水质工程学 第2章水的处理方法概论 第2章水的处理方法概论 一，教学目的及要求 了解水处理的基本方法。弄懂反应器的概念及其在水处理中的应用 二.数学内容及学时分配(4学时) 2.1主要单元处理方法 水处理过程是改变水的性质，即改变水中杂质组成的过程。水处理过程可以是去除某 些杂质的过程，如去除水中的胶体杂质、致病微生物等；也可以是增加某些化学成分的过 程，如向水中添加有益人体健康的一些矿物质：还可以是改变某些物理化学性质的过程， 如调节水的H值。一般常见的水处理过程以去除杂质为主。 一个水处理过程可以由若干基本工艺环节组成，每个基本工艺环节就是一个单元过 程。各个单元过程所采用的技术方法可能是多种多样的，按技术原理可以分为两大类：物 理化学方法和生物方法。 一、水的物理化学处理方法 水的物理、化学和物理化学处理方法是种类繁多的，主要有： ·混凝。包括凝聚和絮凝过程。通过技加化学药剂，使水中的悬浮固体和胶体聚集成 易于沉淀的絮凝体。 ·沉淀和澄清。通过重力作用，使水中的悬浮颗粒、絮凝体等物质被分离去除。若向 水中投加适当的化学物质，它们与水中待去除的离子换位或化合，生成难溶化合物而发生 沉淀，则称为化学沉淀，可以用于去除某些溶解盐类物质。 ·浮选。利用固体或液滴与他们在其中悬浮的液体之间的密度差，实现固-液或液-液 分离的方法。 ·过滤。使固液混合物通过多孔材料（过滤介质），从而截留固体并使液体（滤液）通 过的过程。如果悬浮固体颗粒的尺寸大于过滤介质的孔隙，则同体藏留在过滤介质的表面， 这种类型的过滤称为表面过滤：表面过滤的介质可以是筛网、厚的多孔载体、预膜的载体 等：如果悬浮周体颗粒是通过多孔物质构成的单层或多层滤床被去除，则称为体积过滤或 滤层过滤。 ·膜分离。利用膜的孔径或半渗透性质实现物质的分离。按分离的物质尺寸由大至小 可以将膜分离分为微滤、超滤、纳滤和反渗透
水质工程学 2章水的处理方法概论 ·吸附。当两相构成一个体系时，其组成在两相界面与相内部是不同的，处在两相界 面处的成分产生了积蓄，这种现象称为吸附。通常在水处理中是指固相村料浸没在液相或 气相中，液相或气相物质固着到固相表面的传质现象。 ·离子交换。离子交换物质是在分子结构上具有可交换的酸性或碱性基团的不溶性颗 粒物质，固着在这些基团上的正、负离子能和基团所接触的液体中的同符号离子交换而对 物质的物理外观毫无明显的改变，也不引起变质或增溶作用。这种过程称为离子交换，它 可改变所处理液体的离子成分，但不改变交换前液体中离子的总当量数。 ·中和。中和是指把水的H调整到接近中性或是调整到平衡H值的任何处理。水最初 可以是酸性的，也可以是碱性的。 ·氧化与还原。这些反应用来改变某些金属或化合物的状态，使他们变成不溶解的或 无毒的。氧化还原反应广泛用于从生活给水和工业废水中去除铁锤、含氧或含错的废水的 去毒处理，各种有机物的去除等。 二、水的生物处理方法 生物现象涉及的领域非常广阔。在水处理中，利用细菌作用于起营养介质（底物）作用 的有机污染物质，生物化学反应的全部过程由细菌分泌的酶所催化，细菌同时还作为它们 的载体，细菌的发有过程就是有机污染物质的分解过程。 按对氧的需求不同，将生物处理过程分为好氧处理和厌氧处理。好氧处理指可生物降 解的有机物质在有氧介质中被微生物所消耗的过程。微生物为满足其能量的要求而耗氧， 通过细胞分裂而繁殖（活性物质的合成）和内源呼吸（微生物细胞物质的逐渐自身氧化）而 消耗自身的储藏物。厌氧处理又称为消化，指在无氧条件下利用厌氧微生物的生命活动， 把有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。 生物处理是水处理中应用广泛的一类方法，不仅应用于含有大量有机污染物的各种生 活污水和工业废水处理，也可用于去除饮用水中的微量有机污染物。 2.2反应器的概念及其在水处理中的应用 水处理的许多单元环节是由化学工程移植、发展而来的，因此化学工程中的反应器理 论也常常被用来研究水处理单元过程的特性。为此，本节对反应器的概念与基本理论进行 简要的介绍。 一、反应器的类型 在化工生产过程中，都有一个发生化学反应的生产核心部分，发生化学反应的容器称
