水处理原理与工艺课件-物理化学处理法1-混凝

水处理原理与工艺水处理原理与工艺1第一章第一章 水处理方法概论水处理方法概论第二章第二章 物理处理法工艺原理物理处理法工艺原理第三章第三章 化学处理法工艺原理化学处理法工艺原理第四章第四章 物理化学处理法工艺原理物理化学处理法工艺原理第五章第五章 生物处理法工艺原理生物处理法工艺原理第六章第六章 污水的深度处理技术污水的深度处理技术第七章第七章 工业循环冷却水的水质处理与控制工业循环冷却水的水质处理与控制2第四章第四章 物理化学处理法工艺原理物理化学处理法工艺原理31、混凝物化处理法应用的场合很多，多用在废水的深度处理中，在自来水的常规处理工艺以及工业给水的处理工艺中，也常见到物化的处理技术。2、离子交换3、吸附4、萃取5、膜分离4（1）给水处理中，以地表水为水源的生活饮用水的常规处理工艺中混凝是其中的重要单元，主要去除水中的胶体和部分微小悬浮物，从表观来看主要是去除产生浊度的物质；（2）废水处理中，应用非常广泛，既可作为独立的处理单元，也可以和其他处理法联合使用，进行预处理、中间处理或最终处理。混凝可以去除废水中呈胶体和微小悬浮物状态的有机和无机污染物，还可以去除某些溶解性物质，如砷、汞等，以及导致水体富营养化的磷元素。（3）在污泥脱水工艺中，将混凝用作前处理手段，改善污泥的脱水性能1、混凝混凝的目的：向水中投加一些药剂（混凝剂）破坏混凝的目的：向水中投加一些药剂（混凝剂）破坏胶体的稳定性，使水中难以沉淀的胶体和微小悬浮胶体的稳定性，使水中难以沉淀的胶体和微小悬浮物能相互聚合，从而长大至能自然沉淀的程度。物能相互聚合，从而长大至能自然沉淀的程度。5混凝主要去除对象：粘土（50nm-4 m）细菌（0.2 m-80 m）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）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胶体与混凝剂的相互作用1637年，我国开始使用明矾净水1884年，西方才开始使用6胶体的特性1）光学性质：胶体在水溶液中能引起光的反射的性质；2）力学性质：指胶体的布朗运动，这也是胶体颗粒不能自然沉淀的原因之一；3）表面性质：胶体颗粒微小，比表面积大，具有极大的表面自由能，从而使胶体颗粒具有强烈的吸附能力和水化作用；4）电学性质：指胶体在电场中产生的动电现象，包括电泳和电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的，这是胶体保持其稳定性的重要原因之一。1.1胶体的特性与结构7胶体的结构胶体的双电层结构8胶体的双电层结构胶核表面吸附了一层带同号电荷的离子，称为电位离子层；电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同而电性相反的离子，称为反离子层。电位离子层与反离子层就构成了胶体粒子的双电层结构。在靠近胶核表面的一层内，因吸力较大反离子紧密地吸附在胶核表面上，故称为吸附层。厚度较薄较固定，不随外界的条件（水温）变化而变化。在吸附层之外，还有一层反离子，在此范围内静电吸力因屏蔽作用而减弱，且受水分子热运动的干扰，与层内的电位离子及胶核的结合力较为松弛，离子扩散游动在吸附层之外，称为扩散层。9通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒，胶粒再与扩散层组成电中性胶团（即胶体粒子）。由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的，其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差，电性与电位离子相同。10胶核与溶液主体间由于表面电荷的存在所产生的电位称为电位，而胶粒与溶液主体间由于胶粒剩余电荷的存在所产生的电位称为电位。电位对于某类胶体而言，是固定不变的，无实用意义；而电位可通过电泳或电渗计算得出，随着温度、pH值及溶液中反离子浓度等条件变化，在水处理中具有重要的意义。天然水中的胶体杂质通常是负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等。粘土胶体的电位一般在15-40mV；细菌的电位一般在-30-70mV；藻类的电位一般在-10-15mV范围内。