水污染控制工程3课件

第三章 混 凝 混凝处理的对象胶体的性质与结构混凝机理混凝剂的发展与应用影响混凝的主要因素混凝动力学混凝设备与应用 1标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容总体概述点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容混凝:包括凝聚和絮凝两步。凝聚:指胶体脱稳、并聚集为微絮粒的过程。絮凝:指微絮粒通过吸附、卷带、桥连而成长 为更大的絮凝体的过程。一、概述1、概念混凝剂:能起凝聚与絮凝作用的药剂。32、处理对象 去除水中细小的悬浮物和胶体，范围：1nm100 m 水中主要杂质：粘土（50nm-4 m）细菌（0.2 m-80 m）病毒（10nm-300nm）蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸 应 用 各种工业废水的预处理、中间处理或城市污水的三级处理 和污泥处理：造纸、钢铁、纺织、煤炭、化工、食品等 给水处理43、混凝过程涉及到的问题 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 5二、胶体的性质 1、胶体的结构 胶核：胶体分子聚合 而成的微粒。电位形成离子反离子6 胶核 电位形成离子,束缚反离子 自由反离子 胶粒带电 胶团不带电7氢氧化铁胶体的结构8 当胶粒运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散，脱离的界面称为滑动面，其结果必然使胶粒产生剩余电荷，这样胶粒与扩散层之间就会形成电位差，称为胶体的动电电位，即Zeta电位（电位），而胶粒表面的电位离子与溶液主体之间的电位差则成为总电位（电位）。总电位一定时，扩散层越厚，电位越高。一般 粘土 电位-15-40mV 细菌 电位-30 -70mV 92.胶体的稳定性 1)胶体受力情况静电斥力：ER1/d2范德华引力：EA1/d6 2)胶体的稳定性与DLVO理论(只适用于憎水性胶体)qDLVO理论 DLVO理论（Derjagin、Landau、Verwey、Overbeek四人提出），是目前对胶体稳定性解释得比较完善的理论。q动力学稳定性 胶体的布朗运动能量Eb1.5kT EbVmax（势垒）1011q聚集稳定性 憎水性胶体 胶体带电相斥 亲水性胶体 水化膜的阻碍 聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。12三、混凝机理 1、压缩双电层 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 由于异号离子相吸作用和扩散作用而挤入扩散层、吸附层胶粒带电荷数减小压缩双电层 电位 稳定性 凝聚 当两个胶粒相互接近时，由于电位降低，它们互相排斥的 力就减小了，即：溶液中离子浓度高的胶粒间斥力比离子 浓度低的要小。由于扩散层变薄，它们相撞时距离减小，导致相互间吸力 增大，合力变为以吸力为主，胶粒得以迅速凝聚。F斥 1/d2，F吸 1/d613局限性-不能解释以下现象：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；与胶粒带同样电荷的聚合物或高分子也会有很好的混凝效果。该机理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，淡水携带胶粒的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其它胶体颗粒易沉积。单纯根据静电现象解释142、吸附电中和 指胶粒表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，中和了部分电荷，因而降低了 电位，减小了静电 斥力，使胶粒脱稳。吸附+静电作用例：用Na+和有机胺离子RNH3+去除带负电的碘化银溶液 造成的浊度。发现有机胺离子脱稳的能力比Na+大得多，Na+投加过量不会造成胶粒再稳，而有机胺则不然，超过一定投量时能使胶粒再稳。说明胶粒吸附了过多的反离子，使原来带的负电荷转变成带正电荷。铝盐、铁盐投加量高时也发生再稳现象及电荷变号现象153、吸附架桥 指高分子物质和胶粒、以及胶粒与胶粒之间的吸附与桥连作 用。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。已经架桥凝聚的胶粒，如受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。聚合物在胶粒表面的吸附力：范德华引力、静电引力、氢键、配位键等可以解释非离子型或带同电号的离子型高分子絮凝剂有较好的混凝效果的现象164、沉淀网捕或卷扫 当金属盐（铝盐、铁盐）或金属氧化物和氢氧化物（如石 灰）做混凝剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物 或金属碳酸盐时，水中的胶粒可被这些沉淀物在形成时所网 捕。小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象 水中胶粒本身可作为金属氢氧化物沉淀物形成的核心，因而混凝剂投加量与被去除物质的浓度成反比，即胶粒越多，混凝剂投加量越少。