当代给水与废水处理原理(第二版)第5章
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【2019年整理】当代给水与废水处理原理
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。
绪论
（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
单元操作往往带有物理变化，但也有不产生物理变化的单元操作， 如：食盐的生产过程。
一、 食盐的生产过程只包括下列几种单元操作：
水
处
理 的
固 体 和
学 送液
科 方
体 的 输
热传
蒸
结
发
晶
干 燥 及 筛 选
法
学
一、
2.水处理中单元操作与单元过程
水
处
理
的 学
合混
沉 淀
浮 升
浓过 缩滤
单 元 操
科
作
方
法
属
于
当代给水与废水处理原理
高良敏 博士、教授 安徽理工大学地球与环境学院
绪论
1.单元操作与单元过程
一、 水 处 理 的 学 科 方 法 学
20世纪50年代起，引用了化学工程中单元操作(unit operation )及单元过程(unit process)的概念，目的是为了 建立各种水处理方法间的理论联系，提高学科的理论水平
生物化学工程基础当代给水与废水处理原理优选演示
§6-2 真核细胞微生物
• 真菌、单细胞藻类及原生动物等均属于真核细胞微生物。真核细 胞的结构如图6-2所示。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。
§6-2 真核细胞微生物
• 原生动物是单细胞动物。原生动物具有核，核的数目有时不止一 个，这与细菌不同；原生动物均有发育完善的运动器官或运动方 法；原生动物通常按二分裂法繁殖，但有时也采取接合或自体受 精等复杂的有性生殖。另外还有通过孢子增殖的方法
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。
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
生物化学工程基础当代给水与废水处理原理
优选生物化学工程基础当代给 水与废水处理原理
水处理中的微生物
给水与废水处所涉及的微生物种类很多，根据 其细胞结构、功能和组分差异，主要分三类：原核
细胞微生物、真核细胞微生物和病毒(噬菌体)。
§6-1 原核细胞微生物
当代给水与废水处理
1 x K f e n ★Freundlich公式为： m
• 改性活性炭（表面官能团性质及数量发生变化) 以去除 有机污染物为目的的改性方向应为:减少表面内酯基及羧 基等含氧官能团的含量,增加活性炭表面的疏水性。 • 活性炭工艺与其它手段的结合 活性炭起的是辅助性的作用，主体是生物法、催化剂的应 用等。活性炭与膜联用能解决单独使用膜过滤引起的膜阻 塞和膜污染问题。利用活性炭对进水进行必要的前处理, 以减少水中的有机物、无机物、微生物等在膜表面和膜内 孔积累,极大延长了膜的使用寿命；而膜的存在又可以克 服单独使用活性炭出水中细菌数偏高的问题。
2.混凝现象的四种机理 • 压缩双电层作用 向溶液中投入电解质，离子浓度增高，扩散层的厚度将 减小，ζ 电位降低，胶粒得以迅速凝聚。 • 吸附和电荷中和作用 胶粒表面对带异号电荷有强烈的吸附作用，中和了它的 部分电荷，减少了静电斥力，易与其他颗粒接近而互相 吸附。
•
吸附架桥作用 高分子物质与胶粒相互吸附，而使胶粒凝聚为大的絮凝 体。 • 沉淀物网捕作用 混凝剂金属盐投加量大，迅速形成金属沉淀物，水中的 胶粒可被这些沉淀物网捕。
当代给水与废水处理原理
第三章 活性炭吸附 第四章 传质及曝气
• 气一液传质模型
• 凝聚与絮凝 沉淀试验 • 膜分离
3-1 活性炭的性能 3-3 Langmuir公式的推导 3-5 吸附柱的设计
