第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 第三讲沉淀 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、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 1、定义( definition):由一系列平行的栅条, 2.作用:去除大颗粒悬浮物,保证有序进行 3.分类 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 2.12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 第1页
第 1 页 第三讲 沉淀 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、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 1、定义（definition）:由一系列平行的栅条， 2．作用：去除大颗粒悬浮物，保证有序进行。 3．分类： 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 2.1.2 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：
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 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0.6-09m 工作原理:水平运动,旋流运动 ·设计:同沉淀池 22沉淀(混凝、澄清和过滤部分自学) 原理 利用颗粒与水的密度之差,比重>1,下沉 比重<1,上浮 沉淀工艺简单,应用极为广泛,主要用于去除100um以上的颗粒 给水处理一一混凝沉淀,高浊预沉 废水处理一一沉砂池(去除无机物) 初沉池(去除悬浮有机物) 二沉池(活性污泥与水分离) 、分类★ 自由沉淀:离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 (沉砂池、初沉池前期) 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) 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) 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 ★自由沉淀 (discrete particle settlin) 一、颗粒沉速公式( Stokes law) 假设沉淀的颗粒是球形 所受到的重力为F1=1/6πd3(pp-p)g 所受到的水的阻力F2=CDp1u2/2.(d2/4) CD与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关 平衡时:F1=F2 可得到沉速 rminal velocity)t算公式(对球形颗粒)n=1gPd P 对于非球形颗 第2页
第 2 页 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： 同沉淀池 2.2 沉淀（混凝、澄清和过滤部分自学） 一、原理 利用颗粒与水的密度之差，比重>1，下沉 比重<1，上浮 沉淀工艺简单，应用极为广泛，主要用于去除 100um 以上的颗粒 给水处理――混凝沉淀，高浊预沉 废水处理――沉砂池（去除无机物） 初沉池（去除悬浮有机物） 二沉池（活性污泥与水分离） 二、分类★ 自由沉淀：离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 （沉砂池、初沉池前期） 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） 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） 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。 ★自由沉淀(discrete particle settling) 一、颗粒沉速公式（Stokes’law） 假设沉淀的颗粒是球形 所受到的重力为 F1= 1/6 d 3 (p - l ) g 所受到的水的阻力 F2=CD l u 2 /2. （ d 2 /4） CD 与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 平衡时：F1＝F2 可得到沉速(terminal velocity)计算公式（对球形颗粒）： 对于非球形颗粒： d C g u l p l D − = 3 4 d C g u l p l D − = 3 4
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 φ:形状系数 CD与Re有关 Re<1. Cp=24/Re u:水的动力粘度,Pas 该公式难以反映实际,因为实际中颗粒大小不一,不是球形 但可以了解u的影响因素 此外,一般d难以测定,在层流区,颗粒太小。可以通过测定u,算出d(注 意是名义上的)。 2 031010-11010-10-1010310 雷诺数Re 颗粒沉淀实验 ooO t-t 1.在t时,从底部取样,测定Ci 2.计算 ti→ui=h/ti Ci→pi=CiCo pi:沉速小于u的颗粒占全部颗粒的比重 3.p-u曲线(颗粒粒度分布曲线) Lh/ 第3页
第 3 页 ：形状系数 CD 与 Re 有关。 Re<1, CD= 24/Re ：水的动力粘度，Pa s 该公式难以反映实际，因为实际中颗粒大小不一，不是球形。 但可以了解 u 的影响因素。 此外，一般 d 难以测定，在层流区，颗粒太小。可以通过测定 u，算出 d（注 意是名义上的）。 二、颗粒沉淀实验 1. 在 ti 时，从底部取样，测定 Ci 2. 计算 ti ui = h/ti Ci pi = Ci/C0 pi：沉速小于 ui 的颗粒占全部颗粒的比重 3. p－u 曲线（颗粒粒度分布曲线） 2 18 1 u gd p l − = t=0 t=ti h p u=h/t
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 4颗粒去除率 在to时,uuo的颗粒全部去除 u<uo的颗粒部分去除 hi/h=unto/uoto)=u/uc P=(1-p0)+l/0v中 通过实验可绘制以下曲线: E+t曲线 u曲线(与水深无关) 中部取样法 P=(Co-C)Co*100% 三、理想沉淀池 假设: 1.颗粒为自由沉淀 2.水流水平流动,在过水断面上,各点流速相等。 3.颗粒到底就被去除。 出水区 图164理想沉淀池工作状况 水平流速v=Q/(hoB)B:池宽 考察顶点,流线I:正好有一个沉降速度为u的颗粒从池顶沉淀到池底,称为 截留速度 u≥u的颗粒可以全部去除 第4页
