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1、第五章 常规分离过程与膜分离南昌航空大学环化学院主讲人：段吴燕第五章 常规分离过程与膜分离 常规分离过程凝聚与絮凝基本概念胶体颗粒的基本性质絮凝动力学水处理中的凝聚与絮凝沉淀实验离散颗粒的沉淀试验絮凝颗粒的沉淀试验浓悬浮液的沉淀试验 Kynch的沉淀理论浓缩池利用Kynch理论确定浓缩池面积利用固体通量曲线确定浓缩池面积滤床过滤滤床过滤的流体力学水处理中的滤床过滤膜分离膜分离法概述反渗透超滤膜生物反应器本 章 结 构 框 架第一节 凝聚与絮凝 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。相当于给水处理中 加药混合后的极端一段时间
2、，可能在一秒钟以内。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。主要在絮凝设备中完成 。本节主要涉及涉及：胶体的性质与结构；絮凝动力学；水处理中的絮凝与凝聚。 5.1.1 基本概念第一节 凝聚与絮凝5.1.2 胶体颗粒的基本性质 水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于di时， 值为负，但其绝对值随值增加而减小。第二节 沉淀实验5.2.5 Kynch的沉淀理论悬浮液的浓度分布包括连续均匀的、从顶部到底部连续增加的 以及含有不连续浓度的三种情况。Kynch理论中有关连续均匀的悬浮液浓度的部分后来成为浓缩池设计的基本理论。Kynch沉淀理论的基本假定：（1）在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内
3、的全部颗粒以同样的速度下沉。颗粒形状、大小以及成分的任何差别都不会改变这一性质。 （2）颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数。（3）整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或者是沿深度逐渐增加的。1. Kynch理论介绍（5- 31） 第二节 沉淀实验上式中d h/dt代表位于高度h处，浓度为常数的面的运动速度v，按上述假定，d h/dt即为这一等浓度面内颗粒运动的速度。 图5-11 i的浓度传播过程线在悬浮物区高度h处的颗粒运动规律: 当im时，斜率d/d为负值，等浓度面的运动速度dh/dt必然为正值，因此h高度随时间增加，说明等浓度面应该以等速度上升。等 浓度面高度h的变化与时间t的关系
4、可以表示为通过原点0、斜率为v与沉淀过程线相交的段直线。特殊情况：在这一区内只有一条拐点为 i的浓度上升的过程线，这一条直线实际也是i区的一族等浓度上升过程射线的边界线。 当0i时，斜率d/d为负值，但d/d的绝对值是随浓度的增加而降低的。在这一区内，每一个浓度都能够从管底开始， 以其所特有的上升速度dg/dt上升，最后都能达到恳浮物区表面，互不干扰。因而出现一族 以0为原点的射线，如图所示。第二节 沉淀实验2. Kynch理论应用图5-12 公式推导图示当大于P的一个浓度0的沉淀过程线已知后，通过这一曲线上的不向点作切线，可 求出高于0浓度的等浓度沉淀速度up，因此，由一个0浓度的沉淀试验的
5、资料就可 能得出从0到的固体通量曲线-来 在初始浓度0i的沉淀过程线上等浓度区消失 后的某一点P（浓度为P）作切线。与沉淀水深 OA线交于B点，令OA及OB的高度分别为h0及h p，则：在高度h0内均匀浓度为0的悬浮物总量，与高度为h p内均匀浓度为P的悬浮物总量完全相等。第二节 沉淀实验图5-13 相似关系公式推导图示不同水深的等浓度沉淀过程 线间存在相似关系。如图5-13所示，A1P1Q1及A2P2Q2分别为水深h1及h2的等浓度0的沉降过程线，由时间零点O引OP2P1及OQ2Q1分别与A2P2Q2及A1P1Q1，交于P2、Q2及P1、Q1两点。则存在下列相似关系： 第三节 浓缩池5.3.
