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中山大学理学硕士学位论文 清水池氯消毒的c f d 方法研究 专业：流体力学 硕士生：陈琳琳 指导教师：詹杰民教授 摘要 随着经济迅速发展，水源污染日趋严重，给水厂中消毒工艺日益重要。本文 采用氯作为消毒剂，针对提高氯的消毒效率，以降低氯量消耗和消毒副产物生成 量为目标，对清水池的结构进行改造。 本文利用计算流体力学( c f d ) 的商业软件f l u e n t 作为计算平台，区别于其他 研究氯消毒采用多相流模型中e u l e r i a n 方案或采用离散相模型中 e u l e r i a n l a g r a n g i a n 方案，本文采用加入用户白定义标量( u d s ) 的方法，编写用 户自定义函数( u d f ) ，加载到f l u e n t 中，以此来建立二维清水池数学模型。同时 运用此模型计算清水池内的水流流态和示踪剂停留时间分布函数，并与实验数据 进行验证。结果表明，该模型能够很好地模拟清水池中水流的流动以及示踪剂和 氯的浓度分布，与实验结论有非常好的一致性。 利用该模型，计算了清水池分别在1 、2 、3 、4 、7 个挡板五种情况f 的水流 流场、示踪剂停留时间分布函数和氯的浓度分布。并且分析比较了在清水池4 食挡扳肘，改变廊道拐角形状、入口管径、挡板长度对消毒效率的影响。 c f d 方法模拟结果表明，随着挡板数目增加，水流流场和氯浓度分布的均 匀性变好，滞留区面积减少，流态接近活塞流，消毒效果增强。另外，廊道拐角 变弧形和随着挡板数目增多而同时增加挡板长度，同样有益于消毒效率的提高。 关键词：消毒效率；c f d ；清水池；停留时间；示踪剂研究 中山大学理学硕士学位论文 a s t u d yo fc f d m e t h o do nc h l o r i n ed i s i n f e c t i o ni nc l e a r w e l l m a j o r ：f l u i dd y n a m i c s n a m e ：c h e nl i n l i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a nj i e m i n a b s t r a c t a l o n gw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m np o l l u t i o no fw a t e rs o u r c ei sd a yb y d a ys e r i o u s ，s od i s i n f e c t i o np r o c e s si nt h ew a t e rw o r k si si r l o r ei m p o r t a n t t h ea r t i c l e u s e st h ec n o r i n et ob ed i s i n f e c t a n t ，a i m sa te n h a n c i n gt h ec h l o r i n ed i s i n f e c t i o n e f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h eq u a n t i t yo fd i s i n f e c t a n ta n dd i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t s ( d b p s ) ，s ot h ec o n f i g u r a t i o no f c l e a r w e l li si m p r o v e d t h ep a p e ru t i l i z e sb u s i n e s s s o f t w a r ef l u e n tr e l a t e dt o c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) a st h ec a l c u l a t i o np l a t f o r m i tc o n c e n t r a t e sam e t h o do fa d d i n g u s e r - d e f i n e ds c a l a r ( u d s ) ，p r o g r a m m i n gu s e r - d e f i n e df u n c t i o n ( u d f ) ，t h e nu p l o a d s t ot h ef n e ms o f t w a r e ，f i n a l l ye s t a b l i s h e s2 - dm a t h e m a t i cm o d e lf o rc l e a r w e l l t h i s m e t h o dd i f f e r s 丘o mo t h e rs t u d i e so nc h l o r i n