环境工程学（王玉恒）重点-第2章 第2（1）节

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水中悬浮物质和胶体物质的去除第二节2自由沉淀颗粒物浓度较小、颗粒物理性质不变、各自独立沉淀、沉速不变、沉淀轨迹为直线（沉砂池）根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型※

絮凝沉淀拥挤沉淀或成层沉淀压缩沉淀3自由沉淀根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型※

颗粒物之间互相粘结，颗粒尺寸逐渐增大，沉速逐渐增大，轨迹为曲线。（混凝沉淀池、二沉池中间段的沉淀）絮凝沉淀拥挤沉淀或成层沉淀压缩沉淀4自由沉淀根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型※

絮凝沉淀拥挤沉淀或成层沉淀压缩沉淀颗粒浓度较高，整体下沉，有清晰的泥水界面，呈现界面下沉（二沉池下部、污泥重力浓缩池开始阶段）5自由沉淀根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀可分成四种类型※

絮凝沉淀拥挤沉淀或成层沉淀压缩沉淀

悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间挤压成团状结构，上层颗粒的重力作用将下层颗粒间的水挤压出来。（二沉池污泥斗、污泥重力浓缩池）66

※u0为颗粒的截留速度，其物理意义为：沉淀池达到一定的去除率时，能够被全部去除的颗粒的最小沉速。77

Q/A——反映沉淀池效率的参数，一般称为沉淀池的表面水力负荷，或称沉淀池的溢流率，其物理意义是在单位时间内通过沉淀池单位表面积的流量，用符号q表示：

※

q=Q/A88

理想沉淀池中，u0与q在数值上相同，但它们的物理概念不同：只要确定达到某一去除率η时颗粒的截留速度u0，就可以求得理想沉淀池的溢流率或表面水力负荷。

可以通过自由沉淀试验来确定u0，进而确定q。u0与q的关系※表面水力负荷越小，沉淀效率越高。99平流沉淀池辐流沉淀池池型：长方形一端进水另一端出水，贮泥斗设置在进口处的池底，设置成多斗排泥的形式

池内水流由下向上竖流沉淀池池内水流向四周辐流池型：多为圆形，有方形或多角形池中央进水，池四周出水贮泥斗在池中央（二）普通沉淀池1010沉淀池的组成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；沉淀区是悬浮物分离的场所；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；进口区贮泥区沉淀区缓冲区出口区11辐流式沉淀池的构造

有中进周出、周进中出、周进周出及旋转臂配水等几种形式。12辐流式沉淀池的排泥方式

作为初沉池时,沉淀于池底的污泥一般采用刮泥机刮除，分中心传动式（直径小于20m）及周边传动式（直径大于20m）等;作为二沉池时,不使用刮泥机，采用静水压力排泥法.1313斜流式沉淀池的应用因活性污泥粘性较大，不宜做二沉池使用。14二混凝当悬浮颗粒不能自发的沉淀时，我们需要将小颗粒转变为较大的絮体，再将其沉淀。混凝：一种改变胶体颗粒性质，使它们能够彼此接近并附着，从而产生较大的絮体颗粒的方法。1515

（一）压缩双电层机理（二）吸附电中和机理（三）吸附架桥机理（四）沉淀物网捕机理2、混凝原理1616混凝原理1、压缩双电层

投入电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了，这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低或消除ζ电位，并使扩散层厚度减小，这种作用称为压缩双电层。（1）无电解质（2）投加电解质1717

根据Schulze—Hardy法则：

浓度相同的电解质破坏胶体稳定性的能力随离子价数的增加而加大。（高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效。）这种能力大致与离子价数的6次方成正比，即一价：二价：三价=1：8：500。

重新稳定现象:

