給水處理第二章混凝

第二章混凝

混凝：水中膠體粒子和微小懸浮顆粒的聚集過(guò)程。與三個(gè)因素有關(guān)：水中膠體粒子的性質(zhì)、混凝劑的水解產(chǎn)物、膠體粒子與混凝劑間的相互作用。混凝與“混合”、“凝聚”和“絮凝”混合：混凝劑與水均勻混合的過(guò)程；凝聚：水中膠體“脫穩(wěn)”的過(guò)程；絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集的過(guò)程?；炷淖饔茫喝コ凉岫?、色度、部分無(wú)機(jī)與有機(jī)污染物。第一節(jié)混凝機(jī)理一、膠體的穩(wěn)定性

——膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散狀態(tài)的特性膠體的大?。篸=10-9~10-7m膠體穩(wěn)定分動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定和聚集穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定——布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)抗重力影響的性能。聚集穩(wěn)定性——膠體粒子間不能相互聚集的特性。膠體穩(wěn)定性關(guān)鍵在于聚集穩(wěn)定性親水膠體－－水化作用憎水膠體－－靜電作用引起膠體顆粒帶電的原因（1）膠體顆粒表面的吸附作用

如：SiO2

+

H2O→H2SiO3

H2SiO3→H++HSiO3

-→2H++SiO3

2-

SiO2膠核吸附SiO3

2-而帶負(fù)電

如：Fe(OH)3→FeOCl→FeO++Cl-

Fe(OH)3膠核吸附FeO+

而帶正電

HCl膠體顆粒帶電的原因（2）膠體顆粒表面的溶解

（3）膠體顆粒表面分子的電離

R-COOH在堿性溶液中電離帶負(fù)電

-NH2

在酸性溶液→-NH3·OH帶正電二、膠體的結(jié)構(gòu)膠核滑動(dòng)面吸附層和擴(kuò)散層膠團(tuán)膠核雙電層滑動(dòng)面與膠粒雙電層內(nèi)層離子—電位形成離子外層離子—反離子膠體的結(jié)構(gòu)膠核雙電層內(nèi)層離子—電位形成離子外層離子—反離子膠團(tuán)膠核雙電層滑動(dòng)面與膠粒膠體的結(jié)構(gòu)式膠體的結(jié)構(gòu)式Fe(OH)3膠體三、膠體的電位ξ電位越高，膠體越穩(wěn)定決定ξ電位的因素：（1）膠體的本質(zhì)（2）電解質(zhì)溶液的濃度（其中反離子的濃度）ξ＝0等電點(diǎn)，膠體最不穩(wěn)定DLVO理論四、混凝機(jī)理1.Al2(SO4)3在水中的化學(xué)反應(yīng)

Al2(SO4)3→Al3+→[Al(H2O)6]3+水解：

[Al(H2O)6]3++H2O

[Al(OH)(H2O)5]2++H3O+[Al(OH)(H2O)5]2++H2O

[Al(OH)2(H2O)4]++H3O+[Al(OH)2(H2O)4]++H2O

[Al(OH)3(H2O)3]

+H3O+羥基橋聯(lián)2+、2+

產(chǎn)物：1.未水解的水合鋁離子：Al3+2.單核羥基配合物：[Al(OH)2]+、[Al(OH)]2+、[Al(OH)4]-3.多核羥基配合物：[Al2(OH)2]4+、[Al3(OH)4]5+4.氫氧化鋁沉淀物：Al(OH)3

圖2.3各物種含量與pH的關(guān)系2.混凝機(jī)理（1）壓縮雙電層

Schulze-Hardy規(guī)則：加藥量一價(jià):二價(jià):三價(jià)＝1-6:2-6:

3-6投入電解質(zhì)，可壓縮膠體的雙電層（即擴(kuò)散層）厚度，從而降低滑動(dòng)面上的ζ電位，進(jìn)而降低排斥勢(shì)能峰。ζk：臨界電位只有當(dāng)水的pH小于3時(shí)，Al3+才起壓縮雙電層作用。（2）吸附-電性中和作用：

吸附作用：膠核表面直接吸附帶相反電荷的聚合離子或高分子物質(zhì)。膠核表面的電荷降低，使ζ電位降低。降至臨界電位ζk時(shí)，膠體脫穩(wěn)凝聚。pH大于3時(shí)，鋁鹽水解產(chǎn)物主要為聚合離子及多核羥基配合物，易于在膠核表面吸附，從而發(fā)生吸附-電性中和作用?；炷齽┩都恿窟^(guò)多，膠體帶上相反電荷，重新穩(wěn)定，“再穩(wěn)”現(xiàn)象（3）吸附架橋高分子物質(zhì)不論帶電與否，都與膠粒有吸附作用。高分子物質(zhì)分子鏈的一端吸附某一膠粒后，另一端會(huì)吸附另一膠粒，形成“膠?！叻肿印z?！钡男跄w?！郊軜蜃饔?。投加量過(guò)多產(chǎn)生膠體保護(hù)作用（4）網(wǎng)捕作用

