第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 第2章水的物理化学处理方法(4学时) 本章教学内容: 粗大颗粒物质的去除,悬浮物质和胶体物质的去除,溶解物质的去除,消毒 本章教学要求 (1)了解物化处理的主要方法,掌握粗大颗粒去除的原理,掌握悬浮物质和胶 体物质去除的基本原理和常用方法; (2)了解溶解物质的处理方法,掌握几种重要方法的去除机理,掌握消毒原理 熟悉常用的几种消毒方法 (3)了解水的其他物理化学处理方法 本章教学重点: 格柵、沉砂池、沉淀与混凝、软化、消毒 本章习题:P2001,7,9,18,30 2.1粗大颗粒物的去粗 格栅:去除污水中悬浮物,保证泵正常的工作,减轻提升水位,对于减少土 方的开挖量有效。 设施:截流构筑物。截流构筑物的种类如:格栅,筛网,滤池。 重力分离—沉砂池,沉淀池,隔油池 2.1.1格栅 、格栅的作用与分类: 1、定义( definition):由一系列平行的栅条,2.去除大颗粒悬浮物,3.保证有 序进行 按形状分为:(1)平面格栅(2)曲面格栅 格栅按照间距来分:粗格栅;中格栅;细格栅 按清渣的方式来分: 人工清渣:W≤0.2m3ld;可采用人工清渣,安装角度为30°-45° 机械清渣:分为(1)固定式(2)活动式(3)回转耙式 2格栅的安装 平面格栅的有关参数:L,B,S,e,b 组成:栅条和框架 型号:PGAL×B-e 二、设计格栅的步骤 设计尺寸:清渣方式;栅渣量计算 1、格栅尺寸的设计 (1)计算栅间隙数量 (2)格栅宽度的设计 (3)水头损失的计算 第1页
第 1 页 第 2 章 水的物理化学处理方法（4 学时） 本章教学内容： 粗大颗粒物质的去除，悬浮物质和胶体物质的去除，溶解物质的去除，消毒 本章教学要求： （1）了解物化处理的主要方法，掌握粗大颗粒去除的原理，掌握悬浮物质和胶 体物质去除的基本原理和常用方法； （2）了解溶解物质的处理方法，掌握几种重要方法的去除机理，掌握消毒原理， 熟悉常用的几种消毒方法； （3）了解水的其他物理化学处理方法。 本章教学重点： 格柵、沉砂池、沉淀与混凝、软化、消毒 本章习题: P200 1, 7, 9, 18，30 2.1 粗大颗粒物的去粗 格栅：去除污水中悬浮物，保证泵正常的工作，减轻提升水位，对于减少土 方的开挖量有效。 设施：截流构筑物。截流构筑物的种类如：格栅，筛网，滤池。 重力分离 ——沉砂池，沉淀池，隔油池 2.１.1 格栅 一、格栅的作用与分类： 1、定义（definition）:由一系列平行的栅条，2．去除大颗粒悬浮物，3．保证有 序进行。 按形状分为：(1)平面格栅（2）曲面格栅 格栅按照间距来分：粗格栅；中格栅；细格栅 按清渣的方式来分： 人工清渣：W≤ 0.2m3 /d；可采用人工清渣，安装角度为 30°－45° 机械清渣：分为 （1）固定式 （2）活动式（3）回转耙式 2.格栅的安装 平面格栅的有关参数： L , B ,S, e, b 组成：栅条和框架 型号： PGA-L×B-e 二、设计格栅的步骤： 设计尺寸；清渣方式；栅渣量计算 1、格栅尺寸的设计 （１）计算栅间隙数量 （２）格栅宽度的设计 （３）水头损失的计算
