第二章 水处理反应器理论解读
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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
水质工程学_章北平_水的处理方法概论
A．对比
B.设计
C.校核
D.调整
4.在寒冷地区，水处理构筑物应有防冻措施。当采暖时，室内温度可按（ ）
℃ 设计。
A．3
B.5
C.8
D.10
5.在寒冷地区，水处理构筑物应有防冻措施。当采暖时，加药间、检验室和值班
室等的室内温度可按（
）℃设计。
A．10
B.12
C.15
D.20
三.名词解释 1.间歇反应器 2.活塞流反应器 3.恒流搅拌反应器 4.厌氧处理 5.返混 6.浮选 7..离子交换 8.停留时间分布函数 四．简答题 1.化学工程反应器和水处理反应器有什么区别？并举例具体说明。 2.试述反应器理论在水处理中的应用？ 3.如何选择合适的水处理流程？ 4.给水处理有哪些基本的方法？典型地表水工艺处理流程是什么？ 5.污水处理有哪些基本的方法？典型的城市污水处理工艺流程是什么？ 6.南方某城市以一湖泊为水源，水中藻类在 4-7 月份比较高，一般达到 106-7个/L， 有时产生难闻的土腥味。对于此种类型的地表水，你认为采用哪些处理方法比较 合理？并说明理由。（哈工大）
术经济比较综合研究确定。
A．工艺流程 B.仪器设备 C.技术参数 D.规模
2. 水处理构筑物的生产能力，应按最高日供水量加自用水量确定，必要时还应
包括（ ）补充水量。
A．浇洒绿地 B. 消防
C. 未预见 D.管道漏失
3. 水处理构筑物的设计，应按原水水质最不利情况（如沙峰等）时，所需供水
量进行（ ）。
a) 反应器的概念被引入到水处理工程中。但是在水处理中的过程有些与化 工过程相似，也有些则完全不同，因此对化学工程过程反应器的概念应 加以拓展，水处理反应器不仅包括发生化学反应和生物化学反应的设备， 也包括发生物理过程的设备。
《环境工程学》第二章 水的物理化学处理方法 (2)
气浮法缺点：
电耗较大，设备的维修与管理工作量增加，减压阀、释 放器、射流器等易被堵塞。 受天气条件影响大，浮渣怕较大风雨的袭击。
（一）混凝过程的理论基础
1、胶体的稳定性和胶体结构
双电层理论：Stern于1924年提出
• 胶核：由不溶于水的分散相物质分子组成
• 电位离子 • 反离子层
双电层
• 固定层（反离子吸附层+电位离子）
• 扩散层
2、胶体的脱稳
不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。 根据4位学者的DLVO理论，脱稳机理可归结为以下四种： • 压缩双电层：投加电解质，降低电动电位，缩小扩散层厚度； • 吸附电中和作用：中和部分或全部电荷，减小静电斥力； • 吸附架桥作用 • 网捕作用：金属离子水解和聚合，形成氢氧化物胶体状沉淀物。
第二章 水的物理化学处理方法
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
一、沉淀
各种沉淀池的比较
机械
根据不同废水的性质以及沉淀池的形式，可参考以下设计参数：
沉淀池的设计参数
二、混凝
去除对象：自然沉降法不能去除的悬浮微粒及胶体污染物。 混凝包括两个步骤：P115
• 凝聚：使胶体脱稳并聚集为微絮粒； • 絮凝：微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体。
根据泥渣与水的接触方式，可分为两大类： • 泥渣循环分离型：机械加速澄清池，水力循环澄清池； • 悬浮泥渣过滤型：普通悬浮澄清池，脉冲澄清池；
（一）机械加速澄清池
五个主要组成部分： 一次混合反应区；二次混合反应区；导流筒；分离室；泥渣浓缩区
配水槽
优点：效率较高，运行比较稳定，对原水水质和水量的变化适应性较强，操作较方便。
滤料越小，沉降面积越大；滤速越小，水流越平稳；均利于 沉降；
电耗较大，设备的维修与管理工作量增加，减压阀、释 放器、射流器等易被堵塞。 受天气条件影响大，浮渣怕较大风雨的袭击。
（一）混凝过程的理论基础
1、胶体的稳定性和胶体结构
双电层理论：Stern于1924年提出
• 胶核：由不溶于水的分散相物质分子组成
• 电位离子 • 反离子层
双电层
• 固定层（反离子吸附层+电位离子）
• 扩散层
2、胶体的脱稳
不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。 根据4位学者的DLVO理论，脱稳机理可归结为以下四种： • 压缩双电层：投加电解质，降低电动电位，缩小扩散层厚度； • 吸附电中和作用：中和部分或全部电荷，减小静电斥力； • 吸附架桥作用 • 网捕作用：金属离子水解和聚合，形成氢氧化物胶体状沉淀物。
第二章 水的物理化学处理方法
第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除
