建筑工程给排水水处理-凝聚和絮凝

第3章凝聚和和絮凝建筑工程学院院给排水教研研室混凝(coagulation)的定义混凝的去除对对象胶体及部分细细小的悬浮物物粒径范围在1nm~0.1m（有时认为在在1m）混凝目的投加混凝剂使使胶体脱稳,相互凝聚生长长成大矾花。。混凝的定义义包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)两个步骤,凝聚是指使使胶体脱稳稳并生成微微小聚集体体的过程,而絮凝是指指使脱稳的的胶体或微微小悬浮物物聚结成大大的絮凝体的过过程。混凝过程涉涉及到三个个方面的问问题水中胶体的的性质混凝剂在水水中的水解解与形态胶体与混凝凝剂的相互互作用3.1胶体的稳定定性一.胶体的稳定定性动力学稳定定性布朗运动对对抗重力。。聚集稳定性性胶体带电相相斥（憎水水性胶体））水化膜的阻阻碍（亲水水性胶体））两者之中,聚集稳定性性对胶体稳定定性的影响响起关键作作用。二.胶体的双电电层结构ⅠδdⅡ胶核滑动面ζの图3-1胶体双电层结构示意电位：决定定了胶体的的聚集稳定性。一般粘土电位＝-15~-40mV细菌电位＝-30~-70mV胶体的凝聚聚：降低静电斥斥力—电位――势垒—脱稳—凝聚办法：加入入电解质，，但只适用于憎水水性胶体三.DLVO理论3-2一.铝盐在水中中的化学反反应铝盐最有代代表性的是是硫酸铝Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即离解铝铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3+存在.在水中,会发生下列列过程。1.水解过程配位水分子子发生水解解：[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++H+…….其结果是：：价数降低低，pH降低，最终终产生――Al(OH)3沉淀3.2混凝机理2.缩聚反应－OH－发生架桥桥,产生高价聚聚合离子(多核羟基配合物)……..其结果是：：电荷升高高，聚合度度增大同时多核羟羟基配合物还会继继续水解。。因此,产物包括：：未水解的的水合铝离离子单核羟基配合物多核羟基配合物氢氧化铝沉沉淀各种产物的的比例多少少与水解条条件(水温、pH、铝盐投加加量)有关。二.胶体的凝聚聚机理目前比较公公认的凝聚聚机理有四四个方面：：压缩双电层层作用吸附-电中和作用用吸附-架桥作用网捕-卷扫作用（1）压缩双电电层作用加入电解质质，形成与与反离子同同电荷离子子，产生压压缩双电层层作用，使使ξ电位降低，，从而胶体体颗粒失去去稳定性，，产生凝聚聚作用。该机理认为为电位最多可可降至0。因而不能能解释以下下两种现象象：①混凝凝剂投加过过多，混凝凝效果反而而下降；②②与胶粒带带同样电号号的聚合物物或高分子子也有良好好的混凝效效果。3-3（2）吸附－电电中和作用用（3）吸附架桥桥作用是指高分子子物质和胶胶粒，以及及胶粒与胶胶粒之间的的架桥，架架桥模型示示意见图3-4。高分子絮凝凝剂投加后后，通常可可能出现以以下两个现现象：①高分子投投量过少，，不足以形形成吸附架架桥；②但投加过过多,会出现“胶胶体保护””现象，见见图3-5。(4)网捕或卷扫扫吸附架桥作作用模型示示意图3-43-5三.絮凝机理异向絮凝（perikineticflocculation）由布朗运动动所引起的的胶体颗粒粒碰撞聚集集。同向絮凝（（orthokineticflocculation）由外力（水水力或机械械力）推动动所引起的的胶体颗粒碰撞撞聚集。四.影响混凝效效果的主要要因素(1)水温的影响(2)水的pH值的影响(3)水的碱度的的影响(4)水中浊质颗颗粒浓度的的影响(5)水中有机污污染物的影影响(6)混凝剂种类类与投加量量的影响(7)混凝剂投加加方式的影影响(8)水力条件的的影响3.3混凝剂一.