物理处理单元第三四五节.docx

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物理处理单元第三四五节

第三节沉降

3．1概述

废水中粒度大于100nm且比重大于1的污染物颗粒，则可以在重力作用下沉降，使其从废水中得以去除，这种处理方法称为重力沉降法或沉降过程。

沉降是一种采用物理作用进行固液分离的方法，利用的是悬浮颗粒和水的密度差。

3．2沉降处理对象

由定义可知，它是指比重大于1，即比水密度大和粒度大于100nm的污染物颗粒。

这种污染颗粒物既可以是废水中原有的固体颗粒，如沙、砂、泥、铁屑、煤矸石及金属屑等，具体来说如洗煤废水，造纸废水中的白水，畜禽养殖污水等等，或废水处理过程中的次生固体颗粒物，如絮体、活性污泥、生物膜、化学反应生成的沉淀等，具体来说有活性污泥法工艺中二沉池中的活性污泥，生物滤池或生物塔出水中的生物膜，絮凝、混凝工艺后产生的絮体，重金属污染物采用沉淀方法产生的沉淀，含磷废水处理过程中产生的磷酸盐沉淀等等。

因此，沉降过程既适用于废水的预处理，如沉砂池，初沉池等，也适用于后续处理，如二沉池，絮凝沉淀池，澄清池等，而且池体易于施工运行，分离方法简单，效果好，在废水处理中应用十分广泛。

图13-4沉降过程在工业水处理的应用

3．3固体颗粒分类和沉降类型

废水中固体颗粒的浓度和特性影响了它在沉降过程中呈现出不同的状况，从它的特性可以分为两大类：

离散颗粒和絮体颗粒。

在沉降过程中，颗粒保持其原始的大小形状，彼此间不发生粘结现象，这种颗粒称为离散颗粒。

如泥、砂、石等。

如果在整个沉降过程中，由于相互作用而不断结成新的颗粒，粒度逐渐增大，这种颗粒称为絮体颗粒。

在沉降过程中原始颗粒不复存在，絮凝过程的絮体和活性污泥均属于此类颗粒。

由颗粒性质和浓度的不同，沉降过程可以分为以下四种类型：

13-5沉降类型示意图

0

0

a．自由沉降，又称为离散颗粒沉降。

离散颗粒在沉降过程中，其形状、尺寸、质量均不变，下沉速度不受干扰，或称为沉降不受阻，这种沉降往往发生于沉砂池、初沉池中。

如泥砂石的沉降分离过程中。

b．絮凝沉降或称干涉沉降。

当悬浮物质浓度约为50～500mg/L时，在沉淀过程中，颗粒与颗粒之间可能互相碰撞，颗粒在沉降过程中不断合并，尺寸和质量随深度的增加而增大，沉降速度也随之而增大。

一般发生于二沉池中，如活性污泥或生物膜及絮凝、混凝后生成的絮体的沉降过程，即是絮凝沉降。

c．成层沉降或称受阻沉降。

当悬浮物质浓度大于500mg/L时，固体颗粒在沉降过程中，相邻颗粒之间互相干扰，沉速大的颗粒也无法超越沉速小的颗粒，颗粒在这阶段的沉降过程中，相对位置保持不变，使水和固体颗粒间出现明显的分层，沉降显示为固液截面下沉。

水对颗粒群之间产生了较大的阻力，一般发生在二沉池下部的沉降过程中。

d．压缩沉降。

当层状沉降出现后，固体颗粒之间已经形成一层构体，沉降时整层构体下沉，在重力的作用下，上层颗粒挤压出下层颗粒间的水，此时颗粒构体层层压缩，实现的是水向上透过固体，而不是固体向下穿过水。

活性污泥或絮凝物的浓缩均属于此类沉降。

这四类沉降可以用图13-5说明。

3．4沉淀池的设计

3．4．1理想沉淀池

沉降固体颗粒在实际进行沉淀时，首先，固体颗粒不可能全部为离散颗粒作自由沉降，其次，进水和出水时存在湍流和短路，另外，污泥贮存和除泥设备操作时所产生的速度梯度对沉降的影响等等，如果忽略这些各种因素的影响，用一个理想的状况来讨论沉降过程及其设备，称为理想沉淀池。