当混凝剂投量过多时，凝聚效果下降的现象。原因：胶体吸附电解质，表面电荷重新分布。混凝原理1、压缩双电层1818

异号胶粒间相互吸引达到电中和而凝聚；大胶粒吸附许多小胶粒或异号离子，ζ电位降低，吸引力使同号胶粒相互靠近发生凝聚。

混凝原理2、吸附电中和1919

指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。混凝原理3、吸附架桥作用2020

当采用硫酸铝、氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当投加量很大形成大量的金属氢氧化物(如Al(OH)3

、Fe(OH)3沉淀时，可以网捕、卷扫水中的胶粒，水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀。这基本上是一种机械作用。

混凝原理4、网捕作用2121

在混凝过程中，上述现象常不是单独存在的，往往同时存在，四种机理综合在一起发生作用，只是在一定情况下以某种作用为主。混凝原理2222对于混凝剂而言，在废水处理时：（带负电胶体）（1）普通电解质只有压缩双电层和吸附电中和作用；（2）高分子物质

A、阳离子型（带正电荷）聚合电解质，具有电中和作用和吸附架桥功能。

B、非离子型（不带电荷）或阴离子型（带负电荷）聚合电解质，只能起吸附架桥作用。混凝原理23问题药剂作为混凝剂应该满足那些要求？1）三价阳离子2）无毒性3）在中性pH范围内为不溶性的4）便宜易得胶状片状粉状（1）常用混凝剂铝盐硫酸铝明矾聚合氯化铝铁盐有机合成高分子絮凝剂阴离子型：主要含—COOM或—SO3H的聚合物：部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、聚苯乙烯磺酸钠（PSS）阳离子型：含有—NH3+—NH2+

或—N+R4的聚合物，如聚二甲基氨甲基聚丙烯酰胺（APAM）、聚乙烯吡啶盐等非离子型聚丙烯酰胺（PAM）、甲叉基聚丙烯酰胺（MPAM）、聚氧化乙烯天然高分子絮凝剂常用助凝剂pH调整剂：H2SO4、CO2、Ca（OH)2、NaOH、Na2CO3絮体结构调整剂:水玻璃、活性硅酸、粉煤灰、粘土氧化剂：有机物高时，加Cl2、Ca（ClO)2和NaClO等；用铁盐作混凝剂时，加O2和Cl2将Fe2+氧化为Fe3+，以提高混凝效果。易形成泡沫助凝剂：与混凝剂一起使用，以促进水混凝的辅助药剂。助凝剂本身可以起混凝作用，也可以不起混凝作用。26（2）混凝剂投加量的选择

不同的pH对混凝剂的形态影响很大，直接影响到混凝剂的混凝机理。

pH较低，胶体浓度和混凝剂浓度不高时，以脱稳凝聚为主；

pH较高，胶体浓度不高，但混凝剂浓度较高时，以网捕絮凝为主；

pH接近中性，胶体浓度和混凝剂浓度适量时，桥连絮凝为主。27药剂投加量的一般规律一般而言，药剂与胶体浓度之间存在线性的化学计量关系，那么混凝剂是否是这样呢？混凝剂投加量的一般规律1）当用铝铁盐处理含低浓度胶体废水时，凝聚方式以网捕作用最为有效，此时混凝剂的投加量必须超过它们的氢氧化物在水中的极限溶解度，且最佳用量G1随胶体浓度的增大而降低；2）胶体浓度较高时，宜用电性中和和压缩双电层来脱稳，此时凝聚剂的最佳用量G2低于网捕絮凝用量，且与胶体浓度之间存在线性的化学计量关系；3）胶体浓度很高时，混凝剂用量低于1）而高于2）；此时，采用高分子絮凝剂比用无机金属盐更经济有效，其最佳用量与胶体浓度之间亦存在线性的化学计量关系，4）不论使用何种混凝剂，投加量都必须适当。量不足，达不到应有的混凝效果，量过大则会造成胶体复稳。

