第10章 污水的物理处理
10.1 复习笔记
【知识框架】
【重点难点归纳】
一、格栅和筛网
1．格栅的作用
（1）作用
格栅可用来截留污水中较粗大漂浮物和悬浮物，减少后续处理产生的浮渣，保证污水处理设施的正常运行。
（2）设计原则
①主要参数
a．栅条间隙宽度；b．栅条间隙宽度与处理规模；c．污水的性质及后续处理设备选择。
②原则
一般以不堵塞水泵和污水处理厂（站）的处理设备，保证整个污水处理系统能正常运行为原则。
③栅渣
被格栅截留的物质称为栅渣，栅渣的含水率约为80%，密度约为960kg/m3。
2．格栅的种类（见表10-1）
表10-1 格栅的种类
3．格栅的设计与计算
格栅的设计计算主要包括格栅形式选择、尺寸计算、水力计算、栅渣量计算等，尽管格栅的布置方式多样，都可通过简图10-1进行格栅计算。
图10-1 格栅水力计算简图
（1）格栅槽总宽度
（10-1）
式中，B为格栅槽总宽度，m；S为栅条宽度，m；b为栅条间隙，m；n为格栅间隙数。
格栅间隙数n可由下式决定：
（10-2）
式中，Qmax为最大设计流量，m3/s；b为栅条间隙，m；h为栅前水深，m；v为污水流经格栅的速度，一般取0.6～1.0m/s；α为格栅安装倾角，（°）；
为经验修正系数。
格栅间隙数n确定以后，则格栅框架内的栅条的数目为n－1。
（2）过栅水头损失
过栅水头损失h2可以按下式计算：
（10-3）
（10-4）
式中，h2为过栅水头损失，m；h0为计算水头损失，m；ξ为阻力系数，其值与栅条的断面几何形状有关，可按表10-2计算；g为重力加速度，9.81m/s2；k为系数，格栅受污物堵塞后的水头损失增大倍数，一般采用k＝3。
过栅水头损失一般为0.08～0.15m，为避免格栅前涌水，故将栅后槽底下降h2作为补偿。
表10-2 格栅阻力系数ξ计算公式
（3）栅后槽的总高度
（10-5）
式中，H为栅后槽总高度，m；h为栅前水深，m；h1为格栅前渠道超高，一般取h1＝0.3m；h2为过栅水头损失，由式（10-3）计算确定。
（4）格栅槽的总长度
（10-6）
式中，L1为进水渠道渐宽部位的长度，m，
，其中，B1为进水渠道宽度，m，α1为进水渠道渐宽部位的展开角度；L2为格栅槽与出水渠道连接处的渐窄部位的长度，一般取L2＝0.5L1；H1为格栅前槽高，m。
（5）每日栅渣量
（10-7）
式中，W为每日栅渣量，m3/d；W1为单位体积污水栅渣量，m3/（103m3污水），一般取0.1～0.01，细格栅取大值，粗格栅取小值；Kz为污水流量总变化系数。
栅渣的最终处置方法，包括与城市垃圾一道填埋、焚烧（820℃以上）以及堆肥等。
4．筛网
（1）特点
筛网的去除效果相当于初次沉淀池，采用细筛网或格网代替初次沉淀池既可以节省占地，又可以保留有效的碳源。
（2）分类
①振动式筛网
污水由渠道流过振动筛网进行水和悬浮物的分离，并利用机械振动，将呈倾斜面的振动筛网上截留的纤维等杂质卸到固定筛网上，进一步滤去附在纤维上的水滴。如图10-2所示。
图10-2 振动筛网示意图
②水力筛网
转动筛网呈截顶圆锥形，中心轴呈水平状态，锥体则呈倾斜状态。污水从圆锥体的小端进入，水流在从小端到大端的流动过程中，纤维状污染物被筛网截留，水则从筛网的细小孔中流入集水装置。由于整个筛网呈圆锥体，被截留的污染物沿筛网的倾斜面卸到固定筛上，以进一步滤去水滴。如图10-3所示。
图10-3 水力筛网构造示意图
5．破碎机
破碎机是将污水中的较大的悬浮固体破碎成较小的、均匀的碎块，留在污水中随水流进入后续处理构筑物处理。
破碎机可以安装在格栅后污水泵前，作为格栅的补充，防止污水泵堵塞，也可安装在沉砂池之后，以免无机颗粒损坏破碎机。
二、沉淀的基础理论
1．概述
沉淀法是水处理中最基本的方法之一。它是利用水中悬浮颗粒和水的密度差，在重力场作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。
在典型的污水处理厂中，沉淀法可用于下列几个方面：①污水处理系统的预处理；②污水的初级处理（初次沉淀池，简称初沉池）；③生物处理后的固液分离（二次沉淀池，简称二沉池）；④污泥处理阶段的污泥浓缩。
2．沉淀类型
根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉淀通常可以分为四种不同的类型，如表10-3所示。
