给水处理第二章混凝课件 68页

第二章　混凝\n混凝：水中胶体粒子和微小悬浮颗粒的聚集过程。与三个因素有关：水中胶体粒子的性质、混凝剂的水解产物、胶体粒子与混凝剂间的相互作用。混凝与“混合”、“凝聚”和“絮凝”混合：混凝剂与水均匀混合的过程；凝聚：水中胶体“脱稳”的过程；絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。混凝的作用：去除浊度、色度、部分无机与有机污染物。\n第一节混凝机理一、胶体的稳定性——胶体粒子在水中长期保持分散状态的特性胶体的大小：d=10-9~10-7m胶体稳定分动力学稳定和聚集稳定性动力学稳定——布朗运动对抗重力影响的性能。聚集稳定性——胶体粒子间不能相互聚集的特性。胶体稳定性关键在于聚集稳定性亲水胶体－－水化作用憎水胶体－－静电作用引起\n胶体颗粒带电的原因（1）胶体颗粒表面的吸附作用如：SiO2+H2O→H2SiO3H2SiO3→H++HSiO3-→2H++SiO32-SiO2胶核吸附SiO32-而带负电如：Fe(OH)3→FeOCl→FeO++Cl-Fe(OH)3胶核吸附FeO+而带正电HCl\n胶体颗粒带电的原因（2）胶体颗粒表面的溶解（3）胶体颗粒表面分子的电离R-COOH在碱性溶液中电离带负电-NH2在酸性溶液→-NH3·OH带正电\n二、胶体的结构胶核滑动面吸附层和扩散层胶团胶核双电层滑动面与胶粒双电层内层离子—电位形成离子外层离子—反离子\n胶体的结构胶核双电层内层离子—电位形成离子外层离子—反离子胶团胶核双电层滑动面与胶粒\n胶体的结构式\n胶体的结构式Fe(OH)3胶体\n三、胶体的电位\nξ电位越高，胶体越稳定决定ξ电位的因素：（1）胶体的本质（2）电解质溶液的浓度（其中反离子的浓度）ξ＝0等电点，胶体最不稳定\n\nDLVO理论\n四、混凝机理1.Al2(SO4)3在水中的化学反应Al2(SO4)3→Al3+→[Al(H2O)6]3+水解：[Al(H2O)6]3++H2O[Al(OH)(H2O)5]2++H3O+[Al(OH)(H2O)5]2++H2O[Al(OH)2(H2O)4]++H3O+[Al(OH)2(H2O)4]++H2O[Al(OH)3(H2O)3]+H3O+羟基桥联\n2+、2+\n产物：1.未水解的水合铝离子：Al3+2.单核羟基配合物：[Al(OH)2]+、[Al(OH)]2+、[Al(OH)4]-3.多核羟基配合物：[Al2(OH)2]4+、[Al3(OH)4]5+4.氢氧化铝沉淀物：Al(OH)3图2.3各物种含量与pH的关系\n2.混凝机理（1）压缩双电层Schulze-Hardy规则：加药量一价:二价:三价＝1-6:2-6:3-6投入电解质，可压缩胶体的双电层（即扩散层）厚度，从而降低滑动面上的ζ电位，进而降低排斥势能峰。ζk：临界电位只有当水的pH小于3时，Al3+才起压缩双电层作用。\n（2）吸附-电性中和作用：吸附作用：胶核表面直接吸附带相反电荷的聚合离子或高分子物质。胶核表面的电荷降低，使ζ电位降低。降至临界电位ζk时，胶体脱稳凝聚。pH大于3时，铝盐水解产物主要为聚合离子及多核羟基配合物，易于在胶核表面吸附，从而发生吸附-电性中和作用。混凝剂投加量过多，胶体带上相反电荷，重新稳定，“再稳”现象\n（3）吸附架桥高分子物质不论带电与否，都与胶粒有吸附作用。高分子物质分子链的一端吸附某一胶粒后，另一端会吸附另一胶粒，形成“胶粒—高分子—胶粒”的絮凝体。——吸附架桥作用。投加量过多产生胶体保护作用\n（4）网捕作用当铝盐或铁盐混凝剂投加量很大，形成大量氢氧化物，可以网捕、卷扫水中胶粒而产生沉淀分离，成网捕或卷扫作用。为机械作用。