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水污染控制原理实验理论指导前言1、本课程为对环境工程硕士学位研究生所开设的一门专业必修课，随着教学和课程的不断改革，本课程学时也由原来的56学时减少为现在的36学时。本课程还没有开出配套的实验课程，本课程第一阶段考虑到以后的发展需要，还是按照课程团队对课程知识点的把握和理解，编制了1-7章节的理论课程对实验的指导；2、考虑到课程后面的继续申报省级精品课程的需要，将后面的8-11四个章节的对实验的理论指导部分留待下一环节继续编制和完善，特此说明。水污染控制原理课程教研团队第一章化学动力学对实验的指导动力学对半衰期测定确定反应级数的指导1、半衰期测定的意义放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期(HalMife)0随着放射的不断进行，放射强度将按指数曲线下降，放射性强度达到原值一半所需要的时间叫做同位素的半衰期。目前广义上的半衰期还包含降解反应中反应物浓度下降为一半所对应的时间。半衰期测定实验不光可用于考古，还可用于测定污染物降解反应级数及动力学常数的测定。2、利用半衰期得到降解动力学级数的理论基础2.1 反应级数如果通过试验数据的数学处理，得出产物P的反应速率可以表示为姻=也=ZW(11)PdtdIb那末，产物P的反应称为：反应物A的a级反应；反应物B的b级反应；总称为(a+b)级反应。K称为反应的速率常数(rateConStant),其单位为(浓度)«+昉/时间。2.2 半衰期与反应级数由已经给出的一级反应及二级反映的半衰期公式。同样，可以推理得出基元反应的反应物A的反应级数n与半衰期功2的关系如下：4/2OC7Vh式中，CA为A在t=0时的浓度。cJ1利用上式可得出求反应级数的图解法，如图1-1所示。图1-1求基元反应的级数2.3反应级数不同的反应半衰期与反应起始浓度关系当n=l时，半衰期L/2与起始浓度无关dq7M当1时，由士也at两边取对数可得：Ig41=而WHl一浏gG3、利用半衰期得到降解动力学级数的实验过程D采用实验测定降解物随时间的衰减情况，记录时间-浓度关系;2）反应级数不同的反应，半衰期与反应起始浓度关系分析3）采用数据拟合，分析数据是否符合误差分析的标准要求，如果符合则以lgt2为纵坐标，IgC为横坐标作图，应得到条直线，由直线斜率即可求得反应级数o第二章反应器对实验的指导1、反应器指导实验的理论基础1.1、 活塞流反应器活塞流反应器的理论分析,八容积=ZAzyA/反应速率=匚图2-1活塞流反应器1.2、 反应器内浓度及出口浓度c=qexp(-Re)(2-1)co=ciexp(-)(2-2)1.3、 连续搅拌反应器(CSTR)(1)进口反应器的流量皆为0；(2)A的出口浓度也必然是A图2-2CSTR示意1.4、CSTR的一般方程式物料衡算方程deQj+3QCa+r(2-3)at上式在稳态时简化为Qca+Va=Qca(2-4)两边分别除以。，并令。=WQ,代表反应器的停留时间。可得CA÷r4 =CA +(2-5)(2-6)1.5.一级反应解l-exp-("©Xi+ ©%)(2-7)在稳态时简化为_0-。八 1÷A:1.6、平行反应解的稳态解(1) CSTR的平行反应(2-8)AiBABrA=一(匕 +k2)CA(2)稳态解图2-3CSTR的平行(串联)反应(2-9)1 +。(匕+及)0kleAi1+。(匕 + & )(2-10)(2-11)1.7、串联反应的稳态解1+ 1(2-31)B+0&(1+1X1+2)-。北CA77(2-13)(1+1X1÷2)2、理论对实验的指导2.1 推流式与完全混合式曝气池的比较牛粪液厌氧消化的推流式和完全混合式反应器实验分析指导2.2 实验内容对推流式反应器(PFR)和完全混合式反应器(CSTR)用于牛粪液厌氧消化的性能进行了比较研究。在中温35下，对进料浓度40、80和128g/L的3种牛粪液分别进行了试验。结果表明,CSTR比PFR具有更好的去除VS(挥发性固体)和产生物气的性能，在进料浓度为40、80和128g/L时，CSTR中VS去除率比PFR中分别提高了17.4%21.5%；3.9%21.5%和0.5%5.3%。