武理工水污染控制原理研究生教案第5章 常规分离过程与膜分离.docx

第五章常规分离过程与膜分离(-)教学设计Ll本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面凝聚与絮凝KynCh沉淀理论在沉淀、浓缩池应用滤床过滤的流体力学反渗透原理及超滤、反渗透及膜生物反应器1.2 本章节重点本章节重点：胶体与界面理论、KynCh的沉淀理论、滤床过滤的流体力学、渗透与反渗透、超滤与反渗透原理及应用本章节难点：扩散双电层理论、絮凝动力学、水处理中的滤床过滤、1.3 本章节教学内容本章教学内容如下5.常规分离过程与膜分离凝聚与絮凝5-1基本概念5-2胶体颗粒的基本性质5-3絮凝动力学5-4水处理中的凝聚与絮凝沉淀试验5-5离散颗粒的沉淀试验5-6絮凝颗粒的沉淀试验5.7 浓悬浮液的沉淀试验5.8 KynCh的沉淀理论浓缩池5.9 利用KynCh理论确定浓缩池面积5.10 利用固体通量曲线确定浓缩池面积滤床过滤5.11 滤床过滤的流体力学5.12 水处理中的滤床过滤膜分离5.13 膜分离法概述5.14 反渗透5.15 超滤5.16 膜生物反应器1.4本章节教学方法1 .情景导入水体和大气Tyndaneffec、胶体溶液入手，引入胶体概念、连通器原理图片入手，渗透、反渗透概念。2 .双案例关联胶体、MBR在基础研究方面的应用（案例九）CMF在工程设计方面的应用（案例十）3 .5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：胶体的定义、现象、双电层理论、电动电位、零电点、凝聚与絮凝、KynCh沉淀理论与设计、滤床过滤用到哪些流体力学原理、膜的定义、渗透与反渗透等、海水饮用分析等，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（）教学内容1 .凝聚与絮凝胶体的基本性质、絮凝动力学、水处理中的凝聚与絮凝2 .沉淀试验离散、絮凝颗粒、浓悬浮液的沉淀分析、Kynch沉淀理论、Kynch理论与浓缩池设计3 .滤床过滤滤床过滤的流体力学、水处理中的滤床过滤4 .膜分离膜分离法、反渗透与正渗透、超滤与MBR§5.1凝聚与絮凝1、基本概念凝聚(coagulation)、絮凝(flocculation)。2、肢体颗粒的基本性质亲、憎水性胶体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(2) GoUy-GhaPmarl扩散双电层理论扩散双电层的电势分布：=攵红exp(-A力(5-1)ze对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：“二色卜XPI-Z(r-。)(5-2)(3) Stem-Grahame吸附层内HelmhOItZ面(IHP)和外HelmhOItZ面(OHP)(5-3),z0-i=-(5-4)式中：巾o、i力d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+=0(5-5)OHP面是扩散双电层的起点。OHP面处电势力d也称为扩散层电势。图53为完整的平板双电层结构以及电势分布规律示意图。图5-3(a)为负电荷表面吸附阴离子的情况。图53(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(归D符号相反。图5-1扩散双电层理论图(3)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2=弧)。x=h2时，丝=0。由此得两平dx行平板中间位置处(x=h2)的电位：8/xT,h.c八m=exp(-)(5-6)Ze2而对一个孤立的平板双电层，在x=h2处，w=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5-3两平板双电层叠加示意图dP+pd=O(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；2为平板间电势分布。j典a=O(5-8)dxdx1dx积分得：一(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%=P,“一PO=Lodp=-o；PdW(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10（）-20j。