混凝技术课件

混凝

1混凝機理

1基本概念混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝，是凝聚和絮凝的總稱。凝聚：膠體失去穩定性的過程稱為凝聚。絮凝：脫穩膠體相互聚集稱為絮凝。混凝過程涉及：①水中膠體的性質；②混凝劑在水中的水解；③膠體與混凝劑的相互作用。

2水中膠體的穩定性膠體穩定性：是指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態的特性。膠體穩定性分“動力學穩定性”和“聚集穩定”兩種。動力學穩定性：無規則的布朗運動強，對抗重力影響的能力強。聚集穩定性包括：①膠體帶電相斥（憎水性膠體）；②水化膜的阻礙（親水性膠體）在動力學穩定性和聚集穩定兩者之中，聚集穩定性對膠體穩定性的影響起關鍵作用。膠體顆粒的雙電層結構見圖6-1。滑動面上的電位：稱為

電位，決定了憎水膠體的聚集穩定性。也決定親水膠體的水化膜的阻礙，當ξ電位降低，水化膜減薄及至消失。

3DLVO理論膠體顆粒之間的相互作用決定於排斥能與吸引能，分別由靜電斥力與範德華引力產生。排斥勢能：ER－1/d2

吸引勢能：EA－1/d6（有些認為是1/d2或1/d3）由此可畫出膠體顆粒的相互作用勢能與距離之間的關係，見圖6-2。當膠體距離x<oa或x>oc時，吸引勢能佔優勢；當oa<x<oc時，排斥勢能佔優勢；當x=ob時，排斥勢能最大，稱為排斥能峰。膠體的布朗運動能量Eb＝1.5kT，當其大於排斥能峰時，膠體顆粒能發生凝聚。以上稱為DLVO理論，只適用於憎水性膠體，由德加根（derjaguin）、蘭道（Landon）(蘇聯，1938年獨立提出〕，伏維（Verwey）、奧貝克（Overbeek）（荷蘭，1941年獨立提出）。

4硫酸鋁在水中的化學反應硫酸鋁Al2（SO4）·18H2O溶於水後，立即離解出鋁離子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接著會發生水解與縮聚反應，形成不同的產物。產物包括：未水解的水合鋁離子、單核羥基絡合物、多核羥基絡合物、氫氧化鋁沉澱等。各種產物的比例多少與水解條件（水溫、pH、鋁鹽投加量）有關，見圖6-3

5混凝機理

1．電性中和作用機理電性中和作用機理包括壓縮雙電層與吸附電中和作用機理，見圖6-4。（1）壓縮雙電層加入電解質加入，形成與反離子同電荷離子，產生壓縮雙電層作用，使ξ電位降低，從而膠體顆粒失去穩定性，產生凝聚作用。壓縮雙電層機理適用於叔采－哈代法則，即：凝聚能力

離子價數6。該機理認為

電位最多可降至0。因而不能解釋以下兩種現象：①混凝劑投加過多，混凝效果反而下降；②與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。

（2）吸附－電性中和這種現象在水處理中出現的較多。指膠核表面直接吸附帶異號電荷的聚合離子、高分子物質、膠粒等，來降低

電位。其特點是：當藥劑投加量過多時，

電位可反號。

2．吸附架橋吸附架橋作用是指高分子物質和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋，架橋模型示意見圖6-5。高分子絮凝劑投加後，通常可能出現以下兩個現象：

①高分子投量過少，不足以形成吸附架橋；

②但投加過多，會出現“膠體保護”現象，見圖6-6；

3．網捕或卷掃金屬氫氧化物在形成過程中對膠粒的網捕與卷掃。所需混凝劑量與原水雜質含量成反比，即當原水膠體含量少時，所需混凝劑多，反之亦然。

6硫酸鋁的混凝機理

不同pH條件下，鋁鹽可能產生的混凝機理不同。何種作用機理為主，決定於鋁鹽的投加量、pH、溫度等。實際上，幾種可能同時存在。

pH<3簡單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用；

pH=4~5多核羥基絡合物起吸附電性中和；

pH=6.5-7.5氫氧化鋁起吸附架橋；6．2混凝劑和助凝劑

6.2.1混凝劑混凝劑應符合以下要求：①混凝效果好；②對人體無危害；③使用方便；④貨源充足，價格低廉。目前混凝劑的種類有不少於200－300種，分為無機與有機兩大系列，見表6-1。與硫酸鋁相比，三氯化鐵具有以下優點：①適用的pH值範圍較寬；②形成的絮凝體比鋁鹽絮凝體密實；③處理低溫低濁水的效果優於硫酸鋁；④但三氯化鐵腐蝕性較強。硫酸亞鐵一般與氧化劑如氯氣同時使用，以便將二價鐵氧化成三價鐵。

