清大水污染控制工程课件03沉淀与上浮

第3章沉淀与上浮3.1沉淀的基础理论3.2沉砂池3.3沉淀池3.4隔油和破乳3.5浮上法3.1沉淀的基础理论一、概述二、沉淀类型三、自由沉淀及其理论基础四、沉淀池的工作原理五、沉降实验和沉降曲线3.1沉淀的基础理论3.1沉淀的基础理论3.2沉砂池沉沙池一般设置在泵站或沉淀池之前，用以分离废水中比重较大的砂粒、灰渣等无机固体颗粒，使水泵和管道免受磨损和阻塞，同时也减轻沉淀池的无机负荷，使污泥具有良好的流动性，便于排放输送。按照池内水流方向的不同，沉砂池可分为平流式和竖流式两种，其中以平流式应用最为广泛。近年来，曝气沉砂池也得到了推广应用。

沉砂池去除的砂粒比重为2.65、粒径为0.2mm以上。3.2沉砂池一、平流式沉砂池平流沉砂池的主要设计参数如下：

（1）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组合流量。（2）分格数

分格数一般不小于2，并按并联方式运行。（3）流速

应控制在最大流速0.3m/s和最小流速0.15m/s之间。(4)停留时间

流量最大时，废水在池内的停留时间不小于30s，一般为30～60s。（5）结构尺寸

有效水深一般为0.25～1.0m，不大于1.2m（h=u0t，u0可按斯托克斯公式）；超高不小于0.3m；每格宽不小于0.6m；（6）沉砂量依水质不同而异，对城市污水可按每106m3废水产生30m3沉砂考虑。（7）贮砂斗

容积一般按2日以内的沉砂量设计，斗壁倾角不小于55０；池底以0.01～0.02的坡度坡向砂斗。

平流沉砂池的设计计算

(1)长度L

v——最大设计流量时的速度，m/s;应控制在最大流速0.3m/s和最小流速0.15m/s之间t——最大设计流量时的停留时间，s。流量最大时，废水在池内的停留时间不小于30s，一般为30～60s。(2)水流断面面积F

Qmax——最大设计流量，m3/s。

(3)池总宽度B

h2——设计有效水深，m。有效水深一般为0.25～1.0m，不大于1.2mh2=u0t，u0可按斯托克斯公式单格宽度b=B/n，单格池宽不小于0.6m平流沉砂池的设计计算

(4)核算最小流速vmin

Qmin——设计最小流量，m3/s;n1——最小流量时工作的沉砂池数目；Fmin——最小流量时沉砂池中的水流断面面积，m2。(5)贮砂斗所需容积

X——城市污水的沉砂量，一般采用30m3/106m3（污水）T——排砂时间间隔，dKz——生活污水流量的总变化系数。曝气沉砂池集曝气和除砂于一身，不但可使沉砂中的有机物降低至5%以下，而且还有预曝气、除臭、除油等多种功能。

二、曝气沉砂池曝气沉砂池的主要设计参数

(1)废水在池内的水平流速一般取0.08～O.12m／s，在过水断面周边的最大旋转线速为0.25～0.4m／s。(2)废水在池内的停留时间取4～6min，最大流量时为1～3min。(3)有效水深取2～3m，宽深比为(1～l.5):1，长宽比可达5:1。(4)曝气装置多采用穿孔管曝气器，孔径2.5～6.Omm，曝气管安装于池壁一侧距池底O.6～0.9m处，曝气量为0.2m3(空气)/m3(水)或1.5m3(空气)/m3(池容)h。

二、曝气沉砂池曝气沉砂池的设计计算要点(1)总有效容积V(m3)由最大设计流量Q(m3/s)和相应的停留时间t(min)计算。(2)过水断面积F(m2)由Q和相应的水平流速v1(m／s)计算。(3)池长L(m)由V和F计算。(4)池总宽B(m)由F和有效水深h2(m)计算。(5)空气需用量qa(m3/h)由Q和1m3废水所需空气量d(m3/m3)确定。二、曝气沉砂池一、平流式沉淀池

二、竖流式沉淀池

三、辐流式沉淀池

四、斜板斜管沉淀池

3.3沉淀池3.3沉淀池普通沉淀池的分类设链带刮泥机的平流沉淀池一、平流式沉淀池一、平流式沉淀池一、平流式沉淀池一、平流式沉淀池沉淀池的设计原则沉淀池的设计包括功能构造设计和结构尺寸设计

设计良好的沉淀池应满足以下三个基本要求：足够的沉降分离面积能均匀布水和集水；污泥和浮渣的收集和排放设备。

进行沉淀池设计的基本依据废水流量、水中悬浮固体浓度和性质以及处理后的水质要求。有关设计参数沉降效率、沉降速度(或表面负荷)、沉降时间、水在池内的平均流速以及泥渣容重和含水率等。

