第3章 水处理方法概论

第3章水处理方法概论本章提要：简介反应器的概念、基本理论，水的物理化学处理方法与生物处理方法。

水处理的许多单元过程是由化学工程演化而来的，其反应器理论的应用要求采用高效低耗的水处理方法，寻求占地少、维护管理方便、处理水质稳定的工艺。

水处理工艺一般由若干基本单元过程组成。

通常将几种基本单元过程互相配合，形成水处理工艺，称为水处理工艺流程。

确定水处理工艺的基本出发点是较低的成本、运行安全稳定，出水满足要求。

本章重点：反应器的基本理论，水的物理化学处理方法与生物处理方法。

本章难点：反应器的概念与基本理论。

水处理是指通过改变水中杂质组成来提高水的质量。

它可以是去除水中某些杂质的过程，如以去除原水中的泥砂胶体杂质为目的的城市给水处理，以去除废水中有机物为目的的工业废水处理等；或者是在水中增加某些化学成分，如向饮用水中添加人类需要的矿物质；或者改变水的某些理化性质，如调节水的酸碱度。

水处理工艺一般由若干基本单元过程组成。

每个单元过程所采用的技术方法可能多种多样，主要包括物理化学方法和生物方法两大类。

3.1 主要单元处理方法3.1.1 水的物理化学处理方法水的物理、化学和物理化学处理方法种类较多，主要有混凝、沉淀与澄清、过滤与气浮、膜分离、吸附、离子交换、氧化与还原、消毒等。

（1）混凝通过投加水处理药剂，使水中的悬浮固体和胶体聚集成易于沉淀的絮凝体。

混凝包括凝聚和絮凝过程。

（2）沉淀和澄清通过重力作用，使水中的悬浮颗粒、絮凝体等固体物质被分离去除。

若向水中投加适当的化学药剂，它们与水中待去除的离子交换或化合，生成难溶化合物沉淀，则称为化学沉淀，可以用于去除某些溶解盐类物质。

（3）气浮利用固体或液滴与它们在水中的密度差，实现固液或液液分离的方法。

（4）过滤使固－液混合物通过多孔介质，截留固体并使液体（滤液）通过的分离过程。

（5）膜分离利用膜的孔径或半渗透性质实现物质的分离过程。

按分离的物质尺度大小，膜分离可以分为微滤、超滤、纳滤和反渗透。

（6）吸附当两相构成一个体系时，其组成在两相界面与相内部是不同的，处在两相界面处的成分产生了积蓄，这种现象称为吸附。

水处理过程通常是指固相材料浸没在液相或气相中，液相或气相物质固着到固相表面的传质现象。

（7）中和是指把水的pH调整到接近中性或是调整到平衡pH值的过程。

（8）离子交换在分子结构上，参与离子交换的物质是具有可交换的酸性或碱性基团的不溶颗粒物质，固着在这些基团上的正、负离子能与基团所接触的液体中的同号离子进行交换而对物质的物理外观无明显的改变，不会引起变质或增溶作用，这一过程称为离子交换，它可改变所处理液体的离子成分，但不改变交换前液体中离子的总当量数。

（9）氧化与还原通过化学反应用来改变某些金属或化合物的状态，使它们变成不溶解的或无毒的物质。

氧化还原反应广泛用于给水和工业废水中去除铁除锰、含氰或含铬的废水的去毒处理，有机物的降解等。

3.1.2 水的生物处理方法水的生物处理涉及的领域非常广阔。

在水处理中，细菌以水中的营养介质(称为底物，主要是有机污染物）为食料，通过细菌分泌的酶的催化作用与生物化学反应，细菌的代谢过程就是有机污染物的降解过程。

按生物对氧的需求不同，可将生物处理过程分为好氧处理和厌氧处理。

好氧处理指可生物降解的有机物质在有氧存在的环境下被微生物所降解的过程。

微生物为满足其能量代谢的要求而需氧，通过细胞分裂繁殖(活性物质合成)和内源呼吸(细胞物质自身氧化)而消耗自身的储藏物。

厌氧处理又称为消化，指在无氧条件下利用厌氧微生物的代谢活动，把有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。

3.2 水处理中的反应器水处理的许多单元过程是由化学工程演化而来的，因而化学工程中的反应器理论也常用于研究水处理单元过程的特性。

3.2.1 反应器的类型化工生产中，常有一个发生化学反应的核心单元，即发生化学反应的容器称为反应器。

按反应器内物料的形态可以分为均相反应器(homogeneous reactor)和多相反应器(heterogeneous reactor)。

把只在一个相内进行反应器，称为均相反应器，它通常在一种气体或液体内进行；而把发生在两相以上反应器，则称为多相反应器。

根据反应器的操作情况又可以分为连续流式反应器(continuous flow reactor)和间歇式反应器(batch reactor)两大类。

将连续进行进出料的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，即活塞流反应器(plug flow reactor)和恒流搅拌反应器(CFSTR，constant flow stirred tank reactor)，后者属于完全混合式反应器。

间歇反应器内反应物是按“一罐一罐”进行反应的，完成卸料后，再进行下一批的生产，是一种完全混合式的反应器。

此外，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，所有物料一次加入，反应结束以后将物料同时取出，所有物料反应时间相同；反应物浓度是随时间变化的，因而化学反应速度也随时间而变化；但反应器内的成分总是均匀的。