一、沉淀
各种沉淀池的比较
机械
根据不同废水的性质以及沉淀池的形式，可参考以下设计参数：
沉淀池的设计参数
二、混凝
去除对象：自然沉降法不能去除的悬浮微粒及胶体污染物。 混凝包括两个步骤：P115
• 凝聚：使胶体脱稳并聚集为微絮粒； • 絮凝：微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体。
根据泥渣与水的接触方式，可分为两大类： • 泥渣循环分离型：机械加速澄清池，水力循环澄清池； • 悬浮泥渣过滤型：普通悬浮澄清池，脉冲澄清池；
（一）机械加速澄清池
五个主要组成部分： 一次混合反应区；二次混合反应区；导流筒；分离室；泥渣浓缩区
配水槽
优点：效率较高，运行比较稳定，对原水水质和水量的变化适应性较强，操作较方便。
滤料越小，沉降面积越大；滤速越小，水流越平稳；均利于 沉降；
第2章水的处理方法概论
No. 18
城市污水处理的典型流程
No. 19
No. 20
No. 21
No. 22
No. 23
No. 24
发展方向：
低耗高效处理技术：天然处理、厌 氧处理技术 深度处理与再生利用技术 污泥处理技术 传统污水系器
No. 14
2.3水处理工艺流程
一、给水处理的基本方法 二、废水处理的基本方法
No. 15
一、给水处理的基本方法
以地面水为水源
地 面 水 源 水
混 凝
沉 淀
过 滤
消 毒
饮 用 水
No. 16
以地下水作为水源
地下水源水
消 毒
饮用水
或根据水的特殊性质进行:除铁、除锰、 除硬、除盐等等
第2章 水的处理方法概论
2.1主要单元处理方法 2.2反应器的概念及其在水处理中的应用 2.3水处理工艺流程
No. 1
2.1主要单元处理方法
沉淀分离，离心分离，膜分离 物理法 过滤，吸附，磁分离 化学沉淀、电解 化学法 化学氧化 悬浮系统 好氧生物处理 固定系统 生物法 悬浮系统 厌氧生物处理 固定系统 缺氧生物处理 二级处理、深度处理 预处理、深度处理 一级处理、预处理、深度处理
2.2.2 浓度与扩散速度
浓度的概念 质量浓度\质量分数; 摩尔浓度\摩尔分数
No. 10
扩散速度的概念
在单位时间内单位面积上通过的物质的量
扩散过程的推动力是物质在界面的两侧的 浓度差。
No. 11
2.2.3 连续均相反应器
活塞流反应器 连续搅拌反应器
No. 12
活塞流反应器
No. 6
三级处理
在一级和二级处理后，进一步处理难降解的有 机物、磷和氮等能够导致水体富营养化等可溶 性无机物等
城市污水处理的典型流程
No. 19
No. 20
No. 21
No. 22
No. 23
No. 24
发展方向：
低耗高效处理技术：天然处理、厌 氧处理技术 深度处理与再生利用技术 污泥处理技术 传统污水系器
No. 14
2.3水处理工艺流程
一、给水处理的基本方法 二、废水处理的基本方法
No. 15
一、给水处理的基本方法
以地面水为水源
地 面 水 源 水
混 凝
沉 淀
过 滤
消 毒
饮 用 水
No. 16
以地下水作为水源
地下水源水
消 毒
饮用水
或根据水的特殊性质进行:除铁、除锰、 除硬、除盐等等
第2章 水的处理方法概论
2.1主要单元处理方法 2.2反应器的概念及其在水处理中的应用 2.3水处理工艺流程
No. 1
2.1主要单元处理方法
沉淀分离，离心分离，膜分离 物理法 过滤，吸附，磁分离 化学沉淀、电解 化学法 化学氧化 悬浮系统 好氧生物处理 固定系统 生物法 悬浮系统 厌氧生物处理 固定系统 缺氧生物处理 二级处理、深度处理 预处理、深度处理 一级处理、预处理、深度处理
2.2.2 浓度与扩散速度
浓度的概念 质量浓度\质量分数; 摩尔浓度\摩尔分数
No. 10
扩散速度的概念
在单位时间内单位面积上通过的物质的量
扩散过程的推动力是物质在界面的两侧的 浓度差。
No. 11
2.2.3 连续均相反应器
活塞流反应器 连续搅拌反应器
No. 12
活塞流反应器
No. 6
三级处理
在一级和二级处理后，进一步处理难降解的有 机物、磷和氮等能够导致水体富营养化等可溶 性无机物等
第2章水处理讲解
碳酸饮料加工技术
⑤色素 由于消费者需要饮料外观应与原果或植物 色调相似，因而需要使用各种着色剂，以吸引消费者。 碳酸饮料中使用的色素（着色剂）分两类天然色素人 工合成色素。
⑥香精 香精在饮料中是不可缺少的。由于各种香 精的溶解度与使用量有关，使用过量时，会造成不透 明以及香味过重的现象，因此每使用新规格的香精， 必须先经过试制，然后方可投产。
③ 甜味料 增加饮料的甜度为目的。
碳酸饮料加工技术
④果汁 许多果汁被广泛用于碳酸饮料中，如柑 桔汁、苹果汁、沙棘汁、桦树汁。（最近人们开发出 松针汁），无论榨取何种果汁，必须榨出的果汁立即 进行瞬时巴氏杀菌，目的是破坏其中果胶酶的活性。 否则，果胶酶会破坏果汁中的果胶，使果汁浑浊。由 于果汁中大部分是水，如长途运输，浪费了包装及运 费。为此，一般可将果汁制成浓缩果汁；采用真空浓 缩法；可浓缩3—6倍，采用大罐包装，装罐后再经高 温杀菌处理。
