：起端0.5-0.6m/s,末端段数：46段;转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；絮凝时间：2030min；隔板间距：不小

22、于0.5m，池底应有0.020.03坡度直径不小于150mm的排泥管；各段的水头损失，总水头损失,隔板絮凝池的设计参数：,通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图3-16与图3-17。,2.折板絮凝池,网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格（栅条）絮凝池的示

23、意图见图3-18。,3.网格、栅条絮凝池,网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。其设计参数见表3-2。网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为1.02.5万m3/d之间。,表3-2 栅条、网格絮凝池主要设计参数,由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图3-19。穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，

24、造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。,4.穿孔旋流絮凝池,机械絮凝池的剖面示意见图3-20。搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。,机械絮凝池,水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在dA微面积上水流阻力 阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速 度，为旋转半径 因此,（1）功率计算,第块桨板克服水的阻力所耗功率：设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，则每根旋转轴全部桨板所耗功率：每根旋转轴所需电动机功率：,絮凝时间

25、1015分。池内一般设34挡搅拌机。搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。（3）优缺点 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。,（2）设计参数,每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。,不同形式絮凝池组合应用,1、

26、目前，比较公认的凝集机理有哪四个方面?2、根据快速混合的原理，混合设施主要有哪四类？3、混凝的定义 4、异向混凝 5、同向混凝 6、电位、压缩双电层 7、速度梯度 G8、复合混凝剂9、试叙述脱稳和凝聚的原理 10、铝盐和铁盐作为混凝剂在水处理过程中发挥的三种作用,本章思考题,11、混凝法主要用于去除水中哪些污染物？12、胶体颗粒表面带电的原因是什么？13、影响水的混凝的主要因素有哪些？14、水的混凝对水力条件的要求是什么？15、混合和絮凝反应同样都是解决搅拌问题，它们对搅拌的要求有何不同？为什么？16、混凝药剂的选用应遵循哪些原则？17、什么叫助凝剂？助凝剂按投加的目的划分为哪几类？,本章参考

27、文献,1 严煦世,范瑾初主编.给水工程.北京:中国建筑工业出版社,1999,12:251285.2 上海市政设计院主编.给水排水设计手册（第3册、第5册）.北京:中国建筑工业出版社,1986.3 上海市基本建设委员会编.室外给水设计规范（GBJ1386），1997.4 陆柱，蔡兰坤，陈中兴等编著.水处理药剂.北京:化学工业出版社,2002,3:35，15100.,第4章 沉淀,内蒙古工业大学市政系刘宇红,沉淀与澄清(Sedimentation,or settling and Clarification),原理 利用颗粒与水的密度之差,比重1,下沉;比重1,上浮分类 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过

28、程中沉速不变（沉砂池、初沉池前期）拥挤沉淀：颗粒浓度大，相互间发生干扰，分层（高浊水、二沉池、污泥浓缩池）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）压缩沉淀：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。,一.杂质颗粒在水中的自由沉降 假设沉淀的颗粒是球形，其所受到的重力为：(4-1)所受到的水的阻力：(4-2)CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。,4.1 杂质颗粒在静水中的沉降,根据牛顿第二定律可知：(4-3)达到重力平衡时，加速度为零，令式（4-3）左边为零，加以整理，得沉速公式：（4-4）,CD与Re有关，见图4-1。,

29、当Re1时：呈层流状态(4-5)斯笃克斯公式：(4-6),1.斯笃克斯公式,当1000Re25000时，呈紊流状态，CD接近于常数0.4代入（4-5）得牛顿公式：（4-7）3.当1Re1000时，属于过渡区，CD近似为（4-8）代入得阿兰公式：（4-9）,2.牛顿公式,二.杂质颗粒在静水中的拥挤沉降1沉降过程分析 如图4-2，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。,4-2,4.2 平流沉淀池,一.理想沉淀池理论 理想沉淀池的基本假设：颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到底就被认为去除

