當(dāng)代給水與廢水處理原理-部分2課件

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(wú)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(lái)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(yáng)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)凝聚與絮凝電解質(zhì)對(duì)親水膠體起凝聚作用的特點(diǎn)：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種帶負(fù)電荷的親水肢體混合后，其中一種沉淀出來(lái)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)凝聚與絮凝憎水膠體間的親水膠體間的同帶相反電號(hào)的親水第一節(jié)凝聚與絮凝5.1.4絮凝動(dòng)力學(xué)1.三種物理傳輸過(guò)程:同向絮凝差降絮凝異向絮凝三種物理傳輸過(guò)程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(lái)使顆粒凝聚．速度太慢，不能單獨(dú)使用；其二是，顆粒相碰凝聚逐漸長(zhǎng)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(guò)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(guò)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5.1.4絮凝動(dòng)力學(xué)1.三種物理傳輸過(guò)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；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。（5-18）≈2·k·a·exp(-Vm/kT)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。第一節(jié)凝聚與絮凝2.異向絮凝（5-17）式中：n為t時(shí)刻（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/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(guò)程中，隨著顆粒的不斷長(zhǎng)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。（5-20）（5-19）第一節(jié)凝聚與絮凝3.同向絮凝水中第一節(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(wú)量鋼數(shù)GT數(shù)：GT數(shù)反映了在時(shí)間T時(shí)顆粒數(shù)n的值，也反映了顆粒的大小。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

（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4.差降絮凝結(jié)論：傳遞速率應(yīng)為擴(kuò)散、梯度第一節(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(zhǎng)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—種試驗(yàn)，沒(méi)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(wú)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5.1.5水處理中的絮凝與凝聚1.水處第一節(jié)凝聚與絮凝2.常用的混凝劑無(wú)機(jī)鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.5~8鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)少）聚合硫酸鐵聚合氯化鐵適宜pH：5~11，但腐蝕性強(qiáng)有機(jī)人工合成陽(yáng)離子型：含氨基、亞氨基的聚合物國(guó)外開始增多，國(guó)內(nèi)尚少陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）兩性型使用極少天然淀粉、動(dòng)物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑第一節(jié)凝聚與絮凝2.常用的混凝劑無(wú)鋁系硫酸鋁適宜pH：5第一節(jié)凝聚與絮凝3.凝聚和絮凝過(guò)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(lái)降低ζ電位。其特點(diǎn)是：當(dāng)藥劑投加量過(guò)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(guò)程中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕與卷掃。所需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(lái)，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3.凝聚和絮凝過(guò)程的四種作用（1）雙電層第一節(jié)凝聚與絮凝4.無(wú)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(wú)機(jī)混凝劑的最佳劑量的確定主要靠燒杯實(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(wú)機(jī)高分子絮凝劑例聚合鋁

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(guò)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(jiǎn)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(wú)機(jī)高分子混凝劑，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(lái)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(wú)機(jī)高分子混凝劑。

