第2章 水的处理方法概论

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
2.6.2 计算化学反应的转化率 1 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 （2—53） 式中 x A —转化率； V —反应前后的总体积； c A —t=0时A的浓度； c A —t=t时A的浓度。
构成化学计量方程的反应序列中的反应称 为基元反应。绝大多数的基元反应，其反 应级数与化学计量系数完全相等，例如：
引发 （2－7）
传递
传递
（2－8）
（2－9）
（2－10）
（2－11）
2.2.2 单一组分的零级反应 如果已知单一组分的反应为零级反应，则 （2－12） 边界条件：t=0 cA=cA0 t=t cA=cA ，故
2. 典型的给水处理工艺流程有：
（1） （2） （3） （4） （5） （6） 地面水常规处理工艺系统 典型的地表水处理流程； 典型除污染给水处理流程； 采用活性炭吸附除污染的水处理工艺系统； 臭氧－活性炭水处理工艺系统； 高锰酸钾除污染工艺系统。
3. 典型的污水处理工艺流程分为：
（1） （2） （3） （4） 城市污水一级处理系统； 城市污水二级处理系统； 城市污水深度处理系统； 高浊度的水质处理工艺流程。
2.2 几种常见的反应
2.2.1 反应速率与反应级数
1.反应速率
单位时间、单位体积内某物质量的变化， 单位为mol · -3 · -1。表示为： m s (2－1)
式中的可以nA和V组合成A的浓度cA ，因此
(2－2)
当A代表反应物时，反应速率 应为负值； 当A代表产物时，则－3) 产物P的反应速率可以表示为： (2－4) 则P为A的a级，B的b级，合为a+b级。 反应物可以分别表示为： (2－5) (2－6) 需注意的是：（1）浓度均为反应物；（2）系数 不一定等于A、B前的系数；（3）如不存在如此 关系，叫无反应级数的提法。
3．基元反应
1. 水的好氧生物处理方法 好氧生物处理时，一部分被微生物吸收的有机 物氧化分解成简单无机物，同时释放出能量，作为微 生物自身生命活动的能源。另一部分有机物则作为其 生长繁殖所需要的构造物质，合成新的原生质。 2. 水的厌氧生物处理方法 厌氧污泥实际上是以厌氧细菌为主而构成的微生 物生态系统。 这些厌氧细菌主要有两种：一种是只要有氧存在 就不能繁殖的细菌，称为绝对厌氧菌；另一种是不论 有氧存在与否都能增长的细菌，称为兼性厌氧菌。
2.7.2 给水处理工艺流程
给水处理的主要水源有地表水和地下水两大类。常 规的地表水处理以去除水中的浑浊物质和细菌、病毒 为主，水处理系统主要由澄清和消毒工艺组成，典型 的水处理流程如下所示：
2.7.3 污水处理工艺流程
按污水种类可分为：城市污水处理和工业污水处理； 按处理后的水的去向可分为：排放和回用等；不同的污 水及不同的用途，需要采用不同的处理流程。 典型的城市污水主要来源时城市居民生活污水，主 要的去除对象是有机污染物，一般用BOD5和COD为指 标。一般城市污水中的污染物易于生物降解，所以主要 采用生物处理方法。 1.典型的城市污水一级处理工艺流程：
3. 物理化学处理(Physic-chemical Treatment）
定义：废水中的污染物在处理过程中是通过相转移 的变化而达到去除的目的的处理方法称为物理化学处理。 污染物在物化过程中可以不参与化学变化或化学反 应，直接从一相转移到另一相，也可以经过化学反应后 再转移。 操作单元（Operating Units） ：混凝 （Coagulation）、气浮（Floatation）、吸附 (Adsorption)、离子交换(Ion Exchange)、电渗析 (Electro-dialysis)、扩散渗析(Diffusion Dialysis)、 反渗透(Reverse Osmosis)、超滤(Ultra Filtrate)等。
纵向分散模型见图2-10，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：
（2—50）
△ xr ( C i )