山楂碳酸饮料加工实例一配方表26表26山楂碳酸饮料配方原材料白糖比例8330数量kg2500柠檬酸糖精苯甲酸钠山楂油胭脂红山楂汁co010800120013005000000508003253751500155417二工艺流程一次灌装法软饮水水处理脱气原料配料定量混合机水混合机带冷却的气压盖机二氧化碳融化过滤配料辅料成品检查空瓶洗净自动检瓶机成品三操作要点
二次灌装法是将配好的糖浆液先灌入瓶中后，再用 注水机将碳酸水注入瓶中。目前国内用的最普通、普 遍的是二次灌装工艺。
一般地，碳酸饮料生产车间主要工艺流程概括点
1.自来水首先通过电渗析机处理（也可用离子交换器或 反渗透方法，对水进行软化及除盐处理）。将水中的杂质 和溶解的固体物质大部分除去。除盐率约在90%左右。一般 自来水的含盐量约为350mg/l，处理后水中含盐约50mg/l左 右。
第2章水处理方法概论PPT课件
2.3.2 典型的污水处理流程 （1） 典型污水处理工艺流程； （2） 典型的焦化废水处理工艺流程； （3） 典型的洗浴废水处理工艺流程；
第4页/共5页
第5页/共5页
水处理工艺流程概论
．1 处理基本方法： 按原理可分为:
物理方法： 主要去除SS;方法;筛滤，反渗透,沉淀,气浮等 化学处理：方法:混凝,中和,吸附,离子交换等；主要去除:各种形态 的污染物 生物化学：主要通过微生物，分解溶解、或胶体状态的有机物。 生物作用： 有氧环境（好氧环境）的活性污泥法和生物膜氧化法 无氧环境（又称为厌氧）：主要用来处理污泥和工业废水 按处理程度来分类 一级处理（primary treatment）：去除 SS 为90% 以上 ，而BOD的去除率最大值为30%
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2.1.2 水的生物处理
水的生物处理是利用微生物具有氧化分解有机物的这 一功能，采取一定的人工措施，创造有利于微生物生长、繁 殖的环境，使其大量增殖以提高氧化分解有机物效率的一种 污水处理方法。
生物处理一般分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好 氧生物处理是指在有氧条件下进行生物处理，污染物最终被 氧化分解为C02和。厌氧生物处理 则在无氧的环境下，污染物最终被分解为CH4、CO2、H2S、 N2、H2和H2O以及有机酸和醇等。生物处理法因具有高效、 经济等优点$在城市污水和工业废水处理中得到广泛的应用。
第2页/共5页
2.3 典型的水处理工艺流程 2.3.1 典型的给水处理工艺流程 （1） 地表水常规处理工艺系统 （2） 典型的地表水处理流程； （3） 典型除污染给水处理流程； （4） 采用活性炭吸附除污染的水处理工艺系统； （5） 臭氧－活性炭水处理工艺系统； （6） 高锰酸钾除污染工艺系统。
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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。
现代水处理原理与技术(1、2章)
Monod方程
max
Cs K s Cs
(1) 当限制性基质浓度很低时，Cs＜＜ Ks
此时，
max
Ks
Ks
Cs
rx
max
C sC x
max
(2) 当Cs＞＞Ks时，μ =μ 此时，
rx maxC x
(3) 当Cs处于两种情况之间时，
rx
max C s
K s Cs
碳源--异氧型微生物利用有机碳源，自氧菌利用无机碳源。 氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。 补充氮，磷，钾 ： 与生活污水混合 添加药剂：硫酸铵，硝酸铵，尿素（补充氮源）； 磷酸钠、磷酸钾等 （补充磷源）
1.2 微生物的生长规律和生长环境
二、微生物的生长环境
1、较高的催化效率 2、有很强的专一性 3、具有温和的反应条件 4、酶易变性与失活
三、底物浓度对酶反应速度的影响
一切生化反应都是在酶催化下进行的。这种反应宜可以说是一种酶促 反应或酶反应。酶促反应速度受酶浓度、底物浓度、pH值、温度、反应产 物、活化剂和抑制剂等因素的影响。 中间产物学说
式中，S代表底物，E代表酶， ES代表酶-底物中间产物，P代 表产物。
五、Km与Vmax的意义及测定
Km与Vmax的测定
1.4 微生物生长动力学
一、细胞反应速率的定义
二、莫诺特（ Monod ）方程
三、微生物生长与底物降解的基本关系式
一、细胞反应速率的定义
微生物比增长速率μ 的提出
当微生物生长不受外界条件限制（对数增长期）时，
μ 表示每单位微生物的增长速度
一、细胞反应速率的定义
第二章 水处理反应器理论解读
（二） 水的生物处理方法
好氧处理和厌氧处理
混凝：凝聚和絮凝，投加化学药剂，使悬浮固体 和胶体凝聚成易于沉淀的絮凝体。
沉淀和澄清：通过重力作用，使悬浮颗粒、絮凝 体分离。 浮选：利用固体或液滴与液体的密度差，实现分 离。