聚合氯化鋁又稱為堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，性能優於硫酸鋁。其成分取決於羥基與鋁的摩爾數之比，通常稱之為鹼化度B，按下式計算：聚合鐵包括聚合硫酸鐵與聚合氯化鐵，目前常用的是聚合硫酸鐵，它的混凝效果優於三氯化鐵，它的腐蝕性遠比三氯化鐵小。

表6-1常用的混凝劑無機鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.5~8鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國內生產少）聚合硫酸鐵聚合氯化鐵適宜pH：5~11，但腐蝕性強有機人工合成陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物國外開始增多，國內尚少陰離子型：水解聚丙烯醯胺（HPAM）非離子型：聚丙烯醯胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）兩性型：使用極少天然澱粉、動物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑

6.2.2助凝劑助凝劑：凡能提高或改善混凝劑作用效果的化學藥劑可稱為助凝劑。助凝劑可以參加混凝，也可不參加混凝。廣義上可分為以下幾類：①酸堿類：調整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大礬花的粒度和結實性：如活化矽酸（SiO2nH2O）、骨膠、高分子絮凝劑；③氧化劑類：破壞干擾混凝的物質，如有機物。如投加Cl2、O3等。6．3凝聚動力學6.3.1基本概念

混凝動力學：研究顆粒碰撞速率屬於混凝動力學範疇。顆粒相互碰撞的動力來自兩個方面：顆粒在水中的布朗運動；在水力或機械攪拌所造成的流體運動。異向絮凝：由布朗運動引起的顆粒碰撞聚集稱為異向絮凝。同向絮凝：由水力或機械攪拌所造成的流體運動引起的顆粒碰撞聚集稱同向絮凝

6.3.2異向絮凝顆粒的碰撞速率可按下式計算：(6-1)

式中：DB：布朗運動擴散係數，T為溫度，為水的運動粘度，為水的密度；因此：(6-2)

故Np只與顆粒數量和水溫有關，而與顆粒粒徑無關。但當顆粒的粒徑大於1

m，布朗運動消失。

6.3.3同向絮凝1.層流理論

層流條件下顆粒的碰撞示意見圖6-7。顆粒的碰撞速率按下式計算：(6-3)

在被攪動的水流中，考慮一個瞬間受煎而扭轉的隔離體，見圖6-8。設在時間內，隔離體扭轉了角度，於是角速度為：

(6-4)

轉矩為：(6-5)

於是單位體積水所耗功率p為：(6-6)

由於，故(6-7)

當採用機械攪拌時，p由機械攪拌器提供。當採用水力絮凝池時，p應為水流本身所消耗的能量，由下式決定：(6-8)

則採用水力絮凝池時，

(6-9)

2.同向紊流理論

同向紊流理論：①外部施加的能量形成大渦旋；②大渦旋將能量輸送給不渦旋；③小渦旋將能量輸送給更小的渦旋；④只有尺度與顆粒尺寸相近的渦旋才會引起顆粒碰撞；（6-10）式中，紊流擴散係數，為相應於尺度的脈動速度，為（6-11）故（6-12）

3．混凝控制指標

自藥劑與水均勻混合起直至大顆粒絮凝體形成為止，工藝上總稱混凝過程。相應設備有混合設備和絮凝設備。混合（凝聚）過程：在混合階段，對水流進行劇烈攪拌的目的主要是使藥劑快速均勻分散以利於混凝劑快速水解、聚合、及顆粒脫穩。平均G＝700~1000s-1，時間通常在10～30s，一般<2min散藥劑，此階段，雜質顆粒微小，同時存在顆粒間異向絮凝。絮凝過程：在絮凝階段，主要靠機械或水力攪拌促使顆粒碰撞凝聚，故以同向絮凝為主。同向絮凝效果不僅與G有關，還與時間有關。在絮凝階段，通常以G值和GT值作為控制指標。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105