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 (4)栅槽总高度的计算 (5)栅槽总长度的计算 (6)栅渣量的计算 2.12沉砂池 作用:去除无机砂,并非有机砂 分类:(1)平流式沉砂池(2)曝气沉砂池(3)多尔沉砂池(4)钟式沉砂池 ·平流沉砂池 1、构造见课本71页 2、平流沉沙池的优点与缺点 优点:平流沉沙池的适应性强,效果稳定 缺点:占地面积大,沉沙池中含有15%的有机物,为后续处理增加困难。 曝气沉砂池 50年代以后,主要以曝气沉沙池为主,优点为 特点:①沉砂中有机物含量小于5% ②具有预曝气、除臭、防止厌氧分解,除泡和加速分离作用 构造和工作原理 ·构造:①形状:矩形②有I=0.1-0.5坡度,坡向集砂槽③集砂槽侧有曝 气装置,距池底06-0.9m 工作原理:水平运动,旋流运动 设计: 设计参数①水平流速V:0.06-0.12m/s一般取0.1m/s 旋流流速0.25-0.3m/s ②停留时间1-3min ③有效水深2-3m宽深比1-1.5长宽比<0.1m/s ④曝气量0.1-0.2m3空气m3污水 ⑤曝气装置距池底距离0.6-0.9m 计算公式P73 ①②③④⑤ ⑥池总高度Ho=hl+H+h2+h3 超高0.3m有效水深 h2→沉砂槽高度06~1.0m ⑦核算tmax=V(60Qmax)3min 第2页
第 2 页 （４）栅槽总高度的计算 （５）栅槽总长度的计算 （６）栅渣量的计算 2.1.2 沉砂池 作用：去除无机砂，并非有机砂。 分类：（ 1）平流式沉砂池（2）曝气沉砂池（3）多尔沉砂池（4）钟式沉砂池 • 平流沉砂池 1、构造见课本 71 页 2、平流沉沙池的优点与缺点： 优点：平流沉沙池的适应性强，效果稳定 缺点：占地面积大，沉沙池中含有 15%的有机物，为后续处理增加困难。 • 曝气沉砂池 50 年代以后，主要以曝气沉沙池为主，优点为： 特点：①沉砂中有机物含量小于 5% ②具有预曝气、除臭、防止厌氧分解，除泡和加速分离作用 构造和工作原理 • 构造：①形状：矩形 ②有 I＝0.1－0.5 坡度，坡向集砂槽 ③集砂槽侧有曝 气装置，距池底 0.6－ 0.9m • 工作原理：水平运动，旋流运动 • 设计： • 设计参数 ①水平流速 V：0.06－ 0.12m /s 一般取 0.1m /s 旋流流速 0.25－ 0.3m /s ②停留时间 1－3min ③有效水深 2－3m 宽深比 1－1.5 长宽比≤ 0.1m /s ④曝气量 0.1－ 0.2m 3 空气 /m 3 污水 ⑤曝气装置距池底距离 0.6－0.9m 计算公式 P73 ①②③④⑤ ⑥池总高度 H 0 ＝h 1 + H+ h 2 + h 3 ↓ ↓ 超高 0.3m 有效水深 h 2 →沉砂槽高度 0.6~ 1.0m ⑦核算 t max =V/(60Q max )≤3min
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 22悬浮物质和胶体物质的去除(混凝、澄清和过滤部分自学) 2.2.1基础理论 (1)单个颗粒在水中的沉降 单个颗粒在稀悬浮液中的沉淀,不受周围颗粒的影响,其沉降速度仅仅是液 体性质及颗粒本身特性的函数。任何一个静水中的固体颗粒,都受到两种基本力 的作用,即重力Fg和浮力Ff。颗粒在水中的合力F为这两种力之差,即: F=F-F=Vg(Pp -p1) 式中:Vp-—颗粒体积 pp和pl—分别为颗粒和水的密度; 重力加速度 当ρp>p1时,FgFf,颗粒在合力F的作用下作加速下沉运动。这时,颗粒 便受到第三种力,即水的阻力的作用。根据因次分析和实验验证,阻力Fd可按 下式计算: Fa=cap (2-2) 式中:Cd一牛顿无因次阻力系数; Ap-—颗粒在垂直于运动方向上的投影面积; 颗粒的沉降速度。 因次某一短时间后,图方F不交增组与即相江衡01=单此 时颗粒的加速度为零,沉速为常数。