建筑工程給排水水處理-凝聚和絮凝

1、第3章 凝聚和絮凝 建筑工程學(xué)院給排水教研室混凝(coagulation)的定義 混凝的去除對象 膠體及部分細(xì)小的懸浮物 粒徑范圍在1nm0.1m（有時認(rèn)為在1m）混凝目的 投加混凝劑使膠體脫穩(wěn),相互凝聚生長成大礬花。混凝的定義 包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)兩個步 驟,凝聚是指使膠體脫穩(wěn)并生成微小聚集體的過程, 而絮凝是指使脫穩(wěn)的膠體或微小懸浮物聚結(jié)成大的 絮凝體的過程。混凝過程涉及到三個方面的問題 水中膠體的性質(zhì) 混凝劑在水中的水解與形態(tài) 膠體與混凝劑的相互作用3.1 膠體的穩(wěn)定性一.膠體的穩(wěn)定性 動力學(xué)穩(wěn)定性 布朗運動對抗重力。 聚集穩(wěn)定性 膠體帶電

2、相斥（憎水性膠體） 水化膜的阻礙（親水性膠體）兩者之中,聚集穩(wěn)定性對膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。二.膠體的雙電層結(jié)構(gòu)d膠核滑動面圖 3-1 膠體雙電層結(jié)構(gòu)示意 電位：決定了膠體的聚集 穩(wěn)定性。 一般粘土電位- 15-40mV 細(xì)菌電位-30-70mV 膠體的凝聚：降低靜電斥力電位勢壘脫穩(wěn)凝聚辦法：加入電解質(zhì)，但只 適用于憎水性膠體三.DLVO理論3-2 一.鋁鹽在水中的化學(xué)反應(yīng) 鋁鹽最有代表性的是硫酸鋁Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即離解鋁離子,通常是以Al(H2O)63+存在.在水中,會發(fā)生下列過程。 1.水解過程 配位水分子發(fā)生水解： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)

3、52+ H+ . 其結(jié)果是：價數(shù)降低，pH降低，最終產(chǎn)生Al(OH)3沉淀3.2 混凝機理2.縮聚反應(yīng) OH發(fā)生架橋,產(chǎn)生高價聚合離子(多核羥基配合物) . 其結(jié)果是：電荷升高，聚合度增大 同時多核羥基配合物還會繼續(xù)水解。 因此,產(chǎn)物包括：未水解的水合鋁離子 單核羥基配合物 多核羥基配合物 氫氧化鋁沉淀 各種產(chǎn)物的比例多少與水解條件(水溫、pH、鋁鹽投加量)有關(guān)。二.膠體的凝聚機理目前比較公認(rèn)的凝聚機理有四個方面：壓縮雙電層作用吸附-電中和作用吸附-架橋作用網(wǎng)捕-卷掃作用（1）壓縮雙電層作用加入電解質(zhì)，形成與反離子同電荷離子，產(chǎn)生壓縮雙電層作用，使電位降低，從而膠體顆粒失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生凝聚作用

4、。該機理認(rèn)為電位最多可降至0。因而不能解釋以下兩種現(xiàn)象：混凝劑投加過多，混凝效果反而下降；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。 3-3 （2）吸附電中和作用 （3）吸附架橋作用 是指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋，架橋模型示意見圖3-4。 高分子絮凝劑投加后，通常可能出現(xiàn)以下兩個現(xiàn)象： 高分子投量過少，不足以形成吸附架橋； 但投加過多,會出現(xiàn)“膠體保護”現(xiàn)象，見圖3-5。 (4)網(wǎng)捕或卷掃吸附架橋作用模型示意圖3-43-5三.絮凝機理異向絮凝（perikinetic flocculation） 由布朗運動所引起的膠體顆粒碰撞聚集。同向絮凝（orthokinetic