2929一、工艺流程

混凝工艺流程由药剂投加、混合、反应及沉淀分离等单元组成。

4、化学混凝的设备3030三、混合

(一)混合的作用

使药剂能快速、均匀地分散到废水中。

★★快速：是因混凝剂在废水中发生水解反应的速度很快，需要尽量造成急速扰动以生成大量细小絮体，并不要求生成大颗粒；

★★均匀：是为了化学反应能在废水中各部分得到均衡发展。

水力条件要求：

搅拌时间：10－30s，一般不超过2min。速度梯度：G=500～1000s-1。化学混凝的设备3131

(二)混合方式水力混合机械混合

常见混合方式：管式混合水泵混合机械混合化学混凝的设备3232

1、管式混合

A、普通管道混合

B、管式静态混合器

C、扩散混合器化学混凝的设备3333

A、普通管道混合

把药剂投入水泵出水水管内，借助水流进行混合。药剂加入方式：

《图》化学混凝的设备34管道混合加药3535

B、管式静态混合器

管内装设若干个固体混合单元体。化学混凝的设备3636

C、扩散混合器

在管式孔板混合器前加一锥形帽，水流和药剂对冲锥形帽而后扩散形成剧烈紊流，使药剂和水达到快速混合。化学混凝的设备3737

2、其它水力混合方式

A、分流隔板混合池

B、跌水混合池

C、水跃式混合池

D、涡流式混合设备

E、廊道式格板混合池化学混凝的设备3838A、分流隔板混合池化学混凝的设备3939

B、跌水混合池利用水流在跌落过程中产生的冲击达到混合的效果。化学混凝的设备4040

C、水跃式混合池利用3m/s以上的流速迅速流下时所产生的水跃进行混合。

化学混凝的设备4141

D、涡流式混合设备设计要点：底部锥角30-45°；反应时间1-1.5min，≤2min；入口流速1-1.5m/s；圆柱部分上升流速25mm/s。化学混凝的设备4242

E、廊道式格板混合池化学混凝的设备43433、水泵混合将药剂投加在水泵的吸水管内或喇叭口处，利用水泵叶轮高速旋转达到快速混合的目的。特点：混合效果好，不需另建混合设施；节省动力；各型水厂均可采用；要求：泵房距离处理设备不大于150m。化学混凝的设备4444水泵混合的投药位置

（1）泵前投加☆★（2）泵后投加☆★

1、泵前投加

加注在取水泵吸水管中或吸水喇叭口处，见图。目前大多数采用这种方式，主要优点是可利用水泵叶轮使药剂和原水得到充分混合，而且借助于水泵吸力吸入，容易加注。缺点是药剂对水泵有一定的腐蚀作用。

2、泵后投加

加注在水泵出水压力管（见图）或沉淀池进口处。当取水泵离净水装置较远（约大于500m）时，为防止反应过早，已结成的絮粒在管道或进入沉淀池时破碎，从而影响净水效果，所以采用泵后投加。泵后投加因投药点承压或无吸力，故需要用水射器或加药泵。其优点是不发生药剂对水泵的腐蚀。化学混凝的设备45454、机械搅拌混合

化学混凝的设备4646四、絮凝反应设备

(1)反应的作用是使混合形成的小絮凝体经过充分碰撞接触，聚结成较大颗粒的过程。

化学混凝的设备4747四、反应（絮凝）

(2)反应过程的水力条件

反应设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度，使小絮体有适宜的相互碰撞机会。

搅拌强度太大或太小，会对反应池的絮凝效果产生不利影响。

絮凝控制指标：速度梯度G=10～70s-1。水流速度v=15－30mm/s。反应时间t=15－30min。絮凝控制指标Gt值=104-4×105化学混凝的设备4848絮凝反应设备

