当代给水与废水处理原理读书报告

1、当代给水废水处理原理第一章化学反应动力学化学动力学定义，从动态的角度研究化学反应产生、发展及消亡全过程。化学动力学具体内容(1)比较化学反应的快慢及外部因素的影响；(2)揭示化学历程，即反应物按何种途径转化为最终产物；(3)呈现物质结构与反应性能之间的关系。化学动力学研究层次(1)唯象动力学：研究总反应的速率及影响因素，“唯象”，即：只以化反的 宏观现象为依据。(2)基元反应动力学：关于基反的动力学规律与理论，并探讨 总反应的动力学行为。(3)分子反应动态学：从分子、原子的量力角度研究分子问一 次具体碰撞行为。反应速率常用的反应速率表示方法如下：如果在液体容量V中的组分A由于反应 在dt时间内

2、所产生的物质的量变化为dn时，A的反应速率表示为dAdCA RA .dttd式中:A及C均代表A的浓度，RA勺单位为mol m-3 s-1 0当式中A代表反a应物时，由于其浓度是随时间降低的，反应速率 RA应为负值， 反之,当A代表产物时，RA则为正值，如下图所示。xA+yB化学计量方程uP+vQ这个方程式主要是表示一个质量守恒的关系， 只是说明反应物A的x个分子 与B的y个分子的质量与产物P的u个分子及Q的v个分子的质量相等，这种关 系称为化学计量方程式。令N , N , N和N分别为相应物种在时刻t的物质的量，则qabp dn dndndndnAPQBd , xxuvvi d （称为反应进

3、度，为物种v的化学计量方程系数，反应物取负号，产物取i正号。 反应级数如果通过试验数据的数学处理，得出产物P的反应速率可以表示为：dpdcp=abCKC PBAdtdt那末，产物P的反应称为：反应物 A的a级反应；反应物B的b级反应；总称为（a+b）级反应。K称为反应 的速率常数（rate constant ）.第二章反应器1 .反应器设计影响因素：反应器的设计涉及了流体力学、传热、传质、化学动力 学的知识2 .反应器的类型按反应特点分为：均相反应器与多相反应器按运行方式分为：间歇式反应器与连续流式反应器3、反应器设计面临的新课题反应器体系的设计：如何传热、传质的问题；反应动力学研究；反应器参

4、数优化， 反应机理的研究。物料恒算方程1.物料包算方程的推导 物料衡算关系：每秒进入的质量 旬秒在内产生或消失的质量=每秒流出的质量+每秒在内积累的质量d Qp A+Vr= Qp A+Vai dt d式中V虽然称为累计项，但它实际是其余三项 的净效果，写成下列形式才符 一dt d合公式推导的思路：V = Q pA+ Vr - Q p A-dt2.浓度与扩散通量的定义扩散速率x浓度=通量气体ayknkr 僵苗 h：K X M X K X X * X X总工、耳X苒*X X MKKA MK* 第工 EX款发前XXSMXXMjKKAM XXXnaXMXM X K K X KKXM 寓 XI 告鼻X篇

5、片工式再将KX AjNXXXMXftA ，耳；KM；师 XX !(!箕苒*4XX 宣算豆山，黄发尸靛后历时刻的怅度外布依）4的吩布曲岐扩散过程示意图Fick第一扩散定律分子扩散：物质通过它们的分子活动而相互渗透的现象。分子扩散的四种推动力：浓度梯度（常扩散）、压力梯度（压力扩散）、作用力差 （强制扩散）、温度梯度（温度扩散）。一般的扩散指的是常扩散。氧气在水膜内的扩散和反应多相反应模型氧气在水膜内的扩散多相反应是假定氧气在通过水膜的扩散过程中不发生反应， 反应只发生在生物膜的表面，即氧气到达水膜底后才发生反应.实际过程（b）抽象模型（塞相反应氧气在水膜内的扩散多空丸模型a.球的半径为z,球的单

6、位体积所含的表面积、即比表面为a,单位为cm2/cm3; b.边界条件为：当z=0时反应物的浓度c =0 ; z=Z时，（在多孔九内，浓度不是 连）续的，所以用某一点附近的无限小体积内的浓度平均值来代表这一点的浓度.c.球内反应速率；r=-k/cd.有效扩散系数为Do（3）蓼孔丸At(b)施工辟肯剂面活塞流反应器活塞流反应器.反应器内浓度及出口浓度kCexp( C i kCoexp( C在垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流动的方向上，适用条件 完全不存在混合现象。)连续搅拌反应器(CSTR示意图CSTR ;特点：进口反应器的流量皆为Q 。的出口浓度也必然是cAa活性炭吸附第三章活