11所谓的胶体稳定性是指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。从胶体化学角度而言，胶体溶液并非真正的稳定系统，但从水处理工程的角度而言，由于胶体颗粒和微小悬浮物的沉降速度十分缓慢，因此均被认为是“稳定”的。胶体的稳定性包含“动力学稳定性”与“聚集稳定性”两方面的内容：动力学稳定性：布朗运动强，对抗重力影响的能力强聚集稳定性：胶体粒子表面同性电荷的静电斥力作用或水化膜的阻碍作用其中聚集稳定性对胶体稳定性的影响起到关键的作用。胶体的稳定性12与胶体化学的单一胶体体系相比，水与废水中的胶体体系要复杂得多。水处理中的混凝机理也比较复杂。关于“混凝”一词，目前尚无统一规范化的定义。在水处理工程中，混凝是凝聚(coagulation)和絮凝（flocculation）的总称，其中，凝聚是指胶体被压缩双电层而失去稳定性，发生相互聚集的过程；絮凝则指脱稳胶体聚结成大颗粒絮体的过程。凝聚是瞬时的，只需将药剂全部分散到水中即可，絮凝则需要一定的时间去完成，但一般情况下很难分开。1.2水的混凝机理13目前比较公认的混凝机理目前比较公认的混凝机理 注：在实际水处理中，上述各种机理往往同时或交叉发挥作用，只是依条件的不同而以其中的某一种起主导作用而已。1.压缩双电层机理4.网捕作用2.电性中和作用3.吸附架桥作用14(1)压缩双电层机理压缩双电层机理 以天然水中带负电荷的粘土胶体为例，在投入铝盐或铁盐等混凝剂后，混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层,因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，等于压缩双电层，使扩散层减薄，从而使电位降低。当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时，电位为零,称为等电状态。理论上来说，此时胶体间斥力消失,胶粒最易发生聚结。1516 实际上，实际上，电位只要降至某一程度而使胶粒间排电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚集，这时的产生明显的聚集，这时的电位称为临界电位电位称为临界电位(k)。胶粒因胶粒因电位降低或消除以至失去稳定性的过程，电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。17 双电层压缩是阐明胶体凝聚的一个重要理论，特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况，该理论可以较好地解释港湾处的沉积现象，因淡水进入海水时，盐类增加，离子浓度增高，淡水夹带的胶体的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其他胶体颗粒易沉积。但是双电层理论认为电位最多可降至零，因而不能解释水处理中的一些混凝现象，如混凝剂投量过多时胶如混凝剂投量过多时胶体会重新稳定；在等电状态混凝效果应最好，但生产实体会重新稳定；在等电状态混凝效果应最好，但生产实践却表明，混凝效果最佳时的践却表明，混凝效果最佳时的电位常大于零；与胶粒电位常大于零；与胶粒带同电荷的聚合物或高分子有机物可能有好带同电荷的聚合物或高分子有机物可能有好 凝聚效果。凝聚效果。18(2)吸附电中和作用吸附电中和作用 指胶核表面直接吸附异号离子、异号胶粒或链状指胶核表面直接吸附异号离子、异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位等，来降低高分子带异号电荷的部位等，来降低电位。电位。这种吸附力，绝非单纯的静电力，一般认为还存在范德华引力、氢键、共价键等。混凝剂投量适中时，通过胶核表面直接吸附带相反电混凝剂投量适中时，通过胶核表面直接吸附带相反电荷的聚合离子或高分子物质，荷的聚合离子或高分子物质，电位可达到临界电位电位可达到临界电位k；但；但当当混凝剂投量过多时，胶核表面吸附过多的相反电荷的聚合离子，导致胶核表面电荷变号。19吸附电中和理论解释了压缩双电层所不能解释的现象，并已广泛应用于解释金属盐混凝剂对胶体颗粒的脱稳凝聚作用。20(3)吸附架桥作用吸附架桥作用 主要指高分子物质与胶粒的吸附架桥与桥联，还主要指高分子物质与胶粒的吸附架桥与桥联，还可理解成两个大可理解成两个大 的同号胶粒之间由于一个异号胶粒而的同号胶粒之间由于一个异号胶粒而连结在一起。