混凝课件完整版

混凝混凝机理混凝剂和助凝剂混凝动力学影响因素混凝过程混凝设备混凝的历史及其地位沉淀池絮凝池混合池过滤池原水投药消毒后出水传统工艺处理流程Cl2Cl2DBPsDBPs

混凝技术大概起源于古埃及。最初使用混凝剂的人们并没有混凝的概念，但已付诸实践。混凝剂：一些天然的成分，包括天然的矿物盐和植物提取物。在公元前十六世纪，就有用甜扁桃汁作混凝剂的记载。埃及人、罗马人、希腊人已经知道明矾的混凝性能。在中国，春秋战国时期就使用明矾净水。1827年第一次试验使用硫酸铝作混凝剂进行净水试验标志着混凝方法成为水处理技术。1884年美国人Hyatt取得滤池处理水以硫酸铝预处理的专利权。1880～1890年在水处理的实践中系统地采用硫酸铝和硫酸铁；并进行了混凝工艺可行性研究。在十九世纪中期乃至晚期，生物源导致的极性水致疾病在美国依然盛行。到1870年后，仿效欧洲的经验，Massachusetts引进了慢速砂滤，改善了水质的感观。1890年后，Louisville一家供水公司，Louisville，Ky.，把混凝和快速砂滤联合使用，显著降低了水中的浊度和细菌数。此类研究更新了水处理过程的认识，显示了预处理在水处理中的重要性,标志着现代典型给水处理工艺的形成。混凝过程的研究贯穿于胶体与界面科学、水质科学的历史发展进程之中。对于胶体稳定与解稳的研究构成胶体科学领域的一个重要内容，连同胶体自身性质的研究一起成为胶体科学发展的两大支柱。近几十年来，混凝技术领域研究在各方面均取得了较大的成果，呈现出十分活跃的发展趋势，并面临着突破性进展。其主要研究内容可以粗略地归纳为三个方面，即混凝化学原水水质化学、混凝剂化学、混凝过程化学混凝物理混凝动力学与形态学混凝工艺学包括混凝反应器与混凝过程监控技术。混凝化学混凝化学研究所取得的成果使人们得以从分子水平探讨混凝过程及混凝剂自身化学形态（包括溶液化学、颗粒与表面形态）的分布与转化规律，推动了混凝剂的分子设计、科学选择及混凝工艺方案的优化设计。混凝剂经历了矿物盐混凝剂、无机高分子混凝剂、有机高分子混凝剂等阶段。混凝物理混凝物理的研究使人们对不同碰撞聚集作用机制下如布朗运动、流体剪切、差速沉降等颗粒物之间的动力学反应过程有了更为深刻的认识，提供了混凝反应器及最优（优化）与强化混凝工艺设计基础。混凝工艺学各种监测技术的发明与应用，使得混凝过程得到有效的监控并趋向自动化发展。在此基础上，对投药监控的研究提出了若干定量计算模式并应用于工程实践，推动着混凝理论研究的发展。混凝机理 混凝凝聚、絮凝、混凝水中胶体的稳定性硫酸铝在水中的化学反应混凝机理胶粒的形状聚苯乙烯胶乳(球形)V2O5

溶胶(带状)Fe(OH)3

溶胶(丝状)胶体的特性

1、光学性质：在水溶液中能引起光的反射和折射2、力学性质：布朗运动。3、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由能,胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。4、动电现象：包括电泳和电渗，二者都是由于外加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相与液相间产生的相对移动。5、胶体的稳定性

电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的,在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。

电泳与电渗水中胶体的稳定性胶体胶体稳定性

指分散粒径在Inm－100nm之间的多相体系

动力学稳定性聚集稳定性

布朗运动悬浮在液体或气体中的微粒进行的永不停歇的无规则的折线运动分子热运动的必然结果胶体体系动力不稳定的因素之一布朗运动使粒子趋于均匀分布，阻止粒子因重力作用而下降胶体体系动力稳定的因素之一使胶粒互相碰撞，促使它们聚结变大聚集稳定性胶体粒子之间不能相互聚集的特性

胶体性质决定其有相互聚集的倾向（粒子小、比表面大、表面能大）

但由于表面带有同性电荷及水化膜阻碍聚集发生。可通过中和表面电荷或消除水化膜等方式，解除胶体的聚集稳定性，使之聚集长大，从而破坏其动力学稳定性，发生沉淀。对于憎水胶体，聚集稳定性主要决定于胶体表面的动电位即ζ电位。ζ电位胶体滑动面上的电位。

参考胶体结构胶团的结构胶团胶粒扩散层胶核紧密层胶团的结构表达式·xK+例1：AgNO3+

KI（KI过量稳定剂）胶核滑动面扩散层紧密层KNO3+AgI↓(AgI)mnI–·(n-x)K+[]x–胶粒表面带电的原因：

①电离②吸附质点总是优先吸附与组成质点的化学元素相同的离子法扬斯规则

扩散双电层理论平板型模型Helmholz1879年扩散双电层模型(Gouy1910年Chapman1913年)

