水处理课件-混凝

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－电性中和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，架桥模型示意见图6-5。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图6-6；

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。

6.1.6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。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；6．2混凝剂和助凝剂

6.2.1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。

表6-1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：5.5~8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（SiO2nH2O）、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。6．3凝聚动力学6.3.1基本概念

混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。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：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。同向絮凝：由水力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

6.3.2异向絮凝颗粒的碰撞速率可按下式计算：(6-1)式中：DB：布朗运动扩散系数，T为温度，为水的运动粘度，为水的密度；因此：(6-2)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。

6.3.3同向絮凝1.层流理论

层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。颗粒的碰撞速率按下式计算：(6-3)在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体，见图6-8。设在时间内，隔离体扭转了角度，于是角速度为：

(6-4)

转矩每为睁：(6-5雾)于是单借位体积浓水所耗咸功率p为：(6-6习)由于哗，故(6-童7)当采用机幅械搅拌时之，p由机械洲搅拌器谎提供。卵当采用党水力絮烂凝池时替，p应为水强流本身派所消耗脊的能量趁，由下奶式决定酬：(6-8絮)则采用水悦力絮凝池帖时，(6-逢9)2.同痛向紊流桥理论同向紊流婶理论：勉①外部施时加的能量斥形成大涡矿旋；②大散涡旋将能德量输送给呼不涡旋；白③小涡旋佩将能量输及送给更小秒的涡旋；后④只有尺众度与颗粒旱尺寸相近钥的涡旋才乡丰会引起颗枪粒碰撞；（6-1歼0）式中，碗紊流扩陪散系数间，躬为相应蒸于尺度阅的脉动齐速度，汪为（6-1各1）故（6-仰12）3．混凝嘱控制指标自药剂测与水均怠匀混合漠起直至垫大颗粒萝絮凝体驾形成为所止，工帆艺上总额称混凝砌过程。普相应设猾备有混狭合设备脚和絮凝量设备。混合（凝虎聚）过程耽：在混合段阶段，对炊水流进行轿剧烈搅拌址的目的主箱要是使药黎剂快速均估匀分散以界利于混凝吗剂快速水菠解、聚合端、及颗粒恳脱稳。平翅均G＝7猴00~1词000s-1，时间通鸡常在10仁～30s范，一般<罚2min肠散药剂，抓此阶段，玩杂质颗粒主微小，同垃时存在颗阁粒间异向我絮凝。絮凝过程采：在絮睛凝阶段，惊主要靠机肢械或水力阵搅拌促使楚颗粒碰撞安凝聚，故梅以同向絮吩凝为主。幅同向絮凝辛效果不仅膨与G有关煤，还与时顿间有关。球在絮凝阶均段，通常现以G值和袖GT值作听为控制指蜜标。平均G卷＝20京－70喇s-1，GT屡＝1～1质04－1捏05随着絮庙凝的进窑行，G割值应逐员渐减小边。6.4遵影响水混矩凝的主要蛛因素6.4.瓦1概楚述影响混凝迁效果的因辉素比较复奶杂，主要破包括：①原水性数质，包括刻水温、水候化学特性华、杂质性脉质和浓度计等；②投加枣的凝聚泪剂种类泥与数量芹；③使用拳的絮凝竟设备及涨其相关匠水力参方数。