7、性炭吸附原理、依靠自身独特的孔隙结构1比表面积活性炭是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔，大、 吸附能力强的一类微晶质碳素材料。平方米，特殊用途 15001克活性炭材料中 微孔，将其展开后表面积可高达800微孔的内表面积可能相当在一个米粒大小的 活性炭颗粒中，的更高。也就是说，使如人体毛细血管般的孔隙结构，于一个客 厅面积的大小。正是这些高度发达，、活性炭拥有了优良的吸附性能。、分子之间相互吸附的作用力2虽然分子运动速度受温度和材质等原因的影响， 但它在微。也叫“凡德瓦引力” 当一个分子被由于分子之间拥有相互吸引的作用力，环境下始终是不停运

8、动的。会导由于分子之间相互吸引的原因，活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后， 致更多的分子不断被吸引，直到添满活性炭内孔隙为止。活性炭脱附的几种方法(1)升温脱附。物质的吸附量是随温度的升高而减小的， 将吸附剂的温度升高， 整个过程中的温度这种方法也称为变温脱附，可以使已被吸附的组分脱附下来， 是周期变化的。微波脱附是由升温脱附改进的一种技术， 微波脱附技术已应用于 气体分离、干燥和空气净化及废水处理等方面。 在实际工作中，这种方法也是最 常用的脱附方法。(2)减压脱附。物质的吸附量是随压力的升高而升高的，在较高的压力下吸附， 降低压力或者抽真空，可以使吸附剂再生，这种方法也称为变压吸附。此法

9、常常 用于气体脱附。(3)冲洗脱附。用不被吸附的气体(液体)冲洗吸附剂，使被吸附的组分脱附下 来。采用这种方法必然产生冲洗剂与被吸附组分混合的问题，需要用别的方法将 它们分离，因此这种方法存在多次分离的不便性。(4)置换脱附。置换脱附的工作原理是用比被吸附组分的吸附力更强的物质将 被吸组分置换下来。其后果是吸附剂上又吸附了置换上去的物质，必须用别的方 法使它们分离。例如，活性炭对 Ca2+、C1-有一定的吸附能力，这些离子占据 了吸附活性中心，可对活性炭吸附无机单质或有机物产生不利影响。因此，用活性炭吸附待分离溶液中的物质后，选用 CaCl2作为脱附剂可降低活性炭对吸附 质的吸附稳定性，从而达

10、到降低脱附活化能的目的。(5)磁化脱附。由于单分子水的性质比簇团中的水分子活泼得多，能充分显示 它的偶极子特性，从而使水的极性增强。预磁处理能增大水的极性，这就能充分 解释经过预磁处理后活性炭的吸附容量减小的现象。当磁场强度增大时，分离出的单个水分子越多，则阻碍作用就越大，从而吸附容量减小得也就越多。 活性炭 本身为非极性物质，活性炭的表面由于活化作用而具有氧化物质，且吸附剂是在湿空气条件下活化而成，它使活性炭的表面氧化物质以酸性氧化物占优势，从而使活性炭具有极性，能够吸附极性较强的物质。由于这些带极性的基团易于吸附 带极性的水，从而阻碍了吸附剂在水溶液中吸附非极性物质。这种方法常用于溶 液中

11、对吸附质的脱附。(6)超声波脱附。超声波(场)是通过产生协同作用来改变吸附相平衡关系的， 在超声波(场)作用下的吸附体系中添加第三组分后，体系相平衡关系朝固相吸附 量减少方向移动的程度大于在常规条件下的吸附体系。根据超声波的作用原理推测，可能是因为第三组分改变了流体相的极性，增加了空化核的表面张力，使得 微小气核受到压缩而发生崩溃闭合周期缩短的现象，从而产生更强烈的超声空化 作用。因此，在用活性炭吸附待分离溶液中的物质后，可以用超声波(场)产生协同作用来改变吸附相平衡关系，降低活性炭对吸附质的吸附稳定性， 从而达到降 低脱附化能的目的。第四章传质与曝气1 .传质的定义：传质是质量传递的简称。凡

12、是由于某种推动力(driving force)所 引起的物质分子或流体微元(fluid element)的运动都称为传质。区别于物质 的 输送，具包括了分子扩散和物质迁移。.2 .传质的条件：化学反应的发生都包含了传质过程，两种反应物质必须运动到相 接触才能发生反应。3 .传质的内容：(1)在静止介质中的分子扩散，(2)在层流流体中的分子扩散， (3)在自由紊动液流中的漩涡扩散，(4)在两相间的传质。4 .传质的应用：越过相间传质更具重要性。如水处理的曝气工艺。5 .曝气的目的：(1)在水中加入氧气等一类气体，即气体吸收。(2)去除水中所 溶解的挥发性气体，即空气吹脱。1.水溶液的亨利定律一般

