排水工程物理处理.ppt

水质工程学II 污水处理工艺计算 参考书 排水工程 第四版 张自杰主编中国建筑工业出版社污水处理厂设计与运行 曾科 卜秋平等主编化学工业出版社城市污水处理厂的建设与管理 卜秋平 陆少鸣等主编化学工业出版社给水排水新技术与工程 汪大晕 雷乐成等主编化学工业出版社城市污水厂处理设施设计计算 崔玉川 刘振江等主编化学工业出版社活性污泥工艺简明原理及设计计算 周雹中国建筑工业出版社生物膜法污水处理技术 刘雨 赵庆良等 中国建筑工业出版社 期刊 网站 中国给水排水给水排水WaterresearchEnvironmentalscience technologyEnvironmentinternationalE 要求 考试 60分考勤 10分作业 15分演讲 15分 读书小结 3000字 概论 第一节城市污水的性质与污染指标 一 城市污水的组成家庭污水1 生活污水公共场所污水 如宾馆 医院污水 经消毒预处理 2 工业污水 经预处理达标排放 和工业废水3 初期雨水 二 污水的物理性质及指标1 水温 10 20 热污染 T 耗氧V DO 化学反应加快 腐蚀 臭加剧 细菌繁殖加速 消毒剂 混凝剂增加 加速藻类繁殖 富营养化2 色度 生活污水 灰色 3 臭味 鱼腥臭 氨臭 腐肉臭 腐蛋臭 腐甘蓝臭 粪臭4 固体含量 悬浮 SS 胶体溶解 DS 三 污水的化学性质及指标1 无机物及指标 pH值 6 91 抑制生物生长 2 同溶解性固体的危害 N P 有机P 无机P富营养化 硫酸盐 硫化物 氯化物 SO42 250mg L腹泻 S2 黑臭 氰化物 砷化物 重金属离子 Hg Cr Pb Cd 镉 As 五毒1 富集 2 与有机物结合毒性增强 3 慢性中毒 2 有机物 碳水化合物 蛋白质与尿素 N的主要来源 脂肪和油类 脂 难降解 无毒矿物油 难降解 有毒 酚 难降解 有机酸 碱 可降解 但有毒或抑制作用 表面活性剂 硬性洗涤剂 烷基苯磺酸盐 ABS 难降解软性洗涤剂 烷基苯芳基 LBS 易降解 有机农药 难降解 取代苯类化合物 3 有机物污染指标 BOD COD TOD THOD TOCTHOD TOD CODcr BODu BOD5 TOC4 污水的生物性质及指标 大肠菌群数与大肠菌群指标 病毒 细菌总数 第二节水体自净的基本规律与水环境法规与标准 一 水体的自净作用1 水体自净2 水体自净的作用机理1 物理净化作用 释稀 混合 沉淀 挥发 浓度降低总量不变2 化学净化作用 氧化还原反应 酸碱反应 分解合成 吸附凝聚 C 总量不变3 生物化学作用 有机物无机化 有害物无害化 C 总量减少 第二节水体自净的基本规律与水环境法规与标准 二 河流氧垂曲线方程 菲利普斯方程1 氧垂曲线 第二节水体自净的基本规律与水环境法规与标准 2 菲利普斯方程 1 有机物耗氧动力学 第二节水体自净的基本规律与水环境法规与标准 2 菲利普斯方程 2 溶解氧变化过程动力学 亏氧速率 复氧速率 第二节水体自净的基本规律与水环境法规与标准 3 菲利普斯方程工程意义 1 分析溶解氧变化动态 推求河流的自净过程及其环境容量 进而确定可排入河流的有机物最大量 2 推算氧垂点位置及达到时间 二 我国水环境法规与标准1 法规 水污染防治法 水法2 水环境标准 1 水环境质量标准 GB3838 2002 2 污水综合排放标准 GB8978 88 3 城镇污水厂污染物排放标准 GB18918 2002 城镇污水厂污染物排放标准GB18918 2002 10 30 20 城市污水性质 第三节污水处理基本方法与系统 一 方法1 按原理分 物理法 分离悬浮状固体污染物 沉淀 筛滤 离心 气浮 过滤化学法 化学反应 分离回收污水中各种形态的污染物 中和 氧化还原 离子交换生物化学法 好氧 厌氧 2 按生物处理方法分 好氧生物处理法 活性污泥法 水体自净的人工强化 污泥在曝气池内呈悬浮状 和污水充分接触 生物膜法 土壤自净 如灌溉农田 的人工强化 微生物附着在其体物质表面呈膜状 并让它和污水接触而净化的方法 自然生物处理 氧化塘 湿地 厌氧生物处理法 UASB UFB去除对象 溶解性 胶体状的有机物和有毒物质 酚 腈 醛 3 