给水处理课件(三)

第四章给水处理概论给水处理的任务用不同的方法与装置改变原水的主要质量指标以满足用户的要求，提高水的质量，解决原水不能满足用户要求的矛盾。4.1水源水质原水中杂质来源自然过程：矿物溶解、死亡残骸、地表冲刷携带。人为因素：工业废水、农业污水及生活污水原水中杂质分类按水中杂质的尺寸，可以分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物3种。从化学结构上可以将水中杂质分为无机物、有机物、生物等。水中杂质性质水中杂质性质悬浮物、胶体颗粒悬浮物尺寸较大易于在水中下沉或上浮。（粒径大于100nm）胶体颗粒尺寸很小，在水中长期静置也很难下沉。（粒径1nm‾100nm）悬浮物和胶体颗粒是使水产生浑浊现象的根源。悬浮物和胶体颗粒是饮用水处理的主要去除对象。溶解杂质溶解杂质包括有机和无机物两类。无机溶解物可使水产生色、臭、味，主要为工业去除对象。有机溶解物主要来源于水源污染，也有天然存在的，如腐殖质等。当前，在饮用水处理中，溶解的有机物已成为重点去处对象之一。各种天然水源的水质特点各种天然水源的水质特点地下水水源不易受污染，水质、水温稳定。低浊度、高含盐量、高硬度。宜直接作为饮用水和工业冷却水的水源。注意含铁锰超标水的处理。江河水水源易受污染，水质、水温不稳定。高浊度、低含盐量、低硬度。通常需通过净水工艺处理宜为饮用水和工业用水。注意受污染（有机、无机）水的处理。湖泊及水库水水源易受污染，水质、水温不稳定。低浊度、低含盐量、低硬度，含藻量大。通常需通过净水工艺处理宜为饮用水和工业用水。注意含藻水的处理。海水水源易受污染，水质、水温不稳定。高含盐量、高硬度。通常需通过海水淡化处理宜为饮用水和工业用水。注意淡化的处理技术。受污染水源中的杂质60~70年代重视重金属污染80年代后，关注有机污染物保护水源，控制污染源强化水处理工艺水源污染中有重金属和有机物污染，有机污染更严重，产生速度快4.24.2给水处理方法概述给水处理方法概述给水处理的任务是通过必要的处理方法去除水中杂质，使之符合生活饮用水或工业使用所要求的水质。水处理的方法应根据水源水质和用水对象对水质的要求确定。在给水处理中，有的处理方法除具有某一特定的处理效果外，往往也直接或间接地兼收其它处理效果。为达到某一处理目的，往往几种方法结合使用。悬浮杂质——沉淀方法去除；胶体状态存在水中的杂质——混凝沉淀过滤去除；离子、分子状态存在水中的杂质——生成沉淀物将这种杂质去除；有机物——用活性炭吸附；微生物、细菌等——消毒方法。澄清和消毒澄清和消毒以地表水为水源的生活饮用水的常用处理工艺，澄清工艺通常包括混凝、沉淀和过滤。处理对象主要是水中悬浮物和胶体颗粒杂质。根据原水水质不同可适当增减某些处理构筑物。消毒是灭活水中致病微生物，通常在过滤以后进行。主要方法是在水中投加消毒剂以杀死致病微生物。我国普遍采用氯，也用漂白粉、二氧化氯及次氯酸钠等，臭氧也被采用。混凝沉淀过滤消毒药剂除臭、除味除臭、除味这是饮用水净化中所需的特殊处理方法。当原水中臭和味严重而采用澄清和消毒工艺系统不能达到水质要求时方才采用。除臭、除味的方法取决于水中臭和味的来源。活性炭和氧化法有机物产生的臭和味曝气法溶解性气体或挥发性有机物所产生的臭和味微滤或气浮法藻类繁殖而产生的臭和味除盐溶解盐类所产生的臭和味除藻剂除铁、除锰和除氟除铁、除锰和除氟当地下水的铁、锰含量超过生活饮用水卫生标准时，需采用除铁、锰措施。方法：自然氧化法、接触氧化法、药剂氧化法生物氧化法和离子交换法等。原理：除离子交换法外，均是使溶解性二价铁和锰分别转化为三价铁和四价锰沉淀物而去除。当水中含氟量超1mg/L时，需除氟。方法：一是投加硫酸铝、氯化铝或碱式氯化铝产生氟化物沉淀，二是利用活性氧化铝或磷酸三钙等进行吸附。软化软化处理对象主要是水中钙镁离子。方法：离子交换法（阳离子交换剂）和药剂软化法（石灰、苏打沉淀）。