当代给水与废水处理原理 ppt
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清华当代给水与废水处理原理课件第2章 反应器
多孔丸模型
第五节 多空丸模型
2.有效系数E的概念
E Md Mr
E为衡量扩散系数D在整个过程中所起的作用的指标。E=1时， 说明扩散阻力不起作用；E值越小，说明扩散阻力越大。
第六节 活塞流反应器
1.反应器内浓度及出口浓度
c ci exp k co ci exp k
适用于垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流 动的方向上完全不存在混合现象。
DAB
均相反应模型
第五节 多空丸模型
1.多空丸数学模型
球的半径为Z，比表面为a； 边界条件：当Z=0时反应物的浓度c=0； z=Z时，c=cb ； 球内反应速率r=-k''c； 有效扩散系数为D。 依据模型得到c的表达式
Zcb sinh k''a DZ c
z sinh k ''a DZ
第五节 多空丸模型
稳态时可简化为
cA
cAi 1 k
第七节 连续搅拌反应器（CSTR）
4.平行反应解的稳态解
（1）CSTR的平行反应
A k1 B A k2 B
rA (k1 k2 )cA
（2）稳态解
cA
1
cAi (k1
k2 )
cB
k1cAi 1 (k1 k2 )
cC
k2cAi
1 (k1 k2 )
第七节 连续搅拌反应器（CSTR）
本章难点：
多空丸模型、停留时间函数与反应器、液龄分布函数 混合与动力学过程、分散模型与反应器
反应器简介
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
第五节 多空丸模型
2.有效系数E的概念
E Md Mr
E为衡量扩散系数D在整个过程中所起的作用的指标。E=1时， 说明扩散阻力不起作用；E值越小，说明扩散阻力越大。
第六节 活塞流反应器
1.反应器内浓度及出口浓度
c ci exp k co ci exp k
适用于垂直于液体的流动方向上可能有混合现象，而在液体流 动的方向上完全不存在混合现象。
DAB
均相反应模型
第五节 多空丸模型
1.多空丸数学模型
球的半径为Z，比表面为a； 边界条件：当Z=0时反应物的浓度c=0； z=Z时，c=cb ； 球内反应速率r=-k''c； 有效扩散系数为D。 依据模型得到c的表达式
Zcb sinh k''a DZ c
z sinh k ''a DZ
第五节 多空丸模型
稳态时可简化为
cA
cAi 1 k
第七节 连续搅拌反应器（CSTR）
4.平行反应解的稳态解
（1）CSTR的平行反应
A k1 B A k2 B
rA (k1 k2 )cA
（2）稳态解
cA
1
cAi (k1
k2 )
cB
k1cAi 1 (k1 k2 )
cC
k2cAi
1 (k1 k2 )
第七节 连续搅拌反应器（CSTR）
本章难点：
多空丸模型、停留时间函数与反应器、液龄分布函数 混合与动力学过程、分散模型与反应器
反应器简介
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
当代给水与废水处理原理第一章
当代给水与废水处理原理XXX大学Xx教授第一部分：相关基本概念介冒一、理论需氧量理论需氧量(ThOD)是根据化学方程式计算求得的有机物被全部氧化所需的氧量。
例如，含有300mg / L葡萄糖溶液的理论需氧量可计算如下：C& 6CO2 + 6H2O180 6 X 32180 = 6 X 32300 _ ThODThOD = 320mg/l（以氧表示）氨基乙酸的理论需氧量，可利用下列化学方程式:(a)C H2(NH2) COOH + -|o2—- NH2 + 2CO2十H2075 48 17(b)N H a + 一＞ HNO2 + H2017 48 47(c)H NO2 + 尹一＞HNO34716由方程式a计算得氨基乙酸的碳化需氧量为:48- 192mg/l＜以氧计）3°°7^所产生的NH§为: ：世沪=6沁/I由式| b，得NH3转化成HNO2所需的氧量为：%储=192mg/l（以氧计）所产生的HN6为：翌評=188mg/l 由式C ，得HNO?转化为HNOj所需的氧量为:18\y— = 64mg/l（以氧计）4 i总的硝化需氧量为：192 + 64 = 256mg/l （以氧计）•••300mg/I氨基乙酸溶液的ThOD为:192 十256 = 448mg/K以氧计）二、化学需氧量化学需氧量或耗氧量是指在一定严格条件下水中有机物与强氧化剂（如重鎔酸钾、高猛酸钾）作用所消耗的氧量。
当用重鎔酸钾作为氧化剂，硫酸银作为催化剂时，水中有机物几乎可以全部（约90%- 95%左右）被氧化。
这时所测得的耗氧量称为重銘酸钾耗氧量或称化学需氧量，以CODc「或COD 表示。
在测定过程中无机性还原物质也会被氧化。
所以一般测得的COD包括可生物降解和不可生物降解两部分，即化学需氧量区别不岀可生物降解和不可生物降解的物质。
COD=COD B+COD NB式中COD B——可生物降解的COD；COD NB——不可生物降解的COD.此外＞COD不包括硝化所需的氧1 =iOI有机物+Cr z Or +H+- +C6+HQAg2S()4Ag2SO4用作催化剂。
当代给水与废水处理原理(第二版)第5章
③ 离子化官能团解离：高分子有机物极性官能团的酸碱解离 使表面带上电荷，其表面电荷、电势也受pH值控制。
