近现代水处理复习.docx

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近现代水处理复习

第一章化学动力学

化学动力学的研究内容：

反应的速率和反应的历程

恒容条件下反应速度的定义式形式：

反应进度与转化速率：

反应进度：

转化速率：

单位时间发生的反应进度（与B无关，与化学计量式写法有关）

反应中各物质反应速率间的关系：

反应级数的物理意义：

①反应级数大小表示浓度对反应速率的影响程度，级数越大，反应速率受浓度影响越大；

②反应速率常数k的单位与反应级数有关。

什么是基元反应：

从微观上看，在化学反应过程中，反应物分子一般要经过几个简单的反应步骤，才能转化为产物分子。

一个宏观的反应过程中每一个简单的反应步骤，就是一个基元反应。

绝大多数基元反应的反应级数=化学计量系数

基元反应反应速率方程的书写：

单分子反应：

经碰撞活化的单分子分解或异构化反应

双分子反应：

有异类分子间反应与同类分子间反应两种

三分子反应：

一般只出现在原子复合或自由基复合的反应中

利用反应动力学知识推导平衡常数表达式：

简单基元反应的积分形式，浓度与时间、初始浓度与半衰期间的关系：

判断反应级数的方法：

平行反应的积分形式及可达域分析：

串联反应的可达域分析及中间产物浓度达到最大值的时间：

准稳态反应（二级反应）的反应速率方程表达式推导及基于此的米门方程推导：

阿伦纽斯方程：

影响反应速率常数的因素：

温度、活化能、催化剂

活化能：

对于任何反应，反应物生成产物所必须通过的能垒为活化能（Ea）。

Ea表示发生一个反应所必须克服的阻力。

对于同一反应，Ea是可以改变的，通常Ea越小，反应约易发生，反应速度越快。

加入催化剂是改变Ea的有效手段。

非基元反应的动力学模型推导常用假设：

①速率决定步骤的假定：

在所有基元反应中存在一个速率比前后其他反应都慢得多的步骤，整个反应过程的速率受这个最慢反应控制。

②稳态假设：

在整个反应过程中，虽然连续发生的基元反应步骤的速率是相匹配的，但其中出现的中间物种的浓度变化速率却很小，可视为零。

根据机理模型推导反应速率方程：

第二章吸附

固体表面发生吸附的原因：

由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。

而且不同的部位吸附和催化的活性不同。

常见的吸附剂：

活性炭、氧化铝、大孔树脂、沸石等

Langmuir吸附等温式的重要假设：

①吸附是单分子层的

②固体表面是均匀的，被吸附分子之间无相互作用

水中Langmuir吸附等温式的表达形式：

从反应动力学的角度推导Langmuir吸附等温式：

Freundlich吸附等温式：

BET吸附等温式的适用范围：

①固体表面均匀

②吸附是多分子层的

③第一层和第二层吸附不同

④第二层及以后各层的吸附热接近凝聚热

CSTR中吸附的例题：

废水中含有机物的浓度为20mg/L，用粉末活性炭进行吸附实验，吸附迅速达到平衡浓度，数据用Langmuir公式处理后得出a=0.13L/mg及qm=0.345mg/mg。