连结在一起。21高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；但投加过多，会出现“胶体保护”现象，使胶体又处于稳定状态（即由于胶粒相对较少，吸附了某一胶粒的高分子物质的另一端粘结不到第二胶粒，而是被原先的胶粒吸附在其他部位）。22 因此，只有在高分子投加量适中时，即胶粒只有部分表面被覆盖时，才能在胶粒间产生有效的吸附架桥作用并获得最佳絮凝效果。另外，已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间搅拌，架桥聚合物可能会从另一胶粒表面脱开，重又卷回所在胶粒表面，造成再稳定状态。利用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能得到好的絮凝效果的现象。高分子物质若为阳离子型聚合电解质，对带负电荷的粘土胶体而言，既具有电性中和作用又具有吸附架桥作用；若为非离子型或阴离子型聚合电解质，只能起吸附架桥作用。23(4)网捕或卷扫机理网捕或卷扫机理 当金属盐类混凝剂的投加量和介质条件足以使它们迅速生成难溶性氢氧化物沉淀时，沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。水中胶粒本身可作为这些金属氢氧化物沉淀物形成的核心，所以混凝剂最佳投加量与被去除物质的浓度成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。24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：pH3简单的水合铝离子，起压缩双电层作用；pH=4.56.0多核羟基络合物，起吸附电性中和作用；pH=77.5电中性氢氧化铝聚合物，起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基络合物的电性中和作用；天然水的pH值一般在6.57.8之间，主要是吸附架桥和电性中和，两者以何为主，取决于铝盐投加量。当铝盐投加量超过一定量时，会产生“胶体保护”作用，使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定。当铝盐投加量再次增大，超过氢氧化铝溶解度而产生大量沉淀物时，则起网捕和卷扫作用。25最佳最佳卷扫卷扫混凝混凝区发区发生在生在pH为为78，铝盐铝盐投加投加量为量为2060mg/L26混凝剂种类很多，不少于200300种1）无机混凝剂：品种较少，主要是铁盐、铝盐及其聚合物，在水处理中应用最为广泛；2）有机混凝剂：品种很多，主要是高分子物质，但在水处理中的应用比无机的少。在全国混凝剂销售中，传统无机混凝剂约占20，无机高分子混凝剂占70，有机高分子混凝剂约占10。1.3混凝剂与助凝剂27 无无机机铝系铝系 硫酸铝（硫酸铝（AS）明矾明矾聚合氯化铝（聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（PAS）适宜适宜pH：5.58 铁系铁系 三氯化铁三氯化铁硫酸亚铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁（聚合硫酸铁（PFS）聚合氯化铁聚合氯化铁 适宜适宜pH：511，但腐蚀性强但腐蚀性强 有有机机 人工人工合成合成 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国国外开始增多，国内尚少内尚少 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧），聚氧化乙烯（化乙烯（PEO）两性型：两性型：使用极少使用极少 天然天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂微生物絮凝剂 28类别类别名称名称剂量范剂量范围围mg/Lmg/L最佳最佳pHpH值范围值范围应用特点应用特点无无机机盐盐类类硫酸铝硫酸铝AlAl2 2(SO(SO4 4)3 35 550506 6左右左右混凝效果较好，使用方便；最佳混凝效果较好，使用方便；最佳PHPH值范围值范围窄；使用水温：窄；使用水温：20203030硫酸亚铁硫酸亚铁FeSOFeSO4 45 