(1)设备分类（按搅拌方式分）

A、水力搅拌反应池：

B、机械搅拌反应池：

化学混凝的设备4949

(2)水力搅拌反应池

A、隔板反应池

B、折板反应池

C、穿孔旋流反应池

D、旋流式反应池

E、涡流式反应池

化学混凝的设备5050A、隔板反应池

a、往复式

b、回转式

a、往复式特点：水流在池内作180º

转弯，局部水头损失较大，且絮凝体有破碎的可能。水头损失0.3-0.5m。

b、回转式特点：水流在池内作90º转弯，局部水头损失大为减小，且絮凝效果有所提高。水头损失比往复式小40%。化学混凝的设备5151B、穿孔旋流反应池

由若干方格组成，分格数不少于6格。隔墙上下开孔，水流沿池壁切线进入形成旋流。第一格孔口小，旋转速度大，随后依次递减，对应G值递减。化学混凝的设备5252

（3）机械搅拌反应池

A、浆板式和叶轮式。

B、水平轴和垂直轴

分格串联，每格设以搅拌机。分格越多，絮凝效果越好。但造价高和维修量大。

为适应絮体形成规律，第一格搅拌强度最大，其余依次递减，对应G值也递减。化学混凝的设备5353

机械搅拌反应池设计参数：

A、絮凝时间为15-20min。

B、池内设3-4挡搅拌机。

C、隔墙上下开孔，防止水流短路。

D、叶轮线速度自第一挡0.5m/s起逐渐减小到末挡的0.25m/s。

化学混凝的设备5454

（4）组合絮凝池化学混凝的设备5555

(5)混凝反应池的设计要点：反应流速一般按由大逐渐变小进行设计。为防止絮粒被破碎，应控制反应器内的流速。要有足够的反应时间（10-30min为宜），并控制反应速度，使梯度值G值达到10-75s-1，通常20-60s-1，使Gt值应控制在104～105之间，保证反应过程的充分完全。对于低浊度、低碱度废水宜采用较大的t值；对粗分散、杂质含量高的废水宜采用较大的G值。采用水力搅拌的反应设备，其搅拌强度可由水流速度来控制，搅拌时间即水在反应设备中的停留时间，一般采用6～30min。化学混凝的设备56混凝小结

混凝的原理混凝剂常用混凝剂混凝剂的投加量混凝过程中的设备三、澄清池泥渣循环分离型悬浮泥渣过滤型机械加速澄清池普通悬浮澄清池脉冲澄清池水力循环澄清池池型

定义：完成水与药剂混合、反应及絮体分离三过程于一体的一种专门设备。四、过滤※作用：1、滤池设置于混凝沉淀工艺或澄清池之后，滤池出水浊度须达到饮用水标准；2、也可用于活性炭吸附、离子交换及膜分离等深度处理之前的预处理；

3、为滤后消毒操作创造良好条件。水和废水通过粒状滤料(如石英砂)床层时，其中的悬浮颗粒和胶体就被截留在滤料的表面和内部空隙中，这种通过粒状介质层分离不溶性污染物的方法称为粒状介质过滤。过滤机理：1、阻力截留：滤料床由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力表层形成一层主要2、重力沉降：原水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的沉降面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。3、吸附及接触絮凝：通过范德华引力、静电引力等作用，颗粒物会吸附在滤料表面而被去除；滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程，即接触絮凝。四、过滤60按滤料种类分单层滤池双层滤池多层滤池按水头分重力式滤池压力滤池按进出水及反冲洗的方式分普通快滤池虹吸滤池无阀滤池4~5米水头15~20米水头四、过滤61滤料

优良的滤料须满足：足够的机械强度，较好的化学稳定性，足够的空隙率等；

常用的滤料：石英砂、无烟煤、陶粒、高炉渣、天然矿石（如石榴石、磁铁矿、金刚砂等）、聚苯乙烯球、塑料纤维球等。（二）普通快滤池2.滤料和垫层结构62

设计滤速:

单层砂滤池的滤速v一般为8－12m/h，双层滤池一般为12－16

m/h。滤池总表面积：A=Q/vQ为设计最大流量滤池形状：长宽比一般为1.25～1.5：1滤池总深度：垫层为0.4～0.5m，滤层为0.7～0.75m，滤池上面水深1.5-2m。滤池总水深约2.5～3.5m4.普通快滤池的设计要点63

