當(dāng)代給水與廢水處理原理-高良敏-常規(guī)分離過程與膜分離

1、第五章 常規(guī)分離過程與膜分離,南昌航空大學(xué)環(huán)化學(xué)院,主講人：段吳燕,第五章 常規(guī)分離過程與膜分離,,常規(guī)分離過程,,,凝聚與絮凝,,基本概念膠體顆粒的基本性質(zhì)絮凝動(dòng)力學(xué)水處理中的凝聚與絮凝,沉淀實(shí)驗(yàn),離散顆粒的沉淀試驗(yàn)絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)Kynch的沉淀理論,,濃縮池,,利用Kynch理論確定濃縮池面積利用固體通量曲線確定濃縮池面積,濾床過濾,,濾床過濾的流體力學(xué)水處理中的濾床過濾,膜分離,,膜分離法

2、概述反滲透超濾膜生物反應(yīng)器,本章結(jié)構(gòu)框架,第一節(jié) 凝聚與絮凝,混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝， 是凝聚和絮凝的總稱。凝聚：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。相當(dāng)于給水處理中加藥混合后的極端一段時(shí)間，可能在一秒鐘以內(nèi)。絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集稱為絮凝。主要在絮凝設(shè)備中完成。本節(jié)主要涉及涉及：①膠體的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)；②絮凝動(dòng)力學(xué)；③水處理中的絮凝與凝聚。,5.1.1 基本概念,第一節(jié) 凝聚與絮凝

3、,5.1.2 膠體顆粒的基本性質(zhì),① 水處理中常見膠體：粘土顆粒（對(duì)于d<4μm），大部分細(xì)菌（0.2~80nm），病毒（10~300nm），蛋白質(zhì)。② 穩(wěn)定性：膠體顆粒在水中保持分散狀態(tài)的性質(zhì)。③ 憎水性膠體，親水性膠體或介于兩者之間。④ 對(duì)憎水性膠體，其穩(wěn)定性可用雙電層結(jié)構(gòu)來說明。 對(duì)于親水性膠體，其穩(wěn)定性主要由于它所吸附的大量水分子所構(gòu)成的水殼來說明。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,5.1.3 （憎水性）膠體的雙電

4、層結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性,① 固相表面對(duì)水中某種離子的特異吸附；（例：AgI膠體顆粒表面電勢(shì)決定Ag+離子在溶液中的活度。）② 極難溶的離子型晶體與它溶解下來的離子產(chǎn)物之間有一平衡關(guān)系，（這一平衡關(guān)系由溶度積來確定），這使得晶體表面有了一定符號(hào)的電荷。鐵、鋁、氫、氧化物顆粒表面電荷可以是依此機(jī)理產(chǎn)生的。由于金屬氧化物或氫氧化物的溶解沉淀反應(yīng)與溶液pH值有關(guān)，因此，這類顆粒的表面電荷和電勢(shì)受pH控制；,1．顆粒表面電荷的產(chǎn)生 水中膠

5、體表面都帶有電荷，在一般水質(zhì)中，粘土、細(xì)菌、病毒等都是帶負(fù)電的膠體。而氫氧化鋁或氫氧化鐵等微晶體都是帶正電的膠體，其表面電荷的產(chǎn)生有如下四個(gè)機(jī)理：,第一節(jié) 凝聚與絮凝,③ 顆粒表面離子化官能團(tuán)的離解，特別是高分子有機(jī)物因其極性 能團(tuán)的酸堿離解而使表面帶上電荷；（受pH控制）（如蛋白質(zhì)：COOH – R – NH2） ④ 某些離子型晶體（結(jié)晶物質(zhì)）的Schottky缺陷在晶體表面產(chǎn)生過量的陽或陰離子，而在其表面呈帶正電或負(fù)電。

6、（粘土及其它鋁硅酸鹽礦物晶體的表面電荷成因）,以上四個(gè)機(jī)理不是截然可分的，不同情況下由其中一個(gè)或幾個(gè)機(jī)理起作用。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,圖5-1 膠體的雙電層結(jié)構(gòu),2. Gouy-Ghapman擴(kuò)散雙電層理論,,第一節(jié) 凝聚與絮凝,雙電層一般包括內(nèi)層和外層兩部分，內(nèi)層為Stem吸附層，外層為離子擴(kuò)散層。擴(kuò)散雙電層的電勢(shì)分布：

7、 （5- 1） 對(duì)于球形顆粒的擴(kuò)散雙電層電勢(shì)分布： （5- 2）,,,,第一節(jié) 凝聚與絮凝,3. Stem-Grahame 吸附層,在顆粒表面與擴(kuò)散雙電尼之

8、間存在一離子的專屬吸附層。由于強(qiáng)的靜電作用和表面對(duì)離子的專屬吸附力，使離子束縛在這一吸附層中。當(dāng)表面吸附過量的反離子時(shí)可引起顆粒表面電荷變號(hào)。在吸附層中存在兩個(gè)與表面平行的平面，即內(nèi)Helmholtz面（IHP）和外Helmholtz面（OHP）。OHP面是擴(kuò)散雙電層的起點(diǎn)。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,,圖5-2 Stem-Grahame雙電層模型示意圖,負(fù)電荷表面吸附陰離子,正電荷表面過量地吸附了反離子（負(fù)離子）,第一節(jié) 凝聚與絮凝,在

9、顆粒表面與IHP平面間和在IHP平面與OHP平面間的電位降呈線性規(guī)律。,,,（5- 4）,（5- 3）,σ0+σ1+σd=0 （5- 5）,式中：ψ0、ψi、ψd分別為顆粒表面、IHP面和OHP面處的電勢(shì)；σ0、σ1、σd分別為該三處的表面電荷密度；C1、C2分別為上述兩個(gè)平行板電容器的電容,第一節(jié) 凝聚與絮凝,4. 憎水膠體的穩(wěn)定與脫穩(wěn),膠體顆粒表面存在雙電層是其保持穩(wěn)定的重要原因。當(dāng)

