建筑工程管理-水处理工程清华1 精品

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

（20XX年7）

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，20XX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

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0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

污水处理率低：污水排放排放量接近400亿m3。

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

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

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。

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

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

2． 污水综合排放标准 原有标准：GB78－88 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：GB78－1996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

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

预处理原废水一级处理二级处理三级处理排放或利用物化处理或生物处理格栅沉砂初沉初沉污泥排放或利用生物处理活性污泥法或生物膜法回流污泥二沉消毒排放或利用剩余污泥上清液沼气利用消化处置或利用脱水

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 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。

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~0.1m（有时认为在1m）

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 m） 细菌（0.2m-80m） 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电位：决定了胶体的聚集稳定性 一般粘土电位＝-15~-40mV 细菌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：

静电斥力：ER－1/d2

6

范德华引力：EA－1/d（有些认为是1/d2或1/d3） 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 k：波兹曼常数，T：温度 Eb胶体距离xx>oa， 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年提出〕 伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年提出）

胶体的凝聚：

降低静电斥力――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Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。

1．水解过程

配位水分子发生水解：

[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ …….

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――电位――稳定性――凝聚

电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的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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。

pH<3 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

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――电位――脱稳――凝聚，生长成约d=10

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 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（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂 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/(3) KTn2 n：颗粒数量浓度

：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1m，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。

碰撞速率N0＝4/3 n2 d3 G d：颗粒粒径

G＝U/Z(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＝G ：剪切应力

p：单位体积流体所耗功率，W/m3 按照牛顿定律 ＝G G  p /  (1/s) (1943年发明的理论，甘布公式)

：动力粘度，Pa s

p：水流所耗功率，W/m3

水力搅拌时 pV＝gQh（由水流本身能量消耗提供） 水流体积V＝QT ghG T：运动粘度，m2/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：

混合（凝聚）过程：G＝700－1000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂 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。

平均G＝20－70s-1， GT＝1～104－105 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

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

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。

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

56775m3/d

空气 沉渣 煅 烧

37850m3/d 消 毒

回灌 活性炭 地下

反渗透

125m3/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

中 和 CO2 过 滤 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

所受到的重力为F1= 1/6  d3 (p - l ) g 所受到的水的阻力F2=CD l u2/2  d2/4

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）： 4gplud3CDl

对于非球形颗粒：

4gplud

3CDl

：形状系数

CD与Re有关。 Re<1, CD= 24/Re 1plugd2 18 ：水的动力粘度，Pa s

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

pi：沉速小于ui的颗粒占全部颗粒的比重 3. p－u 曲线（颗粒粒度分布曲线） p u=h/t

4.颗粒去除率

在t0 时， uu0 的颗粒全部去除 up0P(1p0)1/u0uidpi0通过实验可绘制以下曲线：

E-t 曲线

中部取样法：

P= (C0-C)/C0 *100%

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。

E－u曲线（与水深无关）

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 uq=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)

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＝(C0-Ci)/C0 *100% 3）绘制去除百分率等值线

4）计算颗粒去除率

方法1：按自由沉淀来类推（参考图16－9）

Pp2h1/t0h/t(p3p2)20(p4p3)...u0u0

方法2：中部取样法

P＝（C0-C）/C0*100% C：h/2处的浓度

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。

沉淀效率

停留时间 第4节 拥挤沉淀 (Hindered (Zone) settling)

一、特点

发生在SS浓度较高的情况

表面负荷 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

以1－1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由一个水深的沉降过程曲线可以作出其它水深条件下的A2曲线

B2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 （n>1）

 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 v<0.15-0.2 m/s

2）沉淀区

水力条件要求：

减少紊动性：紊动性指标Re = vR/ ：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/B>4, L/H>10

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：

给水：<500 m3/(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：

q设（m3/m2h） 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  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u0---u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

由T设→H＝v设T设

/H<3，使水流接近竖流，<10m

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。

三、幅流式沉淀池 1．进水幅流式

带刮泥机：驱动式

周边驱动式（使用较多） ＝20－30mm，>16mm

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

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 R>d/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：

＝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＝u0（A斜＋A原） ：0.6-0.8，斜板效率系数；A斜：斜板在水平面的投影面积

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＝u0（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＝u0A斜

3．优缺点

优点：沉淀面积增大，水深降低，产水量增加 q＝9－11m3/(m2 h) 平流式q<2 m3/(m2 h)

层流状态Re<200，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

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 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 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。

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。

θ>90， 疏水性,易于气浮 θ<90, 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水气+σ水粒 （假设S 为1） 附着后 W2=σ气粒

界面能的减少△Ｗ=σ水气+σ水粒－σ气粒

又图13－4，σ水粒 =σ气粒+σ水气COS(180-θ) 所以: △Ｗ=σ水气(1-COSθ)

按照热力学理论, 悬浮物与气泡附着的条件：△Ｗ>0

△Ｗ越大，推动力越大，越易气浮。

(1) θ0, COSθ--1, △Ｗ= 0 不能气浮

θ<90, COSθ<1, △Ｗ<σ水气 颗粒附着不牢

θ>90, △Ｗ>σ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气粒－σ水粒）/σ水气 （由图13-4） 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水气大,乳化油粒疏水性强，直接气浮效果好。 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100左右为好。 洁净水中：

•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水气降低，同时 → 此时，尽管气泡稳定， 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（θ<90）：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。

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。

▲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：

V＝KT P （L-气/m3-水, 或g-气/ m3-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 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（20－100）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A经减压释放的溶解空气总量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 R：加压溶气水量，m3/d

Sa：废水中的悬浮颗粒浓度，kg/m3 Q：进行气浮处理的废水量，m3/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 废水：

含油废水（石油化工、机械加工、食品工业废水等）：悬浮油（>10,隔油池）

乳化油（<10,一般0.1-2气浮） 溶解性

造纸厂白水回收纤维：时间短，SS去除率90％以上，COD去除率80％，浮渣浓度5％。 染色废水等

毛纺工业洗毛废水――羊毛脂及洗涤剂 浓缩污泥（效果比沉淀法高） 给水：

高含藻水源的净化：武汉东湖水厂，气浮替代沉淀，藻类去除率达80％以上。 低温、低浊水的净化：沈阳市自来水厂。

对受污染水体的净化：对水体产生曝气，减轻嗅味与色度。

优点：处理能力比沉淀池高，气浮污泥浓度高，可以同时去除多种污染物（表面活性剂、嗅味物质等）

缺点：耗电、维修