过滤：固液混合物通过多孔材料，截留固体使液 体通过。
膜分离：利用膜的孔径或半渗透的性质实现物质的分离。
ciq i c2 q 2 w
三、调节池形式
1．水泵强制循环 不需要安装特殊设备，简单易行，混合完全，但动力费 用高，运行费用高。（可以用提升泵作为回流泵） 2．空气搅拌 混合完全，有预曝气作用，但有害物质和有害气体随曝 气进入大气。（可利用曝气池的鼓风机引入空气管） 3．机械搅拌 混合较好，运行费用低，但易腐蚀需维护。（需增加搅 拌设备，水量多，需要设备数量也多。适合于小水量情况） 4.穿孔倒流槽水质调节（现已不用） 只能调节水质，不能调节水量。
消毒投加 排放或三级处理
消化气利用
污泥利用 污泥浓缩池 图10 活性污泥法典型工艺流程图 污泥消化池 脱水与干燥设备
3.三级处理工艺系统 1）混凝、澄清过滤系统
Al2(SO4)3 cl2 二级处理水
混合
絮凝
沉淀（澄清、气浮）
过滤
清水池
用水对象
2）直接过滤系统
Al2(SO4)3 cl2
二级处理水
砂滤
混凝剂
混 合 装 置
絮 凝 池
沉 淀 池
过 滤 池
颗 粒 活 性 炭 滤 池
清 水 池
投
出 水
图6 高锰酸钾除污染工艺系统
受 污 染 水 源 水
生 物 处 理 构 筑 物
混 合 装 置
混凝剂
好氧处理和厌氧处理
混凝：凝聚和絮凝，投加化学药剂，使悬浮固体 和胶体凝聚成易于沉淀的絮凝体。
沉淀和澄清：通过重力作用，使悬浮颗粒、絮凝 体分离。 浮选：利用固体或液滴与液体的密度差，实现分 离。
过滤：固液混合物通过多孔材料，截留固体使液 体通过。
膜分离：利用膜的孔径或半渗透的性质实现物质的分离。
ciq i c2 q 2 w
三、调节池形式
1．水泵强制循环 不需要安装特殊设备，简单易行，混合完全，但动力费 用高，运行费用高。（可以用提升泵作为回流泵） 2．空气搅拌 混合完全，有预曝气作用，但有害物质和有害气体随曝 气进入大气。（可利用曝气池的鼓风机引入空气管） 3．机械搅拌 混合较好，运行费用低，但易腐蚀需维护。（需增加搅 拌设备，水量多，需要设备数量也多。适合于小水量情况） 4.穿孔倒流槽水质调节（现已不用） 只能调节水质，不能调节水量。
消毒投加 排放或三级处理
消化气利用
污泥利用 污泥浓缩池 图10 活性污泥法典型工艺流程图 污泥消化池 脱水与干燥设备
3.三级处理工艺系统 1）混凝、澄清过滤系统
Al2(SO4)3 cl2 二级处理水
混合
絮凝
沉淀（澄清、气浮）
过滤
清水池
用水对象
2）直接过滤系统
Al2(SO4)3 cl2
二级处理水
砂滤
混凝剂
混 合 装 置
絮 凝 池
沉 淀 池
过 滤 池
颗 粒 活 性 炭 滤 池
清 水 池
投
出 水
图6 高锰酸钾除污染工艺系统
受 污 染 水 源 水
生 物 处 理 构 筑 物
混 合 装 置
混凝剂
反应器PPT课件
此类反应器需有投料和卸料的时间，通 常用于实验室实验或少量水处理中。
精品课件
10
物料衡算式为：
dCi dt
r(Ci )
t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：
t
ccoi
dCi r (Ci )
设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则
t
ccoi
dCi kCi
1 C0 k lnCi
精品课件
11
理想反应 器分类
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
完全混合，间歇操作，封闭系统
完全混合连续式反应器（CSTR型,continous flow stirred tank reactor） 完全混合，连续操作，不封闭系统
推流式反应器（PF型，plug flow reactor）
推流式，连续操作，不封闭系统
精品课件
9
完全混合间歇式反应器（CMB型，completely mixed batch）
• 投入反应物，均匀混合，并发生反应， 达到预期反应程度后，排出反应物
特征： 1.反应过程中为封闭系统，无物质输入输 出。 2.反应器中反应物浓度随时间是变化的， 但任一时刻t，反应器中浓度认为是均 匀的。
精品课件
12
完全混合连续式反应器（CSTR型，continous flow stirred tank reactor ）
反应物连续输入，一进入反应器即与 反应器内的物料快速混合均匀（瞬间 ）。反应器内物料连续流出，且出水 中反应物浓度与反应器内各点处反应 物浓度相同。
• 特征： • 1.连续流入，连续流出； • 2.反应器内各点反应物浓度相同，且
Cn 0.01,n 2,k 0.92 C0
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
【精品】2第二章 反应器教学精品课件
`
①，速率公式，是通过实验求得的一种表达式；
②， α和β 一定和化学计量式（14－2）的系数x 和y相同。
