1、第三章 水污染控制機械與設備3.1 不溶態污染物的分離技術與設備重力沉降規律及其設備 沉淀法是利用水中懸浮顆粒的可沉降性能，在重力作用下產生下沉作用，以達到固液分離的一種過程。 沉淀處理工藝的四種用法 沉砂池：用以去除污水中的無機易沉物。初次沉淀池：較經濟地去除，減輕后續生物處理構筑物的有機負荷。二次沉淀池：用來分離生物處理工藝中產生的生物膜、活性污泥等，使處理后的水得以澄清。污泥濃縮池：將來自初沉池及二沉池的污泥進一步濃縮，以減小體積，降低后續構筑物的尺寸及處理費用等。自由沉淀1 懸浮顆粒濃度不高；沉淀過程中懸浮固體之間互不干擾，顆粒各自單獨進行沉淀, 顆粒沉淀軌跡呈直線。沉淀過程中,顆粒的

2、物理性質不變。發生在沉砂池中。根據水中懸浮顆粒的凝聚性能和濃度，沉淀可分成四種類型 2 懸浮顆粒濃度不高；沉淀過程中懸浮顆粒之間有互相絮凝作用，顆粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀軌跡呈曲線。沉淀過程中，顆粒的質量、形狀、沉速是變化的。化學絮凝沉淀屬于這種類型。絮凝沉淀區域沉淀或成層沉淀壓縮沉淀3 懸浮顆粒濃度較高（5000mg/L以上）；顆粒的沉降受到周圍其他顆粒的影響，顆粒間相對位置保持不變，形成一個整體共同下沉，與澄清水之間有清晰的泥水界面。二次沉淀池與污泥濃縮池中發生。 4 懸浮顆粒濃度很高；顆粒相互之間已擠壓成團狀結構，互相接觸，互相支撐，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力作用下被擠出，使

3、污泥得到濃縮。二沉池污泥斗中及濃縮池中污泥的濃縮過程存在壓縮沉淀。自由沉淀及其理論基礎 分析的假定沉淀過程中顆粒的大小、形狀、質量等不變顆粒為球形 顆粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他顆粒影響 靜水中懸浮顆粒開始沉淀時, 因受重力作用產生加速運動,經過很短的時間后,顆粒的重力與水對其產生的阻力平衡時, 顆粒即等速下沉懸浮顆粒在水中的受力：重力、浮力重力大于浮力時，下沉；重力等于浮力時，相對靜止；重力小于浮力時，上浮。1.懸浮顆粒在水中受到的 力Fg Fg是促使沉淀的作用力， 是顆粒的重力與水的浮力之差： 式中：Fg水中顆粒受到的作 用力； V顆粒的體積； S顆粒的密度； L水的密度； g重力

4、加速度。 式中：FD水對顆粒的阻力； 阻力系數； A自由顆粒的投影面積； uS顆粒在水中的運動速 度，即顆粒沉速。懸 浮 顆 粒 在 水 中 的 受 力 分 析2. 水對自由顆粒的阻力球狀顆粒自由沉淀的沉速公式 當顆粒所受外力平衡時，即因得球狀顆粒自由沉淀的沉速公式：阻力系數與雷諾數(Re)有關= f(Re)從流體力學可知,雷諾數可用下式表示:Re=usd/ 式中:Re 水流雷諾數 d 水流的特征尺寸,這里為球狀自由顆粒的直徑,cm 水的運動粘度cm2/s,=/L(:水的動力粘滯度g/cm秒) us顆粒沉速當顆粒粒徑較小、沉速小、顆粒沉降過程中其周圍的繞流速度亦小時，顆粒主要受水的黏滯阻力作用

5、，慣性力可以忽略不計，顆粒運動是處于層流狀態。在層流狀態下，=24/Re，帶入式中，整理得自由顆粒在靜水中的運動公式（亦稱斯托克斯定律）：式中:水的動力黏滯度。討論:1、Stokes公式雖然是表示出根據顆粒粒徑去計算顆粒的速度，但實際中測量這些微小粒徑比觀察它們下沉的速度還麻煩，有時幾乎不可能。實際工作中，觀察它們的下沉速度，然后用Stokes公式求粒徑，它變成了間接測量細小顆粒粒徑(d小于0.1mm)的工具。2、當s小于L時，顆粒在水中受到的是浮力的作用，此時得出的Stokes公式為 u上浮=(1/18)(L-s)/gds2 3、Stokes公式同樣可以應用于在水以外的其它流體中，計算顆粒的

