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清华大学水处理教程pdf

发布时间:2019-05-25 18:14 来源:未知 编辑:admin

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  《水处理工程》 第一篇 水与废水物化处理的原理与工艺 (讲义) 黄霞 清华大学环境科学与工程系 主要参考书: (1) 顾夏声等:《水处理工程》第一版,清华大学出版社,1985 (2) 严煦世、范瑾初编著:《给水工程》第四版,中国建筑工业出版社,1999 (3) 张自杰等编著:《排水工程》第四版,中国建筑工业出版社,2000 (4) George Tchobanoglous, Franklin L. Burton and H. David Stensel: Wastewater Engineering, treatment disposal and reuse, Fourth edition, Metcalf & Eddy, Inc., (清华大学出版社影印,2002 年 8 月) (5) Ronald L. Droste: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., 1997 (6) 《环境工程手册》之《水污染防治卷》,张自杰等,高等教育出版社,1996 第一章 绪论 第1节 水资源循环与特点 一、中国水资源特点 1. 人均占有量少 淡水总量在全世界占第 6 位。 但人均占有量只有 2340m3/人年(以 12 亿人口计),世界平均水准的 1/4,占 88 位。 2. 空间分布不均 81 %的水资源分布在长江流域及其以南 东南地区降水量可达 1600mm,造成涝灾 西北地区降水只有 500mm,少的地区不到200mm 1 3. 年内及年际变化大 60 -80 %降水集中在夏季,7,8,9 月;年际变化差 3 -6 倍(大时) 4. 许多地区缺水严重 三北(西北、华北、东北)和沿海(青岛、大连) 在 640 个城市中,300 多个城市缺水。 二、水资源的自然循环与社会循环 三、水处理工程的任务 给水工程:取水――给水处理――配水 针对不同的水源水水质,经处理后满足工农业和生活的对水质与水量的要求。 排水工程:废水收集(来源于生活、工业和农业)――废水处理――排放或回用 第 2 节 水污染现状及来源 一、水污染现状 3 污水处理率低:污水排放排放量接近 400 亿 m 。 工业废水处理率约 80 %,达标排放的只有60 % 城市污水处理率15 % 90 %以上的城市水域受到污染,特别严重的水系:三河:淮河、海河、辽河 湖泊富营养化严重:滇池、巢湖(安徽)、太湖(江苏) 50 %左右地下水水质受到污染 50 %以上的重点城镇饮用水源不符合标准 二、水污染来源 1.工业污染源 2. 生活污染源 3. 养殖业 4. 面污染源: 三、 污染物性质与水质指标 1. 污染物性质 按化学物质分:有机物 2 无机物 按物理形态大小分:悬浮物 胶体 溶解性 2 .废水水质指标 1)物理性质:色,温度,SS 2)化学性质:pH 、有机物、溶解性固体、有毒物、N 、P 有机物:综合指标:BOD 、COD、TOD (总需氧量) 单项指标 3)生物学指标:细菌总数、大肠菌数 四、 水污染原因 1.人口增加和经济增长的压力: 2 .粗放型发展模式 3. 面源污染严重 4 .污水处理率偏低,大量污水直接排放 5 .环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够 6. 排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用 7. 历史欠帐太多,资金投入严重不足 五、水污染防止战略对策与保障措施 战略对策: 1.加快城市废水处理厂的建设步伐,实施废水资源化 2 .尽快实现从末端治理向源头控制的的战略转移,大力推行清洁生产 3 .从单纯的点污染源治理转向点源、内源和面源的流域综合综合治理 4 .切实保护饮用水源地,提高饮用水安全性 保障措施: 1.严格以法治水,制定并实施有效的法律、规章、制度 2.完善水的管理体系,改变“多龙管水”的现象 3.加大水污染治理投资 4.采取有利于水污染防治的经济政策 第 3 节水质标准 一、 饮用水卫生标准 回顾历史,改善的方向: 注重水的外观、预防传染病―去除重金属――去除微量有机物 内分泌紊乱物质。 有关的内分泌紊乱物质的提出始于 90 年代初野生动物学者的会议上。 96 年美国开始食品、饮用水中内分泌紊乱物的筛控方法研究。然后欧洲经济协力开发 组织开始研究。 97 年日本,定出被怀疑的物质 67, 包括:(1)杀虫剂、除草剂,45 种;(2 )工业原料, 有机氯化合物;(3 )副产物,如二恶英。 3 国际上: 有现代意义的饮用水标准是在本世纪初在美国出现―― 《公共卫生署饮用水水质标准》1914 年,只针对细菌数量 由此大大减少了伤寒病死亡的人数。 到 1962 年期间,有过修订,但主要是针对化学物质、生物学指标和感官指标 1974 年通过了《安全饮用水法》(Safe drinking water act), 1975 年颁布了《国家暂行饮用水基本规则》(National Interim primary drinking water regulations )――美国饮用水水质标准上的里程碑 增加了 6 种有机物的限制 1979 年修改《国家暂行饮用水基本规则》 1986 年提出了《安全饮用水法修正案》(Safe Drinking Water Act Amendments) 《暂行规定》♥《国家饮用水基本规定》(National Primary Drinking Water Regulations ) 提出了达到该标准的最佳可行技术(Best available technology )。 