混凝搅拌实验课件

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,混凝搅拌实验,混凝搅拌实验,1,第,1,节 混凝的去除对象,第,2,节 胶体的性质,第,3,节 水的混凝机理与过程,第,4,节 混凝剂与助凝剂,第,5,节 混凝动力学,第,6,节 混凝影响因素,第,7,节 混凝设备,第,8,节 混凝的应用,2,第1节 混凝的去除对象2,第,1,节 混凝的去除对象,3,第1节 混凝的去除对象3,4,4,混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物,尺寸范围：,1nm0.1,m,（有时认为在,1,m,）,水处理中主要杂质：粘土（,50nm-4,m,）,细菌（,0.2,m-80,m,）,病毒,(10nm-300nm),蛋白质（,1nm-50nm,）,腐殖酸,5,混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物5,混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。,以地面水为水源的给水处理工艺：,原水,混凝,沉淀,过滤,消毒,饮用水,混凝沉淀,二级生物处理出水,过滤,废水深度处理：,6,混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花,以便在,1637,年 我国开始使用明矾净水,1884,年 西方才开始使用,1.,胶体性质,2.,混凝剂在水中溶解与形态,混凝过程：,3.,胶体与混凝剂的相互作用,7,1637年 我国开始使用明矾净水1.胶体性质2.混凝剂在水中,第,2,节 胶体的性质,8,第2节 胶体的性质 8,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点9,一、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）,1,微米的颗粒沉淀,10,厘米需要,20,小时。,10,一、胶体的稳定性 动力学稳定性：布朗运动对抗重力1 微米的颗,憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核的胶体。,亲水胶体 ：胶体微粒直接吸附水分子。,极性集团：,OH,，,COOH,，,NH,2,11,憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核,二、胶体双电层结构,动电位,粘土,=-15-40mV,细菌,=-30-70mV,电位形成离子,异号电荷,吸附层,扩散层,12,二、胶体双电层结构 动电位粘土=-15-40mV,三、,DLVO,理论,静电斥力：,E,R,1/x,2,E,A,E,R,布朗运动能量,Eb,1.5kToc,二次凝聚,xoa,稳定,E,范德华引力：,E,A,1/x,6,（有些认为是,1/x,2,或,1/x,3,）,13,三、DLVO理论 静电斥力：ER1/x2 EAER布朗运动,苏联（,1938,年）：德加根（,Derjaguin,）,兰道（,Landon,）,荷兰（,1941,年）：伏维（,Verwey,）,奥贝克（,Overbeek,）,DLVO,理论,只适用于憎水性胶体,14,苏联（1938年）：德加根（Derjaguin）DLVO理论,胶体的凝聚：,降低静电斥力,电位,势垒,脱稳,凝聚,加入电解质,只适用于憎水性胶体,15,胶体的凝聚： 降低静电斥力 电位 势垒 脱稳 凝聚 加,第,3,节 水的混凝机理与过程,16,第3节 水的混凝机理与过程 16,一、硫酸铝在水中的化学反应,硫酸铝,Al,2,(SO,4,),3,18H,2,O,Al(H,2,O),6,3+,水解过程 （配位水分子）：,Al(H,2,O),6,3+,Al(OH)(H,2,O),5,2+,+ H,+,价数,，,pH,，最终产生,Al(OH),3,沉淀。,6,个配位水分子,(,八面体,),硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具有代表性。,17,一、硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝Al2(SO4,H,+,+ OH,-,H,2,O,H,+,+ HCO,3,-,CO,2,+ H,2,O,水中碱度不足时，投加石灰。,CaO + H,2,O, Ca(OH),2,石灰投加量：,CaO=3a-x+,CaO,：纯石灰投加量, mmol/L,a,：混凝剂投量，,mmol/L,；,x,：原水碱度, mmol/L,：保证反应顺利进行的剩余碱度，,一般取,0.25-0.5mmol/L,水解需要的碱度：,18,H+ + OH- H2O水中碱度不足时，投加石灰,缩聚反应 ：,两个相邻,OH,发生架桥，产生高价聚合离子,2Al(OH)(H,2,O),5,2+,(H,2,O),4,Al Al(H,2,O),4,4+,+ 2H,2,O,OH,OH,电荷升高，聚合度增大,19,缩聚反应 ：2Al(OH)(H2O)52+ OHOH电,20,20,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。