第三章 水处理方法概论
3,1 物料衡算与质量传递
3.1.1 物料衡算方程设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分 i，可写出如下物料平衡式：
单位时间变化量 =单位时间输入量 -单位时间输出量 +单位时间反应量 (3— 1)
当变化量为零时，称为稳态，即：
单位时间输入量 -单位时间输出量 +单位时间反应量＝ 0
3.1.2质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。
1.主流传递物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，
方向与水流方向一致。
2.分子扩散传递
(3— 2)
式中,J—— 物质扩散通量，单位,[摩尔 /面积 /时间 ]或
[质量单位 /面积 /时间 ]
DB—— 分子扩散系数，单位,[面积 /时间 ]
Ci—— 组分 I的浓度，单位,[摩尔 /体积 ]或 [质量单位 /体积 ]
x—— 浓度梯度方向的坐标
dx
idCDJ
B
3.紊流扩散传递紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；
(3— 3)
式中,DC—— 称紊流扩散系数。
dx
idC
cDcJ
3,2 理想反应器模型
3.2.1 理想反应器分类见图 3-1,有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）等三种反应物产物反应物 产物反应物C
0
产物
(1)CMB 型 (2)C STR 型 (3)P F 型图 3-1 理想反应器图示
3.2.2 完全混合间歇式反应器（ CMB型）
物料衡算式为：
(3— 4)
t=0,Ci=C0； t=t,C=Ci，积分上式得：
(3— 5)
设为一级反应,r（ Ci） =-kCi，则
(3— 6)
设为二级反应,r（ Ci） =-kCi2，则：
(3— 7)
)( iCrdt idC?
ic
oc iCr
idCt
)(
iC
C
k
ic
oc ikC
idCt 0ln1
)0
11
(
1
2 CiCk
ic
oc
iCk
idCt
3.2.3 完全混合连续式反应器物料衡算式为：
（ 3— 8）
按稳态考虑，即,于是：
（ 3— 9）
设为一级反应,r（ Ci） =-kCi，则因，故
（ 3— 10）
)(
0
ii
i CrVCQCQ
dt
dCV
0?dtdCi
0)(0 CiVrQCQC i
00 ii V k CQCQC
)1(1 0
iC
C
kt
3.2.4 推流型反应器现取长为 dx的微元体积，列物料平衡式：
稳态时,,则：
（ 3— 12）
x=0,Ci=C0； x=t,C=Ci，积分上式得
（ 3— 13）
dxwiCridCiCvwiCvwdt i
dC
w d x )()(
0?dtidC
)( iCrdx idCv?
ic oc
iCr
idCvxt
)(
3.3非理想反应器
3.3.1 一般概念
PF型和 CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。图 3— 3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。
+ CSTR
0
图3- 2推 流式反应器内物料变化 图 3 -3 理想反应器中浓度分布纵向分散模型见图 3-4，其基本设想是在推流型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：
（ 3— 14）dxdCDJ i11
x
L
图 3- 4 纵 向分散模型（ PFD 型）
x
C
i
i
ωD-（扩散）
i
C（主流）?
x
x
C
C
i
i
△
x
x
C
C
x
D
i
ii
△?
)(
i
Cxr△?
取出一个微元长度，列物料衡算式：
输入量：
输出量：
反应量：
物料变化量：
则,（ 3— 15）
稳态时,故：
（ 3— 16）
)(
1 x
CDwCwv
i
i?
)()(
1
xxCCxDwxxCCwv i
i
i
i
)( iCrxw
t
Cxw i
)(2
2
1 i
iii Cr
x
Cv
x
CD
t
C?
0 tC i
)(2
2
1 i
ii Cr
x
CD
x
Cv?
3.4 水处理基本方法与工艺
3.4.1给水处理的基本方法
1.去除水中的悬浮物：混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒，
此即为自来水厂常用的工艺流程。
2.除臭、除味：用活性炭吸附或者用氧化法去除水中的溶解有机物，用气浮法或微滤机除藻，用曝气法去除水中溶解气体；
3.除铁、除锰、除氟：接触氧化法除铁、除锰，活性氧化铝或混凝沉淀除氟；
4.软化：去除钙、镁有离子交换法或药剂软化法；
5.除盐与淡化：蒸馏法、离子交换法、或药剂软化法；
6.降低水温：冷却塔或喷水冷却池；
7.水的腐蚀与结垢控制：用缓蚀剂与阻垢剂；
3.4.2微污染水源水处理现阶段，已发现在给水水源中有机物种类在 2000
种以上；饮用水中有 700多种。世界上确立了 117种有机物为优先控制有机物，它们均为“三致”（致癌、
致突变、致畸变）物质。
这些有机物有些来源于水源污染，有些则为传统氯消毒过程中产生的，如腐殖酸加氯消毒后生成三氯甲烷。
微污染水源水的预处理方法有：粉末活性炭法、
臭氧或高锰酸钾氧化法、生物氧化法、曝气法、水库蓄存法。
微污染水源水的深度处理方法有：粒状活性炭吸附法；臭氧－粒状活性炭吸附法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法及超声波－紫外线联用法等物理化学氧化法；膜滤法等等。
3.5 污水水处理基本方法与工艺污水处理及固体处理的各种方法见图 3-4。可以根据处理目的是一级处理、二级处理、深度处理等合理选用。
去除粗粒固体去除悬浮固体去除溶解的有机物 去除氮 去除磷去除细悬浮固体去除微量有机物去除溶解的无机物 消毒 污泥处理及处置筛除污水沉淀浮升稳定池活性污泥法滴滤池曝气塘厌氧接触法生物脱氮滴滤池化学沉淀过滤 炭吸附 结冰蒸馏离子交换电渗析液-液提取反渗透盐水处理副产回收氧化照射真空过滤淘洗照射离心浓缩湿燃烧需氧或厌氧消化干燃烧土地处置海洋处置废水处理 固体处理图3-4 污（废）水处理及固体处理的各种方法