表10-3 沉淀的分类
3．自由沉淀与絮凝沉淀分析
（1）自由沉淀理论基础
①理论假定
a．颗粒为球形；b．沉淀过程中颗粒的大小、形状、重量等不变；c．颗粒只在重力作用下沉淀，不受器壁和其他颗粒影响。
②沉速计算
下式为球状颗粒自由沉淀的沉速公式，又称斯托克斯公式：
（10-8）
式中，
为颗粒密度，kg/m3；ρL为液体的密度，kg/m3；u为颗粒沉速，m/s；μ为液体的动力黏滞度；d为颗粒的直径，m；g为重力加速度。
③颗粒沉速影响因素
a．颗粒沉速的决定因素是ρS－ρL。当ρS大于ρL时，ρS－ρL为正值，颗粒以u下沉；当ρS与ρL相等时，u＝0，颗粒在水中呈随机悬浮状态，这类颗粒如采用沉淀处理，必须采用絮凝沉淀或气浮法；当ρS小于ρL时，ρS-ρL为负值，u也为负值，颗粒以u上浮，可用浮上法去除。
b．u与颗粒直径d的平方成正比。因此增加颗粒直径有助于提高沉淀速度（或上浮速度），提高去除效果。
c．u与液体的动力黏滞度μ成反比，且随水温上升而下降，即沉速受水温影响，水温上升，沉速增大。
（2）絮凝沉淀分析
①影响因素
絮凝沉淀过程中，沉淀颗粒会发生凝聚，影响凝聚程度的因素有悬浮固体浓度、颗粒尺寸分布、负荷、沉淀池深、沉淀池中的速度梯度。这些变量的影响只能通过沉淀试验确定。
②沉淀试验
a．试验方法
絮凝沉淀试验柱直径一般取150～200mm，高度上应与拟建沉淀池相同。取样口的位置约间隔0.5m，在不同的时间间隔取样分析悬浮固体浓度，对每个分析样品计算去除百分率，然后像绘制等高线一样绘制等百分率去除曲线，如图10-4所示。
b．计算与分析
絮凝沉淀速度u可以用下式计算：
（10-9）
式中，u为沉淀速度，m/s；H为沉淀柱高度，m；t为达到给定去除率所需时间，s。
对于指定的沉淀时间和沉淀高度，总沉淀效率η可用下式计算：
（10-10）
式中，η为总沉淀效率，%；i为等百分率去除曲线号；Δhi为等百分率去除曲线之间的距离，m；H为沉降柱总高度，m；Ri为曲线号i的等百分去除率，%；Ri＋1为曲线号i＋1的等百分去除率，%。
图10-4 絮凝沉淀试验分析
4．沉淀池的工作原理
（1）沉淀池结构
理想沉淀池可划分为五个区域，即进口区、沉淀区、出口区、缓冲区及污泥区。
（2）假定前提
①沉淀区过水断面上各点的水流速度均相同，水平流速为v；
②悬浮颗粒在沉淀区等速下沉，下沉速度为u；
③在沉淀池的进口区域，水流中的悬浮颗粒均匀分布在整个过水断面上；
④颗粒一经沉到缓冲区后，即认为已被去除。
（3）颗粒沉淀运动
根据上述的假定，悬浮颗粒自由沉淀的迹线可用图10-5表示。
当某一颗粒进入沉淀池后，一方面随着水流在水平方向流动，其水平流速等于水流速度。
（10-11）
式中，v为颗粒的水平分速，m/s；Q为进水流量，m3/s；A′为沉淀区过水断面面积，H×b；H为沉淀区的水深，m；b为沉淀区宽度，m。
另一方面，颗粒在重力作用下沿垂直方向下沉，其沉速即是颗粒的自由沉降速度u。颗粒运动的轨迹为其水平分速v和沉速u的矢量和。在沉淀过程中，是一组倾斜的直线，其坡度为
。
图10-5 平流理想沉淀池示意图
（4）沉淀分析
①从沉淀区顶部x点进入的颗粒中，必存在着某一粒径的颗粒，其沉速为u0，到达沉淀区末端时刚好能沉至池底；
②当颗粒沉速u1≥u0时，无论这种颗粒处于进口端的什么位置，它都可以沉到池底被去除，即图10-5a中的轨迹线xy与x′y′；
③当颗粒沉速u1＜u0时，从沉淀区顶端进入的颗粒不能沉淀到池底，会随水流排出，如图10-5b中轨迹线xy″所示；当其位于水面下的某一位置进入沉淀区时，它可以沉到池底而被去除，如图中轨迹线x′y所示，说明对于沉速u1小于指定颗粒沉速u0的颗粒，有一部分会沉到池底被去除。
（5）沉淀效率
①设沉速为u1的颗粒占全部颗粒的dP（%），其中的
的颗粒将会从水中沉淀到池底而去除。沉淀池能去除的颗粒包括u1≥u0及u1＜u0两部分，故沉淀池对悬浮颗粒的去除率为：
（10-12）
式中，P0为沉速小于u0的颗粒占全部悬浮颗粒的百分数；1－P0为沉速≥u0的颗粒去除百分数。
②沉淀池的表面水力负荷（又称溢流率）q可表示为：
（10-13）
式中，q为在单位时间内通过沉淀池单位表面积的流量，单位是m3/（m2·h）或m3/（m2·s），也可简化为m/h或m/s。
