中国人民解放军火箭军工程大学（第二炮兵工程学院）：《环境工程学》课程教学资源（教案讲义）第二章水物理化学处理法.doc_大学文库

第 3 页 2.2 悬浮物质和胶体物质的去除（混凝、澄清和过滤部分自学） 2.2.1 基础理论（1）单个颗粒在水中的沉降单个颗粒在稀悬浮液中的沉淀，不受周围颗粒的影响，其沉降速度仅仅是液体性质及颗粒本身特性的函数。任何一个静水中的固体颗粒，都受到两种基本力的作用，即重力 Fg 和浮力 Ff。颗粒在水中的合力 F 为这两种力之差，即： F F F V g( ) = g − f = p  p −  l (2-1) 式中：Vp——颗粒体积； ρp 和ρl——分别为颗粒和水的密度； g——重力加速度。当ρp>ρl 时，Fg>Ff，颗粒在合力 F 的作用下作加速下沉运动。这时，颗粒便受到第三种力，即水的阻力的作用。根据因次分析和实验验证，阻力 Fd 可按下式计算： ) 2 ( 2 u F C A l d d p  = (2-2) 式中：Cd——牛顿无因次阻力系数； Ap——颗粒在垂直于运动方向上的投影面积； u ——颗粒的沉降速度。颗粒在下沉运动过程中，净重 F 不变，而阻力 Fd 则随沉速 u 的平方增大。因次，经过某一短暂时间后，阻力 Fd 会增加到与净重 F 相平衡，即 Fd＝F。此时颗粒的加速度为零，沉速为常数。由此可以得到自由沉降的沉降速度表达式为： 2 1 2 ( )                −  = p p d l p l A V C g u    (2-3) 设颗粒是直径为 d 的球形颗粒，则有 3 2d A V p p = ，带入公式 2-3，可以得到： 2 1 3 4 ( )       − = d l p l C g d u    (2-4) 公式 2-4 称为牛顿定律，u 称为单个颗粒的稳定沉降速度或最终沉降速度。阻力系数 Cd 是颗粒沉降时周围液体绕流的雷诺数 Re 的函数，二者的关系如图 2.1 所示。根据雷诺数的大小，流态分为层流区（Stokes 区，斯托克斯区）、过渡区（Allen 区，艾伦区）和紊流区（Newton 区，牛顿区）三个区域。在层流区和紊流区，阻力系数 Cd 和雷诺数 Re 呈线性关系： Stokes 区（Re≤2）：Cd=24/Re Newton 区（500<Re≤105）： Cd=0.4 在过渡区则呈指数函数关系： Allen 区（2<Re≤500）： Cd=10/Re0.5

第 5 页 v——污水的水平流速，即颗粒的水平分速； H——沉淀区水深； L——沉淀区长度。从图 2.2 可知，沉速 ut  uo 的颗粒，都可在 D 点前沉淀掉，可见轨迹Ⅰ所代表的颗粒。沉速 ut<uo 的那些颗粒，视其在流入区所处在的位置而定，若处在靠近水面处，则不能被去除，见轨迹Ⅱ实线所代表的颗粒；同样的颗粒若处在靠近池底的位置，就能被去除，见轨迹Ⅱ虚线所代表的颗粒。若沉速 ut<uo 的颗粒的重量，占全部颗粒重量的 dP%，可被沉淀去除的量应为 dP%, H h 因 h=utt，H= uot，所以 t uo H u h = ， dP H h dP u u o t = ，积分得 u dP u dP u u p t o p t   = 0 0 0 0 0 1 。可见，沉速小于 u0 的颗粒被沉淀去除的量为 u dP u po o t 1 。理想沉淀池总去除量为：（1－Po）+ u dP u po o t o  1 ，Po 为沉速小于 uo 的颗粒占全部悬浮颗粒的重量百分数。