以后,不断改进,增加限制有机物的种类。 美国等的情况代表了国际上先进水平水质标准的发展趋势。有机物指标的数目超过 了水质指标总数的2/3 ,特别是消毒副产物项目的增加。 国内情况: 1956 年 制订了第 1 个「生活饮用水卫生标准(试行)」,16 项水质指标 1976 年 项目修订增加到 23 项 1986 年 「――――」GB5749-85 共 35 项,关于有机物指标只有 6 项 2001 年 6 月新标准[生活饮用水卫生规范] 二、 工业与其它用水标准 1.工业用水标准 2 .其它:游泳、渔业、灌溉 三、 废水排放标准 1. 地表水环境质量标准 首次发布 1983 年 第 1 次修订 1988 年 第 2 次修订 1999 年 GHZB1-1999 ,2000 年 1 月 1 日起实施。 分成基本项目和特定项目 特定项目适用于地表水域特定污染物的控制。 共计 75 项,其中基本项目 31 项,以控制湖泊水库富营养化为目的的特定项目 4 项 以控制地表水I,II,III 类水域有机化学物质为目的的特定项目 40 项。 水体分类: I 类 主要适用于源头水、国家自然保护区; II 类 主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵区 III 类 主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区 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区域 4 2 . 污水综合排放标准 原有标准:GB8978 -88 污染物分成两类: I 类(9 项):对人体健康产生长远影响,不允许稀释,一律执行严格标准 II 类(20 项):长远影响小于I 类 针对排放区域和新建、现有,执行不同的标准。 修订标准:GB8978 -1996 颁布,98 年 1 月 1 日开始实施。 I 类:增加到了 13 项 II 类:增加到了 56 项目 仍按排放区域不同执行不同的标准。 3 . 行业排放标准 第 4 节 水处理方法和工艺流程简介 一、给水处理 (一)给水处理的基本方法 1.去除水中的悬浮物:混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒 2 .变革水中溶解物质:减少、调整 如软化、除盐、水质稳定 3 .降低水温:冷却 4 .去除微量有机物 (二) 常规处理工艺 以没有受到污染的地面水源为生活饮用水水源时: 原水-混凝-沉淀-过滤-消毒-饮用水 以去除浊度、满足卫生学标准。 地面水源水质:杂质多、含盐量较低。 工业用除盐水:滤过水-阳离子交换-阴离子交换――除盐水 (三)其它水处理工艺 1.高浊度水处理工艺 2 .低温第浊水处理工艺 3 .微污染水处理工艺 4 .富营养化湖泊水处理工艺 (四)热点问题与发展方向 有机污染物 特别是 80 年代以后,对有机物的污染特别关注。 已发现在给水水源中有机物种类在2000 种以上;饮用水中有 700 多种。 美国确立了 117 种优先控制有机物。 我国也确定了 12 类,58 种。 病原微生物:新的病原微生物:如贾第虫(Giardia Lamblia )、隐孢子虫等。 管网水二次污染:细菌繁殖――水质变差、管道堵塞 5 水处理技术的发展方向: 加强微量有机物去除: 加强常规处理 增加预处理(如生物预处理) 增加后处理(如活性炭吸附、化学氧化) 开发新技术(如膜技术) 加强消毒:防止各种致病微生物的影响 消毒副产物的问题:替代氯的其它消毒技术 管网水二次污染控制: 二、废水处理 (一)基本处理方法 1.物理法:沉淀、气浮、筛网 2 .化学法:处理溶解性物质或胶体 中和、吹脱、混凝、消毒 3 .生物处理方法:好氧、厌氧 (二)城市污水处理一般流程 预处理 一级处理 二级处理 三级处理 原 排放或利用 排放或利用 废 水 格 沉 初 生物处理 二 物化处理 消 排放或利用 活性污泥法 栅 砂 沉 或生物膜法 沉 或生物处理 毒 初 沉 回流污泥 污 泥 剩余污泥 沼气利用 处置或利用 消化 脱水 上清液 预处理:Preliminary treatment 一级处理:Primary treatment 二级处理:Secondary treatment 三级或深度处理:Tertiary or advanced treatment 深度处理一般以污水回收、再用为目的。 BOD 去除率 SS 去除率 一级处理 20 -40 50 -70 二级处理 75 -95 75 -95 存在问题: 基建与运行费用高,占地大,剩余污泥产量大,管理麻烦,不能除去氮磷。 发展方向: 低耗高效处理技术:天然处理 6 厌氧处理技术 深度处理与再生利用技术 污泥处理技术 传统污水系统的变革 (三)工业废水处理 根据水质不同、处理程度工艺而异。 一般大多以生物处理为主, 但常有前处理(调节、气浮除油、中和) 根据需要有后处理:混凝、过滤、活性炭吸附 重要课题:难降解有机物工业废水的治理技术, 如农药废水、造纸废水、染料废水等。 7 第二章 混凝 第1节 混凝的去除对象 混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物,是一种化学方法。 