6、沉或浮升速度，但要注意Re=usd/必須小于2。 由上式可知，顆粒沉降速度us與下述因素有關：斯托克斯定律:當s大于L時，s-L為正值，顆粒以us下沉；當s與L相等時，us=0，顆粒在水中呈懸浮狀態，這種顆粒不能用沉淀去除；s小于L時，s-L為負值，顆粒以us上浮，可用浮上法去除。us與顆粒直徑d的平方成正比，因此增加顆粒直徑有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。us與成反比，隨水溫上升而下降；即沉速受水溫影響，水溫上升，沉速增大。沉淀池的工作原理理想沉淀池 分為：進口區域、沉淀區域、出口區域、污泥區域四個部分沉淀區過水斷面上各點的水流速度均相同，水平流速為v；懸浮顆粒在沉淀區等速下

7、沉，下沉速度為u；在沉淀池的進口區域，水流中的懸浮顆粒均勻分布在整個過水斷面上；顆粒一經沉到池底，即認為已被去除。理想沉淀池的幾個假定：由上述假定得到的懸浮顆粒自由沉降跡線：式中：v顆粒的水平分速； qv進水流量； A沉淀區過水斷面 面積， Hb； H沉淀區的水深； b沉淀區寬度。當某一顆粒進入沉淀池后另一方面，顆粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是顆粒的自由沉降速度u一方面隨著水流在水平方向流動，其水平流速v 等于水流速度顆粒運動的軌跡為其水平分速v和沉速u的矢量和，在沉淀過程中，是一組傾斜的直線，其坡度i=u/v 設u0為某一顆粒的沉降速度（剛巧從池面沉到池底）。當顆粒沉速uu0時，無

8、論這種顆粒處于進口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即左上圖中的跡線xy與xy。當顆粒沉速u5萬m3/d）比較經濟實用；機械排泥設備已定型化，排泥較方便。輻流式沉淀池的主要缺點： 排泥設備復雜，要求具有較高的運行管理水平；施工質量要求高。輻流式沉淀池的適用場合： 適用于地下水位較高地區；適用于大、中型水廠和廢水處理廠（主要是二沉池和污泥濃縮池）。3.1.4.4斜板(管)沉淀池在沉淀池內加設一組傾斜的隔板，這種形式便為斜板沉淀池。如各斜隔板之間還進行分隔，即成為斜管沉淀池。按水流與污泥的相對運動方向，斜板(管)沉淀池分為異向流、同向流和橫向流三種形式。異向流的水流傾斜向上，污泥傾斜向下；同向

9、流的水流和污泥均傾斜向下；橫向流的水流方向為水平，污泥傾斜向下。廢水處理中，目前常采用異向流這種形式，它可以選用斜板和斜管斷面，而橫向流只能采用斜板斷面。 圖3-20為異向流斜管沉淀池結構圖。沉淀池工作時，水從平行板間或斜管內流過，流速以0.7mm/s1.0mm/s為宜，沉積在斜板底側上的泥渣靠重力自動滑入集泥斗。為使水流在池內均勻分布，進水常采用穿孔墻整流布水，出流常采用穿孔管或淹沒孔口，外設集水槽。集泥常用多斗式，以穿孔管或機械排泥。為了防止水流短路，應在池壁與斜板的間隙內裝設阻流板。 圖3-20 斜板斜管沉淀池 斜板傾角越小，則沉淀面積越大，沉淀效率也越高，從理論上來講450為最佳，但排

