环境工程概论 第四讲 水的物理处理方法VIP

1、环境工程概论,水的物理处理方法,第四讲,废水的物理化学处理工艺,一、水污染定义相关内容回顾 二、水体自净作用原理 三、水中颗粒物去除技术简介 四、水中溶解性物质去除技术简介,内 容,水质与水体自净,第一节 水的循环与污染 第二节 水质指标和水质标准 第三节 废水的成分和性质 第四节 水体自净作用与水环境容量 第五节 水处理的基本原则和方法,1.水的分布 极不均衡 2.水的循环(Water cycle) 自然循环 社会循环,第一节 水的循环与污染,3.自然污染和人为(Man-made)污染,水体自净能力：水体自身在一定程度下能自身调节和降低污染的能力。 水污染：水体因某种物质的介入，从而导致其化

2、学、物理、 生物或者放射性等方面特性的改变，进而影响水体的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象,4.水污染的分类和影响,水污染分类(Classification,工业废水,农业废水,生活污水,矿山废水,来源,污染物性质,化学性污染,物理性污染,生物性污染,化学性污染,1）无机污染物：酸、碱、无机盐 （2）无机有毒物：重金属、氰化物 （3）有机有毒物：PAHs、农药 （4）需氧污染物：碳水化合物、蛋白质、醇 （5）植物营养物质：N、P （6）油类：矿物油、动植物油、原油,物理性污染,1）悬浮物质污染 （2）热污染 （3）放射性污染,生物性污染,医院污水： SARs,一、水质

3、指标,1、概念 （1）水质：水和其中所含的杂质共同表现出来的物理学、化学和生物学的综合特性 （2）水质指标：水中杂质的种类、成分和数量，判断水质的具体衡量标准 2、杂质分类 悬浮物质 胶体物质 溶解物质,第二节 水质指标和水质标准,1）物理性水质指标 感官；其它：电导率、溶解固体 （2）化学性水质指标 一般化学性：pH等；有毒化学性：重金属；氧平衡 （3）生物学水质指标 细菌总数、大肠杆菌(coliform bacteria)等,3、水质指标分类,4、几种重要的水质指标 （1）浑浊度(turbidity) （2）颜色、色度(chromaticity color) （3）固体 （4）总含盐量和离

4、子平衡 （5）碱度(alkalinity) （6）硬度(hardness) （7）化学需氧量和耗氧量（COD） （8）生物化学需氧量（BOD） （9）总有机碳（TOC）和总需氧量（TOD） （10）氮含量,二.水质标准,1、概念 水质标准：对排入水体水质的要求 2、水质标准分类 （1）国家正式颁布的统一规定 （2）各用水部门或设计等单位的要求 3、常用水质标准 （1）饮用水水质标准 （2）地面水环境质量标准 （3）污水综合排放标准 （4）工业用水水质要求,水环境质量标准 地表水环境质量标准（GB 38382002） 海水水质标准（GB30971997） 生活饮用水卫生标准（GB574985）

5、渔业水质标准（GB1160789） 农田灌溉用水水质标准（GB508485） 排放标准 污水综合排放标准（GB89781996） 医院污水排放标准（GBJ4883） 工业水污染物排放标准 造纸工业水污染物排放标准（GWPB21999） 甘蔗制糖工业水污染物排放标准（GB354683） 石油炼制工业水污染物排放标准（GB355183） 纺织染整工业水污染物排放标准（GB428792,一）地表水环境质量标准（GB 38382002,依据地表水水域环境功能和保护目标、控制功能高低依次划分为五类 ： 类 主要适用于源头水、国家自然保护区。 类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生

6、物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。 类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区。 IV类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。 V类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域,二）生活饮用水卫生标准（GB574985,细菌总数 大肠杆菌群 游离性余氯,三）污水综合排放标准（GB89781996,按地表水域使用功能要求和污水排放去向，分别执行一、二、三级标准。 标准将排放的污染物按其性质及控制方式分为二类：第一类污染物是指能在环境或动植物内蓄积，对人体健康产生长远不良影响者。第一类污染物一律在车间或车间处理设