3-2 吸附等温线 3-4 吸附公式的应用
曝气设备的充氧能力
第五章 常规分离过程与膜分离
浓缩池 滤床过滤
1
活性炭吸附
2
凝聚与絮凝
3
膜分离
一、活性炭吸附
1.活性炭是一种多孔碳，堆积密度低，炭粒中有更细小 的孔——毛细管，比表面积大，能与气体（杂质）充分 接触，具有很强的吸附能力，起净化作用。 2.活性炭的制造 活性炭的制作分碳化及活化两步。 •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600℃以下。 •活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的材料加热。
当代给水与废水处理原理 读书报告
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间一次具体碰撞行为。
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时间内所产生的物质的量变化为dn 时，A的反应速率表示为d]Ad[CA RA dt t d式中:[A]及C均代表A的浓度，RA的单位为mol·m-3·s-1。
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。
化学计量方程xA+yB→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Q??????d xxuvv i dζ称为反应进ABP?dn?dndndndn iAPQB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：d[p]dc P=ab CKC r??P B A dtd t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；反应器参数优化，反应机理的研究。
当代给水与废水处理原理(第二版)第7章
7-5 微生物集团的模型
在生物化学过程中，微生物集团的形
态不外是固定在填料壁面上的微生物膜或 者在液相内处于悬浮状态的微生物絮体。 微生物间为凝胶。微生物的尺寸以um来 计，而膜或絮体的尺寸以102um来计。微 生物集团的凝胶部分据报道约为23～38％， 是和填料床的自由空间数值类似。微生物 集团的模型见图7—12。
a
V中所含活微生物的总比 微生物集团的体积
表面积 V
下面进行微生物膜的微分方程式的推导： 微生物膜的厚度为L，在膜与液体界面处的底
物浓度为Pb。把膜当一个单向的底物扩散过 程来处理。底物在y方向上扩散。在稳定状态 时取dy厚度，面积为dydz的体积微元dxdydz 内的物料衡算关系得：
N ydy dxdz r(adxdydz) N y dxdz
式中，为体积内得单位表面面积去除底物的速率。 整理得：
N ydy N y ra 0 dy
dN ra 0 dy
以
N
De
d
dy
代入得
De
d 2
dy 2
ra
0
按式（7—7）代入r得表达式得
De d 2 a 0 dy2 K
边界条件为:
y=L时， ＝ b
y＝0时，d 0
dy
基本方程的解 用有效系数法对该方程进行求解： 对式（7—26）及（7—27）进行无量纲化转换得：
进行微生物集团模型的数学公式推导， 做以下假定：
(1)微生物集团的成分是稳定的，即不随时 间发生变化；
(2)微生物细胞的功能也是不随时间变化的， 即细胞的总性质只是局部环境的函数。
(3)在微生物集团整体中，菌龄分布以及其 他微生物的生活特性也是不随时间变化的。
微生物膜的微分方程
