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第十六章供水与制冷设备内容摘要一.用水质量分级与生物工程的用水质量要求二.水处理系统及设备三.供水系统与设备四.制冷系统设备一.用水质量分级与生物工程的用水质量要求1.水质量分级：分为４级（１）普通水：来自于地表或地下不经过处理的水，常作为非生产用水或用于公用事业，如生产车间的冲洗用水、消防用水等。一.用水质量分级与生物工程的用水质量要求1.水质量分级：分为４级（２）自来水：来自于城市的公用供水系统，在水源头进行氯消毒处理或简单的沉淀分离处理，可广泛用于大部分加工过程中。一.用水质量分级与生物工程的用水质量要求1.水质量分级：分为４级（３）脱盐软化水：通过脱盐以除去水中的金属离子，再加之超滤杀菌处理，降低水的硬度，以达到一定的指标。可作为生物工业的纯化水及锅炉用水，不能作为严格的无菌水。一.用水质量分级与生物工程的用水质量要求1.水质量分级：分为４级（４）蒸馏水：通过蒸馏作用，除去水中各种杂质，除去水中的溶解氧和其他气体，使水中不含任何附加物，这类水是纯净无菌的。常作为分析检测及注射用水。２.生物工程用水质量要求•配制发酵培养基：用深井水或地表水。•美国提出配制不同生物工业制品培养基的水质要求：二.水处理系统及设备（一）生物工业的水处理系统按欲达到的目的可以分为三个阶段：第一阶段：除去水中的固体悬浮物，沉降物和各种大分子有机物等。常采用过滤、沉淀等方法。二.水处理系统及设备（一）生物工业的水处理系统按欲达到的目的可以分为三个阶段：第二阶段：除去水中的各种金属离子或其他离子，即水的软化或除盐。二.水处理系统及设备（一）生物工业的水处理系统按欲达到的目的可以分为三个阶段：第三阶段：水的杀菌处理，利用氯、臭氧、紫外线等杀灭水中的微生物，制得无菌的纯水。（二）水的过滤１.过滤水的目的：使水通过过滤介质，除去水中的悬浮物及胶体物质。（二）水的过滤２.水过滤的机理：水的过滤是一系列不同过程的综合效应，包括筛滤、深层效应和静电吸附等。•筛滤：又称表面过滤，指水中粒子大于过滤层的孔径时，则粒子被阻挡在过滤层的表面。•深层过滤：小于滤层孔径的粒子进入滤层深处，但由于滤层空隙弯弯曲曲，形状大小不断变化，最终也能使小粒子被截留，这种作用属于深层过滤。（二）水的过滤２.水过滤的机理：•静电吸附作用：过滤介质所带电荷与水中粒子的电荷不同，这时粒子被吸附在介质表面达到除去的目的。（二）水的过滤３.水的过滤过程的构成•过滤：水的净化过程•冲洗：从过滤介质上冲洗掉污物，使之恢复过滤能力的过程。多数情况下，过滤和冲洗的水流方向相反。（二）水的过滤４.良好的水过滤介质应满足的要求（１）化学性能稳定，不溶于水，不产生有害和有毒物质。（２）足够的机械强度。（３）含污能力（Kg/m3表示）大，产水能力[m3/(m2h)]高。（二）水的过滤４.良好的水过滤介质应满足的要求（４）对于散状过滤介质（砂粒、活性炭等）有适宜的粒度分布和空隙率。（三）用于水过滤的装置主要有：•砂滤棒过滤器•活性炭过滤器•中空纤维超滤膜装置（三）用于水过滤的装置１.砂滤棒过滤器•外壳：铝合金；•砂滤棒（砂芯）：由硅藻土在高温下熔制而成或由硬质玻璃烧结而成。•组成结构：锅形的密闭容器，器内分上、下两层，中间以孔板分开，一至数十根砂滤棒紧固于上，孔板上为待滤水，其下为砂滤水。（三）用于水过滤的装置２.活性炭过滤器（１）活性炭：多孔形状不规则的颗粒。用于水处理的活性炭微孔径为２-５nm。（２）作用机理：借助于巨大的表面吸附作用和机械过滤作用以除去水中的多种杂质。（３）适用范围：常用于离子交换法和电渗析法的前处理，可有效保护离子交换树脂，防止树脂污染。２.活性炭过滤器（４）活性炭过滤器的结构（三）用于水过滤的装置（５）活性炭过滤器反洗再生步骤①反洗。清水以8～10L／(m2·s)的反洗强度从底部进入，反洗时间15～20min。②蒸汽吹洗。从底部通入0.3MPa饱和蒸汽吹洗15～20min。③淋洗。