7、施排放口采样。其最高允许排放浓度必须达到国家标准要求。 第二类污染物指长远影响小于第一类的污染物质。这类污染物排放标准按污水排放去向分别执行一、二、三级标准,四）回用水标准,再生水回用景观水体的水质标准（CJ/T952000） 中华人民共和国生活杂用水水质标准（CJ25.189,生活污水 工业废水 农业废水,第三节 废水的成分和性质,一、水体自净 污染物随污水排入水体后，经过物理的、化学的与生物化学的作用，使污染的浓度降低或总量减少，受污染的水体部分的或完全的恢复原状的现象。 二、净化机理 1.物理净化：稀释（对流、扩散）、混合、沉淀与挥发 2.化学净化：氧化还原、酸碱反应、吸附凝聚 3.生物

8、净化：分解、转化,第四节 水体自净作用与水环境容量,三、氧垂曲线,水体受到污染后，水体中溶解氧逐渐被消耗，到临界点后又逐步回升的变化过程，称氧垂曲线,有机物降解,氧垂曲线的求解,P.61-66，例1-6,有机污染源下游的氧垂曲线,某点处的氧不足量变化速率是该处耗氧速率和复氧速率之和,求解得某点的亏氧量,某点的溶解氧： c= cs- D,到达最缺氧点时间dD /dt=0,水环境容量,三大影响因素： 水体特征、污染物特征、水质目标 W=V（S - B）+ C,P.67-68,水质净化与水污染控制工程主要内容,生活用水 给水 工业用水 （供水） 商业用水 农业用水 生活污水 排水 工业废水 农业废水

9、,一、给水处理基本方法,常规工艺,第五节 水处理的基本原则和方法,混凝,沉淀,过滤,消毒,原水,供水,二、废水处理基本方法,1.废水处理原则 改革工艺、减少废物排放量清洁生产 重复利用废水：中水回用 回收有用物质 对废水进行妥善处理 经济性，技术先进性,二、废水处理基本方法,2.废水处理程度确定 按水体水质要求 按处理厂能达到的处理程度 考虑水体的稀释和自净能力,P.71-73，例1-7,第二章 水的物理化学处理方法,第一节 水中粗大颗粒物质的去除（理解） 第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除（掌握 计算 应用） 第三节 水中溶解物质的去除（掌握） 第四节 水中有害微生物的去除（理解） 第五节

10、 水的其他物理化学处理方法（了解,本章学习要求,第一节 水中粗大颗粒物质的去除（理解） 第二节 水中悬浮物质和胶体物小结质的去除（掌握 计算 应用） 本章的重点难点 ： 沉淀的原理 第三节 水中溶解物质的去除 （掌握） 重点： 吸附 第四节 水中有害微生物的去除（理解） 重点 ： 氯消毒 第五节 水的其他物理化学处理方法（了解,废水处理工艺流程,废水处理系统,三、废水处理的基本方法,物理：物理作用，沉淀、过滤、气浮、反渗透等 化学：化学反应，混凝、电解、氧化还原等 生物：生物化学作用，活性污泥、生物膜等 一级：大颗粒悬浮物 二级：溶解态胶体态杂质 三级：营养物质难降解有机物等,废水处理的基本方

11、法及相互关系,废(污)水中杂质粒度大小与分类,原废（污）水,格栅,曝气）沉砂池,初沉池,生物处理,二沉池,消毒,视需要增加工艺,污泥浓缩,污泥消化,污泥脱水,出 流,出 流,出 流,一级处理,二级处理,三级处理,剩 余 污 泥,污 泥 处 理 与 处 置,一般废（污）水处理厂的工艺流程,一般城市污水处理鸟瞰图,Wastewater Treatment Plant,物理化学处理工艺单元,曝气沉砂池,物理化学处理单元,初沉池,物理化学处理单元,曝气池,粒径在0.1或1mm以上,第一节 水中粗大颗粒物质的去除,去除方法,筛滤,截留,沉降,离心,相应设备,格栅,筛网,微滤机,离心机,旋流分离器,预处理