即假设污水在池内沿水平方向作等速运动，水平流速为

，从入口到出口的流动时间即停留时间为t；在流入区，颗粒沿截面均匀分布并处于自由沉降状态，颗粒的水平分速度均为

；颗粒沉到池底即被认为除去。

离散的、非絮体颗粒的沉降可借助经典的牛顿和斯托克斯沉淀定律分析。

颗粒重力与摩擦阻力相等时，牛顿定律得出最终颗粒沉速。

重力由下式得出：

，其中

分别为颗粒和水的密度，g重力加速度，Vp为颗粒体积。

摩擦阻力和颗粒速度

、流体密度

、阻力系数

、颗粒在流向上的截面积或投影面积A等有关，可由下式表示，

。

由于颗粒在水中的受到的阻力与其沉降速度

相关，沉降速度越大，受到的阻力越大，因此，离散的颗粒在水中下沉过程中，随着下沉速度的加快，所受的阻力也增大，当重力与阻力相等时，颗粒开始匀速下沉，此时的下沉速度称为最终沉速

。

对于层流状态，即雷诺数NR＜1条件下，粘度是沉降过程中的主导作用力，假定颗粒为球形，得出该颗粒的斯托克斯定律：

，即直径为d的球形离散颗粒在层流区内的最终沉降速度。

13-6理想沉降池示意图

某固体颗粒从B点进入理想沉淀池沉降区，它的运动轨迹为具有水平分速度

和沉速

或

。

当理想沉淀池中的颗粒沉降速度为最终稳定沉降速度

或大于

时，则颗粒落入污泥区，即可以沉降下来；如果其沉降速度小于

时，则颗粒不落入污泥区，而随水流进入出水区，不能通过沉降而得以去除。

若颗粒从

点进入沉降区，由于水平速度和下沉速度相同，因此，其运动轨迹为和从B点出发时

相同的平行线，但由于水平运动距离相同，而下沉距离变短，因此它可以在流入出水区前，有充足的下沉时间落入污泥区。

所以，当进水高度不一致时，同样vp小于vc的颗粒也可以被沉降去除。

若废水水力停留时间为

，则

由于沉淀池体积V为是流量和水在沉淀池中停留时间的乘积，即

，故沉淀池的出水量与固体颗粒沉降速率之间的关系可以推算为：

定义q为废水在单位时间内通过单位沉淀池表面积的流量，称为废水过流率（溢流率）或沉淀池的表面负荷，由定义可知：

q＝Q/A

而Q=V/td=A*H/td=A*vc

因此，q=A*vc/A＝vc

所以理想沉淀池中水力表面负荷与颗粒最终稳定沉速在数值上是相同的，只是物理意义不同。

实际的沉淀池，如絮体沉降，层状沉降，压缩沉降，均必须在静止的沉淀柱（直径150mm，高3m）中，进行沉淀试验，通过沉降曲线得到沉淀池的有效水深H。

3．4．2斜板和斜管沉淀池

斜板和斜管沉降是浅层沉降设施，它们由叠层的偏置浅槽或各种不同几何形状的小的塑料管组成，目的是提高沉淀池额沉降性能，原理是沉降取决于沉降面积而不是停留时间。

设斜管沉淀池池长为L，池中水平流速为v，颗粒沉速为vp，在理想状态下，L/H＝V/vp。

可见L与V值不变时，池身越浅，可被去除的悬浮物颗粒越小。

若用水平隔板，将H分成3层，每层层深为H/3，在vp与v不变的条件下，只需L/3，就可以将u0的颗粒去除。

也即总容积可减少到原来的1/3。

如果池长不变，由于池深为H/3，则水平流速可增加至3v，仍能将沉速为vp的颗粒除去，也即处理能力提高倍。

同时将沉淀池分成n层就可以把处理能力提高n倍。

这就是20世纪初，哈真（Hazen）提出的浅池理论。

我国在1965年开始进行澄清池分离区加斜板的实验，1968年又在福州水厂做了斜管除沙的试验，1972年第一座生产性的上向流斜管沉淀池正式投入使用。

随着理论研究的不断深入和生产实践的不断总结积累，斜管沉淀技术正在不断发展。

在平流式沉淀池中或在原有平流式沉淀池中加斜板后，效果一般均较普通平流式沉淀池提高3-5倍，因而它在生产实践中取得了较好效果。

特别对离散颗粒的去除效果更为显著。

第四节离心分离

物体高速旋转时会产生离心力场，利用离心力分离废水中杂质的处理方法称为离心分离法。

废水作高速旋转时，由于悬浮固体和水的质量不同，所收的离心力也不相同，质量大悬浮固体被抛向外围，而水在内围，在适当安排的各自出口处，两者得以分离。

废水在高速旋转时，悬浮固体颗粒同时受到两种径向力的作用，即离心力和水对颗粒的向心推力。