13、物理化学的亨利定律是P=kx (4-1) AA A.对水溶液则变换为： c=Hp (4-2)A AA式中：H为亨利常数的另一形式，单位为 mol/L Pa, a55.49(4-3)； C代表气体 A的物质量的浓度；p代表气体A在气=其表达式为Haaa kA相总压力p中所占的 分压，以Pa计气一液传质模型（1） 1926年由 Whitman提出的双膜理论，（2） 1935年由用数学模型来描述传质过程，常用有：Higbie提出的浅渗理论，（3） 1951年由Danckwerts提出的表面更换理论。1.双膜理论气体向液体内传递的双膜理论概念如图4-2,以氧气和水做气液体为例。氧气在气相内的分压p,在

14、界面上的分压为 p。在界面的气相一侧有一层厚度为6g的气膜。界面上氧浓i.b*=Hp）。在界面的另一侧存在一层厚度为氧气浓度为C 6 t（C的水膜。水 相应于度为C,p的bbi* ）（c。由于膜很薄，膜内浓度及压力的变相应的氧气分压为内氧气的主体浓度为c,P=Hpbb化都按直线关系表示。双膜模型做了三个假定：A.在气一水交界面的两边各有一层不动的膜；B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的； 在交界面上，气与水立即达到平衡状态。C.怕作雁前膝出审.交界匍由气膜一侧来表示氧的通量N为N=k（P-P）OgbO式中k推动力（p-p ）与通量 No问的比例常数，即气膜的传质系数

15、，量纲为摩尔/面积时间大气压2浅渗理论此理论的基本点是在气液相重复短暂的接触中不可能达到稳态水睡厚度吃水骁滥度I 、里布边放大牙I周悻表面如图中假定有一宽度为 W的水膜沿固体表面向下流动，流速 v的分布也示于图中（注 z*,气体 在。水膜外面气体的浓度为恒量 c意这里指的是流动的水膜，不是传质阻力的水膜）水膜内只扩 散一个很浅的距离， 使水膜内的主体浓度为 Co仍然用氧气来做气体的例子。 在by方向只有由于 浓度差所产生的扩散通量 No,y o在z方向扩散通量为零，只有由于水流所产生的对流通量 No,z o 写体积微元 WAyAz的物料衡算方程得c z z W yW ro N y N,W zy

16、NW NW W y z yzo,yo,z Qzcy t3.表面更换理论 它是浅渗理论的一个发展，认为因水膜中的水存在一种紊动混合状态，传递物质的表面不可能是固定不变的（以气泡为例，同时也因为它是不断向上运动的，接触表面当然要不断改变），应该是由无数的接触时间不同（0 一8）的面积微元组成 的，这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和，才是真正的传质量。 通量应按这个概念来计算。第五章常规分离与膜分离凝聚与絮凝凝聚（coagulation）指胶体的脱稳阶段.而絮凝（ flocculation ）则指肢体脱稳以后结成大颗粒絮 体的阶段。第一阶段相当于给水处理中加药混合后的极端一段时间，可能在

17、一秒钟以内.而絮凝则主要在絮凝设备中完成。胶体的基本性质（1）水处理中常见胶体： 粘土颗粒（对于d4心m）,大部分细菌（0.280nm）,病毒（10300nm）, 蛋白质。（2）稳定性：胶体颗粒在水中保持分散状态的性质。（ 3 ）憎水性胶体（粘土、无机混凝剂等），亲水性胶体（蛋白质、淀粉等）或介于两者之间。（ 4 ）对憎水性胶体，其稳定性可用双电层结构来说明。对于亲水性胶体，其稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳来说明胶体的双电层结构及其稳定性水中胶体表面都带有电荷，在一般水质中，粘土、细菌、病毒等都是带负电的胶体Gouy-GhapmanT散双电层理论双电层一般包括内层和外层两部分，

18、内层为Stem吸附层，外层为离子扩散层。Stem-GrahamefiR 附层在颗粒表面与扩散双电尼之间存在一离子的专届吸附层。 由于强的静电作用和表面对离子的专属吸附力， 使离子束缚在这一吸附层中。 聚集的离子吸附层对颗粒表面电荷和电势具有很大影响。 当表面吸附过量的反离子时可引起颗粒表面电荷变号、在吸附层中存在两个与表面平行的平面，即内 Helmholtz面（IHP）和外 Helmholtz 面（ OHP） 。内Helmholtz 面定义为位于末水合的吸附离于（一般是阴离子） 中心的平面， 而外 Helmholtz 面而则位于水合的吸附离子 （一般为金属阳离子）的中心处。Stem层可是为由两