第一節(jié)凝聚與絮凝4.無(wú)機(jī)混凝劑對(duì)于某一種原水，①一個(gè)最佳第一節(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(guò)程，高值使停留時(shí)間可以縮短，這是比較經(jīng)濟(jì)的?；旌显O(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(guò)控制值就可以調(diào)整渦旋微尺度η的長(zhǎng)短。第一節(jié)凝聚與絮凝5.加藥混合與絮凝池設(shè)計(jì)Kolmogor第一節(jié)凝聚與絮凝絮凝他的設(shè)計(jì)：（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。第一節(jié)凝聚與絮凝絮凝他的設(shè)計(jì)：（1）原水顆粒物質(zhì)尺寸廣泛第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)水中懸浮顆粒離散顆粒絮凝顆粒5.2.1基本概念如果顆粒在整個(gè)沉淀過(guò)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(guò)混凝過(guò)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(guò)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)水中懸浮顆粒離散顆粒絮凝顆粒5.2.1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）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)5.2.2離散顆粒的沉淀實(shí)驗(yàn)1.離散顆粒第二節(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)3.沉淀試驗(yàn)的P-v曲線實(shí)際上是懸浮物粒度第二節(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5-6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(guò)流率）。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)5.2.3絮凝顆粒的沉淀試驗(yàn)1.離散顆粒第二節(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(guò)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)2.絮體顆粒沉淀試驗(yàn)的去除百分?jǐn)?shù)由于顆粒第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.4濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)清水區(qū)等濃度區(qū)變濃度區(qū)壓實(shí)區(qū)沉淀過(guò)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(guò)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)5.2.4濃懸浮液的沉淀試驗(yàn)清水區(qū)等濃度區(qū)第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)圖5-9濃懸浮液的沉淀過(guò)程第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)圖5-9濃懸浮液的沉淀過(guò)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)ρ<ρ<ρm時(shí)，值為正；當(dāng)ρm<ρ<ρi時(shí)，值為負(fù)，但其絕對(duì)值隨ρ值增加而增加；當(dāng)ρ>ρi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)2.固體通量曲線圖5-10固體通量曲線固第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.5Kynch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)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(lái)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理論介紹第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)5.2.5Kynch的沉淀理論懸浮液的濃度（5-31）第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)上式中dh/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，dh/dt即為這一等濃度面內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的速度。圖5-11ρ>ρi的濃度傳播過(guò)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(shuō)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(guò)原點(diǎn)0、斜率為v與沉淀過(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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(shuō)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)，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。（5-31）第二節(jié)沉淀實(shí)驗(yàn)上式中dh/dt代表位于高第二節(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(guò)程線已知后，通過(guò)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)的資料就可能得出從ρ0到ρ∞的固體通量曲線φ-ρ來(lái)在初始濃度ρ0>ρi的沉淀過(guò)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hp，則：在高度h0內(nèi)均勻濃度為ρ0的懸浮物總量，與高度為hp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)2.Kynch理論應(yīng)用圖5-12公式推導(dǎo)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(guò)程線間存在相似關(guān)系。如圖5-13所示，A1P1Q1及A2P2Q2分別為水深h1及h2的等濃度ρ0的沉降過(guò)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(lái)獲得澄清水，底流屬于廢棄部分。其它工業(yè)中往往利用濃縮池來(lái)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(lái)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(guò)程曲線結(jié)合Kynch理論來(lái)定面積；另一個(gè)是利用固體通量曲線來(lái)定面積。第三節(jié)濃縮池5.3.1基本內(nèi)容1.定義：處理高濃度懸?。?-32）（5-33）

第三節(jié)濃縮池4.

工作過(guò)程：

圖5-14濃縮池的工作過(guò)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。（5-32）（5-33）第三節(jié)濃縮池4.工作過(guò)程第三節(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(guò)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5.3.2利用Kynch理論確定濃縮池面積圖第三節(jié)濃縮池5.3.3利用固體通量曲線確定濃縮池面積圖5-16φt-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)濃縮池5.3.3利用固體通量曲線確定濃縮池面積圖5第三節(jié)濃縮池2.Yoshioka求φmin法：

圖5-17Yoshioka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(zhǎng)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。第三節(jié)濃縮池2.Yoshioka求φmin法：圖5-1第四節(jié)濾床過(guò)濾5.4.1濾床過(guò)濾的流體力學(xué)定義：濾床過(guò)濾是通過(guò)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)：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(zhǎng)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(guò)濾5.4.1濾床過(guò)濾的流體力學(xué)定義：濾床過(guò)濾第四節(jié)濾床過(guò)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)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(lái)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(chǎng)。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(guò)濾初期的情況。

滲透系數(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(chǎng)的微觀理論描述，因而它可用來(lái)分析懸浮顆粒在濾料上沉積過(guò)程的機(jī)理。第四節(jié)濾床過(guò)濾3.兩種孔隙介質(zhì)流態(tài)的模型：孔隙介質(zhì)的滲透第四節(jié)濾床過(guò)濾5.4.2水處理中的濾床過(guò)濾快濾池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行營(yíng)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(guò)濾過(guò)程中水頭損失及出水濁度的變化進(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(guò)濾過(guò)程中的變化規(guī)律。濾床比沉積量σ：?jiǎn)挝惑w積濾床中沉積的顆粒物質(zhì)的體積，是一無(wú)量綱參數(shù)。它隨著過(guò)濾時(shí)間t的延長(zhǎng)而不斷增加。