10、兩個(gè)顆粒足夠靠近以致擴(kuò)散雙電層相重疊時(shí)它們之間產(chǎn)生靜電排斥力。,圖5-3 兩平板雙電層疊加示意圖,第一節(jié) 凝聚與絮凝,,邊界條件為：在z＝0和x＝h時(shí)ψ=ψ0。x＝h/2時(shí)， 。由此得兩平行平板中間位置處（x=h/2）的電位：,,（5- 6）,兩平板間可列靜電力和靜水壓力之間的平衡方程，即：,,（5- 7）,式中：P為平板間的靜水壓強(qiáng)；ρ為平板間空間電荷密度；ψ為平板間電勢(shì)分布。,,（5-8）,第一節(jié) 凝聚與

11、絮凝,,（5-9）,,在x=h/2時(shí)， 。因此，該處只存在靜水壓強(qiáng)（Pm）。兩平板因擴(kuò)散雙電層疊加產(chǎn)生的靜電斥力（Fdl）就等于(P m—P0)之差，即：,,（5- 10）,兩平板間范德華引力勢(shì)能 ：,,（5- 11）,圖5-4 膠體化學(xué)勢(shì)能作用曲線示意圖,第一節(jié) 凝聚與絮凝,范德華引力是顆粒凝聚或平板間粘附的主要作用力。靜電雙電層斥力部分地甚至全部地抵消范德華引力的作用，而使顆粒保持穩(wěn)定。靜電雙電層

12、作用勢(shì)能VDL和范德華引力勢(shì)能VL0的合成稱為相互作用勢(shì)能。,,一般存在一極大值Vm稱為斥能峰。這樣，當(dāng)兩個(gè)顆粒在靠近斥能峰時(shí)，在靜電斥力作用下將重新分開，不能發(fā)生凝聚。,,第一節(jié) 凝聚與絮凝,結(jié)論：① 根據(jù)膠體化學(xué)作用勢(shì)能曲線的變化趨勢(shì)，擴(kuò)散雙電層厚度大致可取為1/k的3倍。因此，較強(qiáng)的膠體化學(xué)相互作用將發(fā)生在6/k的距離范圍之內(nèi)。② 范德華引入勢(shì)能曲線決定于Hamaker常數(shù)值，因此對(duì)給定的膠體顆粒間的相互作用，它是不變的。然而

13、，雙電層作用勢(shì)能曲線卻隨著溶液條件的變化而變化。這是因?yàn)樵搫?shì)能決定于n0和k-1等受溶液條件控制的參數(shù)。③ 當(dāng)雙電層作用足夠強(qiáng)烈時(shí)，VT-h曲線上存在一正的極大值Vm，見圖5-4中曲線1。隨著雙電層作用減弱，即雙電層作用勢(shì)能曲線下移，極大值減小以致最終消失成為負(fù)值，見圖5-4中曲線2。這時(shí)，顆粒間將發(fā)個(gè)脫穩(wěn)而凝聚。水處理中的混凝過程就是為了實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,5. ζ電勢(shì),由上述討論可以得出：① 膠體顆粒在水中．由

14、于表面官能團(tuán)的解離，電勢(shì)決定離子的吸附以及晶格缺陷等原因產(chǎn)生表面電荷及電勢(shì)。顆粒表面電荷大部分情況受水的pH控制，并存在一電荷零點(diǎn)的pH（PH0）。② 固液界面處靜電場受到吸附層中的吸附反離子和擴(kuò)散層中的反離子的屏蔽作用。吸附層內(nèi)電勢(shì)導(dǎo)線性降低而擴(kuò)散層的電勢(shì)則呈指數(shù)函數(shù)降低。③ 影響膠體顆粒穩(wěn)定件的主要參數(shù)是擴(kuò)散層電位ψd和厚度（由參數(shù)k-1代表）。增加溶液離子強(qiáng)度可使k值增大，表現(xiàn)為擴(kuò)散雙電層變薄。當(dāng)吸附層內(nèi)過量吸附反離子可引

15、起電荷反號(hào)，使表面電位ψ0與擴(kuò)散電位ψd符號(hào)相反。這些都會(huì)引起肢體顆粒脫穩(wěn)而凝聚。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,ζ電勢(shì)的大小和符號(hào)與擴(kuò)散層電勢(shì)ψd相近。 ζ=ψd （5- 14）,當(dāng)對(duì)電泳槽兩端施加直流電壓時(shí)，可通過顯微鏡觀測(cè)到電泳槽中膠體顆粒在水中向正極（帶負(fù)電膠體

16、）或負(fù)極（帶正電膠體）運(yùn)動(dòng)的遷移率。顆粒電泳遼移率uc定義為 ：,,（5- 15）,uc與ζ電勢(shì)的關(guān)系為 ：,,式中，ξ為水的介電常數(shù)；μ為水的粘度；f（ka）為修正系數(shù)。a為顆粒半徑。,（5- 16）,第一節(jié) 凝聚與絮凝,電解質(zhì)對(duì)親水膠體起凝聚作用的特點(diǎn)：第一，離子的價(jià)數(shù)對(duì)凝聚無重要作用；例如，帶負(fù)電的膠體明膠分子，加氯化鈉不沉淀，加氯化鈣同樣也不沉淀。第二，使親水膠體凝聚沉淀出來起重要作用的是陰離子，陰離子個(gè)僅對(duì)帶正電的親水肢體