④ 离子型晶体Schottky缺陷（某种粒子可在晶体内自由运动 ）：如粘土或其他铝硅酸盐矿物颗粒，其晶体内碱金属或 碱土金属离子取代了表面晶格中的铝离子，引起表面带负 电荷。这类胶体的表面电荷、电势不受溶液pH值或电位决 定离子影响，不存在电荷零点。
对式(5-12)积分得：
0 exp( x)
(5-13)
式中，κ为Debye-Huckel常数：
1
e2
ni0 zi2 kT
2
(5-14)
式(5-13)表明，扩散双电层中电势随距离x呈指数函数降
低，如图5-1(c)。κ-1代表了扩散双电层厚度，即界面静电场
影响范围。
8
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续3）
3
胶体的稳定性
胶体颗粒在水中继续保持分散状态的性质称为胶体的稳 定性。
憎水胶体，稳定性可以通过它的双电层结构来说明。亲水 胶体，虽然也具有双电层结构，但其稳定性主要由吸附的大量 水分子所构成的水壳来说明。亲水胶体保待分散的能力，即它 的稳定性比憎水胶体高。
双电层结构的产生原因：
颗粒巨大的 比表面积
只有一种Z-Z电解质时，式(5-11)可简化为:
d 2 dx2
2n0
ze
sinh
ze kT
(5-15)
式中：n0 n0 n0; z z z;
n0、z、n0、z —正负离子在主体溶液中的浓度和价数
7
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续2）
d 2
dx2
1
i
ni0zie exp(zie / kT )
④ 离子型晶体Schottky缺陷（某种粒子可在晶体内自由运动 ）：如粘土或其他铝硅酸盐矿物颗粒，其晶体内碱金属或 碱土金属离子取代了表面晶格中的铝离子，引起表面带负 电荷。这类胶体的表面电荷、电势不受溶液pH值或电位决 定离子影响，不存在电荷零点。
对式(5-12)积分得：
0 exp( x)
(5-13)
式中，κ为Debye-Huckel常数：
1
e2
ni0 zi2 kT
2
(5-14)
式(5-13)表明，扩散双电层中电势随距离x呈指数函数降
低，如图5-1(c)。κ-1代表了扩散双电层厚度，即界面静电场
影响范围。
8
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续3）
3
胶体的稳定性
胶体颗粒在水中继续保持分散状态的性质称为胶体的稳 定性。
憎水胶体，稳定性可以通过它的双电层结构来说明。亲水 胶体，虽然也具有双电层结构，但其稳定性主要由吸附的大量 水分子所构成的水壳来说明。亲水胶体保待分散的能力，即它 的稳定性比憎水胶体高。
双电层结构的产生原因：
颗粒巨大的 比表面积
只有一种Z-Z电解质时，式(5-11)可简化为:
d 2 dx2
2n0
ze
sinh
ze kT
(5-15)
式中：n0 n0 n0; z z z;
n0、z、n0、z —正负离子在主体溶液中的浓度和价数
7
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续2）
d 2
dx2
1
i
ni0zie exp(zie / kT )
当代给水与废水处理原理(第二版)第2章
由浓度梯度引起的扩散分子通量
2－13式的消化 例①
水的自然蒸发过程
空气－氨在水中的溶解
NB 0 N A D AB dC A dZ
组分A通过组分B的扩散
②对于气体恒温恒压下的分子传质
J A DAB
C A dx D P dx DABC A AB A Z dZ RT dZ
K C a 4Z 4 ( z z ) 2 D(dC dz ) z Z
D dC (dC
dy/dx
4Z 2 4Z 2 dZ dC dz dt
0
y yx+Δx yx
dZ
4 ( z z ) 2 DAB (dC
CA
A
mA
CB
B
mB
wA mA wA wB m A mB
3mB 2mA 3mB
CA xA C
x AmA wA x A m A x B mB
CB xB C
xA
例： A 、B两组分混合物，其中 A 为 2mol,B为 3mol分别求它们的 摩尔分率及质量分率。
xA＝0.4, xB＝0.6
DAB -------A在B中的传质扩散系数测 cm/s
dC A --------浓度梯度（向增加的方向）mol/(cm3· s） dZ
分子扩散：固体、静止或层流的流体中分子的活性而互相渗透。 涡流扩散：湍流流动的流体中
2．扩散速度 C：浓度 ρ ：密度 mol/cm3 g/cm3
υ ：速度
NA：扩散通量
A CA M A v ( A A A A ) A A
1
同样摩尔平均速度： (C A A C B B ) C 所以组分A的速度有三种参考基准： υ A 对静止坐标 υ A—υ 对质量平均速度的速度 υ A—υ 米 对摩尔平均速度的速度 3．扩散通量：垂直于速度方向的单位面积上，单位时间内通过的 物质量。(g· mol)/(cm· s) 扩散通量＝浓度×速度 类似也有三种参考基准： N A ＝C A · υ A或 nA＝ ρ Aυ A 对静止坐标 J A = ρ A (υ A－ υ ) 对质量平均速度的速度 J A ＝ C A （ υ A －υ 米 ） 对摩尔平均速度的速度 推导P44(2—13)式
清华当代给水与废水处理原理课件第1章 化学动力学
案例1：吸附动力学（基础研究） 案例2：降解动力学（工程应用）
第一节 反应速率和反应级数
1.1 反应速率
rA
1 V
dnA dt
dA
dt
dcA dt
式中:[A]及 c A均代表A的浓度， 的单位为molm-3s-1。当式(1.1)中 A代表反应物时，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