用6％～8％NaOH溶液(40℃)从顶部通入洗涤，洗涤量为活性炭体积的1.2-1.5倍。④正洗。原水至顶部通入，冲洗至出水符合规定水质要求。（四）水的软化与脱盐１.水的软化：除去水中钙、镁等金属离子的过程。２.脱盐：除去所有阴、阳杂质离子的过程。３.常用于水的软化与脱盐的方法：•离子交换法•电渗析法•反渗透法４.离子交换装置（１）离子交换法用离子交换剂和水中溶解的某些阴、阳离子发生交换反应，以除去水中有害离子。４.离子交换装置（２）离子交换树脂的种类•阳离子交换树脂：离子交换树脂中带有酸性交换基团，又分为：强酸性、中酸性和弱酸性三类。•阴离子交换树脂：离子交换树脂本体中带有碱性交换基团，又分为：强碱性、弱碱性两类。４.离子交换装置（３）用于水处理的离子交换树脂（分为固定床和连续床两大类）a.固定床离子交换树脂i.将离子交换树脂装填于管柱式容器中，形成固定的树脂层，操作时，交换、反洗、再生、清洗４个过程间歇反复地在同一装置中进行，而离子交换树脂本身不移动，也不流动。a.固定床离子交换树脂•特点：操作简单、设备少、水质稳定，是最常用的离子交换水处理装置。a.固定床离子交换树脂固定床离子交换装置的组合方式有单床、多床、复床、混合床、多层床等。•单床是固定床中最简单的一种方式。常用的钠型阳离子交换装置即属这一方式。•多床是同一种离子交换剂、两个单床的串联方式。当单床处理水质达不到要求时可采用多床。a.固定床离子交换树脂•复床是两种不同离子交换剂的交换器的组合，即一个阳离子交换树脂单床与一个阴离子交换树脂单床的串联方式。•混合床是将阴阳离子交换树脂置于同一柱内，即相当于多级阴阳离子柱串联起来。处理水质较高。•多层床是在一个交换柱中装有两种树脂(弱酸与强酸、弱碱与强碱型)，上下分层不混合。a.固定床离子交换树脂•除盐：采用阴、阳两种树脂的装置。•软化：只采用阳离子交换树脂的装置。•固定床离子交换装置的缺点：树脂用量多，而利用率低，操作不连续。b.连续床离子交换装置种类：移动床流动床b.连续床离子交换装置移动床工作方式：离子交换树脂装于交换塔中，原水从下部流入，软水从塔上部流出。这样自下而上的流动，交换一定时间(般45～60min)后停止交换，而将交换塔中一定容量的失效树脂送至再生塔还原，同时从清洗塔向交换塔上部补充相同量的已还原清洗的树脂，约10min后，交换塔又开始工作。特点：水质稳定，交换树脂及还原液的利用率比固定床高。缺点是交换树脂磨损较大，耗电量较多。移动床流动床•流动床则是完全连续工作的，它在进行交换的同时不断从交换塔内向外输送失效的交换树脂，且又不断向交换塔内输送再生后的树脂，但需要的设备多，操作管理较复杂。５电渗析装置（１）工作原理利用阴、阳离子交换膜对水中离子具有选择性和透过性的特点，在外加直流电场的作用下，使原水中阴、阳离子分别通过阴离子交换膜和阳离子交换膜迁移，从而达到除盐的目的。５.电渗析装置（２）电渗析器的结构•种类：立式卧式构成：离子交换膜、膈板、电极、极框、压紧装置等组成。•离子交换膜：具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜。按照透过性可以分为阳离子交换膜（能透过阳离子）和阴离子交换膜（能透过阴离子）。•膈板：隔板放在阴、阳膜之间，作为水流通道，隔开两膜。隔板上有进水孔、出水孔、布水槽，流水槽及过水槽。（２）电渗析器的结构•电极通电后形成外电场，使水层中的离子定向迁移。•极框用来保持电极与离子交换膜间的距离，分别位于阴、阳极的内侧，从而构成阴极室和阳极室，是极水(极室的流出液)的通道。•压紧装置是用来把交替排列的膜堆和极区压紧，使组装后不漏水。（２）电渗析器的结构•电渗析器运行一段时间后，浓水室一侧的阴膜和阳膜面上会出现结垢现象，它的存在将减少离子交换膜的有效使用面积，增加膜的电阻，降低膜的使用寿命。（３）电渗析器的清洗（３）电渗析器的清洗常采用以下方法清除：①倒换电极，即运行一段时间后把阴极改为阳极，阳极改为阴极。由于电场方向改变，可使已生成的沉淀消除。