ed i s i n f e c t i o nb yu s i n ge u l e r i a ns c h e m e o f m u i t i p h a s em o d e l o ru s i n ge u l e r i a n l a n g r a n g i a ns h e m eo f d i s c r e t ep h a s em o d e l t h em a t h e m a t i cm o d e li sa d o p t e df o rc a l c u l a t i o no ft h ev e l o c i t yf i e l da n d r e t e n t i o nt i m ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fc l e a r w e l l t h ec o m p a r i s o no fn u m e r i c a lr e s u l t s w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tt h em a t h e m a t i cm o d e lc a nw e l ls i m u l a t et h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rf l o wa n dm i x i n gp r o c e s so fd y et r a c e r sa n d c h l o r i n ei nc l e a r w e l la n di ti sw e l li na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h c o n c l u s i o i l t h em a t h e m a t i cm o d e li sa p p l i e dt oc a l c u l a t i o no ft h ev e l o c i t yf i e l do fw a t e r f l o w , r d e n t i o nt i m ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no fd y et r a c e r s c o n c e n t r a t i o nf i e l d o f i i 中l b 大学理学硕士学位论文 c h l o r i n ef o rc l e a rw e l lw i t ho n eb a f f l ep l a t e ，t w ob a f f l ep l a t e s ，t h r e eb a f f l ep l a t e s ，f o u r b a f f l ep l a t e sa n ds e v e nb a f f l ep l a t e sr e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e f a c t o r so fd i s i n f e c t i o ne f f i c i e n c yu n d e rc h a n g i n gg u i d i n gw a l ls h a p e ，i n l e td i a m e t e r , a n db a f f l ep l a t el e n g t h t h ec f dr e s u l t si n d i c a t et h a t ，a l o n gw i t ht h en u m b e ro f b a f f l ep l a t e si n c r e a s i n g ， t h ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yo ff l o wf i e l da n dc h l o r i n ec o n c e n t r a t i o nf i e l da r ei m p r o v e d ， t h ea r e ao fc i t c u m f l u e n c ei sr e d u c e d ，t h ef l o wf i e l da p p r o a c h e st h ei d e a lp l u gf l o w , a n dt h ed i s i n f e c t i o ne f f e c ti se n h a n c e dm o r e o v e r , t h eg u i d i n gw a l lc o r n e rc h a n g e st o a r ca n di n c r e a s i n gt h eb a f f l ep l a t e ss i m u l t a n e o u s l yi n c r e a s i n gt h e i rl e n g t h ，i ti sa l s o h e l p f u lf o rt h ei m p r o v e m e n to f d i s i n f e c t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：d i s i n f e c t i o ne f f i c i e n c y ；c f d ；c l e a rw e l l ；r e t e n t i o nt i m e ；t r a c e rs t u d i e s 1 i l 中山大学理学硕士学位论文 1 1 研究背景与选题意义 第1 章绪论 消毒是给水处理工艺的重要组成部分。