范围在:1nm~0.1μm (有时认为在1μm ) 混凝目的:投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质:粘土(50nm-4 μm ) 细菌(0.2μm-80μm ) 病毒(10nm-300nm) 蛋白质(1nm-50nm)、腐殖酸 1637 年 我国开始使用明矾净水 1884 年 西方才开始使用 混凝过程涉及到三个方面的问题:水中胶体的性质 混凝剂在水中的水解与形态 胶体与混凝剂的相互作用 第2节 胶体的性质 一、胶体的稳定性 1.动力学稳定性:布朗运动对抗重力。 2 .聚集稳定性:胶体带电相斥(憎水性胶体) 水化膜的阻碍(亲水性胶体) 两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。 二、胶体的双电层结构 动电位ζ电位:决定了胶体的聚集稳定性 一般粘土ζ电位=-15~-40mV 细菌ζ电位=-30~-70mV 三、DLVO 理论 胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用 和距离来评价。由下列两方面的力决定: 2 静电斥力:ER -1/d 6 2 3 范德华引力:EA -1/d (有些认为是1/d 或 1/d ) 由此可画出两者的综合作用图。 另一方面,胶体的布朗运动能量 Eb =1.5kT 8 k :波兹曼常数,T :温度 EbEmax (势垒) 胶体距离 xoa, 凝聚(一次凝聚) xoa , 稳定(二次凝聚除外) 以上称为DLVO 理论。只适用于憎水性胶体。 德加根(derjaguin )、兰道(Landon )(苏联,1938 年独立提出〕 伏维(Verwey )、奥贝克(Overbeek )(荷兰,1941 年独立提出) 胶体的凝聚: 降低静电斥力――ζ电位↓――势垒↓――脱稳――凝聚 办法:加入电解质,但只适用于憎水性胶体 第 3 节 水的混凝机理与过程 一、铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表的是硫酸铝 Al (SO ) ⋅18H O ,溶于水后,立即离解铝离子,通常是以 2 4 3 2 [Al(H O) ]3+存在。在水中,会发生下列过程。 2 6 1.水解过程 配位水分子发生水解: 3+ 2+ + [Al(H O) ] ――[Al(OH)(H O) ] + H 2 6 2 5 ……. 其结果是:价数降低,pH 降低,最终产生――Al(OH)3 沉淀 2 .缩聚反应 -OH -发生架桥,产生高价聚合离子(多核羟基络合物) …….. 其结果是:电荷升高,聚合度增大 同时多核羟基络合物还会继续水解。 因此,产物包括:未水解的水合铝离子 单核羟基络合物 多核羟基络合物 氢氧化铝沉淀 各种产物的比例多少与水解条件(水温、pH 、铝盐投加量)有关。 二、混凝机理 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚(Coagulation )、絮凝(Flocculation ) 混凝:包括两者 1.压缩双电层 根据 DLVO 理论,加入电解质对胶体进行脱稳。 电解质加入――与反离子同电荷离子↑――压缩双电层――ζ电位↓――稳定性↓――凝 聚 9 ζ电位=0,等电状态,实际上混凝不需要ζ电位=0,只要使 Emax=0 即可,此时的ζ电位称 为临界电位。 示例:河川到海洋的出口处,由于海水中电解质的混凝作用,胶体脱稳凝聚,易形成三 角洲。 叔采-哈代法则可以适用,即:凝聚能力∝离子价数 6 但该理论不能解释:1)混凝剂投加过多,混凝效果反而下降; 2 )与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。 这些都与胶粒的吸附力有关,绝非只来源于静电力,还来源于范得华力、氢键及共价键 力(多出现在有聚合离子或高分子物质存在时)。 2 .吸附- 电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子 物质、胶粒等,来降低ζ电位。这一点与第 1 条机理不同。 在铝盐混凝剂的过程中,水解的多核羟基络合物主要 起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的 Al3+产生的 单纯的压缩双电层作用甚微。 3 .吸附架桥 指高分子物质和胶粒,以及胶粒与胶粒之间的架桥 高分子投量过少,不足以形成吸附架桥,但投加过多, 会出现“胶体保护”现象。 4 .网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚 ―――澄清池中发生的现象 根据以上机理,可以解释在不同 pH 条件下,铝盐可能产生的混凝机理。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 pH=4 -5 多核羟基络合物起吸附电性中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性中和;氢氧化铝起吸附架桥、网捕 10 天然水体一般 pH=6.5-7.8 三、混凝过程 1.凝聚(coagulation ) 带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――ζ电位↓――脱稳――凝聚, 生长成约 d=10μ 特点:剧烈搅拌,瞬间完成 →→在混合设备中完成 2 .絮凝(flocculation ) 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒――生长成大矾花 d=0.6-1.2mm 特点:需要一定时间,搅拌从强→弱 →→在絮凝中设备完成 第 4 节 混凝剂和助凝剂 一、混凝剂 种类有不少于 200 -300 种。 