③，(α ＋ β )值可以为零、一、二等，分别称零 级、一级和二级反应，三极反应极少。（大于 三级反应的至今未发现。）
（化学反应是由分子碰撞而引起的。分子碰撞 导致电子转移或原子的重新排列组合，于是引 起反应物的消失以及生成物的形成。）
当稳定时d，Ci dt
0,即Ci不随时间变化。
`
上式可简化为：
v dCi dx
r(Ci )
当：x=0时，Ci=C0
x=x时，Ci=Ci
变换上式 dx dC i
v
r (C i)
积分
x dx C i dC i
0v
C0 r (C i)
t x C i dC i
v
C0 r (C i)
`
四、非理想反应器（实际反应器）
r (Ci) =－k Ci2 代入上式：
tC C 0 i d kC iC i21 k C 1 i C 1 0
`
应用： CMB反应器常用于实验室实验或少量的水处理。
例题：某水样采用 CMB反应器进行氯消毒实验， 假定投氯量一定，经试验知：细菌被灭活速率为一 级反应，且k＝0.92min－1，求细菌被灭活99％时， 所需时间为多少?
在静止或作层流运动的液体中如果某物料组分i分布不均匀即存在浓度梯度由于分子无规则运动高浓度区内的i组分总是向低浓度区迁移最终趋于均匀分布状态使浓度梯度消失
2第二章 反应器
基本概念
1、反应器：工程工艺设备中，发生化学反应的容器称为 反应器。 2、反应器中的过程： 包括：化学过程：化学反应
物理过程：传递 (传质) ，温度压力等因素过程。 3、反应工程：研究反应器有关问题的学科称为反应工程。 4、水处理反应器特点：含义较广。水处理设备与池子都 作为反应器来进行分析研究，包括化学反应；物理化学 过程；生物化学反应；纯物理过程等。 如：水的氯化消毒池，除铁、除锰滤池、生物滤池、絮 凝池、沉淀池等。一段河流自净过程等，都可应用反应 器原理和方法进行分析、研究。
第2章水的处理方法概论
水质工程学
第 2 章 水的处理方法概论
化工生产中的反应器是多种多样的。按反应器内物料的形态可以分为均相反应器 (homogermusreactor)及多相反应器(heterogeneousreactor)。均相反应器的特点是反应 只在一个相内进行，通常在一种气体或液体内进行。当反应器内必需有两相以上才能进行 反应时，则称为多相反应器。 按 反 应 器 的 操 作 情 况 可 以 分 为 间 歇 式 反 应 器 (batchreactor) 和 连 续 流 式 反 应 器 (continuousflowreactor)两大类。间歇反应器是按反应物“一罐一罐地”进行反应的， 反应完成卸料后，再进行下一批的生产，这是一种完全混合式的反应器。当进料与出料都 是连续不断地进行时， 这类反应器则称为连续反应器。 连续反应器是一种稳定流的反应器。 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(plugnowmactor)和 恒流搅拌反应器(CFSTR,constantflowstirrdtankreactor)。后者属于完全混合式的反应 器。 为了有利于反应，反应器还具有其他的操作类型，如流化床反应器、滴洒床反应器 等。 1.间歇式反应器 间歇反应器是在非稳态条件下操作的，所有物料一次加进去，反应结束以后物料同 时放出来，所有物料反应的时间是相同的；反应物浓度随时间而变化，因此化学反应速 度也随时间而变化；但是反应器内的成分却永远是均匀的。 这是最早的一种反应器，和实验室里所用的烧瓶在本质上没有差别，对于小批量生 产的单一液相反应较为适宜。 2.活塞流反应器 活塞流反应器通常用管段构成，因此也称管式反应器(tubularreactor),其特征是流 体是以列队形式通过反应器，液体元素在流动的方向决无混合现象(但在垂直流动的方向 上可能有混合)。构成活塞流反应器的必要且充分的条件是：反应器中每一流体元素的停 留时间都是相等的。由于管内水流较接近于这种理想状态，所以常用管子构成这种反应 器，反应时间是管长的函数，反应物的浓度、反应速度沿管长而有变化;但是沿管长各点 上反应物浓度、反应速度有一个确定不变的值,不随时间而变化。在间歇式反应器中,最 快的反应速度是在操作过程中的某一个时刻;而在活塞流反应器中,最快的反应速度是在 管长中的某一点。 随着化工生产越来越趋向于大型化、连续化,连续操作的活塞流反应器在生产中使用 得越来越多。
《水处理反应器理论》课件
使用建模和仿真工具预 测反应器的性能和效果。
利用模型和仿真结果优 化水处理反应器的设计 和操作参数。
水处理反应器的经济学
讨论水处理反应器建设、运营和维护的经济成本和效益。
总结与展望
结合已有研究成果，总结水处理反应器的关键问题和未来研究方向。
3 批量与连续反应器
比较批量反应的设计
设计要素
详细讨论设计水处理反应器所需考虑的因素。
流体化床反应器的设计
介绍设计用于水处理的流体化床反应器的原理和技术。
膜反应器的设计
探讨设计用于水处理的膜反应器的方法和应用。
反应器动力学与机理
1
反应机理
2
探索反应器中涉及的化学反应机理和
生物反应器在水处理中的应用