30、，不再返回水流中。理想沉淀池的工作情况见图4-4。,原水进入沉淀池,在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为：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。u u0的颗粒可以全部去除,u u0的颗粒只能部分去除 对用直线代表的一类颗粒而言,流速和沉速都与沉淀时间有关（4-13）（4-14）令（4-13）和（4-14）相等,代入（4-12）得：（4-15）,（4-16）一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负 荷在数值上等于截留速度，但含义不同。由图4-3分析沉速为ui的颗粒的去除率：（4-17）,q,根据相似关系得：（4-18）同理得：（4-19）将式

31、（4-18）和（4-19）代入（4-17）得特定颗粒去除率：（4-20）将（4-16）代入（4-20）得：(4-21),结论：（1）颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。（2）E一定，越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。（3）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“浅池理论”。,所有能够在沉淀池中去除的，沉速小于uo的颗粒的去除率为：（4-22）沉速大于和等于u0的颗粒全部下沉去除率为（1-p0），因此理想沉淀池的总去除率为：（4-23）式中p0沉速小于u0的颗

32、粒重量占所有颗粒重量的百分率。,理想沉淀池的总去除率,1.基本结构 平流式沉淀池分为进水区、沉淀区、存泥区、出水区4部分。1)进水区 进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。一般做法是使水流从絮凝池直接流入沉淀池，通过穿孔墙将水流均匀分布在沉淀池的整个断面上，见图4-9。为使矾花不宜破碎，通常采用穿孔花墙 V0.15-0.2 m/s，洞口总面积也不宜过大。,四.平流沉淀池的基本结构,2)沉淀区 沉淀区的高度一般约34m，平流式沉淀池中应减少紊动性，提高稳定性。紊动性指标为雷诺数，(4-25)稳定性指标为弗劳德数，(4-26)能同时降低雷诺数和提高弗劳德数的方法只能是降低水力半径

33、R，措施是加隔板，使平流式沉淀池L/B4,L/H10，每格宽度应在38m不宜大于15m。,3)出水区 通常采用：溢流堰（施工难），淹没孔口（容易找平）见图4-10。孔口流速宜为0.60.7m/s，孔径2030mm，孔口在水面下15cm，水流应自由跌落到出水渠。为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰的长度，降低流量负荷。堰口溢流率一般小于500 m3/m d，目前我国增加堰长的办法如图4-11。,4)存泥区及排泥措施 泥斗排泥：靠静水压力 1.5 2.0m，下设有排泥管，多斗形式，可省去机械刮泥设备（池容不大时）穿孔管排泥：需存泥区，池底水平略有坡度以便放空。机械排泥：带刮泥机，池底需要一定坡度

34、，适用于3m以上虹吸水头的沉淀池，当沉淀池为半地下式时，用泥泵抽吸。还有一种单口扫描式吸泥机，无需成排的吸口和吸管装置。沿着横向往复行走吸泥。,1)沉淀池实际水流状况对沉淀效果的影响 主要为短流的影响，产生的原因有：(1)进水的惯性作用；(2)出水堰产生的水流抽吸；(3)较冷或较重的进水产生的异重流；(4)风浪引起的短流；(5)池内存在的导流壁和刮泥设施等 2)凝聚作用的影响。由于实际沉淀池的沉淀时间和水深所产生的絮凝过程均影响了沉淀效果，实际沉淀池也就偏离了理想沉淀池的假定条件。,2.影响平流式沉淀池沉淀效果的因素,设计平流沉淀池的主要控制指标是表面负荷或停留时间。应根据原水水质、沉淀水质要

35、求、水温等设计资料、运行经验确定。停留时间一般采用13h。华东地区水源一般采用12h。低温低浊水源停留时间往往超过2h。,3.平流沉淀池的工艺设计,1)各参数间关系(4-27)(4-28)(4-29),2)第一种设计计算方法（实验计算方法）根据沉淀实验结果选取u0，用uo=Q/A可以计算得到沉淀池的面积A；选取沉淀时间t和沉淀池的水平流速v，用L=vt可以得到沉淀池的长度L；用公式B=A/L得到B；用公式H=Qt/A得到H；,3)第二种计算方法（经验计算方法）根据经验选取平流式沉淀池的沉淀时间t，得到其体积V=Qt 选取沉淀池的深度H，用公式A=V/H得到沉淀池的面积A；选取沉淀池的水平流速v