5、flocculation） 由外力（水力或機械力）推動所引起的膠體顆粒碰撞聚集。四.影響混凝效果的主要因素(1) 水溫的影響(2) 水的pH值的影響(3) 水的堿度的影響(4) 水中濁質(zhì)顆粒濃度的影響(5) 水中有機污染物的影響(6) 混凝劑種類與投加量的影響(7) 混凝劑投加方式的影響(8) 水力條件的影響3.3 混凝劑一.混凝劑 種類有不少于200300種其分類見表3-1 無機鋁系 硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS） 適宜pH：5.58 鐵系 三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國內(nèi)生產(chǎn)少）聚合硫酸鐵聚合氯化鐵 適宜pH：511，但腐蝕性強 有機 人工合成 陽離子型：含氨基、亞氨基的聚

6、合物 國外開始增多，國內(nèi)尚少 陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非離子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO） 兩性型： 使用極少 天然 淀粉、動物膠、樹膠、甲殼素等 微生物絮凝劑 表3-1 常用混凝劑無機復(fù)合聚合物混凝劑 無機有機復(fù)合 有機高分子絮凝劑 發(fā)展方向二.助凝劑 凡能提高或改善混凝劑作用效果的化學(xué)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：酸堿類：調(diào)整水的pH，如石灰、硫酸等；加大礬花的粒度和結(jié)實性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨膠、高分子絮凝劑；氧化劑類：破壞干擾混凝的物質(zhì)，如有機物。可投加Cl2、O3等。三.混凝劑選用原則混凝

7、效果好無毒害作用貨源充足成本低新型藥劑的衛(wèi)生許可借鑒已有經(jīng)驗 3.4 混凝動力學(xué)一.異向絮凝動力學(xué) 由布朗運動造成的碰撞，主要發(fā)生在凝聚階段。顆粒的碰撞速率 Np8/(3) KTn2 (3-1) n：顆粒數(shù)量濃度 ：運動粘度 凝聚速度決定于顆粒碰撞速率。Np只與顆粒 數(shù)量有關(guān)，而與顆粒粒徑無關(guān)。 當(dāng)顆粒的粒徑大于1m，布朗運動消失。 二.同向絮凝動力學(xué) 由水力或機械攪拌產(chǎn)生。 其理論仍在發(fā)展之中。 最初的理論基于層流的假定。層流條件下顆粒的碰撞示意見圖3-6。 xy扭轉(zhuǎn)方向圖 3-7 速度梯度計算圖示圖 3-6 層流條件下顆粒碰撞示意x 1.層流理論 層流條件下顆粒的碰撞示意見圖6-7。 顆粒

8、的碰撞速率按下式計算：(3-2) 在被攪動的水流中，考慮一個瞬間受煎而扭轉(zhuǎn)的隔離體， 見圖3-7。設(shè)在時間 內(nèi)，隔離體扭轉(zhuǎn)了 角度，于是角速度 為： (3-3) 轉(zhuǎn)矩 為：(3-4) 于是單位體積水所耗功率p為：(3-5) 由于 ，故 (3-6) 當(dāng)采用機械攪拌時，p由機械攪拌器提供。 當(dāng)采用水力絮凝池時，p應(yīng)為水流本身所消耗的能量，由下式?jīng)Q定： (3-7) 則采用水力絮凝池時， (3-8) 2.同向紊流理論 外部施加的能量形成大渦旋；大渦旋將能量輸送給小渦旋；小渦旋將能量輸送給更小的渦旋；只有尺度與顆粒尺寸相近的渦旋才會引起顆粒碰撞。（3-9） 式中，紊流擴散系數(shù) ， 為相應(yīng)于尺度的脈動速度

9、，為（3-10） 故（3-11） 三.混凝過程的控制指標(biāo) 用G可以來判斷混合和絮凝的程度： 混合(凝聚)過程：G7001000s-1，但劇烈攪拌是為盡快分散藥劑,時間通常在1020s,一般2min. 絮凝過程：不僅與G有關(guān)(隨著絮凝的進行,G值應(yīng)逐漸減小)， 還與時間有關(guān)。平均G2070s-1， GT1104105實際設(shè)計，采用V和T，反過來校核GT或者平均G最近采用：GTC(建議值100), C：顆粒濃度一. 混凝劑的溶解和溶液配制 溶解池容積W1：W1=（0.20.3）W2 （3-12）式中W2為溶液池容積。 （3-13）式中：W2溶液池容積，m3 Q處理的水量 m3/ h a混凝劑最大投