生物处理污水
详细介绍使用生物反应器处理 污水的工艺和方法。
湿地处理
探讨利用湿地生态系统进行水 处理的原理和应用。
藻类生物反应器
介绍利用藻类进行水处理的环 保技术。
化学氧化在水处理中的应用
1
氧化剂选择
比较各种常用氧化剂在水处理中的应用和效果。
2
氧化过程
探讨氧化过程中发生的化学反应和效果。
3
氧化降解
详细讨论氧化过程中有机物的降解和去除。
物理处理在水处理中的应用
1 沉淀
2 过滤
3 吸附
使用沉淀剂将悬浮固体 从水中去除。
利用滤料将悬浮物和颗 粒物从水中筛除。
通过吸附剂将溶解物和 污染物从水中吸附去除。
水处理反应器的建模与仿真
1 反应器模型
2 反应器效果预测
3 优化设计
介绍建立水处理反应器 的数学模型和仿真方法。
《水处理反应器理论》 PPT课件
第二章反应器理论概要
活性污泥生物处理动力学Biological Treatment Kinetics of Activated Sludge ProcessProf. Huang Yong, Ph.D.环境科学与工程系环境工程教研室第二章反应器理论概要活性污泥生物处理动力学Biological Treatment Kinetics of Activated Sludge Process ®Prof. Y.Huang 苏州科技学院环境科学与工程系反应器的类型z 化学反应器可分为均相反应器(homogeneous reactor) 多相反应器(heterogeneous reactor)两个主要类型z 均相反应器—反应只在一个相(液相或气相)内进行z 多相反应器—反应器内必须有两相以上才能进行反应z 生物处理中的反应器一般按均相反应器理论进行讨论研究活性污泥生物处理动力学Biological Treatment Kinetics of Activated Sludge Process ®Prof. Y.Huang 苏州科技学院环境科学与工程系反应器的类型z 按反应器的运行方式可分为间歇式反应器(也称批量反应器，batch reactor) 连续流反应器(continuous flow reactor) 两大类z 间歇反应器—z 操作：充满待反应物料后，在控制条件下反应；反应完成后卸料；重新装入物料后再进行反应；…z 特点：在非稳态下运行，反应器内成分随时间变化浓度(反应器内)时间反应物产物活性污泥生物处理动力学Biological Treatment Kinetics of Activated Sludge Process®Prof. Y.Huang 苏州科技学院环境科学与工程系反应器的类型z 按反应器的运行方式可分为间歇式反应器(也称批量反应器，batch reactor) 连续流反应器(continuous flow reactor) 两大类z 连续流反应器—z 操作：进料与出料连续不断进行，反应器容积保持不变z 特点：反应可以控制在稳态(steady state )条件下进行时间浓度(出料)反应物产物活性污泥生物处理动力学Biological Treatment Kinetics of Activated Sludge Process®Prof. Y.Huang 苏州科技学院环境科学与工程系思考题z将浓度为S 0的反应物加入批量反应器，控制环境条件开始反应，至足够的时间后，其浓度稳定在S 1：将相同浓度S 0的该反应物以恒定的流量Q加入体积为V的连续流反应器中，控制相同的环境条件，至一定时间后，反应器出流中的反应物浓度可稳定在S 2。
水处理反应器
反应单元
带入
反应热 累积
带出
传给环境
反应器
反应单元
带入量
0 √ √ √
带出量
0 √ √ √
反应热
√ √ √ √
累积量
√ 0 0 √
间歇式 平推流(稳态)
整个反应器 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器 非稳态
反应器设计的基本方程
第一节 流动模型概述
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。
第一节 流动模型概述
• 全混流反应器
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连 续 搅 拌 槽 式 反 应 器 或 理 想 混 合 反 应 器
This reactor essentially comprises a tank equipped with a stirring system, a feed pipe and a withdrawal pipe. It is assumed that, at any point of such a unit, the intensive variables, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal to remove the reaction mixture containing the reaction products.