设颗粒和同体积的水的质量分别为m和m0，旋转半径为r，角速度为ω，颗粒受到的离心力分别为mω2r和m0ω2r，此时颗粒受到的净离心力C为两者之差，即：

该颗粒在水中所受的净重力（重力减去浮力）为：

若以n表示转速，同时代入式ω＝2πn/60。

用α＝C/F表示离心设备的分离效果。

则α≈rn2/900

α越大，表示分离效果越好，即颗粒受到离心力的作用大于受重力作用的倍数越大，越易趋向离心场外围，与废水的分离越好。

而且，它和离心设备的半径和与转速的平方均成正比，也就是说提高转速和增加分离设备的半径，均能提高分离效果，但一个是设备投资增加，一是电力消耗增大。

第五节过滤

过滤是利用过滤材料分离废水中杂质的一种技术。

根据过滤材料不同，过滤可分为颗粒材料和多孔材料两大类。

5．1颗粒材料过滤

在废水处理中，颗粒材料过滤主要用于经混凝或生物处理后低浓度悬浮物的去除。

由于废水的水质复杂，悬浮物浓度高，粘度大，易堵塞，选择滤料时应注意以下问题：

（1）滤料粒径应当大些。

采用石英砂为滤料时，砂粒直径可取0.5～2.0mm，相应的滤池冲洗强度亦大，可达18～20L/m2·s。

（2）滤料耐蚀性要强些。

滤料耐蚀性的尺度可以用以下方法检测：

用浓度为1％的Na2SO4水溶液，将恒重后滤料浸泡28天，重量减少值以不大于1％为宜。

（3）滤料的机械强度好，成本低。

滤料可采用石英砂、无烟煤、陶粒、大理石、白云石、石榴石、磁铁矿石等颗粒材料及近年开发的纤维球、聚氯乙烯或聚丙烯球等。

由与废水悬浮误浓度较高，为了延长过滤周期，提高滤池的截污量可采用上向流、粗滤料、双层和三层多层滤料滤池；为了延长过滤周期，适应滤池频繁冲洗的要求可用连续流过滤池和脉冲过滤滤池；对含悬浮物浓度低的废水可采用给水处理中常用的压力滤池、移动冲洗罩滤池、无（单）阀滤池。

5．1．1上向流滤池

图13-7上流式滤池工作原理示意图

废水自滤池下部流入，向上流经滤层，从上部流出。

滤料通常采用石英砂，粒径根据进水水质确定，尽量使整个滤层都能发挥截污作用，并使水头损失缓慢上升。

废水处理厂上向流滤池滤料的级配列于表13-2。

表13-2滤池各层粒径和厚度范围

滤料及承托层

上部细砂层

中部细砂层

下部粗砂层

承托层

粒径mm

1～2

2～3

10～16

30～40

厚度mm

1500

300

250

100

上向流滤池的特点：

（1）滤池截污能力强，水头损失小。

污水先通过粗粒的滤层，再通过细滤层，这样能充分地发挥滤层的作用，可延长滤池的运行周期。

（2）配水均匀，易于观察出水水质。

（3）污物被截留在滤池下部，滤料不易冲洗干净。

5．1．2多层滤料滤池

常用的有双层和三层滤料滤池，如图所示。

图13-8双层和多层滤池滤池示意图

无烟煤的密度为1.4~1.6，比石英砂的密度2.6小，要放在上层，而且粒径可以选大些，但无烟煤的孔隙率要大，可截留较多的污染物；下层石英砂的孔隙率较小，但粒径也小，可以进一步截留悬浮物，而且悬浮物可以穿透滤池的深处，能较好地发挥整个滤层的过滤作用。

水头损失增大也缓慢。

如果在双层滤料下面再加一层密度更大、粒度更小的石榴石（密度为4.2），便构成三层滤料滤池。

也可以采用磁铁矿石（4.7~4.8）作为重滤料。

本来多层滤池主要用于饮用水处理，现已推广至废水的深度处理中。

在双层滤料滤池中，要求无烟煤的粒径满足能在其滤层内拦截75％～90％（滤池去除率的百分比）悬浮物。

多层滤料的粒径和厚度见表13-3。

表13-3多层滤料粒径及厚度范围

层数

材料

粒径mm

厚度mm

双层滤料

无烟煤

1.0~1.1

50~77

石英砂

0.45~0.60

25~30

三层滤料

无烟煤

1.0~1.1

45.7~61.0

石英砂

0.45~0.55

24~30

石榴石

0.25~0.4

5.1~10.2

多孔材料滤池

毛纺、化纤、造纸等工业废水中，含有大量1～200mm长的纤维类杂物，这种悬浮细纤维，不能通过格栅去除。

这类污染物会堵塞排水管道、孔洞、缠绕水泵叶轮及其他废水处理设备，需要用筛网或捞毛机去除。

（1）筛网一般由金