随着经济的迅速发展，环境污染日趋 严重，饮用水源污染尤为突出。国家环境部门统计，我国8 2 的河流受到不同程 度的污染，我国七大水系中，不适合做饮用水源的河段已接近4 0 0 , ；城市水域的 7 8 河段不适合做饮用水源；5 0 0 , 0 城市地下水受到污染。随着现代工业的飞速发 展，水体正受到工业废水、汽车尾气、农药的苯、酚等有机物及重金属的污染， 其程度呈越来越严重趋势【1 1 。 处理污染水源，绝大多数自来水厂采用氯消毒的处理工艺。氯消毒是国内外 最主要的消毒技术，美国自来水厂中约有9 4 5 采用氯消毒，中国据估计9 9 5 以上自来水厂采用氯消毒。但氯消毒近二十年受到很大挑战，主要由于下面三个 方面的原因：1 ) 消毒副产物问题。越来越多的消毒副产物，如三卤甲烷、卤乙 酸、卤代腈、卤代醛等在饮用水中被发现。三卤甲烷和卤乙酸由于其强致癌性已 经成为控制的主要目标，而且也分别代表了挥发性和非挥发性的两类消毒副产 物。美国专门有消毒剂和消毒副产物法对氯消毒剂和消毒副产物进行了规定，中 国卫生部生活饮用水卫生规范和建设部新的行业标准城市供水水质标准 也都准备将消毒副产物增加到水质标准中。因此氯消毒副产物的控制十分关键。 2 ) 贾第虫和隐孢子虫的问题。由于两虫有抗氧性，特别是隐孢子虫，氯消毒几 乎不起作用，因此采用新的有效的消毒方式以保证饮用水安全性十分必要。3 ) 饮用水生物稳定性问题。由于饮用水中生物可同化有机碳的存在，细菌能在管网 中生长并形成生物膜，即使管网中余氯量很高也很难完全控制细菌的再生长，并 对水质和输水管造成不利影响“, 2 1 。 鉴于我国实际情况，当前以及今后一段时间内，饮用水的消毒仍然是以加氯 消毒为主。所以为了保证饮用水的安全性，包括国家饮用水标准中微生物指标和 消毒副产物指标越来越严格，因此有必要对消毒技术进行改进，提高氯的消毒效 率【3 】。 中山大学理学硕士学位论文 1 2 消毒池设计方法研究进展 研究消毒过程的方法经历了三个阶段，先是最早的c t 值方法，然后是消毒 设计框架方法，最后发展到计算流体力学方法。下面分别进行介绍： 1 ) c t 值 c h i c k 和w a t s o n 是最早研究化学消毒速率方程模型的学者。他们认为消 毒反应速率与微生物浓度和消毒剂浓度有关，在消毒剂浓度一定的条件下，消毒 反应是关于残留微生物浓度的一级反应1 5 ，6 1 。 c h i c k 和w a t s o n 模型的基本形式为 一d n ：七c 一( 1 - 1 ) 也 对于c h i c k - w a t s o n 模型的一般形式，通常认为n = l ，当消毒剂浓度恒定时， 对方程( 1 一1 ) 积分有 畦) = 砌 ( 1 - 2 ) 式中t 时刻微生物的个数； “一消毒开始时微生物的个数； | j 一消毒反应动力学常数； f 一消毒反应时间； n 一与扩散有关的常数； c 一消毒剂浓度。 在一定条件下，如果给定消毒所需要达到的灭菌率，则式( 1 - 2 ) o - i 变形为以 下形式： c t = k ( 1 3 ) 式中足一常数，与消毒所要求的效果有关，k = 一m 甍) 他； r 一消毒反应时间。 综上所述，按照c h i c k - w a t s o n 消毒公式，消毒效果与c t 成t h d l 7 。因此美 国有关饮用水处理的法律专门规定消毒设计必须以c t 为设计依据。从法律上 讲，美国安全饮用水法( s a f ed r i n k i n gw a t e r a c t ) ( 1 9 7 4 、1 9 8 6 和1 9 9 6 ) 规定了 2 中山大学理学硕士学位论文 饮用水的基本法律问题，是美国饮用水宪法。根据这个法律制定的其他专门法律 和规程都规定消毒必须用c t 作为设计和运行参数。其中c 是反应时间r 后的剩 余消毒剂浓度，r 为反应时间。而且要求r 必须用。，不能用水力停留时间 r = 吖q ( 反应器有效体积与流量之比) 来计算。必须通过示踪试验或者根据 反应器布置对水力停留时间乘以相应的系数，在本文定义为有效水力停留时间。 f l o 为在闭合反应器中某一时刻从进口进入的消毒剂首先从出口出来的，占总量 1 0 的组分的停留时间。 为什么要规定用t , o 呢【8 1 7 我们知道理想的反应器分为全混式( c s t r ) 和理想 推流( p f r ) 。在反应器的入口加入化学试剂( 例如氯) 后，如果是p f r 则在某一 时刻加入的化学试剂将都经过水力停留时间v q 后同时在出口出来。