17、起凝聚作用，同樣也對(duì)帶負(fù)電的親水膠體起凝聚作用。陰離子起凝聚作用的 Hofmeister 順序：,,,,， 檸檬酸根， 酒石酸根，CH3COO-，Cl-， ，Br-，I-,各種陽離子起凝聚作用的能力差別，不如陰離子那樣明顯。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,憎水膠體間的互凝沉淀,親水膠體間的互凝沉淀,同帶相反電號(hào)的親水肢體互相凝聚而沉淀,正負(fù)離子相中和而沉淀,帶正電膠體與帶負(fù)電的膠體互相凝聚,兩

18、種帶負(fù)電荷的親水肢體混合后，其中一種沉淀出來而只一種保持分散,帶帶負(fù)電荷的強(qiáng)親水膠體與帶正電荷的強(qiáng)親水膠體混合而不凝聚,第一節(jié) 凝聚與絮凝,5.1.4 絮凝動(dòng)力學(xué),1. 三種物理傳輸過程 :,同向絮凝,差降絮凝,異向絮凝,膠體顆粒由于布朗運(yùn)動(dòng)相碰而凝聚的現(xiàn)象（這里指顆粒已處于脫穩(wěn)狀態(tài)，所以相碰后可粘在一起）在膠體化學(xué)中稱為異向絮凝。,使細(xì)小顆粒凝聚主要靠攪拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗運(yùn)動(dòng)來使顆粒凝聚．速度太慢，不能單獨(dú)使用；其二是

19、，顆粒相碰凝聚逐漸長大后，布朗運(yùn)動(dòng)就會(huì)停止，相碰的機(jī)會(huì)就會(huì)降得很低，凝聚過程就會(huì)停止。這種藉攪拌使膠體顆粒相碰后的凝聚作用稱為同向絮凝。給水處理中的絮凝池即為體現(xiàn)同向絮凝的設(shè)備。,對(duì)于兩種不同尺寸的顆粒之間的絮凝，除同向、異向絮凝之外，還存在著所謂差降絮凝。大的顆粒以較快速度下降過程中，能趕上沉速較小的小顆粒，因而發(fā)生碰撞，產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,2. 異向絮凝,（5-17）,式中：n為t時(shí)刻的顆粒濃度；n0為顆粒的初始濃度

20、；ap為顆粒間粘附效率因數(shù)；μ為水的粘度；k為Boltzmann常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。,粘附效率因數(shù)ap與斥能峰Vm及擴(kuò)散雙電層厚度k-1有關(guān)。壓縮雙電層和降低ζ電勢(shì)從而降低斥能峰可使ap值提高。,（5-20）,（5-19）,第一節(jié) 凝聚與絮凝,3. 同向絮凝,水中兩種顆粒由于攪拌作用，在每秒鐘內(nèi)相碰Jij次：,表明：每秒鐘每立方米水中兩種顆粒相碰的次數(shù)與攪拌產(chǎn)生的速度梯度成正比。n個(gè)顆粒的半衰期：,（1）加大攪拌所產(chǎn)生的速度梯度du/

21、dz可以縮短t1/2 ， 但它所起的作用并不太大；（2）同樣數(shù)日的大顆粒與小顆粒相比，其t1/2相關(guān)的數(shù)量級(jí)為(d大/d小)3；（3）在攪拌的過程中，隨著顆粒的不斷長大， t1/2也就迅速縮短；（4）如果在攪拌開始，就有較大的顆粒存在，總的顆粒數(shù)下降速度必然會(huì)很快。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,反應(yīng)器中利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行攪拌，產(chǎn)生速度梯度G：,（5-21）,（5-22）,時(shí)間tn用T表示，與G相乘則得—個(gè)無量鋼數(shù)GT數(shù)：,GT數(shù)反映了在時(shí)間T時(shí)顆

22、粒數(shù)n的值，也反映了顆粒的大小。,,,,第一節(jié) 凝聚與絮凝,4. 差降絮凝,結(jié)論：① 顆粒直徑越小，擴(kuò)散傳遞速率越大。② 對(duì)于大顆粒，速度梯度傳遞相差降傳遞作用為主，而且顆粒直徑越大，這些作用越顯著。③ 存在一個(gè)特定的顆粒直徑使傳遞速率最小。,傳遞速率應(yīng)為擴(kuò)散、梯度和差沉傳遞速率的疊加： Km=kD+kI+kS

23、 （5-23）,總的絮凝速率常數(shù)： kT=kma （5-24）,絮凝速率：,（5-25）,第一節(jié) 凝聚與絮凝,5.1.5 水處理中的絮凝與凝聚,1. 水處理中的混凝特點(diǎn),（1） 水處理要求顆粒盡快長大到一定的粒度，以便能從沉淀設(shè)備中去除掉．而膠體化學(xué)往許只是在燒杯中的—種

24、試驗(yàn)，沒有對(duì)于粒度和沉淀時(shí)間的較嚴(yán)格要求。（2）絮凝的顆粒是一個(gè)很復(fù)雜的體系，而膠體化學(xué)所研究的，一般都是單一的膠體，顆粒大小基本是均勻的，這種差別特別大。（3） 由于有機(jī)和無機(jī)混凝劑的使用，水處理中的凝聚與絮凝機(jī)理要比壓縮雙電層脫穩(wěn)凝聚機(jī)理復(fù)雜得多。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,2. 常用的混凝劑,第一節(jié) 凝聚與絮凝,3. 凝聚和絮凝過程的四種作用,（1）雙電層壓縮：膠體化學(xué)中雙電層壓縮專指金屬離子對(duì)于帶負(fù)電憎水膠體的作用，在水處理中，這