分类: 硫酸铝 适宜 pH :5.5~8 铝系 明矾 聚合氯化铝(PAC ) 聚合硫酸铝(PAS ) 无 三氯化铁 适宜 pH :5~11,但腐蚀性强 机 铁系 硫酸亚铁 硫酸铁(国内生产少) 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型:含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多,国内尚少 阴离子型:水解聚丙烯酰胺(HPAM ) 人工 非离子型:聚丙烯酰胺(PAM ),聚氧 合成 化乙烯(PEO ) 有 两性型: 使用极少 机 天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂 发展方向: 无机复合聚合物混凝剂:聚合硫酸铝铁(PFAS )、聚合氯化铝铁(PFAC )、聚合硫酸氯化铁 (PFSC )、聚合硫酸氯化铝(PASC )、聚合铝硅(PASi )、聚合铁硅(PFSi )、聚合硅酸铝(PSA )、 聚合硅酸铁(PSF ) 无机-有机复合:聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁- 甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、 聚合铝/铁-其它合成有机高分子 有机高分子絮凝剂:阳离子有机化合物 天然改性高分子絮凝剂:无毒易降解,如甲壳素等 11 多功能絮凝剂:絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻 微生物絮凝剂 二、助凝剂 可以参加混凝,也可不参加混凝。 1.酸碱类:调整水的pH ,如石灰、硫酸等 2 .加大矾花的粒度和结实性:如活化硅酸(SiO nH O )、骨胶、高分子絮凝剂 2 2 3 .氧化剂类:破坏干扰混凝的物质,如有机物。如投加Cl2 、O3 等 第 5 节 混凝动力学 颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学 一、异向絮凝 由布朗运动造成的碰撞,主要发生在凝聚阶段。 颗粒的碰撞速率 Np =8/(3νρ) KTn2 n :颗粒数量浓度 ν:运动粘度 凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np 只与颗粒数量有关,而与颗粒粒径无关。 当颗粒的粒径大于 1μm ,布朗运动消失。 二、同向絮凝 由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。 2 3 碰撞速率 N0 =4/3 n d G d :颗粒粒径 G =ΔU/ΔZ(速度梯度) (相邻两流层的速度增量) 可由水流所耗功率 p 来计算。 p =τG τ:剪切应力 p :单位体积流体所耗功率,W/m3 按照牛顿定律 τ=μG G p / μ (1/s) (1943 年发明的理论,甘布公式) μ:动力粘度,Pa s p :水流所耗功率,W/m3 12 水力搅拌时 pV =ρgQh (由水流本身能量消耗提供) 水流体积 V =QT gh G νT 2 ν:运动粘度,m /s h :水头损失,m T :水流在混凝设备中的停留时间 但存在问题: 层流假设→基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算? 微涡旋理论 G 增加→碰撞机率增加→絮凝效果增加 但破碎程度也增加。 此现象尚未很好从理论上得到描述。 三、混凝控制指标 用 G 可以来判断混合和絮凝的程度: -1 ,但剧烈搅拌是为尽快分散药剂 混合(凝聚)过程:G =700 -1000s 时间通常在 10~30s,一般2min 絮凝过程 :不仅与G 有关,还与时间有关。 -1 4 5 平均 G =20 -70s , GT =1~10 -10 实际设计,采用 V 和 T,反过来校核 GT 或者平均 G 最近采用:GTC(建议值 100),C:颗粒浓度 第6节 混凝影响因素 主要包括:水温、水化学特性、杂质性质和浓度、水力条件(前面已有叙述) 一、水温 低温,混凝效果差,原因是: 1)无机盐水解吸热 2 )温度降低,粘度升高――布朗运动减弱 3 )胶体颗粒水化作用增强,妨碍凝聚 二、pH 及碱度 视混凝剂品种而异。 无机盐水解,造成 pH 下降,影响水解产物形态。 根据水质、去除对象,最佳 pH 范围也不同。 需碱度来调整 pH ,碱度不够时需要投加石灰。 三、水中杂质浓度 杂质浓度低,颗粒间碰撞机率下降,混凝效果差。 对策:1)加高分子助凝剂 2 )加粘土 3 )投加混凝剂后直接过滤 13 四、混凝效果的评价 烧杯试验(Jar test ) 第 7 节 混凝设备 一、混凝剂的配制与投配 一般采用液体投加的方式。 1.投配流程: 药剂-溶解池-溶液池-计量设备-投加设备-混合设备- 2 .剂量与投加方式 计量:流量计(转子、电磁)、孔口、计量泵 投加方式:泵前投加,虹吸投加,水射器投加,泵投加 3 .投加量自动控制 最佳投加量:既定水质目标的最小混凝剂投加量 一般采用混凝搅拌试验,确定最佳混凝剂投加量,然后进行人工调节。 自动控制方法:数学模型法:需要大量的生产数据、涉及仪表多 现场模拟试验法:根据试验结果反馈到投药,仍有一定滞后。 流动电流检测器(SCD ):流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来 作用下随流体流动而产生的电流。 絮凝监测器:利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化 二、混合设备 水泵混合:投药投加在水泵吸水口或管上。 