如果是 c s t r 则由于加入后立即被混合，因此有部分立即从出口出来，有部分很长时间 才出来，即同一时刻加入的试剂是经历不同的反应时间出来的。而一般的反应器 是介于p f r 和c s t r 之间。 为了保证消毒效果，理论上希望某一时刻加入的消毒剂( 本文为氯) 与水中 的微生物接触时间都为丁，但实际上要求所有的氯都有停留时间r 是不现实的， 因此实际的反应器由于流体力学的原因不可能达到理想推流，所以部分消毒剂在 反应器内的停留时间低于水力停留时间r 。所以美国采用保证9 0 的消毒剂能达 到停留时间r ，也即测定在某时刻加的消毒剂中首先从清水池出来的1 0 的量的 停留时间，这就是美国规定清水池设计以。为计算依据的原因。 2 ) 综合消毒设计框架( i d d f ) 综合消毒设计框架( i d d f ) 是一种用于饮用水消毒处理的新方法嘲。这个方法 被用来提高和改善消毒性能，可能代替美国环境保护局表面水处理规则指导手册 上的方法。有潜力的益处包括降低消毒剂剂量，减少消毒剂耗费，并且减少消毒 副产物的生成。i d d f 的可行性在1 9 9 8 年美国自来水协会( 删m ) 一个研究基金 会资助的项目被验证。一个用户友好使用的模型被发展在原来的i d d f 概念上： 这个模型允许使用者，咨询者和校准者来决定特定位置的消毒需要。 i d d f 模型是把消毒动力学合并入水动力处理过程模型中。这个模型有四个 中山大学理学硕士学位论文 模块： 反应器水力特性模块 消毒剂需求量消耗量模块 灭活动力学模块 消毒副产物生成模块 i d d f 在a u r o r a 水部门的性能研究取得了二氧化氯的剂量减少大约1 5 的进 展。其他i d d f 的性能研究也证明了原来消毒剂的剂量能够减少8 - 3 5 ，同时也 减少了消毒副产物。 3 ) 计算流体力学方法( c f d ) 给水处理中消毒反应器的水力效率是影响消毒效果和消毒副产物生成量的 主要因素之一。一般采用示踪的方法确定消毒反应器的水力效率与消毒反应器内 部结构之间的关系，但通过示踪试验测定消毒反应器内停留时间分布函数费时费 力，而且有时受限制于现场条件。 计算流体力学方法( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的 分析。c f d 的基本思想归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来替代，通过一定 的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求 解代数方程组获得场变量的近似值1 0 1 。 国外将c f d 技术应用于水处理工程的研究：1 9 9 8 年j a n e x 等用c f d 方法做 性能优化，分析水质和反应器水力学对u v 消毒的影响。文中利用c f d 数值工 具提供竖流反应器中精确的水流流动形态，以用来修改反应器的几何形状，减少 低剂量区域面积，提高消毒性能。同步的实验验证了这个方法的可行性【“】。1 9 9 8 年h a n n o u n 等用基于计算流体动力学的水力模型分析清水池，提出使流动状态 一致性最大化是提高消毒效率最具成本效益的方法，验证了清水池入1 2 1 和出口的 尺寸和几何形状及挡板墙的数目和位置是影响流动状态的关键【1 2 】。1 9 9 9 年 c h a t a i g n e r 用c f d 软件f l u e n t 研究了法国通用水务下属的两个清水池，用实例 证明了数值方法重新确定氯接触池尺寸的实用性”】。2 0 0 2 年t h u a n g 用c f d 方 法研究臭氧消毒反应器，同步用示踪试验验证了c f d 模型研究和优化臭氧消毒 4 中山大学理学硕士学位论文 反应器的可行性【l ”。2 0 0 2 年p e p l i m k i 研究在不确定的情况下，评价用c f d 软件 p h o e n i c s 建立的消毒接触池水动力模型的预测能力。结果显示，由于改变模型的 输入参数，流出物的停留时间分布有一些变化，而且流出物的停留时间分布对于 湍流施密特数和所选湍流模型的不确定因素是最敏感的【”】。2 0 0 4 年w a n g 和 f a l c o n e r 采用不同的涡粘性模型和对流差分格式组合分析对溶质输运过程模拟 结果精度的影响，得出七一模型对流动结构模拟结果与实测符合较好”7 1 。2 0 0 4 年g r e e c e 不仅用c f d 软件f l u e n t 预测氯接触池的流动状态和停留时间分布，还 扩展到预测氯浓度衰减和微生物灭活。结果表明c f d 方法的预测与实测数据有 很好的一致性【l 引。2 0 0 5 年l y a 等分别用欧拉连续方法和拉格朗日颗粒轨道方法 研究紫外线消毒渠，结果显示两种模拟方法能够产生相似的结果，但对于中试实 验，都低估了其消毒效果【1 9 】。2 0 0 6 年b a a w a i n 等用c f d 方法模拟一个蓄水池研 究水池结构对有效停留时间的影响。考虑消毒效率和经济效益并存，主要对挡板 数目和入口尺寸和个数做了多种情况模拟，结果与实验吻合非常好【2 0 ) 。