25、相當(dāng)于混凝劑所離解的Al3+和Fe3+的作用。但脫穩(wěn)凝聚不只是Al3+和Fe3+的作用，所有中間產(chǎn)物中的帶正電的高價(jià)離子，也同樣能起到促使膠體脫穩(wěn)凝聚的作用。（2） 吸附中和：指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷的聚合離子、高分子物質(zhì)、膠粒等，來降低ζ電位。其特點(diǎn)是：當(dāng)藥劑投加量過多時(shí)，ζ電位可反號(hào)。（3）吸附架橋：吸附架橋作用是指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋。（4）絮體網(wǎng)捕：金屬氫氧化物在形成過程中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕與卷掃。所需

26、混凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比，即當(dāng)原水膠體含量少時(shí)，所需混凝劑多，反之亦然。,包括兩種情形：第一種情形指高分子絮凝劑把許多較小的膠體吸附起來，形成更大的顆粒。第二種情形是指，在兩個(gè)大的同號(hào)膠體中間，由于有一個(gè)較小的異號(hào)膠體而連在一起。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,4. 無機(jī)混凝劑,對(duì)于某一種原水，①一個(gè)最佳的劑混凝劑量，最佳劑量可獲最佳的混凝效果，處理后水的殘余濁度最低。②每一種混凝劑都有一個(gè)使用的PH范圍。,無機(jī)混凝劑的最佳劑量的確定主要

27、靠燒杯實(shí)驗(yàn)。輔助手段有：顆粒電泳測(cè)定，尺寸分布測(cè)定及可濾性測(cè)定。,投加混凝劑的劑量與原水濁度和TOC有密切關(guān)系 。,無機(jī)高分子絮凝劑,聚合鋁,聚硅酸鋁鹽,是人工控制設(shè)備下制備的鋁鹽水解聚合-沉淀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的中間產(chǎn)物。聚合鋁中最佳凝聚形態(tài)主要是由Ferron逐時(shí)絡(luò)合比色法測(cè)定的Alb或Al27及核磁共振法（NWR）所檢測(cè)的A113O4(OH) 247+形態(tài)（簡稱Al13），其含量的多少大致反映出產(chǎn)品的絮凝效能。,是另一類新型無機(jī)高

28、分子混凝劑，是在活化硅酸（即聚硅酸）及鋁鹽混凝劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的聚硅酸與鋁鹽的復(fù)合產(chǎn)物。帶有負(fù)電荷的聚硅酸具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量，對(duì)水體中的膠粒具有很強(qiáng)的吸附架橋能力；而鋁鹽在水溶液中水解可形成系列帶有正電荷的水解羥基鋁離子．具有較強(qiáng)的電中和能力。把二者復(fù)合成一種產(chǎn)品，可使其成為同時(shí)具有電中和作用及吸附架橋能力的無機(jī)高分子混凝劑。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,5. 加藥混合與絮凝池設(shè)計(jì),Kolmogoroff渦旋微尺度：,,（5-26）,,式

29、中，ε為單位質(zhì)量的流體在紊流中的能量耗散；v為水的運(yùn)動(dòng)粘度，且v＝μ/ρ。,,（5-27）,,微尺度η大于顆粒直徑d1的1.33至2倍時(shí)，碰撞速率最小，在選擇 值時(shí)應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。對(duì)于絮體網(wǎng)捕凝聚過程，高 值使停留時(shí)間可以縮短，這是比較經(jīng)濟(jì)的。,混合設(shè)備中紊流的平均速度梯度 亦與能量耗散ε和水的運(yùn)動(dòng)粘度v有定量關(guān)系 ：,通過控制 值就可以調(diào)整渦旋微尺度η的長短。,第一節(jié) 凝聚與絮凝,絮凝池的設(shè)計(jì)：

30、,（1）原水顆粒物質(zhì)尺寸廣泛分布 ：,,（5-28）,式中，ni、nj分別為i級(jí)顆粒和j級(jí)顆粒的濃度；β(i,j)為i級(jí)顆粒與j級(jí)顆粒間絮凝的速率常數(shù)；β(i,k)為j級(jí)顆粒與k級(jí)顆粒間絮凝速率常數(shù)。上式可理論上計(jì)算出任意時(shí)刻絮凝池內(nèi)顆粒尺寸分布以及它們的濃度。,（2）顆粒尺寸,,微小顆粒以擴(kuò)散傳遞為主，溫度控制很重要。大顆粒以流速梯度和差降傳遞為主， 值的正確選擇及增加絮體的密實(shí)程度很重要。,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),5.2.1

31、基本概念,如果顆粒在整個(gè)沉淀過程中由于絮凝作用而不斷結(jié)成新的、粒度較大、沉淀較快的顆粒，從而原始的顆粒不復(fù)存在時(shí)，則稱為絮凝顆粒。經(jīng)過混凝過程的懸浮物以及活性構(gòu)泥的絮體，都屬于絮凝顆粒。,在沉淀過程中，顆粒保持其原始的大小形狀，彼此間不發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象時(shí)，稱為離散顆粒。泥砂大都是屬于離散顆粒一類。,,,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),5.2.2 離散顆粒的沉淀實(shí)驗(yàn),1. 離散顆粒的沉淀試驗(yàn)在圓管內(nèi)進(jìn)行。整個(gè)水深中懸浮物的百分?jǐn)?shù)為：,,（5- 29）,

32、2. 沉淀試驗(yàn)的兩條重要性質(zhì)：① 沉淀試驗(yàn)的高的h可以選用任何值，對(duì)于沉淀去除百分?jǐn)?shù)并不發(fā)生影響；② 當(dāng)沉淀管高度h與沉淀他的水深一樣時(shí)，t*即等于活塞流沉淀他的停留時(shí)間，v*為從水面能夠100％地去除的最小顆粒的沉降速度。,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),3. 沉淀試驗(yàn)的P-v曲線實(shí)際上是懸浮物粒度的分布曲線.,圖5-5 沉淀試驗(yàn)的P-v曲線,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),4. 活塞流模型,用活塞流模型表示沉淀池中懸浮顆粒下沉的軌跡，如圖5-6所示：,圖5