10、加量，mg/L c溶液濃度，一般取5%20% n每日調(diào)制次數(shù)，一般不超過3次3.5 混凝過程 二.混凝劑的計量 常用的計量設(shè)備 計量泵 流量計（轉(zhuǎn)子、電磁） 孔口 苗嘴等。三.混凝劑的投加方式 （1）泵前投加 （2）高位溶液池重力投加 （3）水射器投加 （4）泵投加 123456h578910圖 3-8 泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球閥；6-投藥苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-壓水管； 325687圖 3-9 高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球閥；6-流量計；7-調(diào)節(jié)閥；8-壓力水；14123645高壓水

11、圖 3-10 水射器投加1-溶液池；2-投藥箱；3-漏斗；4-水射器；5-壓水管；6-高壓水管 1-溶液池；2-計量泵；3-壓水管圖 3-11 計量泵投加321四.混凝劑投加量自動控制 數(shù)學(xué)模型法：需要大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、涉及儀表多 現(xiàn)場模擬試驗法：根據(jù)試驗結(jié)果反饋到投藥，仍 有一定滯后。 流動電流檢測器（SCD）：流動電流是指膠體擴散層中反離子在外來作用下隨流體流動而產(chǎn)生的電流。 絮凝監(jiān)測器：利用光電原理檢測水中絮凝顆粒變化五.快速混合 目的 使膠體顆粒凝聚脫穩(wěn) 要求 強烈、快速、短時六.絮凝反應(yīng) 目的 促使細(xì)小顆粒有效碰撞逐漸增長成大顆粒 要求 G由大 小 有足夠的反應(yīng)時間 兩個條件（P85）

12、3.6 混凝設(shè)施一.混合設(shè)施（1）水力混合（2）水泵混合（3）管式混合（4）機械混合水泵混合 投藥投加在水泵吸水口或管上?；旌闲Ч?，節(jié)省動力，各種水廠均可用，常用于取水泵房靠近水廠處理構(gòu)筑物的場合，兩者間距不大于150m。管式混合 管式靜態(tài)混合器：流速不宜小于1m/s，水頭損失不小于0.30.4m，簡單易行，見圖3-10。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1.01.5m/s，混合時間23s。管節(jié)長度不小于500mm。水頭損失約0.30.4，直徑在DN200DN1200，見圖3-1

13、0。 圖 3-12 管式靜態(tài)混合器圖 3-13 擴散混合器藥劑原水管道 管道 單元混合體靜態(tài)混合器原水原水管投藥套管塑料管孔板錐帽擋板支架 機械混合 在池內(nèi)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7001000s-1，時間1030s以內(nèi)，優(yōu)點是混合效果好，不受水質(zhì)影響，缺點是增加機械設(shè)備，增加維修工作,電耗。 二. 絮凝設(shè)施 水力絮凝反應(yīng)設(shè)施 隔板絮凝池 折板絮凝池 柵條（網(wǎng)格）絮凝池 穿孔旋流絮凝池 機械絮凝反應(yīng)設(shè)施 其他形式的絮凝池 1.隔板絮凝池 隔板絮凝池 往復(fù)式 （見圖3-14） 回轉(zhuǎn)式 （見圖3-15） 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(fù)式總

14、水頭損失一般在0.30.5m，回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40左右。 隔板絮凝池特點：構(gòu)造簡單、管理方便，但絮凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應(yīng)大水廠。 圖 3-14 往復(fù)式隔板絮凝池19.7m22.0m進水接沉淀池2.8m接沉淀池進水管進水管圖 3-15 回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池 流速：起端0.5-0.6m/s,末端0.2-0.3m/s段數(shù)：46段; 轉(zhuǎn)彎處過水?dāng)嗝娣e為廊道過水?dāng)嗝娣e的1.21.5倍； 絮凝時間：2030min； 隔板間距：不小于0.5m，池底應(yīng)有0.020.03坡度直徑不小于150mm的排泥管； 各段的水頭損失 ，總水頭損失隔板絮凝池的設(shè)計參數(shù)： 通常采用豎流式，它將隔板絮凝池的平板隔板改

