环境工程概论 对于合流制排水系统,除估算生活污水和工业废水流量外,还需要估算雨水设计 流量。雨水设计流量的确定涉及到许多复杂因素,包括当地的降雨量、暴雨特征、地 形地貌、设计标准等等。如式3-5是小汇水面积上典型的雨水设计流量公式 167A1.W(1+ClgP) (L/s)(3-5 (t1+mt2+b) 式中:Q一雨水设计流量(/s) 一汇水面积的径流系数 q一设计暴雨强度(Lsha) F一设计汇水面积ha) P一暴雨强度设计重现期(年) t—设计降雨历时(min) t一雨水在上游沟渠内累积流行时间(min) m一延缓系数 A1、C、b、n为地方性经验系数 第三节水处理工程概论 一、水的物理处理方法和设备 水的物理处理方法借助物理学原理,对水中污染物主要起分离作用,处理过程中并 没有改变污染物的化学性质和赋存形态。 水的物理处理方法主要有:筛滤和阻留、重力沉降、浮选、离心。相应的处理设备 或单体构筑物有:格栅或筛网、沉淀池或沉砂池、浮选池或气浮池、离心机。 1,筛滤和阻留 废水中往往含有大量的悬浮物,在废水处理过程中也会形成大量的絮体或污泥,采 用合适的处理方法与设备对这些悬浮物进行有效的分离不仅是废水处理本身的需要(降低 污染物浓度),也是防止废水处理设备和管道发生磨损、堵塞的根本需要 废水的筛滤和阻留就是采用多孔介质(格栅、网、纤维织物)和颗粒床层对水中所含的 悬浮物或污泥絮体进行分离的一种物理处理方法。水的筛滤和阻留方法在水处理中被广 泛使用:给水处理中采用木制格栅阻留水源地原水中的大块悬浮物浮游植物、垃圾以及 鱼虾等);城市污水处理厂在泵站和沉砂池前设置各种规格的格栅以去除大块悬浮物并保 护污水泵和防止管道堵塞;屠宰厂和造纸厂废水处理中在沉淀池前使用金属筛网对废水 中毛发和纤维进行有效分离,并回收毛发与纸浆纤维;给水和废水处理后期常采用砂滤 池对水质进行深度净化等。另外,工业废水的处理中使用微孔管进行固液分离也是筛滤 和阻留的应用
环境工程概论 17 对于合流制排水系统，除估算生活污水和工业废水流量外，还需要估算雨水设计 流量。雨水设计流量的确定涉及到许多复杂因素，包括当地的降雨量、暴雨特征、地 形地貌、设计标准等等。如式 3－5 是小汇水面积上典型的雨水设计流量公式。 Q5 = 167A1.Ψ(1＋ClgP) (L/s) (3－5) (t1＋mt2＋b)n 式中：Q5－雨水设计流量(L/s) Ψ－汇水面积的径流系数 q－设计暴雨强度(L/s.ha) F－设计汇水面积(ha) P－暴雨强度设计重现期(年 ) t1－设计降雨历时(min) t2－雨水在上游沟渠内累积流行时间(min) m－延缓系数 A1、C、b、n 为地方性经验系数 第三节 水处理工程概论 一、水的物理处理方法和设备 水的物理处理方法借助物理学原理，对水中污染物主要起分离作用，处理过程中并 没有改变污染物的化学性质和赋存形态。 水的物理处理方法主要有：筛滤和阻留、重力沉降、浮选、离心。相应的处理设备 或单体构筑物有：格栅或筛网、沉淀池或沉砂池、浮选池或气浮池、离心机。 1，筛滤和阻留 废水中往往含有大量的悬浮物，在废水处理过程中也会形成大量的絮体或污泥，采 用合适的处理方法与设备对这些悬浮物进行有效的分离不仅是废水处理本身的需要(降低 污染物浓度)，也是防止废水处理设备和管道发生磨损、堵塞的根本需要。 