339《水污染控制工程》授课教案Word格式文档下载.docx

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各种水质之间TOC或TOD与BOD不存在固定的相关关系。

在水质条件基本不变的条件下，BOD与TOC或TOD之间存在一定的相关关系。

（4）油类污染物

石油类：

来源于工业含油污水。

动植物油脂：

产生于人的生活过程和食品工业。

油类污染物进入水体后影响水生生物的生长、降低水体的资源价值。

油膜覆盖水面阻碍水的蒸发，影响大气和水体的热交换。

油类污染物进入海洋，改变海水的反射率和减少进入海洋表层的日光辐射，对局部地区的水文气象条件可能产生一定影响。

大面积油膜将阻碍大气中的氧进入水体，从而降低水体的自净能力。

石油污染对幼鱼和鱼卵的危害很大，堵塞鱼的鳃部，能使鱼虾类产生石油臭味，降低水产品的食用价值。

破坏风景区，危害鸟类生活。

（5）酚类污染物

酚污染来源：

煤气、焦化、石油化工、木材加工、合成树脂等工业废水。

原生质毒物，可使蛋白质凝固，引起神经系统中毒。

酚浓度低时，能影响鱼类的洄游繁殖。

酚浓度达0.1～0.2mg/L时，鱼肉有酚味。

酚浓度高会引起鱼类大量死亡，甚至绝迹。

酚的毒性可抑制水中微生物的自然生长速度，有时甚至使其停止生长。

酚能与饮用水消毒氯产生氯酚，具有强烈异臭（0.001mg/L即有异味，排放标准0.5mg/L）。

灌溉用水酚浓度超过5mg/L时,农作物减产甚至枯死。

2、无机性指标

（1）植物营养元素：

过多的氮、磷进入天然水体，易导致富营养化，使水生植物尤其是藻类大量繁殖，造成水中溶解氧急剧变化，影响鱼类生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展

为沼泽和干地。

（2）pH和碱度：

一般要求处理后污水的pH在6～9之间。

当天然水体遭受酸碱污染时，pH发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还可腐蚀船舶。

碱度指水中能与强酸定量作用的物质总量，按离子状态可分为三类：

氢氧化物碱度；

碳酸盐碱度；

重碳酸盐碱度。

（3）重金属：

作为微量金属元素。

重金属的主要危害：

生物毒性，抑制微生物生长，使蛋白质凝固;

逐级富集至人体，影响人体健康。

三、生物性指标

（1）细菌总数：

水中细菌总数反映了水体有机污染程度和受细菌污染的程度。

常以细菌个数/mL计。

饮用水：

<

100个/mL，医院排水：

<

500个/mL。

（2）大肠菌群：

大肠菌群的值可表明水样被粪便污染的程度，间接表明有肠道病菌存在的可能性。

常以大肠菌群数/L计。

3个/L，城市排水：

10000个/L。

来源及危害：

来源：

生活污水：

肠道传染病、肝炎病毒、SARS、寄生虫卵等；

制革屠宰等工业废水：

炭疽杆菌、钩端螺旋体等；

医院污水：

各种病原体。

危害：

传播疾病，影响卫生，导致水体缺氧。

1.2污染物在水体环境中的迁移与转化

一、水体的自净作用

河流的自净作用是指河水中的污染物质在河水向下游流动中浓度自然降低的现象。

根据净化机制分为三类：

（1）物理净化：

稀释、扩散、沉淀

（2）化学净化：

氧化、还原、分解

（3）生物净化：

水中微生物对有机物的氧化分解作用

1、污水排入河流的混合过程

（1）竖向混合阶段：

污染物排入河流后因分子扩散、湍流扩散、弥散作用逐步向河水中分散，由于一般河流的深度与宽度相比较小，所以首先在深度方向上达到浓度分布均匀，从排放口到深度上达到浓度分布均匀的阶段称为竖向混合阶段，同时也存在横向混合作用。

