北京大学环境工程概论 第二章 水处理-3

第二章水处理2.6沉淀（1）概述在沉淀池（或叫澄清池）中，在一定时间内沉淀下来的颗粒可以被去除。沉淀池通常为矩形或圆形，水流可以是辐流式或上流式。尽管沉淀池的形式不同，但是其设计上一般分成四个区域：进水区、沉淀区、出水区和污泥储存区。设置进水区的目的是使水流均匀分布，且使悬浮颗粒通过截面进入沉淀区。进水区包括一系列进水管和挡板。挡板设置在沉淀池1m以下并延伸到池底。在挡板系统后面，水流依进水构造的不同，呈现不同的流动形式，在某些点水流呈均匀分布且水的流速减慢到沉淀区的设计流速。在这些点，进水区终止，沉淀区开始。平流式沉淀池上流式沉淀池Q导流板污泥区进水区穿孔挡板出水区出水堰沉淀区出水区沉淀区进水区Q污泥区圆形沉淀池污泥收集系统的照片圆形沉淀池污泥收集系统的示意图设计良好的挡板系统，进水区就在沉淀池的长度方向上延伸约1.5米，进水区设计是否合理对去除效率有很大影响。如果进水区的设计不合理，进水流速将无法降低到沉淀区的设计流速。进水区的长度不能加到沉淀区的设计长度中去，两者的长度必须分开设计。污泥储存区的构造和深度取决于清泥方式、清泥频率和估计的污泥量等参数。所有这些参数都可以估算。如果沉淀池足够长，则储存深度可由池的底部深度提供，否则必须在进水末端设置污泥斗。在沉淀池内水流回经过很大的面积。流速缓慢。如果澄清水的输出管道设置在沉淀池的末端，所有的水将会冲进管道，在沉淀池内形成较高流速，从而导致已经沉淀的絮体上升，并混入出水中。絮体洗出的现象称为“冲洗”（scouring）。产生的原因之一是出水区的设计不合理。较理想的方式是设计一系列水槽，以提供较大的面积使水流通过，并减少沉淀池中靠近出水区水流的速度。这些水槽称为堰（weirs）。在堰的后面再将水流导入中央处的渠或管道，输送沉淀后的出水。与轻颗粒相比，重颗粒所需要的堰较短。典型的堰溢流率絮体类型堰溢流率/[m3/d.m2]轻铝盐絮体(低浊度水)143~179重铝盐絮体(高浊度水)179~268石灰软化产生的重絮体268~3222.6.2沉淀原理沉淀区设计需要了解两个重要参数：絮体沉降速率Vs和沉降池运行的设计速率V0。颗粒向下沉降的同时，水流垂直地上升。颗粒从沉降池底部去除而不会随出水流走的条件：VsV0。设计中需要确定颗粒的沉降速率，并将溢流率设定为较低的数值。对于上流式沉降池，V0=50%~70%Vs。V1VsV0Vs流速Q，颗粒+液体沉淀颗粒V0=Q/As表面积As液体上流式沉淀池中的沉降情况V1-水流速率；Vs-颗粒的最终沉降速率溢流率（overflowrate）：水的上升速率，有时也称为表面负荷率，单位为m3/(d•m2)，表示单位面积上的流量（m3/d）。可以看成每天每平方米的沉淀池表面积上所流经的水量，与负荷类似。与液体速率相同（m/s）。理想的平流式沉淀池符合以下三个假设：①颗粒与水流的流速均匀地分布在沉淀池截面上；②颗粒均匀分布，沉速不变，等速下沉，水平分速等于v；③任何颗粒只要接触到池底就认为被去除。理想的平流式沉淀池中颗粒去除情况假设一颗粒在A点，若要将其从水中去除，则该颗粒需要有足够大的沉降速度，以确保在水流通过沉淀池的停留时间内能够到达沉淀池的底部，即沉降速度至少应该等于沉淀池的深度除以停留时间：Vs=h/t0。颗粒的沉降速率必须大于或等于沉降池的溢流率。Vs=h/t0=h/(V/Q)=hQ/(lwh)=Q/(lw)而(lw)即为沉淀池的表面积（As）这表明平流式沉淀池的去除效果与池的深度无关。hlVlVsA平流式沉淀池的去除效果为什么与深度无关？当颗粒沉降速率Vs大于或等于溢流率V0时，去除该颗粒所需的沉淀池颗粒仅为h/2，如果深度较大时则沉降速率等于V0的颗粒将无法完全去除。不过在较低深度处进入沉淀池的颗粒，可以到达底部，所以会发生部分去除的现象。2hlVlVsAh/2lVlVsA平流式沉淀池部分去除发生的原因？