式（10-13）表明，理想沉淀池的沉淀效率与池的表面面积A有关，与池深H、沉淀时间t、池的体积V等无关。
三、沉砂池
1．沉砂池的工作原理与设计原则
（1）沉砂池的工作原理
①工作目的
沉砂池的设置目的是去除污水中泥砂、煤渣等相对密度较大的无机颗粒，以免影响后续处理构筑物的正常运行。
②工作原理
沉砂池的工作原理是以重力分离或离心力分离为基础，即控制进入沉砂池的污水流速或旋流速度，使相对密度大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒则随水流带走。
（2）沉砂池的设计原则
在工程设计中，可参考下列设计原则与主要参数：
①城镇污水处理厂一般均应设置沉砂池，工业废水处理是否要设置沉砂池，应根据水质情况而定。城镇污水处理厂的沉砂池的只数或分格数应不少于2。
②设计流量应按分期建设考虑。
a．当污水自流进入时，应按每期的最大设计流量计算；
b．当污水为提升进入时，应按每期工作水泵的最大组合流量计算；
c．在合流制处理系统中，应按降雨时的设计流量计算。
③城镇污水的沉砂量可按每立方污水沉砂0.03L计算，其含水率约为60%，容重约为1500kg/m3。沉砂池应设置砂水分离器进行洗砂和砂水分离，分离器溢流上清液重新回到处理系统中。
④贮砂斗的容积不应大于2日沉砂量，贮砂斗壁的倾角不应小于55°，沉砂池排砂宜采用机械方式，并经砂水分离后贮存或外运。人工排砂时，排砂管直径不应小于200mm，同时考虑防堵塞措施。
⑤沉砂池的超高不宜小于0.3m。
2．沉砂池的分类
（1）平流式沉砂池
①特点
平流式沉砂池是以降低流速使无机性颗粒沉降下来。
a．优点：截留无机颗粒效果较好、构造较简单；
b．缺点：流速不易控制、沉砂中有机性颗粒含量较高、排砂常需要洗砂处理等。
②平流式沉砂池的设计参数
a．污水在池内的最大流速为0.3m/s，最小流速应不小于0.15m/s；
b．最高流量时，污水在池内的停留时间不应小于30s，一般取30～60s；
c．有效水深不应大于1.2m，一般采用0.25～1.0m，每格宽度不宜小于0.6m；
d．池底坡度一般为0.01～0.02，当设置除砂设备时，可根据除砂设备的要求，确定池底的形状。
③平流式沉砂池设计
a．沉砂部分的长度L
（10-14）
式中，L为沉砂池沉砂部分长度，m；v为最大设计流量时的速度，m/s；t为最大设计流量时的停留时间，s。
b．水流断面面积A
（10-15）
式中，A为水流断面面积，m2；Qmax为最大设计流量，m3/s。
c．池总宽度B
（10-16）
式中，B为池总宽度，m；h2为设计有效水深，m。
d．贮砂斗所需容积V
（10-17）
式中，V为沉砂斗容积，m3；X为城镇污水的沉砂量，一般采用0.03L/（m3污水）；T为排砂时间的间隔，d；Kz为污水流量的总变化系数。
e．贮砂斗各部分尺寸计算
设贮砂斗底宽b1＝0.5m；斗壁与水平面的倾角为60°；则贮砂斗的上口宽b2为：
（10-18）
贮砂斗的容积V1为：
（10-19）
式中，V1为贮砂斗容积，m3；h3′为贮砂斗高度，m；S1，S2分别为贮砂斗上口和下口的面积，m3。
f．贮砂室的高度h3
假设采用重力排砂，池底设0.06坡度坡向砂斗，则：
（10-20）
g．池总高度H
（10-21）
式中，H为池总高度，m；h1为超高，m。
h．核算最小流速vmin
（10-22）
式中，Qmin为设计最小流量，m3/s；n1为最小流量时工作的沉砂池数目；Amin为最小流量时沉砂池中的过水断面面积，m2。
（2）曝气沉砂池
①曝气沉砂池具有下述特点：
a．沉砂中含有机物的量低于5%；
b．由于池中设有曝气设备，它还具有预曝气、脱臭、除泡作用以及加速污水中油类和浮渣的分离等作用；
c．曝气作用要消耗能量，对生物脱氮除磷系统的厌氧段或缺氧段的运行存在不利影响。
②曝气沉砂池的构造及工作原理
a．构造
曝气沉砂池的剖面如图10-6所示。
图10-6 曝气沉砂池剖面图
b．工作原理
由于曝气以及水流的旋流作用，污水中悬浮颗粒相互碰撞、摩擦，并受到气泡上升时的冲刷作用，使黏附在砂粒上的有机污染物得以摩擦去除，螺旋水流还将相对密度较轻的有机颗粒悬浮起来随出水带走。沉于池底的砂粒较为纯净，有机物含量只有5%左右，便于沉砂的处置。
③曝气沉砂池的设计参数
a．水平流速一般可取0.08～0.12m/s，一般取0.1m/s；