混凝剂种类有不少少于200－300种其分类见表表3-1无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS）适宜pH：5.5~8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：5~11，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表3-1常用混凝剂剂无机复合聚聚合物混凝凝剂无机－有机机复合有机高分子子絮凝剂发展方向二.助凝剂凡能提高或或改善混凝凝剂作用效效果的化学学药剂可称为助凝剂剂。助凝剂可以以参加混凝凝，也可不不参加混凝凝。广义上可分分为以下几几类：①酸碱类：：调整水的的pH，如石灰、、硫酸等；；②加大矾花花的粒度和和结实性：：如活化硅硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、、高分子絮絮凝剂；③氧化剂类类：破坏干干扰混凝的的物质，如如有机物。。可投加Cl2、O3等。三.混凝剂选用原则①混凝效果果好②无毒害作用③货源充足足④成本低⑤新型药剂剂的卫生许许可⑥借鉴已有经经验3.4混凝动力学学一.异向絮凝动动力学由布朗运动动造成的碰碰撞，主要要发生在凝凝聚阶段。。颗粒粒的的碰碰撞撞速速率率Np＝8/(3)KTn2(3-1)n：颗颗粒粒数数量量浓浓度度：运运动动粘粘度度凝聚聚速速度度决决定定于于颗颗粒粒碰碰撞撞速速率率。。Np只与与颗颗粒粒数量量有有关关，，而而与与颗颗粒粒粒粒径径无无关关。。当颗颗粒粒的的粒粒径径大大于于1m，布布朗朗运运动动消消失失。。二.同向向絮絮凝凝动动力力学学由水水力力或或机机械械搅搅拌拌产产生生。。其理理论论仍仍在在发发展展之之中中。。最初初的的理理论论基基于于层层流流的的假假定定。。层流流条条件件下下颗颗粒的的碰碰撞撞示示意意见见图图3-6。ΔΔτΔx·ΔyΔΔ△θ扭转方向图3-7速度梯度计算图示图3-6层流条件下颗粒碰撞示意ΔΔ△Δx1.层流流理理论论层流流条条件件下下颗颗粒粒的的碰碰撞撞示示意意见见图图6-7。颗粒粒的的碰碰撞撞速速率率按按下下式式计计算算：：(3-2)在被被搅搅动动的的水水流流中中，，考考虑虑一一个个瞬瞬间间受受煎煎而而扭扭转转的的隔隔离离体体，，见见图图3-7。设设在在时时间间内内，，隔隔离离体体扭扭转转了了角角度度，，于于是是角角速速度度为为：：(3-3)转矩矩为为：：(3-4)于是是单单位位体体积积水水所所耗耗功功率率p为：：(3-5)由于于，，故故(3-6)当采采用用机机械械搅搅拌拌时时，，p由机机械械搅搅拌拌器器提提供供。。当采采用用水水力力絮絮凝凝池池时时，，p应为为水水流流本本身身所所消消耗耗的的能能量量，，由由下下式式决决定定：：(3-7)则采采用用水水力力絮絮凝凝池池时时，，(3-8)2.同向向紊紊流流理理论论①外外部部施施加加的的能能量量形形成成大大涡涡旋旋；；②②大大涡涡旋旋将将能能量量输输送送给给小小涡涡旋旋；；③③小小涡涡旋旋将将能能量量输输送送给给更更小小的的涡涡旋旋；；④④只只有有尺尺度度与与颗颗粒粒尺尺寸寸相相近近的的涡涡旋旋才才会会引引起起颗颗粒粒碰碰撞撞。。（3-9）式中，紊紊流扩散散系数，，为为相应于于尺度的的脉动速速度，为为（3-10）故（3-11）三.混凝过程程的控制制指标用G可以来判判断混合合和絮凝凝的程度度：混合(凝聚)过程：G＝700－1000s-1，但剧烈烈搅拌是是为尽快分分散药剂剂,时间通常常在10～20s,一般<2min.絮凝过程程：不仅与G有关(随着絮凝凝的进行行,G值应逐渐渐减小)，还与时间间有关。。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105实际设计计，采用用V和T，反过来来校核GT或者平均均G最近采用用：GTC(建议值100),C：颗粒浓浓度一.