二. 基本公式：
带入
反应热 累积
带出
传给环境
反应器
反应单元
带入量
0 √ √ √
带出量
0 √ √ √
反应热
√ √ √ √
累积量
√ 0 0 √
间歇式 平推流(稳态)
整个反应器 微元长度
全混釜(稳态) 整个反应器 非稳态
反应器设计的基本方程
第一节 流动模型概述
动量衡算方程
气相流动反应器的压降大 时，需要考虑压降对反应 的影响，需进行动量衡算。 但有时为了简化计算，常 采用估算法。
第一节 流动模型概述
• 全混流反应器
Continued Stirred Tank Reactor (CSTR)
连 续 搅 拌 槽 式 反 应 器 或 理 想 混 合 反 应 器
This reactor essentially comprises a tank equipped with a stirring system, a feed pipe and a withdrawal pipe. It is assumed that, at any point of such a unit, the intensive variables, such as concentrations and temperature, have the same value. The same unit is also provided with continuous reactant feed and continuous withdrawal to remove the reaction mixture containing the reaction products.
二. 基本公式：
水处理反应器的设计和优化研究
水处理反应器的设计和优化研究水是生命之源，对于人类和其他生物的生存至关重要。
但是，现代社会中人类活动产生的废水和污染物也给自然环境带来了很大压力。
因此，对于水的处理和再利用变得越来越迫切。
目前，水处理技术已经得到了极大的改进，其中之一就是水处理反应器。
水处理反应器可以通过物理、化学和生物等方法，将废水和污染物净化后排放到环境中。
本文将围绕水处理反应器的设计和优化进行研究。
首先，我们可以从反应器的分类和原理开始介绍。
一、反应器的分类和原理根据反应器使用的原理，反应器可以分为三种类型：物理反应器、化学反应器和生物反应器。
1. 物理反应器物理反应器使用物理方法来去除污染物，例如物理吸附、膜过滤和电化学氧化等。
其中，物理吸附就是通过吸附剂对目标污染物进行吸附，从而去除污染物。
膜过滤则是通过特定的膜材料将水中的杂质过滤掉，使纯净水流过膜。
电化学氧化则是在直流电场的作用下，通过氧化和还原反应将有机物质降解为简单的无机物质。
2. 化学反应器化学反应器使用化学方法来去除污染物。
例如，化学沉淀是将污染物和沉淀剂混合后，使其凝聚沉淀，从而达到去除污染物的目的。
化学氧化则是利用化学氧化剂将有机物质氧化成无机物质，然后再沉淀和去除。
化学反应器适用于处理难以通过物理方法去除的污染物。
3. 生物反应器生物反应器使用微生物去除污染物。
它可以分为传统生物反应器和膜生物反应器两种类型。
传统生物反应器是将微生物培养在反应器中，通过微生物代谢和生长去除污染物。
膜生物反应器则是将微生物固定在膜上，并将其分离成污水处理室和微生物代谢室，以增加微生物的生长速度和处理效率。
生物反应器可以去除大量的有机物质和氮、磷等营养物质。
了解了不同类型的反应器，我们可以进一步研究其性能和优化方法。
二、反应器的性能和优化方法反应器的性能主要取决于反应器的体积、处理能力、稳定性和可操作性。
反应器的优化则是通过合理的设计和控制，提高反应器的处理效率和水质输出。
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第三节 污水的均化
工业企业的污水量一日内多变， 24小时的流量 不同，污水处理流程要求水量水质不变，需均化 调节。
? 水质均和 －水量负荷不变，水质变化，以水质变 化为曲线，求体积，需要搅拌设施。
? 水量调节 －水质负荷不变，水量变化，以水量变 化为曲线，设计池体积，不需要搅拌。
积 累
600
400
200
0
0
6
12
18
24
时间/h
调节池的最小容积： V=V-+V+
式中：V- ，V+分别为最大负偏差和最大正偏差
二、容积计算
1．排放的水质水量具有周期性变化 t=n 时
（1）池容积
（2）出水浓度
t
w ? ? qi i? 1
t
? C m ? ciq i/w i? 1
qi－均和周期逐时变化流量 。
第二章 反应器理论基础与污水 的均化
第一节 反应器理论基础 第二节 反应效率比较 第三节 污水的均化
第一节 反应器理论基础
一、 反应器分类 按反应器内物料的形态可以分为 均相反应
器和多相反应器。 按反应器的操作情况分为间歇式反应器和
连续式反应器。连续反应器可分为活塞流反应 器和恒流搅拌反应器。
1、间歇式反应器（ CMB）：
通常把反应器的容积 V除以流量Q所得的值称为停留 时间，也称 平均停留时间 。
停留时间分布函数 E（t）：测定出口物料里示踪物 的浓度随时间的变化。
各种反应器停留时间分布函数
E(t)
E(t)
τ
t
间歇式反应器
τ
t
活塞流反应器
间歇式反应器物料的停留时间是完全一样的。
活塞流反应器物料在反应器内的停留时间是管 长的函数，物料的停留时间完全一样。
间歇式反应器
非稳态条件下操作，物料一次投加，反应结 束后同时释放出来，所有物料的反应时间相 同；反应器内成分均匀。
活塞流反应器
2、活塞流反应器（推流式 PF型）：
流体以队列形式通过反应器，液体元素在流 动方向上无混合现象，反应器中每一流体元素 的停留时间都是相等的。反应时间、反应物浓 度、反应速率都是管长的函数。
计算，即
式中
xA
?