用去除率表示，可改写为： u dP u P po o t o o  = − + 100  100(1 ) (2-9) 如果处理水量为 Q(m3 /s)，沉淀池的宽度为 B，水面面积为 A=BL(m2)，故颗粒在池内的沉淀时间为： t= uo H v L = (2-10) 而沉淀池的容积为：V=Qt=HBL，因 Q= Auo t HBL t V = = ，所以 u q A Q = o = (2-11) A Q 的物理意义是：在单位时间内通过沉淀池单位面积的流量，称为表面负荷或溢流率，量纲是 m3 /m2 s 或 m3 /m2h，也可简化为 m/s 和 m/h。表面负荷的数值等于颗粒沉速。若需要去除的颗粒的沉速 uo 确定后，则沉淀池的表面负荷 q 值同时被确定。（3）气浮理论气浮法是固——液分离或液——液分离的一种方法，它是通过某种方式产生大量的微气泡，使其与废水中密度接近于水的固体或液体微粒粘附，形成密度小于水的气浮体，在浮力的作用下，上浮至水面，进行固——液或液——液分离。实现气浮法的必要条件有两个：第一，必须向水中提供足够数量的微细气泡，气泡理想尺寸为 15~30µm；第二，必须使目的物呈悬浮状态或具有疏水性性质，图 2.3 不同悬浮颗粒与水的润湿 θ θ 水颗粒被水润湿的面积被水润湿的面积 σL•G σL•S σL•G σL•S 颗粒 σG•S σG•S 气泡 θ 气气气气颗粒疏水性颗粒 σL• G σL• S σG• S 气气气 σL• G σS• G σL• S θ 颗粒亲水性颗粒水图 3-6 不同悬浮颗粒与水的润湿

第二炮兵工程学院《环境工程学》教案从而附着于气泡上浮升。气泡能否与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表面性质。如果颗粒易被水润湿, 则称该颗粒为亲水性的,如颗粒不易被水润湿,则是疏水性的。颗粒的润湿性程度常用气液固相间的接触角的大小来解释。在静止状态下,当气、液、固三相接触时,在气-液界面张力线和固液界面张力线之间的夹角(对着液相的)称为平衡接触角,用0表示。θ90者为疏水性物质(如图23所示) 1)当颗粒完全被水润湿时,θ→0°,cos→1,△W-0,颗粒不能与气泡相粘附,因此也就不能用气浮法处理。 2)当颗粒完全不被水润湿时,0→180°,cos0→1,△W→2oG,颗粒与气泡粘附紧密,最易于用气浮法去除 3)对oLG值很小的体系,虽然有利于形成气泡,但△W很小,不利于气泡与颗粒的粘 (4)斜管斜板沉淀理论斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理设计的新型沉淀池。与普通沉淀池比较,它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点设有一理想沉淀池,其沉降区的长、宽、深分别为 L、B和H,表面积为A,处理水量为Q,表面负荷为q 颗粒沉速为u,则由公式2-1,可得Q=uA。由此可见,+ 在A一定的条件下,若增大Q,则山成正比增大,从而使u≥u的颗粒所占分率(1-p)和u<u的颗粒中能被去除的分率uu都减小,总沉降效率Er相应降低;反之, 要提高沉降效率,则必须减小υ,结果Q成正比减小图24浅层沉降原理示意以上分析说明,在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾,二者之间呈此长彼落的负相关系。