6.4.徐2水温影广响水温低尚时，通心常絮凝虎体形成包缓慢，俩絮凝颗勤粒细小思、松散撑，凝聚加效果较岸差。其密原因有汁：①无机盐腥水解吸热搞；②温度降血低，粘度宵升高――洗布朗运动斜减弱；③水温低矮时，胶体抛颗粒水化堪作用增强渴，妨碍凝谣聚；④水温丢与水的辩pH值租有关6.4轨.3水匠的pH叛和碱度妖影响水的p卵H值对术混凝效咱果的影妇响程度摊，与混良凝剂种石类有关贷。混凝时最卡佳pH范昌围与原水四水质、去弊除对象等嫩密切有关仇。当投加回金属盐喇类凝聚钳剂时，巷其水解短会生成湾H+，但水氧中碱度陪有缓冲肾作用，窑当碱度杂不够时克需要投伶加石灰叼。石灰投钟量按下博式估算松：[CaO牺]=3[猜a]–干[x]载+[损δ]碰（6-搞13）式中[C巷aO]：养纯石灰C嗽aO投量宇，mmo圈l/L；[a]：阔混凝剂投孕量，mm留ol/L悦；[x]：涛原水碱度理，按mm吐ol/L巾，CaO靠计；[δ脖]：保证口反应顺利言进行的剩扩余碱度，查一般取0嫩.25~孝0.5m每mol/怨L（Ca腹O）。一忆般石灰投扔量通过试用验决定。6.4户.4水竿中悬浮挎物浓度岛的影响杂质浓度捕低，颗粒排间碰撞机报率下降，购混凝效果军差。可采咱取的对策直有：①加高晨分子助由凝剂；②加粘牧土③投加帅混凝剂耕后直接生过滤如果原水闸悬浮物含蓬量过高，丑为减少混羊凝剂的用灭量，通常漫投加高分序子助凝剂横。如黄河帝高浊度水摘常需投加感有机高分霸子絮凝剂吓作为助凝粘剂。6．5掉混凝剂的邮配制与投哀加6.5摆.1着混凝剂淘的溶解层和溶液既配制溶解池容凤积W1：W1=（0.万2~0.开3）W2（6-1厉4）式中W2为溶液池吉容积。（6-1异5）式中：W2——溶容液池容免积，m3Q——缝处理的彩水量亚m3/ha——炮混凝剂过最大投衬加量，薄mg/估Lc——削溶液浓混度，一饰般取5沿%~2仔0%n——每茫日调制次沉数，一般怕不超过3止次6.5知.2叔混胁凝剂投鸡加混凝剂投援加设备包绑括计量设污备、药液络提升设备刷、投药箱戒、必要的详水封箱以梅及注入设咽备等。。1.计件量设备计量设材备有：植转子流渣量计；烫电磁流现量计；恭苗嘴；寻计量泵龄等。2.投腔加方式（1）泵姿前投加动：安全可腥靠，一般絮适用取水决泵房距水药厂较近者孙，图中水拾封箱是为册防止空气殿进入，见陪图6-9诸。。（2）阁高位溶江液池重根力投加年：适用垫取水泵浸房距水沾厂较远坝者，安便全可靠石，但溶淘液池位刚置较高杀，见图重6-1妇0。（3）事水射器昏投加：著设备简当单，使蔬用方便眨，溶液捕池高度转不会受怒太大限僻制，但架效率低架，易磨夫损，见羊图6-她11。（4）泵姓投加：不哭必另设计瞧量设备，捡适合混凝招剂自动控严制系统，过有利于药砖剂与水混咬合，见图丽6-12。6.5.饭3楚混凝剂投络加量自动刘控制1.数学帮模拟法对于某一赵特定水源甩，可根据轻水质、水扩量建立数栋学模型，叙写出程序馆交计算机孔执行调控度。采用数滥学模型实仓行加药自源动控制的哀关键是：翠必须要有环前期大量蛇而又可靠甩的生产数扯据，才可桐运用数理段统计方法鉴建立符合马实际生产由的数学模惰型。适用劝特定原水闻条件，水沃质仪表多佣，投资大笔。2.现场件模拟试验霸法采用现场瞒模拟装置字来确定和本控制投药浆量是较简抹单的一种款方法，常树用的模拟晓装置是斜比管沉淀器括，过滤器闪或两者并胸用。原水遍浊度低时斯，常用模滴拟过滤器牲，原水浊瓣度高时可稳用斜管沉陶淀器或过纷滤器串联冲使用。此溜法存在反腐馈滞后现蜂象，模拟叙装置与生群产设备存转在一定的薯差别，但青与实验室报相比，更掩接近实际爷情况。3.特技性参数全法影响混凝晴效果的因妖素复杂，庸在某种情连况下、某够一特性参懂数是影响第混凝效果注的主要因画素，这一纸因素的变私化反映了轰混凝程度床的变化。跳流动电流垦检测器法黎和透光率阴脉动法属故于特性参迷数法。流动电流旷是指胶体恨扩散层中愧反离子在皇外力作用吃下随着流都体流动而钟产生的电辈流。此电殊流与胶体闯ξ电位有察正相关关索系。混凝鲁后胶体ξ启电位变化拒反映了胶总体脱稳程劫度。优点抢是控制因洽子单一；事投资低，功操作简单理；控制精静度较高。甚缺点是投物药量与流殖动电流很爱少相关。透光率脉冈动法是利伪用光电原搬理检测絮挎凝聚颗粒研的变化，暴达到混凝宝在线连续腐控制的新寄技术。优过点是因子母单一，不扯受混凝机萍理或品种炊的限制，医不受水质谱限制。6．6她混违凝设备6.6绞.1寺混合设闭备1.水泵凯混合投药投加奖在水泵吸幅水口或管显上。混合池效果好，葱节省动力肢，各种水松厂均可用造，常用于点取水泵房敞靠近水厂图处理构筑魄物的场合克，两者间创距不大于亏150m袜。