建筑工程给排水水处理凝聚和絮凝

第3章凝聚和絮凝建筑工程学院给排水教研室混凝(coagulation)的定义

混凝的去除对象

胶体及部分细小的悬浮物

粒径范围在1nm~0.1m（有时认为在1m）混凝目的

投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾花。混凝的定义

包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)两个步骤,凝聚是指使胶体脱稳并生成微小聚集体的过程,而絮凝是指使脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的过程。混凝过程涉及到三个方面的问题

水中胶体的性质混凝剂在水中的水解与形态胶体与混凝剂的相互作用3.1胶体的稳定性一.胶体的稳定性

动力学稳定性布朗运动对抗重力。

聚集稳定性胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）两者之中,聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。二.胶体的双电层结构ⅠδdⅡ胶核滑动面ζの图3-1胶体双电层结构示意

电位：决定了胶体的聚集稳定性。

一般粘土电位＝-15~-40mV

细菌电位＝-30~-70mV

胶体的凝聚：降低静电斥力—电位――势垒—脱稳—凝聚办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体三.DLVO理论3-2一.铝盐在水中的化学反应

铝盐最有代表性的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即离解铝离子,通常是以[Al(H2O)6]3+存在.在水中,会发生下列过程。1.水解过程

配位水分子发生水解：

[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++H+…….

其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀3.2混凝机理2.缩聚反应

－OH－发生架桥,产生高价聚合离子(多核羟基配合物)

……..

其结果是：电荷升高，聚合度增大同时多核羟基配合物还会继续水解。因此,产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基配合物多核羟基配合物氢氧化铝沉淀各种产物的比例多少与水解条件(水温、pH、铝盐投加量)有关。二.胶体的凝聚机理目前比较公认的凝聚机理有四个方面：压缩双电层作用吸附-电中和作用吸附-架桥作用网捕-卷扫作用（1）压缩双电层作用加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。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。

3-3

（2）吸附－电中和作用（3）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3-4。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3-5。

(4)网捕或卷扫

吸附架桥作用模型示意图

3-43-5三.絮凝机理异向絮凝（perikineticflocculation）由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。同向絮凝（orthokineticflocculation）

由外力（水力或机械力）推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。四.影响混凝效果的主要因素(1)水温的影响(2)水的pH值的影响(3)水的碱度的影响(4)水中浊质颗粒浓度的影响(5)水中有机污染物的影响(6)混凝剂种类与投加量的影响(7)混凝剂投加方式的影响(8)水力条件的影响3.3混凝剂一.混凝剂

种类有不少于200－300种其分类见表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常用混凝剂无机复合聚合物混凝剂

无机－有机复合

有机高分子絮凝剂

发展方向二.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。可投加Cl2、O3等。三.混凝剂选用原则①混凝效果好②无毒害作用③货源充足④成本低⑤新型药剂的卫生许可⑥借鉴已有经验

3.4混凝动力学一.异向絮凝动力学由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率Np＝8/(3)KTn2(3-1)n：颗粒数量浓度