隨著絮凝的進行，G值應逐漸減小。6.4影響水混凝的主要因素6.4.1概述影響混凝效果的因素比較複雜，主要包括：①原水性質，包括水溫、水化學特性、雜質性質和濃度等；②投加的凝聚劑種類與數量；③使用的絮凝設備及其相關水力參數。

6.4.2水溫影響水溫低時，通常絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒細小、鬆散，凝聚效果較差。其原因有：

①無機鹽水解吸熱；

②溫度降低，粘度升高――布朗運動減弱；

③水溫低時，膠體顆粒水化作用增強，妨礙凝聚；

④水溫與水的pH值有關

6.4.3水的pH和鹼度影響

水的pH值對混凝效果的影響程度，與混凝劑種類有關。混凝時最佳pH範圍與原水水質、去除對象等密切有關。當投加金屬鹽類凝聚劑時，其水解會生成H+，但水中鹼度有緩衝作用，當鹼度不夠時需要投加石灰。石灰投量按下式估算：

[CaO]=3[a]–[x]+[δ]（6-13）式中[CaO]：純石灰CaO投量，mmol/L；

[a]：混凝劑投量，mmol/L；

[x]：原水鹼度，按mmol/L，CaO計；[δ]：保證反應順利進行的剩餘鹼度，一般取0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通過試驗決定。6.4.4水中懸浮物濃度的影響

雜質濃度低，顆粒間碰撞機率下降，混凝效果差。可採取的對策有：

①加高分子助凝劑；

②加粘土

③投加混凝劑後直接過濾如果原水懸浮物含量過高，為減少混凝劑的用量，通常投加高分子助凝劑。如黃河高濁度水常需投加有機高分子絮凝劑作為助凝劑。6．5混凝劑的配製與投加

6.5.1混凝劑的溶解和溶液配製溶解池容積W1：W1=（0.2~0.3）W2

（6-14）式中W2為溶液池容積。（6-15）式中：W2——溶液池容積，m3Q——處理的水量m3/ha——混凝劑最大投加量，mg/Lc——溶液濃度，一般取5%~20%n——每日調製次數，一般不超過3次

6.5.2混凝劑投加

混凝劑投加設備包括計量設備、藥液提升設備、投藥箱、必要的水封箱以及注入設備等。。

1.計量設備計量設備有：轉子流量計；電磁流量計；苗嘴；計量泵等。

2.投加方式（1）泵前投加：安全可靠，一般適用取水泵房距水廠較近者，圖中水封箱是為防止空氣進入，見圖6-9。。（2）高位溶液池重力投加：適用取水泵房距水廠較遠者，安全可靠，但溶液池位置較高，見圖6-10。（3）水射器投加：設備簡單，使用方便，溶液池高度不會受太大限制，但效率低，易磨損，見圖6-11。（4）泵投加：不必另設計量設備，適合混凝劑自動控制系統，有利於藥劑與水混合，見圖6-12。

6.5.3混凝劑投加量自動控制

1.數學模擬法對於某一特定水源，可根據水質、水量建立數學模型，寫出程式交電腦執行調控。採用數學模型實行加藥自動控制的關鍵是：必須要有前期大量而又可靠的生產數據，才可運用數理統計方法建立符合實際生產的數學模型。適用特定原水條件，水質儀錶多，投資大。

2.現場模擬試驗法採用現場模擬裝置來確定和控制投藥量是較簡單的一種方法，常用的模擬裝置是斜管沉澱器，篩檢程式或兩者並用。原水濁度低時，常用模擬篩檢程式，原水濁度高時可用斜管沉澱器或篩檢程式串聯使用。此法存在回饋滯後現象，模擬裝置與生產設備存在一定的差別，但與實驗室相比，更接近實際情況。

3.特性參數法影響混凝效果的因素複雜，在某種情況下、某一特性參數是影響混凝效果的主要因素，這一因素的變化反映了混凝程度的變化。流動電流檢測器法和透光率脈動法屬於特性參數法。

流動電流是指膠體擴散層中反離子在外力作用下隨著流體流動而產生的電流。此電流與膠體ξ電位有正相關關係。混凝後膠體ξ電位變化反映了膠體脫穩程度。優點是控制因數單一；投資低，操作簡單；控制精度較高。缺點是投藥量與流動電流很少相關。透光率脈動法是利用光電原理檢測絮凝聚顆粒的變化，達到混凝線上連續控制的新技術。優點是因數單一，不受混凝機理或品種的限制，不受水質限制。6．6混凝設備