废水的筛滤和阻留就是采用多孔介质(格栅、网、纤维织物)和颗粒床层对水中所含的 悬浮物或污泥絮体进行分离的一种物理处理方法。水的筛滤和阻留方法在水处理中被广 泛使用：给水处理中采用木制格栅阻留水源地原水中的大块悬浮物(浮游植物、垃圾以及 鱼虾等)；城市污水处理厂在泵站和沉砂池前设置各种规格的格栅以去除大块悬浮物并保 护污水泵和防止管道堵塞；屠宰厂和造纸厂废水处理中在沉淀池前使用金属筛网对废水 中毛发和纤维进行有效分离，并回收毛发与纸浆纤维；给水和废水处理后期常采用砂滤 池对水质进行深度净化等。另外，工业废水的处理中使用微孔管进行固液分离也是筛滤 和阻留的应用
图3-5筛滤和阻留设备示意图 (a)双向流金属筛网旋转细格栅 XGS双向流旋转细格栅 进水滥 固体物 出水槽 滤出液 (b)普通砂滤池 冲洗水干 (c)机械格栅
环境工程概论 18 图 3－5 筛滤和阻留设备示意图 (a)双向流金属筛网旋转细格栅 (b)普通砂滤池 (c)机械格栅
环境工程概论 在城市污水处理中,最常用的筛滤、阻留设备是格栅。按照格栅的淸渣方式,格栅 分为人工格栅和机械格栅两种。人工格栅一般应用在废水量较小、清污工作量不大的场 合,大中型污水处理厂一般均使用机械格栅 在水处理中,格栅型式的选择至关重要。按照格栅栅条间距大小,通常将格栅分为 粗格栅和细格栅两种基本类别。依据水处理工艺流程,格栅一般按照先粗、后细的原则 进行设置。格栅栅条间距依据原废水水质来确定,冋时也就决定了处理效果。分离后的 栅渣含水率为80%左右,容重约为960kgm3。城市污水处理中产生的栅渣含有较多有机 物质,容易腐化,必须及时收集和妥善处置。 2,重力沉降 重力沉降又称为沉淀,其本质是水中固体颗粒在重力的作用下通过沉降逐渐改变了 原有的位置而沉到水底,从水中分离出来 (1)水中单个颗粒的沉降过程分析 单个固体颗粒在水中受到三个力的作用:重力Fg、浮力Fb和粘性阻力Fd。由于固体 颗粒密度ρs和水密度ρL的不同,在合力的作用下,颗粒向下作加速运动,而随着速度 的增加,Fd也相应增加,直到最后三力平衡,此时颗粒将作匀速运动 Fg=Fb+Fd=p s Vg (3-6) F=MA.(pL.u32/2) (3-8 PsV.g-pLVg=AA( pL.u,/2) 式中:卩s一颗粒密度 pL-水的密度 V一颗粒的体积 A一颗粒的水平投影面积 G一重力加速度 阻力系数 u3一颗粒在水中的运动速度 在沉淀设备中,流体的雷诺数(Re)很低,流体基本处于层流状态,在这种情况下,用 CD=24R代入牛顿方程,便得到了 Stokes公式: d g(ps-pL) (L/s)(3-10) 式中:V颗粒沉淀速度(m/s) d一颗粒直径(mm) u-水的动力粘度 式3-10是表示单个球形颗粒在水中的沉速与一些因素关系的数学式,长期以来都