b．最大流量时污水在池内的停留时间为4～6min，处理雨天合流污水时为1～3min，如同时作为预曝气池使用，停留时间可取10～30min；
c．池的有效水深宜为2.0～3.0m。池宽与池深比为1～1.5，池的长宽比可达5，当池的长宽比大于5时，可考虑设置横向挡板；
d．曝气沉砂池多采用穿孔管曝气，穿孔孔径为2.5～6.0mm，距池底约0.6～0.9m，每组穿孔曝气管应有调节阀门；
e．每立方米污水所需曝气量宜为0.1～0.2m3（空气）或每平方米池表面积曝气量3～5m3/h。
④曝气沉砂池设计
a．总有效容积V
（10-23）
式中，V为总有效容积，m3；Qmax为最大设计流量，m3/s；t为最大设计流量时停留时间，min。
b．池断面积A
（10-24）
式中，A为池断面积，m2；v为最大设计流量时水平流速，m/s。
c．池总宽度B
（10-25）
式中，B为池总宽度，m；H为有效水深，m。
d．池长L
（10-26）
e．所需曝气量q
（10-27）
式中，q为所需曝气量，m3/min；D为单位污水需要曝气量，m3/（m3污水）。
（3）旋流沉砂池
①工作原理
旋流沉砂池沿圆形池壁内切方向进水，利用水力或机械力控制水流流态与流速，在径向方向产生离心作用，加速砂粒的沉淀分离，并使有机物随水流带走。
②旋流沉砂池构造
一般旋流沉砂池由流入口、流出口、沉砂区、砂斗、涡轮驱动装置及排砂系统组成。通过调整转速，可达到最佳沉砂效果。砂斗内沉砂可采用空气提升、排砂泵等方式排除，再经过砂水分离器进行洗砂，达到砂粒与有机物再次分离从而清洁排砂的目的。
③旋流沉砂池的设计
旋流沉砂池最高设计流量时的停留时间不应小于30s，设计水力表面负荷宜为150～200m3/（m2·h），有效水深宜为1.0～2.0m，池径与池深比宜为2.0～2.5。
四、沉淀池
1．沉淀池概况
（1）沉淀池的分类
①按工艺布置可分为：
a．初沉池，其去除对象是悬浮固体。
b．二沉池，设在生物处理构筑物后面，用于沉淀分离活性污泥或去除生物膜法中脱落的生物膜。
②按池内水流方向不同分为：
a．平流式；b．竖流式；c．辐流式。具体特征见表10-4。
表10-4 沉淀池的类型
图10-7为三种形式沉淀池的示意图。
图10-7 三种形式沉淀池示意图
（2）沉淀池的组成及功能（见表10-5）
表10-5 沉淀池的组成及功能
（3）沉淀池的运行方式
①间歇式
在间歇运行的沉淀池中，其工作过程大致分为三步：进水、静置及排水。污水中可沉淀的悬浮固体在静置时完成沉淀过程，然后由移动式的排水装置或设置在沉淀池壁不同高度的排水管排出。
②连续式
在连续运行的沉淀池中，污水是连续不断地流入与排出。污水中可沉颗粒是在水的流动过程中完成沉淀，可沉颗粒受到由重力所造成的沉速与水流流动的速度两方面的作用。水流流动的速度对颗粒的沉淀有重要的影响。
（4）三种形式沉淀池的特点及适用条件（见表10-6）
表10-6 三种形式沉淀池的特点及适用条件
2．沉淀池的一般设计原则及设计参数
（1）设计原则
①沉淀池的设计流量与沉砂池的设计流量相同；
②对于城镇污水处理厂，沉淀池应不少于2座，并考虑1座发生故障时，其余工作的沉淀池能够负担全部流量；
③城镇污水处理厂，如无污水沉淀性能的实测资料时，可参照表10-7的经验设计参数选用。
表10-7 沉淀池经验设计参数
（2）沉淀池的构造尺寸
①沉淀池超高不应小于0.3m；
②有效水深宜采用2.0～4.0m；
③缓冲层高度，非机械排泥时宜采用0.5m，机械排泥时，应根据刮泥板高度确定，且缓冲层上缘宜高出刮泥板0.3m；
④贮泥斗斜壁的倾角，方斗宜为60°，圆斗宜为55°；
⑤坡向泥斗的底板坡度，平流式沉淀池不宜小于0.01，辐流式沉淀池不宜小于0.05。
（3）沉淀池出水部分
一般采用堰流，堰口应保持水平。初沉池的出水堰最大负荷不宜大于2.9L/（s·m），二沉池出水堰最大负荷不宜大于1.7L/（s·m）。可采用多槽出水布置，减轻单位长度堰口水力负荷，提高出水水质。
（4）贮泥斗的容积
①初沉池一般按不大于2d的污泥量计算，采用机械排泥的污泥斗可按4h污泥量计算；
②活性污泥法处理后二沉池的污泥区体积，宜按不超过2h贮泥时间计算，并应有连续排泥措施；
③生物膜法处理后二沉池的污泥区体积，宜按4h的污泥量计算。
（5）排泥部分
沉淀池一般采用静水压力排泥。
①初沉池排泥静水头不应小于1.5m（H2O）；