10、泥困難，通常傾角宜為500600。 斜管斷面形狀呈六角形并組成蜂窩狀斜管堆。斜板(管)的材料要求輕質、壁薄、堅固、無毒而價廉。斜板大多采用塑料板、玻璃鋼板或木板，斜管除上述材料外，還可以用酚醛樹脂涂刷的蜂窩，常以一種組裝形式安裝。 池出水一般采用多排孔管集水，孔眼應在水面以下2cm處，防止漂浮物被帶走。如漂浮物太多應設漂浮物收集及排除裝置。 斜板（管）沉淀池可采用多斗排泥，也可采用鋼絲繩牽引的刮泥車，刮泥車在斜板（管）組下面來回運動，將池底的污泥匯集到污泥斗。污泥斗及池底構造與一般平流沉淀池相同。 斜板(管)沉淀池有效率高、停留時間短、占地少等優點，但在廢水處理中應慎重使用。一般用在自來水廠、

11、選礦水尾礦漿的濃縮，煉油廠含油污水的隔油，城市污水處理的初沉處理等。 具體設計計算參見有關設計手冊氣浮原理及其設備3.1.5 氣浮裝置 氣浮法是利用高度分散的微小氣泡作為載體去粘附廢水中的顆粒物，使其密度小于水而上浮水面實現固液或液液分離的過程。在水處理中，氣浮法廣泛應用于處理含有細小懸浮物、藻類及微絮體的廢水、造紙廢水和含油廢水等（特別適用于含油、含纖維等疏水性的懸浮物的廢水）。依照產生微氣泡方式的不同，氣浮裝置可分為電解氣浮裝置、布氣氣浮裝置和溶氣氣浮裝置。 動畫演示3.1.5.1 電解氣浮裝置 電解氣浮是在直流電的作用下，采用不溶性的陽極和陰極直接電解廢水，正負兩極產生氫和氧的微細氣泡，

12、將廢水中顆粒狀污染物帶至水面進行分離的一種技術。氣泡直徑約為1060m，浮升過程中不會引起水流紊動，浮載能力大，特別適用于脆弱絮凝體的分離。此外，電解氣浮還具有降低BOD、氧化、脫色和殺菌作用，對廢水負荷變化適應性強，生成污泥量少，占地少，無噪聲。常用處理水量一般為 1020m3/h。由于電耗較高及操作運行管理，電極結垢等問題，較難適應處理水量大的場合。 電解氣浮裝置可分為豎流式和平流式兩種，如圖3-21和圖3-22所示。 圖3-21 豎流式電解氣浮池 圖3-22 平流式電解氣浮裝置 動畫演示動畫演示 葉輪氣浮設備示意圖如下。氣浮池底部設有葉輪葉片，由上部的電機驅動，葉輪上部裝設帶有導向葉片的

13、固定蓋板，葉片與直徑成600角，蓋板上開有1218個孔徑為2030mm的孔洞，蓋板外側的底部空間裝有整流板。 圖3-23 葉輪氣浮設備構造示意圖 3.1.5.2 布氣氣浮裝置 一、葉輪氣浮裝置動畫演示工作原理葉輪在電機驅動下高速旋轉，在蓋板下形成負壓，從進氣管吸入空氣，廢水由蓋板上的小孔進入。在葉輪的攪動下，空氣被粉碎成細小的氣泡，并與水充分混合形成水氣混合體甩出導向葉片之外，導向葉片可使阻力減小。再經整流板穩流后，在池體內平穩地垂直上升，形成的泡沫不斷地被緩慢轉動的刮板刮出槽外。圖3-24為葉輪蓋板的構造圖。圖324 葉輪蓋板的構造二、射流氣浮射流氣浮是采用以水帶氣的方式向廢水中混入空氣進行

14、氣浮。 射流氣浮的原理是由噴嘴射出的高速水流使吸入室內形成真空，從而使吸氣管吸入空氣。氣、水混合物在喉管內進行激烈的能量交換，空氣被粉碎成微細的氣泡。進入擴散段后，動能轉化為勢能，進一步壓縮氣泡，增大了空氣在水中的溶解度，隨后進入氣浮池。射流器各部分結構尺寸的最佳值一般通過試驗確定。 射流器構造圖動畫演示3.1.5.3 溶氣氣浮裝置溶氣氣浮是使空氣在一定壓力作用下，溶解于水中，并達到過飽和的狀態，然后再突然使溶氣水的壓強為常壓，此時空氣將以微細氣泡的形式從水中逸出，從而進行氣浮。溶氣氣浮形成的氣泡細小，其初粒度為80m左右。而且在操作過程中，還可以人為地控制氣泡與廢水的接觸時間。因此，溶氣氣浮