电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Ψ电位胶体的结构

两种电位随距离的变化情况

①整个胶团呈电中性，(n－x)＋x＝n②胶粒为运动单位，胶粒荷电符号与胶核表面荷电符号相同③x-为滑动面所包围的带电体所荷之电量，x值决定ζ电势的大小c(电解质)↑(n－x)↑x↓ζ↓当x=0时ζ=0等电点状态④特性吸附或超载吸附吸附层中出现过多的异电粒子ζ电势将改变符号胶体的脱稳与凝聚基本概念混凝：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。return溶胶的聚沉憎液溶胶中分散相粒子相互聚结，颗粒变大，聚沉进而发生沉淀的现象电解质的聚沉作用①

电解质中起聚沉作用的主要是与胶粒电荷相反的反号离子，反号离子价数越高，聚沉能力越大。──叔采－哈迪规则注：同电性离子的价数越高，电解质聚沉能力越低聚沉值使一定量的溶胶在一定时间内完全聚沉所需对同一溶胶，外加电解质的离子价数越低，其聚沉值越大电解质的最小浓度。聚沉能力聚沉值的倒数高分子化合物保护和聚沉作用②保护作用敏化作用溶胶间的聚沉③强化电解质聚沉能力

±混凝＝混和＋凝聚＋絮凝吸附混和电中和凝聚絮凝絮体、絮团投药分离颗粒物混凝剂絮凝剂n－

+++++++++n－n－n－

n－n－n－n+±±±+++混凝原理示意图铝的水化学反应特征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。

铝盐的水解pH>4，水合铝络离子将发生一系列的逐级水解，释放氢离子导致水溶液pH降低硫酸铝的水解

硫酸铝的混凝

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。

pH<3简单的水合铝离子起压缩双电层作用；

pH=4~5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；

pH>8以铝酸阴离子Al(OH)4-为主

随着pH值的升高，可以形成一系列多核羟基配和物，也可以称为无机高分子聚合物。如：Al2(OH)24+,Al6(OH)153+,Al7(OH)124+,Al8(OH)204+,Al13(OH)325+等等。以上这些反应物可以看作是Al(Ⅲ)离子在水中经水解转化为氢氧化铝沉淀过程中出现的一系列动力学中间产物。

聚合氯化铝(Al13)晶格AlO4Al12(OH)24(H2O)127+DiameternmAl132-3nmAggregates40-400nm这一过程可以看作是水解和聚合两个反应交替进行而构成的。水解反应的结果可降低水解形态的电荷，增多其羟基，因而为进一步聚合创造条件，而聚合的结果，使离子电荷增大，静电斥力阻碍进一步聚合，因而有待于发生进一步水解，如此交替进行，最后可达到难溶的氢氧化铝沉淀。铝水解缩聚反应及其生成物的组成取决于多种环境因素，其中最主要的是溶液pH和OH/Al比值。混凝机理压缩双电层电性中和吸附架桥卷扫作用混凝剂种类投加量胶体性质含量水质条件

反离子的浓度在胶粒表面处大，并沿着胶粒表面向外呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等.当向溶液中投加电解质，溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度减小。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。由于扩散层厚度的减小，电位相应降低，因此胶粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力相应变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主变成以引力为主(排斥势能消失或减弱)，胶粒得以迅速凝聚。1、压缩双电层机理混凝机理胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少厂静电斥力，降低下ξ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以认为是胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象或称为复稳。

2、吸附电中和电性中和---压缩双电层降低及消除排斥能峰，使胶粒通过布朗运动碰撞聚集分析吸引势能与电荷无关，主要取决于胶体物质种类、尺寸及密度。对一定水质，胶粒的这些特性不变。

排斥势能峰的降低就是降低或消除胶粒的ζ电位。手段投加电解质压缩双电层等电状态ζ=0临界电位ζ=ζk

电解质中起聚沉作用的主要是与胶粒电荷相反的反号离子，反号离子价数越高，聚沉能力越大。──叔采－哈迪规则同电性离子的价数越高，电解质聚沉能力越低吸附-电中和胶体粒子对异种电荷的吸附作用力静电力/范德华力等复稳现象压缩双电层---吸附电中和二者的关系

共同起作用，不可截然分开吸附架桥吸附架桥胶体保护

保护机制

压缩变形引起的排斥势能

电性排斥

水膜保护阳离子、阴离子和中性高分子作用的区别

吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥联的过程。当三价铝盐或铁盐及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解、缩聚反应形成高分子聚合物，具有线形结构;这类高分子可被胶粒强烈吸附。聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键．配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。因其线形长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐变大，形成粗大絮凝体。3、吸附架桥机理能解释当原水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象.当原水中胶粒少，聚合物伸展部分一端吸附一个胶较后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。在水处理中，对高分子絮凝剂投加量及搅拌时间和强度都应严格控制，如投加量过大时，一开始微粒就被若干高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，结果造成胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。可见，在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。该机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物〔如Al(OH)3，Fe(OH)3)或带金属碳酸盐(如CaCO3)时,水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。水中胶粒本身可作为这些沉淀所形成的核心时，凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越少。

