混凝技术课件

第六章混凝

6．1混凝机理.

6.1.1基本概念混凝：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：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。

6.1.2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：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②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，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒的双电层结构见图6-1。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ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。

6.1.3DLVO理论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。排斥势能：ER－1/d2吸引势能：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图6-2。当胶体距离x<oa或x>oc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。胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。以上称为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）。

6.1.4硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关，见图6-3

6.1.5混凝机理

1．电性中和作用机理电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理，见图6-4。（1）压缩双电层加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ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：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。

（2）吸附－电电性中和这种现象在水处处理中出现的较较多。指胶核表表面直接吸附带带异号电荷的聚聚合离子、高分分子物质、胶粒粒等，来降低电位。其特点是是：当药剂投加加量过多时，电位可反号。2．吸附架桥吸附架桥作用是是指高分子物质质和胶粒，以及及胶粒与胶粒之之间的架桥，架架桥模型示意见见图6-5。高分子絮凝剂投投加后，通常可可能出现以下两两个现象：①高分子投量过过少，不足以形形成吸附架桥；；②但投加过多，，会出现“胶体体保护”现象，，见图6-6；；3．网捕或卷扫扫金属氢氧化物在在形成过程中对对胶粒的网捕与与卷扫。所需混混凝剂量与原水水杂质含量成反反比，即当原水水胶体含量少时时，所需混凝剂剂多，反之亦然然。6.1.6硫硫酸铝的混凝凝机理不同pH条件下下，铝盐可能产产生的混凝机理理不同。何种作作用机理为主，，决定于铝盐的的投加量、pH、温度等。实实际上，几种可可能同时存在。。pH<3简简单的水合铝铝离子起压缩双双电层作用；pH=4~5多多核羟基络合物物起吸附电性中中和；pH=6.5-7.5氢氢氧化铝起起吸附架桥；6．2混混凝剂和助凝剂剂6.2.1混混凝剂混凝剂应符合以以下要求：①混混凝效果好；②②对人体无危害害；③使用方便便；④货源充足足，价格低廉。。目前混凝剂的种种类有不少于200－300种，分为无机机与有机两大系系列，见表6-1。