水质工程学

《水质工程学》电子教案------给水处理工程总学时：60专业必修课教材《给水工程》(第四版)严煦世范瑾初主编中国建筑工业出版社出版主讲教师：延克军教授课程性质及任务〈水质工程学〉是给水排水工程专业的一门主干专业课，其任务是通过本课程的学习，使学生全面系统地了解水的性质、水质特征与水质指标等概念，较扎实地掌握水处理的基本概念、基本原理、基本方法及基本应用与发展；基本掌握各种水处理的技术与方法、应用条件、设计规范以及新工艺与新技术，为将来从事本专业的工程设计、科学研究及运行管理工作等奠定必要的理论和应用基础。培养学生具有设计、计算水质工程中的各构筑物、工艺系统的初步能力和分析、解决实际工程问题的能力。参考文献1.徐保玖、安鼎年.给水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社,19922.钟淳昌主编.净水厂设计.北京:中国建筑工业出版社,19913.(日)水处理理论与应用.张自杰等译.北京:中国建筑工业出版社,19864.、http：//、在线给水排水等。第一章给水处理概论§1-1水源水质§1-2水质标准§1-3给水处理方法概述§1-4反应器任务：使所提供的水质达到用户的要求。手段：采用各种方法使水质达到要求，其目的就是将水中“杂质”去除掉。给水处理典型工艺流程：消毒剂二级泵站清水池絮凝沉淀原水投药混合过滤用户§1-1水源水质1.原水中的杂质或源于自然过程或源于人为的污染。按照杂质尺寸的大小可将其分为悬浮物、胶体和溶解物三类：分散颗粒溶解物胶体颗粒悬浮物颗粒尺寸0.1nm1～100nm(或100nm)0.1um(或1um)典型物质无机离子、细小黏土颗粒、黏土、粉砂、小分子高分子有机物、腐质酸细菌等有机物等病毒、细菌等溶液体系真溶液（透明）胶体溶液（混浊）1.1悬浮物：尺寸较大，易于下沉或上浮，当水流较慢时可去除。1.2胶体：尺寸很小，长期静置也难下沉，水处理解决的主要对象。1.3溶解物：包括有机物和无机物两大类。无机物是工业用水的主要去除对象，有害有毒的则是生活饮用水的去除对象。有机物会产生色、臭、味及毒性，主要来自污染，是目前研究的重点对象之一。溶解杂质的主要形式：1）溶解气体：02、N2、CO2、H2S2）离子：阳离子、阴离子2.各种天然水的水质特点2.1地下水：经地层渗滤，水质清澈，水质水温较稳定，宜作饮用水和工业冷却水水源。2.2江河水：受自然条件影响很大，水中悬浮物、胶体态杂质含量较多。江河水的最大缺点就是易污染、水温不稳定。2.3湖泊及水库水：流动性小，浊度低、藻类多、含盐量高（淡水湖、微咸水湖和咸水湖3类）2.4海水：含盐量高，各种成分的比例基本一定，氯化物占89%左右，淡化后方可饮用。3.受污染水源中的杂质：水源污染是普遍问题，特别水有机物的污染尤为严重及危险（P236自看）。其解决办法：保护水源，控制污染源；强化处理工艺。§1-2水质标准定义：水质标准是用户对象所要求的各项水质参数应达到的指标和限值。不同的用水对象，水质标准要求不同，既使相同对象，也因经济及技术问题而有较大差异（不同国家差异很大）。但随着科学技术与经济的进步及水源污染的日益严重，水质标准总在不断修订与补充中。1.生活饮用水卫生标准1.1标准的制订：与水源污染、检测技术、医学技术的发展有关。（1）饮用水水质项目大为增加，从原35项增加到96项（2）把检测项目分为常规检测项目（34项）和非常规检测项目（62项）（3）提高了对浊度的要求（4）在饮用水常规检测项目中增加了耗氧量（高锰酸盐指数）：耗氧量（以O2计）不超过3mg/L，特殊情况下不超过5mg/L。（5）在无机物、有机物单项项目的选择和限制的确定上，既借鉴国外标准（WHO、欧盟、美国），又考虑中国国情。（6）重视消毒剂和消毒副产物的危害，从原有的1项，增加到13项。（7）对部分原有项目的限制提出更严格的要求，共4项：浊度、铅、镉、四氯化碳。（8）增加了粪性大肠菌群的项目。1.2标准的基本要求（P237表14-2）1）水中不得含有病源微生物（3种）。2）水中所含化学物质（70多种）及放射性物质（2种）不得危害人体健康。3）水的感官性状良好。1.3标准简介（指标分类）1.3.1感官性状和一般化学指标1)感官性状指标（物理指标）浊度、悬浮物、臭和味2)化学指标a杂质或污染物质的单项指标b无机特性的综合指标c有机污染物的综合指标1.3.2毒理学指标指对人体有害的物质，包括众所多无机物、重金属及微量有机污染物，P239。1.3.3细菌学指标细菌总数、大肠菌、余氯含量1.3.2放射性指标总α放射性、总β放射性2.工业用水标准工业用水种类繁多,对水质要求各不相同。由各行业制订。3.其他重要水质标准（1）地表水环境质量标准（2）其他水质标准§1-3给水处理方法概述1.给水处理的基本方法1）去除颗粒物方法有：混凝、沉淀、澄清、气浮、过滤、筛滤（格栅、筛网、微滤机、滤网滤芯过滤器等）、膜分离（微滤、超滤）、沉砂（粗大颗粒的沉淀）、离心分离（旋流沉砂）等2）去除、调整水中溶解（无机）离子、溶解气体的处理方法处理方法有：石灰软化、离子交换、地下水除铁除锰、氧化还原、化学沉淀、膜分离（反渗透、纳滤、电渗析、浓差渗析等方法）、水质稳定（水中溶解离子的平衡，防止结垢和腐蚀等，详见本书第五章）、除氟（高氟水的饮用水除氟）、氟化（低氟水的饮用水加氟）、吹脱（去除游离二氧化碳、硫化氢等）、曝气（充氧）、除气（锅炉水除氧等）等3）去除有机物的处理方法方法有：粉状炭吸附、原水曝气、生物预处理、臭氧预氧化、高锰酸钾预氧化、过氧化氢预氧化、预氯化、臭氧氧化、活性炭吸附、生物活性炭、膜分离、大孔树脂吸附（用于工业纯水、高纯水制备中有机物的去除）等4）消毒方法方法有：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、电化学消毒、加热消毒等5）冷却方法2.给水处理的基本工艺1）饮用水常规处理工艺2）在饮用水常规处理工艺的基础上，增加预处理和（或）深度处理的饮用水处理工艺3）其他特殊处理工艺§1-4反应器反应器是化工生产过程中的核心部分，在反应器中既有化学反应过程又有物理反应过程，影响因素。