但是,如果象图24那样,将沉降区高度分隔为n层,即n个高度为h=H/ 的浅层沉降单元,那么在Q不变的条件下,颗粒的沉降深度由H减小到H/n, 可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的u≥uo扩大到u≥uo/,沉速u<u的颗粒中能被除去的分率也由uuo增大到nuu,从而使Er值大幅度提高:反之,在ET 值不变,即沉速为u的颗粒在下沉了距离h后恰好运动到浅层的右下端点,那么由un/y=h1L和h=H/n可得v=n,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,Er值提高愈多或Q值增加愈多 222沉淀与气浮设备概述 (1)沉淀设备平流式沉淀池的工艺见图2.5,由流入装置、流出装置、沉淀区、缓冲层、污泥区及排泥装置等组成。 1)流入装置由设有侧向或槽底潜孔的配水槽、挡流板组成,起均匀布水与消能作用。挡流板入水深不小于0.25米,水面以上0.15~0.20米,距流入槽0.50 米。 2)流岀裝置由流岀槽与挡板组成。流岀槽设有自由溢流堰,溢流堰严格水平,既可保持水流均匀,又可控制沉淀池水位。为此,溢流堰常采用锯齿形堰。第6页

第 6 页从而附着于气泡上浮升。气泡能否与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表面性质。如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为亲水性的，如颗粒不易被水润湿，则是疏水性的。颗粒的润湿性程度常用气液固相间的接触角的大小来解释。在静止状态下，当气、液、固三相接触时，在气-液界面张力线和固液界面张力线之间的夹角（对着液相的）称为平衡接触角，用θ表示。θ＜900 者为亲水性物质，θ＞900 者为疏水性物质（如图 2.3 所示）。 1) 当颗粒完全被水润湿时，θ→0 0，cosθ→1，∆W→0，颗粒不能与气泡相粘附，因此也就不能用气浮法处理。 2) 当颗粒完全不被水润湿时，θ→1800，cosθ→1，∆W→2σLG，颗粒与气泡粘附紧密，最易于用气浮法去除。 3) 对σLG 值很小的体系，虽然有利于形成气泡，但∆W 很小，不利于气泡与颗粒的粘附。（4）斜管斜板沉淀理论斜板、斜管沉淀池是根据浅层沉降原理设计的新型沉淀池。与普通沉淀池比较，它有容积利用率高和沉降效率高的明显优点。设有一理想沉淀池，其沉降区的长、宽、深分别为 L、B 和 H，表面积为 A，处理水量为 Q，表面负荷为 q，颗粒沉速为 uo，则由公式 2-11，可得 Q=uoA。由此可见，在 A 一定的条件下，若增大 Q，则 uo 成正比增大，从而使 u  uo 的颗粒所占分率（1－po）和 u<uo 的颗粒中能被去除的分率 u/uo 都减小，总沉降效率 ET 相应降低；反之，要提高沉降效率，则必须减小 uo，结果 Q 成正比减小。以上分析说明，在普通沉淀池中提高沉降效率和增大处理能力相互矛盾，二者之间呈此长彼落的负相关系。但是，如果象图 2.4 那样，将沉降区高度分隔为 n 层，即 n 个高度为 h=H/n 的浅层沉降单元，那么在 Q 不变的条件下，颗粒的沉降深度由 H 减小到 H/n，可被完全除去的颗粒沉速范围由原来的 u  uo 扩大到 u  uo/n，沉速 u<uo 的颗粒中能被除去的分率也由 u/uo 增大到 nu/uo，从而使 ET 值大幅度提高；反之，在 ET 值不变，即沉速为 uo 的颗粒在下沉了距离 h 后恰好运动到浅层的右下端点，那么由 uo 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。 2.2.2 沉淀与气浮设备概述（1）沉淀设备平流式沉淀池的工艺见图 2.5，由流入装置、流出装置、沉淀区、缓冲层、污泥区及排泥装置等组成。 1) 流入装置由设有侧向或槽底潜孔的配水槽、挡流板组成，起均匀布水与消能作用。挡流板入水深不小于 0.25 米，水面以上 0.15~0.20 米，距流入槽 0.50 米。 2) 流出装置由流出槽与挡板组成。流出槽设有自由溢流堰，溢流堰严格水平，既可保持水流均匀，又可控制沉淀池水位。为此，溢流堰常采用锯齿形堰。图 2.4 浅层沉降原理示意