,21,产物包括：未水解的水合铝离子各种产物的比例多少与水解条件（水,二、水的混凝机理,在水与废水中,体系复杂,（大小、成份）,胶体化学,单一体系,在水与废水中,体系复杂,（大小、成份）,胶体化学,单一体系,凝聚（,Coagulation,）：,胶体脱稳、凝聚,絮凝（,Flocculation,）：,脱稳胶体变大,混凝：包括两者,22,二、水的混凝机理在水与废水中体系复杂（大小、成份）胶体化学单,23,23,1,压缩双电层理论,根据,DLVO,理论,电解质（混凝剂）加入,与反离子同电荷离子,压缩双电层,电位,稳定性,凝聚,24,1压缩双电层理论 根据DLVO理论 电解质（混凝剂）加入2,很好地解释港湾处的沉积现象。,叔采哈代（,Schulze-Hardy,）法则,:,凝聚能力,离子价数,6,理论上,电位,0,，等电状态效果最好,实际只需,电位, ,k,Emax,0,该理论不能解释：,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混凝效果好。,临界电位,25,很好地解释港湾处的沉积现象。凝聚能力离子价数6 理论上电,2.,吸附,-,电性中和作用机理,范德华力、氢键及共价键力,+,+,异号聚合离子,高分子,胶粒,26,2.吸附-电性中和作用机理范德华力、氢键及共价键力+异号聚,3,吸附架桥机理（链状高分子聚合物）,“,胶体保护,”,再稳现象,4.,网捕或卷扫机理,金属氢氧化物沉淀物在形成过程中对胶粒的网捕。,小胶粒与大矾花发生接触凝聚,澄清池中发生的现象,使小胶体变大,（絮凝）,在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。,目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。,27,3吸附架桥机理（链状高分子聚合物） “胶体保护” 再稳现象,铝盐可能的混凝机理,pH3,简单水合铝离子压缩双电层,pH=4,5,多核羟基络合物吸附电中和,pH=6.5-7.5,多核羟基络合物吸附电中和,氢氧化铝起吸附架桥、网捕,天然水体一般,pH=6.5-7.8,28,铝盐可能的混凝机理 pH10,条件下水解,COO,阴离子型（,HPAM,）,水解度：,30,40,有机高分子单体的毒性问题。,有些国家严格规定不得超过,0.05%,。,36,非离子型：聚丙烯酰胺（PAM） CH2CHCONH2,发展方向：,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,）,无机复合聚合物混凝剂,传统无机约占,20%,，无机聚合物占,70%,，有机约占,10%,。,37,发展方向： 聚合硫酸铝铁（PFAS）无机复合聚合物混凝剂 传,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,高分子絮凝剂：,阳离子有机化合物,天然改性高分子：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,38,无机有机复合： 聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、高分子絮凝剂： 阳,二、助凝剂（结合混凝实验自学）,酸碱类：如石灰、硫酸等,加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸（,SiO,2,nH,2,O,）、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,Cl,2,、,O,3,等,39,二、助凝剂（结合混凝实验自学） 酸碱类：如石灰、硫酸等39,第,5,节 混凝动力学,40,第5节 混凝动力学 40,1.,胶体性质,2.,混凝剂在水中溶解与形态,混凝过程：,3.,胶体与混凝剂的相互作用,41,1.胶体性质2.混凝剂在水中溶解与形态混凝过程： 3.胶体与,碰撞是混凝的首要条件,一、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。,颗粒的碰撞速率,Np,8/(3,) KTn,2,n,：颗粒数量浓度,：运动粘度,T:,温度,凝聚速度 ：只与颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关,。,粒径大于,1,m,，布朗运动消失。,42,碰撞是混凝的首要条件 一、异向絮凝 (perikinetic,二、同向絮凝,(orthokinetic flocculation),G,U/,Z (,速度梯度，,velocity gradient, 1/s),（相邻两流层的速度增量）,碰撞速率,N,0,4/3 n,2,d,3,G,d,：颗粒粒径 ；,n,：颗粒数量浓度,由水力或机械搅拌产生,最初的理论基于层流的假定。