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本文部分内容来自网络整理，本司不为其真实性负责，如有异议或侵权请及时联系，本司将立即删除！== 本文为word格式，下载后可方便编辑和修改！ ==当代给水与废水处理,读书报告篇一：当代给水与废水处理原理课后习题答案许保玖篇二：水处理吸附理论与技术简析活性炭吸附技术在水处理方面应用摘要: 现代工业的迅猛发展给环境带来的污染日益严重，尤为严重的是水体污染，已经引起了全世界的普遍关注。
同时，随着人们生活水平的不断提高和环保意识的不断增强，使得人们对引用水水质的要求愈来愈严格。
活性炭是最常用的优良的吸附剂，深刻了解活性炭的特性，正确选择活性炭，充分发挥其在水处理的作用，达到深度处理的效果，成为近来研究的重点。
本文概述活性炭的特性及其吸附机理，介绍活性炭吸附技术及其组合工艺在国内外水处理中的应用和发展，总结它在应用中的优缺点并预测其前景和发展方向。
关键词: 活性炭、吸附、水处理、组合工艺引言传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉淀、过滤和加氯消毒来去除水中的悬浮物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。
吸附法是采用多孔性的固体吸附剂，利用同一液相界面上的物质传递，使废水中的污染物转移到固体吸附剂上，从而使之从废水中分离去除的方法。
具有吸附能力的多孔固体物质称为吸附剂。
根据吸附剂表面吸附力的不同，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换性吸附。
在废水处理中所发生的吸附过程往往是几种吸附作用的综合表现。
废水中常用的吸附剂有活性炭、磺化煤、沸石等。
1. 活性炭的特性及其吸附机理1.1活性炭的特性1活性炭是一种由煤、沥青、石油焦、果壳等含碳原料制成的外观呈黑色的粉末状或颗粒状的无定形碳。
活性炭内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强。
普通活性炭的比表面积为500-1500m2。
超级活性炭比表面积则高达3500 m/g活性炭所含主要元素是碳，含量为90-95%。
氧和氢大部分是以化学键的形式与碳原子相结合形成有机官能团，氧含量4%-5%左右，氢含量一般是1%-2%。
当代给水与废水处理原理(第二版)第10章b
dM dX a / dt/ X a a
dt a
Ya
Ya
（10－28）
dM dX s / dt/ X s s
dt s
Ys
Ys
（10－29）
式中，μa、μs分别为生物膜和悬浮生长微生物 的比增殖率。将式（10－28）式（10－29）代入式
（10－25）式，并考虑稳态条件，即（－dρ/dt）
先对厌氧流化床作如下假定：
(1)厌氧反应器中的流态为完全混合型（CSTR）； (2)填料上生长的生物膜为均质增长，其密度ρa不变； (3)填料为均质球体，直径为d，自然堆积孔隙率为m； (4)进水微生物浓度为零。
如图10－12所示，流化床内底物的物料衡算方程为
d
dt
V
Qi
dM dt
a
X aV
1.厌氧处理的原理
厌氧处理技术是一种有效去除有机污染物并使 其矿化的技术，它将有机化合物转变为甲烷和二 氧化碳。
有机物的厌氧降解过程：在厌氧条件下，将 污水中的复杂物质转化为沼气，需要多种不同微 生物种群的作用。
a. 生物多聚物的水解； b. 发酵氨基酸和糖转化为氢、乙酸、短链 VFA和乙醇； c. 厌氧氧化长链脂肪酸和乙醇； d. 厌氧氧化中间产物挥发酸； e. 由乙酸型甲烷将乙酸转化为甲烷； f. 由产氢甲烷菌将氢转化为甲烷（二氧化炭 还原）。
有机物式负中荷：，ρ和单ρe位为为进k、gC出O水D/的m有3.d机；物k为C去OD除浓有度机；物L的为 系数，单位为kgCOD/m3.d。
在有机物负荷很高即k/L很小时，式（10－22）
中的exp(-k/L)可按级数展开后略去高次项得下列简
化式
e exp( k / L) 1 k / L i