550508.58.511.011.0适用碱度及硬度均较高的水；水温对混凝适用碱度及硬度均较高的水；水温对混凝效果影响较小；絮凝体形成快，较稳定；效果影响较小；絮凝体形成快，较稳定；产品及溶液腐蚀性强产品及溶液腐蚀性强氯化铁氯化铁FeClFeCl3 34 440408.58.511.011.0处理高浊度水；絮凝体较坚固，沉淀性较处理高浊度水；絮凝体较坚固，沉淀性较好；固体产品吸湿性强，对包装运输不利好；固体产品吸湿性强，对包装运输不利有机盐类有机盐类聚合氯化铝聚合氯化铝（PACPAC）2 220205 59 9适用于低温低浊及高浊度水；投药量少，适用于低温低浊及高浊度水；投药量少，混凝效果好；适用混凝效果好；适用PHPH值范围广；产品腐蚀值范围广；产品腐蚀性强性强聚合硫酸铁聚合硫酸铁(PFS)(PFS)202060605 51111适用于低温低浊及高浊度水；易溶于水；适用于低温低浊及高浊度水；易溶于水；适用适用PHPH值范围广；净化后水的值范围广；净化后水的PHPH值与碱度值与碱度变化幅度较小；宜当日配置当日投加变化幅度较小；宜当日配置当日投加有机高分有机高分子混凝剂子混凝剂聚丙烯酰铵聚丙烯酰铵（PAMPAM）聚氧化乙烯聚氧化乙烯（PEOPEO）5 5以下以下视不同离视不同离子情况而子情况而定定聚合度高；对胶体表面有强吸附作用，在聚合度高；对胶体表面有强吸附作用，在胶粒之间形成桥联胶粒之间形成桥联常用的混凝剂的特性常用的混凝剂的特性29混凝剂的发展方向：复合型无机或有机高分子絮凝剂：如铁铝复合、聚合铝硅/铁硅、无机有机复合高分子絮凝剂；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30助凝剂从广义上而言，凡是能够提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂统称为助凝剂。助凝剂本身可以起混凝作用，也可不起混凝作用。1）调整剂：当污水pH值不符合要求时，需投加pH调整剂，如石灰、硫酸、氢氧化钠等；2）絮凝体结构改良剂：用以加大矾花的粒度和结实性，改善矾花的沉降性能，如活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂等；3）氧化剂类：可用来破坏干扰混凝的有机物，如投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化有机物，提高混凝效果。31在混凝过程中，投加混凝剂，压缩胶体颗粒的双电层，降低电势，是实现胶体脱稳的必要条件，但要进一步使脱稳胶体形成大的絮凝体，关键在于保持颗粒间的相互碰撞。颗粒间的相互碰撞是颗粒之间或颗粒与混凝剂之间发生凝聚和絮凝的必要条件。1.4混凝动力学321、碰撞速率与混凝速率 造成水中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；在水力或机械搅拌下所造成的流体流动。由布朗运动造成的碰撞聚集称为”异向絮凝“；由流体湍动造成的碰撞聚集称为”同向絮凝“。33（1）异向絮凝由于布朗运动导致的颗粒的絮凝速率取决于碰撞速率。式中，Np单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率，1/(m3.s)；n颗粒数量浓度，个/m3;K波尔兹曼常数，1.3810-23kg.m2/(s2.K)；t水的热力学温度，K;水的运动粘度，m2/s；水的密度，kg/m334由上式可见，由布朗运动引起的颗粒碰撞速率与颗粒的数量浓度平方和水温成正比，而与颗粒尺寸无关。而布朗运动只在颗粒很小时才表现显著，随着颗粒粒径增大，布朗运动逐渐减弱。当颗粒粒径大于1m时，布朗运动基本消失。因此，由布朗运动造成的异向絮凝只有在脱稳胶体很小时才起作用。要使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还要靠流体湍动来促使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。35（2）同向絮凝同向絮凝是由水流湍动造成的，在整个混凝过程中占有十分重要的地位。式中，No粒径d1和d2、初始浓度分别为n1和n2的两颗粒在同向絮凝中的碰撞速率；G速度梯度，1/s。上式表明，在颗粒浓度和粒径一定的条件下，颗粒间碰撞速率与水流速度梯度有关。速度梯度G作为控制混凝效果的重要水力条件，在混合、反应设备的设计与运行管理上具有实际意义。