1.4.2 反应器
水处理的许多单元环节是由化学工程移植、发展而来的，因此化学工程中的反应器理论也常常被用来研究水处理单元过程的特性。
1.4.2.1 反应器的类型
在化工生产过程中，都有一个发生化学反应的生产核心部分，发生化学反应的容器称为反应器。
化工生产中的反应器是多种多样的。按反应器内物料的形态可以分为均相反应器（homogeneous reactor）及多相反应器（heterogeneous reactor）。均相反应器的特点是反应只在一个相内进行，通常在一种气体或液体内进行。当反应器内必须有两相以上才能进行反应时，则称为多相反应器。
按反应器的操作情况可以分为间歇反应器（batch reactor）和连续流式反应器（continuous flow reactor）两大类。间歇反应器是按反应物“一罐一罐地”进行反应的，反应完成卸料后，再进行下一批的生产，这是一种完全混合式的反应器。当进料与出料都是连续不断地进行时，这类反应器则称为连续反应器。连续反应器是一种稳定流的反应器。
连续反应器有两种完全对立的理想类型，分别称为活塞流反应器（Plug Flow Reactor，PFR）和恒流搅拌反应器（Constant Flow Stirred Tank Reactor，CFSTR）。后者属于完全混合式的反应器。
为了有利于反应，反应器还具有其他的操作类型，如流化床反应器、滴洒床反应器等。
1.间歇反应器
间歇反应器是在非稳态条件下操作的，所有物料一次加进去，反应结束以后物料同时放出来，所有物料反应的时间是相同的；反应物浓度随时间而变化，因此化学反应速度也随时间而变化；但是反应器内的成分却永远是均匀的。这是最早的一种反应器，和实验室里所用的烧瓶在本质上没有差别，对于小批量生产的单一液相反应较为适宜。
2.活塞流反应器
活塞流反应器通常由管段构成，因此也称其为管式反应器（tubular reactor），其特征是流体是以列队形式通过反应器，液体元素在流动的方向也绝无混合现象（但在垂直流动的方向上可能有混合）。构成活塞流反应器的必要且充分的条件是：反应器中每一流体元素的停留时间都是相等的。由于管内水流较接近于这种理想状态，所以常用管子构成这种反应器，反应时间是管长的函数，反应物的浓度、反应速度沿管长而有变化；但是沿管长各点上反应物浓度、反应速度有一个确定不变的值，不随时间而变化。在间歇式反应器中，最快的反应速度是在操作过程中的某一个时刻；而在活塞流反应器中，最快的反应速度是在管长中的某一点。随着化工生产越来越趋向于大型化、连续化，连续操作的活塞流反应器在生产中使用得越来越多。
3.恒流搅拌反应器
恒流搅拌反应器也称为连续搅拌罐反应器（Constant Continuous Stirred Tank Reactor，CCSTR），物料不断进出，连续流动。其特点是，反应物受到了极好的搅拌，因此反应器内各点的浓度是完全均匀的，而且不随时间而变化，因此反应速度也是确定不变的，这是该反应器的最大优点。这种反应器必然要设置搅拌器，当反应物进入后，立即被均匀分散到整个反应器容积内，从反应器连续流出的产物流，其成分必然与反应器内的成分一样。从理论上说，由于在某一时刻进到反应器内的反应物立即被分散到整个反应器内，其中一部分反应物应该立即流出来，这部分反应物的停留时间理论上为零。余下的部分则具有不同的停留时间，其最长的停留时间理论上可达无穷大。这样就产生了一个突出现象：某些后来进入反应器的成分必然要与先进入反应器内的成分混合，这就是返混作用。理想的活塞流反应器内绝对不存在返混作用，而CCSTR的特点则具有返混作用，所以又称其为返混反应器（backmix reactor）。
4.恒流搅拌反应器串联
将若干个恒流搅拌反应器串联起来，或者在一个塔式或管式的反应器内分若干个级，在级内是充分混合的，级间是不混合的。其优点是既可以使反应过程有一个确定不变的反应速度，又可以分段控制反应，还可以使物料在反应器内的停留时间相对地比较集中。因此，此种反应器综合了活塞流反应器和恒流搅拌反应器二者的优点。
1.4.2.2 反应器概念在水处理中的应用
从20世纪70年代起，反应器的概念被引入到了水处理工程中。但是在水处理中的过程有些与化工过程类似，也有些则完全不同。因此对化工过程反应器的概念应加以拓展，将水处理中进行过程处理的一切池子和设备都称为反应器，这不仅包括发生化学反应和生物化学反应的设备，也包括了发生物理过程的设备，如沉淀池，甚至冷却塔等设备。
按照上述反应器的定义，水处理反应器与传统的化学工程反应器存在多种差别，如化学工程反应器有很多是在高温高压下工作，水处理反应器较多在常温常压下工作；化学工程反应器多是以稳态为基础设计的，而水处理反应器的进料多是动态的（如处理水的水质、投加各种药剂的量等），因此各种装置的操作通常不能在稳态下进行，就必须考虑可能遇到的随机输入，把反应器设计成能在动态范围内进行操作；在化学工程中，采用间歇式和连续式两种反应器，而在水处理工程中通常都是采用连续式反应器。因此，在水处理工程中，既要借鉴化学工程反应器的理论，又要结合自身的特点进行应用。表1－2列出了一些水处理过程所对应典型的反应器类型。
表1－2 水处理工程中若干反应器的类型
应用反应器理论，能够确定水处理装置的最佳形武，估算所需尺寸，确定最佳的操作条件。