12、,1.格栅、筛网、微滤机,1.1 格栅 1.1.1 格栅的结构,格栅的隙缝,进水泵站前50 mm,沉砂池或沉淀池前1530 mm，最大为40 mm,若水泵前格栅隙缝不大于 25 mm ，则处理系统前不再设格栅,1.1.2 格栅的分类,简单格栅,水头损失,机械格栅,格栅,回转式机械格栅实物,格栅,回转式格栅,无动力水力格栅,NC格栅,常用的机械格栅设备,NC型格栅工作原理： 机架、动力装置、齿耙和电控箱组成。 斜置于污水通道中，与地面形成一定的倾角，栅条与机架固定在一起。 栅条用于拦截水中污物，以传动链条固定数组除污齿耙，齿耙伸入栅条缝隙中，连续不断地将栅条拦截下的固体提升至顶端，在链条运动时，

13、固体物掉落到栅条后的收集筐中,设计主要参数,设备宽度 有效栅宽 有效栅隙 运动速度 水流速度 电机功率 安装角度 栅槽深度 格栅地面高度,讨论,当通过格栅的水流速度过快时会出现什么问题？当通过格栅的水流速度过慢时又会出现什么问题,格栅设计安装要求,通过格栅的水流速度应保持在0.61.0 ms之间，一般可取0.7 ms(平均流量时)。 一般当通过格栅时的水头损失达1015 cm时应予清捞。为了避免造成壅水现象，栅后的渠底应比栅前低1015 cm。 如果只安装一套格栅时，应设置溢流旁通道。旁通道进口处设有间距为75一l00 m的垂直栅条,1.2 筛网,去除水中纤维、，纸浆，藻类等稍小的杂物时，可选

14、用不同孔径的筛网。 孔径小于10 mm的筛网主要用于工业废水预处理，可将尺寸大于3 mm的漂浮物截留。 孔径小于01 mm的细筛网则用于处理后出水的最终处理或作为重复利用水的处理。 筛网装置有转鼓式、旋转式、转盘式和振动筛等。 在大型地面水处理厂的取水口处常装有旋转式筛网，由绕在上、下两个旋转轴上的连续金属丝网组成的。 网丝直径常为2 mm，网丝间净距一般为4一l0 mm。旋转筛网由电机带动，线速度4 mmin。可自动连续进行高压水清洗,转鼓式筛网的示意图,筛余物的处置,收集的筛余物运至处置区填埋或与城市垃圾一起处理。 当有回收利用价值时，可送至粉碎机或破碎机被破碎后再用。 对于大型水处理系统

15、，也可采用焚烧的方法彻底处理,1.3 微滤机,优点：具有占地面积小、过滤能力大、操作方便等； 可用于自来水厂原水过滤以去除藻类、水蚤等浮游生物； 也可用于工业用水的过滤处理、工业废水中有用物质的回收(如造纸废水的白水微滤净化和纸浆回收)以及污水的最终处理等,微滤机结构示意图,转鼓,池,水槽,出水,集渣斗,排渣,冲洗设备,微滤机是个鼓状的金属框架，微滤机的处理能力与滤网孔径及悬浮物的性质和浓度有关。 例如用孔径为35 m的滤网处理含藻湖水时，产水率可达30127m3m2h，除藻率在60以上，用孔径65 m的滤网处理造纸白水时，纸浆回收率达8090,分离因素,压力式水力旋流器,重力式水力旋流器,离

16、心力产生方式类型,水旋分离设备,器旋分离设备：离心机,a,离心力,重力,C= （m m0) u2/ r,F = （m m0) g,r n2 / 900,2. 离心分离,重力式水力旋流器,称水力旋流沉淀池。废水由切线方向进入池内，造成旋流。 与压力式旋流器相比，这种水力旋流沉淀池直径要大得多，离心力的作用减弱，颗粒的分离主要是由重力决定的。在这两种力的作用下，颗粒被抛向池壁并沉于池底，定期由抓斗排渣。 压力式水力旋流器的表面负荷比较高，可达1000 m3m2h，但水力旋流沉淀池的表面负荷一般只有2530 m3 m2h,离心机,按分离因素的大小可,1500 低速离心机,=15003000 低速离心

