第3章水处理方法概论

第3章水处理方法概论

☻主要单元处理方法及工艺流程☻反应器概念及其在水处理中的应用2/6/20231

☻水处理工艺流程的概念由于单一的水处理单元方法是难以满足要求，所以将多种基本单元过程互相配合，组成一个水处理工艺过程，称为水处理工艺流程。☻选择水处理流程的基本出发点是：

☆以较低的成本、安全稳定的运行过程；☆获得满足水质要求的水；☆水处理设施所在的地区气候、地形地质、技术经济条件的差异，也会影响到水处理工艺流程的选择。2/6/20232

3.1主要单元处理方法3.1.1给水处理的基本方法☻去除水中的悬浮物：如混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒☻变革水中溶解物质：如减少、调整如软化、除盐、水质稳定☻降低水温：如冷却☻去除微量有机物2/6/202333.1.2常规处理工艺☻以无污染的地面水源为生活饮用水水源时：

目的以去除浊度、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

2/6/20234图3-8典型除污染给水处理流程图3-9一般冷却水流程a)自然沉淀b）混凝沉淀2/6/20235图3-11典型城市污水处理工艺流程图3-12典型的焦化废水处理流程

2/6/202363.1.3、其它水处理工艺☻微污染水处理工艺☻高浊度水处理工艺☻低温低浊水处理工艺☻富营养化湖泊水处理工艺2/6/202373.1.4、热点问题与发展方向☻热点问题☆臭味异味如MIB、geosmin等☆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。07.7.1实施，项目由35增至106项，常规必测项42，非常规检测项64项，最迟到12年对106项全部检测。新标准加强了对有机物等方面的要求。☆病原微生物：新的病原微生物：如贾第虫（GiardiaLamblia）、隐孢子虫等。☆管网水二次污染：细菌繁殖导致水质变差。2/6/20238☻发展方向：☆

加强臭味腥味等异味去除☆

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：2/6/202393.2反应器概念及其在水处理中的应用☻反应器概述☻物料衡算与质量传递☻理想反应器模型☻非理想反应器☻反应器理论在水处理中的应用☻转化率2/6/2023103.2.1、反应器概述☻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为反应器。研究反应器有关问题的学科称为化学反应工程。☻水处理的许多处理单元环节是由化学工程移植、发展而来。2/6/202311☻理想反应器指简化的反应器，即在推导反应器数学模型时，由于反应器内实际进行的工艺过程比较复杂，就作了某些假定予以简化。理想反应器可近似反映真实反应器的特征，由理想反应器模型可进一步推出偏离理想状态的实际反应器模型。2/6/202312理想反应器按反应器的运行方式，可以分成两大类。☆间歇式反应器(batchreactor)：按反应物“一罐一罐地”进行反应的，反映完成卸料后，在进行下一批的生产，是一种完全混合式的反应器。☆连续流式反应器(continuousflowreactor)：进料和出料都是连续不断地进行，是一种稳定流的反应器。说明：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(plugflowreactor)及连续搅拌反应器(CFSTRconstantflowstirredtankreactor)。2/6/202313水处理介绍反应器的理论的目的：☆为水处理工艺设备的分析研究提供一种方法和思路。☆可以用反应器理论来普遍提高水处理设备的理论。☆应结合水处理本身特点来发展反应器理论。2/6/202314

3.2.2物料衡算与质量传递

☻物料衡算方程

设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，可写出如下物料平衡式：单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量(3-1)当变化量为零时，称为稳态，即：单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量＝02/6/202315

☻质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。1.主流传递物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。2.分子扩散传递(3-2)式中:J——物质扩散通量，单位：[摩尔/面积/时间]或[质量单位/面积/时间]DB——分子扩散系数，单位：[面积/时间]Ci——组分I的浓度，单位：[摩尔/体积]或[质量单位/体积]x——浓度梯度方向的坐标2/6/202316

3.紊流扩散传递紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；(3-3)式中：DC——称紊流扩散系数。

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3.2.3

理想反应器模型

☻理想反应器分类见图3-1,有完全混合间歇式反应器（CMB型）、完全混合连续式反应器（CSTR型）、推流式反应器（PF型）等三种2/6/202318

图3-1理想反应器图示2/6/202319

☻完全混合间歇式反应器（CMB型）物料衡算式为：(3-4)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：(3-5)设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则(3-6)设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则：

(3-7)

2/6/202320

☻完全混合连续式反应器物料衡算式为：（3-8）按稳态考虑，即，于是：（3-9）设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则因，故（3-10）

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☻推流型反应器现取长为dx的微元体积，列物料平衡式：稳态时，，则：（3-11）x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得（3-12）

2/6/202322停留时间分布☻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Q所得的数值简称为停留时间；但因存在死角、短流等原因故每一微元的停留时间并不相同；可用一个函数E（t）来描述物料的平均停留时间，称停留时间分布。2/6/202323实际生产设备中的流态一般介于PF型和CSTR型之间，我们可以用返混程度来衡量实际反应器偏离理想反应器的程度。由于返混程度不同，将引起物料在反应器内停留时间分布不同，故可通过测定停留时间分布来判断返混程度，即利用停留时间分布来判断设备的流型是接近于PF型反应器还是接近于CSTR型反应器。下面用示踪实验来测定停留时间分布。2/6/202324我们在反应器物料进口处瞬间加入一定量的示踪剂（有色颜料、放射性同位素、不参与反应的物质等），随即测定物料出口处示踪剂浓度随时间的变化。并以示踪剂出口浓度C为纵坐标，时间t为横坐标，绘制停留时间分布曲线，如果用一个函数来描述物料的停留时间分布情况，该函数称为停留时间分布函数，用E(t)表示。（1）间歇式反应器和推流式二者的停留时间分布曲线见图3－15。其全部示踪剂将在时间τ＝V/Q后，同时流出反应器。2/6/202325图3－15间歇式、推流式反应器的停留时间分布曲线Ct0θ

2/6/202326（2）CSTR型CSTR型反应器的停留时间分布曲线见图3－16。在CSTR型反应器内，当t＝0时，产生瞬间混合使示踪剂有较高的初始浓度，随后，由于非示踪物流入而逐渐稀释示踪剂，曲线连续下降。2/6/202327图3－16CSTR型反应器的停留时间分布曲线C0θ

t2/6/202328右图为多级反应器串联的停留时间分布函数当n为1和无穷大时，为两种理想极限状况，分别可以与前面所述的理想模型对应。实际过程中的运行方式介于2种极限状况之间。2/6/202329

3.2.4非理想反应器

☻一般概念PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。图3—2表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布。PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反CSTR型反应器生产能力低于PF型。CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。2/6/202330

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纵向分散模型见图3-3，其基本设想是在推流型基础上加上一个纵向混合。纵向混合可以用纵向分散系数D1来表征它的特性：（3-13）

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取出一个微元长度，列物料衡算式：输入量：输出量：反应量：物料变化量：则：（3-14）稳态时，故：（3-15）

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3.2.5反应器理论在水处理中的应用☻水处理中常见的反应器水处理中常见的反应器的常见反应器见下表。

表3-1水处理中的常见反应器反应器期望的反应器设计反应器期望的反应器设计快速混合器絮凝器沉淀砂滤池吸附离子交换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软化加氯污泥反应器生物滤池化学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计算化学反应的转化率

☻转化率经过一定的反应时间以后，已反应的反应物分子数与起始的反应物分子数之比。如果反应前后总体积没有变化，其转化率可以用反应物浓度的变化来计算，即（3-16）式中—转化率；V—反应前后的总体积；—t=0时A的浓度；—t=t时