隨著過(guò)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發(fā)牛了改變。第四節(jié)濾床過(guò)濾5.4.2水處理中的濾床過(guò)濾快濾池的設(shè)計(jì)和第四節(jié)濾床過(guò)濾1.過(guò)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(guò)濾時(shí)間t構(gòu)成過(guò)濾的泄漏曲線：圖5-18典型的過(guò)濾泄漏曲線示意圖Ⅰ段為濾床成熟期.經(jīng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能夠保證出水水質(zhì)。隨著沉積量不斷增加，孔隙內(nèi)流速逐漸增大，水力沖刷作用越來(lái)越強(qiáng)烈。使已沉積在濾料表面的顆粒解脫出來(lái)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(guò)濾1.過(guò)濾的半經(jīng)驗(yàn)理論濾床內(nèi)的質(zhì)量守恒關(guān)系：第四節(jié)濾床過(guò)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(guò)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隨比沉積量的增加而增加：

（5-36）式中：為過(guò)濾初期水頭損失；k為比例系數(shù)，經(jīng)過(guò)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(guò)濾據(jù)泄漏曲線所反映出的規(guī)律，可建立濾床系數(shù)λ與第四節(jié)濾床過(guò)濾2.過(guò)濾的預(yù)處理過(guò)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(lái)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(guò)程中形成大的絮體。然而過(guò)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(zhǎng)。同時(shí)，大的絮體不能通過(guò)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(guò)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(guò)程的σ值達(dá)到最佳，這對(duì)混凝預(yù)處理的要求比較簡(jiǎn)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(guò)濾單元的要求。第四節(jié)濾床過(guò)濾2.過(guò)濾的預(yù)處理過(guò)濾工況條件除了濾床本身的第四節(jié)濾床過(guò)濾不同尺寸顆粒的傳遞效率與速率相差很大。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(guò)濾預(yù)處理過(guò)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(guò)濾池的有效運(yùn)行。原水的顆粒物質(zhì)的β值可通過(guò)對(duì)顆粒尺寸分布的測(cè)定來(lái)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)行預(yù)測(cè)，從而做到根據(jù)原水的β值及在預(yù)處理過(guò)程中β值的變化以確定過(guò)濾的最佳工況。第四節(jié)濾床過(guò)濾不同尺寸顆粒的傳遞效率與速率相差很大。（5-§5-13膜分離法概述1、定義膜分離法是微孔過(guò)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(guò)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?！?-13膜分離法概述1、定義2、幾種膜分離法§5-13膜分離法概述3、半透膜

（1）半透膜是一種只能通過(guò)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(guò)渡層和多孔層三層。如圖5-47§5-13膜分離法概述3、半透膜§5-13膜分離法概述表皮層：一種微晶片結(jié)構(gòu)，含有結(jié)合水。具有透水而又不被堵塞的特性。過(guò)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(guò)，而溶質(zhì)不能透過(guò)。但這不能解釋鹽離子不能透過(guò)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(guò)膜孔，而溶質(zhì)分子則需要把水分子頂下來(lái)后才能通過(guò)，這需要較大能量，因此，在通常溶液的情況下就不能通過(guò)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(guò)，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現(xiàn)象。§5-13膜分離法概述表皮層：一種微晶片結(jié)構(gòu)，含有結(jié)合水?！?-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(guò)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(guò)程。溶液滲透壓：阻止?jié)B透過(guò)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1、滲透與滲透壓如圖5-48所示§5-14反滲透

理想溶液中水的化學(xué)位可以表示為：

(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)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(shuō)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(guò)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(guò)膜向高濃度溶液一例滲透，直至兩邊的化學(xué)位相等，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(guò)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(lái)。出現(xiàn)滲透壓的原因可由化學(xué)熱力學(xué)來(lái)解釋。如下：§5-14反滲透理想溶液中水的§5-14反滲透平衡時(shí)溶液中水的化學(xué)位由下式表示：

（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：（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）

（5-139）

（5-137）

§5-14反滲透平衡時(shí)溶液中水的化學(xué)位由下式表§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

(5-140)展開得（5-141）因n2<n1,因此可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(lái)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)

上式稱為滲透壓的VantHoff公式。§5-14反滲透式中：n1,n2分別為1L溶§5-14反滲透對(duì)于稀溶液式（5-143）還可寫為（5-146）

表5—3列出了用不同公式所得蔗糖溶液的滲透壓計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一樣，但是小于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明理論計(jì)算公式能反映基本情況，有部分沒(méi)離解。因此，對(duì)電解質(zhì)溶液式(5—145)引用了一個(gè)系數(shù)Φ寫成