管式混合:管式静态混合器、扩散混合器,混合时间 2 -3 秒 机械混合:搅拌 三、絮凝设备 ♦隔板絮凝池:由往复式和回转式两种 水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。 往复式总水头损失一般在 0.3 -0.5m,回转式的水头损失比往复式的小40 %左右。 特点:构造简单、管理方便,但絮凝效果不稳定,池子大。适应大水厂 设计参数:流速:起端 0.5-0.6m/s,末端 0.2-0.3m/s 段数:4 -6 段 絮凝时间:20 -30 分 隔板间距:不大于 0.5m 14 ♦折板絮凝池:通常采用竖流式,与隔板式相比, 水流条件大大改善,有效能量消耗比例提高,絮凝 时间 10-15 分 但安装维修较困难,折板费用较高 ♦机械絮凝池: 浆板式和叶轮式 水平轴式和垂直轴式 调节容易,效果好,大、中、小水厂均可 但维修是问题。 ♦穿孔旋流 ♦不同形式的组合 第 8 节 混凝的应用 一、给水处理 以地面水为水源时,去除浊度和细菌。 经混凝沉淀后一般浊度小于 10 度 二、废水处理 1.工业废水:用于处理一些特殊的废水,脱色、去除悬浮物等 ♦印染废水处理:适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。 混凝剂的选择与染料种类有关,需做混凝试验。 15 可以单独用无机混凝剂,也可和有机高分子絮凝剂联用。 例:某针织厂废水 TOC 为 50 -60mg/L,pH 值为 7.5 。 采用 PAC 混凝剂,投加量为 140mg/L 时,TOC 去除率为 68 %。 ♦含油废水处理:乳化油颗粒小、表面带电荷,加混凝剂,压缩双电层。 通常采用混凝气浮工艺。 例:兰州炼油厂废水加 PAC 采用二级气浮 原水含油 50-100mg/L 投加 PAC50mg/L 一级气浮出水,油 20 -30mg/L PAC30mg/L 二级气浮出水,油 15-20mg/L ♦肉类加工厂废水处理: 例:某肉类加工厂屠宰废水 COD 为 670mg/L,用聚合硫酸铁处理后,COD 去除率在 77 %以上。 混凝优点:上马快、投资省、效果好,但运转费高,沉渣多 2 .废水深度处理与回用 如:1)加利福尼亚州橘子县21 世纪水厂再生水回灌地下 石灰 生化处 理出水 化学澄清 汽 提 中 和 3 56775m /d 煅 烧 沉渣 空气 CO2 3 37850m /d 消 毒 回灌 活性炭 过 滤 地下 反渗透 3 18925m /d 2 )南非纳米比亚的首都温德和克: 世界上第一座将城市污水再生水直接用作饮用水源 3 .改善污泥脱水性能 16 第三章 沉淀与澄清 (Sedimentation, or settling and Clarification) 第 1 节 沉淀原理与分类 一、原理 利用颗粒与水的密度之差,比重1 ,下沉 比重1 ,上浮 沉淀工艺简单,应用极为广泛,主要用于去除 100um 以上的颗粒 给水处理――混凝沉淀,高浊预沉 废水处理――沉砂池(去除无机物) 初沉池(去除悬浮有机物) 二沉池(活性污泥与水分离) 二、分类 自由沉淀:离散颗粒、在沉淀过程中沉速不变 (沉砂池、初沉池前期) 絮凝沉淀:絮凝性颗粒,在沉淀过程中沉速增加 (初沉池后期、二沉池前期、给水混凝沉淀) 拥挤沉淀:颗粒浓度大,相互间发生干扰,分层 (高浊水、二沉池、污泥浓缩池) 压缩沉淀:颗粒间相互挤压,下层颗粒间的水在上层颗粒的重力下挤出,污泥得到浓缩。 第 2 节 自由沉淀(discrete particle settling) 一、颗粒沉速公式(Stokes’ law) 假设沉淀的颗粒是球形 3 所受到的重力为 F1= 1/6 π d (ρ - ρ ) g p l 2 2 所受到的水的阻力 F2=C ρ u /2 π d /4 D l CD 与颗粒大小、形状、粗造度、沉速有关。 平衡时:F1 =F2 可得到沉速(terminal velocity)计算公式(对球形颗粒): − 4 g ρ ρ u p l d 3 CD ρl 对于非球形颗粒: − 4 g ρ ρ u p l d 3 CDφ ρl φ:形状系数 CD 与 Re 有关。 Re1, CD= 24/Re 1 ρ −ρ u p l gd 2 18 μ μ:水的动力粘度,Pa s 17 该公式难以反映实际,因为实际中颗粒大小不一,不是球形。 但可以了解 u 的影响因素。 此外,一般 d 难以测定,在层流区,颗粒太小。可以通过测定 u ,算出 d (注意是名义 上的)。 二、颗粒沉淀实验 h t=0 t=ti 1.在 ti 时,从底部取样,测定 Ci 2.计算 ti⇒ ui = h/ti Ci ⇒ pi = Ci/C0 p :沉速小于u 的颗粒占全部颗粒的比重 i i 3. p -u 曲线(颗粒粒度分布曲线 的颗粒全部去除 uu0 的颗粒部分去除 hi/h = u t /(u t ) = u/u i 0 0 0 0 18 p 0 P (1−p 0) +1/ u0 u dp ∫ i i 0 通过实验可绘制以下曲线: E-t 曲线 E -u 曲线(与水深无关) 中部取样法: P= (C -C)/C *100% 0 0 三、理想沉淀池 假设: 1.颗粒为自由沉淀 2 .水流水平流动,在过水断面上,各点流速相等。 3 .颗粒到底就被去除。 水平流速 v=Q/(h0 B) B: 池宽 考察顶点,流线 III :正好有一个沉降速度为u0 的颗粒从池顶沉淀到池底,称为截留速度。 u≥u0 的颗粒可以全部去除 uu0 的颗粒只能部分去除 去除率为 E =u /u = u /(Q/A) i 0 i q=Q/A =u0 表面负荷或溢流率 对于颗粒沉速小于 u0 的颗粒来讲,去除率为 E =ui/u0 = ui/(Q/A) 19 由上式可知,颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关,而与其它因素(如水深、 池长、水平流速、沉淀时间)无关。 (Hazen 理论,1904 年) 但实际沉淀池是偏离理想沉淀池。 从上式反映以下两个问题: 1 )E 一定,ui 越大,表面负荷越大,或 q 不变但 E 增大。ui 与混凝效果有关,应重视加 强混凝工艺。 2 )ui 一定,增大 A ,可以增加产水量 Q 或增大 E 。当容积一定时,增加A ,可以降低水 深――“浅层理论”。 第 3 节 絮凝沉淀(flocculent settling) 一、特点 在沉淀过程中,颗粒变大,沉淀变大。 悬浮物的去除率不仅与沉速有关,而且与深度,时间有关。 无理论描述公式,只能通过沉淀实验预测沉淀效果。 二、沉淀实验 沉淀柱高度=实际沉淀池深度 1)在时间ti ,不同深度测 Ci 2) 计算各深度处的颗粒去除百分率 p =(C -Ci)/C *100% 0 0 3 )绘制去除百分率等值线 )计算颗粒去除率 方法 1:按自由沉淀来类推(参考图 16-9 ) h / t h / t P p + 1 0 (p −p ) + 2 0 (p −p ) +... 2 3 2 4 3 u u 0 0 方法 2 :中部取样法 20 P =(C -C )/C *100% C:h/2 处的浓度 0 0 三、沉淀效率、表面负荷和停留时间之间的关系 要求一定的去除率 设计停留时间和表面负荷 假定不同的水力停留时间 t计算总去除率 P 得出相应的表面负荷 q 绘制三者之间的关系曲线 注意:曲线与水深有关。 间 荷 时 负 留 面 停 表 沉淀效率 第 4 节 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling) 一、特点 发生在 SS 浓度较高的情况 分层沉淀,出现清水-浑水交接面 出现4 个区,参见图 16-2 。 A :清水区 B :等浓度区(与原水颗粒浓度相同)或称受阻沉降层 颗粒沉速等于界面(1-1 面)沉降速度,等速下降(Vs ) C :变浓度区 颗粒浓度由小变大 D :压实区 颗粒沉速从大――小 悬浮物缓慢下沉是这一区内悬浮物缓慢压实过程 界面(2 -2 面)以一定速度上升 沉淀开始,1-1 面下降,2 -2 面上升 当t =tc 时,1-1 面和 2 -2 面相遇时,临界沉降点 当再延长沉降时间,污泥层就会发生压实。 分区的条件:最大颗粒粒径/最小颗粒粒径6 发生在:混凝后的矾花(2-3g/L ) 活性污泥1g/L 高浓度泥沙5g/L 二、沉降过程曲线 界面的高度为坐标,可以作出沉降过程曲线 b-c 的斜率代表 1-1 界面的等速沉降 Cc 为临界点 最后压实高度为 H∞ 沉降过程曲线的相似性,与水深无关(当原水颗粒浓度一样时)。 OA1/OA2 =OB1/OB2 A1 B1 A2 由一个水深的沉降过程曲线可以作出其它水深条件下的 曲线 证明见:Kynch 理论 界面沉降速度 Vs 与颗粒浓度有关 Vs= f(C) 对于活性污泥 Vs=a c-n (n1 ) 临界点图解近似求解法 第 5 节 沉淀池 一、分类 平流式 竖流式 辐流式 斜流式 二、平流式沉淀池 进水区、沉淀区、存泥区、出水区 1.构造 1)进水区 流量均匀分布 可采用配水孔或者缝 给水中,通常采用穿孔花墙 v0.15-0.2 m/s 2 )沉淀区 水力条件要求: 22 减少紊动性:紊动性指标 Re = vR/ν ν:运动粘度 提高稳定性:弗劳德数 Fr =v2/Rg (Fr 高,表明对温差、密度差异重流和风浪的 抵抗能力强。 同时满足的只能降低水力半径R ,措施是加隔板 L/B4, L/H10 水流速度的控制也很重要 适宜范围:10-25 mm/s (给水) 5 -7mm/s (污水) 3 )出水区 出水均匀。通常采用:溢流堰(施工难) 三角堰(对出水影响不大) 淹没孔口(容易找平) 控制单位堰长的出水量: 3 给水:500 m /(m d) 初沉:2.9L/(m s) 二沉:1.5- 2.9 L/(m s) 4 )存泥区及排泥措施 泥斗排泥 靠静水压力 1.5 – 2.0m ,下设有排泥管 多斗形式,可省去机械刮泥设备(池容不大时) 机械排泥 带刮泥机,池底需要一定坡度 虹吸吸泥车 2 .设计计算 1)设计参数的确定 u0 或 T0 由沉淀实验得到 选 u0 时,絮凝性颗粒池深要与实验柱高相等 选 T0 时,无论颗粒的性质如何池深要与实验柱高相等 考虑水流的影响 u 设 =u0/1.25-1.75 T 设 =1.5-2.0 T0 在数值上,q 设 =u 设 根据经验: 3 2 q 设 (m /m h ) T 设(h) 给水处理(混凝后) 1 -2 1-3 初次沉淀池 1.5-3 1-2 二次沉淀池(生物膜法后) 1-2 1.5-2.5 (活性污泥法后) 1-1.5 1.5-2.5 2 )设计计算 23 以q 来计算 A =Q/q 设 L=3.6 v T ;T :水力停留时间 水流流速 v =10-25mm/s (给水) 5 -7mm/s (污水) 宽度 B =A/L 以T 来计算 计算有效体积 V =Q T 选池深 H (3.0-3.5m ) 计算 B =V/(LH) L=3.6 v T 校核水流的稳定性,Fr =10-4~10-5 之间。 二、竖流式沉淀池 水流上升速度 v 颗粒沉速v ,下沉 ≤v, 沉不下来 根据沉淀实验得 u0u 设 ;v 设≤u 设 沉淀去除率=1-p0 无沉淀资料时,对于生活污水,v 设 =1.5- 3 m/h, T 设 =1 – 2.0 h 由v 设→A=Q/v 设 注意:A 的算法 →直径φ 由T 设→H=v 设 T 设 φ/H3,使水流接近竖流,φ10m 注意:中心管的流速不宜太大,30mm/s 适用于小水深,池深大,但沉淀效果较差 排泥方便,占地小。 