环境工程概论 19 在城市污水处理中，最常用的筛滤、阻留设备是格栅。按照格栅的清渣方式，格栅 分为人工格栅和机械格栅两种。人工格栅一般应用在废水量较小、清污工作量不大的场 合，大中型污水处理厂一般均使用机械格栅。 在水处理中，格栅型式的选择至关重要。按照格栅栅条间距大小，通常将格栅分为 粗格栅和细格栅两种基本类别。依据水处理工艺流程，格栅一般按照先粗、后细的原则 进行设置。格栅栅条间距依据原废水水质来确定，同时也就决定了处理效果。分离后的 栅渣含水率为 80％左右，容重约为 960 kg/m3。城市污水处理中产生的栅渣含有较多有机 物质，容易腐化，必须及时收集和妥善处置。 2，重力沉降 重力沉降又称为沉淀，其本质是水中固体颗粒在重力的作用下通过沉降逐渐改变了 原有的位置而沉到水底，从水中分离出来。 (1)水中单个颗粒的沉降过程分析 单个固体颗粒在水中受到三个力的作用：重力 Fg、浮力 Fb 和粘性阻力 Fd。由于固体 颗粒密度ρs 和水密度ρL 的不同，在合力的作用下，颗粒向下作加速运动，而随着速度 的增加，Fd 也相应增加，直到最后三力平衡，此时颗粒将作匀速运动： Fg＝Fb＋Fd=ρs.V.g (3－6) Fb＝ρL.V.g (3－7) Fd＝λ’.A.( ρL.us 2 /2) (3－8) ρs.V.g－ρL.V.g＝λ’.A.( ρL.us 2 /2) (3－9) 式中： ρs－颗粒密度 ρL－水的密度 V－颗粒的体积 A－颗粒的水平投影面积 G－重力加速度 λ’－阻力系数 us －颗粒在水中的运动速度 在沉淀设备中，流体的雷诺数(Re)很低，流体基本处于层流状态，在这种情况下，用 CD＝24/Re代入牛顿方程，便得到了 Stokes 公式： v = d 2 .g(ρs－ρL) (L/s) (3－10) 18µ 式中： v－颗粒沉淀速度(m/s) d－颗粒直径(mm) µ－水的动力粘度 式 3－10 是表示单个球形颗粒在水中的沉速与一些因素关系的数学式，长期以来都
环境工程概论 作为固体颗粒在水中沉降的基本公式。但是,它包含有不可克服的局限性:如对颗粒的 一系列理想假定,废水中含有的固体颗粒是在大小、形状、密度等方面都不相同的颗粒 群,上述公式的推导条件和废水的实际情况之间存在一定差距。 Stokes公式表明,影响颗粒分离的首要条件是颗粒与水的密度差:当ρs<ρL时,ⅴ 将为负值,即颗粒将上浮,ⅴ为上浮速度。因此,沉淀理论在原则上对上浮过程也是适用 的。当ρs=ρL时,ⅴ=0,亦即颗粒既不下沉也不上浮,而真正“悬浮”于水中,这样的 固体颗粒是不能用自然沉淀或自然浮选法去除的 其次,从公式3-10中还可知:沉速v与颗粒直径d的平方成正比、与水的粘度系 数μ成反比,而μ随水温的升高而降低。因此,加大颗粒的直径和提高水温将有助于颗 粒的沉降。同时,提高水温可降低水的密度,也可以加速颗粒的沉淀。 (2)水中悬浮固体的沉淀类型 水中悬浮固体的沉降是无数固体颗粒沉降的宏观集合。根据水中可沉颗粒的性质、 凝聚性能的强弱以及粘度的高低,悬浮固体的沉淀可分为四种类型。 ①自由沉淀 又称为离散沉淀。水中固体颗粒的浓度低,而且不具有凝聚性,在沉淀过程中固体 颗粒不改变形状、尺寸,也不会相互结合,而是各自独立地完成沉淀过程。城市污水处 理中悬浮固体在沉砂池和初沉池的初期的沉淀即属于此类。自由沉淀符合 Stokes公式 ②絮凝沉淀 水中的悬浮固体浓度不高,但具有凝聚性质,在沉淀过程中颗粒之间相互结合成更 大的颗粒或絮体,沉淀过程中其沉速是变化的(逐渐加快)。城市污水处理中悬浮固体在初 沉池的后期和二沉池的初期的沉淀即属于此类型。 ③集团沉淀 也称为成层沉淀或受阻沉淀。