当代给水与废水处理原理(第二版)第9章a
另外，出口平均浓度o与进口浓度i的比值可以表示为、及的函数 F(、、)，F(、、)可以由下列关系得出：
从g(Y、Z、、、0)的表达式可知，计算是很夏杂的，所以利用图9-4 的曲线来求值o/i
悬浮生长与固着生长 悬浮生长(suspended growth) 微生物单独或成团悬浮水中，与基质完全混合 摄取基质与溶氧不受传质 (mass transfer)过程限制
例如：活性污泥法
固着生长(attached growth) 微生物聚集成黏膜与水接触
摄取基质与溶氧受到传质 (mass transfer)过程限制
N z
(2)整个系统为稳定状态
(4)水膜内无纵向的混合
2 (3)水膜内的流速按§4-8的层流流速分布公式（4－85）计算 s 1 2 ，
(5)底物的横向通量按Fick公式计算 N D (6)底物的纵向通量 N z (7)气—水交界面无限制营养物传递； (8)在z=0进口处不存在底物的浓度梯度。
污水蝇
滴滤塔 污水 沉 淀池 污水
滴滤塔
沉淀池
回流水
回流水
回流污泥
HRTF
滴滤塔 污水
废弃物泥
废弃污泥
ABF
滴滤塔 污水
回流水
回流水
沉淀池
沉淀池
回流污泥 废弃污泥
回流污泥 废弃污泥
TF-SC
BF-AS
9—3 Atkinson的滴滤池数学模型
1、基本方程式 滴滤池的模型见图9—3。水膜沿填料表面 的生物膜向下流动。水膜厚δ，高度H。水膜在 z=0处的底物浓度为 i，在流动过程中，向生物 膜传递的底物通量为N，因此，在水膜和生物膜 中都存在底物浓度的梯度，这由底物浓度分布 曲线可以看出。在水膜与生物膜交界处的底物 浓度为*。浓度*在生物膜内传递的数学模型即 采用§ 7—5所建立的模型，因此*即相当于图 7—12及式(7—39)、式(7—40)中的b。底物浓 度是沿高度减少的，出口处(z=H)的底物浓度为 e,交界面的底物浓度*也是沿高度变化的。 这一模型的假定如下： (1)生物膜内的代谢过程服从§ 7—5的模型假定： 微生物集团的成分是稳定的，即不随时间而变 化的； 微生物细胞的功能也是不随时间变化的， 细胞的总性质只是局部环境的函数 在微生物集团整体中，菌龄分布以及其 它微生物的生活特性也是不随时间变化的。
当代给水与废水处理原理第二版
这种反应器的特点是：一、上部设置的三相分离器 可使厌氧生物污泥自动回沉到下部反应区，因而反应器 可维持较高的生物量和较长的污泥停留时间。二、枯死 的厌氧器上升水流的微混合作用下形成粒状，为新生微 生物提供了附着生长的表面，形成所谓的粒状污泥这更 进一步延长了污泥的停留时间，因为颗粒污泥的形成使 UASB反应器部分地成为生物膜反应器了。实质上可认为， 具有颗粒污泥的UASB反应器是一个颗粒污泥处于流化状 态的流化床反应器。
(1)两相厌氧法：这种工艺也称两段厌氧法，是根据
产甲烷细菌的增殖率低，增代时间长，适宜的最佳pH
值范围窄，要求严格；而其它非产甲烷的细菌，例如
产酸细菌则增殖率高，增代时间短，对pH值和厌氧条
件的要求都不甚严格。
两相厌氧法把非产甲烷细菌和产甲烷细菌分开在 两个串联的反应器里培养，分别各自完成厌氧反应中 的水解、产甲烷反应，前者称产酸相（或产酸段）， 后者称产甲烷相（或产甲烷段）。这样做的结果是， 消化池的总体积减小了，有机物容积负荷和处理效率 提高了。为了进一步提高产甲烷的厌氧生物污泥停留 时间，产甲烷相常采用厌氧生物膜反应器，如图10－4 （a）所示。
1. 基本原理
可将有机物在厌氧条件下 的降解过程分三个反应阶段。 第一阶段是水解阶段；第二阶 段是产酸和脱氢阶段；第三阶 段为产甲烷阶段。
这三个反应阶段右图所示。 在厌氧生物处理过程中，尽管 反应是按三个阶段进行的，但 在厌氧反应器中，它们应该是 瞬时连续发生的。在有些文献 中，将水解和产酸、脱氢阶段 合并统称为酸性发酵阶段，将 产甲烷称为甲烷发酵阶段。