24 三、幅流式沉淀池 1.中央进水幅流式 带刮泥机:中央驱动式 周边驱动式(使用较多) φ=20-30mm,φ16mm 适用于大水量,但占地大,机械维修,配水条件差 由于水流速度由大――小 颗粒沉降轨道是曲线。 计算:由 q 设 ――A =Q/q 设 H =u 设 T 设 u 设:1.5-3m/h; T 设:1.5-2.5h 2.向心幅流式 周边进水――中心进水:进水断面大,进水易均匀 周边进水――周边出水 向心式的表面负荷可提高约 1 倍。 四、斜板(管)沉淀池 1.原理 沉淀效率=ui/Q/A 在原体积不变时,较少 H ,加大A ,可以提高沉淀效率或提高 Q ⇒浅层理论 25 1904 年 Hazen 提出 1945 年 Camp 认为池浅为好 1955 年 多层沉淀池产生(Fr 和 Re 可以同时满足) 1959 年 日本开始应用斜板 1972 年中国汉阳正式应用 断面形状:圆形、矩形、方形、多边形 除园性以外,其余断面均可同相邻断面共用一条边。 水力半径 Rd/3 斜板 R≤d/3 斜管 斜管比斜板的水力条件更好。 材质: 轻质,无毒 纸质蜂窝、薄塑料板(硬聚氯乙烯、聚丙烯) 2 .构造 1)异向流 异向流基本参数: θ=60 度,L =1-1.2m 板间距 50 -150mm 清水区 0.5-1.0 m 布水区 0.5-1.0 m u0=0.2-0.4 mm/s, v≤3 mm/s Q 设 =ηu0 (A 斜 +A 原 ) η:0.6-0.8,斜板效率系数;A 斜:斜板在水平面的投影面积 26 2 )同向流 水流促进泥的下滑,斜角可减少到 30 -40 度 沉淀效果提高,但构造比较复杂,使用少 Q 设 =ηu0 (A 斜 -A 原 ) 3 )横向流 使用少,结构和平流式沉淀池较接近,易于改造,但水流条件差(Re 大),难支撑 Q 设 =ηu A 斜 0 3 .优缺点 优点:沉淀面积增大,水深降低,产水量增加 3 2 q =9 -11m /(m h) 3 2 平流式 q2 m /(m h) 层流状态 Re200 ,平流式500 缺点:停留时间短(几分钟),缓冲能力差 对混凝要求高 耗材,有时堵,常用于给水处理,和污水隔油池 五、沉砂池 原理与沉淀池相同。 功能:去除比重较大的无机颗粒(如泥沙、煤渣等) 保证措施:流速控制 常用的有:平流沉砂池、曝气沉砂池 平流式沉砂池: 最大流速 0.3 m/s, 最小流速 0.15m/s 最大流量时的停留时间不少于 30s, 一般 30-60s 曝气沉砂池: 旋流速度:0.25-0.3 m/s 最大流量时的 T :1-3min, 水平流速:0.1 m/s 27 第 6 节 澄清池(Clarifier) 污泥再悬浮起来,池中保持大量矾花,脱稳胶体靠接触凝聚粘附在活性泥渣上。 → (混合)→澄清 常用于给水处理 需保持矾花一定浓度,通过排泥控制沉降比在 20 -30 %。 泥渣悬浮型(过滤型):矾花容易冲出去,但对细小矾花具有过滤作用 如悬浮澄清池、脉冲澄清池 泥渣循环型(分离型):效果与上相反 如机械加速澄清池、水力循环澄清池 一、加速澄清池 1920 年 美国 infilco 公司发明的 1935 年有工程实例 1965 年我国开始使用 一反应区容积:15-20 分 Q 二反应区容积:7 -10 分 Q 28 分离区 v 上=1-1.2 mm/s t 总 =1-1.5h,比平流式快 需定期排泥 回流泥量 Q’ =3 -5Q 第 2 :第 1:清水区=1:2 :7 优点:处理效果好,稳定,适应性强, 适用于大、中水厂 缺点:机电维修 启动时有时需人工加土和加大加药量 二、水力循环澄清池 喷嘴速度过大、过小都不行,v =4 -7m/s 喉管v =2 -3m/s 一反应室出口 v=60mm/s t =15-30s 二反应室下降 v =40 -50mm/s 出口v =5mm/s t =80-100s 分离区 v =1-1.2mm/s, t=1h 回流泥量=2 -4Q 优点:不需机械搅拌,结构简单 缺点:反应时间短,运行不稳定,泥渣回流控制较难,适应性差,适用于小水厂。 三、脉冲澄清池 靠脉冲方式进水,悬浮层发生周期性的收缩和膨胀:1)有利于颗粒和悬浮层接触;2 )悬浮 层污泥趋于均匀。 配水方式:紊流板 29 充水时间:25 -30s 放水时间:6 -10s 1956 年法国首先发明 工作稳定、单池面积大、造价低,但周期不易调整。 四、悬浮澄清池 强制出水管出水 20 -30 %,来保持池内泥渣浓度一定。 池内水流上升速度 v =0.8-1.0 mm/s 结构简单,但运行适应性差(水温、水量、变化时,泥渣层工作不稳定) 澄清池中加斜板,注意反应室的配套设计 欧洲过滤型澄清池多,美国机械加速澄清池多。 30 第四章 气 浮(Flotation) 第 1 节 理论基础 是一种固-液和液-液分离的方法。 具体过程:通入空气→产生微细气泡→SS 附着在气泡上→上浮 应用:自然沉淀或上浮难于去除的悬浮物,以及比重接近 1 的固体颗粒 一、 界面张力和润湿接触角 任何不同介质的相表面上都因受力不均衡而存在界面张力 气浮的情况涉及:气、水、固三种介质,每两个之间都存在界面张力σ。 三相间的吸附界面构成的交界线称为润湿周边。通过润湿周边作水、粒界面张力作用线 和水、气界面张力作用线,二作用线的交角称为润湿接触角θ。见图 13-3 和 13-4。 θ90, 疏水性,易于气浮 θ90, 亲水性 二、悬浮物与气泡的附着条件 按照物理化学的热力学理论, 任何体系均存在力图使界面能减少为最小的趋势。 