由此可以得到自由沉降的沉降速度表达式为: 2g(p-P1) 设颗粒是直径为d的球形颗粒,则有43,带入公式2-3,可以得到 4g(p 公式2-4称为牛顿定律,u称为单个颗粒的稳定沉降速度或最终沉降速度。 阻力系数Cd是颗粒沉降时周围液体绕流的雷诺数Re的函数,二者的关系如 图2.1所示。根据雷诺数的大小,流态分为层流区( Stokes区,斯托克斯区)、 过渡区(Aln区,艾伦区)和紊流区( Newton区,牛顿区)三个区域。在层流 区和紊流区,阻力系数Cd和雷诺数Re呈线性关系: Stokes区(Re≤2):Cd=24/Re Newton区(500<Re≤105):Cd=04 在过渡区则呈指数函数关系 Allen区(2<Re≤500):Cd=10/Re0.5 第3页
第 3 页 2.2 悬浮物质和胶体物质的去除（混凝、澄清和过滤部分自学） 2.2.1 基础理论 （1）单个颗粒在水中的沉降 单个颗粒在稀悬浮液中的沉淀，不受周围颗粒的影响，其沉降速度仅仅是液 体性质及颗粒本身特性的函数。任何一个静水中的固体颗粒，都受到两种基本力 的作用，即重力 Fg 和浮力 Ff。颗粒在水中的合力 F 为这两种力之差，即： F F F V g( ) = g − f = p p − l (2-1) 式中：Vp——颗粒体积； ρp 和ρl——分别为颗粒和水的密度； g——重力加速度。 当ρp>ρl 时，Fg>Ff，颗粒在合力 F 的作用下作加速下沉运动。这时，颗粒 便受到第三种力，即水的阻力的作用。根据因次分析和实验验证，阻力 Fd 可按 下式计算： ) 2 ( 2 u F C A l d d p = (2-2) 式中：Cd——牛顿无因次阻力系数； Ap——颗粒在垂直于运动方向上的投影面积； u ——颗粒的沉降速度。 颗粒在下沉运动过程中，净重 F 不变，而阻力 Fd 则随沉速 u 的平方增大。 因次，经过某一短暂时间后，阻力 Fd 会增加到与净重 F 相平衡，即 Fd＝F。此 时颗粒的加速度为零，沉速为常数。由此可以得到自由沉降的沉降速度表达式为： 2 1 2 ( ) − = p p d l p l A V C g u (2-3) 设颗粒是直径为 d 的球形颗粒，则有 3 2d A V p p = ，带入公式 2-3，可以得到： 2 1 3 4 ( ) − = d l p l C g d u (2-4) 公式 2-4 称为牛顿定律，u 称为单个颗粒的稳定沉降速度或最终沉降速度。 阻力系数 Cd 是颗粒沉降时周围液体绕流的雷诺数 Re 的函数，二者的关系如 图 2.1 所示。根据雷诺数的大小，流态分为层流区（Stokes 区，斯托克斯区）、 过渡区（Allen 区，艾伦区）和紊流区（Newton 区，牛顿区）三个区域。在层流 区和紊流区，阻力系数 Cd 和雷诺数 Re 呈线性关系： Stokes 区（Re≤2）：Cd=24/Re Newton 区（500<Re≤105）： Cd=0.4 在过渡区则呈指数函数关系： Allen 区（2<Re≤500）： Cd=10/Re0.5
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 另外,雷诺数R=d/H。将雷诺数Re以及上述不同流态下的阻力系数Cd 带入公式5-4,即可得到固体颗粒在三种流态区域的稳定沉降速度表达式: 在Re≤2的层流区域, 8(P-P) 18 (2-5) 在2<Re≤500的过渡区域, 8(P-Pu) (2-6) 在500<Re≤105的紊流区域, P 公式2-5、26、2-7分别称为斯托克斯公式、艾伦公式以及牛顿公式。 