水工程学 第2章水的处理方法概论 为反应器 化工生产中的反应器是多种多样的。按反应器内物料的形态可以分为均相反应器 (homogermusreactor)及多相反应器(heterogeneousreactor)。均相反应器的特点是反应 只在一个相内进行，通常在一种气体或液体内进行。当反应器内必需有两相以上才能进行 反应时，则称为多相反应器。 按反应器的操作情况可以分为间歇式反应器(batchreactor)和连续流式反应器 (continuousf1 lowreactor)两大类。间歇反应器是按反应物“一罐一罐地”进行反应的， 反应完成卸料后，再进行下一批的生产，这是一种完全混合式的反应器。当进料与出料都 是连续不断地进行时，这类反应器则称为连续反应器。连续反应器是一种稳定流的反应器。 连续反应器有两种完全对立的理想类型，分别称为活塞流反应器(plugnowmactor)和 恒流搅拌反应器(CFSTR,,constantflowstirrdtankreactor)。后者属于完全混合式的反应 器 为了有利于反应，反应器还具有其他的操作类型，如流化床反应器、滴洒床反应器 等。 1.间歇式反应器 间歇反应器是在非稳态条件下操作的，所有物料一次加进去，反应结束以后物料同 时放出来，所有物料反应的时间是相同的：反应物浓度随时间而变化，因此化学反应速 度也随时间而变化：但是反应器内的成分却水远是均匀的。 这是最早的一种反应器，和实验室里所用的烧瓶在本质上没有差别，对于小批量生 产的单一液相反应较为适宜。 2.活塞流反应器 活塞流反应器通常用管段构成，因此也称管式反应器(tubularreactor).,其特征是流 体是以列队形式通过反应器，液体元素在流动的方向决无混合现象（但在垂直流动的方向 上可能有混合)。构成活塞流反应器的必要日充分的条件是：反应器中每一流体元素的停 留时间都是相等的。由于管内水流较接近于这种理想状态，所以常用管子构成这种反应 器，反应时间是管长的函数，反应物的浓度、反应速度沿管长而有变化：但是沿管长各点 上反应物浓度、反应速度有一个确定不变的值，不随时间而变化。在间歇式反应器中，最 快的反应速度是在操作过程中的某一个时刻：而在活塞流反应器中，最快的反应速度是在 管长中的某一点。 随着化工生产越来越趋向于大型化、连续化，连续操作的活塞流反应器在生产中使用
水质工程学 2章水的处理方法概论 得越来越多 3.恒流搅拌反应器 恒流搅拌反应器也称为连续搅拌罐反应器 (CCSTR,constantcontinuousstirrdtankreactor),物料不断进出，连续流动。其特点是 反应物受到了极好的搅拌，因此反应器内各点的浓度是完全均匀的，而不随时间而变 化，因此反应速度也是确定不变的，这是该种反应器的最大优点。这种反应器必然要设 置搅拌器，当反应物进入后，立即被均匀分散到整个反应器容积内，从反应器连续流出 的产物流，其成分必然与反应器内的成分一样。从理论上说，由于在某一时刻进到反应 器内的反应物立即被分散到整个反应器内，其中一部分反应物应该立即流出来，这部分 反应物的停留时间理论上为零。余下的部分则具有不同的停留时间，其最长的停留时间 理论上可达无穷大。这样就产生了一个突出现象：某些后来进人反应器内的成分必然要 与先进入反应器内的成分混合，这就是所谓的返混作用。理想的活塞流反应器内绝对不 存在返混作用，而CCSTRE的特点则为具有返混作用，所以又称为返混反应器 (badmixreactor)。 4.恒流搅拌反应器串联 将若干个恒流搅拌反应器串联起来，或者在一个塔式或管式的反应器内分若干个级 在级内是充分混合的，级间是不混合的。其优点是既可以使反应过程有一个确定不变的 反应速度，又可以分段控制反应，还可以使物料在反应器内的停留时间相对地比较集中 因此此种反应器综合了活塞流反应器和恒流搅拌反应器二者的优点。 二、物料在反应器内的流动模型 利用流体力学的专门知识，可以对物料在设备里的流动情况用一组偏微分方程描述出 来，但是这种数学表达式解起来十分困难，使用起来并不方便。通常可以对物料在反应器 里的流动情况进行合理的简化，提出一个既能反映实际情况，又便于计算的流动模型，用 对流动模型的计算来代替对实际过程的计算。 物料在反应器内的流动情况，可以分成基本上没有混合，基本上均匀混合，或是介于 这两者之间等三种情况。针对这三种情况，可以建立如下几种流动模型 1.理想混合流动模型 在理想混合流动模型中，进入反应器的物料立即均匀分散在整个反应器里。 其特点是反应器内浓度完全均匀一致。 2.活塞流流动模型