厌氧生物处理法的主要优点有：能耗低；可回收生物能 源（沼气）；每去除单位质量底物产生的微生物（污泥）量 少；而且由于处理过程不需要氧，所以不受传氧能力的限制， 因而具有较高的有机物负荷的潜力。其缺点是处理后出水的 COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等。
当代给水与废水处理原理(第二版)第6章
功能和组分的差异，主要分三类：
• 原核细胞微生物、真核细胞微生物和病毒（噬菌体）。
• 6—1原核细胞微生物
• 原核细胞微生物的细胞仅有原来的核物 质，无核膜与核仁的分化，也无细胞器等。 它包括细菌、放线菌、蓝细菌等，其细胞结 构如图6—1所示。
• 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。通常球菌直径为0.5~1.0um；杆菌 宽0.5~1.0um，长1.5~1.0um，螺旋菌宽 0.5~5.0um，长6~15um。细菌以单个或群体 存在，通常以二分裂法繁殖，也有些可以进 行有性繁殖。
二氧化碳的水中。能将细胞内吸收的亚铁氧化为
高铁，从而获得能量。
•
贝日阿托氏菌是一种漂浮在池塘或沼泽上的
硫磺细菌。发硫细菌也是不分枝的丝状硫磺细菌。
它们能氧化硫化氢、硫磺和其他硫化物，同时放
出能量。
• 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，菌丝无隔膜，是单细胞微生物。放线菌的菌丝
分为营养菌丝、气生菌丝和孢子丝。放线菌通过无性
孢子及菌丝片段进行繁殖。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的作用。
• 4.蓝细菌
•
蓝细菌有时列如藻类，也称为蓝藻。因其细胞
结构为原核，故归入细菌类。简单蓝细菌为球状或杆
状的单细胞生物，与较大的细菌相似。多数蓝细菌是
附着菌胶团，丝状细菌与菌胶团细菌形成互惠关系。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。
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
当代给水与废水处理原理第二版第5章
? ?? m dp ? ?
? ?0
? m ? d?
0
(5-26)
仅一种Z-Z电解质时(如NaNO3)，(5-26)积分得：
FDL
?
2n0
kT
? ??cosh
? ??
ze? m kT
? ??
?
? 1??
电解质 NaNO 3的数量
(5-27)
13
4. 憎水胶体的稳定与脱稳（续2）
两平板间静电双电层作用势能(VDL):
粒粒径的平方成正比。大絮粒的沉速足以使它们在沉淀设备中 被去除，但经过混凝过程的微粒不一定都能形成大粒径的絮体 ，细微絮体颗粒由于含水量大(相对密度小)以及粒径小则沉速 太小的原因，仍然会随着原水通过沉淀设备流出来，需经进一 步的过滤处理才能使出水浊度达标。
2
§5-2 胶体颗粒的基本性质
胶体颗粒：指粒度在1nm～1μm间的颗粒。 线性分子只要含有103～109个原子，不论绝对尺寸，都属 于胶体颗粒。如高分子助凝剂聚丙烯酰胺，相对分子量500万 时，展开长度达到20μm，但由于相当7×105个原子的线性分子 ，也划为胶体颗粒。 无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀也呈胶体状态——无定形 微晶体。
斥能峰：
Vm
?
64n0kT
? e2
?
A? 2 48?
(5-31)
极值点 dm=κ-1(κ-1代表扩散双电层厚度，
表征两双电层叠加斥能峰产生大致位置 )。压
缩双电层可降低斥能峰达到颗粒凝聚，可通
过增加溶液离子数量浓度 noi和价数 zi来降低 κ1。
使斥能峰为 0的电解质浓度称为 混凝的临
界电解质浓度 cs。
?
0
??