原理：沉积于滤层内的污染物是靠上升的反冲洗水剪切力以及滤料颗粒间的碰撞，摩擦而剥落下来，并随水流冲走。

方式：高速水流反冲洗；气、水反冲洗；表面助冲加高速水流反冲洗。

操作参数：反冲洗强度和滤层膨胀率。

4.快滤池的反冲洗64膨胀率：e=(L-L0)/L0×100%一般e值取45％～50％。

反冲洗强度：单层滤池一般为12～15L/(m2·s），双层滤池为13～16L/(m2·s）。反冲水滤层L0L4.快滤池的反冲洗5.配水系统67

气浮法是利用高度分散的微小气泡（

理想尺寸为15～30μm）作为载体去粘附废水中的悬浮物，使其随气泡浮升到水面而加以分离去除的一种水处理方法。

气浮分离的对象是乳化油以及疏水性悬浮固体颗粒。

五、气浮68★

补充：气浮法在水处理中的应用

（1）低温、低浊、高藻类原水的净化处理；（2）回收有用物质：如纸浆、细小纤维等；（3）代替二沉池，分离活性污泥；（4）分离回收含油废水中的悬浮油及乳化油，废如食油工业水中所含的油脂；（靠自然上浮难以去除的）（5）剩余污泥的浓缩；（6）分离表面活性物质和金属离子（加浮选剂）。

给水处理传统工艺：混凝+沉淀+过滤+消毒新型工艺：混凝+气浮+过滤+消毒五、气浮69★补充：气浮法的优点工艺启动快，运行方式灵活；适应水力负荷变化能力强；处理效率较高；气浮法产生污泥含水率(90～95%)比沉淀池(95～99.8%)的低得多；减少化学药剂的使用量；与沉淀法相比，出水水质更好；池子结构简单，造价低。五、气浮70★补充：

气浮法的缺点运行操作复杂，机械化程度要求高；电耗比较大；日常维护费用较高；需要设立单独的混凝装置，气浮池常常需设顶盖或建在室内；工艺控制参数多，设计过程复杂。五、气浮71※1、加压溶气气浮工艺（最常用的气浮工艺）

取一部分处理后的澄清出水回流进行加压和溶气，减压后进入气浮池，与直接进入气浮池的原水混合，进行气浮分离。

（回流比为10~20%)72分四阶段：1.溶气过程2.溶气水的释放（气泡的形成）过程3.悬浮颗粒物与气泡的粘附过程4.颗粒物的上升、分离过程1、加压溶气气浮工艺73

A、溶气压力：

空气在水中的溶解度c0与压力p的关系符合亨利定律。

★一定温度下，溶解度与压力成正比；压力越高，空气溶解度越大，动力消耗也越大，对设备要求也越高。

★压力一定，温度越高，空气溶解度越小。1）溶气过程1、加压溶气气浮工艺74

B、溶气量：

生产上溶气时间一般采用2～4min。为保证气浮效果，设计空气量应按理论量的125%计。

C、加压泵提升原水、给气水混合物加压。

1）溶气过程加压泵1、加压溶气气浮工艺75D、压力溶气罐：p72

溶气罐是一个耐压密封钢罐，空气与水在罐内混合、溶解。

为了提高溶气效率，增大容积利用率，罐内常设填料（玻璃钢波纹板填料、磁环调料、聚氯乙烯环状填料）。

影响填料溶气罐效率的主要因素是：填料特性、填料层高度、罐内液位高度、布水方式和温度等。

填料溶解于水中的空气量与供气设备提供的空气量之比，与温度、压力及气液两相的动态接触面积有关1.溶气过程进水管进气管出水管液位计小贴士：填料式溶气罐的溶气效率比空罐高10~30%76

填料溶气罐的主要工艺参数：(书P72)

过流密度：2500-5000m3/m2.d；填料高度：0.8-1.3m；液位高度：0.6-1.0m（从罐底计）；承压能力：大于0.6