（2）横向混合阶段：

当深度上达到浓度分布均匀后，在横向上还存在混合过程。

经过一定距离后污染物在整个横断面上达到浓度分布均匀，这一过程称为横向混合阶段。

（3）断面充分混合后阶段：

在横向混合阶段后，污染物浓度在横断面上处处相等。

河水向下游流动的过程中，持久性污染物的浓度将不再变化，非持久性污染物浓度将不断减少。

2、持久污染物的稀释扩散

当持久性污染物随污水稳态排入河流后，经过混合过程达到充分混合阶段时，污染物浓度可由质量守恒原理得出河流完全混合模式：

式中：

ρ——排放口下游河水的污染物浓度；

ρw，qvw——污水的污染物浓度和流量；

ρh，qvh——上游河水的污染物浓度和流量。

3、非持久性污染物的稀释扩散和降解

河断面达到充分混合后，污染物浓度受到纵向分散作用和污染物的自身分解作用不断减小。

根据质量守恒原理，其变化过程可用下式描述：

u——河水流速；

x——初始点至下游x断面处的距离；

Mx——纵向分散系数；

K——污染物分解速度常数；

ρ0——初始点的污染物浓度；

4、氧垂曲线

水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线。

有机物降解：

氧垂曲线的求解：

某点处的氧不足量变化速率是该处耗氧速率和复氧速率之和：

求解得某点的亏氧量：

某点的溶解氧：

ρc=ρcs-ρD

到达最缺氧点时间dρD/dt=0：

二、污染物在不同水体中的迁移转化规律

污染物在河流中的扩散和分解受到河流的流量、流速、水深等因素的影响。

河口是指河流进入海洋前的感潮河段。

河口污染物的迁移转化受潮汐影响，受涨潮、落潮、平潮时的水位、流向和流速的影响。

湖泊水库的贮水量大，但水流一般比较慢，污染物的稀释、扩散能力较弱。

海洋虽有巨大的自净能力，但是海湾或海域局部的纳污和自净能力差别很大。

污染物在地下水中的迁移转化受多种因素影响，地下水一旦污染，要恢复原状非常困难。

2.3污水出路

污水的最终出路：

排放水体；

工农业利用；

地下水回灌。

一、污水排放水体的限制

污水综合排放标准GB8978—1996；

城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918—2002；

地表水环境质量标准GB3838—2002；

海洋水质量标准GB3097。

二、污水回用应满足的要求

污水回用应满足的要求：

对人体健康不应产生不良影响；

对环境质量和生态系统不应产生不良影响；

对产品质量不应产生不良影响；

应符合应用对象对水质的要求或标准；

应为使用者和公众所接受；

回用系统在技术上可行，操作简便；

价格应比自来水低廉。

城市污水回用的几个方面：

1、城市生活用水和市政用水：

（1）供水

（2）城市绿地灌溉

（3）市政与建筑用水

（4）城市景观

2、农业、林业、渔业和畜牧业

3、工业

（1）工艺生产用水

（2）冷却用水

（3）锅炉补充水

（4）其他杂用水

4、地下水回灌

5、其他方面

第二章污水的物理处理

16

重点掌握掌握格栅、调节池、平流式沉砂池、沉淀池、平流式隔油池和压力溶气浮上法、过滤的工作原理和设计计算，熟悉沉淀的类型和沉淀池的形式。

本章难点：

沉淀池的工作原理及斜板（管）沉淀池的设计计算。

2.1格栅和筛网

一、格栅的作用

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。

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。

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。

格栅所截留的污染物数量与地区的情况、污水沟道系统的类型、污水流量以及栅条的间距等因素有关，可参考的一些数据：

1、当栅条间距为16~25mm时，栅渣截留量为0.10~0.05m3/（103m3污水）；

2、当栅条间距为40mm左右时，栅渣截留量为0.03~0.01m3/（103m3污水）；

3、栅渣的含水率约为80%，密度约为960kg/m3。

格栅的清渣方法：

1、人工清除：

与水平面倾角：

45º

~60º

，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。

2、机械清除：

60º

~70º

，过水面积一般应不小于进水管渠的有效面积的1.2倍。

格栅栅条断面形状：

圆形；

矩形；

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：