(cA0 ? cA)V cA0V
?
cA0 ? cA cA0
xA —转化率；
V —反应前后的总体积；
cA0 —t=0时A的浓度； cA —t=t时A的浓度。
2、 去除率
在水处理中，去除率即为每批反应处理的时间内 单位时间污染物的去除量。
去除率（R）=
每批去除的污染物量
每批处理所需停留时间+每批处理所需 停工时间
（二） 水的生物处理方法
好氧处理和厌氧处理
?混凝：凝聚和絮凝，投加化学药剂，使悬浮固体 和胶体凝聚成易于沉淀的絮凝体。
?沉淀和澄清：通过重力作用，使悬浮颗粒、絮凝 体分离。
?浮选：利用固体或液滴与液体的密度差，实现分 离。
?过滤：固液混合物通过多孔材料，截留固体使液 体通过。
?膜分离：利用膜的孔径或半渗透的性质实现物质的分离。 ?吸附：在水处理中指固相材料浸没在液相或气相中，液相 或气相物质附着在固相表面的传质现象。 ?离子交换：固着在基团上的正负离子和基团所接触的液体 中的同符号离子的过程。
?中和：调节pH值。
?氧化还原：改变金属或化合物的状态，使溶解或无毒。
水的生物处理方法：
好氧处理： 厌氧处理：又称为消化
第二节 反应效率比较
一、 去除百分数与去除率
1、 转化率（去除百分数）
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
混合完全，有预曝气作用，但有害物质和有害气体随曝 气进入大气。（可利用曝气池的鼓风机引入空气管） 3．机械搅拌
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
反应器
软化 加氯 污泥反应器 生物滤池 化学澄清 活性污泥
期望的反应器设计
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
四、 主要元处理方法
（一）水的物理化学处理方法
混凝、沉淀和澄清、浮选、过滤、膜分离、吸附、 离子交换、中和、氧化还原
? 水质水量均和调节 －水质水量都变化，需综合考 虑。
一、 污水的均量
流量日变化曲线：把一日之内逐时的瞬时流量与时间的变 化规律绘成曲线，即流量日变化曲线。
累计进水量曲线：以累计水量为纵坐标，以时间为横坐标， 可按流量日变化曲线做出累计进水量曲线。
1600
1400
3/m
1200 1000
量
水 800
c－对应q的污染
2．污水流量变化不是周期性，采用试算法。
（1）池容积
w ? q ?T
q－平均污水量 T－水量变化时间总和
（2）出水浓度
Cm
?
ciq i ? c2 q 2 ? ? w
三、调节池形式
1．水泵强制循环 不需要安装特殊设备，简单易行，混合完全，但动力费
用高，运行费用高。（可以用提升泵作为回流泵） 2．空气搅拌
E(t)
E(t)
τ
t
恒流搅拌反应器
恒流搅拌反τ应器串联 t
理想恒流搅拌反应器停留时间分布函数： E（t）?
1
e
?
t
?
?
N个恒流搅拌反应器串联停留时间分布函数：
E（t）?
1
1（
t
）N -1e?
t
?
（N -1）！? ?
各种典型反应器的比较
间歇式反应 器
操作特点 间歇
反应器的 反应物浓度、
特点
反应速度不随
3、恒流搅拌反应器（ CSTR型）：
恒流搅拌反应器
物料不断进出，连续流动，反应器内各点的浓 度完全均匀，反应速度也是完全均匀的。
4、恒流搅拌反应器串联
将若干个恒流搅拌反应器串联 起来，或者在一个塔式或管式 反应器内分若干个级，级内充 分混合，级间不混合。
恒流搅拌反应器串联
二、 物料在反应器内的停留时间和停留时间分布
位置而变
反应物浓度、 反应速度随时 间而变
反应物的停留 时间完全一样
活塞流反应 恒流搅拌反 恒流搅拌反
器
应器
应器串联
连续
连续
连续
反应物浓度、 反应物浓度、
反应速度是位 反映速度是确
置的函数
定的数值不随
位置而变
各级之间的浓 度和反应速度 可以不相同
反应物浓度、 反应物浓度、
反应速度不随 反应速度不随
时间而变
时间而变
每一级反应器 内的反应物浓 度和反应速度 不随时间位置 而变
停留时间是位 停留时间由 停留时间相对
置的函数
0→∞都有可能 的比较集中在
平均停留时间
附近
三、 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1 水处理中的常见反应器
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