k'cA
（1.16）
第二节 简单的基元反应
2.5 图解法求反应的级数
由已经给出的一级反应及二级反应的半衰期公式。同样，可以
推理得出基元反应的反应物A的反应级数n与半衰期t1 2 的关系如下：
1 t1 2 (cA0 )n1
（1.17）
第三节 较复杂的反应
较复杂的反应指的是由几个简单的基元反应所组合成一种反应.
则为正值，如图1-1所示。
（1.1）
图1-1 反应物及产物的历时曲线
第一章 化学动力学
1.2化学计量方程
xA+yB→uP+υQ
（1.2）
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υ个分子的质量相等，这种关
系称为化学计量方程式。
d dnA dnB dnP dnQ dn1
单一组分的 零级反应
三级和更高级 的反应
基元反应
单一组分的 一级反应
两种反应物的 伪一级反应
两种反应物的 二级反应
第二节 简单的基元反应
2.级反应，A
的初始浓度为 cA0 ，k为反应的速率常数，则在
反应时刻t浓度cA的表达式为：
当代给水与废水处理原理第二版第4章a
在介绍这些理论以前，先讨论一下Nemst的单膜模型以 及传递阻力的概念会有助于问题的理解。
如图4-1所示，假定气体沿水表面流过，水气蒸发进气 流内，在气液两相的交界面处，流速应接近于零。这相 当于两相的界面是一个固定表面，而在这个表面附近δ的 厚度内，可以假定是一层静止的膜。界面处水气的浓度 为内只Ci，能膜靠边分界子处扩水散气来的传浓递度物为质C。b，这由层于膜膜内所是存静在止的的浓，度膜 差念。Ci-Cb即传质阻力形成的。这就是Nemst提出的膜的概
无论是在反应器中、生物体系中以及研究试验中， 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。在多相反应中，反应物质 需要从一相运动到另一相内，或者运动到两相的界面， 才能发生反应。在这种情形下，传质的速率还可能控制 了整个反应过程的速率，§2-4中所指的扩散控制就属干 这种情况。在可逆反应的情况下，如果籍传质作用把反 应产物带到不发生反应的相内，就可以加快反应速率。 在竞争反应的情况下，每一种反应物或产物传质速率的 相对大小都影响了有关的竞争反应的选择性。
l.双膜理论
气体向液体内传递的双膜理论概念如图4-2所示，气 体和液体分别用氧气和水作例子。氧气在气相内的分压 为Pb在界面卜的分压为Pi。
在界面的气相一侧有一层厚度为δg，的气膜。界面 上氧气浓度为Ci，相应于Pb的氧 气浓度为C*（C* = HPb）。在 界面的另一侧存在一层厚度为 δ1的水膜。水内氧气的主体浓 度为Cb,相应的氧气压力为P* （Cb* = Hp*）。
第四章 传质及曝气
§4-1亨利定律 §4-2气-液传质模型 §4-3相似现象与相似准数 §4-4曝气设备的充氧能力
第四章 传质及曝气
质量传递简称传质。凡是由于某种推动力所引起的 物质分子或流体微元的运动都称为传质。传质包括了分 子扩散，也包括了由于对流现象甚至简单的混合作用所 产生的物质迁移,但它不同于物质的输送，如用管道输送 流体，则不能称为传质。
如图4-1所示，假定气体沿水表面流过，水气蒸发进气 流内，在气液两相的交界面处，流速应接近于零。这相 当于两相的界面是一个固定表面，而在这个表面附近δ的 厚度内，可以假定是一层静止的膜。界面处水气的浓度 为内只Ci，能膜靠边分界子处扩水散气来的传浓递度物为质C。b，这由层于膜膜内所是存静在止的的浓，度膜 差念。Ci-Cb即传质阻力形成的。这就是Nemst提出的膜的概
无论是在反应器中、生物体系中以及研究试验中， 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。在多相反应中，反应物质 需要从一相运动到另一相内，或者运动到两相的界面， 才能发生反应。在这种情形下，传质的速率还可能控制 了整个反应过程的速率，§2-4中所指的扩散控制就属干 这种情况。在可逆反应的情况下，如果籍传质作用把反 应产物带到不发生反应的相内，就可以加快反应速率。 在竞争反应的情况下，每一种反应物或产物传质速率的 相对大小都影响了有关的竞争反应的选择性。
l.双膜理论
气体向液体内传递的双膜理论概念如图4-2所示，气 体和液体分别用氧气和水作例子。氧气在气相内的分压 为Pb在界面卜的分压为Pi。
在界面的气相一侧有一层厚度为δg，的气膜。界面 上氧气浓度为Ci，相应于Pb的氧 气浓度为C*（C* = HPb）。在 界面的另一侧存在一层厚度为 δ1的水膜。水内氧气的主体浓 度为Cb,相应的氧气压力为P* （Cb* = Hp*）。
第四章 传质及曝气
§4-1亨利定律 §4-2气-液传质模型 §4-3相似现象与相似准数 §4-4曝气设备的充氧能力
第四章 传质及曝气
质量传递简称传质。凡是由于某种推动力所引起的 物质分子或流体微元的运动都称为传质。传质包括了分 子扩散，也包括了由于对流现象甚至简单的混合作用所 产生的物质迁移,但它不同于物质的输送，如用管道输送 流体，则不能称为传质。
当代给水与废水处理原理
非极性的 链烷化合 物在活性 炭表面的
吸附。
有关极性 分子氨基 酸及蛋白 质的吸附 资料极少
活性炭对于 吸附无机物 也有一定的 潜力
活性炭的吸 附性能是由 于它的表面 基团类型、 比表面积和 孔径的分布 决定的。
第5页，共19页。
第三章 活性炭吸附
§3-2 吸附等温线
吸附 等温 线的 类型
第一种类型的等温线， 没e 有极限值，但 却x 有m 一极限
ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。
活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。 当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。但这需要知 道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质系数三者间的关系。
第15页，共19页。
第三章 活性炭吸附
求活性炭的容量传质系数
活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ1的水样，每 升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：
值 ，(这x m种)0类型的吸附试验资料可用Langmuir公式处 理。
第二类型的等温线， 有e 一个极限值 ，称s 为饱和浓
度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用 Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。
第三类型的等温线， 和e x都m没有极限值，可用
Freundlich公式处理。
活化的定义
活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的 温度在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂；当氧化温度在600℃以下时，一 般用空气做氧化剂。
第2页，共19页。
第三章 活性炭吸附
碳
①使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢等
当代给水与废水处理原理(第二版)第1章
第二节 简单的基元反应 四种简单的基元反应 1.单一组分的零级反应 2.单一组分的一级反应 3.两种组分的二级反应
K A B P
是一个二级反应。当CA0CB0时，令x代表产物P在时刻t的浓度CP。反应 物A和B与产物P间都是按1:1的量的关系变化的,在时刻t，P的浓度增加为x， A及B的浓度必然相应的降低x，其实际浓度CA及CB反应分别为CA0–x及CB0– x。由二级反应的定义有 在半对数坐标图上为 dx kC C k (C x )( C x ) dt A B A0 B0 一直线，作图求斜率 可得速率常数k。 在（0，t）间隔内积分得
4.准稳态反应 在催化反应的过程中，先产生由反应物A与催化剂C结合成的中间复体 AC，复体再经分解形成产物B，这种反应可以作为串连反应来研究，表示 如下： K1 K3 A C AC C B ( x) K2 在生物化学中，常用S及E分别代表底物及酶，相应表示为
K3 S E ES EP K2 K1
(1-64)
速度常数K1、K2及K3可用图解法求得， 常用的方法称为Lineweaver-BurK作图。
在生物化学的酶和底物的反应中，(1-63a)式写成下列形式，称为 Michaelis-Menten方程：
V Vmax [ S ] ( K m [ S ])
(1-65a)
其中V代表
dCA
V dt ， max
Br 0 2K1[Br2 ] 2K 1[Br] K 2 [Br][H 2 ] K 2 [HBr][H ] K3 [H ][Br2 ]
2
由（1-77）和（1-78）式相加后得：
[ Br] ( K1 K 1 ) [ Br]
1 2 1 2
当代给水和废水处理原理
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。 • 但丝状细菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状
细菌的大量繁殖．会引起废水处理系统的污泥膨胀。
§6-1 原核细胞微生物
3. 放线菌 • 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
当代给水和废水处理原理
§6-1 原核细胞微生物
• 细菌细胞的最外层为细胞壁，起固定细菌形态和保护细胞的作用。 细胞壁由脂类、蛋白质和多糖的聚合物组成。
• 细胞膜化学组成主要是脂类和蛋白质，具有选择性吸收的半渗透 性，膜上具有与物质渗透有关的酶类，在吸收营养物质和排除废 物方面起着重要作用。
生物。放线菌中的诺卡氏菌属有分解氧化无机氰化物和烃类化合 物的能力，在处理含烃类和无机氰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。
§6-4 细菌的成分
§6-4 细菌的成分
§6-4 细菌的成分
2. 细菌的大分子组成 • 细菌或其它的微生物细胞物质主要是由一些大分子组成的，如表
6）蛋白质的组成 微生物细胞的蛋白质分为两种，一种为结合蛋 白质，如糖蛋白等，是构成细胞组织的一部分；另一种为溶解性 的单纯蛋白质，主要在细胞质中。
一种类型的核酸。噬茵体大多数只含有DNA，只有少数含RNA。 • 蛋白质是病毒的主要组成，主要作用是构成病毒粒子的衣壳，保
护病毒核酸，决定病毒感染的特异性．并具有抗原性。 3. 病毒的感染与繁殖 • 病毒是以复制方式繁殖。繁殖过程可分为吸附、侵入与脱壳、复
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。 • 但丝状细菌过度繁殖，特别是游离于菌胶团之外的非结构性丝状