素流区 =24/Re 圆柱体 Stokes定 010-10-210-410°10410210310410 图21阻力系数与雷诺数之间的关系 图22理想平流沉淀池示意图 (2)理想沉淀池 为了分析悬浮颗粒在沉淀池内的运动规律和沉淀效果,提出了理想沉淀池概 念。理想沉淀池的假定条件是: I)水在池内沿水平方向作等速流动,水平流速为ⅴ,从入口到出口的流动 时间为t。 2)在流入区,颗粒沿截面均匀分布并处于自由沉淀状态,颗粒的水平分速 等于水平流速v。 3)颗粒沉到池底即认为被去除。 图22是理想平流沉淀池示意图。理想沉淀池分为流入区、流出区、沉淀区 和污泥区。从点A进入的颗粒,它们的运动轨迹是水平流速ⅴ和颗粒沉速u的 矢量和。这些颗粒中,必存在着某一粒径的颗粒,其沉速为υo,刚巧能沉至池 底。故可得关系式: H 式中:uo——颗粒沉速; 第4页
第 4 页 另外，雷诺数 Re = dul 。将雷诺数 Re 以及上述不同流态下的阻力系数 Cd 带入公式 5-4，即可得到固体颗粒在三种流态区域的稳定沉降速度表达式： 在 Re≤2 的层流区域， 2 18 ( ) d g u p l − = (2-5) 在 2<Re≤500 的过渡区域， d g u l p l 1 3 2 2 ( ) 0.26 − = (2-6) 在 500<Re≤105 的紊流区域， 1 2 1 2 ( ) 1.82 d g u l p l − = (2-7) 公式 2-5、2-6、2-7 分别称为斯托克斯公式、艾伦公式以及牛顿公式。 图 5-1 阻力系数与雷诺数之间的关系 图 5-2 理想平流沉淀池示意图 图 2.1 阻力系数与雷诺数之间的关系 图 2.2 理想平流沉淀池示意图 （2） 理想沉淀池 为了分析悬浮颗粒在沉淀池内的运动规律和沉淀效果，提出了理想沉淀池概 念。理想沉淀池的假定条件是： 1) 水在池内沿水平方向作等速流动，水平流速为 v，从入口到出口的流动 时间为 t。 2) 在流入区，颗粒沿截面均匀分布并处于自由沉淀状态，颗粒的水平分速 等于水平流速 v。 3) 颗粒沉到池底即认为被去除。 图 2.2 是理想平流沉淀池示意图。理想沉淀池分为流入区、流出区、沉淀区 和污泥区。从点 A 进入的颗粒，它们的运动轨迹是水平流速 v 和颗粒沉速 u 的 矢量和。这些颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为 uo，刚巧能沉至池 底。故可得关系式： L H v uo = L H u v o = (2-8) 式中：uo——颗粒沉速；
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 一一污水的水平流速,即颗粒的水平分速; H—一沉淀区水深 L一一沉淀区长度 从图22可知,沉速ut≥uo的颗粒,都可在D点前沉淀掉,可见轨迹I所代 表的颗粒。沉速ut<uo的那些颗粒,视其在流入区所处在的位置而定,若处在靠 近水面处,则不能被去除,见轨迹Ⅱ实线所代表的颗粒;同样的颗粒若处在靠近 池底的位置,就能被去除,见轨迹Ⅱ虚线所代表的颗粒。若沉速ut<uo的颗粒的 重量,占全部颗粒重量的dP%,可被沉淀去除的量应为hdP因h-m,hl, 所以=吃,mP=方,积分得P=uP。可见,沉速小于0的颗粒 被沉淀去除的量为uP。理想沉淀池总去除量为:(1-P)+udP,P为 沉速小于u的颗粒占全部悬浮颗粒的重量百分数。