混凝攪拌實驗

混凝攪拌實驗混凝攪拌實驗第1節(jié)混凝的去除對象第2節(jié)膠體的性質(zhì)第3節(jié)水的混凝機理與過程第4節(jié)混凝劑與助凝劑第5節(jié)混凝動力學第6節(jié)混凝影響因素第7節(jié)混凝設(shè)備第8節(jié)混凝的應(yīng)用第1節(jié)混凝的去除對象混凝去除對象：膠體及部分細小的懸浮物尺寸范圍：1nm~0.1

m（有時認為在1

m）水處理中主要雜質(zhì)：粘土（50nm-4

m）細菌（0.2

m-80

m）病毒(10nm-300nm)

蛋白質(zhì)（1nm-50nm）腐殖酸混凝目的：投加混凝劑使膠體脫穩(wěn)，相互凝聚生長成大礬花,以便在后續(xù)沉淀工藝中去除。以地面水為水源的給水處理工藝：原水

混凝

沉淀

過濾

消毒

飲用水

混凝沉淀二級生物處理出水過濾廢水深度處理：1637年我國開始使用明礬凈水1884年西方才開始使用1.膠體性質(zhì)2.混凝劑在水中溶解與形態(tài)混凝過程：

3.膠體與混凝劑的相互作用第2節(jié)膠體的性質(zhì)

一、膠體的穩(wěn)定性動力學穩(wěn)定性：布朗運動對抗重力聚集穩(wěn)定性：膠體帶電相斥（憎水性膠體）水化膜的阻礙（親水性膠體）1微米的顆粒沉淀10厘米需要20小時。憎水膠體：吸附層中離子直接與膠核接觸，水分子不直接接觸膠核的膠體。親水膠體：膠體微粒直接吸附水分子。極性集團：－OH，－COOH，－NH2

二、膠體雙電層結(jié)構(gòu)動電位

粘土

=-15~-40mV細菌=-30~-70mV

電位形成離子

異號電荷吸附層擴散層三、DLVO理論

靜電斥力：ER－1/x2

EAER布朗運動能量Eb＝1.5kT<Emaxx>oc二次凝聚x<oa一次凝聚Emax（勢壘）x>oa穩(wěn)定E范德華引力：EA－1/x6（有些認為是1/x2或1/x3）蘇聯(lián)（1938年）：德加根（Derjaguin）蘭道（Landon）荷蘭（1941年）：伏維（Verwey）奧貝克（Overbeek）DLVO理論

只適用于憎水性膠體膠體的凝聚：

降低靜電斥力

電位

勢壘

脫穩(wěn)凝聚加入電解質(zhì)只適用于憎水性膠體病毒(10nm-300nm)絮凝（flocculation）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)。無機鹽水解，造成pH下降，影響水解產(chǎn)物形態(tài)。管式混合：管式靜態(tài)混合器、擴散混合器，混合時間2－3秒聚合鋁/鐵-其它合成有機高分子極性集團：－OH，－COOH，－NH2報告與討論氧化劑類：破壞干擾混凝的物質(zhì)，如有機物。由布朗運動造成的碰撞，主要發(fā)生在凝聚階段。Flocculation在實際水處理過程中，往往是四種機理綜合作用。此現(xiàn)象尚未很好從理論上得到描述。1884年西方才開始使用按照牛頓定律＝G第3節(jié)水的混凝機理與過程

一、硫酸鋁在水中的化學反應(yīng)

硫酸鋁Al2(SO4)3

18H2O[Al(H2O)6]3+

水解過程（配位水分子）：

[Al(H2O)6]3+

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

…價數(shù)

，pH

，最終產(chǎn)生Al(OH)3沉淀。6個配位水分子(八面體)硫酸鋁：使用歷史最久的混凝劑，作用機理具有代表性。H++OH-

H2OH++HCO3-

CO2+H2O水中堿度不足時，投加石灰。CaO+H2OCa(OH)2石灰投加量：[CaO]=3[a]-[x]+[][CaO]：純石灰投加量,mmol/L[a]：混凝劑投量，mmol/L；[x]：原水堿度,mmol/L[]：保證反應(yīng)順利進行的剩余堿度，一般取0.25-0.5mmol/L水解需要的堿度：縮聚反應(yīng)：兩個相鄰－OH－發(fā)生架橋，產(chǎn)生高價聚合離子2[Al(OH)(H2O)5]2+

[(H2O)4AlAl(H2O)4]4++2H2O

OHOH…電荷升高，聚合度增大產(chǎn)物包括：未水解的水合鋁離子單核羥基絡(luò)合物多核羥基絡(luò)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、水的混凝機理在水與廢水中體系復(fù)雜（大小、成份）膠體化學單一體系在水與廢水中體系復(fù)雜（大小、成份）膠體化學單一體系凝聚（Coagulation）：膠體脫穩(wěn)、凝聚絮凝（Flocculation）：脫穩(wěn)膠體變大混凝：包括兩者1．壓縮雙電層理論根據(jù)DLVO理論電解質(zhì)（混凝劑）加入

與反離子同電荷離子

壓縮雙電層

電位

穩(wěn)定性

凝聚很好地解釋港灣處的沉積現(xiàn)象。叔采－哈代（Schulze-Hardy）法則:凝聚能力

離子價數(shù)6

理論上

電位＝0，等電狀態(tài)效果最好實際只需

電位

k

Emax

0該理論不能解釋：1）混凝劑投加過多，混凝效果反而下降；2）與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子混凝效果好。臨界電位2.吸附-電性中和作用機理范德華力、氫鍵及共價鍵力++異號聚合離子高分子＋＋＋＋＋＋＋＋＋膠粒3．吸附架橋機理（鏈狀高分子聚合物）