i
当代给水与废水处理原理(第二版)第3章
3. 活性炭性能及影响因素及吸附作用 （1）表面的氧化物复体（complex）的性能。一般把活性炭的 表面氧化物分成酸性的和碱性的两大类。酸性官能团有：羧基，酚 羟基，醌型羰基，正内酯基，荧光型内酯基，羧酸酐基及环式过氧 基等， 其中羧酸基，内酯基及酚羧基被多次报导为主要酸性氧化物， 对于碱性氧化物的说法有分歧。有的认为是如氧萘的结构，为苯并 恶英的衍生物，另一种说法认为碱性氧化物最好用类似吡喃酮的结 构来代表。 （2）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。这些带极性的基团易于吸附带极性的水，因而阻 碍了在水浴液中吸附非极性物质的过程。为了避免形成更多的类似 羧基的基团，妨碍吸附非极性物质的过程，活化的温度必须在900OC 附近，再生的温度也同样注意。 （3）活性炭表面的金属离子部位带有正电荷，对那些有过剩电 子的部位的分子有吸引力，可以增加活性炭吸附的速率。活性炭表 面带有金属的是有利的。
第三章 活性炭吸附
第三章
活性炭吸附
第一节 活性炭的性能 1. 活性炭的制造——分为炭化及活化两步。炭化也称热解，是在隔 热空气的条件下对原材料加热，一般温度在600 OC以下。炭化有多 种作用： 一是使原材料分解放出H2O, CO, CO2 及H2等气体。第二个作用 是易使原材料分解成碎片，并重新集合成稳定的结构。活化是在有 氧化剂的作用下，对炭化后的材料加热。当氧化过程的温度在800— 900OC时，一般用蒸汽或CO2为氧化剂；当氧化过程的温度在600OC 以下时，一般用空气做氧化剂。在活化的过程中，烧掉了炭化时吸 附的碳氢化合物，起了扩大孔隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿， 活化使活性炭变成一种良好的多孔结构。 2.活性炭的吸附性能 活性炭分成粉末状和粒状两种类型。每克活性炭的表面积可高达 1000 m2 。 但99.9%以上的面积都在多孔结构颗粒的内部。活性炭的 极大地吸附能力即在于此。粒状以吸附柱的形式来应用，当吸附能 力饱和后，通过再生以恢复其吸附能力。粉末活性炭系直接投加于 水中，经混合吸附后分离出来，由于再生技术尚未完善的关系，过 去往往作为废物排掉。
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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 )
(5-11)
当表面电势较小zieψ＜kT 时，式(5-11)右边作级数展开
并取前两项，得：
d 2 dx2
2
在主体溶液中，x→∞时
d 0
dx
(5-12)
在表面处，x = 0时 0
天然水中产生浊度的微粒主要是粒径小于10μm的土壤颗 粒。据Stokes公式计算直径10μm的粉砂在水中下沉1m约需 100min；而当直径缩小为1μm时，其理论沉降时间将变为l0 000min。
这些微小的颗粒由于受周围水分子布朗运动冲击，阻碍了 其下沉运动，使之在相当长的时间内保待着悬浮状态－－即胶 体颗粒的稳定状态。因此不能靠自然沉降的方法将其从水中去 除，混凝是一必经的过程。
x － 垂直方向坐标
6
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续1）
d i
dx
zieBiblioteka ddx(5-7)
i i kT ln ni
(5-8)
式子5-8代入5-7并积分得：
ni ni0 exp(zie / kT )
(5-9)
当ψ=0时，ni=ni0。式5-9表明，在扩散层中离子呈
Boltzmann分布(图5-1b)。
前言
给水处理的绝大部分问题是去除水中的悬浮固体微粒（固 －液分离过程）。所去除的微粒下限粒度为1nm，上限粒度约 为10μm。包括蛋白质、腐殖酸、病毒、细菌和粘土等微粒物 。这些微粒使水产生浊度。
内容纲要 絮凝与凝聚 沉淀试验 浓缩池 滤床过滤 膜分离
1
Part One 凝聚与絮凝 §5-1 基本概念
凝聚：胶体的脱稳阶段
絮凝：胶体脱稳后结成大颗粒的阶段
混凝：代表整个凝聚及絮凝过程
