清华水处理工程课件第2章 混凝

第2章

混凝

2.1混凝的去除对象

混凝可去除颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。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。水处理中主要杂质：粘土（50nm-4m）细菌（0.2m-80m）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用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混凝工艺的位置混合反应沉淀过滤消毒原水加药澄清混凝混凝池2.2胶体的性质一、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。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

动电位电位：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静电斥力：ER－1/d2范德华引力：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kTk：波兹曼常数，T：温度

Eb<Emax（势垒）胶体距离x<oa,凝聚（一次凝聚）

x>oa，稳定（二次凝聚除外）

三、DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。由下列两方面的力决定：胶体的凝聚：

1.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2.典型亲水胶体：由于粒子表面极性基对水分子的强烈吸附作用，使得粒子周围包裹较厚的水化膜，阻碍粒子靠近。有机胶体和高分子化合物混凝：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。一、铝盐在水中的化学反应铝盐最有代表的是硫酸铝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：其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)3沉淀2.3水的混凝机理与过程吸附电中和作用(4.5-6.0)吸附架桥作用(7.0-7.5)压缩双电层(<3.0)羟铝比(OH)/Al—每摩尔铝结合的羟基摩尔数2．缩聚反应－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）

……..

其结果是：电荷升高，聚合度增大同时多核羟基络合物还会继续水解。

因此，产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基络合物多核羟基络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、混凝机理水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation）混凝：包括两者1．压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――电位――稳定性――凝聚效果：高价离子优于低价离子[M+]：[M2+]：[M3+]＝1：(1/2)6：(1/3)6因为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。

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。这一点与第1条机理不同。在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯的压缩双电层作用甚微。效果：高价、高分子量效果好3、吸附架桥机理

吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力等作用下，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。高分子聚合物，具有线形结构，可被胶粒所强烈吸附。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。本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象.因为废水中胶粒少，当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。在废水处理中，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。显然，在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。这个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。胶体保护示意图

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、沉淀物网捕机理根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理。

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多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕天然水体一般pH=6.5-7.8

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：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。

三、混凝过程1凝聚（coagulation）带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――电位――脱稳――凝聚生长成约d=10

特点：剧烈搅拌，瞬间完成

在混合设备中完成2．絮凝（flocculation）

高聚合物的吸附架桥脱稳胶粒――生长成大矾花d=0.6-1.2mm

特点：需要一定时间，搅拌从强弱

在絮凝中设备完成2.4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，见后表。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。return

表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碱化度＝[OH]/3[Al]硫酸铝聚合氯化铝聚丙烯酰胺三氯化铁

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。【Al2(OH)n.Cl(6-n)】mB=4/(3*2)=66.7%发展方向：无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）无机－有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂

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。常用助凝剂：骨胶、聚丙烯酰胺、活化硅酸、海藻酸钠骨胶活化硅酸海藻酸钠2.5混凝动力学颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学一、异向絮凝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)KTn2n：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、同向絮凝

1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图。

颗粒的碰撞速率按下式计算：G＝U/Z(速度梯度)（相邻两流层的速度增量)

2.控制参数当采用机械搅拌时，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：则采用水力絮凝池时，

三、混凝控制指标用G可以来判断混合和絮凝的程度：混合（凝聚）过程：G＝700－1000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂

时间通常在10～30s，一般<2min絮凝过程：不仅与G有关，还与时间有关。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC（建议值100），C：颗粒浓度2.6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。

（1）水温

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1.原水性质的影响

（2）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、去除对象等密切有关。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（3）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。2.混凝剂的影响

（1）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。

（2）.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1/3～1/3；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。（3）.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。

主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。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.

3.水力条件

2.7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次一般采用液体投加的方式。一．投配流程：药剂－溶解池－溶液池－计量设备－投加设备－混合设备－溶液池国外先进的加药措施

2．剂量与投加方式

计量：流量计（转子、电磁）、孔口、计量泵投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加助凝剂投加系统泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者。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。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。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。3．投加量自动控制

最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量一般采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。自动控制方法（1）数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，有一定滞后。（2）现场模拟法，（3）特性参数法：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生电流。 （4）絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化二、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、扩散混合器，混合时间2－3秒，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：搅拌扩散混合器，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：机械搅拌混合池，电动机驱动搅拌。桨板式螺旋桨式透平式

三、絮凝设备1.隔板絮凝池由往复式和回转式两种水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.3－0.5m，回转式的水头损失比往复式的小40％左右。特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂设计参数：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s

段数：4－6段絮凝时间：20－30分隔板间距：不大于0.5m

往复式隔板絮凝池回转式隔板絮凝池

2.折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。折板间距应根据流速要求变化；一般不少于三段，速度分别为0.25-0.35m/s，0.15-0.25m/s，0.1-0.15m/s；折板夹角为90－120度；波高为0.25-0.40m。

3.机械絮凝池搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。

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搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。④桨板总面积宜为水流截面积的10～20％，不宜超过75％，桨板长度不大于叶轮半径的75％，宽度宜取10～30cm。优缺点机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。

4.穿孔旋流絮凝池由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速宜取0.2～0.3m/s。絮凝时间15～25min。穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。

5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。表2－2栅条、网格絮凝池主要设计参数

絮凝池型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）竖井之间孔洞流诉（m/s)布设层数（层）/层距（cm）絮凝时间（mm）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

6.不同形式絮凝池组合应用每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。澄清池澄清池是能够同时实现混凝剂与原水的混合、反应和絮体沉降三种功能的设备。它利用的是接触凝聚原理，即为了强化混凝过程，在池中让已经生成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮泥渣层(接触凝聚区)，当投加混凝剂的水通过它时，废水中新生成的微絮粒被迅速吸附在悬浮泥渣上，从而能够达到良好的去除效果。所以澄清池的关键部分是接触凝聚区。保持泥渣处于悬浮、浓度均匀稳定的工作条件已成为所有澄清池共同特点。

根据泥渣与废水接触方式的不同，