362、速度梯度的计算 速度梯度是指在两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比。速度梯度可由外加功率或水流本身势能的消耗所提供。式中，P-在混凝设备中水流所耗功率，W混凝设备的平均速度梯度，1/sV混凝设备有效容积，m3水的粘度，Pa.s 甘布公式37 当混凝设备采用机械搅拌时，P由机械搅拌器提供；当采用水力混凝设备时，P应为水流本身能量消耗。在混凝过程中，所施功率或G值越大，颗粒碰撞速率越大，絮凝效果越好；但G值增大时，水流剪力随之增大，已形成的絮凝体有被破碎的可能。甘布公式383、混凝控制指标 混合阶段，水中杂质颗粒微小，存在颗粒间异向絮凝。对水流进行剧烈搅拌的目的，主要是使投加的混凝剂快速均匀地分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。混合要求快速剧烈，通常要求在1030s，至多不超过2min。搅拌强度按速度梯度计，一般G值在5001000s-1之间。39絮凝阶段，脱稳胶体相互碰撞形成大的絮凝体，在此阶段，以同向絮凝为主，由机械或水力搅拌提供颗粒碰撞凝聚的动力。同向絮凝的效果不仅与G值有关，而且还与絮凝时间T有关。因此，通常以G值和GT值为控制指标。由于大的絮凝体容易破碎，故G值应随絮凝体的逐渐长大而渐次减小。采用机械搅拌时，搅拌强度应逐渐减弱；采用水力絮凝池时，水流速度应逐渐减小。絮凝阶段，平均G值在2070s-1，平均GT在11041105范围内。40影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；投加的凝聚剂种类与数量；使用的絮凝设备及其相关水力参数。1.5影响混凝的因素411、水的pH值和碱度 pH值的高低不但直接影响着污染物存在的形态和表面性质，而且影响着混凝剂的水解平衡及产物的存在形态和时间。水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。对于无机盐类混凝剂，pH值直接影响其水解性能，不同的混凝剂，最佳的pH值范围也不同；而高分子絮凝剂，由于其聚合物形态在投入水中前已基本确定，故受pH值影响较小。42如对于硫酸铝而言，用以去除浊度时，最佳pH值在6.57.5之间，絮凝主要是氢氧化铝聚合物的吸附架桥和羟基络合物的电性中和作用；用以去除水的色度时，pH值宜在4.55.5之间；采用三价铁盐混凝剂时，用以去除水的浊度时，pH值在6.08.4之间；用以去除水的色度时，pH值在3.55.0之间。43 对于无机盐类混凝剂的水解，由于不断产生H+，造成水的pH下降，需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加碱剂（石灰）。石灰投量按下式估算：CaO=3ax+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；：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.250.5mmol/L（CaO）。注意：石灰投加不可过量，否则形成的Al(OH)3会溶解为负离子Al(OH)4-而使混凝效果恶化。一般石灰投量通过试验决定。44 例：某河水的总碱度为0.2mmol/L。采用市售精制硫酸铝（含Al2O3约16）进行混凝，混凝剂投量为40mg/L。试估算石灰（市售品纯度为50）投量为多少mg/L？解：混凝剂投加量折合Al2O3为：40mg/L16%=6.4mg/LAl2O3摩尔质量为102g/mol，故投药量相当于：6.4/102=0.063mmol/L剩余碱度取0.31mmol/L，则得：CaO=30.063-0.2+0.31=0.3mmol/LCaO摩尔质量为56g/mol，则市售石灰投量为：0.356/0.5=33mg/L 452、水中杂质的性质和浓度 水中杂质的成分、性质和浓度对混凝效果有明显的影响，实际应用中一般要通过混凝试验来确定。水中含有二价以上的正离子时，对天然水中粘土颗粒的双电层压缩有利；杂质颗粒级配越单一均匀、越细越不利于混凝，大小不一的颗粒将有利于混凝；水中含有大量的有机物时，会产生胶体保护作用，需要投加更多的混凝剂才能产生混凝效果。46杂质颗粒浓度过低，将不利于颗粒间碰撞而影响混凝，低浊水的混凝效果不佳，是水处理领域的难题之一。可采取的对策有：加高分子助凝剂；加粘土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。