《工业废水处理.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业废水处理.doc（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十二章 废水处理工程的基础理论第十二章 废水处理工程的基础理论所有的点污染的废水处理过程都是在特定边界所限定的空间内发生的，这种空间通常称为反应器。在反应器内，废水中的污染物与其他药剂或物质进行物理、化学、物化或生物化学的反应，由此，污染物发生相应的变化。废水中的一些主要组分是通过物理、化学和生物方法去除的。各种方法通常分为物理单元操作、化学单元过程和生物单元过程。物理、化学、物化和生物等的反应速率和转化速率十分重要，它将对必需设置的处理设备的尺寸产生影响。而反应和转化的速率及其完成的程度一般是所含组分、温度和反应器型式的函数。因此，温度和所使用反应器的型式这两者的影响对处理过程的选择具有重
2、要意义。在对废水处理的一些物理、化学和生物单元操作和单元过程进行分析时所依据的是物料质量平衡原理，它是对发生反应转化前和转化后的质量进行计算。第一节 反应过程动力学废水处理过程动力学专门研究和讨论废水处理反应器内部所发生反应的反应速率和反应过程机理。在掌握了过程动力学之后，环境工程工作者能从那些影响反应速率和变化程度的因素着手，控制废水处理过程，确定废水处理程度。1. 化学反应速率1.1 反应速率随着化学反应的进行，反应物的数量不断减少，产物却不断地增加，单位体积、单位时间内反应物（即废水中污染物）或产物（即处理后水中生成物如活性污泥、絮凝沉淀等）的数量变化称化学反应速率。 12-1式中，R-
3、反应速率；V-反应器体积；N-反应物或产物的数量；t-反应时间。由于反应器容积在反应前后的变化很小，假设其保持恒定。则： 12-2则， 12-3式中，C为反应物或产物的浓度，表明反应速率可简化为单位时间内反应物或产物浓度的变化。 12-4浓度C时间t0反应物(A)产物(P)上述两式中的“+”、“-” 两符号分别表示浓度的增加和减少。其变化情况如图12-1所示。图12-1 反应物和产物浓度随反应时间变化曲线1.2 反应级数反应速率与反应物（或产物）之间的定量关系，一般可用动力学方程式表示： 12-5式中 k-反应速率常数n-反应级数。上式两侧取对数得： 12-6如果以反应物浓度瞬时变化率的对数与
4、相应的反应物浓度对数作图，可得一直线，直线的截距为lgk，斜率为反应级数n的值，求解方法见图12-2。零级反应的反应速率与浓度无关，图中指示的水平线即代表零级反应，表示在任何反应物浓度下，反应速率不变。一级反应的反应速率与反应物浓度成正比，图中指示斜率为1的直线即代表一级反应。同理，斜率为2的直线代表二级反应。反应级数也可能是分数，特别是微生物处理混合废水时的反应过程，往往不是整数级反应。lgRlgC0二级n=2一级n=1零级n=0lgk图12-2 对数标绘速率、浓度和反应级数的关系2. 化学反应类型2.1 基元反应和非基元反应在废水处理中，若某反应按下述反应方程式所描述的情况进行，它表示反应
5、中污染物质与所加药剂之间的化学计量关系，该方程式亦称为化学计量方程式。如下式所示：xA+yB=uP+vQ 12-7分别用反应物（A和B）与产物（P和Q）的浓度变化表示上式中反应速率，可得： 12-8 12-9上式中的a和b与计量方程式中的系数x和y不一定相等。按上式所示，反应式的反应级数应为（a+b）。如果a和b即是化学计量方程式中的x和y，则该反应的反应级数为（x+y），则反应速率也可表示为： 12-10则该反应称为基元反应。反之，当反应速率方程与化学计量方程不能完全相对应，不能简单地表示该反应所持的反应级数呈何种数学关系，这种反应称为非基元反应。如反应的速率方程式呈以下形式时： 12-11