水质工程学 筑2章水的处理方法概论 活塞流流动模型又可称为理想排挤，它是根据物料在管式反应器内高速流动情况提出 来的一种流动模型，认为物料的断面速度分布完全是齐头并进的。其特点是物料在管式反 应器的各个断面上流速是均匀一致的：物料经过轴向一定距离所需要的时间完全一样，即 物料在反应器内的停留时间是管长的函数 3.轴向扩散流动模型和多级串联流动模型 在管式反应器里，有时流动情况介于活塞流和理想混合之间，对于这种类型的流动情 况有若干种流动模型，其中最常用的是活塞流叠加轴向扩散的流动模型和理想反应器多级 串联的流动模型。 活塞流叠加轴向扩散的流动模型又简称 轴向扩散流动模型，这种模型认为在流动体系 轴向扩散 中物料之所以偏离了活塞流，是由于在活塞流 的主体上叠加了一个百一抽向扩散，这种流动 图21轴向扩散流动模型示意图 模型的示意可见图2-1.图中u的方向是流体的 流动方向，与u相反的方向轴向扩散的方向。 轴向扩散的量，可以用类似分子扩散过程中的费克定律来表示，即： N=-D*dc/dx(2-1) 式中N--一单位时间、单位横截面上轴向反混的量： Dx-一轴向扩散系数，负号表示扩散方向与物料流动方向相反： dc/dx--轴向的浓度梯度。 轴向扩散流动模型的特点是：它把物料在流动体系中流动情况偏离活塞流的程度，通 过轴向扩散系数DX表示出来，一旦知道了物料在该流动体系的轴向扩散系数Dx,物料的流 动情况就可以用一个偏微分方程表示，便于计算。但是，轴向扩散模型对于描述物料在反 应器中的流动情况不够直观。 多级串联流动模型是把一个连续操作的管式反应器看成是、个理想混合的反应器串联 的结果。多级串联模型是用串联的级数、来反映实际流动情况偏离活塞流或偏离理想反应 器的程度。其优点是用它来描述物料在反应器里的流动情况比较直观，停留时间分布情况 可以用一个以作参数的代数式表达，所以这个模型中表示流动特征的参数、比较容易由实 验来决定。 这两种流动模型都有其数学表达式，前者是一个偏微分方程，后者是下面将要讲到的 停留时间分布函数。但是要用这两种流动模型进行计算，则必须用实验的方法知道模型中
水质工程学 第2章水的处理方法概论 表示流动特征的参数DX或N。可以推导出二者的关系如下： N=Lu/2Dx(2-2) 式中-管长，m: 心--流体的线速度，m/s: Dx-一轴向扩散系数，m2/s: N--与管式反应器相当的串联级数。 三、物料在反应器内的停留时间和停留时间分布 通常把反应器的容积V除以流量。所得的值称为停留时间，但是这是一种平均停留时 间的概念。实际上，在连续操作的反应器里，由于可能存在死角、短流等情况，在某一时 刻进入反应器的物料所含的元数微元中，每一微元的停留时间都是不相同的（只有理想的 活塞流反应器是例外)。如果用一个函数E(t)来描述物料的停留时间分布情况，则该函数 称为停留时间分布函数。 停留时间分布函数可以通过实验测定得到。一般采用的方法是在流动体系的入口加入 一定量的示踪物以后，测定出口物料流里示踪物浓度随时间的变化。有色颜料、放射性同 位素或其他不参加化学反应而又可以很方便分析其浓度的惰性物质，都可以作为示踪物。 研究物料在反应器内的停留时间分布函数，可以判断反应器内的流动情况属于哪种模 型：也可以通过分析停留时间分布函数，来研究一般反应器偏离理想反应器的情况。 下面介绍几种典型反应器的停留时间分布函数。 1.间歇式反应器间歇操作反应器里物料的停留时间是完全一样的。若物料在反应器里 的停留时间是T,则停留时间小于或大于ī的物料的分率都是0，停留时间等于ī的物 料的分率为1，如图2-2所示。 图22间歇式反应器的物料 图23活塞流反应器的物料 停留时间分布函数 停留时间分布数 2.活塞流反应器 活塞流管式反应器里物料没有回混，物料在反应器内的停留时间是管长的函数，若物