2 0 0 7 年 d u c o s t e 等应用六个湍流模型( k 一、k 一r n g 、k 一、r e v i s e d k - r o 、r s t m 、 矸m ) 模拟一个闭合的紫外线消毒反应器。结果显示，流动分布的影响和流出物 的灭活水平相对于湍流模型的选择是非常灵敏的 2 h 。2 0 0 7 年s t a m o u 用c f x 软 件模拟了废水处理池在初始和增加导流墙后两种几何结构下的流场和过流曲线， 结果表明增加导流墙后，减少了短路流和循环流区域的面积，有效提高了水力效 率。并且提出这种数值方法研究可以应用在任何类型的水池中伫2 l 。 1 3c f d 方法在水处理应用中的优越性 c f d 模拟技术在水处理中应用越来越广泛，相对于传统物理模型，具有以 下几方面的优越性： 1 ) 提高研究效率：相对于传统物理模型，c f d 技术提高研究和工作效率。 通过改变计算机中模型的几何参数快速进行不同规模的模拟计算。 2 ) 节省资金：c f d 通过改变操作参数和模型参数便可以对不同的操作条件 和不同的几何模型进行模拟研究，相对于传统的物理模型，节省了研究开支。 3 ) 获得新信息：在水处理中，对流体进行仿真模拟过程中，往往获得大量 相关新信息，并且其模拟结果可以以图片和播放文件形式显示出来。 中山大学理学硕士学位论文 4 ) 快速解决实际问题：在水处理过程的实际操作中，经常遇到一些亟待解 决的问题，运用c f d 技术可以帮助工程技术人员快速分析和诊断问题，提出相 应解决措施。 1 4 本文研究内容、目标、方法 1 4 1 研究内容 由于通常水厂中消毒反应器都是清水池，所以本文就研究清水池中氯的消毒 情况。 图1 - 1 地表水二次净化工艺流程1 2 3 】 清水池是给水厂处理工艺的重要组成部分。清水池主要起水量调节和消毒反 应器的作用。作为水量调节作用，确定清水池调蓄容积时由一、二级泵站供水量 曲线确定( 两泵站每小时供水量越接近时，清水池的调蓄容积越小；两泵站每小 时供水量差额越大时，清水池的调蓄容积越大) 。作为消毒反应器是消灭饮用水 中的致病细菌、防止疾病通过水源扩散，此时清水池容积必须满足氯化消毒接触 时间的需要，至少应保证混合时间为三十分钟以上。随着对管网水质的重视，清 水池作为保证管网水质的一个处理单元的重要作用越来越明显，设计中需要对清 水池设计方案的消毒效率进行比较选择，以在运行时采用合理的投药剂量，既达 到理想的消毒效果，又尽量减少水中的残留氯。 由前面c t 消毒方法可知，c t = k ，要减少氯用量，减少消毒副产物( d b p s ) 的产生，必须要使停留时间最大，使氯充分的与清水池中的微生物进行反应，即 希望某一时刻加入的氯与水中的微生物接触时间都为r ，达到理想推流状态。但 是实际清水池达不到这种标准，所以实际停留时间为t i o 所以我们就希望f 1 0 无 6 中山大学理学硕士学位论文 限矮近r ，则消霉效果就会最好。 因此，。，是衡量清水池水力效率的重要参数。丁往往代表短流的程度， f 1 0 r 值越高，清水池内流态越好，其值越接近1 ，水力特性越好，流态就越接 近理想推流。f l o r 值与清水池内的挡板设置、进出口条件、廊道拐角等结构因 素有很大的关系。不同的水力条件的清水池其 。r 值会不同，表l - 1 为美国环 境保护署( e p a ) 提供的清水池f 1 0 t 的范围。 表l - 1 清水池f 1 0 丁范围川 导流板条件 o t 导流板设置说明 无01无导流板，混合型，极低的长宽比，进出水流速很高； 差 o 3 单个或多个无导流扳的进口和出口，无池内导流板； 一般 0 5 进口或出口处有导流板，少量池内导流板； 好 o 7 进口穿孔导流板，折流式或穿孔式池内导流板，出口堰： 理想推流 1 0 极高的长宽比，进口、出口穿孔导流板，折流式池内导流板。 1 4 2 研究目标 主要是对清水池的结构进行改造，以达到提高氯消毒效率的目的。计算清水 池分别在l 、2 、3 、4 、7 个挡板五种情况下的水流流场、示踪剂和氯的浓度分布。 并且比较清水池在4 个挡板时，改变廊道拐角形状、入口管径和挡板长度时对消 毒效率的影响。 1 4 3 研究方法 首先，本文将文献 2 4 】中的实验数据图片数字化，参照文献 2 5 】和 2 6 中研究 沉淀池的方法，建立本文的二维清水池数学模型，最后在f l u e n t 平台的基础上， 加入用户自定义标量( u d s ) ，编写用户自定义函数( u d f ) ，计算清水池内示踪剂 的停留时间分布函数，并与实验数据进行对比，验证方法的可行性。吻合之后， 中山大学理学硕士学位论文 再以水流流态和r 1 0 r 值作为示踪试验消毒效率的标准，通过改变清水池的内部 构造进行水力特性和水力停留时间模拟，以找到最好的清水池设计方案，达到最 好的消毒效果。最后再以真实的氯消毒剂进行模拟计算，以水流流态和余氯的分 布均匀性为消毒效率标准，验证示踪试验的结论。 中山大学理学硕士学位论文 2 1 消毒的定义 第2 章氯消毒 消毒：饮用水消毒的目的是杀灭水中对人体健康有害的绝大部分病原微生 物，其中包括细菌、病毒、原生动物等，以防止通过饮用水传染疾病。