第3章水處理方法概論

第3章水處理方法概論

?主要單元處理方法及工藝流程?反應(yīng)器概念及其在水處理中的應(yīng)用2/6/20231

?水處理工藝流程的概念由于單一的水處理單元方法是難以滿足要求，所以將多種基本單元過(guò)程互相配合，組成一個(gè)水處理工藝過(guò)程，稱為水處理工藝流程。?選擇水處理流程的基本出發(fā)點(diǎn)是：

☆以較低的成本、安全穩(wěn)定的運(yùn)行過(guò)程；☆獲得滿足水質(zhì)要求的水；☆水處理設(shè)施所在的地區(qū)氣候、地形地質(zhì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的差異，也會(huì)影響到水處理工藝流程的選擇。2/6/20232

3.1主要單元處理方法3.1.1給水處理的基本方法?去除水中的懸浮物：如混凝、澄清、沉淀、過(guò)濾、消毒?變革水中溶解物質(zhì)：如減少、調(diào)整如軟化、除鹽、水質(zhì)穩(wěn)定?降低水溫：如冷卻?去除微量有機(jī)物2/6/202333.1.2常規(guī)處理工藝?以無(wú)污染的地面水源為生活飲用水水源時(shí)：

目的以去除濁度、滿足衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。地面水源水質(zhì)：雜質(zhì)多、含鹽量較低。

?工業(yè)用除鹽水

2/6/20234圖3-8典型除污染給水處理流程圖3-9一般冷卻水流程a)自然沉淀b）混凝沉淀2/6/20235圖3-11典型城市污水處理工藝流程圖3-12典型的焦化廢水處理流程

2/6/202363.1.3、其它水處理工藝?微污染水處理工藝?高濁度水處理工藝?低溫低濁水處理工藝?富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水處理工藝2/6/202373.1.4、熱點(diǎn)問(wèn)題與發(fā)展方向?熱點(diǎn)問(wèn)題☆臭味異味如MIB、geosmin等☆有機(jī)污染物特別是80年代以后，對(duì)有機(jī)物的污染特別關(guān)注。已發(fā)現(xiàn)在給水水源中有機(jī)物種類在2000種以上；飲用水中有700多種。美國(guó)確立了117種優(yōu)先控制有機(jī)物。我國(guó)也確定了12類，58種。07.7.1實(shí)施，項(xiàng)目由35增至106項(xiàng)，常規(guī)必測(cè)項(xiàng)42，非常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)64項(xiàng)，最遲到12年對(duì)106項(xiàng)全部檢測(cè)。新標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)了對(duì)有機(jī)物等方面的要求。☆病原微生物：新的病原微生物：如賈第蟲（GiardiaLamblia）、隱孢子蟲等?！罟芫W(wǎng)水二次污染：細(xì)菌繁殖導(dǎo)致水質(zhì)變差。2/6/20238?發(fā)展方向：☆

加強(qiáng)臭味腥味等異味去除☆

加強(qiáng)微量有機(jī)物去除☆

加強(qiáng)常規(guī)處理☆

增加預(yù)處理（如生物預(yù)處理）☆

增加后處理（如活性炭吸附、化學(xué)氧化）☆

開發(fā)新技術(shù)（如膜技術(shù)）☆

加強(qiáng)消毒：防止各種致病微生物的影響☆

消毒副產(chǎn)物的問(wèn)題：替代氯的其它消毒技術(shù)☆

管網(wǎng)水二次污染控制：2/6/202393.2反應(yīng)器概念及其在水處理中的應(yīng)用?反應(yīng)器概述?物料衡算與質(zhì)量傳遞?理想反應(yīng)器模型?非理想反應(yīng)器?反應(yīng)器理論在水處理中的應(yīng)用?轉(zhuǎn)化率2/6/2023103.2.1、反應(yīng)器概述?在化工生產(chǎn)過(guò)程中，都有一個(gè)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的生產(chǎn)核心部分，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的容器稱為反應(yīng)器。研究反應(yīng)器有關(guān)問(wèn)題的學(xué)科稱為化學(xué)反應(yīng)工程。?水處理的許多處理單元環(huán)節(jié)是由化學(xué)工程移植、發(fā)展而來(lái)。2/6/202311?理想反應(yīng)器指簡(jiǎn)化的反應(yīng)器，即在推導(dǎo)反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型時(shí)，由于反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際進(jìn)行的工藝過(guò)程比較復(fù)雜，就作了某些假定予以簡(jiǎn)化。理想反應(yīng)器可近似反映真實(shí)反應(yīng)器的特征，由理想反應(yīng)器模型可進(jìn)一步推出偏離理想狀態(tài)的實(shí)際反應(yīng)器模型。2/6/202312理想反應(yīng)器按反應(yīng)器的運(yùn)行方式，可以分成兩大類。☆間歇式反應(yīng)器(batchreactor)：按反應(yīng)物“一罐一罐地”進(jìn)行反應(yīng)的，反映完成卸料后，在進(jìn)行下一批的生產(chǎn)，是一種完全混合式的反應(yīng)器?！钸B續(xù)流式反應(yīng)器(continuousflowreactor)：進(jìn)料和出料都是連續(xù)不斷地進(jìn)行，是一種穩(wěn)定流的反應(yīng)器。說(shuō)明：連續(xù)反應(yīng)器有兩種完全對(duì)立的理想類型，分別稱為活塞流反應(yīng)器(plugflowreactor)及連續(xù)攪拌反應(yīng)器(CFSTRconstantflowstirredtankreactor)。2/6/202313水處理介紹反應(yīng)器的理論的目的：☆為水處理工藝設(shè)備的分析研究提供一種方法和思路?！羁梢杂梅磻?yīng)器理論來(lái)普遍提高水處理設(shè)備的理論?！顟?yīng)結(jié)合水處理本身特點(diǎn)來(lái)發(fā)展反應(yīng)器理論。2/6/202314