第二炮兵工程学院《环境工程学》教案溢流堰最大负荷29L/m·s(初次沉淀池),20L/m·s(二沉池)。为了减少符合、改善出水水质,溢流堰可采用多槽沿程布置,如需阻挡浮渣随水流走,流出堰可用潜孔出流。出流挡板入水深0.3-04米,距溢流堰0.25-0.5米。 3)缓冲层底作用是避免已沉污泥被水流搅起以及缓冲冲击负荷 4)污泥区起贮存、浓缩污泥以及排除污泥的作用,其排泥方法一般可通过静水压力和机械排泥方法予以排除。浮渣去除槽 1配水槽:2整流墙:3斜板斜管体:4淹没孔口: 5集水槽:6污泥斗:7穿孔排泥管:8阻流板图5-5平流式沉淀池图5-6斜管斜板沉淀池示意图斜管(板)沉淀池的构造形式如图2.6所示。图26中,安装斜板或斜管的区域为沉降区,沉降区以下依次为入流区和污泥区,沉降区上面为出流区。沉淀池工作时,水从斜板之间和斜管内流过,沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自动滑入泥斗。这种沉淀池常用穿孔整流墙布水,以穿孔管或淹没孔口集水,也可在池面上增设潜孔式中途集水槽使集水更趋均匀。集泥常采用多斗式,以穿孔管靠静压或泥泵排泥。除了上述两种形式的沉淀设备外,还有辐流式沉淀池和竖流式沉淀池。辐流式和竖流式沉淀池一般呈圆形或正方形,辐流式沉淀池多用于大中型水厂,而竖流式沉淀池由于池深较大,一般适用于中小型污水处理厂。 (2)气浮设备水处理气浮工艺一般采用分散气浮法( Dispersed- Air flotation)和溶气气浮法 ( Dissolved- Air Flotation)。由于溶气气浮工艺应用较多,这里着重介绍溶气气浮工艺及其相关设备 (1)溶气气浮法溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态,然后使废水压力骤然降低,这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮,用这种方法产生气泡直径约为20-100um,并且可人为地控制气泡与废水的接触时间,因而分离效果比分散空气法好,应用广泛。根据气泡从水中析出时所处的压力不同,溶气气浮又可分为两种方式:一种是空气在常压或高压下溶于水中,在负压下析出,称为溶气真空气浮;另一种是空气在高压下溶入水中,在常压下析出,称为加压溶气气浮。溶气真空气浮的主要特点是气浮池在负压下运行,空气在水中易呈过饱和状态,析出的空气量取决于溶解空气量和真空度。这种方法的优点是溶气压力比加压溶气法低,能耗较小,但其最大缺点是气浮池构造复杂,运行维护有困难,因此在生产中应用不多加压溶气气浮法的操作原理是在加压情况下,将空气溶解在废水中达饱和状态,然后突然减至常压,这时溶解在水中的空气就成了过饱和状态,以极微小的第7页