(5-147)§5-14反滲透對(duì)于稀溶液式（5-143）還可寫§5-14反滲透溶液—擴(kuò)散模型理論，它假定膜是一種非孔隙物質(zhì)，分子成分進(jìn)入它的機(jī)理也和進(jìn)入液體或固體的情形一樣。組分i的能量Ji為

（5-148）式中：

Di--------組分i在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)；

ci---------組分i在膜內(nèi)的濃度；

p----------施加的壓力；其余符號(hào)同前。式(5—148)說(shuō)明，通量Ji由兩項(xiàng)組成：一項(xiàng)的推動(dòng)力為濃度梯度gradci，另一項(xiàng)的推動(dòng)力為壓力梯度gradp。當(dāng)膜內(nèi)的濃皮梯度gradci較小，可以不計(jì)時(shí)(實(shí)際操作不允許大．否則p增大很多)，式(5—148)可以積分得

（5-149a）2、反滲透通量

由圖5—48可看出，當(dāng)需要從濃水中分離出淡水時(shí)，必須在膜的濃水一側(cè)施加大于滲透壓∏的壓力P。這就是所謂的反滲透作用?！?-14反滲透溶液—擴(kuò)散模型理論，它假定膜是一§5-14反滲透式中：J1--------水的通量；δ-------膜的厚度；△p及△∏分別為膜兩側(cè)的壓力差及滲透壓；積分時(shí)假定D1值不受壓力的影響，膜的性質(zhì)也不受壓力的影響。對(duì)于通過(guò)反滲透去除的溶質(zhì)來(lái)說(shuō)，式(5—148)右邊的第一項(xiàng)遠(yuǎn)比第二頂大，由此可得下面的近似積分形式：

（5-149b）

式中：

J2----------溶質(zhì)的通量；

D2----------為溶質(zhì)在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)；

c2m及c2s-----------分別為溶質(zhì)在膜內(nèi)及溶液內(nèi)的濃度;K-----------溶質(zhì)的分配系數(shù);即K=c2m/c2s

（5-150）當(dāng)膜的特性不是壓力或濃度的函數(shù)時(shí)，可視作膜的常數(shù)，用Km代表；可視作溶質(zhì)的滲透常數(shù)．用Ks代表，因此得

(5-151)(5-152)§5-14反滲透式中：§5-14反滲透反滲透的效率可表示如下溶質(zhì)i的去除效率

(5-153)式中：cif與cip分別為進(jìn)水及出水中溶質(zhì)i的濃度。但為了更全面地反映反滲透的效率，應(yīng)該把從廢液中所排掉的溶質(zhì)i對(duì)進(jìn)入反滲透設(shè)備的溶質(zhì)進(jìn)行比較，表示為

(5-154)式中:Q和Qp分別為進(jìn)水及出水的流量

cib為廢液中i的濃度§5-14反滲透反滲透的效率可表示如下§5-14反滲透

(5-155)以式(5—137)代入式(5—155)得

(5-156)根據(jù)拉烏爾定律1nx＝ln(p/p0)并代人式(5—156)(5-157)式中：p0為純水的蒸氣壓；

P為海水的蒸氣壓；其它符號(hào)同前

3、海水淡化的最低理論耗能

利用反滲透原理還可推導(dǎo)出海水淡化所需的最低理論耗能量。當(dāng)圖5—48的半透膜兩側(cè)分別為淡水和海水時(shí)．則在反滲透開始時(shí)，在右側(cè)施加一比原來(lái)海水的滲透壓∏略大的壓力p，這一壓力使容積為dV的純水滲入淡水一側(cè)，因此海水側(cè)容積減少dV。對(duì)于每一無(wú)限小的壓縮步驟，壓力P所作的功為—∏dV。海水由于分離出dV體積的淡水而引起含鹽濃度增加，從而滲透壓也增加。若海水從初始體積V1縮小到終末體積V2，即產(chǎn)生純水體積(V1—V2)的過(guò)程中，每產(chǎn)生單位體積純水所需作的功為§5-14反滲透§5-14反滲透p與p0的關(guān)系為p=p0(1-AS)(5-158)式中:S-----------表示海水的鹽度(‰)A-----------為系數(shù)，取值為5.37x10-4