：运动粘度凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。

二.同向絮蛛凝动力脚学由水力或机瓦械搅拌产生章。其理论仍寒在发展之膛中。最初的婆理论基演于层流更的假定消。层流条件毫下颗粒的碰撞盒示意见图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.层流理园论层流条件下皇颗粒的碰撞潜示意见图6-7。颗粒久的碰地撞速薯率按沸下式阀计算猛：(3-2)在被颗搅动侦的水丝式流中慢，考遭虑一获个瞬任间受客煎而划扭转羊的隔妹离体物，默见图3-7。设在衔时间付内，隔取离体扭倾转了扬角度兔，于是贷角速度在为红：(3-3)转矩饺为：(3-4)于是单位体临积水所耗功提率p为：(3-5)由于羊，故(3-6)当采用机械饱搅拌时，p由机械搅拌杨器提供。当采用巷水力絮贵凝池时券，p应为水流本风身所消耗的齿能量，由下枯式决定：(3-7)则采枝用水底力絮妈凝池临时，(3-8)2.同向紊流迅理论①外部苏施加的猾能量形绑成大涡狼旋；②倡大涡旋纱将能量垄输送给掀小涡旋杀；③小舌涡旋将栗能量输攻送给更挪小的涡貌旋；④余只有尺咐度与颗雁粒尺寸警相近的锄涡旋才很会引起释颗粒碰真撞。（3-9）式中，紊漆流扩散系怪数润，介为相应股于尺度的贪脉动速度驰，为（3-慨10）故（3-1鹊1）三.混凝过程惕的控制指堵标用G可以来判耳断混合和养絮凝的程借度：混合(凝聚)过程：G＝70钟0－10荷00肌s-1，但剧烈搅奴拌是为尽快分青散药剂,时间通笑常在10～20s,一般<2min粗.絮凝过捎程：不仅与G有关(随着絮墙凝的进古行,G值应挨逐渐肌减小)，还与时间远有关。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105实际设计，喊采用V和T，反过来废校核GT或者平划均G最近采用：GTC电(建议值100)朝,脾C：颗粒浓奸度一.混凝剂的溶瘦解和溶液配俯制溶解池铸容积W1：W1=（0.2~0吩.3）W2（3-筹12）式中W2为溶液池跟容积。（3-13）式中：W2——溶液池苍容积，m3Q—煎—处理的水量m3/伐ha—逐—混凝剂最大逆投加量，mg叔/Lc—则—溶液浓度，俊一般取5%~20亡%n——每日调井制次数依，一般辉不超过3次3.5混凝过程二.混凝援剂的湾计量常用的计挤量设备计量泵流量计钥（转子维、电磁有）孔口苗嘴等。三.混凝剂的需投加方式（1）泵前投脚加（2）高位溶液通池重力投加（3）水射器投恶加（4）泵投加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.混凝剂投爪加量自动砖控制数学模型法政：需要大量惜的生产数巡寿据、涉及吵仪表多现场模竿拟试验慎法：根据或试验绣结果较反馈惩到投述药，舱仍有一烈定滞笋后。流动愧电流蛇检测荣器（SCD）：流动电流是渔指胶体扩散书层中反离子量在外来作用贡下随流体流烤动而产生的龟电流。絮凝监测器困：利用光葛电原理议检测水舰中絮凝产颗粒变投化五.快速混择合目的使胶体颗粒限凝聚脱稳要求强烈、增快速、铅短时六.絮凝很反应目的促使倍细小怜颗粒赠有效碧碰撞呜逐渐呜增长晚成大剂颗粒要求G由大坑小有足够赶的反应尼时间两个叫条件伍（P85）3.6混凝设皆施一.混合设施（1）水蒙力混浸合（2）水泵贯混合（3）管式流混合（4）机械混穴合水泵混合投药投加旷在水泵吸毁水口或管沸上。混合逮效果好，见节省动力吵，各种水尚厂均可用为，常用于技取水泵房染靠近水厂罩处理构筑容物的场合腥，两者间碰距不大于15涛0m。管式混合管式卫静态险混合摧器：流家速不乘宜小浪于1m/s，水头损茧失不小于0.3漫~0.宁4m，简单易行姓，见图3-1立0。扩散混合器是在管欣式孔板夹混合器粪前加一竟个锥形书帽，锥拼形帽夹朋角90°。顺流方来向投影面击积为进水贪管总截面研面积的1/4，开孔燥面积为没进水管手总截面桌面积的3/袜4，流面速为1.0~湿1.5m雾/s，混合时银间2~3s。管节午长度不君小于500m顿m。水头损吗失约0.3搞~0.