淡化和除盐淡化和除盐处理对象主要是水中溶解盐，包括阴阳离子。咸水淡化：将高含盐量的水处理成生活饮用或工业用水要求。除盐：制取纯水或高纯水的过程。方法：蒸馏法、离子交换法、电渗析及反渗透法。水的冷却水的冷却工业生产中循环冷却水系统所需的处理工艺。用水作为冷却介质对设备进行降温。水的冷却一般采用冷却塔，也有采用喷水冷却池或水面冷去池。水的腐蚀与结垢控制水的腐蚀与结垢控制水在使用过程中会对金属管道或容器材质产生腐蚀和结垢作用，循环冷却水尤为突出。方法：对水质进行调理。控制腐蚀的药剂为缓蚀剂。控制结垢的药剂为阻垢剂。生活饮用水预处理和深度处理生活饮用水预处理和深度处理预处理和深度处理的主要对象是水中溶解性有机污染物，主要用于饮用水处理厂。预处理+常规处理常规处理+深度处理常规处理（混凝、沉淀、过滤、消毒）预处理方法1.粉末活性炭吸附法2.臭氧或高锰酸钾氧化3.生物氧化法深度处理方法1.粒状活性炭吸附法2.臭氧-粒状活性炭联用或生物活性炭法3.化学氧化法4.光化学氧化法5.超声波-紫外线联用法6.膜滤法总结：总结：吸附，氧化，生物降解，膜滤发展方向发展方向加强微量有机物去除。加强常规处理；增加预处理（如生物预处理）增加深度处理（如活性炭吸附、化学氧化）开发新技术（如膜技术）加强消毒：防止各种致病微生物的影响消毒副产物的问题：替代氯的其它消毒技术管网水二次污染控制4.34.3反应器反应器反应器（reactor）是化工生产过程中的核心部分。化工反应工程把这种物理化学等复杂的研究对象用数学模型的方式予以简化，使得反应装置的选择、反应器尺寸计算、反应过程的操作及最优控制等找到了科学的方法。反应器在水处理方面的应用主要是将水处理设备与池子都可以作为反应器来独立研究，包括物理、化学和生物过程等。例如：水的消毒池、滤池、絮凝池、沉淀池等。物料衡算与质量传递物料衡算与质量传递(1)物料衡算方程单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，根据质量守恒可写出如下物料平衡式：当变化量为零时，称为稳态须作3点说明输入出量由质量传递引起：分子扩散、紊流扩散及主体流动反应速率由化学反应动力学决定(2)(2)质量传递质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；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)分子扩散传递组分i浓度不均匀，即存在浓度梯度，由于分子无规则运动，高浓度区的i组分向低浓度区迁移，昀终趋于均匀分布状态，使浓度梯度消失。用Fick第一定律表示分子扩散的过程：dxidCDJB−=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)紊流扩散传递在绝大多数情况下，水流往往处于紊流状态。在紊流状态下，液体质点不仅具有随水流前进的运动，还具有上、下、左、右的脉动，且伴有涡流。紊流扩散传质速度也与浓度梯度成正比。故紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式：dxidCcDcJ⋅−=式中：DC—称紊流扩散系数。水处理（给水和污水）过程的实现往往离不开一定型式的反应器。•这里主要讨论两类：理想反应器和实际反应器。理想反应器并不是真正的实际存在的反应器，而是人为地做了某些假设条件以利于研究分析。常见的两类理想反应器是真实反应器的两种极端情况：¾各流体质点停留时间完全相等的推流（也称活塞流）¾所有流体质点完全均匀混合的完全混合式。