混凝剂的的溶解和和溶液配配制溶解池容容积W1：W1=（0.2~0.3）W2（3-12）式中W2为溶液池池容积。。（3-13）式中：W2——溶液池容容积，m3Q——处理的水水量m3/ha——混凝剂最最大投加加量，mg/Lc——溶液浓度度，一般般取5%~20%n——每日调制制次数，，一般不不超过3次3.5混凝过程程二.混凝剂的的计量常用的计计量设备备计量泵流量计（（转子、、电磁））孔口苗嘴等。。三.混凝剂的的投加方方式（1）泵前投投加（2）高位溶溶液池重重力投加加（3）水射器器投加（4）泵投加加123456h578910图3-8泵前投加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；325687图3-9高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；14123645高压水图3-10水射器投加1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗；4-水射器；5-压水管；6-高压水管1-溶液池；2-计量泵；3-压水管图3-11计量泵投加321四.混凝剂投投加量自自动控制制数学模型型法：需要大量量的生产产数据、、涉及仪仪表多现场模拟拟试验法法：根据试验验结果反反馈到投投药，仍仍有一定滞滞后。流动电流流检测器器（SCD）：流动电流流是指胶胶体扩散散层中反反离子在在外来作作用下随随流体流流动而产产生的电电流。絮凝监测测器：利用光电电原理检检测水中中絮凝颗颗粒变化化五.快速混合合目的使胶体颗颗粒凝聚聚脱稳要求强烈、快快速、短短时六.絮凝反应应目的促使细小小颗粒有有效碰撞撞逐渐增增长成大大颗粒要求G由大小小有足够的的反应时时间两个条件件（P85）3.6混凝设施施一.混合设施施（1）水力混混合（2）水泵混混合（3）管式混混合（4）机械混混合水泵混合合投药投加加在水泵泵吸水口口或管上上。混合合效果好好，节省省动力，，各种水水厂均可可用，常常用于取取水泵房房靠近水水厂处理理构筑物物的场合合，两者者间距不不大于150m。管式混合合管式静态态混合器器：流速不不宜小于于1m/s，水头损损失不小小于0.3~0.4m，简单易易行，见见图3-10。扩散混合合器是在管式式孔板混混合器前前加一个个锥形帽帽，锥形形帽夹角角90°。顺流方方向投影影面积为为进水管管总截面面面积的的1/4，开孔面面积为进进水管总总截面面面积的3/4，流速为为1.0~1.5m/s，混合时时间2~3s。管节长长度不小小于500mm。水头损损失约0.3~0.4，直径在在DN200~DN1200，见图3-10。图3-12管式静态混合器图3-13扩散混合器药剂原水管道管道单元混合体静态混合器原水原水管投药套管塑料管孔板锥帽挡板支架机械混合合在池内安安装搅拌拌装置，，搅拌器器可以是是桨板式式、螺旋旋桨式或或透平式式，速度度梯度700~1000s-1，时间10~30s以内，优优点是混混合效果果好，不不受水质质影响，，缺点是是增加机机械设备备，增加加维修工工作,电耗。二.絮凝设施水力絮凝反反应设施施隔板絮凝凝池折板絮凝凝池栅条（网网格）絮絮凝池穿孔旋流流絮凝池池机械絮凝凝反应设设施其他形式式的絮凝凝池1.隔板絮凝凝池隔板絮凝凝池往复式（（见见图3-14）回转式（见图3-15）隔板絮凝池池的水头损损失由局部部水头和沿沿程水头损损失组成。。往复式总总水头损失失一般在0.3~0.5m，回转式的的水头损失失比往复式式的小40％左右。隔板絮凝池池特点：构构造简单、、管理方便便，但絮凝凝效果不稳稳定，池子子大。适应应大水厂。。图3-14往复式隔板絮凝池19.7m22.0m进水接沉淀池2.8m接沉淀池进水管进水管图3-15回转式隔板絮凝池