17、机,3000 高速离心机,常速 离心机,离心机分离容器几何形状,转筒式离心机,管式离心机,盘式离心机,板式离心机,离心机,离心机的种类很多，按分离因素的大小可分为低速离心机(a3000)。中、低速离心机又统称常速离心机。 按离心机分离容器几何形状的不同，又可分为转筒式离心机、管式离心机、盘式离心机和板式离心机等。 在水处理工程中，常速离心机多用于污泥或化学沉渣的脱水，而高速离心机(转速达500015000rmin)则适用于废水中乳化油的分离等，例如用高速离心机来处理洗毛废水，不仅可净化水质，还可回收经济价值甚高的羊毛脂,第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除,一、沉淀 （一）沉淀基础理论,过流率

18、u的计算,在沉淀池设计中，两个最重要的参数。第一个为絮体沉降速率 u0，第二个为沉淀池的设计速率，称之为过流率u 通常选择一终端速度为u0的颗粒，即全部终端速度等于或大于u0的颗粒都会被去除。产生澄清水的速率等于Qmax A u0 沉砂池的水流断面积 A = Qmax / u0 过流率u ：也称之为表面负荷率p ，可以看作每天每1 m2的沉淀池表面积上所流经的水量（m3/d,理想的沉淀池示意图,H,进水区,出水区,一）沉淀理论基础,沉降类型,自由沉降,絮凝沉降,拥挤沉降,压缩沉降,颗粒参数,下沉速度,产生条件,初沉池初期沉淀,初沉池中期沉淀和二沉初期,二沉池后期,污泥浓缩池,不变，离散状态,尺

19、寸质量渐大,不变，颗粒相对位置不变,不变，颗粒挤压,不受干扰,渐大,界面沉速,沉速加上重力挤压,1、自由沉降,特性：悬浮物为低浓度离散颗粒，如沙砾、铁屑等，沉降不受周围其他颗粒的影响。 （1）由公式计算得到过流量 （2）由试验作图得到过流量,1）由公式计算得到过流量,牛顿提出：落入静止流体中的颗粒会进行加速运动，直到作用于颗粒上的摩擦阻力与颗粒的牵引力相等为止，这时颗粒作匀速运动,浮力fb,重力fg,平衡态,浮力,重力,阻力fd,合力fn= fg -fb =(s- )gVs,阻力fd= CdAs u2/2,公式导出,当fn = fd时，颗粒将以等速下沉，对球形均质颗粒有： CdAs u2/2

20、=(s- )gVs 由于Cd 不是常数，随表征水流紊乱情况的雷诺数Re而改变，当Re 2时有： Cd 24/Re， Re= u d/ 代如上式则导出Stokes Formula,Stokes Formula,水的动力粘度，Pas d : 颗粒直径，m :颗粒密度，kgm-3 g：重力加速度，ms-2,司托克公式,对于雷诺数不同的水流环境，颗粒沉降情况差别很大，必须通过沉降实验来确定水样的沉降性能,2）自由沉降实验得到过流率u,在水处理实践中遇到的颗粒情况，计算是困难的 试验在沉淀柱中进行，首先将沉淀柱装满待分析的悬浮液。 悬浮液开始沉降，经过一定时间后，从水深为H处取水样，测量其悬浮物浓度。

21、这时 u0H/t0,绘制沉淀时间与沉淀效率的关系曲线、颗粒沉速与沉淀效率E的关系曲线,H有效水深 C0 水样中悬浮物的原始浓度沉降开始后，在时间为t1，时从水深为H处取一水样，测出其悬浮物浓度为c1，则沉速大于u1=H1/t1的所有颗粒均已通过取样点，沉速小于u1的颗粒与全部颗粒的比例为x1= c1 / c0 。对于指定的沉淀时间t0，沉速为u0 ，这时在整个有效深度(H)上，沉速uu0的颗粒在t0时可全部去除，而沉速u u0的颗粒则只有一部分去除，其去除的比例为： hH =u t0 / u0 t0 = u/ u0 总去除率=,例题,初级沉淀池去除效率的计算 确定废水处理沉淀池的去除效率，沉淀