在最优进料浓度80g/L下,CSTR获得了最高的容积产气率和单位VS产气量，比PFR中提高了9.8%25.9%0研究认为,CSTR中的搅拌作用加强了微生物与物料之间物质的传递,提高了降解去除有机物和产生物气的消化效果。因此,在牛粪液厌氧消化时,推荐使用CSTR反应器。农业工程学报，李荣平，李秀金。2.3 理论指导以上理论可以帮助实验研究分析、推导以上结论。第三章活性炭吸附理论对实验的指导3.1 理论总结动态吸附与静态吸附之间的逻辑基础。1、动态吸附求活性炭的容量传质系数活性炭的容量传质系数ka,一般通过用初始有机物浓度Pj的水样，每升加活性炭mg做吸附试验，由吸附试验可以得出下列物料衡算关系：在时刻I水样中有机物的减少速率=在时刻t活性炭吸附有机物的增加速率，即在一升水中-=×(p-p,)×-出Pc式中&为活性炭的视密度，约为300gdn?,上式两边的具体单位分别为左边二咚s右边=4X巡X_=重sdtnmgg/dns式-华=履X(P-4)x""左边的P按质量来解释,而右边的(夕-2)则按浓dtPc度来解释它实际表示活性炭的吸附速率为浓度(P-2)的一级反应。P-Pe代表了吸附的推动力，即其有效浓度，当0=时.，活性炭即不能再吸附。Ka的单位为mgs.dm30对式-丝=AzZX(P-g.)积分得CltPC,一£-mka1°P-Pe2.303式Ig2二=可以绘成如图3-1所示的直线，由直线的斜率可求出P-Pe2.303aka值来。图31求活性炭的ka值2、吸附柱的泄漏和衰耗过程如果将出水的有机物浓度与吸附柱的产水量与相应的运行时间的关系绘成曲线，则得图3-2的吸附过程曲线。图32中表示了出水有机物浓度从零开始逐渐增加的过程。当增加到允许的有机物出水最高浓度4（运行时间）时，吸附柱即停止运行，柱内的活性炭需经再生恢复活性炭后，才能重新使用。允许的最高出水浓度4则称为吸附柱的泄漏浓度，所生产的总水量为匕，它相应的运行时间称为吸附周期。如果将已达到到4的吸附柱继续通过原水，出水的有机物浓度将迅速上升，以致很快接近进水浓度说明吸附柱的能力己经耗竭。当出水完全达到Pj的时间较长时，这时通过吸附柱的总水量为匕。出水浓度达到时称为泄漏，这时吸附柱所吸附有机物的总量称为吸附柱的有效容量，它代表了吸附柱的可能处理合格水的能力。出水浓度达到A时称为耗竭，这时吸附柱所吸附有机物质了代表了吸附柱所具有的总吸附能力。°产水累计量尸入匕图3-2吸附柱的泄漏和耗竭曲线由图3-2可以看出，面积。匕g则代表了吸附柱的总吸附能力。匕匕乂"匕所代表的是有机物的能力。图3-3也表明了在吸附柱的运行过程中，有一个的吸附厚度从吸附开始逐渐从柱顶向下运动，在泄漏时间J达到柱底，并在耗竭时间4完全消失掉。这个厚度称为吸附带。吸附带代表了原水中有机物浓度从0被去除到金所必须通过的最小吸附柱厚度。OV嗫8）泄漏与耗竭曲线新衅活件炭固完全饱和活性发 图饱和分数为/的柱高彳“产水累计量图33泄漏耗竭曲线的物理涵义由上面讨论，可知吸附带的总吸附能力为面积以匕匕以所代表的有机物，但当吸附带到达柱底后，它只具有面积匕匕匕所代表的吸附能力。因此，可定义吸附带的分数容量/为面积VYM_（/S）厘米吸附柱的全部吸附能力/=面积/匕匕以一十厘米吸附柱的全部吸附能力令A代表吸附柱的面积（单位为m2）,/V代表活性炭的视密度（一般为3OOkgm3）,天代表平衡浓度为8时Ikg活性炭所吸附的有机物重量（kg）,则得吸附柱的有效吸附容量=XiPCA（L-f）上式表示面积。匕,匕g所代表的有机物总量（单位为kg）,同样得吸附柱的饱和百分数=LZXIo0%3、吸附柱的设计建立吸附柱过程曲线与容量传质系数的关系主要是找出这一曲线的S形末端与容量传质系数间的关系。这一关系可以通过分析从吸附带厚度到达柱底(此时吸附柱到达吸附周期起到它的吸附能力完全耗竭止(即到达耗竭时间4)的吸附能力消失过程。吸附能力的消失也就是吸附带的消失。参看图34。