其判明准 则是消毒处理能达到饮用水水质微生物学有关标准卸。 2 2 氯消毒原理 1 ) 原水中不含氨氮成分 氯容易溶解于水( 2 0 。c 和9 8 k p a 时，溶解度为7 1 6 0 m g l ) ，当氯溶解在清 水中时，下列两个反应几乎瞬时发生 c 如+ 1 - 1 2 0 h o c i + h c i( 2 - 1 ) 次氯酸h o c i 部分离解为氢离子和次氯酸根 1 1 0 ( 7 l h + + o c i 一 ( 2 2 ) 其平衡常数为 墨= 盟 h o 署c i ( 2 - 3 )。 1 、 氯对消毒有效的三种形态：c t , 、h o c ho c i 一统称为有效氯。 2 ) 水中含氨氮成分 实际上，很多地面水源中，由于有机物污染而含有一定的氨氮成分，氯加入 水中，产生以下分步反应 c t , + 日2 0 寻h o c i + h c i( 2 4 ) z v h 3 + h o c i n h 2 c i + 1 - 1 2 0 ( 2 5 ) n i l 2 c i + h o c i n h c l 2 + 必0( 2 6 ) 中山大学理学硕士学位论文 肼z c f 2 + h o c i 寻圭n c l 3 + i - 2 0 ( 2 7 ) 氯消毒的近代观点认为：次氯酸h o c i 是起消毒作用的主要物质。h o c i 是 很小的中性分子，只有它才能扩散到带负电的细菌表面，并通过细菌细胞壁穿透 到细菌内部；当h o c l 分子到达细菌内部时，能起氧化作用破坏细菌的酶系统， 因为酶是促进细菌体葡萄糖吸收和新陈代谢作用的催化剂，一旦酶系统被破坏， 细菌将死亡。o c i 一虽然也是具有杀菌能力的有效氯，但是带有负电，难于接近 带负电的细菌表面，杀菌能力比h o c i 差很多。生产实践也表明，p h 值越低则 消毒作用越强，这就证明，h o c i 是消毒的主要因素b 8 1 。 2 3 影响氯消毒效果的因素 影响饮用水消毒效率和消毒速度的因素较多，主要有加氯量、微生物特性、 温度、p h 值、水中杂质、消毒剂与微生物接触状况、消毒剂浓度掣2 9 , 3 0 , 3 1 1 。 1 ) 加氯量 用氯及含氯化合物消毒饮用水时，氯不仅与水中细菌作用，还要氧化水中的 有机物和还原性无机物，其需要的氯的总量称为“需氯量”。为保证消毒效果， 在一定程度上抑制残存细菌再度繁殖，加氯量必须超过水的需氯量，使在氧化和 杀菌后还能剩余一些有效氯，称为“余氯”。一般要求氯加入水中后，接触3 0 分钟，水中至少应保持游离性余氯o 3 m g l 。余氯分为游离性余氯和化合性余氯 两种，游离性的c 乞、h o c ! 、o c ；化合性如n h 2 c l 、朋觋及其它氯胺类化合 物。前者杀菌力较强，后者杀菌力较弱。 2 ) 微生物特性 水中微生物主要有细菌、病毒、原生动物等。其中，某些病毒和原生动物并 不能在消毒处理中被完全去除，诸如隐孢子虫等对氯和氯胺等消毒剂有抗性。 3 ) 温度 温度过高或过低都会抑制微生物的生长活动，也直接影响杀菌效率。此外， 温度高低会影响传质和反应速率。通常，较高温度对消毒有利。 4 ) p h 值 低p h 值时，氯消毒剂在水中的 ，d a 和o c 一或氯胺数量较多，因此杀菌能 1 0 中山大学理学硕士学位论文 力较强。有些微生物表面电荷随p h 值而变化，由此也影响带电消毒剂的消毒效 果。随p h 值升高，三卤甲烷等消毒副产物增多。因此，p h 值= 6 5 7 5 时为宜。 5 ) 水中杂质 水中颗粒物影响消毒效果，因为微生物往往包埋在颗粒物中，不易被消毒剂 灭活。此外，有机物和还原性物质也会与氧化类消毒剂反应，生成消毒副产物， 影响消毒效果。 6 ) 消毒剂与微生物的混合接触状况 加药点应在高度紊流区，以快速完成混合、均匀混合为宜。改善清水池结构， 优化水力特性，加长微生物的停留时间。用游离性有效氯( 自由氯) 消毒时，接 触时间应至少3 0 分钟，游离性余氯达0 3 - 0 5 m g l ；采用氯胺消毒时，接触时间 应在l 2 小时，化合性余氯达1 - 2 m g l 。 7 ) 消毒剂浓度 起消毒作用，不是利用氯气或者液氯本身，而是里用氯与水反应所生成的次 氯酸、次氯酸根以及氯与水中氨反应所生成的化合性氯，它们都具有氧化性，其 浓度越高、接触时间越长，消毒效果越大。 2 4 我国的水质标准和清水池设计要求 水质标准是对各种水的水质指标做出的规定，水质标准也是各种水处理技术 的依据和参考，不同用途的水有不同的水质标准和要求。此外，水质标准与其他 标准一样可以分为国际标准、国家标准、行业标准、地方标准和企业标准等不同 的等级和类别，现只介绍饮用水的标准阎。 我国1 9 5 9 年颁布的第一个饮用水水质标准生活饮用水卫生规范只规定 了1 6 项水质标准，1 9 7 6 年生活饮用水卫生标准( t j 2 0 - - 7 6 ) 5 h 规定了2 3 项， 1 9 8 5 年修改的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) ，共有3 5 项水质标准，可 分为感官性状指标、化学指标、毒理学指标、细菌学指标和放射性指标五大部分。 