17四、混凝剂和助凝剂 1、混凝剂的种类18 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、聚合铁硅、聚合硅酸铝、聚合硅酸铁 有机高分子混凝剂：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）、微生物絮凝剂 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 多功能混凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻 发 展 趋 势192、铝系混凝剂（1）硫酸铝 Al2(SO4)3 nH2O,n=6,10,14,16,18,27 大多使用块状或粒状 投加方式：干式或湿式，湿式：10-20%（重量）使用水温：20-40 适宜pH范围：5.58，且随原水的硬度而异 软 水：5.5-6.6 中等硬度:6.6-7.2 硬度高时:7.2-8 特点：使用便利，混凝效果好；但可导致老年痴呆症，投加量大时会出现浑浊现象20（2）聚合氯化铝 Al2(OH)nCl6-nm n=1-5,m10,整数 混凝效果与水解度B*的关系较大 B*为2.5时，Al13可达80%以上Al13 Keggin结构21 对污染严重或低浊度、高浊度的原水均有较好的处理效果；水温低时也有较好的处理效果；矾花形成快，颗粒大且重，沉淀性能好；适宜的pH范围宽(5-9),投加过量时不会象硫酸铝那样造成水 混浊的反效果;对设备的腐蚀小，出水的pH值下降较小 特 点22（3）铝盐在水中的化学反应 水解过程：配位水分子发生水解：Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+H+其结果是：价数降低，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀 缩聚反应：OH发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）23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 结果是：电荷升高，聚合度增大24（1）三氯化铁 FeCl36H2O，黑褐色晶体，有强烈吸水性，极易溶于水 特点：矾花大，易沉降；受水温影响小，低温抵浊时仍有好的处理效果；适宜pH范围宽（6-11）；但溶液具有强腐蚀性；处理后水的色度比用铝盐高。3、铁系混凝剂优点缺点25（2）聚合硫酸铁 特点：具有较强的除浊、去除COD及重金属离子的能力，同时还具有脱色、脱臭、脱水等功能，其适宜的pH范围宽，絮凝体比重大，沉降迅速，在低温时也有较好的处理效果。26（3）铁盐在水中的化学反应四个步骤：A.水解生成单体，二聚体与三聚体；B.低聚物与低分子量高分子的快速生成与溶解；C.高分子量高分子聚合物的慢速形成；D.沉淀的形成。27（4）水解所需的碱度 铝盐、铁盐投入天然水体，将逐步水解产生H+，要使反应 继续进行，就必须要有碱度来中和H+。一般加石灰，用量用下式计算：铝盐：CaO=0.5a-56x+b a铝盐的投加量，mg/L x原水的碱度，mmol/L b使反应顺利进行多加的剂量，mg/L，一般20 mg/L284、有机高分子混凝剂 高分子混凝剂的凝聚作用：由于氢键、静电、范德华力等作用对胶粒有较强的吸附 结合力；因为高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展形 状，从而发挥吸附架桥作用。295、助凝剂 可以参加混凝，也可不参加混凝，能促进混凝过程，产生大 而结实的矾花。分类：酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。30 原水浊度高时-先加PAM，后加其它混凝剂。让PAM先在较高浊度水中充分发挥作用，吸附一部分胶粒，使浊度有所降低，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由PAM吸附，这样可以降低其它混凝剂用量。原水浊度低时-先加其它混凝剂，半分钟后加PAM，使杂质颗粒先脱稳到一定程度，为PAM大分子的絮凝作用创造有利条件。PAM作为助凝剂常与其他混凝剂一起使用：316、铝盐和铁盐的混凝机理 四种作用：Al3+或Fe3+和低聚合度高电荷的多核配合离子的压缩双电 层和吸附电中和的脱稳凝聚作用；高聚合度配合离子的桥连絮凝作用；氢氧化物沉淀形态存在时的网捕作用32五、影响混凝的主要因素 1、水温 低温，混凝效果差，原因：无机盐水解为吸热，水温低，水解慢；温度降低,粘度升高布朗运动减弱，絮凝体不易形成；水温过高:易使高分子絮凝剂老化生成不溶性物质，降低混 凝效果。2、水的pH及碱度 视混凝剂品种而异。无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。333、水中杂质浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。