36、，用L=vt可以得到沉淀池的长度L；用公式B=A/L得到B；,4)其它参数 平流式沉淀池的放空排泥管直径，根据水力学中变水头放空容器公式计算：（4-30）当渠道底坡度为零时，渠道起端水深可根据下式计算：（4-31）式中Q沉淀池的流量，m3/s；g重力加速度9.81m/s2；B渠道宽度，m。,一.沉淀原理 由沉淀效率 公式可知：在原体积不变时，增加沉淀面积，可使颗粒去除率提高。斜板（管）沉淀池与水平面成一定的角度（一般60左右）的板（管）状组件置于沉淀池中构成，水流可从上向下或从下向上流动，颗粒沉于斜管底部，而后自动下滑。斜板（管）沉淀池的沉淀面积明显大于平流式沉淀池，因而可提高单位面积的产水量

37、或提高沉淀效率。,4.3 斜板、斜管沉淀池,二.分类 有异向流、同向流、横向流三种，目前在 实际工程中应用的是异向流斜板（管）沉淀池，其结构见图4-12。,图 4-12 斜管沉淀池示意,清水区,斜管区,配水区,积泥区,500,穿孔排泥管,穿孔集水管,絮,疑,池,-剖面,三.优缺点 优点：1.沉淀面积增大；2.沉淀效率高，产水量大；3.水力条件好，Re小，Fr大，有利于沉淀；缺点：1.由于停留时间短，其缓冲能力差；2.对混凝要求高；3.维护管理较难，使用一段时间后需更换斜 板（管）,四.设计计算 1.沉淀池面积A（4-32）选定表面负荷（2.53.0mm/s），计算得到面积A。2.沉淀池总高度

38、H=h1+h2+h3+h4+h5（4-33）式中：h1为超高0.3m，h2为清水层高度1.2m h3为自身高度0.866m，h4为配水区高度1.5m h5为污泥斗高度0.8m,澄清池将絮凝和沉淀过程综合于一个构筑物完成,主要依靠活性泥渣层达到澄清目的。当脱稳杂质随水流与泥渣层接触时被阻留下来使水获得澄清的现象,称为接触絮凝。在原水中加入较多絮凝剂,并适当降低负荷,经过一段时间,便能形成泥渣层,常用于给水处理。澄清池分为泥渣悬浮型和泥渣循环型两种。,4.4 澄清池,一.澄清池的工作原理二.机械搅拌澄清池机械搅拌澄清池的构造如图414所示,机械搅拌澄清池的设计要点：清水区上升流速为0.81.1mm

39、/s；水在澄清池内总的停留时间可采用1.21.5h；叶轮提升流量为进水流量的35倍；原水进水管、三角配水槽的水流流速分别为1m/s、0.4m/s；第一絮凝室的容积：第二絮凝室的容积（含导流室）：分离室为2：1：7,第二絮凝室与导流室的水流流速一般为4060mm/S；直径大于6m时用68条集水槽,直径小于6m时用46条集水槽,机械搅拌澄清池的优点：处理效果好，稳定；适用于大、中水厂 机械搅拌澄清池的缺点：维修维护工作量较大；启动时有时需人工加土和加大加药量。,是澄清池的上升流速发生周期性的变化，这种变化是由脉冲发生器引起的。靠脉冲方式进水，悬浮层发生周期性的收缩和膨胀，见图415。脉冲澄清池的特

40、点如下：(1)有利于颗粒和悬浮层接触；(2)悬浮层污泥趋于均匀。(3)还可以防止颗粒在池底沉积(4)处理效果受水量、水质、水温影响较大；(5)构造复杂。,三脉冲澄清池,1-进水室；2-真空泵；3-进气阀；4-进水管,5-水位电极；6-集水槽；7-稳流板；8-配水管,4.5 水中造粒,定义原理自我造粒型流化床,4.6 辐流沉淀池,辐流式沉淀池直径16100m，池周水深1.53.0m,机械排泥,池底坡度不小于0.05,见图4-16。为使布水均匀,设穿孔挡板,穿孔率1020.,设计要求 1.D/H有效=612 2.池底坡度 3.机械刮泥、静水压力排泥（圆形）无机械刮泥、静水压力排泥（正方形）4.进、