,43,二、同向絮凝(orthokinetic flocculati,G,可由单位体积水流所耗功率,p,来计算：,p,G,p,：单位体积流体所耗功率，,W/m,3,：剪切应力,按照牛顿定律,G,(1943,年发明的，甘布公式,),：动力粘度，,Pa s,44,G可由单位体积水流所耗功率p来计算：按照牛顿定律 G,：运动粘度,=,/,，,m,2,/s,也称为甘布公式,水力搅拌,时,p,由水流本身能量消耗提供,pV,gQh,h,：水头损失（,m,）,Q,：流量,V,：水流体积,QT,T,：水力停留时间（,s,）,：密度, kg/m,3,g,：重力加速度,9.8m/s,2,45,：运动粘度= / ，m2/s 也称为甘布公式水力搅拌时,但存在问题：,1),层流假设,基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？,能量传递,微涡旋理论,外部施加能量,大涡旋,小涡旋,水的粘性影响增强，从而产生能量耗散。,与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞,使颗粒整体移动,强度不足以推动颗粒碰撞,46,但存在问题： 1) 层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算,由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞,紊流条件下颗粒碰撞速率：,N,0,8,dDn,2,D,：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和,但在紊流中，布朗扩散,紊流扩散,故，,D,u,：涡旋尺度,u,：相应的脉动速度,47,由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成,设涡旋尺度,颗粒直径,d,根据流体力学，计算脉动速度,u,，则：,G,(,/),1/2,：单位时间、单位体积流体的有效能耗,G,(p/,),1/2,48,设涡旋尺度颗粒直径dG(/)1/2：单位时间、单,2) 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 。,49,2) G增加碰撞机率增加絮凝效果增加 49,三、混凝控制指标,凝聚,絮凝,混合设备,絮凝设备,用,G,可以来判断混合和絮凝的程度,混合（凝聚）过程,(Mixing):,剧烈搅拌分散药剂,时间通常在,10,30s,，一般,2min,G,700,1000s,-1,，,50,三、混凝控制指标 凝聚混合设备用G可以来判断混合和絮凝的程度,絮凝过程 ：,不仅与,G,有关，还与时间有关,平均,G,20,70s,-1,，,GT,1,10,4,10,5,实际设计，采用,v,和,T,校核,GT,或者平均,G,最近提出,GTC,指标（建议值,100,），,C,：颗粒浓度,有关混凝动力学指标还需进一步研究。,51,絮凝过程 ：不仅与G有关，还与时间有关 实际设计，采用v和T,第,6,节 混凝影响因素,52,第6节 混凝影响因素 52,水的特性：温度、,pH,及碱度、,杂质性质与浓度,混凝剂种类：前面已有叙述,水力条件：前面已有叙述,53,水的特性：温度、pH及碱度、53,一、水温,低温，混凝效果差，原因是：,无机盐水解吸热,温度降低，粘度升高,布朗运动减弱,胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚,对策：提高投药量、添加高分子助凝剂,54,一、水温 低温，混凝效果差，原因是： 54,二、,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。,根据水质、去除对象，最佳,pH,范围也不同。,需碱度来调整,pH,，碱度不够时需投加石灰。,55,二、pH及碱度 视混凝剂品种而异。55,三、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。,对策：,加高分子助凝剂,加粘土等矿物颗粒,投加混凝剂后直接过滤,“,低温低浊,”,-,混凝困难,56,三、水中杂质浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果,四、混凝效果的评价,混凝烧杯试验（,Jar test,）,6,联搅拌机,57,四、混凝效果的评价混凝烧杯试验（Jar test）57,混凝剂投加量,浊度,最佳混凝剂投加量,不同混凝剂效能的比较,不同水和废水的混凝效果,混凝影响因素（如,pH,值、水中杂质等）,助凝剂的效果,58,混凝剂投加量浊度最佳混凝剂投加量不同混凝剂效能的比较58,混凝实验,目的：深入认识混凝现象和混凝机理，,了解混凝影响因素。,具体题目：,设计实验方案（分组）,进行实验,数据整理与问题分析,报告与讨论,59,混凝实验设计实验方案,第,7,节 混凝设备,60,第7节 混凝设备 60,一、混凝剂的配制与投配,一般采用液体投加的方式。,1,投配流程：,药剂,溶解池,溶液池,计量设备,投加设备,混合设备,61,一、混凝剂的配制与投配 一般采用液体投加的方式。 