33、-6 活塞流沉淀池模型,位于水面能夠100％地去除的最小顆粒沉速v*實(shí)際就是沉淀池的設(shè)計(jì)溢流率（也稱表向負(fù)荷或過流率）。,,,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),5.2.3 絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn),1. 離散顆粒的去除百分?jǐn)?shù),圖5-7 離散顆粒的去除百分?jǐn)?shù),,當(dāng)去沉淀時(shí)間為t*時(shí)去除懸浮物的百分?jǐn)?shù)可表示為：,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),2. 絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù),由于顆粒在下沉的過程中不斷與其它顆粒相碰而粘結(jié)在一起，粒度不斷加大，沉降速度也就不斷加大，下沉的軌

34、跡線，即去除百分?jǐn)?shù)線 等曲線，必然是一條曲線，而不是直線。,圖5-8 絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù)等值線,,去除的百分?jǐn)?shù)表示為：,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),5.2.4 濃懸浮液的沉淀試驗(yàn),沉淀過程中，清水區(qū)高度逐漸增加，壓實(shí)區(qū)高度也逐漸增加．而等濃度區(qū)的高度則逐漸減小，最后不復(fù)存在。變濃度區(qū)的高度開始是基本不變的，但當(dāng)?shù)葷舛葏^(qū)消失后，也就逐漸消失。變濃度區(qū)消失后，壓實(shí)區(qū)內(nèi)仍然繼續(xù)壓實(shí)，直至這一區(qū)的懸浮物達(dá)到最大密度為止。當(dāng)沉降

35、達(dá)到變濃度區(qū)剛消失的位置時(shí)，稱為臨界沉降點(diǎn)。整個(gè)沉降過程各區(qū)的變化見圖5-9。,1. 濃懸浮液的沉淀,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),圖5-9 濃懸浮液的沉淀過程,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),2. 固體通量曲線,圖5-10 固體通量曲線,固體通量φ的定義為：,,（5- 30）,當(dāng)ρρi時(shí)， 值為負(fù)，但其絕對(duì)值隨ρ值增加而減小。,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),5.2.5 Kynch的沉淀理論,懸浮液的濃度分布包括連續(xù)均勻的、從頂部到底部連續(xù)增加的以及含有不連續(xù)

36、濃度的三種情況。Kynch理論中有關(guān)連續(xù)均勻的懸浮液濃度的部分后來成為濃縮池設(shè)計(jì)的基本理論。Kynch沉淀理論的基本假定：（1）在總浮物區(qū)的任何水平層內(nèi)，懸浮物的濃度是均勻的，這一水平層內(nèi)的全部顆粒以同樣的速度下沉。顆粒形狀、大小以及成分的任何差別都不會(huì)改變這一性質(zhì)。（2）顆粒的下沉速度只是顆粒附近局部懸浮物濃度的函數(shù)。（3）整個(gè)沉淀高度的初始濃度為均勻的，或者是沿深度逐漸增加的。,1. Kynch理論介紹,（5- 31）,第

37、二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),上式中d h/dt代表位于高度h處，濃度ρ為常數(shù)的面的運(yùn)動(dòng)速度v，按上述假定①，d h/dt即為這一等濃度面內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的速度。,圖5-11 ρ>ρi的濃度傳播過程線,在懸浮物區(qū)高度h處的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律:,當(dāng)ρi>ρ>ρm時(shí)，斜率dφ/dρ為負(fù)值，等濃度面的運(yùn)動(dòng)速度dh/dt必然為正值，因此h高度隨時(shí)間增加，說明等濃度面應(yīng)該以等速度上升。等濃度面高度h的變化與時(shí)間t的關(guān)系可以表示為通過原點(diǎn)0、斜率為v與沉淀

38、過程線相交的—段直線。特殊情況：在這一區(qū)內(nèi)只有一條拐點(diǎn)為ρi的濃度上升的過程線，這一條直線實(shí)際也是ρ>ρi區(qū)的一族等濃度上升過程射線的邊界線。,當(dāng)0<ρ<ρm時(shí)，斜率dφ/dρ為正值，則dh/dt為負(fù)值，因此h高度是隨時(shí)間而降低的，說明等濃度面應(yīng)該下沉。由于dφ/dρ為已給濃度ρ的斜率，是一個(gè)定值，則等濃度向下沉的速度v也必然是一個(gè)常數(shù)，這就從理論上說明了實(shí)際中所觀察到的等濃度面下沉速度不變的現(xiàn)象。,當(dāng)ρ>ρi時(shí)

39、，斜率dφ/dρ為負(fù)值，但dφ/dρ的絕對(duì)值是隨濃度的增加而降低的。在這一區(qū)內(nèi)，每一個(gè)濃度都能夠從管底開始，以其所特有的上升速度dg/dt上升，最后都能達(dá)到懇浮物區(qū)表面，互不干擾。因而出現(xiàn)一族以0為原點(diǎn)的射線，如圖所示。,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),2. Kynch理論應(yīng)用,圖5-12 公式推導(dǎo)圖示,,當(dāng)大于ρP的一個(gè)濃度ρ0的沉淀過程線已知后，通過這一曲線上的不向點(diǎn)作切線，可求出高于ρ0濃度的等濃度沉淀速度up，因此，由一個(gè)ρ0濃度的沉淀試驗(yàn)的

40、資料就可能得出從ρ0到ρ∞的固體通量曲線φ-ρ來,在初始濃度ρ0>ρi的沉淀過程線上等濃度區(qū)消失后的某一點(diǎn)P（濃度為ρP）作切線。與沉淀水深OA線交于B點(diǎn)，令OA及OB的高度分別為h0及h p，則： 在高度h0內(nèi)均勻濃度為ρ0的懸浮物總量，與高度為h p內(nèi)均勻濃度為ρP的懸浮物總量完全相等。,第二節(jié) 沉淀實(shí)驗(yàn),圖5-13 相似關(guān)系公式推導(dǎo)圖示,,不同水深的等濃度沉淀過程線間存在相似關(guān)系。如圖5-13所示，A1P1Q1及A2P2