3.2.2物料衡算與質(zhì)量傳遞

?物料衡算方程

設(shè)在反應(yīng)器內(nèi)某一指定部位，任選某一物組分i，可寫出如下物料平衡式：?jiǎn)挝粫r(shí)間變化量=單位時(shí)間輸入量-單位時(shí)間輸出量+單位時(shí)間反應(yīng)量(3-1)當(dāng)變化量為零時(shí)，稱為穩(wěn)態(tài)，即：?jiǎn)挝粫r(shí)間輸入量-單位時(shí)間輸出量+單位時(shí)間反應(yīng)量＝02/6/202315

?質(zhì)量傳遞傳遞機(jī)理可分：主流傳遞；分子擴(kuò)散傳遞；紊流擴(kuò)散傳遞。1.主流傳遞物質(zhì)隨水流主體而移動(dòng)，稱主流傳遞。它與液體中物質(zhì)濃度分布無(wú)關(guān)，而與流速有關(guān)。傳遞速度與流速相等，方向與水流方向一致。2.分子擴(kuò)散傳遞(3-2)式中:J——物質(zhì)擴(kuò)散通量，單位：[摩爾/面積/時(shí)間]或[質(zhì)量單位/面積/時(shí)間]DB——分子擴(kuò)散系數(shù)，單位：[面積/時(shí)間]Ci——組分I的濃度，單位：[摩爾/體積]或[質(zhì)量單位/體積]x——濃度梯度方向的坐標(biāo)2/6/202316

3.紊流擴(kuò)散傳遞紊流擴(kuò)散通量可寫成類似于分子擴(kuò)散通量式；(3-3)式中：DC——稱紊流擴(kuò)散系數(shù)。

2/6/202317

3.2.3

理想反應(yīng)器模型

?理想反應(yīng)器分類見圖3-1,有完全混合間歇式反應(yīng)器（CMB型）、完全混合連續(xù)式反應(yīng)器（CSTR型）、推流式反應(yīng)器（PF型）等三種2/6/202318

圖3-1理想反應(yīng)器圖示2/6/202319

?完全混合間歇式反應(yīng)器（CMB型）物料衡算式為：(3-4)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，積分上式得：(3-5)設(shè)為一級(jí)反應(yīng)，r（Ci）=-kCi，則(3-6)設(shè)為二級(jí)反應(yīng)，r（Ci）=-kCi2，則：

(3-7)

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?完全混合連續(xù)式反應(yīng)器物料衡算式為：（3-8）按穩(wěn)態(tài)考慮，即，于是：（3-9）設(shè)為一級(jí)反應(yīng)，r（Ci）=-kCi，則因，故（3-10）

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?推流型反應(yīng)器現(xiàn)取長(zhǎng)為dx的微元體積，列物料平衡式：穩(wěn)態(tài)時(shí)，，則：（3-11）x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，積分上式得（3-12）