將式(5—158)代人式(5—157)

(5-159)

因式中AS《1，故以1n(1—AS)≈—AS代入。假設(shè)海水一側(cè)的含鹽量總量SV在整個(gè)過(guò)程中保持不變。并令S1為海水的初始體積V1時(shí)的含鹽量，則，代入式(5—159)積分可得

(5-160)

§5-14反滲透p與p0的關(guān)系為§5-14反滲透當(dāng)V2→V1時(shí)，即從體積為V1的海水中只反滲透無(wú)窮小容積dV的淡水時(shí)，可取

(5-161)因此，得如下

(5-162）上式表明在反滲透過(guò)程中用海水生產(chǎn)每單位體積淡水所需要的最小能量。而式(5—160)則表示在海水體積不同壓縮程度下其所需的理論耗能量?！?-14反滲透當(dāng)V2→V1時(shí)，即從體積為V1的§5-15超濾1、超濾的工作過(guò)程

如圖5-50所示，帶有A及B兩種溶質(zhì)顆粒的原水近入設(shè)備的流道，流道一側(cè)為選擇性膜，膜孔大于顆粒B小于顆粒A，在膜的兩側(cè)施加一壓差ΔP，則得超濾水及濃水兩種出水流量。顆粒A被膜截留，顆粒B則通過(guò)膜隨超濾水流出。當(dāng)cp＝0時(shí)說(shuō)明A顆粒l00％地被截留，表示為截留度＝1.0。顆粒B截留度為0。§5-15超濾1、超濾的工作過(guò)程如圖5-50§5-15超濾

（5-164）式中：e-----為膜的開孔面積分?jǐn)?shù)；

r------為孔的半徑；

μ-----為水的動(dòng)力粘滯度；τ-----為孔的迂曲系數(shù)，用以表示孔的長(zhǎng)度可能比膜的厚度δ大；

ΔP---為膜的兩側(cè)壓差；式(5—164)中er2/μτ可用Km表示，得

(5-165)

式(5—165)表示水的通量與膜兩側(cè)的壓差成正比。但是實(shí)驗(yàn)證明只有在純水或不被膜截留的小分子溶液，以及大分子的稀溶液的情況．才能符合(5—165)式的關(guān)系，當(dāng)大分子的濃度加大后，壓差ΔP的增長(zhǎng)所產(chǎn)生的通量增長(zhǎng)就會(huì)逐漸緩和，最后甚至不再增長(zhǎng)；圖5—51表示出這兩種情況。

超濾可以在無(wú)需清除濾膜上所累積的固體顆粒的條件下保持過(guò)濾通最穩(wěn)定不變．這是超濾與其它過(guò)濾方法相比所具有的特點(diǎn)。（1）其原理即濾膜的篩除作用。濾膜的孔隙能通過(guò)水及能由水帶走的小于孔隙尺寸的顆粒，但截留了大于孔隙尺寸的顆粒。水在孔隙中的運(yùn)動(dòng)是一種粘滯流，它的通量可表示為§5-15超濾§5-15超濾（2）上述現(xiàn)象說(shuō)明超濾的機(jī)理不止是篩除作用，還有濃差極化，由于水的通量J不斷把不能透過(guò)膜孔的大分子溶質(zhì)(小分子溶質(zhì)透過(guò)膜)帶到濾膜表面并且不斷積累，使溶質(zhì)在表面處的濃度cm高于溶質(zhì)在主體液體中的濃度cb形成厚度為δ的濃度差邊界層。這個(gè)現(xiàn)象稱為濃差極化。在邊界層內(nèi)，由于濃度梯度的推動(dòng)，產(chǎn)生了溶質(zhì)從膜表面向主體液體擴(kuò)散的通量，穩(wěn)態(tài)時(shí)，在厚度為δ的邊界層內(nèi)存在如下總的擴(kuò)散方程。

（5-166）§5-15超濾（2）上述現(xiàn)象說(shuō)明超濾的機(jī)理不止是篩除作用§5-15超濾式中，J為單位時(shí)間、單位面積透過(guò)膜的溶劑(水)的通量，D為溶質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)；c為溶液中的溶質(zhì)濃度。上式積分得

(5-167)