按连续搅拌釜反应器（CSTR）处理考虑，池子容积为6000L，流量为100L/s，出水有机物浓度要求不超过1mg/L。

在开始运行时，先按反应器容积每升加活性炭20g，流出的活性炭经分离后再回流到反应器内，直到完全饱和后再补充新炭，计算每秒钟补充的活性炭量。

物理吸附的特点：

①吸附力（范德华力）比较弱

②吸附热较小，对于气体接近于液化热

③无选择性

④稳定性不高，但吸附解吸都很快

⑤可以单分子层也可多分子层

⑥不需要活化能，吸附速率不受温度影响

化学吸附的特点：

①吸附力（化学键力）比较强

②吸附热较高，接近于化学反应热

③有选择性

④吸附很稳定，一旦吸附不易解吸

⑤为单分子层

⑥需要活化能，温度越高速率越快

吸附过程的步骤：

①外扩散：

吸附质从流体主体通过分子扩散、对流扩散传递到吸附剂外表面

②内扩散：

吸附质从外表面进入吸附剂微孔结构的内表面

③表面吸附过程：

吸附质在固体内表面上被吸附剂吸附

常用吸附速率方程：

影响吸附的因素：

①吸附剂性质：

极性分子吸引极性分子，非极性分子吸引非极性分子

②吸附质性质：

吸附质溶解度、表面自由能、极性、分子大小、浓度

③废水pH值

④共存物质：

多种吸附质会使吸附效果下降

⑤温度：

物理吸附为放热过程，温度升高吸附量下降

⑥接触时间

穿透曲线：

第三、四章反应器和传质

通量定义及Fick第一扩散定律中四种扩散力（填空或选择）

通量：

单位时间单位面积物质的流通量

四中扩散力：

浓度梯度、压力梯度、作用力差、温度梯度

两种理想连续均相反应器的特点（填空或选择）

活塞流反应器：

流体以列队形式通过反应器，在流动方向上无混合现象，但在垂直流动方向上可能有混合

连续搅拌釜反应器（CSTR）：

反应器进出口流量相同；进出口浓度也均相同

实际反应器常采用实验方法测试液龄分布函数，那么刺激响应法中对示踪剂有什么要求（填空或选择）

①不影响反应器本身的水流；

②能够进行示踪剂的物料衡算；

③分子扩散性低；

④不发生反应或被吸收；

⑤易于分析出来。

三种气液传质模型，重点双膜理论（填空或简答）

双膜理论：

A.在气—水交界面的两边各有一层不动的膜；

B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的；

C.在交界面上，气与水立即达到平衡状态。

浅渗理论：

气液相重复短暂的接触中不可能达到稳态

A.因为气液接触时间短，气体扩散进入水的深度很浅；

B.传递过程非稳态，一直随时间变化，就是说传递通量并非恒量；

C.传递阻力主要集中在水膜内。

表面更换理论：

它是浅渗理论的发展，认为因水膜中的水存在一种紊动混合状态，传递物质的表面不可能是固定不变的，应该是由无数的接触时间不同的面积微元组成的，这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和，才是真正的传质通量。

相似现象与相似准数（计算）

第六章生物化学工程基础

蛋白质的变性及本质：

当蛋白质受到物理或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规则性空间排列发生变化，以致使其原有性质发生部分或全部丧失的现象。

变性只会改变蛋白质的2、3、4级结构，不会改变一级结构及分子组成

营养物质从周围环境通过微生物的细胞膜进入细胞质有三种途径：

渗透作用（或被动扩散）、促进扩散和主动运输

高温可以杀死微生物，干热和湿热相比，湿热更容易杀死微生物。

解过氧化氢的酶，过氧化氢的累积会对其产生毒害作用。

紫外线照射具有很好的灭菌效果，是因为紫外线杀菌力最强的波长260nm正是核酸的吸收光谱。

压力，特别是渗透压对微生物的影响：

高渗透压溶液中，细菌细胞会失水，发生质壁分离，影响细菌的生命活动，甚至死亡。

因此，应用高渗透压溶液可以保藏食物，常用的盐或蜜饯就是突出的例子。

低渗透压溶液中，细菌细胞会膨胀，甚至破裂。

双成分酶、特别是辅酶和辅基的差别：

在双成分酶中，如酶蛋白与非蛋白质部分结合得比较牢固，不易分离时，这种非蛋白质部分称辅基，一般只有酶蛋白与辅基结合在一起，才具有催化活性，两者单独分开后均无催化活性。

另一些非蛋白质部分与酶蛋白结合得不牢固，容易分离，这种非蛋白质部分称为辅酶，辅酶能与不同的酶蛋白结合，形成不同的全酶，这些全酶能催化同一类型的化学反应，但它们所能作用的化合物是不相同的。

好氧呼吸和厌氧呼吸模式的差别：

好氧呼吸的酶系统包括氧化酶和脱氢酶，厌氧呼吸过程只有脱氢酶没有氧化酶；好氧呼吸模式以分子氧作为电子受体，而厌氧呼吸过程则以分子氧以外的物质作为电子受体。

为什么分子氧会对厌氧菌产生危害：

厌氧菌只有脱氢酶没有氧化酶，当有分子氧存在时会以分子氧作为电子受体生产过氧化氢，但厌氧菌体内没有分解过氧化氢的酶，过氧化氢的累积会对其产生毒害作用。

第七章废水生物化学处理基础

生化需氧量（BOD）历时曲线：

分碳质BOD（有机物降解消耗溶解氧阶段）和氮质BOD（硝化过程消耗溶解氧阶段）

BOD测定过程中存在的问题：

滞后期的长短会随实验具体条件变化，所以五天做试验的标准期间并不意味着BOD5试验的历程都是一样的五天。

因此数值的大小相对性没有共同的比较基础。

因为BOD曲线并不一定通过原点，而且在水中有原生动物的情况下，曲线还会出现其他形状。

因此，按曲线通过原点的一级反应来处理BOD数据的办法显然是不严格的，根据一级反应的公式所计算得的总BOD值也是靠不住的。

原生动物生长代谢和细菌内源呼吸过程都会摄入溶解氧，也包括在这一阶段的BOD曲线中。

第八章活性污泥法

活性污泥系统中影响生物絮体（即活性污泥）沉降和浓缩性能的因素：

生物絮体沉降和浓缩性能主要取决于絮体内微生物量和分泌的胞外高聚物量的相对比例。

比例过高内源代谢分泌的聚合物不足以粘连新增殖的微生物，便不可能形成良好的絮体；反之，如果微生物食料过低，内源代谢所产生的聚合物被微生物当成食物来消耗，则絮体也很难形成。