\n总结★对铝盐或铁盐混凝剂而言pH<3，主要水解产物水合铝离子[Al(H2O)6]3+起压缩双电层作用；pH=4.5~6，主要水解产物多核羟基配合物对负电荷胶体起吸附—电性中和作用，凝聚体密实；pH=7~7.5，主要水解产物电中性氢氧化铝聚合物[Al(OH)3]n起吸附架桥作用，也存在羟基配合物的吸附—电性中和作用；天然水的pH=6.5~7.8，胶体在吸附架桥和电性中和作用下脱稳，取决于铝盐投加量。投加量过大，发生“再稳”现象；投加量继续增大，会发生网捕卷扫作用。\n★高分子混凝剂阳离子型，对负电荷胶体起电性中和与吸附架桥作用；非离子性和阴离子型，只起吸附架桥作用。\n第二节混凝剂和助凝剂基本要求：混凝效果好，对人体健康无害，使用方便，货源充足，价格低廉1.无机混凝剂(1)硫酸铝：Al2(SO4)3·nH2O精制：Al2O3>15%(2)明矾：Al2(SO4)3·K2SO4·24H2OAl2O3：10.6%一、混凝剂\n(3)聚合铝简称PAC化学式：[Al2(OH)nCl6-n]m或Aln(OH)mCl3n-m可看作AlCl3经水解产生Al(OH)3中间产物的聚合体碱化度工业产品B＝50～80％\n聚合铝的优点1）适用范围广，耗药量少，出水浊度低，色度小，过滤性能好，原水浊度高时效果更好；2）温度适应性高，pH适用范围宽(pH=5~9)可不投加碱剂；3）设备简单，操作方便，腐蚀性小，成本较三氯化铁低；4）为无机高分子化合物，作用机理(电性中和与架桥)与硫酸铝相似，但优于硫酸铝。\n(4)三氯化铁：FeCl3特点：1）对低温、低浊度水混凝效果比硫酸铝好2）有很强的腐蚀性，加药设备要用耐腐蚀材料3）原水pH为6~8.4时效果较好，若原水碱度不足，应加一定量的石灰\n(5)硫酸亚铁（绿矾）：FeSO4·7H2OFe2+混凝效果较差，使用前将Fe2+氧化成Fe3+(6)聚合铁聚合硫酸铁[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m优点：适用处理的水浊度变化范围宽，对原水溶解性铁去处率高，耗量小，处理后，PH变化小\n2.有机高分子混凝剂聚丙烯酰胺：分子式简称PAM，分子量150万~600万。为合成有机高分子絮凝剂，属非离子型，主要作用机理为吸附架桥。可通过水解构成阴离子型（pH>10），充分发挥吸附架桥作用；也可通过引入基团制成阳离子型，对负电荷胶体有更好的混凝效果。（2）常与混凝剂配合使用，视原水浊度高低按一定的顺序投加；特点：（1）处理高浊度水时效果显著，可减少混凝剂用量及一级沉淀池容积；（3）固体不易溶解，在有机械搅拌的溶解槽内配置，配制浓度一般为2%，投加浓度0.5%~1%；无腐蚀性。（4）单体有毒性，用于生活饮用水净化时，应符合优等品要求。\n二、助凝剂常用的助凝剂：骨胶，聚丙烯酰胺及其水解产物，活化硅酸，海藻酸钠生石灰、氯为广义上的助凝剂。\n第三节混凝动力学颗粒之间发生絮凝，必须要相互碰撞—混凝动力学异向絮凝：由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集；同向絮凝：由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，也叫剪切絮凝；差降絮凝：大颗粒下沉时赶上沉速较小的颗粒，因而发生碰撞，产生的絮凝现象。\n一、异向絮凝——由Fick扩散定律推导扩散系数\n布朗运动造成的颗粒碰撞，与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比。