水处理工程=清华大学第二章混凝课件第一篇 18页

本章内容第1节混凝去除的对象第2节胶体的性质第二章混凝第3节水的混凝机理与过程第4节混凝剂与助凝剂(CoagulationandFlocculation)第5节混凝动力学第6节混凝影响因素第7节混凝设备第8节混凝的应用第二章2第1节混凝去除的对象第1节混凝去除的对象混凝能去除什么物质？水中杂质有什么形态？第二章3第二章4第1节混凝去除的对象第1节混凝去除的对象肉眼可见除菌过滤•混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物BloodCellsmite•尺寸范围：1nm~0.1m（有时认为在1m）T4Phage10µ0,1µ•水处理中主要杂质：粘土（50nm~4m）VitaminB12FleeEscherichiaColiAspergillus细菌（0.2m~80m）10µ1µEscherichiaColi病毒(10nm~300nm)1µHSA蛋白质（1nm~50nm）101001.00010.000100.0001.000.000[Å]腐殖酸0,0010,010,1110100Micron[µm]20010.0001000.000分子量[Da]第二章5第二章61\n第1节混凝去除的对象第1节混凝去除的对象混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚1637年我国开始使用明矾净水生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。1884年西方才开始使用以地面水为水源的给水处理工艺：1.胶体性质原水混凝沉淀过滤消毒饮用水混凝过程：3.胶体与混凝废水深度处理：剂的相互作用二级生物2.混凝剂在水中混凝沉淀过滤处理出水溶解与形态第二章7第二章8第2节胶体的性质第2节胶体的性质一、胶体的稳定性一、胶体的稳定性1.动力学稳定性：布朗运动对抗重力二、胶体双电层结构2.聚集稳定性：三、DLVO理论胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）四、胶体的凝聚1微米的颗粒沉淀10厘米需要20小时。第二章9第二章10第2节胶体的性质第2节胶体的性质二、胶体双电层结构3.胶体类型：电位形成离子吸附层憎水胶体：吸附层中离子直接与胶核接触，水扩散层滑动面异号电荷分子不直接接触胶核的胶体动电位亲水胶体：胶体微粒直接吸附水分子极性集团：－OH，－COOH，－NH2粘土=-15mV~-40mV细菌=-30mV~-70mV第二章11第二章122\n三、DLVO理论第2节胶体的性质静电斥力：E－1/x2RE范德华引力：E－1/x6苏联（1938年）：德加根（Derjaguin）RA（有些认为是1/x2或1/x3）兰道（Landon）EEmax（势垒）荷兰（1941年）：伏维（Verwey）奥贝克（Overbeek）布朗运动能量Eb＝1.5kToa稳定ADLVO理论x>oc二次凝聚x10条件下水解聚合度：20000~90000聚氧化乙烯（PEO）COO－分子量：150万~600万•两性型阴离子型（HPAM）对胶体表面具有强烈吸附作用。水解度：30－40％(2)天然：•淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等有机高分子单体的毒性问题。•微生物絮凝剂有些国家严格规定不得超过0.05%。第二章43第二章44第4节混凝剂和助凝剂第4节混凝剂和助凝剂3.发展方向无机－有机复合：无机复合聚合物混凝剂聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合硫酸铝铁（PFAS）聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合氯化铝铁（PFAC）聚合铝/铁-其它合成有机高分子聚合硫酸氯化铁（PFSC）聚合硫酸氯化铝（PASC）高分子絮凝剂：聚合铝硅（PASi）传统无机约占20%，阳离子有机化合物聚合铁硅（PFSi）无机聚合物占70%，天然改性高分子：无毒易降解，如甲壳素等聚合硅酸铝（PSA）有机约占10%。多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻聚合硅酸铁（PSF）微生物絮凝剂第二章45第二章46第4节混凝剂和助凝剂第4节混凝剂与助凝剂二、助凝剂（结合混凝实验自学）本节思考题(1)铝盐和铁盐混凝剂各自有何特点？对混凝pH有何(1)酸碱类：如石灰、硫酸等要求？(2)加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸(2)有机高分子混凝剂在混凝过程中起什么作用？（SiOnHO）、骨胶、高分子絮凝剂22(3)未来混凝剂的发展方向是什么？(3)氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机(4)“助凝”的作用是什么？什么物质可以作为助凝剂？物。如投加Cl2、O3等第二章47第二章488\n第5节混凝动力学第5节混凝动力学一、异向絮凝1.胶体性质二、同向絮凝混凝过程：3.胶体与混凝剂的相互作用三、混凝动力学控制指标2.混凝剂在水中溶解与形态第二章49第二章50第5节混凝动力学第5节混凝动力学碰撞是混凝的首要条件二、同向絮凝(orthokineticflocculation)一、异向絮凝(perikineticflocculation)由水力或机械搅拌产生由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。