當(dāng)鋁鹽或鐵鹽混凝劑投加量很大，形成大量氫氧化物，可以網(wǎng)捕、卷掃水中膠粒而產(chǎn)生沉淀分離，成網(wǎng)捕或卷掃作用。為機(jī)械作用?？偨Y(jié)★對(duì)鋁鹽或鐵鹽混凝劑而言

pH<3，主要水解產(chǎn)物水合鋁離子[Al(H2O)6]3+起壓縮雙電層作用；

pH=4.5~6，主要水解產(chǎn)物多核羥基配合物對(duì)負(fù)電荷膠體起吸附—電性中和作用，凝聚體密實(shí)；

pH=7~7.5，主要水解產(chǎn)物電中性氫氧化鋁聚合物[Al(OH)3]n起吸附架橋作用，也存在羥基配合物的吸附—電性中和作用；天然水的pH=6.5~7.8，膠體在吸附架橋和電性中和作用下脫穩(wěn)，取決于鋁鹽投加量。投加量過(guò)大，發(fā)生“再穩(wěn)”現(xiàn)象；投加量繼續(xù)增大，會(huì)發(fā)生網(wǎng)捕卷掃作用?！锔叻肿踊炷齽?/p>

陽(yáng)離子型，對(duì)負(fù)電荷膠體起電性中和與吸附架橋作用；非離子性和陰離子型，只起吸附架橋作用。第二節(jié)混凝劑和助凝劑

基本要求：混凝效果好，對(duì)人體健康無(wú)害，使用方便，貨源充足，價(jià)格低廉

1.無(wú)機(jī)混凝劑(1)硫酸鋁：Al2(SO4)3·nH2O

精制：Al2O3>15%(2)明礬：Al2(SO4)3·K2SO4·24H2OAl2O3：10.6%一、混凝劑(3)聚合鋁簡(jiǎn)稱(chēng)PAC化學(xué)式：[Al2(OH)nCl6-n]m或Aln(OH)mCl3n-m可看作AlCl3經(jīng)水解產(chǎn)生Al(OH)3中間產(chǎn)物的聚合體堿化度工業(yè)產(chǎn)品B＝50～80％聚合鋁的優(yōu)點(diǎn)1）適用范圍廣，耗藥量少，出水濁度低，色度小，過(guò)濾性能好，原水濁度高時(shí)效果更好；2）溫度適應(yīng)性高，pH適用范圍寬(pH=5~9)可不投加堿劑；3）設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，腐蝕性小，成本較三氯化鐵低；4）為無(wú)機(jī)高分子化合物，作用機(jī)理(電性中和與架橋)與硫酸鋁相似，但優(yōu)于硫酸鋁。(4)三氯化鐵：FeCl3

特點(diǎn)：1）對(duì)低溫、低濁度水混凝效果比硫酸鋁好2）有很強(qiáng)的腐蝕性，加藥設(shè)備要用耐腐蝕材料3）原水pH為6~8.4時(shí)效果較好，若原水堿度不足，應(yīng)加一定量的石灰(5)硫酸亞鐵（綠礬）：FeSO4·7H2OFe2+混凝效果較差，使用前將Fe2+氧化成Fe3+(6)聚合鐵

聚合硫酸鐵[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m優(yōu)點(diǎn)：適用處理的水濁度變化范圍寬，對(duì)原水溶解性鐵去處率高，耗量小，處理后，PH變化小2.有機(jī)高分子混凝劑聚丙烯酰胺：分子式簡(jiǎn)稱(chēng)PAM，分子量150萬(wàn)~600萬(wàn)。為合成有機(jī)高分子絮凝劑，屬非離子型，主要作用機(jī)理為吸附架橋?？赏ㄟ^(guò)水解構(gòu)成陰離子型（pH>10），充分發(fā)揮吸附架橋作用；也可通過(guò)引入基團(tuán)制成陽(yáng)離子型，對(duì)負(fù)電荷膠體有更好的混凝效果。（2）常與混凝劑配合使用，視原水濁度高低按一定的順序投加；特點(diǎn)：（1）處理高濁度水時(shí)效果顯著，可減少混凝劑用量及一級(jí)沉淀池容積；（3）固體不易溶解，在有機(jī)械攪拌的溶解槽內(nèi)配置，配制濃度一般為2%，投加濃度0.5%~1%；無(wú)腐蝕性。（4）單體有毒性，用于生活飲用水凈化時(shí)，應(yīng)符合優(yōu)等品要求。二、助凝劑常用的助凝劑：骨膠，聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物，活化硅酸，海藻酸鈉生石灰、氯為廣義上的助凝劑。第三節(jié)混凝動(dòng)力學(xué)