(a)柱底吸附带中的x/6分布曲线(b)吸附等温线及操作线图3-4图3-4(a)表示吸附带刚达到吸附柱底时(相当于运行恰好达吸附周期2)，其中活性炭吸附量x/m沿吸附带高度的分布曲线，由底部(xm)z,值逐渐增大为顶部的(Xw)x,与运行时间，及心的出水浓度a及0相对应。如果把图中的y轴视作时间轴，则可看出这条分布曲线的形状与图3-2的吸附过程曲线的S末端完全相似，图32的面积ABC相当于图33的面积匕vt,代表了吸附带在时所剩余的吸附容量。在吸附带的各层活性炭中，它们的吸附能力是随着X/，的大小而变化的，值从上而下逐渐减小，各层的吸附能力也就从上而下逐渐增加。当单位面积流量(#g/min从时间4起不断通过吸附带时，各层活性炭的吸附量4/加值又不断增加，直到达最大值(xm)为止，相应地代表剩余吸附容量的面积ABC不断缩小，以至在时间A时时为零，这时流出容积为匕-匕的水量。上述过程实际表现为x/机值的AC曲线从外起不断向下运动，最后在运行时间4到达吸附柱底，AC曲线从办起不断向下运动，最后在运行时间4到达吸附柱底，AC曲线运动了b的距离，曲线的C点与坐标轴的B点重合，吸附带也就消失。在图3-3(a)中，y轴的正向与“/机曲线运动的方向相反，因此吸附带的坐标)可以解释为曲线向下运动了距离y。在4-4时间，由y=0增加为y=5,相应地x/m曲线相应地了/机曲线下降了6距离。在运行时间t,假定曲线向下运动的距离为y,那么，就相当于原来x/机曲线坐标y处的部分与坐标轴OB重合，OB轴以上只有坐标上面的部分，如图中虚线所示。此时活性炭的吸附量为(rm)v,剩余的吸附能力由(xM-(xm)v代表，出水的有机物浓度为。当时间增加小，y增加办时,相当于x/m曲线下降了距离dy,吸附量增加了d(xm),相应地水中有机物浓度减少由，。按物料衡算关系可知，在坐标)，处的增量力中所含的活性炭体积微元(dyXlXl)m3中所吸附的有机物量应与单位面积出水流量K,Agmin由于浓度降低40所去除的有机物相等，因此得从流量£,#g/min中所去除的有机物量/m3=每分钟在活性炭容积办H?中所吸附的有机物量相等，因此得上式左边虽然等于En即，但右边的表达式不能直接得出，需要做一定的假定和推导。先作出合理假定：m式中，PS为一常数，EHP的单位为(kgm2.min)X(kg×kg)=kg(有机物)/m2.min；x/加的单位为kg/kg。上式表示了每公斤活性炭所吸附的有机物与每分钟每立方米所通过的有机物量成正比。FO式Ti=PS为一条通过原点的直线方程。又令0=8时，该直线通过吸附等温线的m(xm)a点,因此可求出PS值来，这一直线称为操作线，它和吸附等温线的关系，如图2-17(b)所示。从图中可看出，对同一吸附量x/m值，可以分别从等温线及操作线上得出平衡浓度Pe及浓度p,即在该x/m值时，存在浓度差(P-PP-P,即吸附的推动力，dym3容积微元中的有机物吸附量可仿照式-生=k7x(p-q)"表示为ka(P-Pidy,小Pc因此得物料衡算方程为FmdP=WP-PeMy按高度从O到y,浓度从4到P进行积分得当y=K时，p=px,代入上式得由式上两个式子得dpyP-Pepdp'%P-Pe计算y/b是为了求分数容量/的值。由式面积匕MK_(/一厘米吸附柱的全部吸附能力讲行数学转换得，一面积匕YM%一5厘米吸附柱的全部吸附能力7/二小一端口jolpjl-vj由图3J9(b)可以同时看出，当吸附层厚度由y增加6时，流出水量由VZ-匕增加为匕-匕,，两者间成正比，即由式(3-2)及式(3-3)得ITpi)/及b已知后，就可以由式两个式子计算吸附柱的有效容积及饱和百分数。3.2动态吸附的理论指导（D动态吸附与静态吸附之间的差异，含吸附容量的差异；（2）图动态吸附的BV数值吸附柱体积，吸附穿透点，穿透条件下的吸附容量;第四章传质及曝气对实验的指导4.1 曝气设备充氧能力理论基础曝气设备是为了充氧。应具有下列三种功能：(a)产生并维持有效的气水接触作用，并且在水中由于生物氧化作用不断消耗氧气的情况下，所供给的氧气量足以保持水中的溶解氧浓度不变；(b)在曝气区内产生足够的混合作用和水的循环流动；(C)维持液体的足够速度眦使水中生物固体处于悬浮状态。