②生物膜法的二沉池不应小于1.2m（H2O）；
③活性污泥法的二沉池不应小于0.9m（H2O）；
④排泥管直径不应小于200mm。
3．平流式沉淀池
（1）平流式沉淀池的构造及工作特点
设有行车刮泥机的平流式沉淀池剖面如图10-8所示。
图10-8 设有行车刮泥机的平流式沉淀池
为使入流污水均匀、稳定地进入沉淀池，进水区应有消能和整流措施，常见几种整流方式见图10-9，入流处的挡流板，一般高出池水水面0.15～0.2m，挡流板的浸没深度应不少于0.25 m，一般用0.5～1.0 m，挡流板距流入槽0.5～1.0 m。
图10-9 平流式沉淀池的进水整流措施
平流式沉淀池排泥可以采用带刮泥机的单斗排泥或多斗排泥，见图10-10，多斗式沉淀池可以不设置机械刮泥设备，每个贮泥斗单独设置排泥管，各自独立排泥，互不干扰，保证污泥的浓度。在池的宽度方向污泥斗一般不多于两排。
图10-10 平流式沉淀池的单斗与多斗排泥
（2）平流式沉淀池的设计
平流沉淀池设计的内容包括确定沉淀池的数量，入流、出流装置设计，沉淀区和污泥区尺寸计算，排泥和排渣设备选择等。
目前常按照表面水力负荷、沉淀时间和水平流速进行设计计算。
①沉淀区的表面积A
（10-28）
式中，A为沉淀区表面积，m2；Qmax为最大设计流量，m3/h；q为表面水力负荷，m3/（m2·h），通过沉淀试验取得，或参照表10-7选取。
②沉淀区有效水深h2
（10-29）
式中，h2为沉淀区有效水深，m，通常取2.0～4.0m；t为沉淀时间，初沉池一般取0.5～2.0h，二沉池一般取1.5～4.0h。
③沉淀区有效容积V
（10-30）
或
（10-31）
式中，V为沉淀区有效容积，m3。
④沉淀池长度L
（10-32）
式中，L为沉淀池长度，m；v为最大设计流量时的水平流速，mm/s，一般不大于5mm/s。
⑤沉淀区的总宽度B
（10-33）
式中，B为沉淀区的总宽度，m。
⑥沉淀池的数量n
（10-34）
式中，n为沉淀池数量或分格数；b为每座或每格沉淀池的宽度，m，受长宽比影响，同时与选用的刮泥机有关。
平流式沉淀池的长度一般为30～50m，不宜大于60m，为了保证污水在池内分布均匀，池长与池宽比不宜小于4，长度与有效水深比不宜小于8。
⑦污泥区的容积V
对于生活污水，可按每日产生污泥量和排泥的时间间隔设计：
（10-35）
式中，S为每人每日产生的污泥量，L/（人·d），可参考表10-7；N为设计人口数，人；T为两次排泥的时间间隔，d，初沉池按2d考虑，活性污泥法后二沉池按2h考虑，机械排泥初沉池和生物膜法后二沉池按4h设计计算。
如果已知污水悬浮同体浓度与去除率，污泥量可按下式计算：
（10-36）
式中，C0、C1为沉淀池进水和出水的悬浮固体浓度，mg/L；γ为污泥容重，kg/m3，含水率在95%以上时，可取1000kg/m3：p0为污泥含水率，%；T为两次排泥时间间隔，同上。
⑧沉淀池的总高度H
（10-37）
式中，H为沉淀池总高度，m；h1为沉淀池超高，m，一般取0.3m；h2为沉淀区的有效深度，m；h3为缓冲层高度，m，无机械刮泥设备时为0.5m，有机械刮泥设备时，其上缘应高出刮板0.3m；h4为污泥区高度，m；h4＇为贮泥斗高度，m；h4″为梯形部分的高度，m。
⑨贮泥斗的容积V1
（10-38）
式中，V1为贮泥斗的容积，m3；S1，S2为贮泥斗的上、下口面积，m2。
⑩贮泥斗以上梯形部分污泥容积V2
（10-39）
式中，V2为污泥斗以上梯形部分的容积，m3；L1，L2为梯形上下底边长，m。
4．竖流式沉淀池
（1）竖流式沉淀池的工作原理
①竖流式沉淀池中悬浮颗粒的运动状态
a．当颗粒沉速u＞v时，则颗粒将以u－v的差值向下沉淀，颗粒得以去除；
b．当u＝v时，则颗粒处于随机状态，不下沉亦不上升；
c．当u＜v时，颗粒将不能沉淀下来，而会随上升水流带走。
②工作效率及原理
由悬浮颗粒的三种运动状态可知：
a．当可沉颗粒属于自由沉淀类型时，其沉淀效果（在相同的表面水力负荷条件下）竖流式沉淀池的去除效率要比其他沉淀池低。
b．当可沉颗粒属于絮凝沉淀类型时，一方面，由于在池中颗粒存在相反方向的运动，就会出现上升着的颗粒与下降着的颗粒，同时还存在着上升颗粒与上升颗粒之间、下降颗粒与下降颗粒之间的相互接触、碰撞，致使颗粒的直径逐渐增大，有利于颗粒的沉淀；另一方面，絮凝颗粒在上升水流的顶托和自身重力作用下，会在沉淀区内形成一个絮凝污泥层，这一层可以网捕拦截污水中的待沉颗粒。