最初理论基于层流假定。颗粒的碰撞速率Np＝8dDBn2=8/(3)KTn2d：颗粒直径DB：布朗运动扩散系数凝聚速度：只与颗碰撞速率N＝4/3n2d3Gn：颗粒数量浓度0粒浓度有关，与颗：运动粘度粒尺寸无关。d：颗粒粒径；n：颗粒数量浓度T:温度G＝u/z(速度梯度，velocitygradient,1/s)粒径大于1m，布朗运动消失。（相邻两流层的速度增量）第二章51第二章52第5节混凝动力学第5节混凝动力学水力搅拌时p由水流本身能量消耗提供G可由单位体积水流所耗功率p来计算：p＝GpV＝gQhp：单位体积流体所耗功率，W/m33h：水头损失（m）：密度,kg/m：剪切应力Q：流量g：重力加速度,9.8m/s2V：水流体积＝QT按照牛顿定律＝GT：水力停留时间（s）Gp/(1943年发明的，甘布公式)Ggh也称为甘布公式T：动力粘度，Pas2：运动粘度=/，m/s第二章53第二章549\n第5节混凝动力学第5节混凝动力学但存在问题：由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异(1)层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞随着小涡旋增多，水的粘性影紊流条件下颗粒碰撞速率：微涡旋理论响增强，从而产生能量耗散。N0＝8dDn2能量传递大涡旋小涡旋…D：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和…外部施加使颗粒整强度不足以推但在紊流中，布朗扩散紊流扩散能量体移动动颗粒碰撞故，D＝u与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞：涡旋尺度u：相应的脉动速度第二章55第二章56第5节混凝动力学第5节混凝动力学设涡旋尺度＝颗粒直径d根据流体力学，计算脉动速度u，则：(2)G增加碰撞机率增加絮凝效果增加8π328π32NdnGdn但破碎程度也增加01515相似此现象尚未很好从理论上得到描述。其中，G＝(/)1/2G＝(p/)1/2（层流情况）：单位时间单位体积流体的有效能耗（脉动流速所耗功率）p：单位体积流体所耗总功率第二章57第二章58第5节混凝动力学第5节混凝动力学三、混凝动力学控制指标2.絮凝过程：凝聚混合设备不仅与G有关，还与时间有关絮凝絮凝设备平均G＝20~70s-1，GT＝104~105用G可以来判断混合和絮凝的程度实际设计，采用v和T校核GT或者平均G1.混合（凝聚）过程:最近提出GTC指标（建议值100），剧烈搅拌分散药剂C：颗粒浓度时间通常在10~30s，一般<2minG＝700~1000s-1，有关混凝动力学指标还需进一步研究。第二章59第二章6010\n第5节混凝动力学第6节混凝影响因素本节思考题(1)同向絮凝和异向絮凝各有什么特点？对水力学条一、水温件有何要求？二、pH及碱度(2)速度梯度G在工程上有何意义？(3)在混凝工程应用中如何实现一定的速度梯度？三、水中杂质浓度(4)如何计算在典型混凝过程中的速度梯度G？四、混凝效果的评价(5)常用的混凝动力学控制指标是什么？有何不足？第二章61第二章62第6节混凝影响因素第6节混凝影响因素一、水温水的特性：温度、pH及碱度低温，混凝效果差，原因是：杂质性质与浓度(1)无机盐水解吸热混凝剂种类：前面已有叙述(2)温度降低，粘度升高――布朗运动减弱水力条件：前面已有叙述(3)胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚对策：提高投药量、添加高分子助凝剂第二章63第二章64第6节混凝影响因素第6节混凝影响因素三、水中杂质浓度二、pH及碱度杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝(1)视混凝剂品种而异;效果差。(2)无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态;对策：(3)根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同;加高分子助凝剂(4)需碱度来调整pH，碱度不够时需投加石灰。加粘土等矿物颗粒投加混凝剂后直接过滤“低温低浊”----混凝困难第二章65第二章6611\n第6节混凝影响因素第6节混凝影响因素四、混凝效果的评价混凝烧杯试验（Jartest）——6联搅拌机最佳混凝剂投加量浊度混凝剂投加量•不同混凝剂效能的比较•不同水和废水的混凝效果混凝实验•混凝影响因素（如pH值、水中杂质等）自行设计方案•助凝剂的效果第二章67•……第二章68第6节混凝影响因素第6节混凝影响因素本节思考题针对复杂系统如何识别影响混凝的主要因素？添加助凝剂后的混凝效果第二章69第二章70第7节混凝设备第7节混凝设备一、混凝剂的配制与投配一、混凝剂的配制与投配一般采用液体投加的方式。二、混合设备1.投配流程：三、絮凝设备药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备第二章71第二章7212\n第7节混凝设备2.计量与投加方式(1)计量：流量计（转子、电磁）孔口计量计量泵(2)投加：泵前投加虹吸定量投加水射器投加泵投加孔口计量示意图苗嘴和孔板示意图第二章73第二章74第7节混凝设备第7节混凝设备泵前加药示意图1.溶解池2.提升泵3.溶液池4.恒位箱5.浮球阀6.投药苗嘴7.水封箱8.吸水管9.水泵10.