按Stocks公式，颗粒的沉速与颗粒在水中的相对密度和颗 粒粒径的平方成正比。大絮粒的沉速足以使它们在沉淀设备中 被去除，但经过混凝过程的微粒不一定都能形成大粒径的絮体 ，细微絮体颗粒由于含水量大(相对密度小)以及粒径小则沉速 太小的原因，仍然会随着原水通过沉淀设备流出来，需经进一 步的过滤处理才能使出水浊度达标。
2
§5-2 胶体颗粒的基本性质
胶体颗粒：指粒度在1nm～1μm间的颗粒。 线性分子只要含有103～109个原子，不论绝对尺寸，都属 于胶体颗粒。如高分子助凝剂聚丙烯酰胺，相对分子量500万 时，展开长度达到20μm，但由于相当7×105个原子的线性分子 ，也划为胶体颗粒。 无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀也呈胶体状态——无定形 微晶体。
表面电荷产生机理： ① 表面离子特异吸附：如AgI胶体吸附Ag+或I-， Ag+或I-称为
电位决定离子，溶液中存在一特定的Ag+离子活度aa0(Ag+)使 颗粒表面电荷为零——电荷零点；根据Nernst方程，这类 胶体的表面电荷、电势取决于电位决定离子在溶液中的活 度。
② 离子型晶体溶解平衡：如铁、铝氧化物颗粒表面电荷的产 生，其表面电荷、电势受pH值控制。
5
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论
内层：Stern吸附层 双电层
外层：离子扩散层 考虑颗粒表面一个小局部，假设表面为平面。在此平面附 近，液相中的离子发生静电迁移和扩散两个反相过程，存在下 列平衡关系：
d i
dx
zi
e
d
dx
(5-7)
i i kT ln ni (5-8)
其中：μi － 化学势 μiΘ－ 标准化学势 ni － 数量浓度 zi － 价数 ψ － 扩散层中的电位
扩散层中空间电荷密度分布ρ为：
ni zie ni0zieexp(zie / kT )
i
i
(5-10)
扩散层中电位与电荷密度关系：
d 2
dx2
1
i
ni0 zie exp(zie / kT )
(5-11)
度质有(ddx关式) 。中的ε变化为与水该的层介中电空常间数电，荷式密5-度11成表正明比扩，散并双与电水层的中介电电场性强
胶体的憎水、亲水性
憎水胶体，包括水中的粘土、无机混凝剂形成的胶体。 亲水胶体，包括有机物质，蛋白质、淀粉及胶质。亲水胶 体靠特有的极性基团吸附水分子，如100g淀粉含有0.62mol极 性基团，可吸附0.44mol水(7.9g)。 亲水胶体吸水自动分散成胶体溶液，脱水可恢复原状(可 逆胶体)；憎水胶体则不具备此性质(不可逆胶体)。
巨大的 吸附能力
吸附 大量离子
憎水胶体的双电层结构讨论
1.颗粒表面电荷的产生 2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论 3. Stern-Grahame吸附层 4.憎水胶体的稳定及脱稳 5.ζ电势
4
1. 颗粒表面电荷的产生
在一般的水质中，粘土、细菌、病毒等带负电荷。氢氧化 铝或氢氧化铁微晶体带正电荷。
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。
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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
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续2）
d 2
dx2
1
i
ni0zie exp(zie / kT )
(5-11)
当表面电势较小zieψ＜kT 时，式(5-11)右边作级数展开
并取前两项，得：
d 2 dx2
2
在主体溶液中，x→∞时
d 0
dx
(5-12)
在表面处，x = 0时 0
天然水中产生浊度的微粒主要是粒径小于10μm的土壤颗 粒。据Stokes公式计算直径10μm的粉砂在水中下沉1m约需 100min；而当直径缩小为1μm时，其理论沉降时间将变为l0 000min。
