第三讲-物理化学处理课件(3)

1、第四节 化学混凝过程混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚coagulation ：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝flocculation ：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。一、 混凝机理（一） 水中胶体的稳定性胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。聚集稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体） 在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性

2、对胶体稳定性的影响起关键作用。 4-11. 胶体颗粒的双电层结构胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒），表面吸附了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反离子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散力。吸附层Stern layer（随胶核一起运动） 靠近胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩掉后剩下的面，叫滑动面） 离胶核远，反离子浓度小，结合松散。 结构式： 反离子层 胶核吸附层 扩散层 胶 粒 胶团 滑动面上的电位，称为电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当电位降低，水

3、化膜减薄及至消失。电位 ：胶核表面上与外层溶液内部之间形成的总电位差。电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位。带负（正）电荷的胶核表面与扩散于溶液中的正（负）电荷离子正好电性中和，构成双电层结构（The electrical double layer）。越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强。 2. 胶体之间的相互作用 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥力与范德华引力产生。图中可看画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。当胶体距离xoc时，吸引势能占优势；当oa x oc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰Emax。 0时称等电状态此时排斥势

4、能消失4-2 胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。 以上理论称为DLVO理论。 只适用于憎水性胶体，由德加根（Derjaguin）兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出，伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）。 （二） 混凝机理1电性中和作用机理（1）压缩双电层 加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。 压缩双电层机理适用于叔采哈代法则，即：凝聚能力离子价数6。 该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；与胶粒带同样电号

5、的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。 （2）吸附电性中和 Adsorption-charge neutralization 这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。 2吸附架桥 Polymer bridge formation 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥。 高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象： 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； 投加过多，会出现“胶体保护”现象，见下图。 3网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质

6、含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。4-34-4 4、 硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。 实际上，几种可能同时存在。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用； pH4-5 多核羟基络合物起吸附电性中和； pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥； 如果分子量不同的两种高分子物质同时投入水中，分子量大者优先被胶粒吸附；如果先让分子量较低者吸附然后再投入分子量高的物质，会发现分子量高者将慢慢置换分于量低的物质。在给水处理中，因天然水的pH值通常总是大于3，故压缩双电层作用甚微。5、影响水混凝的

7、主要因素影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；投加的凝聚剂种类与数量；使用的絮凝设备及其相关水力参数。 （1） 水温影响 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有： 无机盐水解吸热； 温度降低，粘度升高布朗运动减弱； 水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚； 水温与水的pH值有关。 （2） 水的pH和碱度影响水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。当投加金属盐（铝盐、铁盐）类混凝剂时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。石

8、灰投量估算方法：可见，投加1mmol/LAl2(SO4)3的需石灰3mmol/L。 CaO=3a x + （3-13）式中CaO：纯石灰CaO投量，mmol/L； a：混凝剂投量，mmol/L； x：原水碱度，按mmol/L，CaO计； ：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25-0.5mmol/L（CaO）。（不可过量！） 一般石灰投量通过试验决定。Al2(SO4)3+3H2O+3CaO=2Al(OH)3+3CaSO4（3） 水中悬浮物浓度的影响 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有： 加高分子助凝剂； 加粘土 投加混凝剂后直接过滤 如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝

9、剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。二、混凝剂和助凝剂 （一）混凝剂 混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。 目前混凝剂的种类有不少于200300种，分为无机与有机两大系列，见表4-1。 表4-1 常用的混凝剂无机铝系 硫酸铝明矾聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS） 适宜pH：5.58 铁系 三氯化铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁聚合氯化铁 适宜pH：511，但腐蚀性强 有机 人工合成 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国内尚少 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非离子型：聚丙烯

10、酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO） 两性型： 使用极少 天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂 与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：适用的pH值范围较宽；形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；但三氯化铁腐蚀性较强。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。 聚合氯化铝： 又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算： 聚合铁： 包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。碱化度/盐基度 （二）助凝剂 凡能提高或改

11、善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类： 酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等； 加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂； 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。三、 混凝动力学（一）基本概念混凝动力学：研究颗粒碰撞速率。颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。异向絮凝： Perikinetic flocculation由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。同向絮凝：orthokinetic flocculation 由水力

12、或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝。 （二） 异向絮凝絮凝速率决定于碰撞速率。假定颗粒为均匀球体，由费克(Fick)定律，可导出颗粒碰撞速率 NP单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率，1cm3s；n颗粒数量浓度，个cm3；d颗粒直径，cm2DB布朗运动扩散系数，cm2s T为温度 为水的运动粘度 为水的密度；(4-1)(4-2) 由上式可知，由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比，而与颗粒尺寸无关。 实际上，只有小颗粒才具有布朗运动。随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱。当颗粒粒径大于1m时，布朗运动基本消失。 因此，要使较大的颗粒进一步碰撞

13、聚集，还要靠流体运动的推动来保使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。代入可得：（三）同向絮凝 1. 同向絮凝层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意图见图4-5 。 44-5颗粒的碰撞速率可按下式计算：推导从略式中 G速度梯度，1/s； u相邻两流层的流速增量，cm/s； z垂直于水流方向间的两液层间的距离cm。公式中，n和d均属原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在絮凝设备中，往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 (4-3)实际在絮凝池中，水流并非层流，而总是处于紊流状态，流体内部存在大小不等的涡旋，除前进速度外，还存在纵向和横向脉动速度。为此甘布(T.R.Camp)和斯泰因(P.c.S