由圖5—52所示，Jc表示向著膜方向遷移的溶質(zhì)通量，表示反向擴(kuò)散的溶質(zhì)通量，其差值等于透過(guò)膜的溶質(zhì)通量Js，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，Js應(yīng)為常數(shù)?！?-15超濾式中，J為單位時(shí)間、單位面積透過(guò)膜的溶劑(水§5-15超濾若用cf表示濾過(guò)液中的溶質(zhì)濃度，則有Js=J·cf代人式(5—167)得

或（5-168）根據(jù)邊界條件x＝0，c=cm；x=δ，c=cb對(duì)式(5—168)積分得

（5-169）當(dāng)cf很小以至可以忽略不計(jì)時(shí)，上式簡(jiǎn)化為

（5-170）式中D／δ可用Km代替，稱為傳質(zhì)系數(shù)，則得

（5-171）§5-15超濾若用cf表示濾過(guò)液中的溶質(zhì)濃度，則有Js=§5-15超濾

式(5—171)及式(5—169)的超濾模型需要確定傳質(zhì)系數(shù)km。km值知道之后才能計(jì)算任凝膠層極化條件下的超濾通量極大值。按流道的幾何形狀及水流條件的特點(diǎn)可得到Sherwood數(shù)(Sh)與雷諾數(shù)(Re)及施密特?cái)?shù)(Sc)間的相關(guān)方程式，由這樣的方程式可以計(jì)算計(jì)算km。有關(guān)這些相似準(zhǔn)數(shù)的討論請(qǐng)參看4—3。當(dāng)流道為矩形斷面，水流條件為紊流時(shí)，相關(guān)方程式為

（5-172）水流為層流時(shí)．相關(guān)方程式為

(5-173)Sh、Re及Sc的計(jì)算公式為

(5-174)

(5-175)

(5-176)§5-15超濾式(5—171)及式(5—1§5-15超濾式中：

de稱流道的當(dāng)量直徑L為流道的長(zhǎng)度

u為沿流道方向的平均水流速度；ρ為水的密度；

μ為水的粘滯度；其它符號(hào)同前，當(dāng)量直徑的計(jì)算公式如下：

（5-177）§5-15超濾式中：§5-16膜生物反應(yīng)器1、膜生物反應(yīng)器的發(fā)展與分類（2）膜生物反應(yīng)器的分類

根據(jù)膜組件與生物反應(yīng)器的組合位置可籠統(tǒng)地將膜生物反應(yīng)器分為分置式和一體式兩大類，如圖5—54所示。根據(jù)膜組件中膜的材料化學(xué)組成的不同可分為有機(jī)膜(如聚礬、聚丙烯睛膜等)和無(wú)機(jī)膜（如陶瓷膜等)。根據(jù)膜孔徑大小可分為微濾膜、超濾膜、反滲透膜。根據(jù)膜組件的形狀的不同又可分為管式膜、板式膜、中空纖維式、螺旋式、毛細(xì)管式等。（1）膜生物反應(yīng)器的發(fā)展

膜生物反應(yīng)器最先用于微生物發(fā)酵工業(yè)。在廢水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代未的美國(guó)：但當(dāng)時(shí)由于受膜生產(chǎn)技術(shù)所限．膜的使用壽命短，膜通量小，使其在投入實(shí)際應(yīng)用的開發(fā)中遇到了障礙。70年代中后期，日本研究膜分離技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用；進(jìn)入80年代后，由于新型膜材料技術(shù)與制造業(yè)的迅速發(fā)展，膜生物反應(yīng)器的開發(fā)研究在國(guó)際范圍內(nèi)才逐步成為熱點(diǎn)。污水處理中的膜生物反應(yīng)器(MB)是指將膜分離技術(shù)中的超、微濾膜組件與污水生物處理工程中的生物反應(yīng)器相互結(jié)合成的一個(gè)新系統(tǒng)?！?-16膜生物反應(yīng)器1、膜生物反應(yīng)器的發(fā)展與分類（1）膜生§5-16膜生物反應(yīng)器