1 9 9 3 年国家建设部制定的城市供水行业2 0 0 0 年的水质指标增加到8 8 项，随着 对饮用水水质要求的日益严格，世界卫生组织( w h o ) 、美国环保署( e p a ) 和欧共 体( e e c ) 等分别将饮用水水质指标增加多项，中国也在修订和完善新的饮用水水 质指标，如2 0 0 1 年制定和公布的生活饮用水水质卫生规范，又一次将水质指 中山大学理学硕士学位论文 标增加到1 0 3 项，对出水细菌和消毒副产物的量提出了越来越严格的要求。其中 细菌学指标：细菌总数茎1 0 0 个m l ，大肠杆菌- 3 个m l ，粪大肠菌群每1 0 0 m l 水中不得检出。氯化消毒副产物限值与w h o 准则相同，如：三卤甲烷中每种化 合物的实测浓度与其各自限值之和不得超过l ，单一指标分别为溴仿0 1 m g l 、 二溴一氯甲烷0 1 m g l 、一溴二氯甲烷o o e m t , 、二氯乙酸0 0 5 m g l 、三氯乙酸 o 1 m g l 、三氯乙醛o 0 1 m g l 等。 我国清水池设计一般只参考以下原贝1 t 2 n ： 1 ) 以水量调节为主时，容积为最高日供水量的1 0 - - - 2 0 ( 即水力停留时间 为2 4 - 4 8 小时) ； 2 ) 消毒时，自由氯接触时间大于3 0 分钟，化合氯接触时间大于2 小时。 3 ) 接触时间以水力停留时间计算：t = v q ，目前我国还没有对清水池消 毒水力效率方面做规定。 中山大学理学硕七学位论文 3 1 综述 第3 章清水池数据采集的实验原理 连续式反应器有两种完全对立的理想类型，活塞流反应器( p f r ) 和全混流反 应器( c s t r ) 。但是在水处理中，实际反应器由于存在死角、短路流以及沟流等现 象偏离理想流型。研究实际反应器偏离理想反应器的常用方法是对水在反应器中 的停留时间分布进行分析。停留时间分布的实验测定方法是刺激响应法。其概念 是：在反应器进口水流中输入一种用示踪剂的给定信号，同时在出口水流中记录 示踪剂所显示的输出信号，由输出信号可以得出停留时问分布密度函数( e ( f ) ) 曲 线及停留时间分布函数( ，( f ) ) 曲线。输入信号最常用的是脉冲信号和阶梯信号。 本文所采用的实验数据是用n a f 作为示踪剂，用脉冲输入法测定出的清水池的 e ( t ) 曲线 2 4 1 。 3 2 理想反应器模型 采用连续操作的反应器叫做连续式反应器。这一操作方式的特点是原料连续 输入反应器，反应产物则连续地从反应器中流出。反应器内任何部位的物系组成 均不随时间而变，故连续操作反应器多属于稳态操作。连续操作反应器一般具有 产品质量稳定、生产效率高的优点，适合于大批量生产。对连续反应器有两种完 全对立的理想模型，分别为c s t r 和p f r 3 3 1 。 1 ) c s t r 它的主要特性是：反应物连续稳定地加入到反应器中，同时反应产物也连续 稳定地离开反应器，并保持反应体积不变，反应器内物系的组成将不随时间而变。 由于反应器内装有高速的搅拌混合装置，使得物料在空间上达到充分混合，物系 组成亦不随空间位置而改变；同时又由于一方面反应物料连续进出反应器，另一 方面又受到搅拌的充分混合作用，使得在反应器内停留时间不同的微元体亦达到 中山大学理学硕士学位论文 了最大的“混合”。 2 ) p f r 它的主要特性是：垂直于流体流动方向的横截面上所有的流体粒子的年龄相 同。因此，不存在不同年龄的流体粒子之间的混合，或者说不存在不同停留时间 的流体粒子之间的混合。对活塞流，虽然同一横截面上流体粒子年龄相同，但这 一截面与另一截面上的流体粒子的年龄则是不相同的。因此，可以认为活塞流不 存在轴向混合，或者说返混为零。显然，活塞流是一种极端的理想流动状况。它 的根本特征就是同时进入系统的流体粒子也同时离开系统，亦即系统出口流体粒 子具有相同的寿命。 对连续操作的反应器，物料的混合状况表示了物料在反应器内停留时间的分 布状况，常将这种具有不同停留时间的物料之间的混合称之为返混，以区别于通 常所说的混合。当反应器内完全不存在物料粒子之间的返混时就是p f r ；当反应 器内不同粒子之间存在着最大返混时，流体的流动称为全混流，该反应器称为 c s t r 。显然，p f r 与c s t r 是反应器内返混情况的两个极端，一个是完全不存在 的返混，一个是返混达到最大，因此在上述两种假设流动状况下所建立的反应器 模型称为理想流动模型。 图3 - 1 理想反应器 3 3 实际反应器的非理想流动状况 前面讨论的是两种理想流动状况一活塞流与全混流。而实际的反应器中流体 流动状况介于上述两者之间，有些与其接近，有的则偏离较大。凡不符合理想流 动状况的流动，均称为非理想流动。其流动状况偏离理想流动状况的原因可归结 1 4 中山大学理学硕士学位论文 为下述几个方面 3 4 3 ： 1 ) 滞流区的存在 所谓滞流区是指反应器中流体流动极慢以至于几乎不流动的区域，因此又可 称为死区。滞留区的存在使得一部分流体的停留时间极长，其停留时间分布密度 函数e ( t ) 曲线的特征是拖尾很长。滞流区主要产生于设备死角中，如设备两端、 挡板与设备交接处等。 