细菌的大量繁殖．会引起废水处理系统的污泥膨胀。
§6-1 原核细胞微生物
3. 放线菌 • 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
当代给水和废水处理原理
§6-1 原核细胞微生物
• 细菌细胞的最外层为细胞壁，起固定细菌形态和保护细胞的作用。 细胞壁由脂类、蛋白质和多糖的聚合物组成。
• 细胞膜化学组成主要是脂类和蛋白质，具有选择性吸收的半渗透 性，膜上具有与物质渗透有关的酶类，在吸收营养物质和排除废 物方面起着重要作用。
生物。放线菌中的诺卡氏菌属有分解氧化无机氰化物和烃类化合 物的能力，在处理含烃类和无机氰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。
§6-4 细菌的成分
§6-4 细菌的成分
§6-4 细菌的成分
2. 细菌的大分子组成 • 细菌或其它的微生物细胞物质主要是由一些大分子组成的，如表
6）蛋白质的组成 微生物细胞的蛋白质分为两种，一种为结合蛋 白质，如糖蛋白等，是构成细胞组织的一部分；另一种为溶解性 的单纯蛋白质，主要在细胞质中。
一种类型的核酸。噬茵体大多数只含有DNA，只有少数含RNA。 • 蛋白质是病毒的主要组成，主要作用是构成病毒粒子的衣壳，保
护病毒核酸，决定病毒感染的特异性．并具有抗原性。 3. 病毒的感染与繁殖 • 病毒是以复制方式繁殖。繁殖过程可分为吸附、侵入与脱壳、复
当代给水与废水处理原理-PPT课件
（2）为了满足用水的要求，在水中加入新的成分以改变水的化 学性质
如：循环冷却水中加缓蚀剂及缓垢剂以控制腐浊及结垢等； (3)改变水的物理性质的处理。如水的冷却，降低水的粘滞度等。
3.水处理的物理化学方法包括三种情形
（1）在处理过程中只发生物理变化； （2）在处理过程个只发生化学变化； （3）在处理过程中同时发生物理及化学变化。
（1）悬浮培养体：以活性污泥法为典型代表，它的特 征是起水处理作用的细菌培养体处于悬浮状态的絮体；
（2）生物膜法以滴滤池为典型代表，它的特征是起水 处理作用的细菌培养体呈一层膜固定在填料表面上。
20世纪60年代以后, 为了满足废水再用的水质要求或排放的标准， 出现了对于常规废水处理后的出水进一步处理的过程，称为废水的 高级处理
绪论
1. 水源、水处理与用水——三位一体
二、
给 水 与 废 水 处 理
20世纪50年代以前，给水处理与废水处理涵义的 划分是很清楚的。
给水处理：从天然水源取水，为供生活或工业的使 用(特别是生活使用)而进行的处理，称为给水处理。
废水处理：为了排除的目的，对于使用过的水所进 行的处理，称为废水处理。
2.水处理中单元操作与单元过程
水
处
理 的
化离 学子 消 脱
学 科
沉交 毒 氯 淀换
单 元 过 程
方
法
属
于
学
绪论
2.水处理中单元操作与单元过程
一、 水 处 理 的 学 科 方 法 学
水处理著作中，首先引入单元操作这一概念的，是1954年出版的 Fair与Geyer两人的《给水与废水处置》(Water Supply and Wastewater Disposal)一书。但把包含化学反应的单元过程也包括在单元操作这一概 念内。
如：循环冷却水中加缓蚀剂及缓垢剂以控制腐浊及结垢等； (3)改变水的物理性质的处理。如水的冷却，降低水的粘滞度等。
3.水处理的物理化学方法包括三种情形
（1）在处理过程中只发生物理变化； （2）在处理过程个只发生化学变化； （3）在处理过程中同时发生物理及化学变化。
（1）悬浮培养体：以活性污泥法为典型代表，它的特 征是起水处理作用的细菌培养体处于悬浮状态的絮体；
（2）生物膜法以滴滤池为典型代表，它的特征是起水 处理作用的细菌培养体呈一层膜固定在填料表面上。
20世纪60年代以后, 为了满足废水再用的水质要求或排放的标准， 出现了对于常规废水处理后的出水进一步处理的过程，称为废水的 高级处理
绪论
1. 水源、水处理与用水——三位一体
二、
给 水 与 废 水 处 理
20世纪50年代以前，给水处理与废水处理涵义的 划分是很清楚的。
给水处理：从天然水源取水，为供生活或工业的使 用(特别是生活使用)而进行的处理，称为给水处理。
废水处理：为了排除的目的，对于使用过的水所进 行的处理，称为废水处理。
2.水处理中单元操作与单元过程
水
处
理 的
化离 学子 消 脱
学 科
沉交 毒 氯 淀换
单 元 过 程
方
法
属
于
学
绪论
2.水处理中单元操作与单元过程
一、 水 处 理 的 学 科 方 法 学
水处理著作中，首先引入单元操作这一概念的，是1954年出版的 Fair与Geyer两人的《给水与废水处置》(Water Supply and Wastewater Disposal)一书。但把包含化学反应的单元过程也包括在单元操作这一概 念内。
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600℃以下。有时原材料先经无机盐溶解处理后再碳化。
活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭
产品。当氧化过程的温度在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为 氧化剂；当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。
-
2
第三章 活性炭吸附
碳
①使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢
-
12
第三章 活性炭吸附
BET公式的图解法如下：
求Freundlich公式的常数：
-
13
第三章 活性炭吸附
§3-5 吸附柱的设计
活 性
•重力固定床
炭
吸
附
柱
•压力固定床
设
计
的
类
型
•流化床
-
14
第三章 活性炭吸附
容量传质系数 为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a与反
应速率k相乘，得到一个组合参数ka，称为容量传质系数，其纲量为:
第二类型的等温线， e有一个极限值 ，s 称为饱和浓 度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用 Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。
第三类型的等温线， e和 x 都m 没有极限值，可用 Freundlich公式处理。
-
6
第三章 活性炭吸附
常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸 附公式，如下图所示。
化
等气体；
的
作
②使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。
用
活
在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，
化 把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔隙的作
的 用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一
作 种良好的多孔结构。
用
-
3
第三章 活性炭吸附
活性炭的影响因素
◆与活性炭吸 附能力最直接 的因素是表面 的氧化物复体 的性能。最简 单的复体可以 认为是一氧化 碳和二氧化碳 的复体。
当代给水与废水处理原理
宋晓梅 教授 安徽理工大学地球与环境学院
-
1
第三章 活性炭吸附
§3-1 活性炭的性能
活性炭的来源 活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、
锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂 废物等等。
活性炭的制作 活性炭的制作分碳化及活化两步。
碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在
吸附能力的消失也就是吸附带的消失,即x/m值AC线从tb起不断向 下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合，吸附 带消失。
-
18
第三章 活性炭吸附
上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期）， 其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线，由底部值逐渐增大为顶 部的，与运行时间的出水浓度相对应。
图中表示了出水有机物 浓度从零开始逐渐增加的 过程。 ★允许的最高出水浓度则 称为吸附柱的泄漏浓度。 ★相应的运行时间称为吸 附周期。 ★出水浓度达到 x 时称为 耗竭，这时吸附柱所吸附 有机物质了代表了吸附柱 所具有的总吸附能力。
-
17
第三章 活性炭吸附
吸附柱的设计
建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的 S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚 度δ到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期）起到它的吸附能力完全耗竭 止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。
分子厚
只考虑在单 层内的平衡
关系
推导的假定
被吸附物质 的颗粒和水 分子一样大
每个被吸附 颗粒占面积
0
-
9
第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导的图示
-
10
第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导：
在达到平衡时，存在下列关系: 未被吸附的物质颗粒数目+被吸附的水分子数目==被吸附物质颗粒
的数目+未被吸附的水分子数目
得到Langmuir公式为：
x b(x m)0 e m 1 be
-
11
第三章 活性炭吸附
§3-4 吸附公式的应用
求吸附公式Langmuir中的常数
每个吸附公式都包含了两个常数，这些常数可以通过数学方法处理 试验数据得出，最常用的是图解法。用某一种活性炭做吸附试验所得 的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。 图1中 小c 于1 ，图2中 大 c 于1。
◆活性炭表面 氧化物的成分 主要受活化过
程的影响。
◆酸性氧化物 使活性炭具有 极性的性质， 因之倾向于吸 附极性较强的 化合物。
◆活性炭表面 的金属离子部 位带有正电荷， 对那些带有过 剩电子部位的 分子有吸附力， 可以增加活性 炭吸附的速率。
-
4
第三章 活性炭吸附
活性炭的吸附作用
对芳族化合 物的吸附
-
7
第三章 活性炭吸附
处理吸附等温线的公式