1投配流,2,计量与投加方式,计量：流量计（转子、电磁）、,孔口计量、,计量泵,投加：泵前投加,虹吸定量投加,水射器投加,泵投加,62,2计量与投加方式 计量：流量计（转子、电磁）、62,63,63,64,64,65,65,66,66,67,67,数学模型法：根据水质水量建立模型，但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，仍有一定滞后。,流动电流检测器（,SCD,）：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的电流。,絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化,3,投加量自动控制,68,数学模型法：根据水质水量建立模型，但需要大量的生产数据、涉及,二、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,2,3,秒,机械混合：搅拌,69,二、混合设备 水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。69,70,70,71,71,三、絮凝设备,1.,隔板絮凝池：由往复式和回转式两种,水头损失：局部水头和沿程水头损失,72,三、絮凝设备 1. 隔板絮凝池：由往复式和回转式两种 72,73,73,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。,各段水头损失：,：局部阻力系数,v,it,:,第,i,廊道转弯处水流速度,v,i,:,第,i,廊道内水流速度,m,i,:,第,i,廊道水流转弯次数,h,h,i,R,i,：,第,i,廊道过水断面水力半径,C,i,：流速系数,74,往复式总水头损失一般在0.30.5m各段水头损失：局部,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：不小于,0.5m,75,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,2.,折板絮凝池,与隔板式相比，水流条件大大改善。,絮凝时间,10,15,分,但安装维修较困难，折板费用较高 。,76,2. 折板絮凝池 与隔板式相比，水流条件大大改善。76,3.,机械絮凝池,速度梯度应递减。,77,3. 机械絮凝池 速度梯度应递减。77,调节容易，效果好，大、中、小水厂均可,但维修是问题。,78,调节容易，效果好，大、中、小水厂均可78,每根旋转轴全部浆板所耗功率：,79,每根旋转轴全部浆板所耗功率：79,4.,不同型式组合絮凝池,往复式回转式隔板,隔板机械,80,4. 不同型式组合絮凝池 往复式回转式隔板80,第,8,节 混凝的应用,81,第8节 混凝的应用 81,一、给水处理,以地面水为水源时，去除浊度和细菌。,经混凝沉淀后一般浊度小于,10,度 。,以地面水为水源的给水处理工艺：,原水,混凝,沉淀,过滤,消毒,饮用水,82,一、给水处理 以地面水为水源时，去除浊度和细菌。 以地面水为,二、废水处理,1,工业废水：,用于处理一些特殊废水，脱色、去除悬浮物等 。,印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。,混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。,可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。,83,二、废水处理 1工业废水： 印染废水处理：适用于含颜料、分,例：某针织厂废水,TOC,为,50,60mg/L,，,pH,值为,7.5,。,采用,PAC,混凝剂，投加量为,140mg/L,时，,TOC,去除率为,68,。,84,例：某针织厂废水TOC为5060mg/L，pH值为7.5。,含油废水处理：,乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压缩双电层。,通常采用混凝气浮工艺。,例：兰州炼油厂废水加,PAC,采用二级气浮,原水含油,50-100mg/L,投加,PAC50mg/L,一级气浮出水，油,20,30mg/L,PAC30mg/L,二级气浮出水，油,15,20mg/L,85,含油废水处理：例：兰州炼油厂废水加PAC采用二级气浮85,肉类加工厂废水处理：,例：某肉类加工厂屠宰废水,COD,为,670mg/L,，,用聚合硫酸铁处理后，,COD,去除率在,77,以上。,混凝优点：上马快、投资省、效果好，,但运转费高，沉渣多,86,肉类加工厂废水处理： 例：某肉类加工厂屠宰废水COD为670,2,废水深度处理与回用,二级生物处理出水,混凝沉淀,过滤,混凝剂,COD50 mg/L,BOD,5,: 20-30mg/L,COD: 60-100mg/L,SS: 20-30mg/L,含有粒径数,nm,到,10,m,的颗粒,市政杂用,绿化、洗车,冷却用水,去除颗粒物,氮、磷,砷、汞等,87,2废水深度处理与回用 二级生物处理出水混凝沉淀过滤混凝剂C,