与上流式沉淀池不同，在平流式沉淀池中VsV0的颗粒仍有部分能够去除。例如，沉降速率为V0/2的颗粒均匀地进入沉降区，将有50%的颗粒会被去除。同样，沉降速率为V0/4的颗粒，有1/4的比例会被去除。在沉淀池中溢流率设计值为V0，沉降速率为Vs时，颗粒的去除率P为：P=Vs/V0。hlVlV0/2AlVlV0/2AhV0V0/2理想沉淀池中部分颗粒去除情况示意图Example1一平流式沉淀池，其溢流率为17m3/(d.m2)，希望去除沉降速率分别为0.1mm/s,0.2mm/s和1mm/s的颗粒。试计算在理想沉淀池中不同沉降速率颗粒的去除率。Solution：转换单位：V0=17m3/(d.m2)=0.2mm/s；（1）Vs=0.1mm/sV0，去除率P=0.1/0.2=50%（2）Vs=0.2mm/s=V0，去除率P=100%（理想情况下）（3）Vs=1mm/sV0，去除率P=100%,，所有颗粒可以被轻易地除去。2.6.3Vs的确定方法在设计理想沉淀池时，首先需要确定欲被去除颗粒的沉降速率（Vs），然后设定溢流率（V0）的值小于或等于Vs。对于不同类型的颗粒，其沉降速率的确定方法不同。颗粒的沉淀类型通常氛围以下三种：①I型沉淀：颗粒以一定的沉降速率独立地沉淀。这些颗粒在沉淀过程中互不干扰，其形状、尺寸和质量均不会改变，下降速率也不改变。即颗粒以单一的形态沉降且在沉降期间不会发生絮凝或被其它颗粒粘附，例如沙与砾石的沉淀。常见于沉沙池、预沉池中。②II型沉淀：沉淀过程中颗粒会发生絮凝作用，其形状、尺寸和质量会不断地改变，下降速率也会变化。常见于铝、铁的混凝过程、初级沉淀池等。③III型沉淀或区域沉淀：颗粒在区域沉淀中具有较高的密度（大于1000mg/L），颗粒形成层状物，呈整体沉淀状，并形成较明显的固-液界面。清楚地呈现出澄清区和污泥区。区域沉淀发生于石灰软化沉淀、活性污泥沉淀和污泥浓缩池中。2.6.4V0的确定方法：有5种方法确定Vs，从而确定溢流率V0。（1）计算I型沉淀：落入静止流体中的颗粒会进行加速运动，直至颗粒受到的作用力（重力，摩擦力和浮力）均衡为止。2.6.4V0的确定方法：三种力的定义：重力FG，浮力FB，拖拽力（摩擦阻力）FD（CD为拖拽系数）：使颗粒加速运动的牵引力是重力与浮力之差：当拖拽力等于此牵引力时，颗粒的速度将达到一个定值，称为终端沉降速度，Vs。此时，FG-FB=FD，从而pBgVFpsGgVF22vACFpDDFDFBFGvpsBGgVFF)(2)(2spDpsvACgV对于直径为d的球形颗粒：由此可以得到终端速率的表达式：拖拽系数或摩擦系数CD根据周围流体的流态不同而取不同的值。流态可以定性地分为层流、湍流和过渡流。采用雷诺数（Reynoldsnumber）来定量地描述不同的流态。dddAVpp32)2()2(34332/1]3)(4[DssCdgvssdvdvR牛顿拽力系数与雷诺数的关系在高雷诺数（Re10,000）情况下，对球体所产生的涡流阻力而言，CD值约为0.4。在低雷诺数（Re0.5）时，对球体产生的粘滞阻力而言：CD=24/Re在过渡区，0.5Re10,000，球体的拖拽系数可用下式近似计算：在静态层流情况下，Vs采用Stokes定理：可设定V0=(0.33~0.7)Vs。34.0Re3Re242/1DC18)(2dgvss（2）第二方法：絮凝沉淀实验室数据或中试数据目前没有合适的数学关系式可用来描述II型沉淀。在沉淀过程中，絮体颗粒持续地改变形状、尺寸与密度，因此不能用Stokes公式计算。通常在实验室中用沉淀柱试验来获得设计数据。首先将沉淀柱装满待分析的悬浮液，在一定的时间间隔内于采样口排水取样，分析每个样品的悬浮固体浓度。去除百分比可利用下式计算：R表示在某一深度与时间下的去除率；Ct为在一定深度处，时间t时的浓度，mg/L。