（2）竖流式沉淀池的设计
①中心管截面积f1与中心管直径d0
（10-40）
（10-41）
式中，Qmax为每组沉淀池最大设计流量，m3/s；f1为中心管截面积，m2；v0为中心管内流速，m/s；d0为中心管直径，m。
②中心管喇叭口到反射板之间的间隙高度h3
（10-42）
式中，h3为间隙高度，m；v1为间隙流出速度，m/s；d1为喇叭口直径，m。
③沉淀池面积f2和池径D
（10-43）
（10-44）
式中，f2为沉淀区面积，m2；q为表面水力负荷，m3/（m2·h）；A为沉淀池面积（含中心管面积），m2；D为沉淀池直径，m。
其余各部分的设计与平流沉淀池相似。
5．辐流式沉淀池
（1）辐流式沉淀池的构造
辐流式沉淀池是一种大型沉淀池，有中心进水与周边进水两种形式。进水方式如表10-8所示。
表10-8 沉淀池进水方式
沉淀于池底的污泥一般采用机械刮泥机排除。为了刮泥机的排泥要求，辐流式沉淀池的池底坡度平缓，常取0.05。当池径较小时，亦可采用多斗排泥，这一形式的污泥斗与竖流式沉淀池相似。
（2）辐流式沉淀池设计
①每座沉淀池的表面积A1和池径D
（10-45）
（10-46）
式中，A1为每池表面积，m2；D为每池直径，m；Qmax为最大设计流量，m3/h；N为池数；q0为表面水力负荷，m3/（m2·h）。
②沉淀池有效水深h2
（10-47）
式中，h2为有效水深，m；t为沉淀时间，h。
沉淀池直径（或正方形的一边）与有效水深之比宜为6～12。
③沉淀池总高度H
（10-48）
式中，H为沉淀池总高度，m；h1为沉淀池超高，m，一般取0.3m；h2为有效水深，m；h3为缓冲层高度，m；h4为沉淀池底坡落差，m；h5为污泥斗高度，m。
6．斜板（管）沉淀池
（1）斜板（管）沉淀池的构造（见图10-11）
包括：①斜板（管）沉淀区；②进水配水区；③清水出水区；④缓冲区；⑤污泥区。
图10-11 升流式斜板沉淀池
（2）斜板（管）沉淀池设计
①沉淀池表面积A
（10-49）
式中，A为斜板（管）沉淀池表面积，m2；Qmax为最大设计流量，m3/h；n为池数；0.91为斜板（管）面积利用系数；q0为表面水力负荷，m3/（m2·h），可按普通沉淀池表面水力负荷的2倍计。
根据表面积和池体形状计算圆形池体的直径或矩形池体的长宽。
②池内停留时间t
（10-50）
式中，t为池内停留时间，h；h2为斜板（管）上部清水区高度，m，一般取0.7～1.0m；h3为斜板（管）自身垂直高度，m，一般为0.866～1.0m。
（3）斜板（管）沉淀池在污水处理中的应用
①优点
斜板（管）沉淀池具有去除效率高、停留时间短、占地面积小等优点。
②应用
a．原有污水处理厂的挖潜或扩大处理能力改造时采用；
b．当污水处理厂的占地受到限制时，可考虑作为初沉池使用；
c．生物处理后续深度处理时，进一步去除悬浮固体。
7．提高沉淀池沉淀效果的有效途径
①在沉淀区增设斜板（管）；②对污水进行曝气搅动；③回流部分活性污泥。
五、隔油池
1．含油废水的来源与危害
（1）含油废水来源
①石油开采及加工工业排出大量含油废水；
②固体燃料热加工、铁路及交通运输业、屠宰及食品加工业以及机械工业中车削工艺产生乳化液等均排放含油废水；
③纺织工业中的洗毛废水及轻工业中的制革废水等。
（2）废水中油的存在形态（见表10-9）
表10-9 废水中油的存在状态
（3）含油废水对环境的危害
①含油废水排入水体后将在水体表面产生油膜，使水体处于缺氧状态，影响鱼类和水生生物生存；
②含油废水浸入土壤空隙间形成油膜，产生阻碍作用，致使空气、水分和肥料均不能渗入土中，破坏土层结构，对农作物的生长有害；
③含油废水排入城镇排水管道，对排水管道、附属设备及城镇污水处理厂都会造成不良影响。
2．隔油池
（1）平流式隔油池
①特点
典型的平流式隔油池与平流式沉淀池在构造上基本相同。其特点是构造简单、便于运行管理、油水分离效果稳定。
②表面负荷设计
平流式隔油池按表面负荷设计时，一般采用1.2m3/（m2·h）；按停留时间设计时，一般采用1.5～2.0h。
③处理效果
仅仅依靠油滴与水的密度差产生上浮而进行油、水分离，油的去除效率一般为70%～80%左右，隔油池的出水仍含有一定数量的乳化油和附着在悬浮固体上的油分，一般较难降到排放标准以下。