根據(jù)生物反比器中微生物生長(zhǎng)需氧情況的不同，膜生物反應(yīng)器也分為兩大類．即好氧膜生物反應(yīng)器與厭氧膜生物反應(yīng)器，有文獻(xiàn)按這一分類原則將膜生物反比器歸納為四個(gè)系統(tǒng)，即RAMB系統(tǒng)、MFMB系統(tǒng)、TOMB系統(tǒng)和SCMB系統(tǒng)。前兩者是厭氧性的膜生物反應(yīng)器，后兩者是好氧性的膜生物反應(yīng)器。§5-16膜生物反應(yīng)器根據(jù)生物反比器中微生§5-16膜生物反應(yīng)器2、膜生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用

早期的有關(guān)膜生物反應(yīng)器廢水處理工藝的研究主要集小在應(yīng)用的可行性，處理效果及運(yùn)行的穩(wěn)定性方面。許多研究都表明膜生物反應(yīng)器應(yīng)用于廢水處理，具有污染物去陳效率高，出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)、在這一系統(tǒng)中，微生物的特性如何變化以及影響該系統(tǒng)性能的操作因素更是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

膜通量是膜生物反應(yīng)器的一個(gè)重要操作參數(shù)．其影響因素有混合液懸浮固體濃度、溫度、膜面流速、膜的工作壓力、膜的阻力、膜吸附、膜堵塞和濃差極化等。§5-16膜生物反應(yīng)器2、膜生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用§5-16膜生物反應(yīng)器

對(duì)于工作壓力—般認(rèn)為存在一個(gè)臨界壓力值，臨界壓力值隨膜孔徑的增加而減小，Saw報(bào)道微濾膜的臨界壓力值在120kPa左右，超濾膜的臨界壓力值在160kPa左右。膜的性質(zhì)包括膜孔徑大?。魉?、電荷性質(zhì)、粗糙度等也對(duì)分離效果產(chǎn)生影響。對(duì)不同截留分子量的超濾膜的試驗(yàn)研究表明，截留分子量小于300000時(shí)，隨截留分子量，即膜孔徑的增加，膜通量增加。大于該截留分子量時(shí)、膜通量變化不大。而膜孔徑增加至微濾范圍時(shí)，膜通量反而下降．據(jù)推測(cè)這主要是細(xì)菌在微濾膜兒內(nèi)造成不可逆的堵塞所致。膜生物反應(yīng)器的應(yīng)用，目前除少數(shù)幾座小水量的生產(chǎn)性裝置在日本等國(guó)建成之外，所報(bào)道的成果大多數(shù)那還屬于小試或中試研究。

理論和試驗(yàn)都證明膜的工作壓力對(duì)膜通量的影響分兩種情況：（1）低壓區(qū)，膜的水力阻力，起主導(dǎo)作用。當(dāng)MLSS濃度一定時(shí)，膜通量與壓力呈線性關(guān)系，工作壓力越高，通量越大。（2）高壓區(qū)．濃差極化形成的凝膠層阻力起主導(dǎo)作用，通量與工作壓無(wú)關(guān)?！?-16膜生物反應(yīng)器理論和§5-13膜分離法概述1、定義膜分離法是微孔過(guò)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(guò)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1、定義2、幾種膜分離法§5-13膜分離法概述3、半透膜

（1）半透膜是一種只能通過(guò)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0.1nm，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(guò)濾層和多孔層三層。如圖5-47§5-13膜分離法概述3、半透膜§5-13膜分離法概述表皮層：一種微晶片結(jié)構(gòu)，致密，含有結(jié)合水。具有透水而又不被堵塞的特性。過(guò)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(guò)，而溶質(zhì)不能透過(guò)。但這不能解釋鹽離子不能透過(guò)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(guò)膜孔，而溶質(zhì)分子則需要把水分子頂下來(lái)后才能通過(guò)，這需要較大能量，因此，在通常溶液的情況下就不能通過(guò)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(guò)，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現(xiàn)象?！?-13膜分離法概述表皮層：一種微晶片結(jié)構(gòu)，致密，含有結(jié)§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(guò)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(guò)程。溶液滲透壓：阻止?jié)B透過(guò)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?！?-14反滲透1、滲透與滲透壓如圖5-48所示§5-14反滲透

理想溶液中水的化學(xué)位可以表示為：

(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)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(shuō)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(guò)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(guò)膜向高濃度溶液一例滲透，直至兩邊的化學(xué)位相等，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(guò)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(lái)。出現(xiàn)滲透壓的原因可由化學(xué)熱力學(xué)來(lái)解釋。如下：

理想溶液中水的化學(xué)位可