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1、给水排水工程讲稿（第17-18课时）第14章 给水处理概论主要内容v 水源水质 v 水质标准v 给水处理方法概述v 反应器理想反应器模型（图） 包括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）1、完全混合间歇式反应器（ CMB型）物料衡算式为：t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得： 设为一级反应，r（Ci）=kCi，则设为二级反应，r（Ci）=-kCi2，则2、完全混合连续式反应器（ CSTR型）物料衡算式为： 按稳态考虑，即 ，于是：设为一级反应， r（Ci）=kCi，则因 ，故3、推流式反应器（ PF型）现取长为dx的微元体积，列
2、物料平衡式： 稳态时， ，则x=0，Ci=C0；x=t，C=Ci，积分上式得 理想反应器的物质在不同反应级时的平均停留时间三、非理想反应器 1一般概念 PF型和CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。下图表示两种理想反应器自进口端至出口端的浓度分布。 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，故反CSTR型反应器生产能力低于PF型。 CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。实际反应器中流动状况由于流速分布不均匀造成流体在反应器内的停留时间有长有短；由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成流体粒子的混
3、合，从而使停留时间偏离理想流动的情况。造成流动状况偏离理想状况的原因有以下几个方面：+CSTR0图14-2推流式反应器内物料变化图 14-3理想反应器中浓度分布（1）滞留区的存在 滞留区是指反应器中流体流动极慢以至于几乎不流动的区域，因此，又称为死区。（2）沟流与短流的存在 在固定化细胞的反应器中，由于颗粒分布不均匀，形成低阻力通道，使部分粒子快速从此通道流过，形成沟流和短流。有沟流和短流的反应器E(t)分布存在两个峰。并且其平均停留时间小于设计的停留时间。（3）循环流的存在 E(t)分布有多峰现象。 对于非理想的实际反应器中的流动，我们可以用CSTR串联模型、轴向扩散模型和组合模型等模拟。一
4、维纵向分散模型的介绍（PFD） 其基本设想是在推流型模型的基础上加上一个纵向混合。纵向混合可以用纵向分散系数D1来表征它的特性：该模型假设：流体以恒定的流速通过系统；在垂直于流体的运动方向的横截面上径向浓度分布均一；由于分子扩散、涡流扩散以及流速分布而产生的扩散，仅发生在流动方向。根据以上假设，可建立轴向扩散模型的数学方程式。在水处理中，沉淀池、氯消毒池、生物滤池、冷却塔等，均可作为PFD型反应器来进行研究。第17章 过滤主要内容v 过滤概论 v 过滤理论v 滤料和承托层v 滤池冲洗v 普通快滤池v 无阀滤池v 其他形式滤池17.1 过滤概述 过滤：指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而
5、使水获得澄清的工艺过程。一、作用 进一步降低水的浊度。 水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。 为滤后消毒创造良好的条件，细菌等失去杂质保护易被杀灭。 二、分类1. 按滤速分为：慢滤池与快滤池2. 按滤料层结构：单层、双层和多层滤料3. 按水流流经滤层的方向：上向流、下向流等 4. 按阀门配置：四阀滤池（普通快滤池）、双阀滤池、无阀滤池、虹吸滤池、单阀滤池 5.按滤池运行方式：间歇式和连续式 6.按过滤驱动力：重力式和压力式 （一） 慢滤池 慢滤池是最早出现的用于水处理的过滤设备，能有效地去除水的浊度、色度、嗅和味。1慢滤池的构造 慢滤池为一个长方形池子; 上部清水层 1.2
6、1.5m; 滤层： 0.81.0m，粒径0.31.0mm； 承托层 ：0.5m,粒径132mm； 集水系统 ：0.81.0m。2慢滤池的工作过程 慢滤池的工作经历两个阶段： 滤层的成熟期：新投入运行的滤池，出水混浊，12个星期后，滤层表面生长一层致密的滤膜，出水变得清澈。滤膜是被截留的杂质，以及在其中藻类、原生动物、细菌等微生物生长繁殖的结果。滤层表面生成滤膜的过程，称为滤层的成熟过程。 过滤期：在过滤期间，水中的杂质被截留在滤膜上，使滤膜的阻力增大。当滤膜的阻力增大到使滤速减小时，停止过滤，人工将表层12cm的含泥膜砂层刮去，再进水进行过滤，进入下一个周期。工作原理 微生物分泌出起凝聚作用的
7、酶，它能压缩双电层，使杂质吸附在沙砾上，滤膜中的生物吞食细菌，滤膜中的藻类产生氧气，起氧化作用。3效果： 浊度可降到0； 能很好地去除水的色度、嗅和味，达到饮用水水质标准；很好的去除细菌，可以不消毒。 5. 优缺点 滤速慢：V0.10.3 m/h，生产效率低，占地面积大； 运行可靠，运行和维护费用低； 进水为自然沉淀后的水，一般不需要化学预处理； 13个月后堵塞，需将表层的砂刮走，重新形成滤膜，并重新补砂，添加新砂，操作麻烦； 寒冷季节时其表层容易冰冻。 表171 现代慢滤池的适用的进水条件与出水水质适用的进水条件出水水质细菌的去除效率颗粒物去除效率浊度10ntu以下；总大肠菌类101000个
