给水第一章

《水污染控制工程1》授课教师：鲁金凤南开大学环境科学与工程学院2月3月4月5月6月4日混凝剂混凝动力学1日过滤理论过滤水力学滤料3日电渗析法反渗透11日影响混凝效果因素混合絮凝设施8日滤池反冲洗反冲配水系统6日水厂设计10日超滤纯水制备18日颗粒在静水中沉淀平流式沉淀池15日普通快滤池无阀滤池虹吸滤池13日水的软化17日总结25日水质标准水处理方法反应器原理25日斜板与斜管沉淀池澄清池22日氯消毒原理其他消毒方法20日离子交换软化方法与系统24日复习、答疑29日地下水除铁除锰活性炭吸附27日水的除盐与咸水淡化2008-2009学年第二学期教学日历0.1.水循环0.1.1.自然界的水循环0.1.水循环0.1.1.自然界的水循环0.绪论0.1.2水的社会循环建筑物给水管网污水处理厂给水处理厂雨水水的社会循环的工程表现形式排水管网给水工程排水工程取水构筑物一泵站二泵站滤池絮凝沉淀清水池水池泵站取水构筑物一泵站絮凝沉淀水池二泵站管网工业水管网分质给水系统给水工程系统的布置取水工程给水处理工程输配水工程水的社会循环对自然循环的不良影响自然循环社会循环平衡破坏给水处理取水平衡破坏污水处理排放水污染控制工程保障水的使用功能、实现水的良性社会循环水量水质恶化第一讲主要内容：1.1水源与水质（水污染控制工程的研究对象）1.2水质标准（水污染控制工程的研究目标）1.3给水处理方法概述（水污染控制工程的研究方法）1.4反应器原理（水污染控制工程的理论依据）按来源分原水中的杂质天然污染物：泥沙、腐殖质、溶解性地层矿物质、微生物的繁殖及其死亡残骸人为污染物：工业废水、农业污水、生活污水中的污染物按尺寸大小分原水中的杂质悬浮物：1μm-1mm,泥、沙等胶体：1nm-100nm,粘土、天然有机物、细菌、病毒、高分子有机物等溶解物：0.1nm-1nm1.1.1原水中的杂质分类溶解气体离子1.1水源与水质粒子胶体：Fe(OH)3分子胶体：蛋白质杂质悬浮物胶体溶解物性质特征易下沉或上浮负电性、稳定性、丁达尔现象真溶液无丁达尔现象相关水质指标浊度浊度、色度等溶解氧、硬度、碱度、Fe、Mn、重金属水的外观浑浊浑浊透明分辨工具显微镜或肉眼超显微镜电子显微镜表1水中杂质相关特性杂质的特性胶体和悬浮物是使水产生浑浊现象的根源，是饮用水常规处理的主要去除对象。1.1.2各种天然水源的水质特征地下水•水质清澈，水质、水温稳定，不易受外界影响和污染•含盐量高，硬度较高，铁、锰含量较高江河水•水质容易受自然条件影响，水质和水温不稳定，浊度高，•含盐量和硬度较低，铁、锰含量较低湖泊和水库水•浊度较低，藻类含量较高，水质受底泥影响会恶化•含盐量比江河水的高海水•含盐量高，所含各种盐类和离子的重量比例基本一定1.1.3水源污染概况生活污水工业废水农业化肥、农药有机物重金属水源污染是当今世界范围所面临的普遍问题1.2水质标准1956年制订了第1个生活饮用水卫生标准（试行），16项水质指标1976-1984我国23项指标1985年35项指标，增加了某些农药和消毒副产物等2000年建设部行业标准—88项指标2001年9月1日卫生部规范—96项指标2008年7月1日卫生部标准—106项指标饮用水标准饮用水水质指标类型感官性状和一般化学指标微生物指标毒理学指标放射性指标消毒剂常规指标浊度、色度、嗅和味、pH值细菌总数、大肠菌数重金属、硝酸盐、氯仿等氯、臭氧、二氧化氯中华人民共和国国家标准生活饮用水卫生标准GB5749-2006GB5749-2006卫生部规范-饮用水标准新增加指标（GB5749-2006和GB5749-85相比）浊度1度（原标准3度）Al0.2mg/L耗氧量3mg/L氨氮0.5mg/L常规指标非常规指标农药等有机物及消毒副产物新增48项项重金属新增11项微生物指标新增4项饮用水消毒剂新增3项硫化物1项、钠1项工业用水水质标准锅炉软化水处理系统冷却循环水系统饮料、食品用水处理流程电子行业纯水制备系统纺织造纸行业除铁除锰制备1.3给水处理方法概述常规处理工艺澄清+消毒悬浮物和胶体致病微生物液氯次氯酸钠二氧化氯臭氧水处理方法的选用原则：水源水质用水对象对水质的要求+除嗅除味常用除嗅