水中存在二价以上的正离子，对天然水压缩双电层有利；颗粒杂质越单一、均匀、越细越不利，大小不一的颗粒有利 于混凝；低温水与低浊水的混凝具有不利因素，成为专门研究的课题 344、混凝剂的影响（1）混凝剂的种类（2）混凝剂的投加量与投加顺序无机金属盐混凝剂：水解产物的分子形态、荷电性质、荷电量等均有影响；高分子絮凝剂：线状好于支链 分子量应适当，太低-吸附架桥作用差 太高-水溶性差实验确定355、水力条件的影响（1）混合：作用：迅速、均匀地将药剂分散到水中，形成细小矾花，完成凝聚过程 要求：时间短（一般几十s，不超过2min)；搅拌强度大（2）絮凝：作用：使细小矾花逐渐长大成大颗粒（d=0.6-1.2mm）而 便于沉降 要求：水流有适当的紊流程度；适当的搅拌时间36六、混凝动力学 水中颗粒相互碰撞的动力：布朗运动 流体的运动 1、异向絮凝（Perikinetic Flocculation)由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np：单位体积中颗粒在异向絮凝中的碰撞速率；DB:布朗运动扩散系数；d：颗粒直径；n：颗粒数目37碰撞速率的影响因素：水温 颗粒的数量浓度 DB 由StokesEinstein 公式计算：:水的运动粘度当颗粒的粒径大于1 m，布朗运动消失。382、同向絮凝（Orthokinetic Flocculation）由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论 基于层流的假定。搅拌强度或速度梯度G是控制混凝效果的主要参数之一.39 可通过一个瞬间受剪切力作用而扭转的单位体积水流所消耗功率来计算G值.根据牛顿摩擦定律:水的动力粘度 水力搅拌时:-甘布公式 40但存在问题：层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？微涡旋理论 G增加碰撞机率增加絮凝效果增加 但破碎程度也增加 此现象尚未很好从理论上得到描述。413、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：G5001000s-1，T=1030s，一般2min 絮凝过程 ：G10100s-1，T=15-30min GT104 105 实际设计，采用 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42七、混凝设备 1、混凝剂的配制与投加 （1）投加流程 药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备 （2）计量与投加方式 计量:流量计（转子、电磁）、计量泵等 投加方式：泵前投加 高位溶液池重力投加 水射器投加 泵投加432、混凝剂投加量自动控制 最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量，实验确定 考察指标:去除率、矾花形成的快慢及大小 自动控制方法：数学模型法 现场模拟试验法 流动电流检测器（SCD）絮凝检测器443、混合设备 水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间23秒 机械混合：搅拌 水力混合4、絮凝设备 水力搅拌式 机械搅拌式（1）水力搅拌式 a 隔板絮凝池 往复式 回转式 45往 复 式46回 转 式47 为避免絮凝体破碎,廊道内的流速及水流转弯处的流速应沿 程减小，G也沿程逐渐减小.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。特点：构造简单、管理方便;但絮凝效果不稳定，能量消耗较大,絮凝时间长,池子 大。应用:大、中型处理厂 设计参数：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s 段数:46段 隔板间距：不大于0.5m 絮凝时间：2030分4849特点:与隔板式相比，絮凝效果提高;水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高;絮凝时间较短:1015分 钟；安装维修较困难，折板费用较高.设计要求:分段数不少于3段,各段流速:第一段:0.25-0.35 m/s 第二段:0.15-0.25 m/s 第三段:0.1-0.15 m/s折板夹角 90 -120 波高 0.25-0.40 m 应用:中型或小型处理厂50（2）机械搅拌式 搅拌器:浆板式、叶轮式 搅拌轴的安装位置:水平轴(大型处理厂)垂直轴(中、小型处理厂)浆板式机械絮凝池的设计要求:絮凝时间15-20 min 池内设3-4挡搅拌机 搅拌机转速-线速度 0.05m/s-0.2 m/s 每台搅拌机上浆板总面积-水流截面积的10-20%特点:调节容易，效果好，大、中、小水厂均可；但维修是问题.51Q&A问答环节敏而好学，不耻下问。学问学问，边学边问。Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking.感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边结束语谢谢聆听THANKYOUFORLISTENING演讲者：XX时间：202X.XX.XX