（主流）Ci
C （扩散） ωD i i x
Ci
Ci △x x

C Di Ci i △ x x x
用式（2-20）作图，见图2-4，根据其坡度可求k。
一级反应的反应物的半衰期可按2-21求得。
(2－21)
2.2.4 两种反应物的二级反应 如果已知下列两种反应物的反应
是一个二级反应，A及B的初始浓度分别为及, 则的表达式按以下方法求得。 1. 当 时，
t=0 cA=cA0 t=t cA=cA0-x cB=cB0 cB=cB0-x cP=0 cP=x
（2－30） 同理
（2－31）
2.2.6 可逆反应
边界条件:t=0 t=t
c A c A0
cB cB0
c A c A0 x c B c B 0 x
进行积分得：
（2－32） 当 （2－33）
2.2.7 串连反应 条件: 边界条件：t=0 t=t
c A c A0
c A c A cB cB
第2章 水的处理方法概论
2.1 主要单元处理方法
去除某些杂质 √ 增加某些化学成分 改变某些物理化学性质
若干个单元过程
一个水处理过程
2.1.1 水的物理、化学及物理化学处理方法 1. 物理处理 （Physical Treatment） 定义：应用物理作用没有改变废水成分的处 理方法称为物理处理法； 废水经过物理处理过程后并没有改变污染物 的化学本性，而仅使污染物和水分离。 操作单元（Operating Units）：调节 （Adjust）、离心分离（Centrifugal Separation）、除油（Oil Elimination）、过滤 （Filtration）等。
0
0
2 一般反应器的转化率计算 化学反应的转化率与反应时间有很大关系，因为 反应时间的长短直接影响反应物的量。 一般反应器中的物料的停留时间不均匀一致。设 停留时间为t的那部分物料的转化率是x(t)，而在 此反应器里的转化率应是个平均值，即
因为
所以 （2－54）
2.7水处理工艺流程 2.7.1水处理工艺流程概论 1． 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： (1) 以较低的成本、安全稳定的运行过程； (2) 获得满足水质要求的水； (3) 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—42)
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
(2—43)
设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则： (2—44)
2.4.3 完全混合连续式反应器 物料衡算式为： （2—45）
按稳态考虑，即
dC i 0 dt
，于是：
（2—46）
设为一级反应， r（Ci）=-kCi，则
V 因， Qt 故
（2—47）
2.1.2 水的生物处理方法 水的生物处理（Biological Treatment） 定义：是利用微生物的代谢作用氧化、分解、吸 附废水中可溶性的有机物及部分不溶性有机物，并使 其转化为无害的稳定物质从而使水得到净化的方法称 为生物处理。 生物处理过程的实质是一种由微生物参与进行的 有机物分解过程，分解有机物的微生物主要是细菌， 其它微生物如藻类和原生动物也参与该过程，但作用 较小。 操作单元（Operating Units） ：好氧生物处理 (Aerobic Biological Treatment)、厌氧生物处理 (Anaerobic Biological Treatment).
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； (2—40) 式中：DC ——称紊流扩散系数。
2.4 理想反应器模型
2.4.1 理想反应器分类
见图2-7,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
2.4.2 完全混合间歇式反应器（CMB型） 物料衡算式为： (2—41) t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
cB 0
cC 0
cC cC
c A c B cC c A 0
① （2－34）
②
（2－35）
③ （2－36）
2.3 物料衡算与质量传递 2.3.1 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 (2—38) 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＝0
（2－13） （2－14） 零级反应浓度随时间的变化见图2-2。
2.2.3 单一组分的一级反应 如果反应 为一级反应，则 （2－15）
（2－16）
（2－17） （2－18）
由于， 得
为P的浓度，由式（2－16）
（2－19）
一级反应的浓度随时间的变化见图2-3。
对方程（2－18）进行变换可得
(2－20)
2.4.4 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：
（2—48）