调整的因素有两个：

调整进水的F/M比，根据微生物生长动力学改变菌群所处的生长阶段，进而影响絮体的沉降性能；改变曝气池内的紊动和剪切水平。

活性污泥系统性能的控制因素：

有机物和溶解氧在传质方面的相互关系

在有机物、分子氧和其他营养物（如无机离子类）的传质方面，溶解氧（或者说分子氧）的传质永远都是限制性因素。

三大要素：

基质、微生物、供氧

第九章生物膜法

与好氧活性污泥系统相比，好氧生物膜工艺的优势：

微生物相丰富，生物的食物链长；微生物的量大，处理能力大，净化功能高；污泥的沉降性能好；耐冲击负荷能力强；无污泥膨胀。

第十章厌氧生物处理

UASB工艺中厌氧颗粒污泥的优势（与传统厌氧絮状污泥相比）：

①反应器上部设置了固液气三相分离器

②反应器底部设置了均匀布水系统

③反应器内的污泥能形成颗粒污泥

④具有很好的沉降性能和很高的产甲烷活性

⑤反应器的水力停留时间相对较短

⑥反应器有很高的容积负荷，适合处理高中浓度有机工业废水、低浓度城市污水

⑦集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑，节省费用，提高了容积利用率；无需设置搅拌设备；构造简单，操作运行方便

厌氧生物处理的速率限制性阶段：

速率限制性阶段：

一般厌氧过程（处理溶解性有机物）：

产甲烷是速率限制性阶段；

当进水主要是脂肪类难溶性有机物时，有机物的水解酸化阶段是限制性阶段。

厌氧系统pH值的调节方法：

添加碱度物质提供充分的缓冲能力：

石灰：

便宜、CO2平衡会被打破，其中的CO2会离开气相进入液相；反应器内气体总压强会下降，产生负压；产生CaCO3沉淀

NaOH或碳酸盐：

也会消耗CO2，因此也会有负压问题

NaHCO3：

不会有任何问题，但费用太高，而且Na会有抑制作用

氨：

投加过多会有毒性

厌氧消化池pH计算：

有机负荷对厌氧系统的影响：

有机负荷高：

消化液呈酸性，系统不稳定且低效

有机负荷适中：

弱碱性，高效且稳定

有机负荷低：

碱性，低效稳定

第十一章生物的脱氮除磷

水体富营养化的治理方法（简单了解）：

使用化学药剂；打捞藻类；引水稀释；疏浚底泥、人工曝气

海水赤潮的治理方法，特别时生物学治理方法（简单了解）：

物理法，黏土法；化学除藻法；生物学方法

生物脱氮工艺中微生物的特点：

硝化菌特点：

革兰氏染色阴性、不生芽孢的短杆菌和球菌；强烈好氧，不能在酸性条件下生长；无需有机物，以氧化无机含氮化合物获得能量，以无机C（CO2或HCO3-）为碳源；化能自养型；生长缓慢，世代时间长

反硝化菌特点：

异养型兼性厌氧菌，当O2成为限制性因素时，会转向NO3-或NO2-呼吸。

反硝化细菌不是一类专门的细菌，它们大量存在于土壤和污水处理系统中。

生物除磷的原理，在生物除磷过程中充分厌氧释磷的必要性

生物除磷有厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。

在厌氧下，由于没有分子氧作电子受体，除磷菌不能彻底分解有机物，但可以将有机物转化成PHB储存在体内。

由于此过程需要耗能，ATP转化ADP过程中会有代谢产物磷酸盐释放出来。

条件为好氧后，在有足够的分子氧作为电子受体条件下，除磷菌体内的PHB大量氧化分解释放能量，一部分用于细菌生命活动和增殖，多余的能量以ATP形式储存起来，在ADP向ATP转化过程中会从环境中摄入磷。

因此在厌氧过程中释放的磷越多，意味着其储存的PHB能量物质越多，在好氧过程中相应的需要转化成ATP形式的能量也越多，进而从环境中摄入的磷含量也越多，进而表现出更高的除磷效果。

在生物脱氮除磷工艺中，难以同步实现氮磷高效去除的原因。

①反硝化脱氮和厌氧释磷都需要体外摄入碳源，因而存在共同竞争碳源问题；

②硝化菌生长过于缓慢，脱氮系统要实现氮的高效必须保持长泥龄；而除磷菌只有在短泥龄下才能保证较高磷去除效率，因为泥龄过长会造成除磷菌的溶解，已吸收的磷会重新释放；

③厌氧池中，进水NO3-N会使一些除磷菌不再进行厌氧释磷，而是转以NO3-N为电子受体的反硝化程，从而干扰除磷菌的厌氧释磷。