当水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后,每个颗粒 的沉降将受到周围颗粒的干扰,沉速有所降低。如颗粒浓度进一步提高,则颗粒之间的 影响加剧,造成沉速大的颗粒也无法先行沉降。在聚合力的作用下,颗粒群成称为一个 整体各自保持相对不变的位置共同下沉。水与颗粒群之间形成清清晰的界面,颗粒的沉 淀实际上宏观表现为这个界面的沉降。活性污泥在二沉池的后期以及浓缩池的前期的沉 淀即属于此类型 ④压缩沉淀 水中悬浮颗粒的浓度很高,固体颗粒之间相互接触、支撑,在上层颗粒的重力作用 下,下层颗粒间隙的水被挤出,成为上清液,沉淀下来的污泥得到浓缩。 图3-6各种沉淀的发生区域 0%固体自由沉淀区 成层沉淀区 压缩沉淀区 强絮凝颗粒 分散颗粒
环境工程概论 20 作为固体颗粒在水中沉降的基本公式。但是，它包含有不可克服的局限性：如对颗粒的 一系列理想假定，废水中含有的固体颗粒是在大小、形状、密度等方面都不相同的颗粒 群，上述公式的推导条件和废水的实际情况之间存在一定差距。 Stokes 公式表明，影响颗粒分离的首要条件是颗粒与水的密度差：当ρs<ρL 时，v 将为负值，即颗粒将上浮，v 为上浮速度。因此，沉淀理论在原则上对上浮过程也是适用 的。当ρs＝ρL 时，v＝0，亦即颗粒既不下沉也不上浮，而真正“悬浮”于水中，这样的 固体颗粒是不能用自然沉淀或自然浮选法去除的。 其次，从公式 3－10 中还可知：沉速 v 与颗粒直径 d 的平方成正比、与水的粘度系 数 µ成反比，而 µ随水温的升高而降低。因此，加大颗粒的直径和提高水温将有助于颗 粒的沉降。同时，提高水温可降低水的密度，也可以加速颗粒的沉淀。 (2)水中悬浮固体的沉淀类型 水中悬浮固体的沉降是无数固体颗粒沉降的宏观集合。根据水中可沉颗粒的性质、 凝聚性能的强弱以及粘度的高低，悬浮固体的沉淀可分为四种类型。 ①自由沉淀 又称为离散沉淀。水中固体颗粒的浓度低，而且不具有凝聚性，在沉淀过程中固体 颗粒不改变形状、尺寸，也不会相互结合，而是各自独立地完成沉淀过程。城市污水处 理中悬浮固体在沉砂池和初沉池的初期的沉淀即属于此类。自由沉淀符合 Stokes 公式。 ②絮凝沉淀 水中的悬浮固体浓度不高，但具有凝聚性质，在沉淀过程中颗粒之间相互结合成更 大的颗粒或絮体，沉淀过程中其沉速是变化的(逐渐加快)。城市污水处理中悬浮固体在初 沉池的后期和二沉池的初期的沉淀即属于此类型。 ③集团沉淀 也称为成层沉淀或受阻沉淀。当水中悬浮颗粒的浓度提高到一定程度后，每个颗粒 的沉降将受到周围颗粒的干扰，沉速有所降低。如颗粒浓度进一步提高，则颗粒之间的 影响加剧，造成沉速大的颗粒也无法先行沉降。在聚合力的作用下，颗粒群成称为一个 整体各自保持相对不变的位置共同下沉。水与颗粒群之间形成清清晰的界面，颗粒的沉 淀实际上宏观表现为这个界面的沉降。活性污泥在二沉池的后期以及浓缩池的前期的沉 淀即属于此类型。 ④压缩沉淀 水中悬浮颗粒的浓度很高，固体颗粒之间相互接触、支撑，在上层颗粒的重力作用 下，下层颗粒间隙的水被挤出，成为上清液，沉淀下来的污泥得到浓缩。 图 3－6 各种沉淀的发生区域 0％固体 自由沉淀区 絮凝沉淀区 成层沉淀区 0％固体 压缩沉淀区 强絮凝颗粒 分散颗粒