★Langmuir公式为： x b(x m)0 e
m
1 be
★BET公式为：
x
B(x/m)0e
m
(s
e)1(B1)
e s
★Freundlich公式为：
x m
1
K f en
-
8
第三章 活性炭吸附
§3-3 Langmuir 公式的推导
被吸附的物 质只有一层
在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增 加速率，即
ddt kaem C
对上式积分得:
lg1e mkat e 2.303c
由此式可以绘成如右图所 示的直线，由直线的斜率 可求出ka值来。
-
16
第三章 活性炭吸附
吸附柱的泄漏和衰耗过程
如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关 系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。
非极性的 链烷化合 物在活性 炭表面的
吸附。
有关极性 分子氨基 酸及蛋白 质的吸附 资料极少
活性炭对于 吸附无机物 也有一定的 潜力
活性炭的吸 附性能是由 于它的表面 基团类型、 比表面积和 孔径的分布 决定的。
-
5 类型
第一种类型的等温线， e没有极限值，但 x 却m 有一极 限值 ( ，x m这) 0种类型的吸附试验资料可用Langmuir公 式处理。
ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。
活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。
当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。但 这需要知道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质系 数三者间的关系。
-
15
第三章 活性炭吸附
求活性炭的容量传质系数
活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ1的水样， 每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：
活化的定义 活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热，以生产活性炭
产品。当氧化过程的温度在800-900℃时，一般用蒸汽或二氧化碳为 氧化剂；当氧化温度在600℃以下时，一般用空气做氧化剂。
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第三章 活性炭吸附
碳
①使原材料分解放出水气、一氧化碳、二氧化碳及氢
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第三章 活性炭吸附
BET公式的图解法如下：
求Freundlich公式的常数：
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第三章 活性炭吸附
§3-5 吸附柱的设计
活 性
•重力固定床
炭
吸
附
柱
•压力固定床
设
计
的
类
型
•流化床
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第三章 活性炭吸附
容量传质系数 为了更方便的研究，我们将单位容积活性炭所具有的吸附面积a与反
应速率k相乘，得到一个组合参数ka，称为容量传质系数，其纲量为:
第二类型的等温线， e有一个极限值 ，s 称为饱和浓 度，但x/m却没有极限值。这种类型的等温线可用 Branauer和Emmett及Teller（简称BET）公式处理。
第三类型的等温线， e和 x 都m 没有极限值，可用 Freundlich公式处理。
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第三章 活性炭吸附
常见的吸附等温线有三种类型，每种类型对应于一种吸 附公式，如下图所示。
化
等气体；
的
作
②使原材料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。
用
活
在活化过程中，烧掉了碳化时吸附的碳氢化合物，
化 把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔隙的作
的 用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一
作 种良好的多孔结构。
用
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第三章 活性炭吸附
活性炭的影响因素
◆与活性炭吸 附能力最直接 的因素是表面 的氧化物复体 的性能。最简 单的复体可以 认为是一氧化 碳和二氧化碳 的复体。
当代给水与废水处理原理
宋晓梅 教授 安徽理工大学地球与环境学院
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第三章 活性炭吸附
§3-1 活性炭的性能
活性炭的来源 活性炭几乎可以用含有碳的任何物质做原料来制造，这包括木材、
锯末、煤、泥炭、果壳、果核、蔗渣、骨、石油焦、皮革废物、纸厂 废物等等。
活性炭的制作 活性炭的制作分碳化及活化两步。
碳化的定义 碳化也称热解，是在隔绝空气的条件下对原材料加热，一般温度在
