反应器原理在净水构筑物设计中的应用俞辉群

反应器原理在净水构筑物设计中的应用俞辉群(中国建筑工业出版社)给水排水设计中有各种净水构筑物,如反应池、沉淀池、气浮池、滤池、曝气池、加氯接触池、生物滤池、`泛物转盘、膨胀床、填料塔等。这些构筑物虽鱿作用不同,形式各异,大小不一,但都是进行勺理化学反应或生物化学反应的容器,也就份汉应器。反应器原理在化学工程设计中已得到普遍应用,并大大提高了生产率。有鉴于此,在给水和废水处理构筑物设计中,同样应,充分运用反应器原理。反应器按操作方式可分间歇式和连续式。因给水排水处理的水量一般很大,通常采用连续流反应器,即进水不断流入反应器,处理后出水连续从反应器流出。反应器按反应特点又可分为均相反应器和多相反应器。水处理过程虽为多相反应,即反应在液相、固查和气相中进行。例如曝气池和气浮池中是水、空气和悬浮物之间的多相反应,铁和锰的氧化是气液间的反应等,一般仍可看作均相反应器。本文着重分析连续流均相反应器原理在给水排水设计中的应用。反应动力学和流型水处理所用各种反应器的设计,涉及反应动力学和反应器内的液流型态两个方面。反应动力学是指水处理时所发生的物化反应和生化反应的级数以及反应速率。水处理中一般是零级、一级或多级反应。反应为零级时,任何一种反应器型式都可达到相同的处理效果。一级反应有:氯与水作用生成次氯酸的反应;二氧化硫与水生成亚硫酸的反应;二氯化碳和水生成碳酸的反应;杀菌消毒反应;过氧化氢或漂白粉的分解反应;污水和工业废水的生物处理近似为一级反应等。二级反应有:氨与次氯酸生成氯胺的反应;酚与次氯酸生成二氯酚的反应;氨与OoH以及酚与OoH的反应等。至于亚铁的氧化则属于多级反应。反应器中的液流型态是很复杂的,但它和反应器的水力特性有关,因此需做示踪试验,才能对反应器进行评价。根据反应器内反应物不混合和完全混合的两种理想流态,可将反应器分为推流式和完全混合式,以便分析间题。一般说来,狭长的矩形池或若干完全混合池串联使用时,接近于推流式。有搅拌设施的方池或圆池接近于完全混合式。活性污泥法中的狭长矩形池,如沿池的长度均匀进水和出水,而不是起端进水终端出水,这种情况也接近于完全混合式。水处理中,完全混合型池用得很名,如臭氧消毒池、机械反应池、表面曝气池、药剂混合池等推流池和完全混合池物化处理或生物处理时,如为一级反应,则推流池和完全混合池的处理效率和停留时间关系可表示为:推流池或t告畔1l+ktr图日,进水流量为口、反应物浓度(例如浊度)为。。的水进入第一格,在该格内旋转流动,旋流便每格接近于完全混合式,然后经隔墙上的开孔流入第二格。这样,水流在各格内上下流动直到出口。因为串联完全混合池的第一池出水水质即为第二池的进水水质,而第二池的出水水质为第三池的进水水质,以此类推,假设各池停留时间t和反应速率常数k相同.则可以从式(2)导出一级反应和锐池串联时,整今反六器的进出水浓度关系为:一一C一向屯全混合池(2)ō4\c一óō飞、r公Cl厂.一lókō一咨J竹几皿r式中:反应器进水底物浓度;如出水底物浓度;一反应速率常数;二叶共下〕·亡01州卜挥乙令?一nt,则(3,式云-l+J(I月.汁JI一r口目、尹0衍,-一停留时间。如已知k值.即可从进水浓度c。,要求的出水浓度。,算出水力停留时间t,再由所处理的水量可求出反应器所需容积。反应器容积大小直接影响到建造设备所需费用,一般要求以最小的反应器容积达到最好的处理效果。儿一今`狡(、记’Ol/2”之一一一几__`一”。(l+左艺)·银据l川、((】牛才一贝”六一`甲可见串联的池数增多时汁、:材越大),_仁式从式(!)和`2)得出,因c。e.所以为`竺C(生一)],也就兄当卞处理条件相同时,完全混合池所需停留时同比推流池为大,反应器容积也大,所以从经济_牡考虑,应将池型设计成推流式。Q,C书汗劣右边的值趋刁`,即六位减小,这;火是说,当进水浓度c。一定时.串联池的。值较小f之明处理效果比同容积的单个完全混合池好。从另一方面说.