按处理程序划分 一级处理 除SS BOD20 30 SS50 60 一级半处理 用反应池代替初沉池 进行混凝沉淀 SS80 90 BODCOD50 60 二级处理 除胶体 TS BOD COD 90 SSBOD可除至15 30mg L三级处理 除难降解有机物 N P 第一章污水的物理处理设施 任务 去除污水中悬浮物质和不溶的污染物质方法 筛滤截留 重力分离 沉淀 上浮 离心分离等构筑物和设备 格栅 筛网 沉砂池 沉淀池 第一节格栅 格栅分类 按栅条间隙分 粗 50 100mm 中 10 40mm 细 3 10mm 按形状分 平面格栅 栅条与框架构成曲面格栅 固定曲面式 旋转鼓筒式按清渣方式分 人工 机械 格栅的清渣方法 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 当栅条间距为16 25mm时 栅渣截留量为0 10 0 05m3 103m3污水 当栅条间距为40mm左右时 栅渣截留量为0 03 0 01m3 103m3污水 栅渣的含水率约为80 密度约为960kg m3 XG型旋转式格栅除污机 回转式固液分离机 螺旋压榨细格栅 螺旋压榨细格栅 回转式格栅除砂机及栅渣皮带输送机 GL型格栅除污机 齿耙式格栅除污机 阶梯式细格栅 曝气沉砂池前细格栅 格栅栅条断面形状 过格栅渠道的水流流速 污水过栅条间距的流速 格栅栅条断面形状 过格栅渠道的水流流速 污水过栅条间距的流速 格栅栅条断面形状 过格栅渠道的水流流速 污水过栅条间距的流速 格栅的设计与计算 通过格栅的水头损失h2的计算 式中 h0 计算水头损失 m v 污水流经格栅的速度 m s 阻力系数 其值与栅条断面的几何形状有关 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 格栅的设计与计算 格栅的建筑尺寸 1 格栅的间隙数量n式中 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 格栅的建筑尺寸 4 格栅的总建筑长度L式中 L1 进水渠道渐宽部位的长度 m 其中 b1 进水渠道宽度m 1 进水渠道渐宽部位的展开角度 一般 1 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 格栅除污机适用条件及特点比较 格栅设计计算例题 某污水处理厂Qmax 0 3m3 s Kz 1 4 栅条间隙e 20mm 过栅流速0 9m s 栅前水深0 4m 安装倾角60度 栅渣量0 06L m3 求栅条间隙数n 每日栅渣量W An 26 W 0 8m3 dBn 39 W 1 11m3 dCn 30 W 1 01m3 dDn 32 W 1 04m3 d 格栅设计计算例题 某污水处理厂Qmax 0 3m3 s Kz 1 4 栅条间隙e 20mm 过栅流速0 9m s 栅前水深0 4m 安装倾角60度 栅渣量0 06L m3 求栅条间隙数n 每日栅渣量W An 26 W 0 8m3 dBn 39 W 1 11m3 dCn 30 W 1 01m3 dDn 32 W 1 04m3 d 作业1 已知某污水厂Qmax 0 5m3 s 0 6 0 7 Kz 1 38 1 35 1 32 请分别设计粗 细格栅的各部分尺寸 第二节沉淀理论 一 概述污水中的悬浮物质 可在重力的作用下沉淀去除 这是一种物理过程 简便易行 效果良好 是污水处理的重要技术之一 自由沉淀 当悬浮物质浓度不高时 在沉淀的过程中 颗粒之间互不碰撞 呈单颗粒状态 各自独立地完成沉淀过程 典型例子是砂粒在沉砂池中的沉淀以及悬浮物浓度较低的污水在初沉池中的沉淀过程 自由沉淀过程可用牛顿第二定律及斯托克斯公式描述 絮凝沉淀 也称干涉沉淀 当悬浮物质浓度为50 500mg L时 在沉淀过程中 颗粒与颗粒之间可能互相碰撞产生絮凝作用 使颗粒的粒径与质量逐渐加大 沉淀速度不断加快 故实际沉速很难用理论公式计算 主要靠试验测定 这类沉淀的典型例子是活性污泥在二沉池中的沉淀 4种类型 区域沉淀 或称成层沉淀 拥挤沉淀 当悬浮物质浓度大于5000mg L以上时 在沉淀过程中 相邻颗粒之间互相妨碍 