41、Q2分別為水深h1及h2的等濃度ρ0的沉降過程線，由時(shí)間零點(diǎn)O引OP2P1及OQ2Q1分別與A2P2Q2及A1P1Q1，交于P2、Q2及P1、Q1兩點(diǎn)。則存在下列相似關(guān)系：,第三節(jié) 濃縮池,5.3.1 基本內(nèi)容,1. 定義：處理高濃度懸浮物液體的設(shè)備。2. 功能：雙重功能。一個(gè)是在池子上部生產(chǎn)清液，其流量稱為溢流流量；另—個(gè)是從池子底部排出濃縮液，這部分流量稱為底流流量。水處理中，一般用濃縮池來獲得澄清水，底流屬于廢棄部分。其它工

42、業(yè)中往往利用濃縮池來獲取濃縮液，以回收其中所含固體物質(zhì)，清液則屬于廢棄部分。僅水處理中也利用濃縮池來濃縮污泥。3. 濃縮池的設(shè)計(jì)：包括確定它的面積及深度。最主要的是確定面積。確定濃縮池面積的方法有兩個(gè)。一個(gè)是利用沉淀過程曲線結(jié)合Kynch理論來定面積；另一個(gè)是利用固體通量曲線來定面積。,第三節(jié) 濃縮池,4. 工作過程：,圖5-14 濃縮池的工作過程,液體流量及固體流量的衡算關(guān)系分別為:,,,Q0、Qe及Qu分別為進(jìn)水、溢流及底流的

43、流量;ρ0、ρe及ρu，分別為進(jìn)水、溢流及底流中的懸浮物濃度。,濃縮池與一般沉淀池不同之處也在于：圖5-14（b）所示的濃度分布特點(diǎn)。這個(gè)縱向濃度分布圖反映了整個(gè)池子所容納懸浮物的總量。這樣，不斷進(jìn)入池子的懸浮物就必須不斷地完全排掉。,第三節(jié) 濃縮池,5.3.2 利用Kynch理論確定濃縮池面積,圖5-15 沉淀過程曲線的應(yīng)用,,Si及Su分別為斷面處液體及底流液體的相對(duì)密度。Su/ρu為給定值，Si/ρi值和vi值都隨濃度ρi的增加

44、逐漸減小，可知面積Ai是變化的。存在—個(gè)極大值A(chǔ)imax，即為濃縮池所需的面積。,第三節(jié) 濃縮池,5.3.3 利用固體通量曲線確定濃縮池面積,圖5-16 φt-ρ曲線,用固體通量求濃縮池面積的方法可以總結(jié)為：① 由試驗(yàn)得到懸浮物濃度ρ與相應(yīng)沉淀速度V的資料；② 選用底流速度u；③ 按圖5-27作φt-ρ曲線；④ 求出最小固體通量φmin值及相應(yīng)的底流濃度ρu；⑤ 濃縮池面積A應(yīng)大于Q0ρ0/φmin。,1. 方法一：,第三節(jié)

45、濃縮池,2. Yoshioka求φmin法：,圖5-17 Yoshioka求φmin法,如圖5-17，圖中只用了φb-ρ曲線，然后在濃度軸上取底流濃度值，得ρu點(diǎn)。從ρu點(diǎn)在φb曲線極小值點(diǎn)一側(cè)作切線，延長這條切線與φ軸所得的交點(diǎn)即φmin值。這樣，一次作圖可定的φmin值 。,第四節(jié) 濾床過濾,5.4.1 濾床過濾的流體力學(xué),定義：濾床過濾是通過原水流經(jīng)孔隙濾床使水中顆粒物質(zhì)沉積在濾料表面而被去除。濾床屬于一種孔隙介質(zhì)。主要參數(shù)：

46、水頭損失H和出水水質(zhì)（出水顆料濃度n或濁度）。懸浮顆粒在濾床中沉積和所導(dǎo)致的濾床水頭損失的增長都與孔隙濾床中的流體力學(xué)特性密切相關(guān)。即使按濾速為20m/h計(jì)算，孔隙濾床屬低流速流動(dòng)。流態(tài)為層流，符合Darcy定律：,,（5- 34）,式中△p為濾層厚度為△L的壓強(qiáng)差；K為孔隙濾床的滲透系數(shù)，它主要與孔隙率f和濾料直徑d*有關(guān)。,第四節(jié) 濾床過濾,3. 兩種孔隙介質(zhì)流態(tài)的模型：一種是常用的Kozeny-Carman模型。認(rèn)為孔隙介質(zhì)

47、是由不同彎曲和形狀的孔道組成，其流態(tài)基于直圓管內(nèi)的Poiseuille流動(dòng)方程來分析；另一種是Happel模型，集中分析單個(gè)球形濾料的粘性流場。,,,孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù) ：沿濾床深度的水頭損失：,式中：△H為濾床深度；△L 為水頭損失；ρ1為水的密度；g為重力加速度；U為濾速；rs為濾料顆粒的半徑。上式表明，濾床水頭損失與濾料直徑的平方成反比，與濾速U和（1-f）2/f3值成正比。該式只適于清潔濾床或過濾初期的情況。,,,滲