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（Potentialenergyofinteraction）,即：wz.z.z64n.kT2/4,、vt=vdlvlo=一T一yexp（-c）-（5-12）k12就该式表明,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M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5-4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no和kd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55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：V=W7 2* ke2 748 万(5-13)极值点是：dm=M因此，M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值的办法可由增加溶液中离于的数量浓度m。和价数Zi来实现。溶液的离子强度I等于婿Z：。在水温为20时，有：(5-14)2.8×104卜=式中.离子强度的单位为mol/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Ca。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。影响胶体颗粒稳定性的主要参数是扩散层电位2d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，使表面电位帆与扩散电位Wd符号相反。这些都会引起肢体颗粒脱稳而凝聚。然而，力0、1>Wd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51所示，C电势是双电层内滑动面处的电势。当存在直流外电场时，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HelmhoItZ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。颗粒电泳迁移率W定义为U=-(5-16)cE式中，W为颗粒电泳迁移速度，单位为um/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"/Vcm"。这样定义其单位是为了计算方便。M。UC与C电势的关系为WC=学(%)(5-17)式中，8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，=7.08×10,°CVm,U=0.001kgms,上式变为：%=4.72X10-(Za)(5-18)式中，8电势的单位是mV。4、絮凝动力学脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发生凝聚。就目前的观点认为，颗粒之间发生碰撞接触是由三种物理传输过程所致。这三种物理传输过程是异向絮凝(perikineticflocculation),同向絮凝(OrthokinetiCflocculation),差降絮凝(differentialsettling)。(1)异向絮凝胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象(这里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在一起)在胶体化学中称为异向絮凝(perikineticflocculation)0(2)同向絮凝使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚.速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝(OrthokinetiCfIoCCUIation),给水处理中的絮凝池就是体现同向絮凝的设备。（3）差降絮凝对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮凝之外.还存在着所谓差降絮凝。大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而发生碰撞，产生絮凝现象。颗粒直径越小，扩散传递速率越大。对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大，这些作用越显著。存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。对于上述计算实例，这一特定颗粒直径大约在0.1Um和IUm之间。