第 7 页溢流堰最大负荷 2.9L/m·s（初次沉淀池），2.0 L/m·s（二沉池）。为了减少符合、改善出水水质，溢流堰可采用多槽沿程布置，如需阻挡浮渣随水流走，流出堰可用潜孔出流。出流挡板入水深 0.3~0.4 米，距溢流堰 0.25~0.5 米。 3) 缓冲层底作用是避免已沉污泥被水流搅起以及缓冲冲击负荷。 4) 污泥区起贮存、浓缩污泥以及排除污泥的作用，其排泥方法一般可通过静水压力和机械排泥方法予以排除。图 5-5 平流式沉淀池 1 配水槽；2 整流墙；3 斜板斜管体；4 淹没孔口； 5 集水槽；6 污泥斗；7 穿孔排泥管；8 阻流板图图4-511-6 斜板斜管沉淀池示意图斜管斜板沉淀池示意图斜管（板）沉淀池的构造形式如图 2.6 所示。图 2.6 中，安装斜板或斜管的区域为沉降区，沉降区以下依次为入流区和污泥区，沉降区上面为出流区。沉淀池工作时，水从斜板之间和斜管内流过，沉落在斜板、斜管底面上的泥渣靠重力自动滑入泥斗。这种沉淀池常用穿孔整流墙布水，以穿孔管或淹没孔口集水，也可在池面上增设潜孔式中途集水槽使集水更趋均匀。集泥常采用多斗式，以穿孔管靠静压或泥泵排泥。除了上述两种形式的沉淀设备外，还有辐流式沉淀池和竖流式沉淀池。辐流式和竖流式沉淀池一般呈圆形或正方形，辐流式沉淀池多用于大中型水厂，而竖流式沉淀池由于池深较大，一般适用于中小型污水处理厂。（2）气浮设备水处理气浮工艺一般采用分散气浮法 (Dispersed-Air Flotation)和溶气气浮法 (Dissolved-Air Flotation)。由于溶气气浮工艺应用较多，这里着重介绍溶气气浮工艺及其相关设备 (1) 溶气气浮法溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态，然后使废水压力骤然降低，这时溶解的空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮，用这种方法产生气泡直径约为 20~100µm，并且可人为地控制气泡与废水的接触时间，因而分离效果比分散空气法好，应用广泛。根据气泡从水中析出时所处的压力不同，溶气气浮又可分为两种方式：一种是空气在常压或高压下溶于水中，在负压下析出，称为溶气真空气浮；另一种是空气在高压下溶入水中，在常压下析出，称为加压溶气气浮。溶气真空气浮的主要特点是气浮池在负压下运行，空气在水中易呈过饱和状态，析出的空气量取决于溶解空气量和真空度。这种方法的优点是溶气压力比加压溶气法低，能耗较小，但其最大缺点是气浮池构造复杂，运行维护有困难，因此在生产中应用不多。加压溶气气浮法的操作原理是在加压情况下，将空气溶解在废水中达饱和状态，然后突然减至常压，这时溶解在水中的空气就成了过饱和状态，以极微小的

第二炮兵工程学院《环境工程学》教案气泡释放出来,乳化油和悬浮颗粒就粘附于气泡周围而随其上浮,在水面上形成泡沫然后由刮泡器清除使废水得到净化。加压溶气气浮按溶气水不同有全流程溶气气浮、部分溶气气浮和部分回流式压力溶气气浮三种基本流程。 (2)溶气气浮设备不论何种溶气气浮流程,其主要设备有加压泵、溶气罐、减压阀和气浮分离设备 1)加压泵加压泵的作用一是提升废水,二是对水气混合物加压,受压空气按享利定律溶于水中。空气通入水中的方法有两种,当空气吸入量小于某温度下废水中空气的饱和溶解量时,在泵前设水射器吸入。这种方式的气水混合好,但水泵必须采用自吸式进入,而且要保持lm以上的水头,此外,空气最大吸入量不能大于吸水量的10%当空气吸入量大于空气在废水中的饱和溶解量时,可用空压机在水泵出水管上将空气压入,但其量不宜大于吸水量的20%。 2)溶气罐溶气罐是一个密封的钢罐。溶气罐的作用是实施水和空气的充分接触,加速空气的溶解,使水、气良好混合。为了防止短路,使水气充分接触,罐内常设水平或垂直的隔板若干块,或在罐内填充瓷环。罐顶设排气阀排除多余的空气。罐底设放空阀,用来排空溶气罐。水气混合物在罐内的停留时间通常为2~3分钟。 