473、水温 水温对混凝效果有明显影响。通常在低温时，絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，主要原因：无机盐混凝剂水解多为吸热反应，水温低时水解缓慢，特别是硫酸铝，水温降低10，水解速度常数约降低24倍；温度降低，粘度升高，致使颗粒的布朗运动减弱，不利于脱稳胶粒的凝聚；水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；水温与水的pH值有关。48 低温水的混凝是水处理中的难题之一。常用的改善方法是增加混凝剂投加量或投加助凝剂。常用的助凝剂有活化硅酸等；也可以采用气浮法或过滤法代替沉淀法作为混凝的后续处理。495、搅拌强度和搅拌时间 混合阶段搅拌强度大，时间短；反应阶段搅拌强度小，时间长。4、混凝剂种类与加量的影响50 混凝处理流程包括投药、混合、反应及沉淀分离几个过程。1.6混凝处理流程及设备废水投药混合反应沉淀分离混凝剂助凝剂出水急速搅拌慢速搅拌沉渣 投药有干投法和湿投法，其中湿投法是目前最常用的，将混凝剂配制成一定浓度后再定量投加到水中。51（1 1）混凝剂的溶）混凝剂的溶解和配制。解和配制。（2 2）混凝剂溶液）混凝剂溶液的投加。的投加。（4 4）反应设备）反应设备（3 3）混合设备）混合设备溶解池：溶解池：溶解溶解池应有搅拌装池应有搅拌装置，以加速药置，以加速药剂的溶解。剂的溶解。溶液池：溶液池：药剂药剂完全溶解后，完全溶解后，将浓药液送入将浓药液送入溶液池，用清溶液池，用清水稀释到一定水稀释到一定的浓度备用。的浓度备用。药剂投入废水中药剂投入废水中必须有计量及定必须有计量及定量设备，并能随量设备，并能随时调节投加量。时调节投加量。计量设备可以用计量设备可以用转子流量计转子流量计、电电磁流量计磁流量计等。等。投投加方式加方式可以采用可以采用重力投加、水射重力投加、水射器投加、及计量器投加、及计量泵投加。泵投加。药剂投入水药剂投入水中发生水解中发生水解反应，与水反应，与水中胶体颗粒中胶体颗粒接触，形成接触，形成细小的矾花。细小的矾花。要求：要求：快速快速而均匀而均匀使混合后的使混合后的小絮体逐渐小絮体逐渐形成大的絮形成大的絮体。体。隔板反应隔板反应池池机械搅拌机械搅拌反应池反应池 混凝设备混凝设备52（1）混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积W1：W1=（0.20.3）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混凝剂质量分数(%)，无机混凝剂溶液一般用1020%，有机高分子混凝剂溶液一般用0.51.0%n每日调制次数，一般为26次53（2）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；孔板；计量泵等。玻璃转子流量计玻璃转子流量计塑料转子流量计塑料转子流量计54电磁流量计电磁流量计55混凝投药自控技术混凝投药自控技术56 2）投加方式泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入。高位溶液池重力投加：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，溶液池高度不会受太大限制，但效率低，易磨损。计量泵投加：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。投配流程：药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备57 58 59 60混凝机械搅拌装置混凝机械搅拌装置混凝气浮装置混凝气浮装置（3）混合设备对混合的要求是快速而均匀。混合的动力有水力和机械搅拌两类，混合设备也分为两类。常用的混合方式有：水泵混合，管式混合，机械混合611）水泵混合混凝剂溶液投加在水泵吸水口或管上，利用水泵叶轮的高速转动来达到混凝剂与水快速而剧烈的混合。混合效果好，不需另建混合设备，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。当两者相距较远时，经水泵混合后的原水在长距离输送过程中可能会在管道中过早地形成絮凝体，已形成的絮体在管道出口处一旦破碎往往难于重新聚集，而不利于后续的絮凝。