论亚微观传质在水处理工艺中的作用 |
【中文关键词】 | 亚微观传质 水处理 工艺 作用   |
【摘要】 | 水处理工艺过程是多相物系反应和分离过程。多相物系反应分别化学反应和生物化学反应。化学反应速率很快,生化反应在有生物酶存在的情况下也较快,都远大于其传质速率。因此提高传质速率就成为提高水处理工艺反应速率的关键。这就是说如果能大幅度提高水处理反应工艺中的传质效率就可以大幅度提高水处理工艺的效率与品质。目前人们对水处理工艺中传质规律尚缺乏认识,工艺中的传质措施尚处于经验摸索阶段,缺乏理论指导。因此进行水处理工艺传质研究,就成为重要而迫切的课题。 |
【全部正文】 |
水处理绝大多数的工艺过程可以归结到这样一个程序:反应(化学反应或生化反应)→物质渐出→絮凝长大→把絮凝长大物从水中分离出去。即水中一些溶解性的有机物分子经强氧化剂的氧化作用,分解成一些更小的分子,其中一些分子带有很强的极性,互相络合,在其络合过程中也逐渐吸附了一些非极性分子,逐渐长大,其尺度达到胶体颗粒的尺度,这是反应淅出的一种形式。这样胶体尺度的有机络合物有一定的吸附能力,这也正是所有强氧化剂预处理后均有助凝作用的原因。它们与水中其它胶体尺度杂质在混凝剂水解产物作用下絮凝长大,最后通过分离工艺分离出去。另一种反应淅出形式是水中溶解的有机物分子经水中微生物的生化作用分解成一些小的极性分子,它们互相组合形成胶体颗粒尺度,完成了淅出过程。这种胶体颗粒有很强的吸附能力,逐渐絮凝长大,通过分离工艺分离出去。水处理工艺过程是多相物系反应和分离过程。多相物系反应分别化学反应和生物化学反应。化学反应速率很快,生化反应在有生物酶存在的情况下也较快,都远大于其传质速率。因此提高传质速率就成为提高水处理工艺反应速率的关键。这就是说如果能大幅度提高水处理反应工艺中的传质效率就可以大幅度提高水处理工艺的效率与品质。目前人们对水处理工艺中传质规律尚缺乏认识,工艺中的传质措施尚处于经验摸索阶段,缺乏理论指导。因此进行水处理工艺传质研究,就成为重要而迫切的课题。 1 亚微观传质 水流中传质是指水流中的质量交换,即物质在水流中掺混或扩散过程。过去把水中的传质分成两类:微观传质、宏观传质。微观传质是指由于水分子热运动引起的质量交换或扩散。其量级是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量级。水作层流运动时传质是微观传质。在水作层流运动时,物质垂直水流方向扩散与掺混是水分子热运动所造成的。所谓物质在水流中的宏观传质是指湍流涡旋的动力作用引起物质在水流宏观部位的渗混与扩散:其量级是宏观尺度的量级。因此宏观传质速率的量级远远大于微观传质速率的量级。 湍流情况下宏观传质速率的大小可用湍流扩散方程中的扩散系数大小来表征。湍流扩散系数可由下面两个公式计算。 κ~α(ε0λ)1/3λ[1](λ>λ0) 式中α、β为待定系数;λ为研究尺度;ε0为单位质量水体的能耗;v为水的运动粘滞系数;λ0为当研究尺度λ小到用它作为特征长度计算的雷诺数等于1时的λ值,即uλ0/v=1。由上面公式司以看到,当研究尺度在λ>λ0与λ<λ0两种不同情况下其扩散系数的规律截然不同。λ越小扩散系数越小,λ越大扩散系数越大,当研究尺度相差很大时,扩散系数可以相差几个数量级。这样物质在湍流水体中的传质可以分为两类;(1)宏观传质,即物质在水流中宏观部位的传质,这是由湍流中大、中、小涡旋造成的湍流掺混、扩散所导致,其传质速率很快,传质阻力很小;(2)亚微观传质,助物质在湍流水体中垂直该地区流速方向在极邻近部位的扩散,其传质速率很低,传质阻力很大。亚微观传质究其实质是层流下的传质因为在极邻近部位即当λ<λ0时,其粘性力起主导作用,水流呈观层流状态,故其传质速率远低于湍流宏观传质速率。 在层流水体中物质垂直流速方向的扩散是由水分子热运动造成的。而在湍流水体中由于微涡旋离心惯性作用,引起比重与水不同物质沿微涡旋径向迁移。这一作用大大的增大了湍流中亚微观传质速率。由于这一速率远大于水分子热运动所引起的传质速率,所引可以认为微涡旋的离心惯性效应是湍流亚微观传质的动力学的致因。涡旋的离心惯性效应的大小可用涡旋加速度特征值αλ表征 涡旋加速度即单位质量惯性力。由式中可见随涡旋尺度λ减少,涡旋离心惯性力以λ1/3反比例而增加。当λ=λ0时涡旋的加速度最大,其惯性效应最强。由此可见在湍流水体中λ0量级微涡旋的离心惯性效应将大幅度地增加湍流中亚微观传质运率。 湍流亚微观传质研究尺度量级远小于宏观尺度量级,远大于微观尺度量级,是与湍流微涡旋尺度量级相当,即亚微观尺度量级[2]。因此其传质速率远小于宏观传质速率,又玩大于微观传质速率。 2、亚微观传质在水处理反应中的作用 前面已经提及水处理工艺中的反应速率远大于其传质速率;湍流宏观传质速率又远大于湍流亚微观传质速率。因此亚微观传质就成为水处理反应工艺动力学的决定性的问题。
第一个流程是目前普遍采用的地下水除铁的工艺流程。第二个流程是曝气后的水先流过一个网格段,再进入滤池。试验时地下水含铁量为11.5mg/L。试验证明目前通用的地下水除铁工艺流程在铁质膜成熟期之前出水不能达标。而第二个历程曝气后滤池出水水质马上达标,不需要铁质膜的催化作用。处理后水中铁的含量均为微量左右或更少甚至为痕量,铁的去除率均为97%以上。这二组对比试验说明,目前采用的曝气方法,因氧亚微观传质速率很低,而二价铁氧化成三价铁的速率很快,二价铁氧化时消耗的氧得不到及时补充,高含铁量时有些二价铁就不能氧化,必须借助铁质膜的催化作用。第二个流程因水流通过网格段增强了湍流扰动,增加微涡旋的比例,利用微涡旋离心惯性效应的作用,大大增大了亚微观传质速率。这时二价铁氧化成三价铁的所需氧不仅可以从溶解氧中得到补充,也可以从邻近地区过饱 和氧气中得到补充。因此不需铁质膜的催化作用,在进入滤池之前二价铁已氧化成三价铁。三价铁的氢氧化物有很强极性及 吸附能力,互相凝聚长大。而上述网格段自能效加速氢氧化物络合物的接触与碰撞,使它们迅速絮凝[2],进入滤池后正好被滤池所截留,出水铁的残余甚微。 参考文献 [1]物理化学流力学列维奇著科技出版社 [2]惯性效应在絮凝中的动力学作用王绍文 中国给水排水 1998年第Ⅱ期 [3]絮凝在地下水除铁除锰工艺中的应用研究 刘健勇 哈尔滨建筑大学项士生论文 1998年 |
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