压水管虹吸定量投配装置第二章75第二章76第7节混凝设备第7节混凝设备水射器投加示意图1.溶液池2.投药箱3.漏斗4.水射器水射器结构示意图5.压水管6.高压水管第二章77第二章7813\n第7节混凝设备第7节混凝设备计量泵投加示意图1.溶液池2.计量泵3.压水管药剂注入管道方式第二章79第二章80第7节混凝设备第7节混凝设备3.投加量自动控制二、混合设备(1)数学模型法：根据水质水量建立模型，但需要大量的生产数据、涉及仪表多1.水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。(2)现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍有2.管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，一定滞后。混合时间2~3秒(3)流动电流检测器（SCD）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。3.机械混合：搅拌(4)絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化第二章81第二章82第7节混凝设备第7节混凝设备管式静态混合器管式静态混合器第二章83扩散混合器第二章8414\n第7节混凝设备第7节混凝设备三、絮凝设备往复式隔板絮凝池1.隔板水力絮凝池(1)型式：有往复式和回转式两种第二章85第二章86第7节混凝设备第7节混凝设备(2)水头损失计算：局部水头和沿程水头损失之和往复式总水头损失一般在0.3~0.5m回转式的水头损失比往复式的小40%左右。回转式隔板各段水头损失：絮凝池22vvitihimi2lih＝hi2gCRii：局部阻力系数Ri：第i廊道过水断面vit:第i廊道转弯处水流速度水力半径vi:第i廊道内水流速度Ci：流速系数第二章87mi:第i廊道水流转弯次数第二章88第7节混凝设备第7节混凝设备(3)特点：2.折板水力絮凝池构造简单、管理方便；但絮凝效果不稳定，池子大；(1)与隔板式相比，水流适应大水厂条件大大改善。(4)设计参数：(2)絮凝时间10~15min流速：起端0.5~0.6m/s，末端0.2~0.3m/s(3)但安装维修较困难，段数：4~6段折板费用较高。絮凝时间：20~30min折板絮凝池示意图隔板间距：不小于0.5m第二章89第二章9015\n第7节混凝设备第7节混凝设备3.机械絮凝池机械絮凝示意图(a)水平轴式；(b)垂直轴式1、浆板2、叶轮3、旋转轴4、隔墙机械絮凝示意图•速度梯度应递减。•调节容易，效果好，大、中、小水厂均可•但维修是问题。第二章91第二章92第7节混凝设备第7节混凝设备第i块桨板克服水阻力所耗功率：4.不同型式组合絮凝池CD344Pl()rri218每根旋转轴全部浆板所耗功率：往复式＋回转式隔板隔板＋机械nmCD344Pl()r21r18n——不同旋转半径浆板设置层数m——同一旋转半径上浆板数第二章93第二章94第7节混凝设备第7节混凝设备水力絮凝池机械絮凝设备第二章95第二章9616\n第7节混凝设备第8节混凝的应用本节思考题(1)如何在工程设备上实现混凝混合阶段和絮凝反一、混凝在给水处理的应用应阶段对水力学条件的要求？二、混凝在废水处理的应用(2)水力絮凝反应设备有何特点？在工艺设计上应注意的关键环节是什么？(3)你认为混凝设备今后应如何发展？第二章97第二章98第8节混凝的应用第8节混凝的应用二、混凝在废水处理中的应用一、混凝在给水处理中的应用1.工业废水：以地面水为水源的给水处理工艺：用于处理特殊废水，脱色、去除悬浮物等。原水混凝沉淀过滤消毒饮用水(1)印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。•以地面水为水源时，去除浊度和细菌。•混凝剂选择与染料种类有关，需做混凝试验。•经混凝沉淀后一般浊度小于10度。•可以单独用无机混凝剂，也可和高分子絮凝剂联用。第二章99第二章100第8节混凝的应用第8节混凝的应用(2)含油废水处理：例：某针织厂废水TOC为50~60mg/L，pH值为乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压7.5。缩双电层。采用PAC混凝剂，投加量为140mg/L时，通常采用混凝气浮工艺。TOC去除率为68％。例：兰州炼油厂废水加PAC采用二级气浮原水含油50~100mg/L投加PAC50mg/L一级气浮出水，油20~30mg/LPAC30mg/L二级气浮出水，油15~20mg/L第二章101第二章10217\n第8节混凝的应用第8节混凝的应用(3)肉类加工厂废水处理：2.废水深度处理与回用去除颗粒物氮、磷砷、汞等例：某肉类加工厂屠宰废水COD为670mg/L，混凝剂用聚合硫酸铁处理后，二级生物混凝沉淀过滤处理出水COD去除率在77%以上。BOD5:20~30mg/LCOD<50mg/L混凝优点：上马快、投资省、效果好，COD:60~100mg/L市政杂用但运转费高，沉渣多SS:20~30mg/L绿化、洗车含有粒径数nm到10m的冷却用水颗粒第二章103第二章104第8节混凝的应用第8节混凝的应用3．改善污泥脱水性能本节思考题(1)混凝在给水处理和废水处理中的作用？(2)混凝在给水处理和废水处理应用中，各应注意什么问题？第二章105第二章106第二章混凝本章总结(1)混凝去除的主要对象？(2)混凝的作用机理？混凝过程的特点？(3)混凝影响主要因素？(4)混凝主要设备？(5)混凝的应用？第二章10718