由4-8可得MO=Noa=K(/(4-1)式中，MO为传氧速率，即在单位时间内，单位容积水中所传递的氧气量，单位为摩尔/体积时间；p*为氧在水中的饱和浓度，4为水中氧的残余浓度。假定在时刻3水中的氧气浓度为0,每秒传递进水中的氧气为Mo,则在出时间内，由于传质所增加的氧量为Mod3这个扩散的氧量使水中的溶解氧浓度增加了"夕，因此得dp=Kla(p-p)dt令PO及0分别代表t=0及t=t时水中溶解氧的浓度，由上式得麦”,积分整理后得:lp-p0=zPtf-t 2,303(4-1)由41可绘制图4-1的直线，由直线的斜率求出KLa,此值应为一个平均值,反应了试验下的水中不同点的KLa变化。图4-12K.a的计算但是，同一曝气设备的KLa值和饱和的溶解氧浓度”随水质和温度变化，故一般规定在0.1MPa大气压下，用溶解氧浓度为0的自来水，并在20C温度下进行试验，所求得的KLa值称为标准传氧速率，此种试验的条件为标准状态。故同一曝气设备用于实际废水时造成的差异用经验系数表示如下：(K/卜=(KLa)2。“02”2。(4-2)(4-3)(4-4)(K”,=aKba)t(0*)w=G),式中，t代表摄氏温度；下标W及t分别表示废水及自来水；a表示KLa的水质修正系数；夕表示溶解氧浓度p*的修正系数。式(4-60)为ECken-felder的公式。在标准状态时，4-58可简化为：MO标=(KAa)标夕标(4-5)在实际状态下4-58可写成：Mo实(用实=(")标励-Pb)(4-6)(4-7)由式4.63和4-64得：=借!实="而叱二飞)4.2 理论对实验的指导4.2.1 试验测试曝气设备性能对不同型号曝气器的充氧性能进行比较研究，实验组织为清水条件下对曝气器的氧总转移系数、充氧能力、氧的利用率、理论动力效率进行测试，并从实验中得出各种曝气器充氧性能从优到劣排列顺序。4.2.2 理论对实验指导轨总转移系数K1.1"=KlC(CHC/),mg(Lh)经积分得：In(C,-C=xC,-Krt(1)在实验中测得KiHlJ为洁水中的氧总转移系数，如果水温不I司，按下式,进行XKu的温度变换计算.打ZC1r=KX1.024。(2)KI2<>一水温为20七时氧怠转移系数：K3一水温为TPmr氧总转移系数：T一实蛤时水温，PO实脸时的换算结果详见表2内容。充较能力N"»充氧能力是指某曝气装置在实验体积内单位时间的充氧量(kgh):N=O.55K/，kg/h(3)氧的利用率Eul氧的利用率是充氧能力占供氧量的百分比。充氧能力N.、SJ=I。;而薨1。，kg/h(4)动力效率即每度电的充氧能力SEp=N/W.kg(kWh)(5)第五章常规分离过程与膜分离对实验的指导5.1凝聚与絮凝理论基础1、基本概念凝聚（coagulation）指胶体的脱稳阶段.而絮凝（flocculation）则指肢体脱稳以后结成大颗粒絮体的阶段。第一阶段相当于给水处理中加药混合后的极端一段时间，可能在一秒钟以内.而絮凝则主要在絮凝设备中完成。2、肢体颗粒的基本性质（1）水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于d<4Um）,大部分细菌（0.280nm）,病毒（10300nm）,蛋白质。（2）稳定性：胶体颗粒在水中保持分散状态的性质。（3）憎水性胶体（粘土、无机混凝剂等），亲水性胶体（蛋白质、淀粉等）或介于两者之间。（4）对憎水性胶体，其稳定性可用双电层结构来说明。对于亲水性胶体，其稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳来说明。3、（憎水性）胶体的双电层结构及其稳定性（1）颗粒表面电荷的产生图5-1胶核荷电示意图水中胶体表面都带有电荷，在一般水质中，粘土、细菌、病毒等都是带负电的胶体。而氢氧化铝或氢氧化铁等微晶体都是带正电的胶体，其表面电荷的产生有如下四个机理：固相表面对水中某种离子的特异吸附；（例：Agl胶体颗粒表面电势决定Ag+离子在溶液中的活度。）极难溶的离子型晶体与它溶解下来的离子产物之间有一平衡关系（这一平衡关系由溶度积来确定），这使得晶体表面有了一定符号的电荷。铁、铝、氢、氧化物颗粒表面电荷可以是依此机理产生的。