绘出沉淀柱中颗粒的去除率与深度的关系图，以5%或10%的间隔连接图中各点以组成等浓度曲线。以沉淀柱底部与等浓度曲线的交点求溢流率。01CCRt溢流率：V0=H/ti式中H为沉淀柱高度，m；ti，时间：沉淀柱底部（x轴）与等浓度曲线的交点的时间，其中下标i表示第1，2，3…等交点。在ti处绘制垂直线，与所有通过时间ti的等浓度曲线相交，再利用等浓度曲线间的中点定义H1、H2、H3等高度。以计算固体物质的去除率。该式为沉淀时间为Ta时的总的去除率。这些实验数据应用于沉淀池设计时，溢流率的放大系数为0.65，停留时间的放大系数为1.75。.........)()(21bcabaTRRHHRRHHRRa（3）区域沉淀的实验室数据：对于区域沉淀而言，设计参数可以通过实验室实验得到。溢流率设计值设定为实验室数值的0.5~0.7倍。（4）烧杯实验数据：可确定混凝絮体的沉降速率。（5）经验设计值：所有形式的沉淀池均有典型的设计值。但这些设计值一般很保守。只有这样才能保证设计不佳的进水区或出水区能正常地工作。典型沉淀池溢流率数值见下表：应用范围矩形或圆形(m3/dm2)上流式沉淀池(m3/dm2)铝盐或铁盐混凝浊度去除4050色度去除3035大量藻类去除20石灰软化低浓度镁70130高浓度镁57105Example2某水处理厂的设计流量为0.5m3/s，设计溢流率为32.5m3/(dm2)，确定沉淀池的表面积。假设典型溢流设计值为20m3/(dm2)，计算沉淀池的表面积，并将这两个值进行比较。停留时间为95分钟，确定沉淀池的深度。Solution：（1）计算表面积：首先换算流量单位：0.5m3/s=43200m3/d；As=Q/V0=43200/32.5=1330m2。利用保守设计值，计算表面积：As=Q/V0=43200/20=2160m2。显然，在这种情况下使用保守设计值将会导致沉淀池表面积有60%的富余。一般沉淀池的长宽比介于2：1~5：1之间，而长度很少超过100米。一般情况下，最少设计2个沉淀池。若按照2个池设计，假定池宽12米，总表面积为1330m2：1330m2/(2)(12m)=55m。长宽比为55m/12m=4~5，符合一般沉淀池长宽比要求。（2）确定沉淀池的深度：沉淀池的总体积：V=Qt0=0.59560=2850m3。沉淀池深度：H=V/As=2850/1330=2米。该深度不包括污泥储存区。最终设计为两个沉淀池：宽12m长55m2m，加上污泥储存深度。2.7过滤沉淀池的出水中仍含有絮体颗粒，且出水的浊度在1~10NTU之间。为了将浊度降低到0.3NTU，一般使用过滤方法。水的过滤是利用沙或其它多孔介质，将流经的水与悬浮状或胶体状物质分开的过程。水充满沙粒之间的空隙，水中杂质因阻塞在空隙中或附着在沙粒表面而与水分离。滤池分类方法有多种，一种根据使用的介质（沙、无烟煤等），另一种是根据允许的溶剂负荷率。负荷率是单位面积滤床上流过的水量。是水流经滤床表面的流速。saAQv按照不同的负荷率，分为慢砂滤池（2.9~7.6m3/(d.m2)）、快砂滤池（120m3/(d.m2)）、以及高速砂滤池。快砂滤池的简化图如下。来自沉淀池的水进入滤池，渗过沙层和砾石床，经过隔板而流入过滤水储存槽。过滤时滤床越来越被堵塞，因水难以通过滤床而使水位上升到砂层以上。最后水位将上升到一个定点，此时滤床已完全堵塞，必须加以清理，此点叫做终端水头损失(terminalheadloss)。此时，关闭阀门A和C，以停止进水并防止水流入过滤水储槽。然后打开阀门E和B，让大量的冲洗水从滤床的底部流入。冲洗水促使砂床膨胀，原来陷在胶体颗粒间的胶体杂质释放出来并进入冲洗水中。几分钟后，冲洗过程结束，而过滤过程重新开始。2.7.1滤料的粒径特性粒状材料的大小分布是使样品材料通过一系列的标准筛来确定的。美国标准筛系列为其中的一种。以1mm的筛网开口为基准，按照(