1、入流区和出流区的设计1、入流区和出流区的设计2、沉降区的设计（1）沉淀池的表面积A

Qmax——最大设计流量，m3/s。

q——表面水力负荷，

m3/m2·h，初沉池一般取1.5~3m3/m2·h，二沉池一般取1~2m3/m2·h

（2）沉淀区有效水深h2（3）沉淀区有效容积V1t——沉淀时间，初沉池一般取1~2h，二沉池一般取1.5~2.5h沉淀区有效水深h2一般取2~3m。V——最大设计流量时的水平流速，mm/s；一般不大于5mm/s。

（4）沉淀池长度L（5）沉淀池的总宽度B

（6）沉淀池的只数n

b——

每只沉淀池的宽度平流式沉淀池的长度一般为30~50m,池长与池宽比不小于4，以4~5为宜。

3、污泥区的设计污泥斗的容积

VwVw--泥渣体积

,m3Q--废水设计流量，m3／h；C0和C--分别为进水和出水的SS浓度，mg／L；

P--泥渣含水率(%)；γ--泥渣容重，kg／m3，当泥渣主要为有机物且含水率在95％以上时，可取1000kg／m3；

T--排泥周期，一般取1～2d。

倒正棱台形泥斗的容积Vda1和a2--分别为泥斗上、下底边长，m；h4--泥斗高度，m；α为泥斗倾角，取45°～60°

。

设m为沉淀池的泥斗数，如mVd≥Vw，则能满足要求，否则应增加泥斗数或缩短排泥周期。

沉淀池总长L

L1、L3——分别为前、后挡板与进、出水口的距离沉淀池总高Hh1——

沉淀池超高，m；一般取0.3mh2

——沉淀区的有效水深，m；h3

——缓冲层高度，m；当没有刮泥机时，h3＝(hm+0.3)，hm为刮泥板高度；不设刮泥机时，h3取0.5m

h4

——泥斗高度，m；h5

——梯形的高度，m。4、沉淀池的整体尺寸二、竖流式沉淀池二、竖流式沉淀池竖流沉淀池内，水流水平分速为零，在静水中沉速为us的颗粒在池内的实际沉速为us-v，颗粒被分离的条件为us＞v，而us≤v的颗粒始终不能沉底，因而当可沉颗粒属于自由沉淀类型时，其沉降效率与具有相同表面负荷的平流沉淀池相比要低，即ET=(1-p0)100(％)。当可沉颗粒属于絮凝沉淀类型时，由于上升的小颗粒和下沉的大颗粒之间相互接触、碰撞的机会增多，致使颗粒的直径逐渐增大，有利于颗粒的沉淀。竖流沉淀池多用于小流量废水中絮凝性悬浮固体的分离1、竖流式沉淀池的适用范围二、竖流式沉淀池竖流沉淀池池面多呈圆形或正多边形。其上部圆筒形部分为沉降区，下部倒圆台部分为污泥区，二者之间有0.3～0.5m的缓冲层。竖流沉淀池的直径一般在4～8m，最大不超过10m，以1.5～2.0m的静水压力排泥。为保证水流的竖向运动，径深度比不宜大于3。如池径大于8m，应增设径向集水槽。

2、竖流式沉淀池的主要结构特点二、竖流式沉淀池求取；当无资料时，可取t＝(1.0～2.0)h。(3)管口不设反射板时，取中心管内流速v0≤0.03m／s；设反射板时，v0≤0.1m／s。(4)中心管与反射板之间的流速v1一般不大于0.04m／s。(5)中心管及反射板的结构尺寸如图。(6)保护高度取0.3～0.6m，缓冲层高度取0.3m，泥斗壁倾角取45°～55°

。3、竖流式沉淀池的主要设计参数(1)表面负荷，按公式计算，当无资料时，可取q=(2.0～3.0)m3／m2·h。(2)沉降时间，按公式二、竖流式沉淀池4、竖流式沉淀池的设计计算内容(1)中心管的断面面积f和直径d

Qmax——最大废水流量(m3／h)v0——中心管流速

(m／h)

(2)沉淀区有效断面积A1

v——池内水流速度(m/h

)(3)沉淀池表面积A和直径DA，D——沉淀池的表面积和直径二、竖流式沉淀池(4)沉降区有效水深h2

(5)中心管喇叭口与反射板之间的缝隙高度h3

v1——中心管喇叭口与反射板之间缝隙的流速，m/h；d1——喇叭口直径（m）（=1.35d）v——池内水流速度(m/h

)t——沉淀时间（h）h5——泥斗圆台部分高度(m)；

R和r——分别为圆台上、下底半径(m)。

(6)