干扰 沉速大的颗粒无法超越沉速小的颗粒 各自保持相对位置不变 并在聚合力的作用下 颗粒群结合成一个整体向下沉淀 与澄清水之间形成清晰的液 团界面 沉淀显示为界面下沉 典型例子是二次沉淀池下部的沉淀过程及浓缩池开始阶段 压缩沉淀 区域沉淀的继续 即形成压缩 颗粒间互相支承 上层颗粒在重力作用下 挤出下层颗粒的间隙水 使污泥得到浓缩 典型的例子是活性污泥在二次沉淀池的污泥斗中及浓缩池中的浓缩过程 二 沉淀类型分析1 自由沉淀 将关系式代入后整理得 当加速度颗粒等速下沉 其中C为阻力系数 式中 从该式可知 颗粒沉速u的决定因素是 g y 当 g y时 u呈正值 颗粒下沉 g y时 u 0 颗粒在水中随机 不沉不浮 沉速u与颗粒的直径d2成正比 所以增大颗粒直径d 可大大地提高沉淀 或上浮 效果 u与 成反比 决定于水质与水温 在水质相同的条件下 水温高则 值小 有利于颗粒下沉 或上浮 由于污水中颗粒非球形 上式不能直接用于工艺计算 需要加非球形修正 自由沉淀的试验方法 试验方法参考 给水工程 第四版pg294 295 pt为所有沉速小于ut的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率 dpt是具有沉速ut的颗粒重量占原水中全部颗粒重量的百分率 P0为沉速小于u0的颗粒占全部悬浮颗粒的比值 即剩余量 2 絮凝沉淀 絮凝沉淀试验是在一个直径为150 200mm 高度为2000 2500mm 在高度方向每隔500mm设取样口的沉淀简内进行 见图 a 将已知悬浮物浓度为C0及水温的水样注满沉淀筒 搅拌均匀后开始计时 每隔一定时间间隔 如10 20 30 120min 同时在各取样口取水样50 100mL 分析各水样的悬浮物浓度 并计算出各自的去除率 并记如下表 根据上表 在直角坐标纸上 纵坐标为取样口深度 m 横坐标为取样时间 min 将同一沉淀时间 不同深度的去除率标于其上 然后把去除率相等的各点连接成等去除率曲线 见上图 b 从图 b 中可求出与不同沉淀时间 不同深度相对应的总去除率 例 已知某城市污水的絮凝沉淀试验得到的等去除率曲线 求解沉淀时间30min 深度2m处的总去除率 3 区域沉淀与压缩区域沉淀与压缩试验 直径为100 150mm 高度为1000 2000mm的沉淀筒 将巳知悬浮物浓度Co Co 5000mg L 的污水 装入沉淀筒内 深度为Ho 搅拌均匀后 开始计时 水样会很快形成上清液与污泥层之间的清晰界面 污泥层内的颗粒之间相对位置稳定 沉淀表现为界面的下沉 而不是单颗粒下沉 沉速用界面沉速表达 界面下沉的初始阶段 由于浓度较稀 沉速是悬浮物浓度的函数C f C 呈等速沉淀 见下图A段 随着界面继续下沉 悬浮物浓度不断增加 界面沉速逐渐减慢 出现过渡段 见图中B段 此时 颗粒之间的水分被挤出并穿过颗粒上升 成为上清液 界面继续下沉 浓度更浓 污泥层内的下层颗粒能够机械地承托上层颗粒 因而产生压缩区 见图中C段 区域沉淀与压缩试验结果 记录于下表中 根据表中记录数据 在直角坐标纸上 以纵坐标为界面高度 横坐标为沉淀时间 作界面高度与沉淀时间关系图如下 通过图中曲线任一点 作曲线的切线 切线的斜率即为该点相对应的界面的界面沉速 分别作等速沉淀段的切线及压缩段的切线 两切线支角的角平分线交沉淀曲线于D点 D点就是等速沉淀区与压缩区的分界点 与D点相对应的时间即压缩开始时间 2 在流入区 颗粒沿截面AB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 三 沉淀池工作原理 理想沉淀池的假设条件是 1 污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 3 颗粒沉到池底即认为被去除 1 平流理想沉淀池 理想沉淀池分流入区 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u0刚巧能沉至池底 故可得关系式 从上图 按照自由沉淀相同的原理进行分析 沉速ut uo的颗粒 都可在D点前沉淀 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 