41、出水有三种布置方式(1)中心进水，周边出水：辐流式(2)周边进水，中心出水：向心式(3)周边进水，周边出水 5.刮泥机旋转角度：11.5m/min（周边线速）6.穿孔挡板开孔面积为挡板处池断面面积的1020%,设计计算1.每座沉淀池表面积A1与池径D（4-34）（4-35）2.有效水深h2（4-36）3.污泥量W（与平流式相同）4.污泥区容积（4-37）（4-38）,（4-39）5.总高度（H）和周边处的高度（H）（4-40）其中：h1为超高，h2为有效水深，h3为缓冲高度层，h4为底坡落差，h5为污泥斗高度。（4-41）,4.7 气浮,气浮的基本原理气浮的分类与特点气浮法在废水处理中的应用,

42、1.基本概念 利用高度分散的微小气泡作为载体粘附于废水中的悬浮污染物，使其浮力大于重力和阻力，从而使污染物上浮至水面，形成泡沫，然后用刮渣设备自水面刮除泡沫，实现固液或液液分离的过程称为气浮。悬浮颗粒与气泡粘附的原理：水中悬浮固体颗粒能否与气泡粘附主要取决于颗粒表面的性质。亲水性与疏水性可用气、液、固三相接触时形成的接触角大小来解释。在气、液、固三相接触时，固、液界面张力线和气液张力线之间的夹角称为润湿接触角以表示。,2.投加化学药剂对气浮效果的促进作用(1)投加表面活性剂维持泡沫的稳定性(2)利用混凝剂脱稳(3)投加浮选剂改变颗粒表面性质,3.气浮的分类与特点根据气泡产生的方式气浮法分为：电

43、解气浮法 散气气浮法 溶气气浮法 加压溶气气浮：全溶气流程、部分溶气流 程、回流加压溶气流程。,本章思考题,1.什么叫自由沉淀、拥挤沉淀和絮凝沉淀？2.理想沉淀池应符合哪些条件？根据理想沉淀条件，沉淀效率与池子深度、长度和表面积关系如何？3.影响平流沉淀池沉淀效果的主要因素有哪些？沉淀池纵向分格有何作用？4.沉淀池表面负荷和颗粒截留沉速关系如何？两者涵义有何区别？5.平流沉淀池进水为什么要采用穿孔隔墙？出水为什么往往采用出水支渠？6.斜管沉淀池的理论根据是什么？7.澄清池的基本原理和主要特点是什么？,本章参考文献,1 严煦世,范瑾初主编.给水工程.北京:中国建筑工业出版社,1999,12:28

44、5312.2 上海市政设计院主编.给水排水设计手册（第3册、第5册）.北京:中国建筑工业出版社,1986.3 上海市基本建设委员会编.室外给水设计规范（GBJ1386），1997.,第5章 过 滤云霞市政工程系,5.1 慢滤池和快滤池一、慢滤池 滤速低：0.10.3m/h 慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的色度、嗅和味。由于慢滤池占地面积大、操作麻烦、寒冷季节时其表层容易冰冻，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。,二、快滤池滤速：510m/h构造 工作过程 由过滤与反冲洗两部分组成。过滤周期:工作周期：从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。滤池的工作

45、周期为1224h。,三、现代慢滤池 表5-1 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质,5.2 颗粒滤料 一、基本要求 足够的机械强度；足够的化学稳定性；能就地取材、价廉；具有一定的颗粒级配和孔隙率。二、滤料粒径级配 滤料粒径级配：滤料中各种粒径颗粒所占的重量比例。1.表示方法：（1）有效粒径和不均匀系数；（2）最大粒径、最小粒径和不均匀系数。,常用的数据见表5-2。表5-2 滤料级配与滤速,2.滤料筛选方法 例1：见教材P130例题 例2：筛分试验记录见表5-3.表5-3 筛分试验记录,筛分方法：见下图，大粒径（d1.54）颗粒约筛除13.0%，小粒径（d0.44）颗粒约筛除19.0%。,三、滤