污泥斗实际体积Vd

(7)沉淀池总高H

h1——保护高度，m

h4——缓冲层高度，m

三、辐流式沉淀池三、辐流式沉淀池悬浮固体颗粒在辐流沉淀池中的沉降规律

由于过流断面由中心向周边不断增大，水平分速逐渐减小，因此其沉降轨迹呈下垂曲线。如设中心筒半径为rl，池半径为R，沉降区水深为H，那么在半径为r的任意点上，颗粒在dt时间内在水平方向和竖直方向上的位移分别为dr=vdt和dh=udt且有由于（1）（2）对沉速为u0的颗粒，积分（2）式并代入（1）式，得整理后，得三、辐流式沉淀池辐流式沉淀池的主要设计参数辐流沉淀池的直径一般为20～40m,最大可达100m。池中心深度为2.5～5.0m，周边深度为1.5～3.0m。池底以0.06～0.08的坡度坡向泥斗。辐流沉淀池的表面负荷q和沉降时间t应通过沉降试验确定，对生活污水，q可取2.0～3.6m3／m2·h，t取1.5～2.0h。有效水深h2通常取池半径1／2处的深度值。

三、辐流式沉淀池三、辐流式沉淀池四、斜板和斜管沉淀池1、浅层沉降原理

Q=u0·A将沉降区高度分隔为n个高度为h＝H／n的浅层沉降单元时，(1)在Q不变（即v不变）的条件下，颗粒的沉降深度由H减小到H／n，截流沉速由u0减小到u0/n，从而总沉降效率ET大幅度提高。(2)在ET值不变（即u0

不变）的条件下，由u0／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。

四、斜板和斜管沉淀池2、斜板、斜管沉淀池的构造

四、斜板和斜管沉淀池3、斜板、斜管沉淀池的设计计算

设斜板长为l，宽为w，倾角为θ，板间净距为d，平均水流速度为v，颗粒沉速为u0，则颗粒的运动由v和u0合成。通过每个沉降单元的流量将(1)代入(2)式，则可得

(1)(2)对n个沉降单元，af=lwcosθ,Af=naf

分别为一个沉降单元和n个沉降单元的斜板在水平方向上的投影面积a=dw/sinθ,A=na=Lw分别为一个沉降单元和n个沉降单元的水平底面积四、斜板和斜管沉淀池3、斜板、斜管沉淀池的设计计算

异向流同向流横向流一、含油废水的来源、油的状态

二、隔油池

三、乳化油及破乳方法

3.4隔油和破乳一、含油废水的来源、油的状态1、来源含油废水的来源非常广泛。包括石油开采及加工工业、固体燃料加工、纺织工业中的洗毛废水、轻工业中的制革废水、铁路及交通运输业、屠宰及食品加工、机械工业中车削工艺中的乳化液等。其中，石油工业及固体燃料加工工业排出的含油废水为其主要来源。石油工业含油废水主要来自石油开采、石油炼制及石油化工等过程。固体燃料加工工业排出的焦化含油废水，主要来自焦炉气的冷凝水、洗煤汽水和各种贮罐的排水等。

3.4隔油和破乳一、含油废水的来源、油的状态2、状态可浮油：呈悬浮状态，粒径大于15µm，占石油炼厂废水含油量的60—80%，易于用隔油池去除。分散油：粒径大于1µm，悬浮分散于水相中，不稳定，可采用粗粒化方法去除。乳化油：呈乳化状态，粒径小于1µm，由于表面活性剂的存在使体系较稳定，必须破乳。一般采用浮选、混凝、过滤等处理方法。溶解油：呈溶解状态，一般低于5—15mg/l,难于自然分离，可采用吸附、化学氧化及生物氧化方法去除。油-固体物：水体中的油黏附在固体悬浮物的表面形成油-固体物，可采用分离法去除。3.4隔油和破乳二、隔油池可分离的最小油滴直径为100~150μm，相应的上升速度不高于0.9mm/s二、隔油池可分离的最小油滴直径为60μm，相应的上升速度不高于0.2mm/s，停留时间≤30min,

为平流式的1/4~1/2三、乳化油及破乳方法

1、乳化油的形成

(1)为了满足某种工艺需要而配制的乳化液，必须在破乳后才能上浮分离；(2)水中的油粒在水流搅动下吸附了表面活性剂或细微团体颗粒而自然形成的乳化油。大多可用气浮法除去，少量的则需经破乳后才能分离。2、破乳及破乳机理破乳就是破坏油粒周围的保护膜，使油、水发生分离。破乳机理主要有两种：使乳液微粒的双电层受到压缩或表面电荷得到中和，从而使微粒由排斥状态转变为能接触碰撞的并聚状态；使乳化剂界面膜破裂或被另一种不会形成牢固界面膜的表面活性物质顶替，使油粒得以释放和并聚