①流速：起起端0.5-0.6m/s,末端0.2-0.3m/s段数：4~6段;②转弯处过过水断面积积为廊道过过水断面积积的1.2~1.5倍；③絮凝时间间：20~30min；④隔板间距距：不小于0.5m，池底应有有0.02~0.03坡度直径不不小于150mm的排泥管；；⑤各段的水头头损失，，总总水头损失失隔板絮凝池池的设计参参数：通常采用竖竖流式，它它将隔板絮絮凝池的平平板隔板改改成一定角角度的折板板。折板波波峰对波谷谷平行安装装称“同波波折板”，，波峰相对对安装称““异波折板板”。与隔隔板式相比比，水流条条件大大改改善，有效效能量消耗耗比例提高高，但安装装维修较困困难，折板板费用较高高。其示意意图见图3-16与图3-17。2.折板絮凝池池图3-16单通道折板絮凝池剖面示意进水出水进水出水（）（）（a）同波折板（b）异波折板图3-17多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水进水ⅢⅡⅠ平面图进水A-A剖面折板网格、栅条条絮凝池设设计成多格格竖井回流流式。每个个竖井安装装若干层网网格或栅条条，各竖井井间的隔墙墙上、下交交错开孔，，进水端至至出水端逐逐渐减少，，一般分3段控制。前前段为密网网或密栅，，中段为疏疏网或疏栅栅，末段不不安装网、、栅。网格格（栅条））絮凝池的的示意图见见图3-18。3.网格、栅条条絮凝池图3-18网格（或栅条）絮凝池平面示意图（图中数字表示网格层数）进水平面布置（2）网格（3）栅条下面进出水上面进出水水流向上水流向下网格絮凝池池效果好，，水头损失失小，絮凝凝时间较短短，但还存存在末端池池底积泥现现象，小数数水厂发现现网格上滋滋生藻类、、堵塞网眼眼现象。其其设计参数数见表3-2。网格和栅条条絮凝池在在不断完善善和发展之之中，絮凝凝池宜与沉沉淀池合建建，一般布布置成两组组并联形式式。每组设设计水量一一般为1.0～2.5万m3/d之间。表3-2栅条、网格格絮凝池主主要设计参参数絮凝池型1絮凝池分段栅条缝隙或网格孔眼尺寸（mm）板条宽度（mm）竖井平均流速（m/s）过栅或过网流速（m/s）竖井之间孔洞流速（m/s)栅条或间格构件布设层数（层）/层距（cm）絮凝时间（min）流速梯度（s-1）栅条絮凝池前段（安放密栅格）50500.12～0.140.25～0.300.30～0.20≥16/603～570～100中段（安装疏栅条）80500.12～0.140.22～0.250.20～0.15≥8/603～540～60末段（不安放栅条）0.10～0.140.10～0.144～510～20网格絮凝池前段（安放密网格）80×80350.12～0.140.25～0.300.30～0.20≥16/60～703～570～100中段（安装疏网格）100×100350.12～0.140.22～0.350.20～0.15≥16/60～703～540～50末段（不安放网格）0.10～0.140.10～0.144～510～20由若干方格格组成。分分格数一般般不少于6格。流速逐逐渐减小，，G也相应减小小以适应絮絮凝体形成成，孔口流流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速速宜取0.2～0.3m/s。絮凝时间间15～25min。穿孔旋流流絮凝池的的平面示意意图见图3-19。穿孔旋流絮絮凝池的优优点是构造造简单，施施工方便，，造价低，，可用于中中、小型水水厂或与其其他形式的的絮凝池组组合应用。。4.穿孔旋流絮絮凝池图3-19穿孔旋流絮凝池平面示意图上面进水下面进水机械絮凝池池的剖面示示意见图3-20。搅拌器有浆浆板式和叶叶轮式，按按搅拌轴的的安装位置置分水平轴轴式和垂直直轴式。第一格搅拌拌强度最大大，而后逐逐步减小，，G值也相应减减小，搅拌拌强度决定定于搅拌器器转速和桨桨板面积。。机械絮凝池池图3-20机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池（）（）