由于金属氧化物或氢氧化物的溶解沉淀反应与溶液PH值有关，因此，这类颗粒的表面电荷和电势受PH控制；颗粒表面离子化官能团的离解，特别是高分子有机物因其极性官能团的酸碱离解而使表面带上电荷；（受PH控制）（如蛋白质：COOH-R-NH2）某些离子型晶体（结晶物质）的SChOttky缺陷在晶体表面产生过量的阳或阴离子，而在其表面呈带正电或负电。（粘土及其它铝硅酸盐矿物晶体的表面电荷成因）、（这样形成的表面电荷和电势不受溶液PH值或其它电势决定离子的影响，且不存在电荷零点。）以上四个机理不是截然可分的，不同情况下由其中一个或几个机理起作用。（2） GoUy-GhaPman扩散双电层理论双电层一般包括内层和外层两部分，内层为Stem吸附层，外层为离子扩散层。扩散双电层的电势分布：=土红exp（一4A）（5-1）ze对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：“二卜XPi-Z（r-）（5-2）（3） Stem-Grahame吸附层在颗粒表面与扩散双电尼之间存在一离子的专届吸附层。由于强的静电作用和表面对离子的专属吸附力，使离子束缚在这一吸附层中。聚集的离子吸附层对颗粒表面电荷和电势具有很大影响。当表面吸附过量的反离子时可引起颗粒表面电荷变号、在吸附层中存在两个与表面平行的平面，即内HelmholtZ面（IHP）和外HeImhoItZ面（OHP）O内HeImholtZ面定义为位于末水合的吸附离于（一般是阴离子）中心的平面，而外HeImhoItZ面而则位于水合的吸附离子（一般为金属阳离子）的中心处。Stem层可是为由两个串连的平行板电容器构成，即在颗粒表面与IHP平面间和在IHP平面与OHP平面间的电位降呈线性规律。于是有：(5-4)q-i=-（5-3）i-d式中：Wo、中i、弧分别为颗粒表而、IHP面和OHP面处的电势：。0、Od分别为该三处的表面电荷密度；G、C2分别为上述两个平行板电容器的电容,又依据电中性原理，有：o+d=O（5-5）OHP面是扩散双电层的起点。OHP面处电势如也称为扩散层电势。图5-3为完整的平板双电层结构以及电势分布规律示意图。图53（a）为负电荷表面吸附阴离子的情况。图5-3（b）为正电荷表面过量地吸附了反离子（负离子）的情况。颗粒表面电荷发生了反号，使热力学电势（力o）与扩散层电势（弧）符号相反。图5-2扩散双电层理论图（4）憎水胶体的稳定与脱稳胶体颗粒表面存在双电层是其保持稳定的重要原因。当两个颗粒足够靠近以致扩散双电层相重叠时它们之间产生静电排斥力。考虑两个平行平板双电层叠加的情况，见图5-4。当两平板由无穷远分离的情况带到如图所示的h距离时，由于它们各自的扩散双电层不能充分展开而使电势力（x）呈如图所示的分布情况：边界条件为：在Z=O和x=h时巾=巾°。x=h2时，丝=0。由此得两平dx行平板中间位置处（x=h2）的电位:8Tzdi、.c八、m=exp(-)(5-6)Ze2而对一个孤立的平板双电层，在x=h2处，f=exp(-)o这说明，由于Ze2双电层的叠加，该处电势值增加了一倍。这将产生静电斥力以使两平板分开。保持两平板的间距为h的作用人来自静水压强差，即无穷远处静水压强Po和两平板间静水比强P之差。因此.在两平板间可列静电力和静水压力之间的平衡方程,即：图5-3Stem-Grahame双电层模型示意图dP+ pd = 0(5-7)式中：P为平板间的静水压强；P为平板间空间电荷密度；*为平板间电势分布。(5-8)半£(驾)华=0axdxax积分得:p-（警）2=常数（5-9）在x=h2时丝=0。因此，该处只存在静水压强（Pm）o两平板因扩散双电dx层叠加产生的静电斥力（FdI）就等于（PmP）之差，即fDL=Pm-Po=dp=-£pd<5-10）在两个平板靠近时不仅产个静电双电层作用力或势能。而且还存在一种范德华引力或势能Vlo。的作用。它是一种电磁作用。对两平板间范德华引力势能，可用下式计算：式中，A为Hamaker常数，它取次于平板的材质和介质（即水）的物理性质。对天然水中颗粒Hamaker常数为10y20j0范德华引力是颗粒凝聚或平板间粘附的主要作用力。