22、池的临界溢流速度为2m3/m2.h，废水所含颗粒的沉降速度分布示于下表。确定去除率,1、对各速度范围取范围上下限的平均值。 2、每个速度范围的去除分额，即用平均沉降速度除以临界溢流速度。 3、确定去除的颗粒数，即进水颗粒数乘去除百分率,请计算去除百分率,绘制曲线（请翻到课本91页,E=（1-x0)+1/u0 udx,x0,0,例题：某废水静置沉淀试验数据如表1，试验有效水深H2 m，求此废水在负荷为25 m3/m2d的悬浮物质理论总沉降去除率。 解,指定的颗粒沉降速度为u0：25 m3/m2d25100 cm/（2460 min）1.74 cm /min,计算曲面面积可得积分项,从图上可知，1

23、.74对应的残余百分数为54%，小于沉降速度1.74 cm/min的颗粒与全部颗粒的比值为54,上述面积总和：45.3,悬浮物质总去除率为： E（10.54）45.3/1.740.7171,通过公式E=（1-x0)+1/u0 udx,x0,0,E-t 与 E-u曲线的绘制,E-t 与 E-u曲线的绘制,E-u曲线与水深无关,二、沉 砂 池,作用：从污水中去除砂子、煤渣等密度较大的无机颗粒，以免这些杂质影响后续处理构筑物的正常运行。 工作原理：以重力或离心力分离为基础，即将进入沉砂池的污水流速控制在只能使相对密度大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走,2. 沉砂池池型,三种,平流式沉砂池,

24、竖流式沉砂池,曝气式沉砂池,1、平流沉砂池,一个狭长的矩形池子，污水经过消能或整流后进入池子； 两端有闸门，以控制水流，池底设12个贮砂斗，利用重力排砂，也可用射流泵或螺旋泵排砂 结构简单，工作稳定、处理效果较好、易于排砂，过去常见,平流式沉砂池,特点：构造简单、工作稳定、处理效果好、易于排砂,问题：看图回答平流式沉砂池设计参数有哪些,设计参数：池宽、池长、池高、沉砂斗容积、格数、渣斗尺寸,平流式沉砂池设计,无沉淀实验资料时，按公式计算： 1、沉砂池的水流断面积 A = Qmax / u 2、池总宽度 B = A / h2 ;单宽b= B/n 3、池长 L = u t 4、沉砂斗所需容积 V=

25、（86400 Qmax X1T）/ Kz 106 5、池总高 H = h1 + h2 + h3 6、验算最小流速 u min= Qmax /n1 wmin,平流式沉砂池设计参数,设计流量: 当废水以自流方式进入时，应取最大小时流量；当用泵送入时，应取工作水泵的最大的最大组合流量。 分格数:一般不少于2，并按并联方式运行。 流速: 应控制在最大流速0.3和最小流速0.15 m/s，以保证重大颗粒物下沉而让有机物随水流流出。 停留时间: 流量最大时，废水在池内的停留时间不小于30 s，一般为3060 s。 结构尺寸: 有效水深一般为0.251.0 m，不大于1.2 m，超高不大于0.3 m，每格宽不小于0.6 m，城市生活污水可按每106 m3废水产生30 m3沉渣，贮砂斗按2日贮砂量设计，斗壁倾角不小于55，池底以0.010.02的坡度坡向砂斗,2、 曝气沉砂池,在沉砂池侧墙上设置一排空气扩散器，使污水产生横向流动，沉砂池这一特殊流态有以下作用： 使有机悬浮物保持悬浮状态，不随砂粒下沉； 砂粒与污水产生旋转摩擦，砂粒表面附着