6、1 基本内容1. 定义：处理高浓度悬浮物液体的设备。2. 功能：双重功能。一个是在池子上部生产清液，其流量称为溢流流量；另个是从池子底部排出浓缩液，这部分流量称为底流流量。水处理中，一般用浓缩池来获得澄清水，底流属于废弃部分。其它工业中往往利用浓缩池来获取浓缩液，以回收其中所含固体物质，清液则属于废弃部分。仅水处理中也利用浓缩池来浓缩污泥。3. 浓缩池的设计：包括确定它的面积及深度。最主要的是确定面积。确定浓缩池面积的方法有两个。一个是利用沉淀过程曲线结合 Kynch理论来定面积；另一个是利用固体通量曲线来定面积。（5- 32） （5- 33） 第三节 浓缩池4. 工作过程： 图5-14 浓缩
7、池的工作过程液体流量及固体流量的衡算关系 分别为:Q0、Qe及Qu分别为进水、溢流及底流的流量;0、e及u，分别为进水、溢流及底流中的悬浮物浓度。 浓缩池与一般沉淀池不同 之处也在于：图5-14（b）所示的浓度分布特点。这个纵向浓度分布图反映了整个池子所容纳悬浮物的总量。这样，不断进入池子的悬浮物就必须不断地完全排掉。 第三节 浓缩池5.3.2 利用Kynch理论确定浓缩池面积图5-15 沉淀过程曲线的应用Si及Su分别为断面处液体及底流液体的相对密度。 Su/u为给定值，Si/i值和vi值都随浓度i的增加逐渐减小，可知面积Ai是变化的。存在个极大值Aimax，即为浓缩池所需的面积。 第三节
8、浓缩池5.3.3 利用固体通量曲线确定浓缩池面积图5-16 t-曲线 用固体通量求浓缩池面积的方法可以总结为： 由试验得到悬浮物浓度与相应沉淀速度V的资料； 选用底流速度u； 按图5-27作t-曲线； 求出最小固体通量min值及相应的底流浓度u； 浓缩池面积A应大于Q00/min。1. 方法一：第三节 浓缩池2. Yoshioka求min法： 图5-17 Yoshioka求min法 如图5-17，图中只用了b-曲线，然后在浓度轴上取底流浓度 值，得u点。从u点在b曲线极小值点一侧作切线，延长这条 切线与轴所得的交点即min值。这样，一次作图可定的min值 。第四节 滤床过滤5.4.1 滤床过滤
9、的流体力学1. 定义：滤床过滤是通过原水流经孔隙滤床使水中颗粒物质沉积在滤料表面而被去除。滤床属于一种孔隙介质。2. 主要参数：水头损失H和出水水质（出水颗料浓度n或浊度）。悬浮颗粒在滤床中沉积和所导致的滤床水头损失的增长都与孔 隙滤床中的流体力学特性密切相关。即使按滤速为20m/h计算，孔隙滤床属低流速流动。流态为层流，符合Darcy定律：（5- 34） 式中p为滤层厚度为L的压强差；K为孔隙滤床的渗透系数，它主要与孔隙率f和滤料直径d*有关。 第四节 滤床过滤3. 两种孔隙介质流态的模型：一种是常用的Kozeny-Carman模型。认为孔隙介质是由不同弯曲和形状的孔道组成，其流态基于直圆管
10、内的Poiseuille流动方程来分析；另一种是Happel模型，集中分析单个球形滤料的粘性流场。孔隙介质的渗透系数 ：沿滤床深度的水头损失：式中：H为滤床深度；L 为水头损失；1为水的密度；g为重力加速度；U为滤速；rs为滤料颗粒的半径。上式表明，滤床水头损失与滤料 直径的平方成反比，与滤速U和（1-f）2/f3值成正比。该式只适于清洁滤床或过滤初期的情况。 渗透系数K与孔隙率f关系为：滤层滤层 的水头损头损 失为为： 对于滤床孔隙率f=0.40.7时，Kozeny-Carman模型与模型与Happel模型对水头损失的计算结果是一致的。由于Happel孔隙流态模型给出了单个滤料的流场的微观理
11、论描述，因而它可用来分析悬浮颗粒在滤料上沉积过程的机理。第四节 滤床过滤5.4.2 水处理中的滤床过滤快滤池的设计和运行营理仍需要借助于半经验的理论。这种理论是基于实验研究对过滤过程中水头损失及出水浊度的变化进行规律性 的总结获得的，主要是建立水头损失及出水浊度与滤床比沉积量之间的半经验公式。从而定量地描述这些参数在过滤过程中的变化规律。 滤床比沉积量：单位体积滤床中沉积的颗粒物质的体积，是一无量纲参数。它随着过滤时间t的延长而不断增加。 随着过滤的进行，颗粒物质不断在滤床孔隙内沉积改变了孔隙内 流动状态和颗粒传递效率，从而改变滤床水头损失和去除颗粒物 质的效率。同时，随着颗粒物质的不断沉积也