同样的颗粒苦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 可被除去的量为 1 设处理水量为Q m3 s 沉淀池的宽度为B 水面面积为A B L m2 故颗粒在池内的沉淀时间为 Q A物理意义是 在单位时间内通过沉淀池单位表面积的流量称为表面负荷或溢流率 用符号q表示 表面负荷的数值等于颗粒沉速uo 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 两点说明 第二节沉砂池 沉砂池的作用 沉砂池的工作原理 沉砂池的几种形式 沉砂池工程设计中的设计原则与主要参数 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 设计流量应按分期建设考虑 最大时流量 最大组合流量 合流制流量沉砂池去除的砂粒相对密度为2 65 粒径为0 2mm以上 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 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55 排砂管直径不应小于200mm 沉砂池的超高不宜小于0 3m 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 平流式沉砂池 污水在池内的最大流速为0 3m s 最小流速为0 15m s 最大流量时 污水在池内的停留时间不少于30s 一般为30 60s 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 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 平流式沉砂池的系统参数 3 池总宽度b式中 h2 设计有效水深 4 贮砂斗所需容积V式中 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 平流式沉砂池的计算公式 7 池总高度h式中 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式中 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 平流式沉砂池的计算公式 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 沉砂中含有机物的量低于5 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 曝气沉砂池的特点 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 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 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 曝气沉砂池的构造 曝气沉砂池 曝气沉砂池实景 沉砂池砂水分离器 水平流速一般取0 08 0 12m s 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 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 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 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 曝气沉砂池的设计参数 曝气沉砂池计算草图 曝气沉砂池计算公式 曝气沉砂池设计计算例题 某污水处理厂曝气沉砂池 Qmax 1 0m3 s 停留时间t 3min 水平流速v 0 1m s 水深2m 分两格 求池长 宽AL 15m b 3mBL 15m b 2 5mCL 18m b 3mDL 18m b 2 5m 曝气沉砂池设计计算例题 