6.6.1混合設備

1.水泵混合投藥投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，節省動力，各種水廠均可用，常用於取水泵房靠近水廠處理構築物的場合，兩者間距不大於150m。

2.管式混合管式靜態混合器：流速不宜小於1m/s，水頭損失不小於0.3~0.4m，簡單易行，見圖6-13。擴散混合器，是在管式孔板混合器前加一個錐形帽，錐形帽夾角90°。順流方向投影面積為進水管總截面面積的1/4，開孔面積為進水管總截面面積的3/4，流速為1.0~1.5m/s，混合時間2~3s。節管長度不小於500mm。水頭損失約0.3~0.4，直徑在DN200~DN1200，見圖6-14。

3機械混合在池內安裝攪拌裝置，攪拌器可以是槳板式、螺旋槳式或透平式，速度梯度700~1000s-1，時間10~30s以內，優點是混合效果好，不受水質影響，缺點是增加機械設備，增加維修工作。

6.6.2絮凝設備

1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往復式和回轉式，見圖6-15與圖6-16。隔板絮凝池的水頭損失由局部水頭和沿程水頭損失組成。往復式總水頭損失一般在0.3~0.5m，回轉式的水頭損失比往復式的小40％左右。隔板絮凝池特點：構造簡單、管理方便，但絮凝效果不穩定，池子大。適應大水廠。隔板絮凝池的設計參數：

①流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段數：4~6段；

②轉彎處過水斷面積為廊道過水斷面積的1.2~1.5倍；

③絮凝時間：20~30min；

④隔板間距：不大於0.5m，池底應有0.02~0.03坡度直徑不小於150mm的排泥管；

⑤廊道的最小寬度不小於0.5m；

⑥各段的水頭損失，總水頭損失

2.折板絮凝池通常採用豎流式，它將隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰對波谷平行安裝稱“同波折板”，波峰相對安裝稱“異波折板”。與隔板式相比，水流條件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安裝維修較困難，折板費用較高。其示意圖見圖6-17與圖6-18。

3機械絮凝池

機械絮凝池的剖面示意見圖6-19。攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水準軸式和垂直軸式。第一格攪拌強度最大，而後逐步減小，G值也相應減小，攪拌強度決定於攪拌器轉速和槳板面積。

（1）功率計算水流對槳板的阻力就是槳板施於水的推力，在dA微面積上水流阻力（6-15）阻力dFi所耗功率，即槳板施於水的功率：（6-16）式中：，為水流旋轉線速度，為槳板旋轉角速度，為旋轉半徑因此（6-17）

第塊槳板克服水的阻力所耗功率：（6-18）設每根旋轉軸在不同旋轉半徑上裝相同數量的槳板，則每根旋轉軸全部槳板所耗功率：（6-19）每根旋轉軸所需電動機功率：（6-20）

（2）設計參數

①絮凝時間10~15分。

②池內一般設3～4擋攪拌機。

③攪拌機轉速按葉輪半徑中心點線速度計算確定，線速度第一擋0.5m/s逐漸減小至末擋的0.2m/s。

④槳板總面積宜為水流截面積的10～20％，不宜超過75％，槳板長度不大於葉輪半徑的75％，寬度宜取10～30cm。

（3）優缺點機械絮凝池的優點是調節容易，效果好，大、中、小水廠均可，但維修是問題。

4.穿孔旋流絮凝池

由若干方格組成。分格數一般不少於6格。流速逐漸減小，G也相應減小以適應絮凝體形成，孔口流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速宜取0.2～0.3m/s。絮凝時間15～25min。穿孔旋流絮凝池的平面示意圖見圖6-20。穿孔旋流絮凝池的優點是構造簡單，施工方便，造價低，可用於中、小型水廠或與其他形式的絮凝池組合應用。

5.網格、柵條絮凝池

網格、柵條絮凝池設計成多格豎井回流式。每個豎井安裝若干層網格或柵條，各豎井間的隔牆上、下交錯開孔，進水端至出水端逐漸減少，一般分3段控制。前段為密網或密柵，中段為疏網或疏柵，末段不安裝網、柵。網格（柵條）絮凝池的示意圖見圖6-21。

網格絮凝池效果好，水頭損失小，絮凝時間較短，但還存在末端池底積