三、乳化油及破乳方法

3、破乳方法简介

破乳方法可分为物理法和化学法两类。物理法有高压静电法、剧烈搅拌和震荡法、高速离心法以及加热或冷冻法破乳等。化学法就是在乳液中投加酸类、盐类、换型乳化剂、混凝剂以及各种专用有机高分子破乳剂。目前较为有效而简便的方法是投加铁、铝盐混凝剂或有机高分子破乳剂。

3.5浮上法

一、浮上法的类型二、加压溶气浮上法的基本原理三、气浮设备及其设计计算3.5浮上法

实现气浮分离必须具备以下三个基本条件：

必须在水中产生足够数量的细微气泡；必须使待分离的污染物形成不溶性的固态或液态悬浮体；必须使气泡能够与悬浮粒子相粘附。

浮上法应用的领域：石油化工及机械制造业中的含油（包括乳化油）污水的油水分离污水中有用物质的回收，如造纸厂废水中得纸浆纤维及填料的回收；取代二次沉淀池，特别适用于易于产生活性污泥膨胀的情况；剩余活性污泥的浓缩

一、浮上法的类型（一）电解浮上法（二）分散空气浮上法（三）溶解空气浮上法

1、真空浮上法

2、加压溶气浮上法一、浮上法的类型（一）电解浮上法该法产生的气泡小于其他方法产生的气泡，故特别适用于脆弱絮状悬浮物。可以处理多种含有机物、重金属废水，如制革废水、毛皮废水、肉类加工厂废水和电镀厂废水等。一、浮上法的类型（二）分散空气浮上法分散空气浮上法用于矿物浮选，也用于含油脂、羊毛等污水的初级处理及含有大量表面活性剂的污水。一、浮上法的类型（三）溶解空气浮上法1、真空浮上法真空浮上法的缺点是其空气的溶解在常压下进行，气泡释放量很有限。一、浮上法的类型

（三）溶解空气浮上法加压溶气法的主要设备为水泵、溶气罐、浮上池。空气注入溶气罐的方式有空气压缩机和射流器。2、加压溶气浮上法一、浮上法的类型

（三）溶解空气浮上法加压溶气法的三种基本流程：全溶气流程部分溶气流程回流溶气流程2、加压溶气浮上法二、加压溶气浮上法的基本原理（一）空气的溶解、释放及气泡性质

1、空气的溶解

2、溶解空气的释放

3、细微气泡的性质（二）悬浮粒子与气泡的粘附二、加压溶气浮上法的基本原理（一）空气的溶解、释放及气泡性质

1、空气的溶解

N——空气传质速率，kg／m2·h；KL——液相总传质系数，m3／m2·h；

C*和C——分别为空气在水中的平衡浓度和实际浓度，kg／m3。

V——空气在水中的溶解度，L／m3；KT——溶解度系数，L／kPa·m3，

p——溶液上方的空气平衡分压，kPa

二、加压溶气浮上法的基本原理溶解于水中的空气量与通入空气量的百分比，称为溶气效率。溶气效率与温度、溶气压力及气液两相的动态接触面积有关。在20℃和290～490kPa(表压)的溶气压力下，填料溶气罐的平均溶气效率为70～80%，空罐为50～60%。在一定条件下，空气在水中的实际溶解量与平衡溶解量之比，称为空气在水中的饱和系数。饱和系数的大小与溶气时间及溶气罐结构有关。在2～4min的常用溶气时间内，填料罐的饱和系数为0.7～0.8。（一）空气的溶解、释放及气泡性质

1、空气的溶解

二、加压溶气浮上法的基本原理2、溶解空气的释放

释气过程是在溶气水流经过反复地收缩、扩散、撞击、反流、挤压、辐射和旋流中完成的，整个过程历时不到0.2s。

二、加压溶气浮上法的基本原理

(1)气泡直径气泡直径愈小，其分散度愈高，对水中悬浮粒子的粘附能力和粘附量也就愈大。

(2)气泡密度指单位体积释气水中所合微气泡的个数，它决定气泡与悬浮粒子碰撞的机率。(3)气泡的均匀性一是指最大气泡与最小气泡的直径差；二是指小直径气泡占气泡总量的比例。

(4)气泡稳定时间气泡稳定时间，是将溶气水注入1000mL量筒，从满刻度起到乳白色气泡消失为止的历时。优良的释放器释放的气泡稳定时间应在4min以上。（5）溶气利用率，是指能同悬浮粒子发生粘附的气泡量占溶解空气量的百分比。

3、细微气泡的性质二、加压溶气浮上法的基本原理（二）悬浮粒子与气泡的粘附1、气泡与悬浮颗粒粘附的条件液体表面分子所受的分子引力与液体内部分子所受的分子引力不同，表面分子所受的作用力是不平衡的，这不平衡的力有把表面分子拉向液体内部、缩小液体表面的趋势，这种力称为流体的表面张力。要使表