拥4，直径劣在DN200夏~DN12月00，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狸混合在池内硬安装搅隶拌装置伶，搅拌誉器可以钟是桨板丢式、螺俘旋桨式键或透平喝式，速吗度梯度70略0~顷10谎00衡s-1，时据间10~30洽s以内尼，优眨点是惹混合链效果渠好，福不受瞒水质惊影响罚，缺隔点是躺增加报机械值设备毛，增木加维悼修工晕作,电耗夏。二.絮凝设施水力絮凝蒸反应设肺施隔板絮祸凝池折板目絮凝掠池栅条（侨网格）破絮凝池穿孔旋流絮炊凝池机械絮伞凝反应哈设施其他形等式的絮则凝池1.隔板絮刑凝池隔板矛絮凝怎池往复式裳（见图3-14）回转式（见图3-15）隔板絮晓凝池的鱼水头损雹失由局至部水头烈和沿程披水头损留失组成所。往复婶式总水撑头损失暗一般在0.氏3~畜0.巾5m，回转然式的水龙头损失杀比往复锈式的小40％左喝右。隔板絮凝慈池特点：秒构造简单贷、管理方裤便，但絮纠凝效果不浇稳定，池族子大。适献应大水厂遇。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流速盒：起端0.5-0疯.6m/s棕,末端勒段数品：4~定6段;②转弯洗处过水小断面积衡为廊道群过水断捏面积的1.2~1倘.5倍；③絮盏凝时粘间：20~3余0min；④隔板间锣距：不小于0.因5m，池底应有0.墓02请~0饱.0剂3坡度直限径不小黄于150mm的排泥管挽；⑤各段朱的水仗头损蹄失迈，谢总水翼头损叮失隔板菌絮凝鸣池的惭设计押参数岁：通常勺采用霜竖流签式，间它将葡隔板甩絮凝屑池的鲜平板塌隔板硬改成泳一定加角度核的折用板。由折板谅波峰称对波隔谷平湿行安吼装称酸“同个波折疫板”射，波误峰相螺对安届装称支“异狭波折桌板”胃。与次隔板倦式相省比，贪水流向条件鸭大大她改善革，有勺效能彩量消孝耗比挤例提摊高，伞但安比装维棕修较李困难坛，折额板费劈燕用较侮高。峡其示路意图亡见图3-16与图3-17。2.折板法絮凝予池图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、辜栅条絮忙凝池设打计成多恨格竖井态回流式摊。每个喜竖井安市装若干旗层网格效或栅条暗，各竖裁井间的秋隔墙上寺、下交膨错开孔悬，进水课端至出烈水端逐乱渐减少拣，一般惩分3段控柳制。犯前段届为密颂网或凝密栅拖，中迹段为掘疏网竹或疏佣栅，扁末段处不安拍装网训、栅某。网缓格（梦栅条歉）絮援凝池好的示漠意图危见图3-18。3.网格捡、栅倚条絮寸凝池图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伴凝池效途果好，援水头损陶失小，殿絮凝时享间较短隔，但还掉存在末施端池底呆积泥现变象，小碎数水厂治发现网负格上滋凡生藻类北、堵塞德网眼现夫象。其司设计参纷数见表3-2。网格翼和栅阅条絮访凝池桂在不禾断完尝善和辫发展另之中沾，絮作凝池直宜与鸭沉淀穷池合苦建，衡一般渐布置证成两萌组并代联形崖式。拍每组制设计缝水量白一般斩为1.0～2.5万m3/d之间。表3-2栅条、我网格絮巴凝池主史要设计浴参数絮凝池型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由若干抬方格组摄成。分忧格数一叔般不少耳于6格。虽流速忍逐渐预减小温，G也相应减每小以适应跪絮凝体形亡成，孔口袋流速宜取0.6～1.亮0m枯/s，末端流速押宜取0.2～0.3m抽/s。絮悉凝时俩间15～25mi碰n。穿孔旋女流絮凝池锄的平面示令意图见图3-19。穿孔旋流絮侧凝池的优点土是构造简单将，施工方便绞，造价低，便可用于中、似小型水厂或矛与其他形式巩的絮凝池组慨合应用。4.穿孔杏旋流贸絮凝登池图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琴的剖面示意同见图3-20。搅拌器有刻浆板式和千叶轮式，傲按搅拌轴楼的安装位穷置分水平脸轴式和垂幅直轴式。第一格搅昂拌强度最间大，而后帮逐步减小圾，G值也相应痛减小，搅带拌强度决烧定于搅拌征器转速和洋桨板面积核。机械布絮凝比池图3-20机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池（）（）（）水平轴式；（）垂直轴式浆板；2-叶轮；3-旋转轴；4-隔墙①絮怀凝时边间10爹~1谢5分。②池内一般弟设3～4挡搅