5、水处理中的絮凝与凝聚（1）水处理中的混凝特点（2）铝盐和铁盐的混凝性质凝聚和絮凝过程有下列四种作用：双电层压缩：吸附中和；吸附架桥；絮体网捕至今无机混凝剂的最佳剂量的确定仍依靠烧杯实验。有时，颗粒电泳测定，尺寸分布测定及可滤性测定也可作为辅助手段。（3）加药混合于絮凝池设计混凝单元操作中的加药混合是通过迅速搅拌（机械的或水力的）达到混凝剂与颗粒物质的充分接触,其平均流速梯度石值的确定与混凝剂的凝聚机理密切相关。n为KOImogOroff涡旋微尺度，且=e/£卜（5-19）式中，£为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；V为水的运动粘度，且V=Po上式表明，单位质量流体的能量耗散£控制着涡旋微尺度的长短、而混合设备中紊流的平均速度梯度百亦与能量耗散£和水的运动粘度V有定量关系，即G=（v（5-20）因此，通过控制存值就可以调整涡旋微尺度n的长短。第二节沉淀实验1、两类悬浮颗粒：（I）离散颗粒：（2）絮凝颗粒2、离散颗粒的沉淀实验（1）离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：P=IOO-+f,VdP匕JO位于水面能够100%地去除的最小颗粒沉速V*实际就是沉淀池的设计溢流率（OVerfIoWrate也称表向负荷或过流率）。_ACUAC.池宽=U沉淀池断面面积=沉淀池流量=、益济率"-W-Ch池宽-沉淀池表面面积一沉淀池表面积一3、絮凝颗粒的沉淀试验（1）沉淀时间为t,时去除悬浮物的百分数可表示为：P=2+U*2）+.+U（匕2-匕3）+（-1-匕2）+-（i-1）匕力V.v（2）絮体颗粒特点：4=2+/（厅_编+立.（/4）+/.（44）+/.（100汽）小LL匕4、浓悬浮液的沉淀试验（1）浓悬浮液的沉淀特点：讨论常见类型（a）。整个沉淀柱分四个区：清水区、等浓度区、变浓度区及压实区。清水区下面的各区总称为悬浮物区或污泥区。（2）固体通量曲线固体通量小的定义为：=vp5、KyllCh的沉淀理论（1） KynCh理论介绍Kynch沉淀理论的基本假定可以归纳成下列三条：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。颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数。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。最终得：ddh-=Vdpdt(2)KynCh理论应用§5.3浓缩池1、基本内容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。2、利用Kynch理论确定浓缩池面积Q.P.(SiSuA-SPj,将PQi=PoQo得：a_QOPO(SiSu上式中，SMPu为给定值，但S/Pi值随浓度Pi的增加逐渐减小，Vi值则随Pi的增加也逐渐减小，可知团积Ai是变化的。在这些大小不同的Ai值中，存在一个极大值Aimax,这个极大值为浓缩池所需的面积。如果浓缩池面积小于这个极大值AimaX,则在浓缩他中，从高于AimaX所在高度小的断面流来的固体流量QoPo就不能全部通过这一断面，因而也就不能全部到达底流中，不能满足浓缩池功能的要求。3、利用固体通量曲线确定浓缩池面积(1)方法一=(y+u)p=vp+up=h+up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P与相应沉淀速度V的资料;选用底流速度u；按图5-27作储-P曲线；求出最小固体通量Omin值及相应的底流浓度Pu;浓缩池面积A应大于QoPo/6min。(2)YOShiOka求6min法:§5.4滤床过滤1、滤床过滤的流体力学(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。一般石英砂滤床的滤料直径为0.51.2mm0滤床滤速为810mho即使按滤速为20mh计算，孔隙滤床属低流速流动。流态为层流，符合Darcy定律：U=.但L式中Ap为滤层厚度为的压强差；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。(3)两种孔隙介质流态的模型：KOZeny-Carrnan模型和HaPPeI模型。KOZeny-Carman模型孔隙介质的渗透系数可表示为：45(l-7)2沿滤床深度的水头损失可表示为：KA/7_45W(I-/YHappel模型渗透系数K与孔隙率f关系为：匕/2(23,+3/一力3/(3+2/)滤层的水头损失为：H3/(3+2/)(U、L2-3/+3/5-2/6PIgI?2、水处理中的滤床过滤(1)过滤的半经验理论滤床系数人与比沉积量。