2 ) 沟流与短路的存在 对某些反应器，例如以固定化酶为催化荆的填充床反应器，由于固定化酶颗 粒装填不均匀，从而造成一低阻力通道，使得部分流体快速地从此通道流过，从 而形成沟流。还有一种情况为短路，使流体在设备内的停留时间极短。存在沟流 和短路时的停留时间分布的特点是e ( f ) 曲线一般存在双峰，第一个峰为沟流或短 路造成的。 3 ) 循环流 鼓泡塔、釜式反应器和流化床内都有可能存在流体循环运动，尤其是近年来 开发的新型生化反应器中有目的地设置导流筒以强化传质，也强化了循环流的存 在，此时停留时间分布曲线存在多峰现象。 此外，造成非理想流动的原因还有：由于流体流速分布的不均匀造成流体在 反应器内的停留时间有长有短；由于分子扩散及涡流扩散的存在而造成流体粒子 之间的混合，从而使停留时间分布偏离理想流动。 3 4 停留时间分布函数 对于流动系统，由于流体连续不断流入系统，同时又连续地由系统流出，流 体在反应器内的停留时间问题就会变得复杂。由于流体在系统中流速分布的不均 匀、流体的分子扩散和湍流扩散、搅拌引起的强制对流，以及由于反应器的设计、 加工和安装不良而产生的死区、沟流和短路等原因，使得流体粒子在系统中的停 留时间有长有短，有些物料粒子很快离开了反应器，有些粒子则经历很长的一段 时间后才离开，因此形成了停留时间分布【3 3 堋。 由反应动力学和各种反应器的设计关系式中，可以知道反应进行的程度与反 中山大学理学硕士学位论文 应物料在反应器内停留时间的长短有关，时间越长，反应进行得越完全。因此， 研究反应物料在反应器内的停留时间问题将具有十分重要的意义。 停留时间分布是指流体粒子从进入系统起到离开系统止，在系统内的停留时 间。停留时间分布理论不仅是化学反应和生化反应工程学科的重要组成部分，而 且还广泛用于吸收、萃取、蒸馏和结晶等分离过程与设备的设计及其模拟，以及 其他涉及流动系统的领域。 停留时间分布的应用主要有两个方面：一是对已有的操作设备进行停留时间 分布的测定，以分析其工况，提供改进操作性能的有用信息，对操作性能不佳的 设备提供改进方向和措施：另一方面的应用则是通过停留时间分布建立合适的流 动模型，作为进行反应器设计所需的物料、热量衡算的基础。 物料粒子在反应器内的停留时间分布是一个随机过程。对随机过程可用描述 概率分布的方法来描述物料粒子的停留时间分布，即停留时间分布密度函数 e ( f ) 和停留时阃分布函数f ( t ) 。 g ( t 1 的定义是：在同时进入系统的个流体粒子中，其中停留时间介于t 和 h 击之间的流体粒子所占的分率d n n 定义为e ( t ) d t 。因此有 s e ( t ) d t = 1 ( 3 - 1 ) 停留时间分布函数f ( f ) 为物料粒子的停留时间小于t 的概率，因此有 ，( ，) = f e ( t ) d t e ( f ) = c 扩( f ) d r ( 3 2 ) ( 3 3 ) t , o 就是f ( r ) = 0 1 ( 即l o ) 时的停留时间f ，如果是理想推流( 活塞流) ，则f l o t = 1 ， 如果是全混式，则 。t = o 1 。实际反应器流动状况介于两种理想反应器之间 o r 在o 1 1 之间。 3 5 停留时间分布的实验测定方法 1 6 中山大学理学硕士学位论文 停留时间分布的实验测定方法是刺激响应法，用示踪剂跟踪流体在系统内的 停留时间。根据示踪剂加入方式的不同，分为脉冲法和阶跃法1 3 3 , 3 4 。 1 ) 脉冲法 脉冲法是在设备内流体流动达到稳定之后，在一极短的时问内，在系统入口 处向流进系统的流体加入一定量的示踪剂，同时在出口处检测流出物料中示踪剂 浓度随时间的变化。图3 2 即为脉冲法测定停留时间分布的示意图。 c 0 ( f ) 拢体 二至二 一 c ( f ) o 图3 - 2 脉冲法测定停留时间分布【3 3 1 所以要强调在极短时间内将示踪剂加入，是为了把全部示踪剂看成是在同一 时间内加入到系统中，并把输入时间定为t = o ，这样可比较准确地确定停留时间。 当输入示踪剂后，立即检测系统出口处流体中示踪剂浓度随时间的变化c ( t ) 曲 线。 假定加入示踪剂总量为m ，其中停留时间为t 的示踪剂所占的分率为 e ( t ) d t ，则停留时间为t 的示踪剂的量应为m e ( t ) a t ：从出口检测来看，假定主 流体流量为y ，在时间为t 时测得出口示踪剂的浓度为c ( t ) ，作进出e l 同一时间 示踪剂的物料平衡： m e ( t ) d t = r e ( t ) d t 故 中山大学理学硕士学位论文 即) = 苦c o ( 3 - 4 ) 式中c ( f ) 一出口流体中示踪剂浓度，它随时间t 而变化； m 一示踪剂的质量，为一常数； y 流体流量，为一常数。 示踪剂的加入量有时难以直接测出，可通过下式求出。 m 2 矿ic ( o d t ( 3 5 ) 因此 e ( f ) ：旦( 3 - 6 ) e c ( t ) d t 从上式可以看出，用脉冲法测得出1 ：3 中示踪剂浓度随时间t 的变化也表示了 e ( t 1 函数随时间t 的变化。 如果实验测得的是离散性数据，则可用下式进行估算。 刖) ：旦( 3 - 7 ) c ( ，) a f 0 根据，( f ) 函数的定义，利用脉冲法的