48、透系數(shù)K與孔隙率f關(guān)系為：濾層的水頭損失為：,對(duì)于濾床孔隙率f=0.4～0.7時(shí)，Kozeny-Carman模型與模型與Happel模型對(duì)水頭損失的計(jì)算結(jié)果是一致的。由于Happel孔隙流態(tài)模型給出了單個(gè)濾料的流場的微觀理論描述，因而它可用來分析懸浮顆粒在濾料上沉積過程的機(jī)理。,第四節(jié) 濾床過濾,5.4.2 水處理中的濾床過濾,快濾池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行營理仍需要借助于半經(jīng)驗(yàn)的理論。這種理論是基于實(shí)驗(yàn)研究對(duì)過濾過程中水頭損失及出水濁度的變

49、化進(jìn)行規(guī)律性的總結(jié)獲得的，主要是建立水頭損失及出水濁度與濾床比沉積量σ之間的半經(jīng)驗(yàn)公式。從而定量地描述這些參數(shù)在過濾過程中的變化規(guī)律。濾床比沉積量σ：單位體積濾床中沉積的顆粒物質(zhì)的體積，是一無量綱參數(shù)。它隨著過濾時(shí)間t的延長而不斷增加。,隨著過濾的進(jìn)行，顆粒物質(zhì)不斷在濾床孔隙內(nèi)沉積改變了孔隙內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和顆粒傳遞效率，從而改變?yōu)V床水頭損失和去除顆粒物質(zhì)的效率。同時(shí)，隨著顆粒物質(zhì)的不斷沉積也改變了濾料表面狀態(tài)和性質(zhì)，從而也使粘附效率因數(shù)a

50、發(fā)牛了改變。,第四節(jié) 濾床過濾,1. 過濾的半經(jīng)驗(yàn)理論,濾床內(nèi)的質(zhì)量守恒關(guān)系：,（5- 59）,濾床出水濁度的殘余率以n/n0表示。它與過濾時(shí)間t構(gòu)成過濾的泄漏曲線：,圖5-18 典型的過濾泄漏曲線示意圖,Ⅰ段為濾床成熟期.經(jīng)過兩個(gè)峰值后濁度迅速下降，達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該段占整個(gè)過濾周期很小部分，可以忽略。,Ⅱ段為濾池有效運(yùn)行期。由于沉積到濾料表面的顆粒具有很高活性，能商有效地收集水中顆粒，因此，在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)能夠保證出水水質(zhì)。,隨著沉積

51、量不斷增加，孔隙內(nèi)流速逐漸增大，水力沖刷作用越來越強(qiáng)烈。使已沉積在濾料表面的顆粒解脫出來重新進(jìn)入水中的趨勢(shì)增強(qiáng)，到一定時(shí)候，出水濁度達(dá)到泄漏點(diǎn)，即最大的允許值。這時(shí)濾池必須停止運(yùn)行，進(jìn)行反沖洗的操作。,第四節(jié) 濾床過濾,據(jù)泄漏曲線所反映出的規(guī)律，可建立濾床系數(shù)λ與比沉積量σ的關(guān)系：,（5- 35）,式中：β，x，y，z為實(shí)驗(yàn)確定的參數(shù)； λ0為過濾初期濾床系數(shù)；σμ為飽和比沉積量。即濾池達(dá)100%泄漏率時(shí)的比沉積量。,濾床水頭損失H隨比

52、沉積量的增加而增加：,,（5- 36）,式中： 為過濾初期水頭損失； k為比例系數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定k與濾料直徑和濾速有關(guān)。,第四節(jié) 濾床過濾,2. 過濾的預(yù)處理,過濾工況條件除了濾床本身的狀態(tài)（濾床厚度、濾料直徑以及濾速等），還應(yīng)注意濾前水中顆粒物質(zhì)的最佳狀態(tài)。包括顆粒物質(zhì)的尺寸分布和表而電性兩方面。,濾前水中顆粒物質(zhì)達(dá)到最佳狀態(tài)要靠預(yù)處理來完成，而最重要的預(yù)處理手段是凝聚與絮凝，使原水中顆粒在混凝過程中形成大的絮體。然而過

53、大的絮體也是不可取的，因?yàn)樘蟮男躞w將被阻截在濾床表層，引起水頭損失迅速增長。同時(shí)，大的絮體不能通過孔隙而深入到濾床深層。這也不利于發(fā)揮整個(gè)濾床的截污能力。,對(duì)于成熟的濾床，在混凝操作中通過改變?cè)瘜W(xué)條件（如選擇最佳混凝劑和調(diào)整pH）以使顆粒脫穩(wěn)凝聚過程的σ值達(dá)到最佳，這對(duì)混凝預(yù)處理的要求比較簡單。只要在加藥混合和絮凝反應(yīng)等環(huán)節(jié)中達(dá)到了脫穩(wěn)凝聚的最佳條件，就滿足了過濾單元的要求。,第四節(jié) 濾床過濾,不同尺寸顆粒的傳遞效率與速率相差很大

54、。水中的顆粒尺寸分布都遵循指數(shù)法則：,（5- 37）,式中，n（di）是顆粒直徑為di的體積粒子數(shù)；Q，β都為常數(shù)，且對(duì)一種確定的原水或絮凝池出水β值是確定的。,β值的大小正好反映顆粒傳遞的不同機(jī)理。測(cè)定和控制β值在過濾預(yù)處理過程，即加藥混合、絮凝池以及沉淀池中的變化，將能更好地保持過濾池的有效運(yùn)行。原水的顆粒物質(zhì)的β值可通過對(duì)顆粒尺寸分布的測(cè)定來獲得。絮凝池和沉淀池出水的顆粒物質(zhì)的β值除可以直接測(cè)定外，還可運(yùn)用絮凝動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)