3,1 物料衡算与质量传递
3.1.1 物料衡算方程设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分 i，可写出如下物料平衡式：
单位时间变化量 =单位时间输入量 -单位时间输出量 +单位时间反应量 (3— 1)
当变化量为零时，称为稳态，即：
单位时间输入量 -单位时间输出量 +单位时间反应量＝ 0
3.1.2质量传递传递机理可分：主流传递；分子扩散传递；紊流扩散传递。
1.主流传递物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，
方向与水流方向一致。
2.分子扩散传递
(3— 2)
式中,J—— 物质扩散通量，单位,[摩尔 /面积 /时间 ]或
[质量单位 /面积 /时间 ]
DB—— 分子扩散系数，单位,[面积 /时间 ]
Ci—— 组分 I的浓度，单位,[摩尔 /体积 ]或 [质量单位 /体积 ]
x—— 浓度梯度方向的坐标
dx
idCDJ
B
3.紊流扩散传递紊流扩散通量可写成类似于分子扩散通量式；
(3— 3)
式中,DC—— 称紊流扩散系数。
dx
idC
cDcJ
3,2 理想反应器模型
3.2.1 理想反应器分类见图 3-1,有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）等三种反应物产物反应物 产物反应物C
0
产物
(1)CMB 型 (2)C STR 型 (3)P F 型图 3-1 理想反应器图示
3.2.2 完全混合间歇式反应器（ CMB型）
物料衡算式为：
(3— 4)
t=0,Ci=C0； t=t,C=Ci，积分上式得：
(3— 5)
设为一级反应,r（ Ci） =-kCi，则
(3— 6)
设为二级反应,r（ Ci） =-kCi2，则：
(3— 7)
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3.2.3 完全混合连续式反应器物料衡算式为：
（ 3— 8）
按稳态考虑，即,于是：
（ 3— 9）
设为一级反应,r（ Ci） =-kCi，则因，故
（ 3— 10）
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0
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3.2.4 推流型反应器现取长为 dx的微元体积，列物料平衡式：
稳态时,,则：
（ 3— 12）
x=0,Ci=C0； x=t,C=Ci，积分上式得
（ 3— 13）
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3.3非理想反应器
3.3.1 一般概念
PF型和 CSTR型反应器是两种极端的、假想的流型。图 3— 3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。
+ CSTR
0
图3- 2推 流式反应器内物料变化 图 3 -3 理想反应器中浓度分布纵向分散模型见图 3-4，其基本设想是在推流型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：
（ 3— 14）dxdCDJ i11
x
L
图 3- 4 纵 向分散模型（ PFD 型）
x
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i
i
ωD-（扩散）
i
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x
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取出一个微元长度，列物料衡算式：
输入量：
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物料变化量：
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稳态时,故：
（ 3— 16）
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3.4 水处理基本方法与工艺
3.4.1给水处理的基本方法
1.去除水中的悬浮物：混凝、澄清、沉淀、过滤、消毒，
此即为自来水厂常用的工艺流程。
2.除臭、除味：用活性炭吸附或者用氧化法去除水中的溶解有机物，用气浮法或微滤机除藻，用曝气法去除水中溶解气体；
3.除铁、除锰、除氟：接触氧化法除铁、除锰，活性氧化铝或混凝沉淀除氟；
4.软化：去除钙、镁有离子交换法或药剂软化法；
5.除盐与淡化：蒸馏法、离子交换法、或药剂软化法；
6.降低水温：冷却塔或喷水冷却池；
7.水的腐蚀与结垢控制：用缓蚀剂与阻垢剂；
3.4.2微污染水源水处理现阶段，已发现在给水水源中有机物种类在 2000
种以上；饮用水中有 700多种。世界上确立了 117种有机物为优先控制有机物，它们均为“三致”（致癌、
致突变、致畸变）物质。
这些有机物有些来源于水源污染，有些则为传统氯消毒过程中产生的，如腐殖酸加氯消毒后生成三氯甲烷。
微污染水源水的预处理方法有：粉末活性炭法、
臭氧或高锰酸钾氧化法、生物氧化法、曝气法、水库蓄存法。
微污染水源水的深度处理方法有：粒状活性炭吸附法；臭氧－粒状活性炭吸附法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法及超声波－紫外线联用法等物理化学氧化法；膜滤法等等。
3.5 污水水处理基本方法与工艺污水处理及固体处理的各种方法见图 3-4。可以根据处理目的是一级处理、二级处理、深度处理等合理选用。
去除粗粒固体去除悬浮固体去除溶解的有机物 去除氮 去除磷去除细悬浮固体去除微量有机物去除溶解的无机物 消毒 污泥处理及处置筛除污水沉淀浮升稳定池活性污泥法滴滤池曝气塘厌氧接触法生物脱氮滴滤池化学沉淀过滤 炭吸附 结冰蒸馏离子交换电渗析液-液提取反渗透盐水处理副产回收氧化照射真空过滤淘洗照射离心浓缩湿燃烧需氧或厌氧消化干燃烧土地处置海洋处置废水处理 固体处理图3-4 污（废）水处理及固体处理的各种方法