2/6/202322停留時(shí)間分布?物料在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間和停留時(shí)間分布通常把反應(yīng)器的容積V除以流量Q所得的數(shù)值簡(jiǎn)稱為停留時(shí)間；但因存在死角、短流等原因故每一微元的停留時(shí)間并不相同；可用一個(gè)函數(shù)E（t）來(lái)描述物料的平均停留時(shí)間，稱停留時(shí)間分布。2/6/202323實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備中的流態(tài)一般介于PF型和CSTR型之間，我們可以用返混程度來(lái)衡量實(shí)際反應(yīng)器偏離理想反應(yīng)器的程度。由于返混程度不同，將引起物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間分布不同，故可通過(guò)測(cè)定停留時(shí)間分布來(lái)判斷返混程度，即利用停留時(shí)間分布來(lái)判斷設(shè)備的流型是接近于PF型反應(yīng)器還是接近于CSTR型反應(yīng)器。下面用示蹤實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定停留時(shí)間分布。2/6/202324我們?cè)诜磻?yīng)器物料進(jìn)口處瞬間加入一定量的示蹤劑（有色顏料、放射性同位素、不參與反應(yīng)的物質(zhì)等），隨即測(cè)定物料出口處示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化。并以示蹤劑出口濃度C為縱坐標(biāo)，時(shí)間t為橫坐標(biāo)，繪制停留時(shí)間分布曲線，如果用一個(gè)函數(shù)來(lái)描述物料的停留時(shí)間分布情況，該函數(shù)稱為停留時(shí)間分布函數(shù)，用E(t)表示。（1）間歇式反應(yīng)器和推流式二者的停留時(shí)間分布曲線見圖3－15。其全部示蹤劑將在時(shí)間τ＝V/Q后，同時(shí)流出反應(yīng)器。2/6/202325圖3－15間歇式、推流式反應(yīng)器的停留時(shí)間分布曲線Ct0θ

2/6/202326（2）CSTR型CSTR型反應(yīng)器的停留時(shí)間分布曲線見圖3－16。在CSTR型反應(yīng)器內(nèi)，當(dāng)t＝0時(shí)，產(chǎn)生瞬間混合使示蹤劑有較高的初始濃度，隨后，由于非示蹤物流入而逐漸稀釋示蹤劑，曲線連續(xù)下降。2/6/202327圖3－16CSTR型反應(yīng)器的停留時(shí)間分布曲線C0θ

t2/6/202328右圖為多級(jí)反應(yīng)器串聯(lián)的停留時(shí)間分布函數(shù)當(dāng)n為1和無(wú)窮大時(shí)，為兩種理想極限狀況，分別可以與前面所述的理想模型對(duì)應(yīng)。實(shí)際過(guò)程中的運(yùn)行方式介于2種極限狀況之間。2/6/202329

3.2.4非理想反應(yīng)器

?一般概念PF型和CSTR型反應(yīng)器是兩種極端的、假想的流型。圖3—2表示兩種理想反應(yīng)器自進(jìn)口端至出口端的濃度分布。PF型反應(yīng)器在進(jìn)口端是在高濃度C0下進(jìn)行反應(yīng)，只是在出口端才在低濃度Ce下進(jìn)行反應(yīng)。而CSTR型始終在低濃度Ce下進(jìn)行反應(yīng)，故反CSTR型反應(yīng)器生產(chǎn)能力低于PF型。CSTR型反應(yīng)器中存在返混，即停留時(shí)間不同的物料之間混合。2/6/202330

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縱向分散模型見圖3-3，其基本設(shè)想是在推流型基礎(chǔ)上加上一個(gè)縱向混合?？v向混合可以用縱向分散系數(shù)D1來(lái)表征它的特性：（3-13）

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取出一個(gè)微元長(zhǎng)度，列物料衡算式：輸入量：輸出量：反應(yīng)量：物料變化量：則：（3-14）穩(wěn)態(tài)時(shí)，故：（3-15）

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3.2.5反應(yīng)器理論在水處理中的應(yīng)用?水處理中常見的反應(yīng)器水處理中常見的反應(yīng)器的常見反應(yīng)器見下表。

表3-1水處理中的常見反應(yīng)器反應(yīng)器期望的反應(yīng)器設(shè)計(jì)反應(yīng)器期望的反應(yīng)器設(shè)計(jì)快速混合器絮凝器沉淀砂濾池吸附離子交換完全混合局部完全混合的活塞流活塞流活塞流活塞流活塞流軟化加氯污泥反應(yīng)器生物濾池化學(xué)澄清活性污泥完全混合活塞流局部完全混合的活塞流活塞流完全混合完全混合及活塞流2/6/202334

3.2.6計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率

?轉(zhuǎn)化率經(jīng)過(guò)一定的反應(yīng)時(shí)間以后，已反應(yīng)的反應(yīng)物分子數(shù)與起始的反應(yīng)物分子數(shù)之比。如果反應(yīng)前后總體積沒(méi)有變化，其轉(zhuǎn)化率可以用反應(yīng)物濃度的變化來(lái)計(jì)算，即（3-16）式中—轉(zhuǎn)化率；V—反應(yīng)前后的總體積；—t=0時(shí)A的濃度；—t=t時(shí)