环境工程概论 (3)理想沉淀池的概念和浅层沉淀原理 在分析悬浮固体在沉淀池内的沉淀规律时常常提出理想沉淀池的概念,由此推断沉 淀分离效果,并指导沉淀池的设计。 理想沉淀池的假定条件有如下几点 ①污水进入沉淀池后,悬浮固体沿进水区的过水断面上均匀分布 ②颗粒的水平流速ⅴ相同 ③颗粒以等速u沉降 ④颗粒一旦沉到污泥区,便不再上浮 图3-7理想沉淀池模式图 当某一固体颗粒进入沉淀池后其运动轨迹为水平方向水流速度ⅴ和垂直方向沉淀速 度u的矢量和。图中是颗粒的最小沉淀速度或称为临界沉速,即:在既定的沉淀时间 内位于进水区水面上的颗粒恰好沉降到污泥区与出水区的交界处。从颗粒沉淀轨迹分析 可知:vuo=L/H 从图3-7中可以看出:沉速≥的颗粒在沉淀过程中全部沉降到污泥区被去除:沉速 u的颗粒在沉淀时间内只有部分地沉降到污泥区被去除,其去除的比例和u的高低、该 颗粒在进水区水流断面上的位置(高度)有关:u越大、颗粒在进水区越接近水面,则其被 去除的比例就越高。理想沉淀池的总沉淀效率计算公式如下: n=(1-P)+ udP(%)(3-11) 式中:n一总沉淀效率(%) Po-沉速小于uo的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的质量百分比(%) u-小于uo的沉速(m/s) dP一沉速小ua的颗粒在P中占有的质量百分比(%) 在沉淀池设计中,通常将单位表面积的沉淀池所通过的水量称为沉淀池的表面负荷 率q。即 式中:Q一污水流量(m3/h) A一沉淀池表面积(m2) 从理想沉淀池的分析可知:q=QA=uAA=uo
环境工程概论 21 (3)理想沉淀池的概念和浅层沉淀原理 在分析悬浮固体在沉淀池内的沉淀规律时常常提出理想沉淀池的概念，由此推断沉 淀分离效果，并指导沉淀池的设计。 理想沉淀池的假定条件有如下几点： ①污水进入沉淀池后，悬浮固体沿进水区的过水断面上均匀分布； ②颗粒的水平流速 v 相同； ③颗粒以等速 u 沉降； ④颗粒一旦沉到污泥区，便不再上浮 图 3－7 理想沉淀池模式图 当某一固体颗粒进入沉淀池后其运动轨迹为水平方向水流速度 v 和垂直方向沉淀速 度 u 的矢量和。图中 u0 是颗粒的最小沉淀速度或称为临界沉速，即：在既定的沉淀时间 内位于进水区水面上的颗粒恰好沉降到污泥区与出水区的交界处。从颗粒沉淀轨迹分析 可知：v/u0＝L/H。 从图 3－7 中可以看出：沉速≥的颗粒在沉淀过程中全部沉降到污泥区被去除；沉速 < u0 的颗粒在沉淀时间内只有部分地沉降到污泥区被去除，其去除的比例和 u 的高低、该 颗粒在进水区水流断面上的位置(高度)有关：u 越大、颗粒在进水区越接近水面，则其被 去除的比例就越高。理想沉淀池的总沉淀效率计算公式如下： η = (1－P0)＋ 1 ∫ uo udP (%) (3－11) uo 0 式中：η－总沉淀效率(％) P0－沉速小于 u0 的颗粒在全部悬浮颗粒中所占的质量百分比(％) u－小于 u0 的沉速(m/s) dP－沉速小 uo 的颗粒在 Po 中占有的质量百分比(%) 在沉淀池设计中，通常将单位表面积的沉淀池所通过的水量称为沉淀池的表面负荷 率 q0 。即：q0＝Q/A 式中：Q－污水流量(m3 /h) A－沉淀池表面积(m2 ) 从理想沉淀池的分析可知：q0＝Q/A＝u0.A/A=uo