62 2）管式混合（水力混合）管式静态混合器：混合器内，按要求安装若干固定混合单元，每一个混合单元由若干固定叶片按一定的角度交叉组成。当水流和混凝剂流过混合器时，被单元体多次分隔、转向并形成涡旋，以达到充分混合的目的。流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.30.4m，简单易行。63 3）机械混合在混合池内安装搅拌装置，由电动机驱动进行强烈搅拌。电动机的功率按照混合阶段对速度梯度的要求进行选配。搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度7001000s-1，时间1030s以内，优点是混合效果好，搅拌强度随时可调，使用灵活方便，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。64 絮凝反应设备的形式多种多样，主要有水力隔板絮凝池和机械絮凝池。（4）絮凝反应设备混合完成后，水中已产生细小絮体，但还未达到能自然沉降的粒度，反应设备的任务就是使小絮体逐渐絮凝成大絮体。反应设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度。但搅拌强度过大，则会使生成的絮体破碎，且絮体越大，越易破碎，因此，在反应设备中，沿着水流方向的搅拌强度应越来越小，反应时间一般需2030min。65 1）水力隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式。66 隔板絮凝池的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0.30.5m，回转式的水头损失比往复式的小40左右。为避免在隔板絮凝池内生长的絮凝体破碎，廊道内的流速及水流转弯处的流速应沿程逐渐减小。隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，缺点是流量变动大时，絮凝效果不易控制，需较长絮凝时间，池容较大。适用于大、中水厂。为保证絮凝效果，可把往复式和回转式两种形式组合使用，往复式在前，回转式在后。因为絮凝初期，絮凝体尺寸较小，无破碎之虑，采用往复式较好；而在絮凝后期，絮凝体尺寸较大，易破碎，采用回转式较好。67 隔板絮凝池的主要设计参数：池数一般不少于2个，絮凝时间：2030min；流速：起端0.50.6m/s，末端0.20.3m/s，廊道的分段数：46段，根据分段数确定各段流速；转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；隔板间距：不大于0.5m，池底应有0.020.03坡度并设直径不小于150mm的排泥管；廊道的最小宽度不小于0.5m；68 例：某水厂采用往复式隔板絮凝池，设计流量为80000m3/d；絮凝时间取20min；为配合平流式沉淀池的宽度和深度，絮凝池宽22m，平均水深2.8m。试设计隔板絮凝池各廊道宽度并计算絮凝池长度（水厂自用水量按5计）？解：（1）絮凝池净长度：考虑水厂自用水量，絮凝池设计流量为：Q=(80000/24)1.05=3500m3/h=0.97m3/s则絮凝池净长度为：L=QT/BH=(350020/60)/(222.8)=18.94m（2）絮凝池廊道宽度设计取絮凝池起端流速0.55m/s，末端流速0.25m/s。首先根据起、末端流速和平均水深计算起、末端廊道宽度：69廊道分段号廊道分段号12345各段廊道宽度各段廊道宽度/m0.60.81.01.21.4各段廊道流速各段廊道流速/m/s0.580.430.350.290.25各段廊道数各段廊道数44443各段廊道总净宽各段廊道总净宽/m2.43.24.04.84.2起端廊道宽度b=Q/Hv=0.97/(2.80.55)=0.630.6m，相应地起端流速为0.58m/s末端廊道宽度b=Q/Hv=0.97/(2.80.25)=1.381.4m，相应地末端流速仍为0.25m/s廊道宽度分为5段，各段廊道宽度和流速计算见下表。五段廊道宽度之和2.4+3.2+4.0+4.8+3=18.6m取隔板厚度为0.1m，共18块隔板，则絮凝池总长度为：L18.6+180.1=20.4m。70 2）机械絮凝池机械絮凝池采用机械搅拌装置对水流进行搅拌，水流能量消耗来源于搅拌机功率的输入。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。