2. 活塞流反应器活塞流反应器通常由管段构成，也称管式反应器(tubular reactor)，其特征是流体总是以列队形式通过反应器，液体元素在流动的方向上无混合现象，但在垂直流动的方向上可能存在混合，构成活塞流反应器的充分必要的条件是：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、速度沿管长发生变化；但是沿管长各断面点上反应物浓度、反应速度是不随时间而变化的。

3. 恒流搅拌反应器恒流搅拌反应器也称为连续搅拌反应器（CCSTR，constant continous stirred tank reactor）,物料不断进出，连续流动。

其基本特征是，反应物得到了很好的搅拌，因此反应器内各点的浓度是均匀的，不随时间而变化的，因此反应速度是确定不变的；它必然设置搅拌器，当反应物进入后，立即被均匀分散到整个反应器容积内，从反应器连续流出的产物，其成分与反应器内的成分一样。

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的反应器内分若干个级，在级内是充分混合的，级间是不混合的。

其特点是既可以使反应过程有确定的反应速度，又可以分段控制反应，还可以使物料在反应器内的停留时间相对较集中；这种反应器它完全综合了活塞流反应器和恒流搅拌反应器的优点。

3.2.2 物料在反应器内的流动模型物料在反应器内的流动情况，可以分成基本上没有混合，基本上均匀混合，或是介于这两者之间等三种情况。

可以建立如下几种流动模型。

1. 理想混合流动模型在理想混合流动模型中，进入反应器的物料马上均匀分散在整个反应器中，反应器内浓度完全均匀一致。

2. 活塞流流动模型活塞流流动模型又可称为理想排挤模型，它是根据物料在管式反应器内高速流动情况提出来的一种流动模型，认为物料的断面速度分布完全是齐头并进的。

其特点是物料在管式反应器的各个断面上流速是均匀一致的；物料经过轴向一定距离所需要的时间完全一样，即物料在反应器内的停留时间是管长的函数。

3. 轴向扩散流动模型和多级串联流动模型在管式反应器里，有时流动情况介于活塞流和理想混合之间，对于这种类型的流动情况有数种流动模型，最常用的是活塞流叠加轴向扩散的流动模型和理想反应器多级串联流动模型。

活塞流叠加轴向扩散流动模型又简称轴向扩散流动模型，认为在流动体系中物料之所以偏离了活塞流，是因为在活塞流的主体上叠加了一个轴向扩散，这种流动模型见示意图3-1。

图中u 的方向是流体的流动方向，与u 相反的方向是轴向扩散方向。

u图3-1轴向扩散流动模型示意图轴向扩散的量，可以用类似分子扩散过程中的费克定律来表示，即XdcN D dx=- （3-1） 式中 N —— 单位时间、单位横截面积上轴向反混的量；X D —— 轴向扩散系数，负号表示扩散方向与物料流动方向相反；dcdx—— 轴向的浓度梯度。

轴向扩散流动模型的特点：它把物料在流动体系中流动情况偏离活塞流的程度，用轴向扩散系数X D 表示，知道了物料在该流动体系的轴向扩散系数X D ，物料的流动情况就可用偏微分方程表示，便于计算。

但是，它对于描述物料在反应器中的流动情况不够直观。

多级串联流动模型，是把一个连续操作的管式反应器看成是N 个理想混合的反应器串联的结果。

它用串联的级数N 来反映实际流动情况偏离活塞流或偏离理想反应器的程度。

它比较直观，停留时间分布可用以N 作参数的代数式表达，模型中表示流动特征的参数N 比较易由实验来决定。

用实验的方法得到模型中表示流动特征的参数D x 或N 。

可以推导出二者的关系如下XD LuN 2=（3-2） 式中 L —— 管长（m ）；u —— 流体的线速度（m/s ）；X D —— 轴向扩散系数（m 2/s ）；N —— 与管式反应器相当的串连级数。

3.2.3 物料在反应器内的停留时间与停留时间分布反应器的容积V 与流量Q 的的比值称为停留时间，它为平均停留时间。

生产实践中，在连续操作的反应器里，可能存在死角、短流等情况，除理想的活塞流反应器以外，在某一时刻进入反应器的物料所含的无数微元中，每一微元的停留时间都是不同的。

如果用一个函数E (t )来描述物料的停留时间分布情况，则该函数称为停留时间分布函数。

1. 间歇式反应器间歇操作反应器里物料的停留时间是完全相同的。

假若物料在反应器里的停留时间为τ，则停留时间小于或大于τ的物料分率都是0，停留时间等于τ的物料的分率为1，如图3-2所示。

2 活塞流反应器在活塞流管式反应器里，物料没有回混，物料在反应器内的停留时间是管长的函数，若物料的体积流量F 和反应器的体积V 一定，物料的停留时间完全一样，均为F V /=τ。

停留时间大于τ或小于τ的物料的分率均为0，停留时间等于τ的物料的分率为1。

物料的停留时间分布函数如图3-3所示。

如果用函数E （t ）来描述物料的停留时间分布情况，则该函数称为停留时间分布函数。

一般通过在流动体系的入口加入一定量的示踪剂，观测出口物料流里示踪剂浓度随时间的变化情况。

活塞流反应器只有在垂直于液体的流动方向上可能存在返混现象，在液体流动的方向上完全不存在混合现象，当然是理想模型。

水处理中实际是按活塞流的概念来设计平流沉淀池的。

物料在反应器中的停留时间是管长的函数，若物料的体积流量)(F 和反应器的体积)(V 一定，物料的停留时间完全一样，都是F V =τ。

停留时间大于或小于 的物料的分率都是0，停留时间等于τ的物料的分率为1。