静电双电层斥力部分地甚至全部地抵消范德华引力的作用，而使颗粒保持稳定。静电双电层作用势能VDL和范德华引力势能VLO的合成称为相互作用势能（POtentiaIenergyofinteraCtion）,即：vT=vDL+vLo=64z7z2exp（-/:A）-（5-12）k12成该式表明,胶体化学作用势能VT为间距h的函数。图55为依据上式计算的V-h曲线示意图。一般地，横坐标为间距h值，单位为nm或以k"表示。纵坐标为势能坐标，单位为erg或以kT表示。对于颗粒半径a与扩散双电层厚度k,之比远远大于1的情况（即ka>>l）,两颗粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图5-5代表了这类颗粒相互作用的V-h曲线。在该曲线上一般存在一极大值Vm称为斥能峰。这样，当两个颗粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚。由图5-5得分析可得出以下几点结论：图5-5胶体化学势能作用曲线示意图 根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散双电层厚度大致可取为1/k的3倍。因此，较强的胶体化学相互作用将发生在6/k的距离范围之内。 范德华引入势能曲线决定于Hamaker常数值，因此对给定的胶体颗粒间的相互作用，它是不变的。然而，双电层作用势能曲线却随着溶液条件的变化而变化。这是因为该势能决定于刖和k,等受溶液条件控制的参数。当双电层作用足够强烈时，Vrh曲线上存在一正的极大值Vm,见图55中曲线1。随着双电层作用减弱，即双电层作用势能曲线下移，极大值减小以致最终消失成为负值，见图5-5中曲线2。这时，颗粒间将发个脱稳而凝聚。水处理中的混凝过程就是为了实现这样的转变。斥能峰的表达式：(5-13).MHokT2422V=y'"ke1748万极值点是：dm=M因此，k”不仅代表扩散双电层厚度，也是两双电层叠加产生斥能峰的大致位置。压缩双电层可降低斥能峰而达到颗粒凝聚。降低H值办法可由增加溶液中离于的数量浓度nJ和价数Zi来实现。溶液的离子强度I等于在水温为20时，有：(5-14)2.8×104W式中.离子强度的单位为mo1/L。对zz电解质溶液，离于强度等于电解质的物质的量浓度。使Vrh曲线上的斥能峰Vm=O的电解质浓度称为混凝的临界电解质浓度Cao当溶液中实际的电解质浓度等于或大干Ca时，Vm为零或负值，颗粒迅速发生凝聚。随着电解质中离子价数升高，Ca值将降低。因此，电解质中离子价数越高，促进颗粒脱稳凝聚所需浓度越低。(5)C电势由上述讨论可以得出：胶体颗粒在水中.由于表面官能团的解离，电势决定离子的吸附以及晶格缺陷等原因产生表面电荷及电势。颗粒表面电荷大部分情况受水的PH控制，并存在一电荷零点的PH(PHo)o固液界面处静电场受到吸附层中的吸附反离子和扩散层中的反离子的屏蔽作用。吸附层内电势导线性降低而扩散层的电势则呈指数函数降低。影响胶体颗粒稳定件的主要参数是扩散层电位力d和厚度(由参数M代表)。增加溶液离子强度可使k值增大，表现为扩散双电层变薄。当吸附层内过量吸附反离子可引起电荷反号，使表面电位2o与扩散电位2d符号相反。这些都会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。然而，“弧、弧皆为热力学电势，直接测定是困难的。通常可以测定的电势是颗粒的表面电动电势，即C电势。它可用微电泳仪测定。如图53所示，电势是双电层内滑动面处的电势。当存在一直流外电场时，胶体颗粒发生定向迁移，从而引起固液两相分离。这称为颗粒的电泳。由于吸附层中的离子和极性水分子被牢固地束缚农表面处，因而随颗粒一起移动。表面滑动一般发生在外HelmholtZ面附近。因此，C电势的大小和符号与扩散层电势力d相近。一般都假定：=d(5-15)当对电泳槽两端施加直流电压时，可通过显微镜观测到电泳槽中胶体颗粒在水中向正极(带负电胶体)或负极(带正电胶体)运动的迁移率。颗粒电泳辽移率UC定义为u=-(5-16)cE式中，UC为颗粒电泳迁移速度，单位为/s;E为施加的外电场强度，以电压与两电极间距离之比表示，单位为v/cm。