通过数学模型方法的简化，使得反应装置的选择、尺寸计算、过程操作及最优控制等找到了科学的方法。许多水处理的理论来自于化工，特别是工业水处理更是发源于早期的化工工业，多数水处理设备与构筑物都可作为反应器来分析研究。1.物料衡算与质量传递1.1物料衡算方程在反应器内,某物质无论发生何种变化,都必须遵守质量守恒定律。设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，可写出如下物料平衡式：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（1--1）当变化量为零时（组分的浓度不随时间变化，多数属理想情况），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＝0OedCCCirCidttt1.2质量传递反应器内物质的输入和输出都是质量传递的结果，按传递机理可分：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）分子扩散传递在溶液中，如存在浓度梯度时，则由于分子作无规则运动，高浓度区内的组分将向低浓度区扩散直至趋于均匀分布状态。Fick第一定律给出了分子扩散的经验式：(1--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/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。BdCiJDdx3）紊流扩散传递大多数的水流为紊流，此时液体质点不仅具有随流的运动，还具有“各向”的脉动，从而引起物质的传递。紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；(1--3)式中：DC——称紊流扩散系数，其它同（1--2）式。2.理想反应器模型即为了便于研究，将反应器理想模型化。本书结合水处理介绍了三种理想反应器：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。dCiJDdxcc图3-7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2.1完全混合间歇式反应器（CMB型）这是一种间歇操作式搅拌器，即一次性投入，然后搅拌混合，再一次性排出，无输出与输入，故物料衡算式为：(1--4)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：(1--5)设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则(1--6)dCir(C)idtcidCitcor(C)i110cCCiidCitlnlnckCkCoiokCi为二级反应时，，则：（1--7）例1：某消毒实验，由试验知为一级反应，且k=0.92/min。求细菌被灭活99%时所需时间为多少？2r(C)kCii11120cidCit()ckCCoikCi99001110015092CoCi%Ci.CoCoCi.CotlnlnminkCo.Co2.2完全混合连续式反应器（CSTR）连续流入、搅拌、连续流出，部分进料停留时间为零，部分则为无穷大。根据反应器内物料完全均匀混合且与流出浓度相同的假定，在等温条件下，物料衡算式为：（1--8）按稳态考虑，即，于是：（1--9）设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则因，故（1--10）0iiidCVQCQCVr(C)dt0dtdCi00iQCQCVr(Ci)00iiQCQCVkCtQVVQt001111iiCCt()kCCkt例2：条件同例1，采用CSTR。解：显然远大于CMB，这是因CMB是在CO下，而CSTR是在Ce下进行的。多个CSTR串联使用时：如为一级反应，则有00011111076092001iCCt()().minkC..C12n3coC1C2Cn-1cn12011111111nnCCC:CktCktCkt两边相乘得：则总反应时间为：例3：前例如用2个CSTR，求消毒时间。经计算知011nnC()CktTnt02001209210019910922991981076nC.,n,k.C.(),t.min,.tT...min8625n,T.minmin2.3推流型反应器（PF）理想型PF反应器内的物料仅以相同的流速平行流动，而无扩散作用，经分析推导可得出前述CMB完全相同的公式：（1--11）3.非理想反应器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。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CSTR型反应器生产能力低于PF型。在CMB中，所有物料的停留时间都相同；CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。用示踪剂画图说明各反应器出口的浓度分布。cidCitcor(C)i3.2纵向分散模型(PFD)—自学4.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表1-1。表1-1水处理中的常见反应器作业P252：1、2反应器期望的反应器设计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软化加氯污泥反应器生物滤池化学澄清活性污泥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第二章混凝§2-1混凝机理§2-2混凝剂和助凝剂§2-3凝聚动力学§2-4影响混凝的主要因素§2-5混凝剂的配制与投加§2-6混合和絮凝设备§2-1混凝机理混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝三要素：①水中