除味技术活性炭吸附曝气除嗅微滤机或气浮机除藻嗅硫酸铜除藻除有嗅味溶解盐臭氧、氧化剂除臭有机物引起的嗅味溶解性气体挥发性有机物除铁除锰除氟除铁除锰技术除氟技术•碱式氯化铝沉淀法••磷酸三钙吸附交换法F硫酸铝氧化铝自然氧化法接触氧化法＜1.0mg/L软化与淡化除盐蒸馏法离子交换法电渗析法反渗透法软化：去除水中的Ca2+、Mg2+离子交换法（阳离子交换剂）药剂软化法（石灰、苏打使钙、镁沉淀）淡化除盐淡化:高含盐水处理成饮用或工业用水要求的过程除盐:纯水的处理过程称为水的“除盐”预处理和深度处理预处理+常规处理常规处理+深度处理预处理和深度处理的主要对象：水中的有机污染物粉末活性炭吸附法臭氧、高锰酸盐预氧化法生物滤池等生物预处理法曝气法粒状活性炭吸附臭氧活性炭联用生物活性炭树脂吸附法光化学氧化法超滤及反渗透法吸附氧化生物降解膜滤1.4反应器反应器概念的引入：化工生产过程中的反应纷繁复杂。化学反应工程把这种复杂的研究对象用数学模型的方法进行简化，使得反应装置的选择、反应器尺寸的计算、反应过程的操作及最优控制等找到了科学的解决方法。反应器模型应用于水处理方面，是在本世纪70年代以后。为了推动水处理工艺的进一步发展，在水处理方面引入了反应器理论。水处理中的许多设备和池子都可以作为反应器来进行分析研究。1.4.1物料衡算与质量传递1.4.1.1物料衡算方程在反应器内，物质的产生、消失或浓度的变化，或者由化学反应引起，或者由质量传递引起，或者由化学反应和质量传递两者同时作用的结果。在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，根据质量守恒定律，物料衡算式如下：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(4-1)因化学反应而消失的量说明：1）物料平衡式中的i应根据研究对象和要求选定；2）当单位时间的变化量为零时，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＝03）物质的输入和输出，是由质量传递引起的；4.1.1.2质量传递物质的输入和输出是质量传递的结果，传递机理分为：主流传递、分子扩散传递和紊流扩散传递。1.主流传递物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。2.分子扩散传递针对于静止或层流运动的液体，当物料组分分布不均匀时，即存在浓度梯度时，分子无规则的运动，会使高浓度区内的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。如果属于稳定状态，则扩散不断进行，而浓度梯度保持不变。(4-2)式中:J——物质扩散通量，单位：[摩尔/面积/时间]或[质量单位/面积/时间]DB——分子扩散系数，单位：[面积/时间]Ci——组分I的浓度，单位：[摩尔/体积]或[质量单位/体积]x——浓度梯度方向的坐标3.紊流扩散传递紊流状态下，紊流扩散的传质速率与浓度梯度成正比。紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；(4-3)式中：DC——称紊流扩散系数。dxidCcDcJdxidCDJBFick第一定律(分子扩散的经验表达式)：1.4.2理想反应器模型1.4.2.1理想反应器分类理想反应器可分为：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）等三种图4-1理想反应器图示(3)PF型(2)CSTR型(1)CMB型产物反应物C0产物反应物产物反应物1.4.2.2完全混合间歇式反应器（CMB型）这是一种间接搅拌的反应容器不存在有物质迁移导致的物质输入和输出，i的时间变化率完全由化学反应引起。