已知某城市污水处理厂的最大设计流量为0 2m3 s 总变化系数K 1 50 设计砂斗容积按不大于2天的沉砂量 城市污水的沉砂量为每104m3的污水沉砂30 0 3 m3 沉砂池的沉砂斗容积为 m3 A0 69B1 38C0 35D2 76 钟式沉砂池 构造 流入口 流出口 沉砂区 砂斗 电机 砂提升管 排砂管 钟式沉砂池 钟式沉砂池平面布置 沉砂池比较 作业2 已知某污水厂Qmax 0 5m3 sKz 1 38 请设计各种沉砂池尺寸 第三节沉淀池 沉淀池 沉淀池 沉淀池三种流态 平流式 竖流式 辐流式 沉淀池由五部分组成 进水区 出水区的功能是使水流的进入与流出保持平稳 以提高沉淀效率 沉淀区是沉淀进行的主要场所 贮泥区贮存 浓缩与排放污泥 缓冲区避免水流带走沉在池底的污泥 沉淀池由五部分组成 缓冲区 沉淀池的运行方式 沉淀池特点与适用条件 1 设计流量沉淀池的设计流量与沉砂池的设计流量相同 在合流制的污水处理系统中 当废水是自流进入沉淀池时 应按最大流量作为设计流量 当用水泵提升时 应按水泵的最大组合流量作为设计流量 在合流制系统中 应按降雨时的设计流量校核 但沉淀时间应不小于30min 2 沉淀池的只数对于城市污水厂 沉淀池的个数不应少于2只 3 沉淀池的经验设计参数对于城市污水处理厂 如无污水沉淀性能的实测资料时 可参照教材的经验参数选用 4 沉淀池的有效水深 沉淀时间与表面水力负荷的相互关系 沉淀池的一般设计原则及参数 5 沉淀池的几何尺寸池超高不少于0 3m 缓冲层高采用0 3 0 5m 贮泥斗斜壁的倾角 方斗不宜小于60 圆斗不宜小于55 排泥管直径不小于200mm 6 沉淀池出水部分一般采用堰流 在堰口保持水平 出水堰的负荷 对初沉池 应不大于2 9L s m 对二次沉淀池 一般取1 5 2 9L s m 亦可采用多槽出水布置 以提高出水水质 7 贮泥斗的容积一般按不大于2d的污泥量计算 对二次沉淀池 按贮泥时间不超过2h计 8 排泥部分沉淀池一般采用静水压力排泥 静水压力数值如下 初次沉淀池不应小于14 71kPa 1 5mH2O 活性污泥法的二沉池应不小于8 83kPa 0 9mH2O 生物膜法的二沉池应不小于11 77kPa 1 2mH2O 沉淀池的一般设计原则及参数 平流式沉淀池 进水区有整流措施 保证入流污水均匀稳定地进入沉淀池 出水区设出水堰 控制沉淀池内的水面高度 保证沉淀池内水流的均匀分布 沉淀池应沿整个出流堰的单位长度溢流量相等 对于初沉池一般为250m3 m d 二沉池为130 250m3 m d 锯齿形三角堰应用最普遍 水面宜位于齿高的1 2处 为适应水流的变化或构筑物的不均匀沉降 在堰口处需要设置能使堰板上下移动的调节装置 使出口堰口尽可能水平 堰前应设置挡板 以阻拦漂浮物 或设置浮渣收集和排除装置 多斗式沉淀池 不设置机械刮泥设备 每个贮泥斗单独设置排泥管 各自独立排泥 互不干扰 保证沉泥的浓度 平流式沉淀池的构造及工作特点 平流沉淀池的构造及工作特点 平流式沉淀池的构造及工作特点 进水 平流式沉淀池的构造及工作特点 出水 3 沉淀区有效容积V1或4 沉淀池长度L式中 v 最大设计流量时的水平流速 mm s 一般不大于5mm s 5 沉淀池总宽度b 平流式沉淀池的设计 7 污泥区容积对于生活污水 污泥区的总容积V 式中 S 每人每日的污泥量 L d 人 可参考教材表10 8 N 设计人口数 人 T 污泥贮存时间 d 平流式沉淀池的设计 平流式沉淀池的设计 9 污泥斗的容积V1式中 S1 污泥斗的上口面积 m2 S2 污泥斗的下口面积 m2 10 污泥斗以上梯形部分污泥容积V2式中 L1 梯形上底边长 m L2 梯形上底边长 m 竖流式沉淀池 竖流式沉淀池的工作原理 竖流式沉淀池的平面可为圆形 正方形或多角形 竖流式沉淀池的深 宽 径 比一般不大于3 通常取2 竖流式沉淀池的中心管如下图所示 竖流式沉淀池的构造 中心流速 无反射板 30mm s有反射板 100mm s 流出速度 20mm s 中心导流筒设计 中心管尺寸 辐流式沉淀池 辐流式沉淀池是一种大型沉淀池 池径可达100m 池周水深1 5 3 0m 有中心进水 周边进水 周进周出