4、沉淀物网捕机理混凝剂和助凝剂

一、混凝剂

混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低廉。目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为无机与有机两大系列，见表6-1。与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④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。

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：5.5-8铁系三氯化铁硫酸亚铁聚合氯化铁硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁适宜pH：5-11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基聚合物国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）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

二、助凝剂助凝剂：凡能提高或改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：①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂；③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。混凝动力学异向絮凝同向絮凝差降絮凝混凝动力学要使杂质颗粒之间或杂质与混凝剂之间发生絮凝的必要条件是使颗粒相互碰撞。其推动力来自：

颗粒在水中的布朗运动异向絮凝

水力或机械搅动同向絮凝粘度度量流体粘性大小的物理量。又称粘性系数、动力粘度，记为μ。粘度数值上等于单位速度梯度下流体所受的剪应力。按国际单位制，粘度的单位为帕·秒。有时也用泊或厘泊(1泊＝10-1帕·秒，1厘泊＝10-2泊）。粘度是流体的一种属性，不同流体的粘度数值不同。同种流体的粘度显著与温度有关，而与压强几乎无关。水的粘度可按下式计算：μ＝0.01779／（1＋0.03368t＋0.0002210t2），式中t为摄氏温度。粘度也可通过实验求得，如用粘度计测量。在流体力学的许多公式中，粘度常与密度ρ以μ／ρ的组合形式出现，故定义v＝μ／ρ，由于v的单位米2／秒中只有运动学单位，故称运动粘度。同向絮凝1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞速率按下式计算：(3-1)在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体，设在时间内，隔离体扭转了角度，于是角速度为：(3-2)

转矩为：(3-3)于是单位体积水所耗功率p为：(3-4)由于，故(3-5)

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：(3-6)则采用水力絮凝池时，(3-7)

2.同向紊流理论

同向紊流理论：①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给小涡旋；③小涡旋将能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；

式中，紊流扩散系数，为相应于尺度的脉动速度，为

故

颗粒的碰撞速率可按下式计算：(3-11)式中：DB：布朗运动扩散系数，T为温度，υ为水的运动粘度，ρ为水的密度；因此：(3-12)故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。

异向絮凝影响水混凝的主要因素一、概述

影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；②投加的混凝剂种类与数量；③使用的絮凝设备及其相关水力参数。

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：①无机盐水解吸热；②温度降低，粘度升高，布朗运动减弱；③水温低时，胶体水化作用增强，妨碍凝聚；④水温与水的pH值有关原水性质的影响

pH值和碱度

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、去除对象等密切相关。当投加金属盐类凝聚剂时，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。石灰投量按下式估算：[CaO]=3[a]–[x]+[δ]

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；[δ]：保证反应顺利进行的剩余碱度悬浮物浓度杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。采取的对策有：①加高分子助凝剂；②加粘土③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。混凝剂的影响

混凝剂种类混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。如水中污染物主要呈胶体状态，且ξ电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。对于高分子混凝剂而言，链状分子上所带电荷量越大，电荷密度超高，链状分子越能充分延伸，吸附架桥的空间范围也就越大，絮凝作用就越好。混凝剂投加量

投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。一般的投加量范围是：普通铁盐、铝盐为10～30mg／L；聚合盐为普通盐的1/3～1/2；有机高分子混凝剂通常只需1～5mg/L，且投加量过量，很容易造成胶体的再稳。混凝剂投加顺序当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理的胶粒在50μm以上时,常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层两使胶体脱稳。

水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。搅拌强度常用速度梯度G来表示。在混合阶段，要求混凝剂与废水迅速均匀的混合，为此要求G在500～1000s-1，搅拌时间t应在10～30s。而到了反应阶段，既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在20～70s-1和15～30min。为确定最佳的工艺条件，一般情况下，可以用烧杯搅拌法进行混凝的模拟试验。试验方法分为单因素试验和多因素试验。一般应在单因素试验的基础上采用正交设计等数理统计法进行多因素重复试验.水力条件

混凝设备混凝剂的配制溶解池容积W1：W1=（0.2-0.3）W2

式中W2为溶液池容积。式中：W2——溶液池容积，m3Q——处理的水量，m3/ha——混凝剂最大投加量，mg/Lc——溶液浓度，一般取5%-20%

n——每日调制次数，一般不超过3次

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；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。（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。（3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度限制小，但效率低，易磨损。（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。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）管式混合管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.3-0.4m，简单易行。扩散混合器，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，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2-3s。（3）机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度700-1000s-1，时间10-30s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。

1.隔板絮凝池隔