46、料的孔隙率和表面积 1.孔隙率（孔隙度）：单位体积滤层中孔隙的体积。测定方法：取一定量的滤料，在105下烘干称重，并用比重瓶测出其密度。然后放入过滤筒中，用清水过滤一段时间后，量出滤层体积，则孔隙率为 式中，G 烘干后的滤料,g；滤料的密度，g/cm3；V 滤料层的堆积体积，cm3。2.滤料的表面积,5.3 快滤池的运行一、出水水质的一般状况 滤后水水质在过滤周期开始时一般较差，如果周期延长足够的时间，在过滤末期水质也会下降。重视初滤水：二、滤层内杂质分布规律 1.杂质分布规律：2.滤层的含污能力：在一个过滤周期内，如果按整个滤层计，单位体积滤料中的平均含污量，单位g/cm3、kg/m3。,3

47、.提高滤层含污能力的途径：（1）采用多层滤料滤池：接近理想滤料滤池，最常见为双层和三层滤见图5-2。双层滤池其含污量随深度的变化见图5-3曲线2。,（2）均质滤料过滤：均质滤料：沿整个滤层深度方向的任一断面上，滤料组成和平均粒径均匀一致。要实现均质滤料过滤，反冲洗时滤料层不能膨胀。,(3)直接过滤 原水不经过沉淀而直接进入滤池的过滤称为“直接过滤”。直接过滤有两种方式：接触过滤：原水加药后只经过混合就直接进入滤池过滤，称为“接触过滤”，见图5-5中（a）与（b）所示；微絮凝过滤：原水加药混合后先经过微絮凝池，再进入滤池过滤，称为“微絮凝过滤”，如图5-5中（c）与（d）所示。图5-5 直接过滤

48、流程,5.4 过滤理论一、过滤水力学1.清洁滤料层的水头损失 卡曼-康采尼公式（Carman-Kozony）公式：(层流状态）（5-1）非均匀滤层按下式计算：（5-2）,2.等速过滤中的水头损失变化 最常见的等速过滤如图5-6所示。在等速过滤状态，由于滤层逐渐被堵塞，水头损失随过滤时间逐渐增加，滤池中水位逐渐上升，当水位上升到最高水位时，过滤停止以待冲洗。无阀滤池与虹吸滤池是典型的等速过滤滤池。过滤水头：滤前水的最高水位与滤后水水位之差。,3.滤层中的负水头 在过滤过程中，当滤层截留了大量杂质以致砂面以下某一深度处的水头损失超过该处的水深，便出现负水头现象。见图5-7。,危害：负水头会导致水中

49、气体释放出来形成气囊，对过滤有破坏作用。一是减少有效过滤面积，增加滤层水头损失及滤层中孔隙流速；二是气囊穿过滤料层上升，有可能把 部分细滤料或轻质滤料带走，破坏滤层结构。在冲洗时，气囊更容易把 滤料带出滤池。措施：避免滤池中出现负水头的两个方法：一是增加砂面上的水深；二是令滤池出口位置等于或高于滤层表面。,4.变速过滤中的滤速变化 设四个滤池组成一个滤池组，假设：进入滤池组的总流量不变；每个池子的性能完全相同；每个滤池恰好按它的编号顺序进行冲洗。则滤池的水位与滤速变化如图5-9所示。移动罩滤池是典型的变速过滤滤池，当移动冲洗罩滤池的分格数很多时，这格滤池冲冼与下一格滤池冲洗的间隔时间很近，滤池

50、水位变化不大，有可能达到近似的“等水位变速过滤”。,二、过滤机理 1.颗粒迁移：物理力学作用：拦截、沉淀、扩散、惯性和水动力作用，见图5-10。图5-10 颗粒迁移机理示意,（2）颗粒粘附：物理化学作用：范德华引力、静电力、以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力作用、絮凝颗粒间的架桥作用。,5.5 滤层反冲洗一、高速水流反冲洗 1.反冲洗强度：指单位面积滤层所通过的反冲洗水流量，单位为L/sm2。2.滤层膨胀度（5-3）由于滤层膨胀前、后单位面积上滤料体积不变，于是：（5-4）故：（5-5）,3.冲洗时间 实际操作中可根据冲洗废水的允许浊度决定。生产上，反冲洗强、滤层膨胀度和冲洗时间可按表5-6