14、tein)通过一个瞬间受剪而扭转的单位体积水流所耗功率来计算G值以替代Guz。公式推导如下： 在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体xy z ，见图。设在时间 t内，隔离体扭转了角度，于是角速度为： 4-6X 转矩 J 为：(4-5) 于是单位体积水所耗功率p为：(4-6) 由水力学 =G ，故 (4-7) （4-4） 当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。 当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定： (4-8) 所以采用水力絮凝池时， (4-9) P单位体积水所耗功率h混凝设备中的水体损失，m（四） 混凝控制指标 从药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺

15、上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。 混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。控制平均G7001000s-1，时间通常在1030s，一般2min。此阶段，杂质颗粒微小，同时主要是颗粒间异向絮凝。絮凝过程： 在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有关，还与时间有关，通常时间在15-30min 。 在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制指标。平均G2070s-1， GT1104105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。四、混凝过程 水处理的混凝过程包括：混凝剂的配

16、制、计量、投加、快速混合、絮凝反应等。（一）混凝剂的溶解和溶液配制固态药剂的溶解需设溶解池溶解池的设计和选用原则：溶药快速效率高溶药彻底残渣少操作方便易控制坚固耐腐能耗低溶解池的搅拌方式有水力搅拌、机械搅拌、压缩空气搅拌。水力搅拌有两种形式，一种是利用水厂压力水直接对药剂进行冲溶和淋溶；另一种是设水泵从溶解池抽水从底部送回，形成循环水力搅拌。机械搅拌有旁入式和中心式溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2 式中W2为溶液池容积。 式中：W2溶液池容积，m3 Q处理的水量 m3/ h a混凝剂最大投加量，mg/L c溶液浓度，一般取5%20% n每日调制次数，一般不超过3次例：某水厂采用精制硫

17、酸铝作为混凝剂，最大投加量为35mg/L，水厂设计水量100000m3/d。混凝剂每日调制3次，溶液浓度按10%计，试求溶解池和溶液池的体积各为多少？解：溶液池体积取 W1=0.2W2溶解池体积 （二）混凝剂投加 混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。 1.计量设备 计量设备有： 转子流量计； 电磁流量计；苗嘴;计量泵等。2.投加方式（1）泵前投加 ：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见图4-9。 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高，见图4-10。 （3）水射器投加：设备简单，

18、使用方便，溶液池高度不会受太大限制，但效率低，易磨损，见图4-11。 （4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，有利于药剂与水混合，见图4-12。 五、混凝设备（一） 混合设备 1.水泵混合 投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。2 管式混合器 管式静态混合器Static mixer：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.30.4m，简单易行，见图4-13。3 扩散混合器Diffuse mixer是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4

19、，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，流速为1.0-1.5m/s，混合时间23s。节管长度不小于500mm。水头损失约0.3-0.4，直径在DN200-DN1200，见图4-14 4 机械混合池在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式，速度梯度7001000s-1，时间1030s以内. 优点是混合效果好，不受水质影响, 缺点是增加机械设备，增加维修工作。（二） 絮凝设备1. 隔板絮凝池 隔板絮凝池见分往复式和回转式，图4-15、4-16。 隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.30.5m，回转式的水头损失比往复式的小40左右。隔板絮凝池特点：构造简

20、单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。 流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s, 段数46段； 转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍； 絮凝时间：2030min； 廊道的最小宽度不小于0.5m ，池底应有0.020.03坡度直径不小于150mm的排泥管； 各段的水头损失 总水头损失隔板絮凝池的设计参数：例：某往复式隔板絮凝池的设计流量为75000m3/d，絮凝时间采用20min，絮凝池宽度22m，平均水深2.8m，试设计各廊道宽度并计算絮凝池长度。解：1 、絮凝池的净长度絮凝池的设计流量（式中1.06为考虑水厂自用水量占6%所乘系数）絮凝池的净长度2

21、 、廊道宽度设计絮凝池起端流速取v=0.55m/s，末端流速取v=0.25m/s首先根据起、末端流速和平均水深算出起、末端廊道宽度，然后按照流速递减的原则，决定廊道分段数和各段廊道宽度。起端廊道宽度末端廊道宽度廊道宽度分成4段，各廊道宽度和流速见下表。表中所求廊道内流速均按平均水深计算，故只是廊道真实流速的近似值，因为，廊道水深是递减的，但设计中这样已满足要求。廊道宽度和流速计算表廊道分段号1234各廊道宽度(m)0.60.81.01.3各廊道流速(m/s)0.550.410.330.25各段廊道数6554各段廊道总净宽3.6455.2四段廊道宽度之和取隔板厚度=0.1m，共19块隔板，则絮凝

22、池总长度L为：L=17.8+190.1=19.7m 2.折板絮凝池 通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。 与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图4-17与图4-18。 3. 机械絮凝池 机械絮凝池的剖面示意见图4-19。 搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。 第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。 (1)设计参数: 絮凝时间1015分。 池内一般设34挡搅拌机。 搅拌机转

23、速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。 桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。 （2）优缺点: 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。 4.穿孔旋流絮凝池 由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图4-20。 穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。 5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图4-21。网格、栅条絮凝池所造成的水流紊动接近于局部各向同性紊流。 网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。其设计参数见表4-2。网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为1.02.5