的关系：/1= 4)滤床的水头损失H(2)过滤的预处理1+自学§5.5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。§5.5.1反渗透与正渗透1、渗透与渗透压理想溶液中水的化学位可以表示为=+RTInX平衡时溶液中水的化学位由下式表示：=0+V+RThxxn=%RTV2、反渗透通量D1C1Vl(p-)RTb常一TJ1=-(p-)反渗透的效率可表示如下溶质i的去除效率M二包二CifE_Cib(Q-Qp)_£*_fI_QP3、海水淡化的最低理论耗能W=Ee)RT广匕W=I*XnxdV(V1-V2)V,W=PV(V1-V2)Vv,Pv2fIW=(当V2-V时，即从体积为Vi的海水中只反渗透无穷小容积dV的淡水时,可取1Z½VI因此，得IimW v2½ARTSl上式表明在反渗透过程中用海水生产每单位体积淡水所需要的最小能量，则另外公式表示在海水体积不同压缩程度下其所需的理论耗能量。3、正渗透介绍反渗透、正渗透差异、进展、应用。§5.5.2超滤1、超滤的工作过程超滤可以在无需清除滤膜上所累积的固体颗粒的条件下保持过滤通最稳定不变.这是超滤与其它过滤方法相比所具有的特点。(1)其原理即滤膜的筛除作用。它的通量可表示为厂式包J=Knt空m(2)超滤的机理不止是筛除作用，还有浓差极化，由于水的通量J不断把不能透过膜孔的大分子溶质(小分子溶质透过膜)带到滤膜表面并且不断积累，使溶质在表面处的浓度Cm高于溶质在主体液体中的浓度Cb形成厚度为的浓度差边界层。这个现象称为浓差极化。§5.5.3膜生物反应器1、膜生物反应器的发展与分类(1)膜生物反应器的发展污水处理中的膜生物反应器(MB)是指将膜分离技术中的超、微滤膜组件与污水生物处理工程中的生物反应器相互结合成的一个新系统。(2)膜生物反应器的分类根据膜组件与生物反应器的组合位置可笼统地将膜生物反应器分为分置式和一体式两大类，根据膜组件中膜的材料化学组成的不同可分为有机膜(如聚矶、聚丙烯睛膜等)和无机膜(如陶瓷膜等)。根据膜孔径大小可分为微滤膜、超滤膜、反渗透膜。根据膜组件的形状的不同又可分为管式膜、板式膜、中空纤维式、螺旋式、毛细管式等。根据生物反比器中微生物生长需氧情况的不同，膜生物反应器也分为两大类.即好氧膜生物反应器与厌氧膜生物反应器，有文献按这一分类原则将膜生物反比器归纳为四个系统，即RAMB系统、MFMB系统、TOMB系统和SCMB系统。前两者是厌氧性的膜生物反应器，后两者是好氧性的膜生物反应器。2、膜生物反应器的研究与应用早期的有关膜生物反应器废水处理工艺的研究主要集小在应用的可行性，处理效果及运行的稳定性方面。许多研究都表明膜生物反应器应用于废水处理，具有污染物去陈效率高，出水水质好，运行稳定可靠的特点、在这一系统中，微生物的特性如何变化以及影响该系统性能的操作因素更是人们关注的重点。在膜生物反应器中混合液悬浮固体(MLSS)浓度可以高达每升几十克以上.远远高于传统的生物反应器。MLSS浓度的增大，其结果是系统的容积负荷提高，使得反应器小型化成为可能。由于该系统的泥水分离率与污泥的SVI值无关，且MLSS浓度高。因此.生物反应器中的F/M值可以很低，以致于反应器中的微生物因营养物质的限制而处于内源吸呼阶段.其比增长率几乎为零，则剩余污泥量很少或为零。由于使用了膜分离技术，该系统可以在HRT很短但SRT很长的工况下正常运行，因而对世代周期长的硝化菌的生长繁殖有利，使系统可以实现一定的脱氮功能。高膜表面流速产生的剧烈紊流及高剪切力，使原生动物等大个体的微生物的生长受到了限制，因此，膜生物反应器中的生物相不及活性污泥法丰富。膜通量是膜生物反应器的一个重要操作参数.其影响因素有混合液悬浮固体浓度、温度、膜面流速、膜的工作压力、膜的阻力、膜吸附、膜堵塞和浓差极化等。理论和试验都证明膜的工作压力对膜通量的影响分两种情况：(1)低压区，膜的水力阻力，起主导作用。当MKS浓度一定时，膜通量与压力呈线性关系，工作压力越高，通量越大。(2)高压区.浓差极化形成的凝胶层阻力起主导作用，通量与工作压无关。对于工作压力一般认为存在一个临界压力值，临界压力值随膜孔径的增加而减小，Saw报道微滤膜的临界压力值在120kPa左右，超滤膜的临界压力值在160kPa左右。膜的性质包括膜孔径大小.憎水性、电荷性质、粗糙度等也对分离效果产生影响。对不同截留分子量的超滤膜的试验研究表明，截留分子量小于3(XMx)O时，随截留分子量，即膜孔径的增加，膜通量增加。大于该截留分子量时、膜通量变化不大。而膜孔径增加至微滤范围时，膜通量反而下降.据推测这主要是细菌在微滤膜儿内造成不可逆的堵塞所致。膜生物反应器的应用，目前除少数几座小水量的生产性装置在日本等国建成之外，所报道的成果大多数那还属于小试或中试研究。