19、个串连的平行板电容器构成，即在颗粒表面与IHP平面间和在IHP平面与OHPF面间的电位降呈线性规律。絮凝动力学 脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发生凝聚， 间发生碰撞接触是由三种物理传输过程所致。这三种物理传输过程是异向絮凝（ perikineticflocculation ） ，同向絮凝（ orthokinetic flocculation ） ，差降絮凝（ differential settling ） 。（ 1）异向絮凝胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象（这里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在一起）在胶体化学中称为异向絮凝（ perikineticflocculation

20、 ） 。（ 2）同向絮凝使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种藉搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝（ orthokineticflocculation ） ，给水处理中的絮凝池即为体现同向絮凝的设备。（ 3） 差降絮凝对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝， 除同向、 异向絮凝之外 还存在着所谓差降絮凝。 大的颗粒以较快速度下降过程中， 能赶上沉速较小的小颗粒， 因而发生碰撞， 产生絮凝现象。 颗粒直径越小， 扩散传递速率越大。 对于大颗粒

21、， 速度梯度传递相差降传递作用为主， 而且颗粒直径越大， 这些作用越显著。 存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。对于上述计算实例，这一特定颗粒直径大约在0.1仙m和1仙m之间第六章 生物化学工程基础1、细菌（真细菌）细菌是给水与废水处理中最重要的一类微生物。 它是一种单细胞的类似植物的生物。 根据细菌外型的不同， 可分为球菌、 杆菌和螺旋菌。 细菌以单个或群体存在，类、蛋白质和多糖的聚合物组成, 不能进入细胞内。细胞壁细胞质膜一ifX：6 内含物一针潘 髓T内含物-般构造一-能抑制通过细胞壁的分子大小,使大分子物质 o：f公J特殊构造-通常以二分裂法繁殖，也有些可以进行有性繁殖。细菌细胞的最

22、外层为细胞壁， 是具有较强坚韧性的一层薄膜，起固定细菌形态和保护细胞的作用。 细胞壁由脂细胞膜是一层紧贴着细胞壁而包围着细胞质的薄膜，具化学组成主要是脂类和蛋 在膜上具有与物质渗透有关的酶类，这种膜具有选择性吸收的半渗透性，白质，吸收营养物质和排除废物方面起着重要作用0细胞膜里面的细胞质是一种无色透明而粘稠的胶体、其主要成分是水、蛋白质、核酸和脂类等。年幼细菌很容易 染色，成熟细菌染色能力较差，因此可以通过观察染色均匀与否来判断细菌是处 于新生还是衰老阶段。核物质是细菌遗传变异的物质基础，具有真核细胞细胞核的功能。质粒是细菌的另外一种遗传物质。它可以独立地复制，稳定地遗传。在处理含毒物质废水及

23、复杂的人工合成有机物废水时，常借助降解性质粒和抗性 质粒等的去除作用。2丝状菌丝状茵在废水处理中的作用重要而独特。 废水处理中常见的丝状细菌主要有球衣 菌属、铁细菌属、贝日阿托氏菌属和发硫菌属。在正常运行的废水生物处理系统 中，这些丝状细菌往往是生物絮体或生物膜的骨架， 具上附着菌胶团，丝状细菌 与菌胶团细菌形成互惠关系。因此这种结构性的丝状细菌对于维持废水处理系统稳定性，提高系统抗冲击负荷能力有重要点义在需氧生物处理生物膜法中， 球衣 菌是构成生物膜的重要菌种。在活性污泥中保持一定数量的球衣菌，对有机物的 去除是有利的。但球衣菌在系统中易于游离，在活性污泥中大量繁殖时，会引起 污泥膨胀3放线

24、菌放线菌为具有分枝的丝状菌，介于细菌与真菌之间，是单细胞微生物。放线菌中 的诺卡氏菌属有分解氧化无机氟化物和姓类化合物的能力，在处理含姓类和无机 氟化物的废水中起着重要作用。4蓝细菌蓝细菌有时列入藻类，也称为蓝藻。因其细胞结构为原核，故归入细菌类。蓝细 菌是光合型微生物。多数蓝细菌生存于淡水中，是水生系统食物链中的重要一环。 当恶性增殖时.可形成“水华”，造成水质恶化。海洋中的“赤潮”有时也系蓝 细菌大量繁殖所致5真核细胞微生物真核细胞微生物的细胞核分化程度较高， 有核膜和核仁。细胞质内有完整的细胞 器，包括中心粒、线粒体、叶绿体、核糖体和内质网等。真核生物与原核生物虽 然在分子水平上相类似，但在遗传物质结构及遗传现象上有很大差异。 真核生物 的结构更复杂。真菌、单细胞藻类及原生动物等均属于真核细胞微生物中心判细胞核核仁真核细胞结构图6病毒病毒为没有细胞结构的唯一的微生物，大多病毒只是核酸与蛋白质组成的大分子, 而且只含