71 机械絮凝池的功率计算如图示是常用的一种垂直轴式搅拌器，叶轮呈“十”字形安装，一根轴上共安装8块浆板，当浆板旋转时，水对浆板的阻力即为桨板施于水的推力。72 以其中的一块浆板为例，在dA面积（图中阴影）上，水流阻力：阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：式中dFi水流对面积为dA浆板的阻力，N；CD阻力系数，取决于浆板宽长比；水的密度，kg/m3；v浆板相对于水流的旋转线速度，m/s；w浆板相对于水流的旋转角速度，rad/s；l浆板长度，m；r浆板旋转半径，m73 积分上式，得一块桨板克服水的阻力所耗功率：设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，则每根旋转轴全部桨板所耗功率（W)：每根旋转轴所需电动机功率：式中r1浆板内缘旋转半径，m；r2浆板外缘旋转半径，m；1搅拌设备总机械效率，通常采用0.75；2传动效率，可采用0.60.9574 絮凝时间1020min；絮凝池一般设34格；搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一格0.40.5m/s，逐渐减小至最末一格的0.2m/s；桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过25%，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取0.100.30m；一般浆板”旋转线速度“是以池子为固定参照物的，而相对线速度为浆板相对于水的运动线速度，其值约为旋转线速度的0.50.75倍。机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但需专门的机械设备并增加机械维修工作。机械絮凝池的主要设计参数：75 例：某机械絮凝池分为3格，每格有效容积为30m3。每格设1台垂直轴浆板搅拌器且尺寸均相同。试对机械搅拌器进行设计并核算值。解：叶轮浆板中心线速度采用：第一格搅拌机v1=0.5m/s第二格搅拌机v2=0.3m/s第三格搅拌机v3=0.2m/s设浆板相对于水流的线速度为浆板旋转线速度的0.75倍，则相对于水流的叶轮转速为：同理，可得w2=0.45rad/s，w30.30rad/s76（1）浆板所需功率计算如图，外侧浆板r10.88m，r2=1.0m；内侧浆板r10.44m，r2=0.56m。内外侧浆板各4块。浆板宽长比b/l=0.12/1.41，查表得CD=1.10，则：第一格电动机功率：同理，可得P2=32.4W，P39.6W77（2）平均速度梯度计算水温按15计，则1.1410-3Pa.s，则：第一格速度梯度：同理，可得G2=30.7s-1，G316.8s-1则，絮凝池总平均速度梯度为：78 3）其他形式絮凝池絮凝池的形式还有多种，也有不同的使用组合。如，穿孔旋流絮凝池，网格、栅条絮凝池等各种形式的絮凝池都各有优缺点，不同形式的絮凝池组合应用往往可以取长补短，其在生产中的应用日益增多。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。791）混凝过程中，压缩双电层和吸附电中和作用有何区别？简述硫酸铝的混凝作用机理及其与水的pH值的关系。2）我国目前常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？今后的发展方向是什么？3）高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？4）”助凝”的作用是什么？什么物质可以作为助凝剂？5）混合和絮凝反应同样都是解决搅拌问题，两者对搅拌的要求有何不同？为什么？6）同向絮凝和异向絮凝的差别何在？两者的凝聚速率（或碰撞速率）与哪些因素有关？思考题与习题：807）河水总碱度为0.15mmol/L（按CaO计）。硫酸铝（含Al2O3为15）投加量为25mg/L，问是否需要投加石灰以保证硫酸铝顺利水解？设水厂每日生产水量60000m3，试问水厂每天约需要多少千克石灰（石灰纯度按50计）。8）隔板絮凝池设计流量为75000m3/d。絮凝池有效容积为1100m3。絮凝池总水头损失为0.26m。求絮凝池总的平均速度梯度值和值各为多少？（水厂自用水量按5计）思考题与习题：81