（间歇式和连续式）理想反应器分类完全混合间歇式反应器（CMB型，completelymixedbatch）完全混合连续式反应器（CSTR型,continousflowstirredtankreactor）推流式反应器（PF型，plugflowreactor）理想反应器模型理想反应器模型虽不能完全描述实际过程，但近似反映真实反应器的特征完全混合，间歇操作，封闭系统完全混合，连续操作，不封闭系统推流式，连续操作，不封闭系统‹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。完全混合间歇式反应器（CMB型，completelymixedbatch）完全混合连续式反应器（CSTR型,continousflowstirredtankreactor）‹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，且等于出水中反应物浓度。•3.停留时间:从0到无穷大。•4.返混：在反应器后部的物料反向流动与反应器前部物料混合的现象。示意，表示无限大的搅拌强度。推流式反应器（PF型，plugflowreactor）‹类似活塞流动。物料浓度在横向上分布均匀，不存在横向混合，沿水流方向物料微元体也不存在纵向混合，进入反应器的反应物在横向上以相同速度水平流动。唯一的质量传递就是平行流动的主流传递。(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理想反应器图示理想反应器图示t时间内输入量和输出量为零即时完全混合，新的连续输入，反应物连续输出物料浓度在垂直于液流方向完全均匀，唯一的质量传递就是平行流动的主流传递（一）完全混合间歇式反应器（CMB）间歇式不存在由物质迁移而导致的物质输入输出（即输入、输出的量为零），故根据物料衡算可得：)(iiCrdtdC=∫=iCCiiCrdCt0)(积分，且t=0时，0CCi=)(iiCrVdtdCV⋅=1、当为一级反应时，2、设为二级反应时，∫=−=icciiicckkcdct00ln12)(iikccr−=iikccr−=)(∫−=−=icciiicckkcdct0)11(102例1、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？解：因为所以%9900=−ccci001.0cci=min501.0ln92.01ln1000≈==cccckti（二）完全混合连续式反应器（CSTR）根据反应器内物料完全均匀混合且与输出产物相同的假定，得物质平衡方程：)(0iiiCrVQCQCdtdcV⋅+−=式中：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；在稳定状态下，反应器内的i浓度Ci不随时间变化，即故1、设为一级反应，则设则,0=dtdCi0)(0=⋅+−iiCrVQCQCiikCCr−=)(00=−−iiVkCQCQC)1(10−=iCCkt式中——平均停留时间；V——反应器容积。,tQV=t例2、采用CSTR反应器作为氯化消毒池,条件同例1,求细菌去除率达到99%时所需消毒时间为多少？解：001.0CCi=1min92.0−=kmin6.107)101.0(92.01)1(1000=−=−=CCCCkti对比例1和例2可知，CSTR型消毒时间是CMB型的21.5倍。这是因为CSTR反应器始终是在低浓度Ci=0.01C0条件下进行反应的，反应速度慢，而CMB反应器一开始浓度很高为C0，反应速度很快，只是随着浓度降低，反应速度才逐渐减慢，直到反应结束时，才和CSTR的反应速度一样。值得注意的是，CMB反应速度比CSTR快很多，但用于实际生产时，CMB必须有投料和卸料的时间。（三）CSTR型反应器的串联设为一级反应，对于CSTR反应器，则显然对于CSTR串联，有),1(10−=iCCkt,110tkCCi+=;1101tkCC+=;1112tkCC+=tkCCnn+=−111L左边和右边分别相乘，得nntkCC)11(0+=总反应时间tnT=213n…C0C1C2Cn-1Cn例3、在例2中，若采用2个CSTR反