气浮法分离油、水的效果较好，出水中含油量一般可低于20mg/L。
（2）斜板式隔油池
对于细分散油同样可以利用浅池理论来提高分离效果，通常采用波纹形斜板，板间距约40 mm，倾角不小于45°，废水沿板面向下流动，从出水堰排出，水中油滴沿板的下表面向上流动，经集油管收集排出。这种形式的隔油池可分离油滴的最小粒径约为80μm，相应的上升速度约为0.2 mm/s，表面水力负荷为0.6～0.8 m3/（m2·h），停留时间一般不大于30 min。
3．乳化油及破乳方法
（1）乳化油的主要来源
①由于生产工艺的需要而制成的乳化油，如机械加工中车床切削用的冷却液，是人为制成的乳化液；
②以洗涤剂清洗受油污染的机械零件、油槽车等而产生乳化油废水；
③含油（可浮油）废水在管道中与含乳化剂的废水相混合，受水流搅动而形成。
在含油废水产生的地点立即用隔油池进行油水分离，可以避免油的乳化，而且还可以就地回收油品，降低含油废水的处理费用。
（2）破乳方法简介
破乳的基本原理是破坏油滴界面上的稳定薄膜，使油、水得以分离。破乳途径有下述几种：
①投加换型乳化剂，例如氯化钙；
②投加盐类、酸类物质；
③投加某种本身不能成为乳化剂的表面活性剂，例如异戊醇剂；
④通过剧烈的搅拌、震荡或转动，使乳化的液滴猛烈相碰撞而合并；
⑤如以粉末为乳化剂的乳状液，可用过滤法拦截油滴；
⑥改变乳化液的温度（加热或冷冻）；
⑦投加水处理中常用的混凝剂。
六、气浮池
1．气浮法的基本条件及应用
（1）基本条件
气浮法是一种有效的固—液和液—液分离方法，常用于对那些颗粒密度接近或小于水的细小颗粒的分离。
气浮法处理工艺必须满足下述基本条件：
①必须向水中提供足够量的细微气泡；
②必须使废水中的污染物质能形成悬浮状态；
③必须使气泡与悬浮的物质产生黏附作用。
（2）应用方面
①石油、化工及机械制造业中的含油（包括乳化油）废水的油水分离；
②废水中有用物质的回收，如造纸废水中的纸浆纤维及填料的回收；
③含悬浮固体相对密度接近1的工业废水的预处理；
④取代二沉池进行泥水分离，特别适用于活性污泥絮体不易沉淀或易于产生膨胀的情况；
⑤剩余污泥的浓缩。
2．气浮法的类型（见表10-10）
表10-10 气浮法的类型
3．加压溶气气浮法的基本原理
（1）空气在水中的溶解度与压力及温度的关系
空气在水中的溶解度与压力及温度有关。在一定范围内，温度越低、压力越大，其溶解度越大。一定温度下，溶解度与压力成正比。
（2）水中的悬浮颗粒与微小气泡相黏附的原理
①气泡与悬浮颗粒黏附的条件
在气浮过程中存在着气、水、颗粒三相介质，在各个不同介质的表面也都因受力不平衡而产生表面张力（或称界面张力），即具有表面能（或称界面能）。
界面能E与界面张力的关系如下：
（10-51）
式中，σ为界面张力系数；S为界面面积。
图10-12 不同悬浮颗粒与水接触的润湿情况
水中悬浮颗粒是否能与气泡黏附，与气、水、颗粒间的界面能有关。当三者相对稳定时，三相界面张力的关系如图10-12所示，其关系式为：
（10-52）
式中，θ为接触角（又称湿润角）。
进一步可得当气泡与悬浮颗粒黏附后，黏附面上单位面积的界面能减小值ΔE为：
（10-53）
当θ→0时，cosθ→1，ΔE→0，这类物质亲水性强（称为亲水性物质），无力排开水膜，不易与气泡黏附，不能用气浮法去除。
当θ→180°时，cosθ→-1，ΔE→2σ水-气，这类物质疏水性强（称为疏水性物质），易与气泡黏附，宜用气浮法去除。
②“颗粒—气泡”复合体（简称带气絮体）的上浮速度
带气絮体的上浮速度公式与沉淀池中的颗粒沉速一样，当流态为层流时，则带气絮体的上升速度可按斯托克斯公式计算：
（10-54）
式中，d为带气絮体的直径；ρs为带气絮体的表观密度。
上述公式表明，带气絮体的上浮速度u，取决于水与带气絮体的密度差与复合体的有效直径。如果带气絮体上黏附的气泡越多，则ρs越小，d越大，因而其上浮速度亦越快。
（3）投加化学药剂提高气浮效果
疏水性很强的物质（如植物纤维、油滴及炭粉末等），不投加化学药剂即可获得满意的固（液）—液分离效果。一般的疏水性或亲水性的悬浮物质，均需投加化学药剂，以改变颗粒的表面性质，增加气泡与颗粒的吸附。
这些化学药剂可分为下述几类：
①混凝剂，各种无机或有机高分子混凝剂；