吸附能力的消失也就是吸附带的消失,即x/m值AC线从tb起不断向 下运动，最后在运行时间tx到达吸附柱底，曲线C点与B点重合，吸附 带消失。
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第三章 活性炭吸附
上图表示吸附带刚达到吸附柱底时（相当于运行恰好达吸附周期）， 其中活性炭吸附量沿吸附带高度的分布曲线，由底部值逐渐增大为顶 部的，与运行时间的出水浓度相对应。
图中表示了出水有机物 浓度从零开始逐渐增加的 过程。 ★允许的最高出水浓度则 称为吸附柱的泄漏浓度。 ★相应的运行时间称为吸 附周期。 ★出水浓度达到 x 时称为 耗竭，这时吸附柱所吸附 有机物质了代表了吸附柱 所具有的总吸附能力。
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第三章 活性炭吸附
吸附柱的设计
建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的 S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚 度δ到达柱底（此时吸附柱到达吸附周期）起到它的吸附能力完全耗竭 止（即到达耗竭时间）的吸附能力消失过程。
分子厚
只考虑在单 层内的平衡
关系
推导的假定
被吸附物质 的颗粒和水 分子一样大
每个被吸附 颗粒占面积
0
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第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导的图示
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第三章 活性炭吸附
Langmuir公式推导：
在达到平衡时，存在下列关系: 未被吸附的物质颗粒数目+被吸附的水分子数目==被吸附物质颗粒
的数目+未被吸附的水分子数目
得到Langmuir公式为：
x b(x m)0 e m 1 be
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第三章 活性炭吸附
§3-4 吸附公式的应用
求吸附公式Langmuir中的常数
每个吸附公式都包含了两个常数，这些常数可以通过数学方法处理 试验数据得出，最常用的是图解法。用某一种活性炭做吸附试验所得 的数据往往只符合一个吸附公式，这可在图解法中很清楚地看出来。 图1中 小c 于1 ，图2中 大 c 于1。
◆活性炭表面 氧化物的成分 主要受活化过
程的影响。
◆酸性氧化物 使活性炭具有 极性的性质， 因之倾向于吸 附极性较强的 化合物。
◆活性炭表面 的金属离子部 位带有正电荷， 对那些带有过 剩电子部位的 分子有吸附力， 可以增加活性 炭吸附的速率。
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第三章 活性炭吸附
活性炭的吸附作用
对芳族化合 物的吸附
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第三章 活性炭吸附
处理吸附等温线的公式
★Langmuir公式为： x b(x m)0 e
m
1 be
★BET公式为：
x
B(x/m)0e
m
(s
e)1(B1)
e s
★Freundlich公式为：
x m
1
K f en
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第三章 活性炭吸附
§3-3 Langmuir 公式的推导
被吸附的物 质只有一层
在时刻t水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增 加速率，即
ddt kaem C
对上式积分得:
lg1e mkat e 2.303c
由此式可以绘成如右图所 示的直线，由直线的斜率 可求出ka值来。
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16
第三章 活性炭吸附
吸附柱的泄漏和衰耗过程
如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关 系绘成曲线，则得下图的吸附过程曲线。
非极性的 链烷化合 物在活性 炭表面的
吸附。
有关极性 分子氨基 酸及蛋白 质的吸附 资料极少
活性炭对于 吸附无机物 也有一定的 潜力
活性炭的吸 附性能是由 于它的表面 基团类型、 比表面积和 孔径的分布 决定的。
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5 类型
第一种类型的等温线， e没有极限值，但 x 却m 有一极 限值 ( ，x m这) 0种类型的吸附试验资料可用Langmuir公 式处理。
ka代表单位体积活性炭在单位时间内所吸收的杂质量。
活性炭的容量传质系数可以通过实验得出。
当这个系数已知后，就能够确定吸附柱所需要的活性炭总体积。但 这需要知道吸附柱的吸附容量、吸附柱的吸附过程曲线与容积传质系 数三者间的关系。
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第三章 活性炭吸附
求活性炭的容量传质系数
活性炭的容量传质系数ka，一般通过用初始有机物浓度ρ1的水样， 每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：