6、由于无法简单地表明该反应属何级反应，故该反应为非基元反应。在废水处理工程中，基元反应占绝大多数。2.2 均相反应与非均相反应均相反应是指那些在同一相中进行的化学反应，反应物和反应物、反应物和产物之间不存在界面，在反应器内任何一点的反应能力一致。在均相反应范畴内还有许多不同反应，按反应的可逆性分为可逆与不可逆反应；按反应的复杂程度分为简单反应与复杂反应。以下几种反应为不可逆反应：单分子反应： 12-12双分子反应： 12-13 12-14 12-15 12-16以下两种反应为可逆反应：单分子反应： 12-17双分子反应： 12-18以上可逆与不可逆反应均为一步完成，故为简单反应。而复杂反应是指非
7、一步完成的反应，如连串反应，系列平行反应，准稳态反应等。连串反应： 12-19系列平行反应： 12-20 12-21 12-22准稳态反应： 12-23在废水处理过程中，通常涉及多种污染物，因此复杂反应占多数，而简单反应特别是单分子反应是很少见的。如果废水中只有单一组分，则进行简单反应是应优先考虑该组分的回收。而复杂反应为系列平行反应和准稳态反应，废水治理中的氧化、还原和生物降解即属此类反应。非均相反应是指系统中存在两个或两个以上的相，化学反应可在这些相内或相界面上进行。反应可以是简单反应亦可以是复杂反应，但反应同时还受到物质在各个相内扩散运动的影响。影响因素比较复杂，且系统内不同位置的反应能
8、力也不一样。其典型的反应步骤为：（1）反应物从主体扩散传递到相界面；（2）部分反应物可在相界面上发生化学反应，另一部分反应物从相界面扩散传递到反应物内部；（3）反应物在反应物内部的活化中心进行吸附；（4）发生化学反应；（5）产物解析或脱附；（6）产物从反应物内部向外扩散传递到界面；（7）产物由相界面向反应物主体扩散传递。非均相反应的反应速率由上述七个步骤中最慢的一步控制。一般而言，化学反应速率通常大于扩散速率。废水处理中的萃取、离子交换、吸附、吹脱、汽提、生物降解等过程均是多相反应。因此，此类反应在点污染控制的废水处理过程中应用甚广。3. 各类化学反应的反应速率描述3.1 单组分的零级反应单组
9、分零级反应时反应速率表达式为： 12-24式中，k0为零级反应的反应速率常数。经反应时间t后，反应物的剩余浓度为： 12-25式中，CA0为反应物A的初始浓度。单组分零级反应C-t曲线如图12-3所示。图12-3 零级反应的C-t曲线CA0浓度C产物P反应物A时间t反应半衰期为：t1/2=CA0/2k0 12-263.2 单组分的一级反应单组分一级反应的反应速率方程表达式为： 12-27式中，k1为一级反应速率常数。CA0浓度CCPCA时间t经反应时间t后，反应物的剩余浓度为：图12-4 单组分一级反应的C-t曲线 12-28单组分一级反应C-t曲线如图2-4所示。反应的半衰期为： 12-29
10、3.3 两种反应物的二级反应这类反应以双分子反应为例来说明： 12-13其反应速率表达式为： 12-30当CA0=CB0，即两反应物初始浓度相等时，在t时间内有X份的产物P产生，则剩余CA和CB均为（CA0-X）。则式变为： 12-31式中，k2为二级反应速率常数。积分上式得： 12-32反应物A和B的剩余浓度为： 12-33反应半衰期为：t1/2=1/k2CA0 12-34对于组分A和B初始浓度不同或不是以1：1的比例进行反应的两组分二级反应，则上式不能表达其浓度变化和半衰期，需要另行推算。尤其一种组分浓度远远高于另一种组分的情况，在废水处理中最为常见，下面我们专门讨论。3.4 两种反应物的伪一级反应当上述两种反应物的二级反应中某一反应物的浓度很高，比另一反应物的浓度高20倍以上，即CB020CA0时，则可视高浓度的反应物浓度在反应过程中保持不变。