格栅渠道的宽度要设置得当，应使水流保持适当流速，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。

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；

渐扩α＝20°

，沉底大于水头损失。

二、格栅的设计与计算

通过格栅的水头损失h2的计算：

h0——计算水头损失，m；

v——污水流经格栅的速度，m/s；

ξ——阻力系数，其值与栅条断面的几何形状有关；

α——格栅的放置倾角；

g——重力加速度，m/s2；

k——考虑到格栅受污染物堵塞后阻力增大的系数，可用式：

k=3.36v-1.32求定，一般采用k=3。

城市污水一般取0.1~0.4m。

1.格栅的间隙数量n

qvmax——最大设计流量，m3/s；

d——栅条间距，m；

h——栅前水深，m；

v——污水流经格栅的速度，m/s。

2.格栅的建筑宽度b

b——格栅的建筑宽度；

s——栅条宽度，m。

3.栅后槽的总高度h总

式中:

h——栅前水深，m；

h2——格栅的水头损失,m；

h1——格栅前渠道超高，一般h1=0.3m。

4.格栅的总建筑长度L

L1——进水渠道渐宽部位的长度，m；

其中:

b1——进水渠道宽度m；

α1——进水渠道渐宽部位的展开角度，一般α1=20°

；

L2——格栅槽与出水渠道连接处的渐窄部位的长度，一般L2=0.5L1；

H1——格栅前的渠道深度,m。

5.每日栅渣量W

W1——栅渣量，m3/（103m3污水）；

KZ——生活污水流量总变化系数。

三、筛网

用于废水处理或短小纤维的回收

形式：

振动筛网；

水力筛网

格栅、筛网截留的污染物的处置方法：

填埋；

焚烧（820℃以上）；

堆肥；

将栅渣粉碎后再返回废水中，作为可沉固体进入初沉池。

2.2沉淀的基础理论

一、概述

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。

沉淀处理工艺的四种用法:

1、沉砂池：

用以去除污水中的无机易沉物。

2、初次沉淀池：

较经济地去除，减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。

3、二次沉淀池：

用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。

4、污泥浓缩池：

将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。

二、沉淀的类型

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：

1、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。

2、絮凝沉淀：

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。

3、区域沉淀或成层沉淀：

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。

4、压缩沉淀：

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。

三、自由沉淀及其理论基础

分析的假定：

颗粒为球形；

沉淀过程中颗粒的大小、形状、质量等不变；

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。

悬浮颗粒在水中的受力：

重力、浮力。

重力大于浮力时，下沉；

重力等于浮力时，相对静止；

重力小于浮力时，上浮。

悬浮颗粒在水中的受力分析：

1.悬浮颗粒在水中受到的力Fg

Fg是促使沉淀的作用力，是颗粒的重力与水的浮力之差：

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

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。

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：

当颗粒粒径较小、沉速小、颗粒沉降过程中其周围的绕流速度亦小时，颗粒主要受水的黏滞阻力作用，惯性力可以忽略不计，颗粒运动是处于层流状态。

在层流状态下，λ′=24/Re，带入式中，整理得自由颗粒在静水中的运动公式（亦称斯托克斯定律）：

μ——水的动力黏度。

斯托克斯定律:

由上式可知，颗粒沉降速度us与下述因素有关：

1、当ρs大于ρL时，ρs-ρL为正值，颗粒以us下沉；

2、当ρs与ρL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；

3、ρs小于ρL时，ρs-ρL为负值，颗粒以us上浮，可用浮上法去除。

4、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。

5、us与μ成反比，μ随水温上升而下降；

即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。

四、沉淀池的工作原理

理想沉淀池：

分为：

进口区域、沉淀区域、出口区域、污泥区域四个部分。

理想沉淀池的几个假定：

1、沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；

2、悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；

3、在沉淀池的进口区域，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。

当某一颗粒进入沉淀池后，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；

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。

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。

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。

设u0为某一指定颗粒的最小沉降速度。

1、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′。

2、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。

设沉速为u1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。

在同一沉淀时间t，下式成立：

故：

b

对于沉速为u1（u1<

u0）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u≥u0以及u1<

u0的两部分，故沉淀池对悬浮物的去除率为：

P0——沉速小于u0的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的比例；

（1-P0）——沉速≥u0的颗粒去除率。

上页图的运动迹线中的相似三角形存在着如下的关系：

将上式带入式中

并简化后得出：

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：

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/（m2·

h）。

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无关，即与池的体积V无关。

2.3沉砂池

沉砂池的作用：

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。

沉砂池的工作原理：

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。

沉砂池的几种形式：

平流式、竖流式、曝气沉砂池、旋流式沉砂池、Doer沉砂池等。

沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数：

1、城市污水厂一般均设置沉砂池，并且沉砂池的个数或分格数应不小于2；

工业污水是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。

2、设计流量应按分期建设考虑：

最大时流量、最大组合流量、合流制流量

3、沉砂池去除的砂粒相对密度为2.65，粒径为0.2mm以上。

4、城市污水的沉砂量可按每106m3污水沉砂30m3计算，其含水率约为60%，容重约1500kg/m3。

5、贮砂斗的容积应按2d沉砂量计算，贮砂斗壁的倾角不应小于55º

，排砂管直径不应小于200mm。

6、沉砂池的超高不宜小于0.3m。

一、平流式沉砂池

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。

1、平流式沉砂池的系统参数

（1）污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；

（2）最大流量时，污水在池内的停留时间不少于30s，一般为30~60s；

（3）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；

（4）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。

2、平流式沉砂池的计算公式

（1）长度L

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

qvmax——最大设计流量，m3/s。

（3）池总宽度b

h2——设计有效水深。

（4）贮砂斗所需容积V

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。

（5）贮砂斗个部分尺寸计算

设贮砂斗底宽b1=0.5m；

斗壁与水平面的倾角为60º

则贮砂斗的上口宽b2为：

贮砂斗的容积V1：

h’3——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：

（7）池总高度h

h1——超高，m；

h2——有效水深,m;

h3——贮砂斗高度,m。

（8）核算最小流速vmin

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。

二、曝气沉砂池

曝气沉砂池的特点：

由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、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；

沉砂中含有机物的量低于5%。

1、曝气沉砂池的构造：

（1）、曝气沉砂池是一个长形渠道，沿渠道壁一侧的整个长度上，距池底约60~90cm处设置曝气装置；

（2）、在池底设置沉砂斗，池底有i=0.1~0.5的坡度，以保证砂粒滑入砂槽；

（3）、为了使曝气能起到池内回流作用，在必要时可在设置曝气装置的一侧装设挡板。

2、曝气沉砂池的工作原理

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（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。

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。

3、曝气沉砂池的设计参数

（1）水平流速一般取0.08~0.12m/s。

（2）污水在池内的停留时间为4~6min；

雨天最大流量时为1~3min。

如作为预曝气，停留时间为10~30min。

（3）池的有效水深为2~3m，池宽与池深比为1~1.5，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。

（4）曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，孔径为2.5~6.0mm，距池底约为0.6~0.9m，并应有调节阀门。

（5）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。

2.4沉淀池

沉淀池按使用功能分：

1、初次沉淀池：

生物处理法中的预处理，去除约30%的BOD5，55%的悬浮物

2、二次沉淀池：

生物处理构筑物后,是生物处理工艺的组成部分

沉淀池按水流方向分：

1、平流式：

池型：

长方形一端进水,另一端出水，贮泥斗在池进口

2、竖流式：

池内水流由下向上，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

3、辐流式：

池内水流向四周辐流，池型:

沉淀池由五部分组成：

（1）进水区、出水区的功能是使水流的进入与流出保持平稳，