3)减压释放器减压释放设备是将压力溶气水减压后迅速将溶于水中的空气以极为细小的气泡形式释放出来,要求微气泡的直径在20-100m。目前生产中采用的减压释放设备分两类:一是减压阀,一是释放器。 4)溶气水与原废水混合设备压力溶气水经减压释放设备后,可获得质量较高的微气泡。微气泡与悬浮的粘附,并不取决于它们之间接触时间的长短和相互之间流速的大小,而主要取决于微气泡能否及时均匀地弥散在悬浮颗粒中,并且微气泡能机会均等地与每个悬浮颗粒碰撞粘附。为此经减压释放后的溶气水可考虑与原水(如需加药时,应与加药后的废水)在某一固定的混合设备(或在一段管道中)立即进行充分混合然后将挟气絮凝体均匀地分配在整个气浮池的宽度上,从而达到提高气浮分离效果与降低溶气水量的目的。 5)气浮分离设备目前采用的气浮池均为敞开式水池。池子的形状有圆形和矩形两种。近年来平流式矩形气浮池应用比较广泛,它具有可按比例扩大,构造简单易于设计与施工,经加药反应后的原水容易进入,排泥方便,占地较少等优点 2.3溶解物质的去除(自学) 第8页

第 8 页气泡释放出来，乳化油和悬浮颗粒就粘附于气泡周围而随其上浮，在水面上形成泡沫然后由刮泡器清除使废水得到净化。加压溶气气浮按溶气水不同有全流程溶气气浮、部分溶气气浮和部分回流式压力溶气气浮三种基本流程。 (2) 溶气气浮设备不论何种溶气气浮流程，其主要设备有加压泵、溶气罐、减压阀和气浮分离设备。 1) 加压泵加压泵的作用一是提升废水，二是对水气混合物加压，受压空气按享利定律溶于水中。空气通入水中的方法有两种，当空气吸入量小于某温度下废水中空气的饱和溶解量时，在泵前设水射器吸入。这种方式的气水混合好，但水泵必须采用自吸式进入，而且要保持 1m 以上的水头，此外，空气最大吸入量不能大于吸水量的 10%。当空气吸入量大于空气在废水中的饱和溶解量时，可用空压机在水泵出水管上将空气压入，但其量不宜大于吸水量的 20%。 2) 溶气罐溶气罐是一个密封的钢罐。溶气罐的作用是实施水和空气的充分接触，加速空气的溶解，使水、气良好混合。为了防止短路，使水气充分接触，罐内常设水平或垂直的隔板若干块，或在罐内填充瓷环。罐顶设排气阀排除多余的空气。罐底设放空阀，用来排空溶气罐。水气混合物在罐内的停留时间通常为 2~3 分钟。 3) 减压释放器减压释放设备是将压力溶气水减压后迅速将溶于水中的空气以极为细小的气泡形式释放出来，要求微气泡的直径在 20~100μm。目前生产中采用的减压释放设备分两类：一是减压阀，一是释放器。 4) 溶气水与原废水混合设备压力溶气水经减压释放设备后，可获得质量较高的微气泡。微气泡与悬浮的粘附，并不取决于它们之间接触时间的长短和相互之间流速的大小，而主要取决于微气泡能否及时均匀地弥散在悬浮颗粒中，并且微气泡能机会均等地与每个悬浮颗粒碰撞粘附。为此经减压释放后的溶气水可考虑与原水（如需加药时，应与加药后的废水）在某一固定的混合设备（或在一段管道中）立即进行充分混合然后将挟气絮凝体均匀地分配在整个气浮池的宽度上，从而达到提高气浮分离效果与降低溶气水量的目的。 5) 气浮分离设备目前采用的气浮池均为敞开式水池。池子的形状有圆形和矩形两种。近年来，平流式矩形气浮池应用比较广泛，它具有可按比例扩大，构造简单易于设计与施工，经加药反应后的原水容易进入，排泥方便，占地较少等优点。 2.3 溶解物质的去除（自学）

中国人民解放军火箭军工程大学（第二炮兵工程学院）：《环境工程学》课程教学资源（教案讲义）第二章 水物理化学处理法

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