与硫酸铝相比，，三氯化铁具有有以下优点：①①适用的pH值值范围较宽；②②形成的絮凝体体比铝盐絮凝体体密实；③处理理低温低浊水的的效果优于硫酸酸铝；④但三氯氯化铁腐蚀性较较强。硫酸亚铁一般与与氧化剂如氯气气同时使用，以以便将二价铁氧氧化成三价铁。。聚合氯化铝又称称为碱式氯化铝铝或羟基氯化铝铝，性能优于硫硫酸铝。其成分分取决于羟基与与铝的摩尔数之之比，通常称之之为碱化度B，，按下式计算：：聚合铁包括聚合合硫酸铁与聚合合氯化铁，目前前常用的是聚合合硫酸铁，它的的混凝效果优于于三氯化铁，它它的腐蚀性远比比三氯化铁小。。表6-1常常用的混凝剂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：5.5~8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6.2.2助助凝剂助凝剂：凡能提提高或改善混凝凝剂作用效果的的化学药剂可称称为助凝剂。助助凝剂可以参加加混凝，也可不不参加混凝。广广义上可分为以以下几类：①酸碱类：调整整水的pH，如如石灰、硫酸等等；②加大矾花的粒粒度和结实性：：如活化硅酸（（SiO2nH2O）、骨胶、高高分子絮凝剂；；③氧化剂类：破破坏干扰混凝的的物质，如有机机物。如投加Cl2、O3等。6．3凝凝聚动力学6.3.1基基本概念混凝动力学：研研究颗粒碰撞速速率属于混凝动动力学范畴。颗粒相互碰撞的的动力来自两个个方面：颗粒在在水中的布朗运运动；在水力或或机械搅拌所造造成的流体运动动。异向絮凝：由布布朗运动引起的的颗粒碰撞聚集集称为异向絮凝凝。同向絮凝：由水水力或机械搅拌拌所造成的流体体运动引起的颗颗粒碰撞聚集称称同向絮凝6.3.2异异向絮凝颗粒的碰撞速率率可按下式计算算：(6-1)式中：DB：布朗运动扩扩散系数，T为温度，为水水的运动粘度，，为水的密度；；因此：(6-2)故Np只与颗粒数量和和水温有关，而而与颗粒粒径无无关。但当颗粒粒的粒径大于1m，布朗运动消消失。6.3.3同向絮凝1.层流理论层流条件下颗粒粒的碰撞示意见见图6-7。颗粒的碰撞速速率按下式计计算：(6-3)在被搅动的水水流中，考虑虑一个瞬间受受煎而扭转的的隔离体，见见图6-8。。设在时间内内，，隔离体扭转转了角度度，于是角速速度为为：(6-4)转矩为为：(6-5)于是单位体积积水所耗功率率p为：(6-6)由于，，故(6-7)当采用机械搅搅拌时，p由机械搅拌器器提供。当采采用水力絮凝凝池时，p应为水流本身身所消耗的能能量，由下式式决定：(6-8)则采用水力絮絮凝池时，(6-9)2.同向紊流流理论同向紊流理论论：①外部部施加的能量量形成大涡旋旋；②大涡旋旋将能量输送送给不涡旋；；③小涡旋将将能量输送给给更小的涡旋旋；④只有尺尺度与颗粒尺尺寸相近的涡涡旋才会引起起颗粒碰撞；；（6-10））式中，紊流扩扩散系数，，为相相应于尺度的的脉动速度，，为（6-11））故（6-12））3．混凝控制制指标自药剂与水均均匀混合起直直至大颗粒絮絮凝体形成为为止，工艺上上总称混凝过过程。相应设设备有混合设设备和絮凝设设备。混合（凝聚））过程：在混混合阶段，对对水流进行剧剧烈搅拌的目目的主要是使使药剂快速均均匀分散以利利于混凝剂快快速水解、聚聚合、及颗粒粒脱稳。平均均G＝700~1000s-1，时间通常在在10～30s，一般<2min散散药剂，此阶阶段，杂质颗颗粒微小，同同时存在颗粒粒间异向絮凝凝。絮凝过程：：在絮凝阶段段，主要靠机机械或水力搅搅拌促使颗粒粒碰撞凝聚，，故以同向絮絮凝为主。同同向絮凝效果果不仅与G有有关，还与时时间有关。在在絮凝阶段，，通常以G值值和GT值作作为控制指标标。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105随着絮凝的进行，，G值应逐渐减小小。6.4影响水混混凝的主要因素6.4.1概概述影响混凝效果的因因素比较复杂，主主要包括：①原水性质，包括括水温、水化学特特性、杂质性质和和浓度等；②投加的凝聚剂种种类与数量；③使用的絮凝设备备及其相关水力参参数。6.4.2水温影影响水温低时，通常絮絮凝体形成缓慢，，絮凝颗粒细小、、松散，凝聚效果果较差。