处理效果一定时,。增大时,所裔件留时间或反应器的容积越小,甚至可接近于推流池。但是作为工程问题,必须考虑经济,分格过多也无必要。达到同样处理效果时,串联完全混合池的总停留时间为:月,óllesù一lù”向一e`广11飞」n一一一儿一一T设去除率为95%,即进水浓度为。一loomg/L,出水浓度为。一smg/L,则串联完全混合池的总容积为:池数。一1,图1多格反应池串联完全混合池应该指出,多个完全混合池串联使用时.其所起作用较同容积的单个完全混合池为优越.作有可能接近于推流池。兹以多格反应池为例心7,池数祝一口,100.、.。口一下、一百一一”一,”下4,一鄂鄂告一`)」一`·”6一冬表1为单个完全混合池、串联完全混合池c一心一与推流池的相对总容积比较。饭单个完全混合池、串联完全混合池和.推流式池的相对总容积关系表1t;下下下j笠去除率时的反应器相对容积``888885叫叫90%%%95%%%98州州单单个完全了昆合池池567779OOO19.000049.0(jjj完完全混合池,2池串联联3.1666432226.9666121111完完全混合池,4池巾联联2.433331111446666.6444完完全混合池,6池串联联2.2222282223.90005.5000222·14...2.64443.6000完全混合池,2池串联完全混合池,4池巾联完全混合池,6池串联完全混合池,8池串联推流池无数完全棍合池串联如要达到90%的去除率,两者的停留时间比为10;去除率为95%时.两者比率为20换言之,当去除率分别为90%和95%时,单个完全混合池『和推流池的容积比分别为10:!和20,1。将一级反应和二级反应时的相对停留时间.t/t,或相对容积加以比较,得表2。完全混合池和推流池相对容积关系表2`一级反应时由表l可以看出:t.去除率相同时,串联池数越多,反应器总容积越小,所以在有条件时,宜尽量选用串联的完全混合池。2.2刃除率提高时,反应器总容积随之明显增大,所以工程设计中,应注意去除率的选择和反应器投资的经济关系、特别是处理水量大时,更须仔细考虑3.推流池容积总是比单个或串联完全混合池的总容积为小,要求的去除率越高,推流池越显出其优越性,因此宜尽量在设计中,使池型接近于推流。4.多数情况下,以2格或4格串联完全混合池代替兰个完全混合池,已可使反应器总容积大大减小,如再增加串联的池数,总容积虽有减小,但不很明显胡眨,{受资相应增加,管理也较复杂。对于生产实际情况夹说,如果物理化学反应或生化反应要求推流而其它方面又希坦搅拌进行完全混和,则多级串联的完全混合池是兼顾两者的池型。表l只限于水处理为一级反应的情况,如为零级反应·则完全混合池与堆流式的容积比为l`即在同样条件下.两者达到相同的效果。如果水处理的反应是二级反应,则单个完全混合池和推流池的停留时问比(分别以欢和心表示):戈相对容于i比为:去去}余率一级反应应二级反应应8885%「3337779990%444l0009995%6662OOO9999写133310000可见达到问祥去除率时,如水处理动力学为二级反应,则所需反应器弃积要卜_一级反应时大得多。不同大小完全混农池牢联串联的完全混合池,,自,l:希望所串联各池的大小相等,但是有时地形条件或其它因素的限制.各串联池的大l、并不相等,例如氧化塘,一池须大于另一池或第一池须大于第二池,以免因第一池负荷过高而导致厌氧或因冲击负荷而影响处理效果等。以下将相同或不同大小完全混合池串联时的两种情况(图2)加以比较。鲜{}巨尸`叫二匡F,·图二相别和大尸大小完全混合池串联讨一级反应匀貌{学翻时间为t,分成相同大小的两池,每池停留时间为,一示此时,`一39f一砚一万一飞而诬如两池大小不同,停留时间分别为户和t’一△t,则得(6)于△t一下丁耐扮施矛(7)比较式(6)和式(了),可以看出,不同大小的两个完全混合池串联时,总效率或出水浓度c不及相同大小的两池,因此,可能时应做成同样大小的两池相串联,以达到最高效率。