顆粒之間發(fā)生絮凝，必須要相互碰撞—

混凝動(dòng)力學(xué)異向絮凝：由布朗運(yùn)動(dòng)所造成的顆粒碰撞聚集；同向絮凝：由流體運(yùn)動(dòng)所造成的顆粒碰撞聚集，也叫剪切絮凝；差降絮凝：大顆粒下沉?xí)r趕上沉速較小的顆粒，因而發(fā)生碰撞，產(chǎn)生的絮凝現(xiàn)象。一、異向絮凝

——由Fick擴(kuò)散定律推導(dǎo)擴(kuò)散系數(shù)布朗運(yùn)動(dòng)造成的顆粒碰撞，與水溫成正比，與顆粒的數(shù)量濃度平方成正比。碰撞速率二、同向絮凝：流體運(yùn)動(dòng)所造成的顆粒碰撞聚集●層流狀態(tài)下，控制水體流動(dòng)的重要參數(shù)是速度梯度層流狀態(tài)下，單位體積，單位時(shí)間顆粒的碰撞次數(shù)可寫(xiě)成：●速度梯度，是指相鄰水層的水流速度差du和它們之間的距離dz之比，即：紊流狀態(tài)，甘布和斯泰因根據(jù)一個(gè)瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的單位立方體推導(dǎo)水力絮凝池中（甘布公式）（甘布公式）甘布公式：考慮紊流狀態(tài)。但未從紊流規(guī)律來(lái)解釋碰撞速率。列維奇(Levich)等根據(jù)局部各向同性紊流理論推求同向絮凝動(dòng)力學(xué)方程。與公式相似碰撞速率三、混凝控制指標(biāo)—G值工程上，混凝過(guò)程由混合與絮凝兩階段組成?；旌?，是指混凝劑、助凝劑等與水均勻混合，通過(guò)劇烈攪拌實(shí)現(xiàn)。其目的是：藥劑快速均勻分散于水中，以利于混凝劑快速水解、聚合，以及膠體脫穩(wěn)。

G值：700~1000s-1

絮凝階段，發(fā)生顆粒接觸、碰撞，逐漸長(zhǎng)大，以同向絮凝為主。絮凝過(guò)程中，絮體逐漸長(zhǎng)大，容易破碎，因此G值不宜太大。顆粒的碰撞速率與G值有關(guān)，還與GT值有關(guān)。GT值得物理意義為：反映在T時(shí)間內(nèi)單位體積水中兩種顆粒碰撞總次數(shù)的無(wú)量綱量。GT值越大，效果越好（n越?。８鶕?jù)自來(lái)水廠的絮凝池計(jì)算出的結(jié)果，G值約為20~70

s-1，GT約為104~105。生產(chǎn)實(shí)踐中，通常采用多級(jí)絮凝池。每一級(jí)可采用不同的G值，從絮凝開(kāi)始到絮凝結(jié)束，G值逐漸減小，以保護(hù)形成的絮體不被破壞。采用機(jī)械攪拌時(shí)，攪拌強(qiáng)度逐漸減小，采用水力絮凝池時(shí)，水流速度逐漸減小。因此，對(duì)于水力條件這一影響混凝過(guò)程的因素，通過(guò)控制G值或GT值，來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的混合與絮凝。前述采用的G值、GT值，還不能真正反映混凝過(guò)程的實(shí)際情況，G值不能表示有效功率消耗。對(duì)混凝機(jī)理的研究、對(duì)混凝控制指標(biāo)的研究仍然在進(jìn)行，一些研究者提出采用其他的指標(biāo)作為混凝過(guò)程的控制指標(biāo)。如：采用CVGT或αCVGT，

CV表示顆粒體積濃度，α表示有效碰撞系數(shù)但實(shí)際應(yīng)用證明，以G值或GT值作為設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)，是可以得到較好的混凝效果的。二、水溫表現(xiàn)形式：水溫低時(shí)，絮體形成緩慢，絮體細(xì)小、松散，沉淀效果差對(duì)策：對(duì)低溫水，增加混凝劑投加量、投加高分子助凝劑。三、水的pH值和堿度原因：pH值影響混凝劑的水解產(chǎn)物，從而影響到混凝效果。對(duì)不同混凝劑，影響程度不一樣。去處濁度時(shí)，鋁鹽最佳pH值：6.5～7.5，鐵鹽：6.0～8.4堿度的意義：保持穩(wěn)定的pH值。對(duì)策：堿度低，投加堿，如CaO；投加量：[CaO]=3[a]-[x]+[δ]§4