其原因有有：①无机盐水解吸热热；②温度降低，粘度度升高――布朗运运动减弱；③水温低时，胶体体颗粒水化作用增增强，妨碍凝聚；；④水温与水的pH值有关6.4.3水的pH和碱度影响水的pH值对混凝凝效果的影响程度度，与混凝剂种类类有关。混凝时最佳pH范范围与原水水质、、去除对象等密切切有关。当投加金属盐类凝凝聚剂时，其水解解会生成H+，但水中碱度有缓缓冲作用，当碱度度不够时需要投加加石灰。石灰投量按下式估估算：[CaO]=3[a]–[x]+[δ]（（6-13））式中[CaO]：：纯石灰CaO投投量，mmol/L；[a]：混凝剂投投量，mmol/L；[x]：原水碱度度，按mmol/L，CaO计；；[δ]：保证反反应顺利进行的剩剩余碱度，一般取取0.25~0.5mmol/L（CaO）。一一般石灰投量通过过试验决定。6.4.4水中悬悬浮物浓度的影响响杂质浓度低，颗粒粒间碰撞机率下降降，混凝效果差。。可采取的对策有有：①加高分子助凝剂剂；②加粘土③投加混凝剂后直直接过滤如果原水悬浮物含含量过高，为减少少混凝剂的用量，，通常投加高分子子助凝剂。如黄河河高浊度水常需投投加有机高分子絮絮凝剂作为助凝剂剂。6．5混混凝剂的配制与与投加6.5.1混混凝剂的的溶解和溶液配配制溶解池容积W1：W1=（0.2~0.3）W2（6-14）式中W2为溶液池容积。。（6-15）式中：W2——溶液池容积积，m3Q——处理的水水量m3/ha——混凝剂最最大投加量，mg/Lc——溶液浓度度，一般取5%~20%n——每日调制制次数，一般不不超过3次6.5.2混混凝剂投加加混凝剂投加设备备包括计量设备备、药液提升设设备、投药箱、、必要的水封箱箱以及注入设备备等。。1.计量设备计量设备有：转转子流量计；电电磁流量计；苗苗嘴；计量泵等等。2.投加方式（1）泵前投加加：安全可靠靠，一般适用取取水泵房距水厂厂较近者，图中中水封箱是为防防止空气进入，，见图6-9。。。（2）高位溶液液池重力投加：：适用取水泵房房距水厂较远者者，安全可靠，，但溶液池位置置较高，见图6-10。（3）水射器投投加：设备简单单，使用方便，，溶液池高度不不会受太大限制制，但效率低，，易磨损，见图图6-11。（4）泵投加：：不必另设计量量设备，适合混混凝剂自动控制制系统，有利于于药剂与水混合合，见图6-12。6.5.3混混凝凝剂投加加量自动动控制1.数学学模拟法法对于某一一特定水水源，可可根据水水质、水水量建立立数学模模型，写写出程序序交计算算机执行行调控。。采用数数学模型型实行加加药自动动控制的的关键是是：必须须要有前前期大量量而又可可靠的生生产数据据，才可可运用数数理统计计方法建建立符合合实际生生产的数数学模型型。适用用特定原原水条件件，水质质仪表多多，投资资大。2.现场场模拟试试验法采用现场场模拟装装置来确确定和控控制投药药量是较较简单的的一种方方法，常常用的模模拟装置置是斜管管沉淀器器，过滤滤器或两两者并用用。原水水浊度低低时，常常用模拟拟过滤器器，原水水浊度高高时可用用斜管沉沉淀器或或过滤器器串联使使用。此此法存在在反馈滞滞后现象象，模拟拟装置与与生产设设备存在在一定的的差别，，但与实实验室相相比，更更接近实实际情况况。3.特性性参数法法影响混凝凝效果的的因素复复杂，在在某种情情况下、、某一特特性参数数是影响响混凝效效果的主主要因素素，这一一因素的的变化反反映了混混凝程度度的变化化。流动动电流检检测器法法和透光光率脉动动法属于于特性参参数法。。流动电流流是指胶胶体扩散散层中反反离子在在外力作作用下随随着流体体流动而而产生的的电流。。此电流流与胶体体ξ电位位有正相相关关系系。混凝凝后胶体体ξ电位位变化反反映了胶胶体脱稳稳程度。。优点是是控制因因子单一一；投资资低，操操作简单单；控制制精度较较高。缺缺点是投投药量与与流动电电流很少少相关。。透光率脉动动法是利用用光电原理理检测絮凝凝聚颗粒的的变化，达达到混凝在在线连续控控制的新技技术。优点点是因子单单一，不受受混凝机理理或品种的的限制，不不受水质限限制。6．6混混凝凝设备6.6.1混合设设备1.水泵混混合投药投加在在水泵吸水水口或管上上。