因而UC的单位是ums"VcmL这样定义其单位是为了计算方便。MoUC与C电势的关系为=f(kci)(5-17)3式中，乡为水的介电常数；U为水的粘度；f(ka)为修正系数。a为颗粒半径。当水温为25时，=7.O8×lO,oCVm,=0.001kg/ms,上式变为：%=4.72 X IO"仔(Za)(5-18)式中，目电势的单位是mV。电解质对亲水胶体虽然同样也起凝聚作用，但有不同于憎水胶体作用的特点。第一，离子的价数对凝聚无重要作用；例如，带负电的胶体明胶分子，加氯化钠不沉淀，加氯化钙同样也不沉淀。第二，使亲水胶体凝聚沉淀出来起重要作用的是阴离子，阴离子个仅对带正电的亲水肢体起凝聚作用，同样也对带负电的亲水胶体起凝聚作用。阴离子起凝聚作用的能力也不一样，其大小顺序如下：5。广,（。6”5。7）一柠檬酸根，（。6乩。4产酒石酸根，CH3COO,Cl-,NoMBf,1这一顺序称为HOfmeiSter顺序。各种阳离子起凝聚作用的能力差别，不如阴离子那样明显。当产生亲水胶体凝聚作用所需要的盐的浓度太高时，这一过程就称为盐析。大量的盐不仅中和了亲水胶体上所带的电荷，同时也起了脱水作用。如硫酸铉为盐析蛋白质最重要的试剂，原因是硫酸根及铉离子都有很高的凝聚能力。盐析需要的硫酸钱浓度约在2molL以上。憎水胶体间的互凝而沉淀出来的现象比较简单，就象正负离子相中和而沉淀出来的现象一样。憎水胶体还可以同带相反电号的亲水肢体互相凝聚而沉淀出来，如用少量的蛋白质可使憎水胶体沉淀出来。在蛋白质带负电的PH值范围内，可沉淀带正电的憎水胶体，在带正电的PH值范围内，可沉淀带负电的憎水胶体。亲水胶体间的互凝现象较复杂。例如，有下列几种情况：酸性的蛋白质溶液（带正电的胶体）中加少量阴离子型蛋白质后，可以把蛋白质沉淀出来。这是带正电胶体与带负电的胶体互相凝聚的一个例子.原理与馅憎水胶体的互凝一样。但是也有带负电荷的强亲水胶体与带正电荷的强亲水胶体混合而不产生凝聚的现象。两种带负电荷的亲水肢体混合后，其中一种沉淀出来而只一种保持分散的现象。5.2理论对实验的指导（1）该现象产生基于胶体现象一种消除纳米级含铁物质kevin平衡干扰的预处理方法。采用纳米级含铁物质的吸附剂或催化剂在吸附或催化有机物后，进行有机物含量测定时，由于kevin平衡溶解的含铁胶体使待测量液体呈红色，产生吸收干扰紫外分光光度法、气相或液相色谱对有机物的测定。（2）胶体脱稳的处理方法将待测液体测量PH值后，采用含铝盐中和含铁胶体所带电荷，采用高速离心机4000rpmmin,液固分离后调回pH,溶液送入测定，可消除含铁胶体对测量的干扰。（3）对结果的误差分析铝盐絮体对有机物不产生吸附，也不改变含铁胶体的原有吸附。该方法简便、成木低廉、误差小、操作方便，可以消除含铁吸附剂或催化剂kevin平衡干扰紫外分光光度法、气相或液相色谱法测定有机物。第六章生物化学工程基础对实验的指导6.1细菌的成分细菌也和其它活的生物一样，需要某些营养物才能生长。这些营养物必须包含该细胞的细胞物质中所含的元素，以及酶的活力及运输系统所必需的元素。1 .细菌的元素组成细菌所必需的元素可以称为细菌的生物元素。细菌元素可以通过细菌细胞物质的分析得出。细菌和其他微生物成分中所含的主要元素见表6-1。这些元素所占的百分数是以细菌干重计的。由表6-1可看出，大多数元素都占0.5%以上。表62列出了细菌成分中的次要的生物元素。衰6-1«8首所含主妾生物元索E元素所占百分数来源代用功能C50有机化合物,Ca阳胞物质主要成分0NO1H3O,CO5,有机化合物细胞物质主要成分N14NHNOf有机化合物细胞物质主要成分H8比.此0,有机化合物组瞧物质主要成分P3HPOj'核酸、脂、辖督的成分S1SO,HS-,0,Si('，有机碱化蛋白质成分、某些辅Ii成分（如合物瞿酶A、辅技H）KtK*细胞中主要的汨离子、某些w的输因子Na1Na4用部细菌（*philicBaeteIiQ/要的离子蜘0.5多种W的H因子（如激睥）,细胞Q0.5C?