这些微小的颗粒由于受周围水分子布朗运动冲击，阻碍了 其下沉运动，使之在相当长的时间内保待着悬浮状态－－即胶 体颗粒的稳定状态。因此不能靠自然沉降的方法将其从水中去 除，混凝是一必经的过程。
x － 垂直方向坐标
6
2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论（续1）
d i
dx
zieBiblioteka ddx(5-7)
i i kT ln ni
(5-8)
式子5-8代入5-7并积分得：
ni ni0 exp(zie / kT )
(5-9)
当ψ=0时，ni=ni0。式5-9表明，在扩散层中离子呈
Boltzmann分布(图5-1b)。
前言
给水处理的绝大部分问题是去除水中的悬浮固体微粒（固 －液分离过程）。所去除的微粒下限粒度为1nm，上限粒度约 为10μm。包括蛋白质、腐殖酸、病毒、细菌和粘土等微粒物 。这些微粒使水产生浊度。
内容纲要 絮凝与凝聚 沉淀试验 浓缩池 滤床过滤 膜分离
1
Part One 凝聚与絮凝 §5-1 基本概念
凝聚：胶体的脱稳阶段
絮凝：胶体脱稳后结成大颗粒的阶段
混凝：代表整个凝聚及絮凝过程
按Stocks公式，颗粒的沉速与颗粒在水中的相对密度和颗 粒粒径的平方成正比。大絮粒的沉速足以使它们在沉淀设备中 被去除，但经过混凝过程的微粒不一定都能形成大粒径的絮体 ，细微絮体颗粒由于含水量大(相对密度小)以及粒径小则沉速 太小的原因，仍然会随着原水通过沉淀设备流出来，需经进一 步的过滤处理才能使出水浊度达标。
2
§5-2 胶体颗粒的基本性质
胶体颗粒：指粒度在1nm～1μm间的颗粒。 线性分子只要含有103～109个原子，不论绝对尺寸，都属 于胶体颗粒。如高分子助凝剂聚丙烯酰胺，相对分子量500万 时，展开长度达到20μm，但由于相当7×105个原子的线性分子 ，也划为胶体颗粒。 无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀也呈胶体状态——无定形 微晶体。
表面电荷产生机理： ① 表面离子特异吸附：如AgI胶体吸附Ag+或I-， Ag+或I-称为
电位决定离子，溶液中存在一特定的Ag+离子活度aa0(Ag+)使 颗粒表面电荷为零——电荷零点；根据Nernst方程，这类 胶体的表面电荷、电势取决于电位决定离子在溶液中的活 度。
② 离子型晶体溶解平衡：如铁、铝氧化物颗粒表面电荷的产 生，其表面电荷、电势受pH值控制。
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2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论
内层：Stern吸附层 双电层
外层：离子扩散层 考虑颗粒表面一个小局部，假设表面为平面。在此平面附 近，液相中的离子发生静电迁移和扩散两个反相过程，存在下 列平衡关系：
d i
dx
zi
e
d
dx
(5-7)
i i kT ln ni (5-8)
其中：μi － 化学势 μiΘ－ 标准化学势 ni － 数量浓度 zi － 价数 ψ － 扩散层中的电位
扩散层中空间电荷密度分布ρ为：
ni zie ni0zieexp(zie / kT )
i
i
(5-10)
扩散层中电位与电荷密度关系：
d 2
dx2
1
i
ni0 zie exp(zie / kT )
(5-11)
度质有(ddx关式) 。中的ε变化为与水该的层介中电空常间数电，荷式密5-度11成表正明比扩，散并双与电水层的中介电电场性强
胶体的憎水、亲水性
憎水胶体，包括水中的粘土、无机混凝剂形成的胶体。 亲水胶体，包括有机物质，蛋白质、淀粉及胶质。亲水胶 体靠特有的极性基团吸附水分子，如100g淀粉含有0.62mol极 性基团，可吸附0.44mol水(7.9g)。 亲水胶体吸水自动分散成胶体溶液，脱水可恢复原状(可 逆胶体)；憎水胶体则不具备此性质(不可逆胶体)。
巨大的 吸附能力
吸附 大量离子
憎水胶体的双电层结构讨论
1.颗粒表面电荷的产生 2. Gouy-Ghapman扩散双电层理论 3. Stern-Grahame吸附层 4.憎水胶体的稳定及脱稳 5.ζ电势
4
1. 颗粒表面电荷的产生
在一般的水质中，粘土、细菌、病毒等带负电荷。氢氧化 铝或氢氧化铁微晶体带正电荷。