碰撞速率\n二、同向絮凝：流体运动所造成的颗粒碰撞聚集●层流状态下，控制水体流动的重要参数是速度梯度层流状态下，单位体积，单位时间颗粒的碰撞次数可写成：●速度梯度，是指相邻水层的水流速度差du和它们之间的距离dz之比，即：\n紊流状态，甘布和斯泰因根据一个瞬间受剪而扭转的单位立方体推导水力絮凝池中（甘布公式）（甘布公式）\n甘布公式：考虑紊流状态。但未从紊流规律来解释碰撞速率。列维奇(Levich)等根据局部各向同性紊流理论推求同向絮凝动力学方程。与公式相似碰撞速率\n三、混凝控制指标—G值工程上，混凝过程由混合与絮凝两阶段组成。混合，是指混凝剂、助凝剂等与水均匀混合，通过剧烈搅拌实现。其目的是：药剂快速均匀分散于水中，以利于混凝剂快速水解、聚合，以及胶体脱稳。G值：700~1000s-1\n絮凝阶段，发生颗粒接触、碰撞，逐渐长大，以同向絮凝为主。絮凝过程中，絮体逐渐长大，容易破碎，因此G值不宜太大。颗粒的碰撞速率与G值有关，还与GT值有关。GT值得物理意义为：反映在T时间内单位体积水中两种颗粒碰撞总次数的无量纲量。GT值越大，效果越好（n越小）。根据自来水厂的絮凝池计算出的结果，G值约为20~70s-1，GT约为104~105。\n生产实践中，通常采用多级絮凝池。每一级可采用不同的G值，从絮凝开始到絮凝结束，G值逐渐减小，以保护形成的絮体不被破坏。采用机械搅拌时，搅拌强度逐渐减小，采用水力絮凝池时，水流速度逐渐减小。因此，对于水力条件这一影响混凝过程的因素，通过控制G值或GT值，来实现良好的混合与絮凝。\n前述采用的G值、GT值，还不能真正反映混凝过程的实际情况，G值不能表示有效功率消耗。对混凝机理的研究、对混凝控制指标的研究仍然在进行，一些研究者提出采用其他的指标作为混凝过程的控制指标。如：采用CVGT或αCVGT，CV表示颗粒体积浓度，α表示有效碰撞系数但实际应用证明，以G值或GT值作为设计时的参数，是可以得到较好的混凝效果的。\n二、水温表现形式：水温低时，絮体形成缓慢，絮体细小、松散，沉淀效果差对策：对低温水，增加混凝剂投加量、投加高分子助凝剂。三、水的pH值和碱度原因：pH值影响混凝剂的水解产物，从而影响到混凝效果。对不同混凝剂，影响程度不一样。去处浊度时，铝盐最佳pH值：6.5～7.5，铁盐：6.0～8.4碱度的意义：保持稳定的pH值。对策：碱度低，投加碱，如CaO；投加量：[CaO]=3[a]-[x]+[δ]§4影响混凝效果的主要因素一、水力条件\n四、水中悬浮物浓度悬浮物浓度低时，混凝效果差。原因：影响混凝速率。对策：投加高分子助凝剂——如：聚丙烯酰胺，吸附架桥投加矿物质——增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率，增加絮凝体密度。直接过滤悬浮物浓度过高时，混凝剂用量增加。对策：投加高分子助凝剂。\nS4>S3>S2>S1S表示每升水中含有的微粒表面积五、混凝剂用量：混凝剂用量过小或过大混凝效果都不好\n§5混凝剂的配制和投加一、混凝剂的溶解和溶液配制固体投加（干法）（一般不用）液体投加（湿式）\n混凝剂的配制一般分为药剂溶解（对于固体混凝剂）和加水稀释至要求投加浓度两个过程。溶解池：钢筋混凝土或钢结构，防腐处理总池容：W1=(0.2～0.3)W2溶液池：钢筋混凝土或钢结构，防腐处理总池容：搅拌：机械搅拌、压缩空气搅拌、水力搅拌。\n\n空气强度：溶解池：8～10L/(s·m2)溶液池：3～5L/(s·m2)\n二、混凝剂投加包括计量和投加两个部分。计量设备——用于混凝剂的定量投加常用的有：转子流量计、电磁流量计、苗嘴（孔口计量）、计量泵、浮杯计量等。\n（2）投加方式分重力投加与压力投加两类。