分散进水的完全混合池完全混合池串联使用时,如果布置成如图3所林的分散进水的方式,其效果分析如下。加钙盐使与磷起反应,以生成磷酸钙沉淀,是除磷的方法之一。但由于磷酸钙颗粒的沉速很小.如果所处理水中缺少磷酸钙固体,必须向水中接种,以提高反应速率,此时常将反应器出水中的一部分固体回流到进水中,与原水同时进入反应器,以保持器内高浓度的磷酸盐固体,达到有效地除磷的目的。这类反应器称为有回流的反应器,用在石灰软化、石灰混凝、活性污泥法中降低有机碳时。有回流反应器与无回流时的差别,以及对反应器容积的影响等,分述如下:Q.C。字字字冬冬gggnnnnnnnnn厂厂厂盯盯二犷犷犷犷lllll22222nnn.l完全混合池如图4所示,段仪应器出水中量回流到进水管巾.设回流比为介~,将q的流夕或,。Q,CQ,C。!Q·c曝气池犷卜丁~*!}`工j低图伙分散进水的串联完全混合池设1丫飞中,,、表示陀个完全混合池串联时,C问流各池的有效祥人、各池的进水量都等于7二则各池停留时洲打勺27叹夕(8)事实上,进各池护l水流经受不同程度的处理,池}进水经全部处理,他艾进水经、一1池处理,池3进水经、一才池处理等,当各池的容积和反应速率常数都相等时,可以得出:图凡有回流的反应器按一级反应时,`弓出物料平衡式:心c。卡华一c(q一仁一心)一k以一O取丢一。,简化得:一’`、心”’叫’目’“({0)一令(宁(11)〔0了汁一沦(;:/口)(9)可见,其去除率的总容积相同的一单个完全混合池相同,从而串联池的优点消失,因此必须注意进出水管线布耸,以达到串联池的作用。在废水生物处理时,有时为减轻第一池的负荷,而将废水在曝气池中分散进.人,或为不均匀进水,以乎衡养料和微生物的比.例,并降低高峰需氧墩,这是由于一I二艺卜的需要.另当别论有回流的反应器八:_水下红缺三地区·j、一洲导废水处叩一回用件为冷却用水,为三比需要去除水中的磷等杂质,以防比热交换器表而社结垢或滋长微生物,投从形式上,式(}曰和无回流时的式(2)相同,但两者的速率常数无值不同。因回流比可在运转时调整,以改变反::仁器内的固体浓度,使速率常数控制的最大值,这是其特点。2.推流池停留时间`为:,:二生止乌,`拼-左l十方十片(12)回流比几一O,与无回流时的式日,相同。如回流比等于1,即I。。%回流,要求的处理效率90%时,则反应器体积比无回流时约增大到1.5倍。六减小,反应器容积随之八,、回流的推流池,其水卜J性能介几厂撰全混汗和尤混合之间,设一汁“`川灾设段分仁,攻果好的囚液分离装置,以保证最小的回流比,并保持反应器内所需的固体浓度任意流反应器给水和废水处理中使用的咬_应器,几乎可以说没有一个具备三全红片式或推流式的水力特征,通常水流性三丽总是偏离理想的混合流或推流,因而达不到理论去除率。这种介一于完全混合流和推流之间的反应器,称为任意流反应器。偏离理想推流的原因,在于净水构筑物内存在短流、死角和水流分散短流现象是反应器内一部分水流的停留时间小于一千均停留时间,而另一部分水流停留时间很长:短形沉淀池、过滤柱和曝气他等常因进出口布置不当而出现短流,沉淀池出口大量带出悬浮固体就是由于短流引起。矩形沉淀池中存在水流停滞区或死角,该处水流停留时间很长,影响到反庆器容积的充分利用。分散主要发生在渠式或管式推流池中,表现为因紊流扩散引起纵向混合,从而破坏了推流池的流速分布,水流不再呈活塞状流动为了应用反应器原理来分析介于完全混合流和推流之间的任意流性能,可用分散数D/此的概念,分散数是一个无因次数,其中D为分散系数,。为反应器内流速,L为反应器长度。推流池或无穷多个完全混合池串联时,分散数为零,完全混合池的分散数为无穷大。一般,当水处理构筑物的分散数二共簇。,:时,接近推’`-一一~’`气“`~”咨`’~~、忍L\-一一J,一一J卜L流。轰一3一”时接近完全混合流。据测定,若干水处理构筑物的分散数范围如表3所示。水处理构筑物的分散数范围表3、。是父数恨括示六试验时出水