用去除率表示,可改写为 100 如果处理水量为Q(m3/s),沉淀池的宽度为B,水面面积为A=BL(m2),故颗 粒在池内的沉淀时间为: H 而沉淀池的容积为:V=Q=HBL,因Q==2B=An,所以 g的物理意义是:在单位时间内通过 荷 溢流率,量纲是m}m3或mm,也可 简化为m/s和m/h。表面负荷的数值等于 颗粒沉速。若需要去除的颗粒的沉速uo 水 确定后,则沉淀池的表面负荷q值同时被∠ 确定。 疏水性颗粒 亲水性颗粒 (3)气浮理论 气浮法是固一一液分离或液一一液分 离的一种方法,它是通过某种方式产生大 量的微气泡,使其与废水中密度接近于水 的固体或液体微粒粘附,形成密度小于水 的气浮体,在浮力的作用下,上浮至水面, 被水润 进行固一一液或液一一液分离 被水润湿的面积 湿的面积 实现气浮法的必要条件有两个:第一, 图23不同悬浮颗粒与水的润湿 必须向水中提供足够数量的微细气泡,气 泡理想尺寸为15~30μum:第二,必须使目的物呈悬浮状态或具有疏水性性质, 第5页
第 5 页 v——污水的水平流速，即颗粒的水平分速； H——沉淀区水深； L——沉淀区长度。 从图 2.2 可知，沉速 ut uo 的颗粒，都可在 D 点前沉淀掉，可见轨迹Ⅰ所代 表的颗粒。沉速 ut<uo 的那些颗粒，视其在流入区所处在的位置而定，若处在靠 近水面处，则不能被去除，见轨迹Ⅱ实线所代表的颗粒；同样的颗粒若处在靠近 池底的位置，就能被去除，见轨迹Ⅱ虚线所代表的颗粒。若沉速 ut<uo 的颗粒的 重量，占全部颗粒重量的 dP%，可被沉淀去除的量应为 dP%, H h 因 h=utt，H= uot， 所以 t uo H u h = ， dP H h dP u u o t = ，积分得 u dP u dP u u p t o p t = 0 0 0 0 0 1 。可见，沉速小于 u0 的颗粒 被沉淀去除的量为 u dP u po o t 1 。理想沉淀池总去除量为：（1－Po）+ u dP u po o t o 1 ，Po 为 沉速小于 uo 的颗粒占全部悬浮颗粒的重量百分数。用去除率表示，可改写为： u dP u P po o t o o = − + 100 100(1 ) (2-9) 如果处理水量为 Q(m3 /s)，沉淀池的宽度为 B，水面面积为 A=BL(m2)，故颗 粒在池内的沉淀时间为： t= uo H v L = (2-10) 而沉淀池的容积为：V=Qt=HBL，因 Q= Auo t HBL t V = = ，所以 u q A Q = o = (2-11) A Q 的物理意义是：在单位时间内通过 沉淀池单位面积的流量，称为表面负荷或 溢流率，量纲是 m3 /m2 s 或 m3 /m2h，也可 简化为 m/s 和 m/h。表面负荷的数值等于 颗粒沉速。若需要去除的颗粒的沉速 uo 确定后，则沉淀池的表面负荷 q 值同时被 确定。 （3）气浮理论 气浮法是固——液分离或液——液分 离的一种方法，它是通过某种方式产生大 量的微气泡，使其与废水中密度接近于水 的固体或液体微粒粘附，形成密度小于水 的气浮体，在浮力的作用下，上浮至水面， 进行固——液或液——液分离。 实现气浮法的必要条件有两个：第一， 必须向水中提供足够数量的微细气泡，气 泡理想尺寸为 15~30µm；第二，必须使目的物呈悬浮状态或具有疏水性性质， 图 2.3 不同悬浮颗粒与水的润湿 θ θ 水 颗粒 被水润 湿的面积 被水润湿的面积 σL•G σL•S σL•G σL•S 颗粒 σG•S σG•S 气泡 θ 气 气 气 气 颗粒 疏水性颗粒 σL• G σL• S σG• S 气 气 气 σL• G σS• G σL• S θ 颗粒 亲水性颗粒 水 图 3-6 不同悬浮颗粒与水的润湿