第 4 页 4.颗粒去除率 在 t0 时， uu0 的颗粒全部去除 u<u0 的颗粒部分去除 hi/h = uit0/(u0t0) = u/u0 通过实验可绘制以下曲线： E-t 曲线 E－u 曲线（与水深无关） 中部取样法： P= (C0-C)/C0 *100% 三、理想沉淀池 假设： 1．颗粒为自由沉淀 2．水流水平流动，在过水断面上，各点流速相等。 3．颗粒到底就被去除。 水平流速 v=Q/(h0 B) B: 池宽 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。 uu0 的颗粒可以全部去除 = − + 0 0 (1 0) 1/ 0 p P p u uidpi
第二炮兵工程学院《环境工程学》教案 u<u的颗粒只能部分去除 去除率为E=uiuo=u/Q/A) q=QA=u0表面负荷或溢流率 对于颗粒沉速小于uo的颗粒来讲,去除率为 E=ui/uo=U/Q/A) 由上式可知,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。( Hazen理论,1904年) 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池 从上式反映以下两个问题 1)E一定,山越大,表面负荷越大,或q不变但E增大。u与混凝效果有关 应重视加强混凝工艺 2)山一定,增大A,可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时,增加A, 可以降低水深一-“浅层理论”。 斜管斜板沉淀理论(浅层理论) 斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理设计的新型沉淀池。与普通沉淀池比 较,它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点, 设有一理想沉淀池,其沉降区的长、宽、深分别为T L、B和H,表面积为A,处理水量为Q,表面负荷为q,于 在A一定的条件下,若增大Q,则山成正比增大,从而 使u≥uo的颗粒所占分率(1-p)和uu的颗粒中能被 去除的分率uuo都减小,总沉降效率Er相应降低;反之 要提高沉降效率,则必须减小u,结果Q成正比减小。 图24浅层沉降原理示意 以上分析说明,在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾,二者之 间呈此长彼落的负相关系。 但是,如果象图24那样,将沉降区高度分隔为n层,即n个高度为h=H/n 的浅层沉降单元,那么在Q不变的条件下,颗粒的沉降深度由H减小到H/h, 可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的u≥u扩大到u≥uo/n,沉速u<uo的颗粒中 能被除去的分率也由uu增大到nu/u,从而使Er值大幅度提高;反之,在Er 值不变,即沉速为u的颗粒在下沉了距离h后恰好运动到浅层的右下端点,那 么由un/v=hL和h=H/n可得v=nv,即n个浅层的处理水量Q=HBnv=nQ,比 原来增大了n倍。显然,分隔的浅层数愈多,Er值提高愈多或Q值增加愈多 絮凝沉淀 occulent settling) 特点 在沉淀过程中,颗粒变大,沉淀变大 悬浮物的去除率不仅与沉速有关,而且与深度,时间有关。 无理论描述公式,只能通过沉淀实验预测沉淀效果。 拥挤沉淀( Hindered(Zone) settling 第5页
第 5 页 u<u0 的颗粒只能部分去除 去除率为 E＝ui/u0 = ui/(Q/A) q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率 对于颗粒沉速小于 uo 的颗粒来讲，去除率为 E＝ui/uo = ui/(Q/A) 由上式可知，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。 (Hazen 理论,1904 年） 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题： 1）E 一定，ui 越大，表面负荷越大，或 q 不变但 E 增大。ui 与混凝效果有关， 应重视加强混凝工艺。 2）ui 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――“浅层理论”。 斜管斜板沉淀理论（浅层理论） 斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理设计的新型沉淀池。与普通沉淀池比 较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。 设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为 L、B 和 H，表面积为 A，处理水量为 Q，表面负荷为 q， 颗粒沉速为 uo，则由公式 2-11，可得 Q=uoA。由此可见， 在 A 一定的条件下，若增大 Q，则 uo 成正比增大，从而 使 u uo 的颗粒所占分率（1－po）和 u<uo 的颗粒中能被 去除的分率 u/uo 都减小，总沉降效率 ET 相应降低；反之， 要提高沉降效率，则必须减小 uo，结果 Q 成正比减小。 以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之 间呈此长彼落的负相关系。 但是，如果象图 2.4 那样，将沉降区高度分隔为 n 层，即 n 个高度为 h=H/n 的浅层沉降单元，那么在 Q 不变的条件下，颗粒的沉降深度由 H 减小到 H/n， 可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的 u uo 扩大到 u uo/n，沉速 u<uo 的颗粒中 能被除去的分率也由 u/uo 增大到 nu/uo，从而使 ET 值大幅度提高；反之，在 ET 值不变，即沉速为 uo 的颗粒在下沉了距离 h 后恰好运动到浅层的右下端点，那 么由 uo v = h L , 和 h = H n 可得 v´=nv，即 n 个浅层的处理水量 Q´=HBnv=nQ，比 原来增大了 n 倍。显然，分隔的浅层数愈多，ET 值提高愈多或 Q´值增加愈多。 絮凝沉淀(flocculent settling) 特点: 在沉淀过程中，颗粒变大，沉淀变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关，而且与深度，时间有关。 无理论描述公式，只能通过沉淀实验预测沉淀效果。 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling) 图 2.4 浅层沉降原理示意