倒换时间一般采用3～8h，倒换电极后一段时间(5～10min)，淡水出口水质下降，待水质合格后再继续使用。②采用浓度1～2％的盐酸定期酸洗，酸洗操作时间为2～3h，使pH＝3～4。③当水中含有机杂质时，每隔几个月用0.1mol／LNaOH溶液清洗。（４）对原水的要求如果原水中悬浮物较多，会造成隔板中沉淀结垢，增加阻力，降低流量，所以原水水质应符合下列要求：浊度3mg／L；含铁量0.3mg／L含锰量0．1mg／L；色度20度；有机物耗氧量3mg／L(KMn04)；污染指数7。（五）水的杀菌通常采用氯杀菌、臭氧杀菌和紫外线杀菌。１.氯杀菌（１）杀菌机理：氯进入水中可生成次氯酸(HOCl)，次氯酸具有强烈的氧化作用，它可以穿过细菌的细胞膜进入细胞内部，由于氧化作用而破坏细胞内酶和细菌的生理机能使细菌死亡。（五）水的杀菌１.氯杀菌（２）常用的氯杀菌剂有：活性二氧化氯、漂白粉和次氯酸钠（NaOCl)。其中，活性二氧化氯具有杀菌能力强，水纯净，不增加水的硬度，杀菌效果好，使用方便等优点，但制备成本较高。（五）水的杀菌２.臭氧杀菌（１）杀菌原理：臭氧(Ｏ３)是一种强烈的氧化剂，它能氧化水中的有机物，破坏微生物原生质，杀死微生物，亦能破坏微生物孢子和病毒，同时用作除去水臭、铁和锰及脱色。杀菌性能优于氯。（五）水的杀菌２.臭氧杀菌（２）用量：1m3过滤后的清净水中加入臭氧0.1～1g，接触10～15min，即可达到满意的效果，杀菌作用比氯快15～30倍。（五）水的杀菌３.紫外线杀菌杀菌机理：微生物受紫外线照射后，微生物的蛋白质和核酸吸收紫外光谱的能量，使蛋白质和核酸的结构破坏，引起微生物死亡。波长为200一295nm的紫外线有杀菌能力，所以能使水杀菌。三.供水系统与设备1.供水系统的组成：水源的选择、供水方式、水泵设备选用等。2.水源的选择：优先采用地下水作主要水源较为经济合理。地下水分为：无压水（浅水）和承压水（深井水）三.供水系统与设备２.水源的选择：•无压水：指地面以下，在第一层不透水层以上所含有的水。离地面较近，水质易受外界的污染干扰，不易保持清洁干净。•承压水：是指地面以下两个不透水层之间所含有的水，由于水面上有不透水层的分隔，形成了压力，埋藏较深，不易受外界的干扰，水质易保持干净，且水质、水温均较稳定。三.供水系统与设备３.地下水取水方式（１）取用无压水多采用大口井(即浅水井)，井口直径一般1m以上，深不超过20m，井壁材料因地制宜采用砖石、混凝土或钢筋混凝土等。水泵可设置在地下、半地下或地面上。浅水井取水量不大。三.供水系统与设备３.地下水取水方式（２）取用深井水深水井生产能力高，能符合卫生防护要求，一般井口直径为150～500mm，井深30～150m或更深。４.供水系统装置（１）供水方式根据生产用水特点及水源条件，常采用三种供水方式：直流供水循环供水连续供水（１）供水方式a.直流供水。即生产、非生产用水直接由供水水源得到。当供水水源的水量比较充足，能够完全保证供应时，采用这种系统较为合适。废水则直接排走。b.循环供水。即将生产用过的水经适当处理后重新循环使用，这样只要从水源吸取部分补充用水即可满足生产要求。如将用于生产中的冷却水经凉水塔降温后，适当沉淀处理即可循环使用。（１）供水方式c.连续供水。若水源不足，当生产使用过的废水(如冷却水)污染不严重时，可以不经处理，直接供给其他车间再次使用，这样可以大大地减少直接从水源吸取的水量。（２）自来水供水系统在自来水用于生产时，必须设置加压、储存装置，以保证压力、流量稳定，满足生产需要。（３）地下水供水系统地下水水量足，可保证生产用量。但刚从地下抽取的水含有泥砂，不能立即使用，应先进行沉淀处理和消毒处理，再经二级泵房送往生产车间。四.制冷系统设备生物工业中，有些加工过程需要在低温下进行，如某些产品的接种发酵、菌种扩大培养、冷冻干燥等，这就需要制冷。通常温度高于-100℃时为一般制冷，低于-100℃为深度制冷。（一）压缩式制冷循环１.压缩制冷循环实质：是一种逆向卡诺循环。２.制冷