15、的凈化效果較好，特別在含油廢水、含纖維廢水處理方面已得到廣泛應用。根據氣泡在水中析出所處壓力的不同，溶氣氣浮可分為加壓溶氣氣浮和溶氣真空氣浮兩種類型。前者，空氣在加壓條件下溶入水中，而在常壓下析出；后者是空氣在常壓或加壓條件下溶入水中，而在負壓條件下析出。加壓溶氣氣浮是國內外最常用的氣浮法。 動畫演示動畫演示一、平流式氣浮池 平流式氣浮池在目前氣浮凈水工藝中使用最為廣泛，常采用反應池與氣浮池合建的形式，如下圖示。廢水進入反應池完成反應后，將水流導向底部，以便從下部進入氣浮接觸室，延長絮體與氣泡的接觸時間，池面浮渣刮入集渣槽，清水由底部集水管集取。該形式的優點是池身淺、造價低、構造簡單、管理方便

16、；缺點是與后續處理構筑物在高程上配合較困難、分離部分的容積利用率不高等。 圖326 平流式氣浮池動畫演示二、豎流式氣浮池常用的還有豎流式氣浮池，如圖3-27所示。其優點是接觸室在池中央，水流向四周擴散，水力條件比平流式單側出流要好，便于與后續構筑物配合；缺點是與反應池較難銜接，容積利用率低。常用氣浮設備還有加壓泵、空氣壓縮機、刮渣機等。 圖327 豎流式氣浮池動畫演示過濾原理及其設備3.1.6 濾池濾池是常用的深層過濾設備。按照過濾度的不同，可分為慢濾池（4m/s）、快濾池（410m/s）和高速濾池（1060m/s）三種；按作用力不同，有重力濾池（水頭有45m）和壓力濾池（作用水頭1525m）

17、兩種；按過濾時水的方向分，有下向流、上向流、雙向流和徑向流濾池四種；按濾料層組成分，有單層濾料、雙層濾料和多層濾料濾池三種。 過濾原理過濾過程演示反沖洗過程演示3.1.6.1普通快濾池普通快濾池是常用的過濾設備，也是研究其它濾池的基礎。一、快濾池的基本結構及工作原理圖3-28為普通快濾池的透視圖和剖面示意圖。快濾池一般用鋼筋混凝土建造，濾池內包括濾料層、承托層、配水系統、集水渠和洗砂排水槽五個部分；池外有集中管廊，配有原水進水管、清水出水管、沖洗水管、沖洗排水管等主要管道以及相配的控制閘閥等附件。圖3-28 快濾池構造圖 快濾池快濾池的運行過程主要是過濾和沖洗兩個過程的交替循環。過濾是生產清水

18、過程，過濾時加入凝聚劑的原水自進水管經集水渠、洗砂排水槽流入濾池，自上而下穿過濾料層和承托層，清水由配水系統收集，經清水總管流出濾池。此時開F1、F2閥，關F3、F4、F5閥。過濾一段時間后，由于濾料層不斷截污，濾料層孔隙逐漸減小，水流阻力不斷增大，另一方面水流對孔隙中截留的雜質沖刷力增大，使出水水質變差。當濾層的水頭損失達到最大允許值時，或當過濾出水水質接近超標時，則應停止濾池運行，進行反沖洗。 濾池反沖洗時，開F3、F4，關F1、F2。反沖洗水由沖洗水管經濾池配水系統進入濾池底部，由下而上逆向通過墊料層和濾料層，使濾料層膨脹、懸浮，借水流剪切力和顆粒碰撞摩擦力清洗濾料層并將濾層內污物排出。

19、沖洗廢水由洗砂排水槽、經集水渠和排污管排出。反沖洗完畢，濾池又進入下一個過濾周期。二、快濾池的組成部分濾料 濾料是濾池的核心部分，它提供懸浮物接觸凝聚的表面和納污的空間。在水處理中常用的濾料有石英砂、無煙煤粒、石榴石粒、磁鐵礦粒、白云石粒、花崗巖粒及聚丙烯發泡塑料球等，其中以石英砂使用最廣。 2. 配水系統 快濾池配水系統的作用是均勻收集濾后水，更重要的是均勻分配反沖洗水，故又稱為排水系統。 管式大阻力配水系統由一條干管(或渠)和若干支管所組成，支管上開有向下成450角的配水孔，相鄰兩孔的方向相錯開，配水孔總面積與濾池面積之比為0.2%0.25%。圖3-29 管式大阻力配水系統 當濾池面積較大