55、行預(yù)測(cè)，從而做到根據(jù)原水的β值及在預(yù)處理過程中β值的變化以確定過濾的最佳工況。,§5-13 膜分離法概述,1、定義膜分離法是微孔過濾、超濾、反滲透、滲析、電滲析方法的統(tǒng)稱。,2、幾種膜分離法 微孔過濾、超濾和反滲透是以壓力差作為驅(qū)動(dòng)力的膜分離法。 滲析是以濃度差作為驅(qū)動(dòng)力的膜分離法。 電滲析是利用離子交換膜對(duì)水中離子的選擇性，以電位差作為驅(qū)動(dòng)力的膜分離法。 其中電滲析、超濾、反滲透

56、是目前給水與廢水處理常用的三種膜分離法。超濾和反滲透的應(yīng)用范圍及工作壓力見圖5-46。,§5-13 膜分離法概述,3、半透膜 （1）半透膜是一種只能通過溶液中某種組分的膜。反滲透作用所用的濾膜就是半透膜，它厚約幾個(gè)?m到0.1mm，可以分為平膜和中空纖維膜兩種。 （2）半透膜的斷面分為表皮層、過渡層和多孔層三層。如圖5-47,§5-13 膜分離法概述,表皮層：一種微晶片結(jié)構(gòu)，含有結(jié)合

57、水。具有透水而又不被堵塞的特性。過渡層：一種凝膠體的海綿狀結(jié)構(gòu)，含有結(jié)合水和毛細(xì)管水。多孔層：一種凝膠體的海綿狀結(jié)構(gòu)，含有結(jié)合水和毛細(xì)管水，空隙大，起支撐 作用。,（3）膜的半透性的幾中解釋 第一種，篩除作用，即膜孔大小介于水分子與溶質(zhì)分子之間．因此水能透過，而溶質(zhì)不能透過。但這不能解釋鹽離子不能透過的原因，因?yàn)檫@些離子和水分子的大小基本—樣。 第二種，是在半透膜孔

58、的壁上吸附了水分子，因此堵塞了溶質(zhì)分子的通路，水分子可以自由運(yùn)動(dòng)通過膜孔，而溶質(zhì)分子則需要把水分子頂下來后才能通過，這需要較大能量，因此，在通常溶液的情況下就不能通過半透膜。 第三種，認(rèn)為膜的聚合物上有帶電荷部位，這些電荷阻擋了電解質(zhì)的離子通過，起了滲透膜的作用。但是，大多數(shù)的反滲透用膜，都不具有帶電荷部位。 第四種，有一種機(jī)理認(rèn)為是由于水能溶解于膜內(nèi)，而溶質(zhì)不能溶解于膜內(nèi)。 但是以上的四種都不能解釋全部滲透

59、現(xiàn)象。,§5-14 反滲透,1、滲透與滲透壓,如圖5-48所示，在聯(lián)通管中所裝的半透膜的兩邊分別裝不含溶質(zhì)的水和含溶 質(zhì)的溶液。水(溶劑)透過膜擴(kuò)散到溶液一側(cè)，結(jié)果使溶液一側(cè)的液面逐漸上升，直至達(dá)到某一水位高度的平衡狀態(tài)為止．此所謂滲透過程。,溶液滲透壓：阻止?jié)B透過程進(jìn)行所需外加的壓力或使純?nèi)軇┎幌蛉芤阂粋?cè)擴(kuò)散而必須外加在溶液上的壓力。,§5-14 反滲透,,,,理想溶液中水的化學(xué)位可以表示為：

60、 (5—131)式中： ?--------指定溫度、壓力下溶液中水的化學(xué)位?0-------指定溫度、壓力下純水的化學(xué)位R--------摩爾氣體常數(shù)(8.314J／mol·K)

61、 T--------熱力學(xué)溫度 x--------溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù) 由于x恒小于l，故式(5—131)右邊的第二項(xiàng)為負(fù)值，說明溶液中水的化學(xué)位?小于純水的化學(xué)位?0。于是，純水的分子通過膜向溶液一側(cè)滲透，或者水分子從低濃度溶液一側(cè)通過膜向高濃度溶液一例滲透，直至兩邊的化學(xué)位相

62、等，即在半透膜的兩邊產(chǎn)生滲透壓力∏為止。此時(shí)，溶劑與溶液達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。,滲透是一種自發(fā)過程。水分子從化學(xué)位(或化學(xué)勢(shì))較大的一側(cè)自動(dòng)流向化學(xué)位較小的一側(cè)，直到溶劑水的化學(xué)位在恒溫恒壓下與溶液中水的化學(xué)位相等為止。任何溶液都有滲透壓，只是在有半透膜存在的條件下，才能表現(xiàn)出來。出現(xiàn)滲透壓的原因可由化學(xué)熱力學(xué)來解釋。如下：,§5-14 反滲透,平衡時(shí)溶液中水的化學(xué)位?由下式表示：

63、 （5-132）式中： ----------水的偏摩爾體積，即在1mol溶液中，水組分所占的體積，單位L/mol 在滲透平衡時(shí)，?=?0，故得滲透壓力公式：

64、 （5-136）,,,,,,,,為清楚起見，溶液中水的摩爾分?jǐn)?shù)以x1 表示，溶液中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)以x2表示，則有 （5-138）

65、

66、 （5-139）,（5-137）,§5-14 反滲透,式中： n1, n2分別為1L溶液中水和溶質(zhì)的物質(zhì)的量，由此得

67、 (5-140) 展開 得 （5-141）因 n2<n1 , 因此可

68、忽略上式中的高階小項(xiàng)得 （5-142）于是式（5-137）可近似寫成 (5-143)在

69、稀溶液中，實(shí)際上即為溶液的體積V，所以式(5-143)又可寫成 (5-144) 式(5-144)的形式與

70、理想氣體定律的方程類似。事實(shí)上(5-144)最早是把水中溶解的顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)看作是與理想氣體的分子運(yùn)動(dòng)類比得出來的。 實(shí)際即為溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度，所以式（5-144）的另一種形式為 (5-145)