②浮选剂，大多由极性—非极性分子所组成，如松香油、石油、表面活性剂、硬脂酸盐等；
③助凝剂，如聚丙烯酰胺等；
④抑制剂，如石灰、硫化钠等；
⑤调节剂，如各种酸、碱等。
4．加压溶气气浮法系统的组成及设计
（1）加压溶气气浮法系统的组成与主要工艺参数
加压溶气气浮法系统主要由三个部分组成：压力溶气系统、空气释放系统和气浮分离设备（气浮池）。
①压力溶气系统
a．加压水泵
加压水泵的作用是提升废水，将水、气以一定压力送至压力溶气罐，其扬程的选择应考虑溶气压力和管路系统的水力损失两部分。
b．压力溶气罐
压力溶气罐的作用是使水与空气充分接触，促进空气的溶解。溶气方式有三种，分别是水泵吸水管吸气溶气式、水泵出水管射流溶气式和空压机供气式，如表10-11所示。
表10-11 溶气方式
c．空气供给设备（空压机或射流器）及其他附属设备
②空气释放系统
空气释放系统是由溶气释放装置和溶气水管路组成。溶气释放装置功能是将压力溶气水减压，使溶气水中的气体以微气泡的形式释放出来，并能迅速、均匀地与水中的颗粒物质黏附。常用的溶气释放装置有减压阀、专用溶气释放器等。
③气浮池
气浮池的功能是提供一定的容积和池表面积，使微气泡与水中悬浮颗粒充分混合、接触、黏附，并使带气絮体与水分离。目前应用较为广泛的有平流式和竖流式两种，见表10-12。
表10-12 气浮池类型
（2）设计计算
加压溶气气浮池的主要设计计算内容包括所需空气量、加压溶气水量、溶气罐尺寸和气浮池主要尺寸等。
①气浮所需空气量QG
设计气浮池加压溶气系统时最基本的参数是气固比，气固比（a）的定义是溶解空气量（A）与原水中悬浮固体含量（S）的比值，可用下式表示：
（10-55）
在溶气压力P下溶解的空气，经减压释放后，理论上释放空气量A为：
（10-56）
式中，A为减压至101.325kPa时释放的空气量，kg/d；ρ为空气密度，g/L，见表10-13；CS为在一定温度下，一个大气压时的空气溶解度，mL/L；P为溶气压力（绝对压力），大气压atm；P0为当地气压（绝对压力），大气压atm；f为加压溶气系统的溶气效率，为实际空气溶解度与理论溶解度之比，与溶气罐等因素有关，通常取0.5～0.8，参见表10-14；QR为加压溶气水的流量，m3/d。
表10-13 空气的密度及其在水中的溶解度
表10-14 阶梯环填料罐（层高1m）的水温、压力与溶气效率关系
如已知气固比，可计算加压水或回流澄清水的流量：
（10-57）
其中，Sa为废水中的悬浮固体浓度，g/m3。
当有试验资料时，可用下述公式计算：
（10-58）
式中，Q为气浮处理的废水量，m3/h；R′为试验条件下的澄清液回流比，%；ac为试验条件下的释气量，L/m3；k为水温校正系数，取1.1～1.3（主要考虑水的黏度影响，试验时水温与冬季水温相差大者取高值）。
②溶气罐
选定过流密度I后，溶气罐直径Dd按下式计算：
（10-59）
一般对于空罐I选用1000～2000m3/（m2·d）；对填料罐，I选用2500～5000m3/（m2·d）。
溶气罐高h：
h＝2h1＋h2＋h3＋h4 （10-60）
式中，h1为罐顶、底封头高度（根据罐直径而定），m；h2为布水区高度，一般取0.2～0.3m；h3为贮水区高度，一般取10m；h4为填料层高度，一般取10～1.3m。
③气浮池
a．接触室的表面积Ac
选定接触室中水流的上升流速uc后，按下式计算：
（10-61）
式中，A为接触室的表面积，m2；Q为气浮处理的废水量，m3/h，如为部分加压，则按Q已含QR的量；QR为回流加压水量，m3/h；uc为接触室水流的上升流速，m/h。
b．分离室的表面积As
根据表面负荷率计算：
（10-62）
式中，As为分离室的表面积，m2；Q为气浮处理的废水量，m3/h；q为分离室表面负荷率，m3/（m2·h），一般取6～8m3/（m2·h）。
按分离速度us（分离室向下平均水流速度）计算：
（10-63）
式中，Q为气浮处理的废水量，m3/h；QR为回流加压水量，m3/h；us为分离速度，m/h。
c．气浮池的净容积V
选定池的平均水深H（指分离室水深），按下式计算：
（10-64）
同时以池内水力停留时间（t）进行校核，一般要求t为10～20min。
计算浮渣的量时，应包括废水中悬浮固体量、投加化学药剂的量及投加化学药剂后废水中由溶解的、乳化的或胶体状物质转化为絮状可浮物质的量。