20、，干管直徑較大時，為了保證干管頂部配水，可在干管頂上開孔安裝濾頭(圖3-30a)，或將干管埋設在濾池底板以下，干管頂連接短管，穿過底板與支管相連(圖3-30b)。 小阻力配水系統的形式很多，最常用的是穿孔板上安裝濾頭。常見的濾頭為圓柱型和塔型兩種(圖3-31)，沖洗水從穿孔板下空間流入濾頭，通過濾頭的縫隙分配入濾池。穿孔板與濾池底的空間為集水空間，高度為0.3m，水在集水空間內流動的阻力可以忽略不計。通常，每平方米濾池面積，安裝濾頭4060個，總縫隙面積為濾池面積的0.5%2%。 圖3-31 過濾頭 3. 排水槽及集水渠 排水槽用以均勻收集和輸送反沖洗污水，因此，排水槽的分布應使排水槽溢水周邊

21、的服務面積相等，并且在濾池內分布均勻。此外，排水槽應及時將反洗污水輸送到集水渠，不致產生壅水現象。如果排水槽壅水，槽內水面將與反沖洗時的濾池水面連成一片，反沖洗污水就不能以溢流形式排除，從而影響反沖洗水的分布。在排水槽的末端，反沖洗污水應以自由跌落的形式流入集水渠，集水渠的水面不干擾排水槽的出流。 圖3-32 沖洗排水槽斷面形狀 為了使所設置的排水槽不影響反沖洗水的均勻分布，槽的橫斷面一般采用圖3-32所示的形狀。每單位槽長溢流流量必須相等，一般沿槽長方向槽寬不變，而是采用傾斜槽底，起端的槽深度為末端深度的一半.3.1.6.2無閥濾池 圖3-33為開敞式無閥濾池結構示意圖。圖3-33 重力式無

22、閥濾池結構示意圖 工作原理原水自進水管2進入濾池后，自上而下穿過濾床，濾后水經連通管進入頂部貯水箱，待水箱充滿后，過濾水由出水管12排入清水池。隨著過濾進行，水頭損失逐漸增大，虹吸上升管3內的水位逐漸上升(即過濾水頭增大)，當這個水位達到虹吸輔助管的管口處時，廢水就從輔助管下落，并抽吸虹吸管頂部的空氣，在很短的時間內，虹吸管因出現負壓而投入工作，濾池進入反沖洗階段。貯水箱中的清水自下而上流過濾床，反沖洗水由虹吸管排入排水井。當貯水箱水位下降至虹吸破壞管口時，虹吸管吸進空氣，虹吸破壞，反洗結束，濾池又恢復過濾狀態。無閥濾池多用于中、小型給水工程，且進水懸浮物濃度宜在100mg/L以內。由于采用小

23、阻力配水系統，所以單池面積不能太大。現有標準設計可供選用。動畫演示具體設計計算參見有關設計手冊3.1.6.3虹吸濾池虹吸濾池的濾料組成和濾速選定，與普通快濾池相同，采用小阻力配水系統。所不同的是利用虹吸原理進水和排走反洗水，其構造和工作原理如圖3-34所示.圖3-34 虹吸濾池構造和工作原理圖 動畫演示圖3-34的右半部表示過濾時的情況：經過澄清的水由進水槽1流入濾池上部的配水槽2，經虹吸管3流入進水槽4，再經過進水堰5(調節各單元濾池的進水量)和布水管6流入濾池。水經過濾層7和配水系統8而流入集水槽9，再往出水管10流入進水井11，由控制堰流出濾池。濾池在過濾過程中水頭損失不斷增長，濾池內水位不斷上升。當水位上升到預定i高度(一般為1.52.0m)時，則破壞進水虹吸作用，停止進水，濾池即自動進行反沖洗。 圖3-34