重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加\n（2）投加方式分重力投加与压力投加两类。重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加压力投加：水射器投加、泵投加\n\n（3）混凝剂投加量自动控制1）数学模型法——前馈与后馈闭环控制3）特性参数法——流动电流检测法、透光率脉动法2）现场模拟实验法——模拟沉淀法、模拟滤池法\n§6混合和絮凝设备一、混合设备对混合设施的基本要求：药剂与水快速均匀地混合。影响混合的因素：药剂的种类、浓度、原水的温度、水中颗粒的性质，最主要的是混合方式。反映混合的指标主要是速度梯度G值，通常为：700-1000s-1。\n（1）水泵混合（泵前加药）利用水泵叶轮产生的涡流而混合。以前应用较多，近年较少采用。（2）管式混合管式混合利用水流本身具有的势能与动能，作为输入能量。常用的有管式静态混合器、孔板式、文氏管式管道混合器、扩散混合器等。管式混合中最简单的是直接加药混合。\n构造简单，安装方便，混合效果好。水头损失稍大，流量小时，输入能量降低，效果下降。解决办法：外加能量。\n技术要点：锥形帽夹角为900，顺水流方向的投影面积为进水管总面积的1/4，孔板开孔面积为进水管总面积的3/4，混合器管节长度不小于500mm，孔板处流速1.0~2.0m/s，混合时间2~3s，G值700~1000s-1。\n\n（3）机械混合设计要点：G值700~1000s-1，停留时间10~30s，单格或多格串联。优点：能充分满足混合要求，水头损失小，适应水量、水温、水质的变化，混合效果好。池型：采用圆形或方形，以方形较多。避免共同旋流措施：搅拌机轴中心适当偏离混合池中心，混合池中设置竖直挡板。\n二、絮凝设备功能：提供良好水力条件，使水中脱稳后的胶体，在絮凝设备中经碰撞形成形成肉眼可见的大而密实的絮凝体。絮凝设备形式机械絮凝水平轴搅拌絮凝垂直轴搅拌絮凝水力絮凝隔板絮凝来回隔板回转隔板折板絮凝异波折板同波折板波纹板栅条（网格）絮凝穿孔旋流絮凝增加颗粒絮凝泥渣循环泥渣接触加砂循环分类：\n（1）隔板絮凝池水流以一定流速在隔板之间通过而完成絮凝过程的絮凝池。结构型式：往复式、回转式、组合式——按隔板布置\n优点：构造简单，管理方便缺点：流量变化大时，絮凝效果不稳定，池容较大\n（2）折板絮凝池在隔板絮凝池的基础上发展而得，目前应用较普遍。☻结构型式：同波折板、异波折板、组合式——按折板布置单通道、多通道——按水流通过折板间隙数\n（3）机械絮凝池通过机械带动叶片而使液体运动以完成絮凝的絮凝池。结构型式：按搅拌叶片形式——桨板式、叶轮式按轴方向——水平轴式（大型水厂）、垂直轴式（中小型水厂）\n☻特点：水流的能量消耗来源于搅拌机的能量输入。采用多格串联，每个安装一台搅拌机。单格近似于CSTR反应器，总体接近于推流反应器。搅拌强度逐格减小。可随水质、水量变化随时改变转速以保证絮凝效果。增加了机械维修工作。☻适用场合：适用于大、中、小型水厂。\n（4）穿孔旋流絮凝池☆由若干方格组成，不少于6格。各格之间的隔墙上沿池壁开孔，孔口上下交错布置。☆絮凝池孔口流速应按由大到小的渐变流速进行设计，起端流速一般宜为0.6~1.0米/秒，末端流速一般宜为0.2~0.3米/秒。絮凝时间一般宜为15~25分钟。☆构造简单，施工方便造价低，但絮凝效果欠佳，池底易积泥☆适用于中小型水厂或与其他形式絮凝池组合使用。\n（5）栅条（网格）絮凝池☆设计成多格竖井回流式，每格竖井沿水流流程相隔一定距离（一般为0.6~0.7m）安装若干层网格或栅条。各竖井之间的隔墙上沿池壁开孔，孔口上下交错布置。一般分3段。\n（6）不同形式絮凝池组合应用\n\n