影響混凝效果的主要因素一、水力條件四、水中懸浮物濃度懸浮物濃度低時(shí)，混凝效果差。原因：影響混凝速率。對(duì)策：投加高分子助凝劑——如：聚丙烯酰胺，吸附架橋

投加礦物質(zhì)——增加混凝劑水解產(chǎn)物的凝結(jié)中心，提高顆粒碰撞速率，增加絮凝體密度。

直接過(guò)濾懸浮物濃度過(guò)高時(shí)，混凝劑用量增加。對(duì)策：投加高分子助凝劑。S4>S3>S2>S1S表示每升水中含有的微粒表面積五、混凝劑用量：混凝劑用量過(guò)小或過(guò)大混凝效果都不好§5混凝劑的配制和投加一、混凝劑的溶解和溶液配制固體投加（干法）（一般不用）液體投加（濕式）混凝劑的配制一般分為藥劑溶解（對(duì)于固體混凝劑）和加水稀釋至要求投加濃度兩個(gè)過(guò)程。溶解池：鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，防腐處理總池容：W1=(0.2～0.3)W2溶液池：鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)，防腐處理總池容：攪拌：機(jī)械攪拌、壓縮空氣攪拌、水力攪拌?？諝鈴?qiáng)度：溶解池：8～10L/(s·m2)溶液池：3～5L/(s·m2)二、混凝劑投加包括計(jì)量和投加兩個(gè)部分。計(jì)量設(shè)備——用于混凝劑的定量投加常用的有：轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、苗嘴（孔口計(jì)量）、計(jì)量泵、浮杯計(jì)量等。（2）投加方式分重力投加與壓力投加兩類(lèi)。重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加（2）投加方式分重力投加與壓力投加兩類(lèi)。重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加壓力投加：水射器投加、泵投加（3）混凝劑投加量自動(dòng)控制1）數(shù)學(xué)模型法——前饋與后饋閉環(huán)控制3）特性參數(shù)法——流動(dòng)電流檢測(cè)法、透光率脈動(dòng)法2）現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)法——模擬沉淀法、模擬濾池法§6混合和絮凝設(shè)備一、混合設(shè)備對(duì)混合設(shè)施的基本要求：藥劑與水快速均勻地混合。影響混合的因素：藥劑的種類(lèi)、濃度、原水的溫度、水中顆粒的性質(zhì)，最主要的是混合方式。反映混合的指標(biāo)主要是速度梯度G值，通常為：

700-1000s-1。（1）水泵混合（泵前加藥）利用水泵葉輪產(chǎn)生的渦流而混合。以前應(yīng)用較多，近年較少采用。（2）管式混合管式混合利用水流本身具有的勢(shì)能與動(dòng)能，作為輸入能量。常用的有管式靜態(tài)混合器、孔板式、文氏管式管道混合器、擴(kuò)散混合器等。管式混合中最簡(jiǎn)單的是直接加藥混合。構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，混合效果好。水頭損失稍大，流量小時(shí)，輸入能量降低，效果下降。解決辦法：外加能量。技術(shù)要點(diǎn)：錐形帽夾角為900，順?biāo)鞣较虻耐队懊娣e為進(jìn)水管總面積的1/4，孔板開(kāi)孔面積為進(jìn)水管總面積的3/4，混合器管節(jié)長(zhǎng)度不小于500mm，孔板處流速1.0~2.0m/s，混合時(shí)間2~3s，G值700~1000s-1。（3）機(jī)械混合設(shè)計(jì)要點(diǎn)：G值700~1000s-1，停留時(shí)間10~30s，單格或多格串聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)：能充分滿(mǎn)足混合要求，水頭損失小，適應(yīng)水量、水溫、水質(zhì)的變化，混合效果好。池型：采用圓形或方形，以方形較多。避免共同旋流措施：攪拌機(jī)軸中心適當(dāng)偏離混合池中心，混合池中設(shè)置豎直擋板。二、絮凝設(shè)備功能：提供良好水力條件，使水中脫穩(wěn)后的膠體，在絮凝設(shè)備中經(jīng)碰撞形成形成肉眼可見(jiàn)的大而密實(shí)的絮凝體。絮凝設(shè)備形式機(jī)械絮凝水平軸攪拌絮凝垂直軸攪拌絮凝水力絮凝隔板絮凝來(lái)回隔板回轉(zhuǎn)隔板折板絮凝異波折板同波折板波紋板柵條（網(wǎng)格）絮凝穿孔旋流絮凝增加顆粒絮凝泥渣循環(huán)泥渣接觸加砂循環(huán)分類(lèi)：（1）隔板絮凝池水流以一定流速在隔板之間通過(guò)而完成絮凝過(guò)程的絮凝池。結(jié)構(gòu)型式：往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、組合式——按隔