物料衡算式为：(4-4)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：(4-5)设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则(4-6)设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则：(4-7))(iCrdtidCicociCridCt)(iCCkicocikCidCt0ln1)011(12CiCkicociCkidCt完全混合间歇式反应器的应用（1）通过上述物料衡算式及积分方法，求达到一定的处理要求，所需的反应时间（2）求出反应时间t后，根据生产需要，求所需反应器容积例题：某水样采用CMB反应器进行氯消毒实验，假定投氯量一定，经实验知：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，所需的时间为多少？解：设原有细菌密度为C0，t时间后尚存活的细菌密度为Ci，被杀死的细菌密度则为C0-Ci，在t时刻，（C0-Ci）/C0=99%，Ci=0.01C0，细菌灭活速率等于细菌减少速率，于是r(Ci)=-kCi=-0.92Ci,代入前面的公式（4-6），得：t=-1/0.92ln(0.01C0/C0)≈5miniCCkicocikCidCt0ln11.4.2.3完全混合连续式反应器（CSTR型）反应物投入反应器后经搅拌立即达到完全均匀混合，反应物连续输入，产物也连续输出,输出的产物浓度和成分与反应器内物料相同。（如快速混合池）物料衡算式为：（4-8）其中，V——反应器内液体体积；Q——流入或输出反应器的流量；C0——组分i的流入浓度；Ci——反应器内组分i的浓度按稳态考虑，即于是：设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则（4-9）因故（4-10）0()iiidCVQCQCVrCdt0dtdCi0)(0CiVrQCQCi00iiVkCQCQC)1(10iCCkttQV1.4.2.4推流型反应器反应器内物料仅以相同流速平行流动，无扩散作用。质量传递为唯一的主流传递。取长为dx的微元体积ωdx，列物料平衡式：其中，ω：液流截面积；=Q；ωdx=V稳态时，，则：（4-11）x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得（4-12）()()dCidxvCvCdCrCdxiiiidt0dtidC)(iCrdxidCvicociCridCvxt)(v1.4.3非理想反应器1.4.3.1一般概念PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。图4-3表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布。PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故反CSTR型反应器生产能力低于PF型。CSTR型反应器中存在“返混”，即停留时间不同的物料之间混合。返混程度是衡量实际反应器偏离理想条件的一种尺寸。通常利用停留时间分布来判断设备的流型究竟是接近PF型还是CSTR型。+CSTR0图4-2推流式反应器内物料变化图4-3理想反应器中浓度分布实际反应器都是介于推流型和完全混合连续流型的。纵向分散模型的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：（4-13）dxdCDJi11xLxCiiωD-（扩散）iCu（主流）÷xxCCii△u÷xxCCxDiii△)(iCxr△uu图4-4纵向分散模型（PFD型）1.4.3.2纵向分散模型（PFD型）取出一个微元长度，列物料衡算式：输入量：输出量：反应量：物料变化量：则：（4-14）稳态时，故：（4-15）)(1xCDwCwvii)()(1xxCCxDwxxCCwviiii)(iCrxwtCxwi)(221iiiiCrxCvxCDtC0tCi)(221iiiCrxCDxCv作业一：给出我国现行的《生活饮用水卫生标准》的全部内容，并与教材上的GB5749-85的标准进行比较，分类列出现行标准新增的项目。作业二：画出常规给水处理工艺的流程图，列举常用的深度处理技术，简述在预处