12、改变了滤料表面状 态和性质，从而也使粘附效率因数a发牛了改变。第四节 滤床过滤1. 过滤的半经验理论滤床内的质量守恒关系： （5- 59） 滤床出水浊度的残余率以n/n0表示。它与过滤时间t构成过滤的泄 漏曲线：图5-18 典型的过滤泄漏曲线示意图段为滤为滤 床成熟期.经过经过 两个峰值值后浊浊度迅速下降，达到水质标质标 准。该该段占整个过滤过滤 周期很小部分，可以忽略。 段为滤池有效运行期。由于沉积到滤料表面的颗粒具有很高活性，能商有效地收集水中颗粒，因此，在一个较长时间内能够保证出水水质。 随着沉积量不断增加，孔隙内流速逐渐增大，水力冲刷作用越来越强烈。使已沉积在滤料表面的颗粒解脱出来重新
13、进入水中的趋势增强，到一定时候，出水浊度达到泄漏点，即最大的允许值。这时滤池必须停止运行，进行反冲洗的操作。 第四节 滤床过滤据泄漏曲线所反映出的规律，可建立滤床系数与比沉积量的关系： （5- 35） 式中：，x，y，z为实验确定的参数； 0为过滤初期滤床系数；为饱和比沉积量。即滤池达100%泄漏率时的比沉积量。 滤床水头损失H随比沉积量的增加而增加： （5- 36） 式中： 为过滤初期水头损失； k为比例系数，经过实验确定k与滤料直径和滤速有关。第四节 滤床过滤2. 过滤的预处理过滤工况条件除了滤床本身的状态（滤床厚度、滤料直径以及滤速等），还应注意滤前水中颗粒物质的最佳状态。包括颗粒物质的
14、尺 寸分布和表而电性两方面。 滤前水中颗粒物质达到最佳状态要靠预处理来完成，而最重要的预处理手段是凝聚与絮凝，使原水中颗粒在混凝过程中形成大的絮体。然而过大的絮体也是不可取的，因为太大的絮体将被阻截在滤床表层，引起水头损失迅速增长。同时，大的絮体不能通过孔隙而深入到滤床深层。这也不利于发挥整个滤床的截污能力。对于成熟的滤床，在混凝操作中通过改变原水化学条件（如选择最 佳混凝剂和调整pH）以使颗粒脱稳凝聚过程的值达到最佳，这对混凝预处理的要求比较简单。只要在加药混合和絮凝反应等环节中达到了脱稳凝聚的最佳条件，就满足了过滤单元的要求。第四节 滤床过滤不同尺寸颗粒的传递效率与速率相差很大。水中的颗粒
15、尺寸分布都遵循指数法则： （5- 37）式中，n（di）是颗粒直径为di的体积粒子数；Q，都为常数，且对一种确定的原水或絮凝池出水值是确定的。 值的大小正好反映颗粒传递的不同机理。测定和控制值在过滤预处理过程，即加药混合、絮凝池以及沉淀池中的变化，将能更好地 保持过滤池的有效运行。原水的颗粒物质的值可通过对颗粒尺寸分布的测定来获得。絮凝池和沉淀池出水的颗粒物质的值除可以直接测定外，还可运用絮凝动力学的理论知识进行预测，从而做到根据 原水的值及在预处理过程中值的变化以确定过滤的最佳工况。5-13 膜分离法概述1、定义 膜分离法是微孔过滤、超滤、反渗透、渗析、电渗析方法的统称。2、几种膜分离法微孔
16、过滤、超滤和反渗透是以压力差作为驱动力的膜分离法。渗析是以浓度差作为驱动力的膜分离法。电渗析是利用离子交换膜对水中离子的选择性，以电位差作为驱动力的膜分离 法。其中电渗析、超滤、反渗透是目前给水与废水处理常用的三种膜分离法。超滤 和反渗透的应用范围及工作压力见图5-46。5-13 膜分离法概述3、半透膜（1）半透膜是一种只能通过溶液中某种组分的膜。反渗透作用所用的滤膜就 是半透膜，它厚约几个m到0.1mm，可以分为平膜和中空纤维膜两种。 （2）半透膜的断面分为表皮层、过渡层和多孔层三层。如图5-475-13 膜分离法概述表皮层：一种微晶片结构，含有结合水。具有透水而又不被堵塞的特性。 过渡层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水。 多孔层：一种凝胶体的海绵状结构，含有结合水和毛细管水，空隙大，起支撑