15、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3-16與圖3-17。2.折板絮凝池 圖 3-16 單通道折板絮凝池剖面示意進水出水進水出水（）（）（a）同波折板 （b）異波折板 圖 3-17 多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水進水平面圖進水A-A剖面折板 網(wǎng)格、柵條絮凝池設(shè)計成多格豎井回流式。每個豎井安裝若干層網(wǎng)格或柵條，各豎井間的隔墻上、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(wǎng)或密柵，中段為疏網(wǎng)或疏柵，末段不安裝網(wǎng)、柵。網(wǎng)格（

16、柵條）絮凝池的示意圖見圖3-18。3.網(wǎng)格、柵條絮凝池 圖 3-18 網(wǎng)格（或柵條）絮凝池平面示意圖 （圖中數(shù)字表示網(wǎng)格層數(shù)）進水平面布置（2）網(wǎng)格（3）柵條下面進出水上面進出水水流向上水流向下 網(wǎng)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泥現(xiàn)象，小數(shù)水廠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格上滋生藻類、堵塞網(wǎng)眼現(xiàn)象。其設(shè)計參數(shù)見表3-2。 網(wǎng)格和柵條絮凝池在不斷完善和發(fā)展之中，絮凝池宜與沉淀池合建，一般布置成兩組并聯(lián)形式。每組設(shè)計水量一般為1.02.5萬m3/d之間。表3-2 柵條、網(wǎng)格絮凝池主要設(shè)計參數(shù) 絮凝池型1絮凝池分段 柵條縫隙或網(wǎng)格孔眼尺寸（mm）板條寬度（mm） 豎井平均流 速（m/s） 過

17、柵或過網(wǎng)流速（m/s） 豎井之間孔洞流速（m/s)柵條或間格構(gòu)件布設(shè)層數(shù)（層）/層距（cm）絮凝時間（min）流速梯度（s-1）柵條絮凝池 前段（安放密柵格） 50500.120.140.250.30 0.300.20 16/60 35 70100 中段（安裝疏柵條） 80500.120.14 0.220.25 0.200.15 8/60 35 4060 末段（不安放柵條） 0.100.14 0.100.14 45 1020 網(wǎng)格絮凝池前段（安放密網(wǎng)格） 808035 0.120.14 0.250.30 0.300.20 16/6070 35 70100 中段（安裝疏網(wǎng)格） 100100 35

18、 0.120.14 0.220.35 0.200.15 16/6070 35 4050 末段（不安放網(wǎng)格） 0.100.14 0.100.14 45 1020 由若干方格組成。分格數(shù)一般不少于6格。流速逐漸減小，G也相應(yīng)減小以適應(yīng)絮凝體形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝時間1525min。穿孔旋流絮凝池的平面示意圖見圖3-19。 穿孔旋流絮凝池的優(yōu)點是構(gòu)造簡單，施工方便，造價低，可用于中、小型水廠或與其他形式的絮凝池組合應(yīng)用。 4.穿孔旋流絮凝池 圖 3-19 穿孔旋流絮凝池平面示意圖上面進水下面進水 機械絮凝池的剖面示意見圖3-20。 攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水平軸式和垂直軸式。 第一格攪拌強度最大，而后逐步減小，G值也相應(yīng)減小，攪拌強度決定于攪拌器轉(zhuǎn)速和槳板面積。 機械絮凝池 圖 3-20 機械絮凝池剖面示意進水進水接沉淀池接沉淀池（）（）（）水平軸式； （）垂直軸式漿板；2-葉輪；3-旋轉(zhuǎn)