水质工程学 筑2章水的处理方法概论 料的体积流量()和反应器的体积()一定，物料的停留时间完全一样，都是τ=V/R。停留 时间大于x或小于的物料的分率都是0，停留时间等于：的物料的分率为1。所以物料的停 留时间分布函数如图2-3所示。 3.恒流搅拌反应器在理想的恒流搅拌反应器中瞬时注入一定量(o)的示踪物后，与反 应器中的物料发生理想混合，进入反应器中的示踪物会立即分散到各处，即注入示踪物的 同时，反应器内示踪物浓度c。=M/八：同样，因为反应器中物料流动情况属于理想混合，该 流动体系出口示踪物浓度应和反应器内示踪物浓度相等。图2-4为恒流搅拌反应器中示踪 物浓度随时间而变化的示意图，图中用黑点的多少表示示踪物浓度的大小。 为了找到上述理想反应器中示踪物浓度与时间的关系，首先在t→t+t时间间隔内对 反应器内示踪物作物料平衡计算：t时反应器内原有的示踪物=t+dt时反应器内留存的示踪 物+dt时间间隔流出的示踪物 图24恒流搅拌反应器中示踪物浓度随时间的变化 Vc(t) V[c(t)+dc(t)] Ve(t)=V[e(t)+de(t)]+Fc(t)dt 因此 dc(t)/c(t)=-F/V*dt=-1/*dt 在0→t时间内，示踪物浓度由c。一c(t),即 c() h- 因此 c)-ce (2-3) 此式就是在理想情况下恒流搅拌反应器中示踪物浓度和停留时间的关系。下面再进 步研究停留时间的分布函数。在示踪物注入后，经过t→t+t时间间隔从出口所流出的示
水质工程学 第2章水的处理方法概论 踪物占示踪物总量(o)的分率为 (代，e。-→1+时内流出的不珍物_F一0山 示踪物总量 在注入示踪物的同时，进入流动体系的物料若是,则在t→t+t时间间隔内从出口流 出的物料在中所占的分率为 (dN/N)=E(t)·dt 式中E(t)--一停留时间分布函数。 因为示踪物和物料在同一个流动体系里，所以 .- F.e(dt-E()d M。 助a00 将式(2-3)代人式(2-4)中，就可以得到此种典型反应器里物料的停留时间分布函数 F E(I)= e F. M。V 所以： E)-1. (2-5) w w 甲不界的井化中
水质工程学 第2章水的处理方法概论 式(2-5)就是理想情况下恒流搅拌反应器的停留时间分布函数，其图形见图2-50 4.恒流搅拌反应器串联 图2·6所示的是一个有两级的理想的恒流搅拌反应器串联。瞬时加人示踪物。 后，在t=0时第一级的示踪物浓度c1(O)=Mo/八，经过t秒以后，各级反应器内的示踪物浓度 Tt- 分别为c1(t)、c2(t)。示踪物浓度随时间的变化可通过如下的物料平衡计算得到： 对于第一级 C.(t)=c.ev 式中τ为物料经过第一级的平均停留时间，若几个串联反应器的体积相同，则物料在 每一级中的平均停留时间也相同，都是ī。 对于第二级，在t一t+dt时间间隔的物料平衡计算： 该级反应器内示踪物的改变量=进入该级的示踪物量离开该级的示踪物量 vLex(()+de2(1)]Vea(t) Fer(t)dt Fe2(t)d VLea(t)+dea()]-Vea()=Fen(t)d:-Fex(()dr dex()=ve()d:-fex()dt -te(O)dt-Lea()dr dc0=c()-c() 所以 0e)-e)=e 若令y=(),=专，则上式可写为下列形式： 数中=g +y=ae
水质工程学 第2章水的处理方法概论 解上面的微分方程，等式两边乘以e,得 即 上式右边是乘积ye'的导数，即 y·e）=co d(y.）=cnd 所以 y·g=c0x+c 当x=0时，y=0,代入上式 c=0 所以 y·e'=coxy=coe ca)cot)e 同理，对于三级串联可以得到下列关系： s0=9}e 对于四级串联，可得 eo)=)}'e 对于N级串联，同样也可得 c0m）e (2-6) 式(2-6)就是、个恒流搅拌反应器串联时，测定示踪物随时间变化关系的计算式。根 据式(2-6)可知，物料在此种类型的反应器里的停留时间分布函数为： Bw=或ao=成wmo)e -( (2-7) 式(2-7)就是个恒流搅拌反应器串联时E(t)的计算公式，其中的x是指物料经过反 应器时的平均停留时间。不同个反应器串联时的E(t)曲线形式见图(2-7)