混合效效果好，节节省动力，，各种水厂厂均可用，，常用于取取水泵房靠靠近水厂处处理构筑物物的场合，，两者间距距不大于150m。。2.管式混混合管式静态混混合器：流流速不宜小小于1m/s，水头头损失不小小于0.3~0.4m，简单单易行，见见图6-13。扩散混合器器，是在管管式孔板混混合器前加加一个锥形形帽，锥形形帽夹角90°。顺顺流方向投投影面积为为进水管总总截面面积积的1/4，开孔面面积为进水水管总截面面面积的3/4，流流速为1.0~1.5m/s，混合时时间2~3s。节管管长度不小小于500mm。水水头损失约约0.3~0.4，，直径在DN200~DN1200，，见图6-14。3机械械混合在池内安装装搅拌装置置，搅拌器器可以是桨桨板式、螺螺旋桨式或或透平式，，速度梯度度700~1000s-1，时间10~30s以内，优优点是混合合效果好，，不受水质质影响，缺缺点是增加加机械设备备，增加维维修工作。。6.6.2絮絮凝设备1.隔板絮凝池池隔板絮凝池分往往复式和回转式式，见图6-15与图6-16。隔板絮凝池的水水头损失由局部部水头和沿程水水头损失组成。。往复式总水头头损失一般在0.3~0.5m，回转式的的水头损失比往往复式的小40％左右。隔板絮凝池特点点：构造简单、、管理方便，但但絮凝效果不稳稳定，池子大。。适应大水厂。。隔板絮凝池的设设计参数：①流速：起端0.5-0.6m/s，末端端0.2-0.3m/s段数数：4~6段；；②转弯处过水断断面积为廊道过过水断面积的1.2~1.5倍；③絮凝时间：20~30min；④隔板间距：不大大于0.5m，池池底应有0.02~0.03坡度度直径不小于150mm的排泥管管；⑤廊道的最小宽度度不小于0.5m；⑥各段的水头损失失，，总水水头损失2.折板絮凝池通常采用竖流式，，它将隔板絮凝池池的平板隔板改成成一定角度的折板板。折板波峰对波波谷平行安装称““同波折板”，波波峰相对安装称““异波折板”。与与隔板式相比，水水流条件大大改善善，有效能量消耗耗比例提高，但安安装维修较困难，，折板费用较高。。其示意图见图6-17与图6-18。3机械絮凝池机械絮凝池的剖面面示意见图6-19。搅拌器有浆板式和和叶轮式，按搅拌拌轴的安装位置分分水平轴式和垂直直轴式。第一格搅拌强度最最大，而后逐步减减小，G值也相应应减小，搅拌强度度决定于搅拌器转转速和桨板面积。。（1）功率计算水流对桨板的阻力力就是桨板施于水水的推力，在dA微面积上水流阻力力（6-15）阻力dFi所耗功率，即桨板板施于水的功率：：（6-16）式中：，为水流旋旋转线速度，为桨桨板旋转角速度度，为旋转半径因此（6-17）第块桨板克服水的的阻力所耗功率：：（6-18）设每根旋转轴在不不同旋转半径上装装相同数量的桨板板，则每根旋转轴轴全部桨板所耗功功率：（6-19）每根旋转轴所需电电动机功率：（6-20）（2）设计参数①絮凝时间10~15分。②池内一般设3～～4挡搅拌机。③搅拌机转速按叶叶轮半径中心点线线速度计算确定，，线速度第一挡0.5m/s逐渐渐减小至末挡的0.2m/s。④桨板总面积宜为为水流截面积的10～20％，不不宜超过75％，，桨板长度不大于于叶轮半径的75％，宽度宜取10～30cm。。（3）优缺点机械絮凝池的优点点是调节容易，效效果好，大、中、、小水厂均可，但但维修是问题。4.穿孔旋流絮凝凝池由若干方格组成。。分格数一般不少少于6格。流速逐逐渐减小，G也相相应减小以适应絮絮凝体形成，孔口口流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速宜取取0.2～0.3m/s。絮凝时时间15～25min。穿孔旋流流絮凝池的平面示示意图见图6-20。穿孔旋流絮凝池的的优点是构造简单单，施工方便，造造价低，可用于中中、小型水厂或与与其他形式的絮凝凝池组合应用。5.网格、栅条絮絮凝池网格、栅条絮凝池池设计成多格竖井井回流式。每个竖竖井安装若干层网网格或栅条，各竖竖井间的隔墙上、、下交错开孔，进进水端至出水端逐逐渐减少，一般分分3段控制。前段段为密网或密栅，，中段为疏网或疏疏栅，末段不安装装网、栅。网格（（栅