界面能 W = σS S:界面面积; σ:界面张力 附着前 W1 = σ +σ (假设 S 为 1) 水气 水粒 附着后 W2= σ 气粒 界面能的减少△W= σ +σ -σ 水气 水粒 气粒 又图 13-4 ,σ水粒 =σ气粒+σ水气 COS(180°-θ) 所以: △W= σ (1-COSθ) 水气 按照热力学理论, 悬浮物与气泡附着的条件:△W0 △W越大,推动力越大,越易气浮。 (1) θ→0, COSθ--1, △W= 0 不能气浮 θ90, COSθ1, △Wσ 颗粒附着不牢 水气 θ90, △Wσ水气 易气浮――疏水吸附 θ→180 △W=2σ水气 最易被气浮 (2) 同时, COS θ =(σ -σ )/σ (由图 13-4) 气粒 水粒 水气 σ水气增加,θ增大, 有利于气浮 如石油废水, 表面活性物质含量少, σ 大,乳化油粒疏水性强,直接气浮效果好。 水气 而煤气洗涤水中的乳化焦油,由于水中表面活性物质含量多,σ水气小,直接气浮效果 差。 对于亲水性颗粒的气浮,表面需改性为疏水性 → 投加浮选剂 浮选剂:松香油、煤油、脂肪酸,起连接颗粒和气泡之间作用。 三、气泡的稳定性 气浮中要求气泡具有一定的分散度和稳定性。气泡粒径在 100μ左右为好。 洁净水中: 31 •气泡常达不到气浮要求的细小分散度 →洁净水表面张力大,气泡有自动降低自由能的倾向,即气泡合并。 •稳定性不好。 →缺乏表面活性物质的保护,气泡易破灭,不稳定。 即使悬浮物已附着在气泡上也易重新脱落会水中 ↓ 加入起泡剂(一种表面活性物质),保护气泡的稳定性。见图 13-5 对于有机污染物含量不多的废水在进行气浮时,气泡的稳定性可能成为重要的影响因素。 适当的表面活性剂是必要的。 但表面活性物质过多太多 → σ 降低,同时 → 此时,尽管气泡稳定, 水气 污染粒子严重乳化 但颗粒-气泡附着不好 如何控制最佳的投加量? 影响三个因素:稳定性、表面张力、乳化效果 四、乳化现象与脱乳 疏水性颗粒易气浮,但多数情况下并不好,主要是由于乳化现象。以油粒为例: ▲表面活性物质存在:非极性端吸附在油粒,极性端则伸向水中→乳化油 (图 13-6) →电离后带电→双电层现象→稳定体系 ▲废水中含有亲水性固体粉末(固体乳化剂),如粉砂、粘土等(θ90):一小部分与油 接触,大部分为水润湿,见图 13-7。 →乳化油稳定体系 带电的稳定体系是不利于气浮的,应 → 脱稳、破乳→ 投加混凝剂→压缩双电层 混凝剂包括:硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁等 第 2 节 气浮分类与工艺过程 一、气浮分类 1.电解气浮法: 直流电的电解作用下,正极产生氢气,负极产生氧气, 微气泡。气泡小于溶气法和散气法。具有多种作用:除 BOD 、氧化、脱色等,去除污染物范围广,污泥量少,占 地少。但电耗大。 有竖流式和平流式装置。 32 2 .散气气浮法:扩散板曝气气浮和 叶轮气浮法两种 扩散板曝气气浮:压缩空气通过 扩散装置以微小气泡形式进入水中。 简单易行,但容易堵塞,气浮效果不 高。见图 13-11。 叶轮气浮法:适用于处理水量不大,污染物浓度高的废水。见图 13-12。 3.溶气气浮法 根据气泡析出时所处的压力不同,分为:溶气真空气浮和加压溶气气浮 二、 加压溶气气浮 特点:水中空气的溶解度大,能提供足够的微气泡 气泡粒径小(20~100um)、均匀, 设备流程简单 1.气浮工艺 ▲全溶气法: 电耗高,但气浮池容积小。 33 ▲部分溶气法: 省电,溶气罐小。 但若溶解空气多, 需加大溶气罐压力 ▲回流加压溶气法:适用于 SS 高的原水,但气浮池容积大。 2 .加压溶气气浮工艺的主要设备 工艺组成: 压力溶气系统、空气释放系统、气浮池 1)压力溶气系统: 包括加压水泵、压力溶气罐、空气供给设备及其他附属设备 加压水泵:提升污水,将水、气以一定压力送至压力溶气罐。 加压泵压力应适当,过高:溶解到水中的空气增加,经减压后释放的空气多,会促进微 气泡的聚集,不利气浮;太低:增加溶气水量,气浮池容积增加。 压力溶气罐:使水与空气充分接触,促进空气溶解。形式多样,一般采用填充式。 空气在水中的溶解度遵循亨利定律: 3 3 V =KT P (L-气/m -水, 或 g-气/ m -水) P :空气所受的绝对压力, 以mmHg 计。 KT :溶解常数,与温度有关 实际气浮操作中,空气量应适当,气水比:1-5 %,气固比(重量比):0.5 -1%。 溶气方式:水泵吸气式,图 13-18,简单,但空气量不能太大 34 水泵压水管射流,图 13-19,射流器能量损失大 水泵-空压机(常用),图 13-22 ,能耗少,但噪音大 2 〕释放设备:将空气以极细小(20 -100μ)的气泡释放。 3 )气浮池 平流式,竖流式――图 13-27 和图 13-28 。 HRT …10-20 分 组合式:见图 13-29~图 13-31。 重要参数:气固比 a A 经减压释放的溶解空气总量 a S 原水带入的悬浮固体总量 采用质量比时, A =Cs (f P-1) R /1000 S=QSa Cs :一定温度下,一个大气压时的空气溶解度,mg/L 。 P :溶气绝对压力,绝对压力 f :溶气效率,与溶气罐结构、压力和时间有关,0.5~0.8 3 R :加压溶气水量,m /d Sa :废水中的悬浮颗粒浓度,kg/m3 3 Q :进行气浮处理的废水量,m /d a 的选择影响气浮效果(出水水质, 浮渣浓度), 应作试验确定。 无资料时,可选取 0.005 -0.06 。 剩余污泥气浮浓缩时一般采用 0.03 -0.04 三、 气浮法在水处理中的应用 废

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