*壁、级明膜,研敲豳中均含有重要细融阳离子,某些兽的箱因于（如董白H）G0.5Cr眉版细蔺需要的离子Fe0.2Fe2Fe)*细胞色IL其它血红素量白质及非血缸K量白质的成分,许多置的输因子其它0.3注:百分数数字系大的埃希氏国的资料°袭6-2细菌所含次要生均元素Jt东米源代谢功能ZnZn2t乙犀脱笠梅,碱性磷酸馥.醛翁南NA及DNA整合粥中均含有MnMn>僦的批物歧撼中含有,某些鹿嘘因子MoM(>-硝酸过还原用,固演博及甲酸脱技眼中均出现Seo-甘氨酸还原偌及甲酸脱乳爵中均储CoCOn在含石辅荫B口的曲中出现（谷氨酸变位崖押基丙二僮单的变但解）CuCu2*细德包素H化图及加鼠梅中含有UWw泉与甲酸脱氯瞥中含行NiN产尿酸管巾含有,氢氧化细曲的自养生长所必需表6-1所列的数据，是判别在废水生物处理过程中，水质中所含有的几种主要元素含量是否满足了细菌生长需要量的根据，一般情况下都能满足，故不必加以核实。但表6-2中所列的某种微含量元素缺乏时，代谢作用就会受到影响，废水处理就会出现异常现象。2 .细菌的大分子组成细菌或其它的微生物细胞物质主要是由一些大分子组成的，如表6-3所示。其中蛋白质和核酸是微生物细胞进行生命活动的最重要的物质基础。*6-3微生物细胞的大分子成分大分子含疑所占百分数蛋白质52.4多糖16.6类凿9.4RNA15.7DNA3.2总计97.3（1）蛋白质的组成微生物细胞的蛋白质分为两种，一种为结合蛋白质，如糖蛋白等，是构成细胞组织的一部分；另一种为溶解性的单纯蛋白质，主要在细胞质中。各种蛋白质的元素组成都很有碳、氢、氧、氮四种元素，大部分还含有硫。有的还含有磷、铁、铜等。Q-氨基酸是一切蛋白质的组成单位。组成蛋白质的天然氨基酸主要有20种,如甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、精氨酸、天冬氨酸、色氨酸、氨酸等。氨基酸的基本结构通式为：RIN$CCOOHI.H上式具有两个特点：第一，具有酸性的-Ce）OH及碱性的-NH2,为两性电解质。第二，如果RH,则具有不对称碳原子，因而是光活性物质。氨基酸在中性水溶液中是以两性离子形式存在的。R-CH-NHR-CH-NCOO-氨基酸COOH两性离子一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的拔基可以缩合成肽，其键称肽键。+HjOR-CH-COOHCOOHH-CH-C-N-CH-COOHHR'IXII->!IlIINOHR'（2）蛋白质的结构蛋白质是由氨基酸结合而成，水解后产生Q氨基酸。根据氨基酸分子数目、排列次序，以及肽链数目和空间结构的不同，形成了不同的蛋白质。蛋白质的结构可分为一级、二级、三级和四级结构。（3）蛋白质分子中的重要化学键蛋白质分子中的化学键可分为共价键与非共价键两大类。共价键如肽键、能键，非共价键即次级键，如氢键、静电作用、范德华力等。（4）蛋白质的重要性质蛋白质是大分子物质，在水中形成胶体溶液，不能透过半透膜，能与水结合，在分子周围形成一层水膜。首先，蛋白质也是一种两性电解质。但其离解情况远比氨基酸复杂，可简化表示为JNH>FJN坦f/HzCOOHCOO-JHtCOO-正离子两性离子负尚子（PHV等电点）（等电点）（pH等电点）上式表明蛋白质在不同PH溶液中可为正离子、负离子或两性离子。其次，蛋白质存在变性现象。当蛋白质受物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性的空间排列发生变化，以致其原有性质发生部分或全部丧失的现象，称蛋白质的变性。变性的蛋白质分子互相凝聚为固体的现象称凝固。引起蛋白质变性的因素很多，热（607（C）、酸、碱、有机溶剂（如乙醇、丙酮）、光（X射线、紫外线）、尿素浓溶液水杨酸负离子、高压、剧烈振荡等均可引起蛋白质的变性。6.2理论对实验的指导（1）依据废水的分析结果计算去除BoD所需投加元素；（2）提供条件BoD坪值、BoDL、总氮、有机氮、硝态氮、亚硝态氮、总p、Fe>Mg、Ca、S等；（3）计算产生细菌量；（4）依据本节提供的细菌化学成分表核算，所需要投加的元素量。第七章废水生物化学处理基础对实验的指导7-1细菌增殖速率与底