2.管音式混合管式静爷态混合似器：流靠速不宜饶小于1总m/s畜，水头怖损失不乏小于0谦.3~弟0.4塘m，简宴单易行别，见图柄6-1陪3。扩散混膛合器，梢是在管险式孔板病混合器梢前加一请个锥形确帽，锥想形帽夹译角90耳°。顺椅流方向错投影面子积为进锁水管总搜截面面召积的1尤/4，骡开孔面怨积为进困水管总于截面面仆积的3嘱/4，哗流速为肃1.0留~1.垃5m/践s，混套合时间牙2~3富s。节痛管长度旦不小于撞500翻mm。谈水头损腔失约0追.3~美0.4森，直径贵在DN案200妨~DN择120葵0，见窃图6-衰14。3梳机械混索合在池内蛾安装搅蛮拌装置金，搅拌缩慧器可以净是桨板虚式、螺约旋桨式合或透平河式，速铲度梯度汪700守~10存00s-1，时间1丢0~30社s以内，绕优点是混桂合效果好叶，不受水欺质影响，完缺点是增鄙加机械设根备，增加播维修工作词。6.6.乱2絮构凝设备1.隔板反絮凝池隔板絮凝脉池分往复领式和回转乖式，见图并6-15扇与图6-毅16。隔板絮凝锡池的水头秀损失由局拒部水头和草沿程水头效损失组成遇。往复式列总水头损府失一般在押0.3~助0.5m暖，回转式膀的水头损慨失比往复衡式的小4拒0％左右棵。隔板絮巨凝池特雄点：构竟造简单钥、管理盟方便，价但絮凝小效果不验稳定，视池子大差。适应另大水厂鞭。隔板絮铲凝池的或设计参冈数：①流速：土起端0.杯5-0.增6m/s狼，末端0龟.2-0熟.3m/似s段数：我4~6段采；②转弯番处过水旧断面积厕为廊道咏过水断抽面积的照1.2碎~1.惑5倍；③絮凝克时间：芦20~虾30m崇in；④隔板间快距：不大刺于0.5亚m，池底起应有0.兆02~0梦.03坡堪度直径不枪小于15览0mm的挥排泥管；⑤廊道的获最小宽度傍不小于0咽.5m；⑥各段棋的水头摆损失晨，总浙水头损非失2.折板衬絮凝池通常采用喉竖流式，细它将隔板莲絮凝池的岸平板隔板扶改成一定道角度的折娘板。折板潜波峰对波宇谷平行安帜装称“同帽波折板”或，波峰相敬对安装称拐“异波折焦板”。与拆隔板式相爆比，水流今条件大大睬改善，有娱效能量消越耗比例提抚高，但安障装维修较傲困难，折健板费用较栗高。其示绪意图见图兄6-17液与图6-湿18。3机哈械絮凝萌池机械絮凝达池的剖面朗示意见图悠6-19霸。搅拌器驳有浆板允式和叶宏轮式，汇按搅拌务轴的安狐装位置南分水平基轴式和纽奉垂直轴芬式。第一格搅停拌强度最蓝大，而后仰逐步减小前，G值也割相应减小帖，搅拌强蓄度决定于邮搅拌器转抚速和桨板午面积。（1）救功率计翼算水流对兆桨板的获阻力就屋是桨板军施于水从的推力坊，在dA微面积救上水流梁阻力（6-骡15）阻力dFi所耗功率锤，即桨板蛛施于水的糊功率：（6-1寸6）式中：，铃为水流旋堂转线速度汪，为桨板春旋转角速浙度，为皇旋转半径因此（6-墓17）第块桨板肢克服水的答阻力所耗拉功率：（6-1拴8）设每根秧旋转轴喉在不同暗旋转半棵径上装碎相同数这量的桨川板，则陕每根旋狸转轴全惩部桨板已所耗功助率：（6-1悔9）每根旋姐转轴所酷需电动牙机功率诸：（6-问20）（2）设厘计参数①絮凝芽时间1败0~1辩5分。②池内一藏般设3～昌4挡搅拌炸机。③搅拌机且转速按叶跨轮半径中玻心点线速链度计算确盏定，线速寒度第一挡挣0.5m稼/s逐渐愿减小至末移挡的0.白2m/s禾。④桨板总坝面积宜为坊水流截面汗积的10域～20％缓，不宜超识过75％称，桨板长觉度不大于京叶轮半径铁的75％踪蝶，宽度宜携取10～剃30cm型。（3）驴优缺点机械絮铜凝池的铸优点是谣调节容窝易，效活果好，触大、中给、小水拼厂均可基，但维慰修是问钢题。4.穿孔拆旋流絮凝逃池由若干献方格组圾成。分致格数一脏般不少严于6格滥。流速摘逐渐减贼小，G挣也相应疲减小以袭适应絮齐凝体形们成，孔准口流速镇宜取0方.6～歇1.0递m/s锐，末端嫂流速宜呢取0.兄2～0煎.3m仗/s。木絮凝时麦间15穿～25懒min念。穿孔笑旋流絮笔凝池的艰平面示哲意图见忍图6-裙20。穿孔旋流拌絮凝池的愤优点是构幻玉造简单，饱施工方便商，造价低真，可用于止中、小型盲水厂或与免其他形式粮的絮凝池扒组合应用门。5.网格墨、栅条絮俘凝池网格、栅举条絮凝池碗设计成多摸格竖井回忽流式。每王个竖井安篇装若干层始网格或栅风条，各竖膊井间的隔需墙上、下已交错开孔饶，进水端首至出水端壁逐渐减少迟，一般分换3段控制义。前段为款密网或密麦栅，中段诞为疏网或利疏栅，末桌段不安装巾网、栅。左网格（栅败条）絮凝惜池的示意舍图见图6存-21。网格絮课凝池效霉果好，古水头损污失小，桂絮凝时