8、/100mL；藻类不太多；10000人以下的给水处理小于1.0ntu总大肠菌类1个/100mL细菌总数99%能去除逗号弧菌(Vibrio comma)2.77mm 99%712mm99.9%较大颗粒99%99.9%虽然慢滤池的处理效果很好，但由于滤速太慢，不能满足生产要求，提高滤速，发展为快滤池，滤速可以达到810m/h。 但经过自然沉淀的水再经过快滤池的过滤，出水浊度一般达不到用户的要求，因此，快滤池前必须有化学预处理。另外由于滤速的加快，滤层堵塞快，一般只能运行10个小时左右，清洗砂层成为一个问题，反冲洗技术的发展，为快滤池的应用扫除了障碍，在城镇水厂中使用的慢滤池逐渐被快滤池所代替。 （
9、二） 快滤池1、构造 进水系统 过滤系统 集水系统 反冲洗系统管廊：浑水进水管 清水出水管 初滤水 冲洗来水 冲洗排水 四大阀门（至少） 2效果：出水浊度1度，同时可去除一部分细菌、病毒。3. 普通快滤池工作过程（图）过滤冲洗1、 过滤过程（图）2、 反冲洗过程（图）4.滤速 滤速是指单位时间、单位过滤面积上的过滤水量，单位为m3/（m2 h）或m/h。 单层石英砂滤池 812 m/h 双层滤料滤池 1216 m/h5. 工作周期 从过滤开始到冲洗结束的一段时间称为快滤池的工作周期。从过滤开始到过滤结束称为过滤周期。普通快滤池的工作周期为1224h。17.2.1 过滤机理一、过滤机理1机械筛滤
10、作用（阻力截留） 将滤料层看作“筛子”，当原水自上而下流过滤料层时，粒径较大的悬浮颗粒（大于孔隙尺寸）首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高，结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。 2沉淀作用 原水通过滤料层时，众多的滤料表面提供了巨大的不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，类似于层层叠叠的一个多层“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。 据估计，1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2 。3接触粘附 接触粘附是过滤的主要机理，主要有两个过程：迁移和粘附。（1）颗粒迁移 由拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用
11、等引起。拦截：当颗粒尺寸较大时，流线中的颗粒会直接碰到滤料表面产生拦截作用；沉淀：颗粒的速度较大时会在重力的作用下脱离流线，产生沉淀作用；惯性：颗粒具有较大惯性时也可以脱离流线与滤料表面接触；扩散：颗粒较小时，布朗运动较剧烈时会扩散至滤料表面；水动力作用：在滤料表面附近存在速度梯度，非球体颗粒由于在速度梯度作用下，会产生转动而脱离流线与颗粒相接触。迁移机理示意图（2）颗粒粘附 粘附作用是一种物理化学作用。当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，则在范德华引力和静电力相互作用下，以及某些化学键和某些特殊的化学吸附力下，被粘附于滤料颗粒表面上，或者粘附在滤粒表面上原先粘附的颗粒上。 粘附的作用力：范德华
12、力、静电力、化学亲和力及混凝颗粒的吸附架桥作用。 粘附作用主要决定于滤料和水中颗粒的表面物理化学性质。 因此，过滤效果主要取决于颗粒表面性质而无需增大颗粒尺寸。根据这一理论，发展出低浊度水不经沉淀的直接过滤方式。在实际过滤过程中，上述三种机理往往同时起作用，只是依条件不同而有主次之分。对粒径较大的悬浮颗粒，以阻力截留为主，由于这一过程主要发生在滤料表层，通常称为表面过滤。对于细微悬浮物，以发生在滤料深层的重力沉降和接触粘附为主，称为深层过滤。 二、滤层内杂质分布规律 关于滤料层截留杂质的规律描述，迄今只限范围。从接触粘附的角度考虑：在杂质微粒与滤料颗粒接触絮凝的同时，还存在着由于孔隙中剪力作用
13、而导致颗粒从滤料表面上脱落趋势。粘附力和水流剪力相对大小，决定了颗粒粘附和脱落的程度。接触絮凝作用决定于微絮体表面特性及其强度。后者主要决定于孔隙率。颗粒粘附和脱附力示意图过滤刚开始，滤层比较干净，孔隙率较大，孔隙流速小，水力冲刷作用小，大量杂质被表层510cm厚度的滤料所截留，少量杂质因粘附不牢而下移，并被下层滤料所截留。 随着过滤地进行，表层滤料孔隙率越来越小，孔隙流速增大，可粘附表面积减少，于是表层滤料上的杂质脱落趋势增强，杂质将向下层推移，下层滤料的截留作用渐次得到发挥。 但是，下层滤料的截污能力尚未得到全部发挥，过滤就得停止。滤层的截污能力沿深度的变化见下图。这是由于反冲洗的水力筛选
14、作用，造成沿滤层深度方向滤料粒径逐渐增大，表层滤料粒径小，孔隙率最小，吸附表面积最大；下层滤料粒径大，孔隙率大，吸附表面积小。 在过滤时，表层滤料孔隙率最小，吸附表面积最大，吸附杂质最多，杂质主要截留在滤料表层。过滤一段时间后，表层滤料的空隙将逐渐被杂质堵塞，使过滤阻力剧增，当过滤水头达到一定时，产水量急剧下降。 严重时，滤层表面受力不均匀，而使滤膜产生裂隙，致使大量的水将从裂隙中流出，造成裂隙中流速过大，而使出水水质恶化，过滤被迫停止。影响因素分析u 滤速 滤速越大，水流的冲刷作用也大，杂质在滤层中的穿透深度越大，杂质在整个滤层中的分布越均匀。穿透深度：指过滤行将结束时，自滤料表层以下某一深度所取水样恰好符合滤后水质要求。u 滤料粒径及级配的影响滤料粒径越大，粒径越均匀，孔隙率越大，杂质的穿透深度增加，水头