“膠體保護”再穩(wěn)現(xiàn)象4.網(wǎng)捕或卷掃機理

金屬氫氧化物沉淀物在形成過程中對膠粒的網(wǎng)捕。小膠粒與大礬花發(fā)生接觸凝聚

―――澄清池中發(fā)生的現(xiàn)象

使小膠體變大（絮凝）在實際水處理過程中，往往是四種機理綜合作用。目前僅限于定性描述，有關(guān)定量研究近年也已開始。鋁鹽可能的混凝機理pH<3簡單水合鋁離子壓縮雙電層pH=4－5多核羥基絡(luò)合物吸附電中和pH=6.5-7.5多核羥基絡(luò)合物吸附電中和氫氧化鋁起吸附架橋、網(wǎng)捕天然水體一般pH=6.5-7.8三、混凝過程

1.凝聚（coagulation）

帶電荷的水解離子或高價離子壓縮雙電層或吸附電中和膠體電位

――膠體脫穩(wěn)――脫穩(wěn)膠體凝聚――生長成d=10m的小礬花（Floc）

特點：劇烈攪拌，使混凝劑快速分散

在混合設(shè)備中完成2.絮凝（flocculation）高聚合物的吸附架橋脫穩(wěn)膠粒

生長成大礬花(Floc)

（可以通過沉淀去除）d=0.6-1.2mm特點：需要一定時間使礬花長大，攪拌從強

弱

在絮凝設(shè)備中完成第4節(jié)混凝劑和助凝劑一、混凝劑(Coagulant)

無機混凝劑鐵鹽形成的絮體比鋁鹽絮體密實，但腐蝕性強，有顏色。m：聚合度，

10B（堿化度）＝[OH]/3[Al]×100%（50-80%）事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。對pH變化適應(yīng)性強。機理：吸附電中和與吸附架橋協(xié)同作用聚合氯化鋁PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m鋁聚合物形態(tài)對混凝的影響？“六元環(huán)”結(jié)構(gòu)模型（最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）：6個6配位八面體的鋁原子的結(jié)構(gòu)——Al6(OH)12(H2O)126+“Al13”結(jié)構(gòu)模型：12個6配位八面體的鋁原子圍繞1個4配位的鋁原子。一般認為Al13是PAC中最佳的凝聚－絮凝成份，其含量反映了產(chǎn)品的品質(zhì)。有機混凝劑

------通常起絮凝劑作用人工合成：

陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（PAM）聚氧化乙烯（PEO）兩性型天然：淀粉、動物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑非離子型：聚丙烯酰胺（PAM）－CH2－CH－CONH2[]n聚合度：20000～90000分子量：150萬～600萬對膠體表面具有強烈吸附作用。pH>10條件下水解COO－陰離子型（HPAM）水解度：30－40％有機高分子單體的毒性問題。有些國家嚴格規(guī)定不得超過0.05%。發(fā)展方向：聚合硫酸鋁鐵（PFAS）聚合氯化鋁鐵（PFAC）聚合硫酸氯化鐵（PFSC）聚合硫酸氯化鋁（PASC）聚合鋁硅（PASi）聚合鐵硅（PFSi）聚合硅酸鋁（PSA）聚合硅酸鐵（PSF）無機復(fù)合聚合物混凝劑傳統(tǒng)無機約占20%，無機聚合物占70%，有機約占10%。無機－有機復(fù)合：聚合鋁/鐵-聚丙烯酰胺、聚合鋁/鐵-甲殼素、聚合鋁/鐵-天然有機高分子、聚合鋁/鐵-其它合成有機高分子高分子絮凝劑：陽離子有機化合物天然改性高分子：無毒易降解，如甲殼素等多功能絮凝劑：絮凝、緩蝕阻垢、殺菌滅藻微生物絮凝劑二、助凝劑（結(jié)合混凝實驗自學）

酸堿類：如石灰、硫酸等加大礬花粒度和結(jié)實性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、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。如投加Cl2、O3等第5節(jié)混凝動力學1.膠體性質(zhì)2.混凝劑在水中溶解與形態(tài)混凝過程：

3.膠體與混凝劑的相互作用碰撞是混凝的首要條件

一、異向絮凝(perikineticflocculation)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Np＝8/(3

)KTn2n：顆粒數(shù)量濃度

：運動粘度

T:溫度凝聚速度：只與顆粒濃度有關(guān)，與顆粒尺寸無關(guān)。粒徑大于1

m，布朗運動消失。二、同向絮凝(orthokineticflocculation)

G＝

U/

Z(速度梯度，velocitygradient,1/s)（相鄰兩流層的速度增量）

碰撞速率N0＝4/3n2d3Gd：顆粒粒徑；n：顆粒數(shù)量濃度由水力或機械攪拌產(chǎn)生最初的理論基于層流的假定。G可由單位體積水流所耗功率p來計算：p＝

Gp：單位體積流體所耗功率，W/m3

：剪切應(yīng)力按照牛頓定律

＝

G(1943年發(fā)明的，甘布公式)

：動力粘度，Pas

：運動粘度=

/

，m2/s也稱為甘布公式水力攪拌時p由水流本身能量消耗提供pV＝

gQhh：水頭損失（m）Q：流量V：水流體積＝QTT：水力停留時間（s）

：密度,kg/m3g：重力加速度,9.8m/s2但存在問題：

1)層流假設(shè)

基于紊流理論的顆粒碰撞機率計算？能量傳遞微渦旋理論外部施加能量大渦旋小渦旋……水的粘性影響增強，從而產(chǎn)生能量耗散。與顆粒尺度相當?shù)臏u旋才會引起碰撞使顆粒整體移動強度不足以推動顆粒碰撞由于小渦旋也是做無規(guī)則的脈動，參考類似異向絮凝中布朗擴散造成的顆粒碰撞紊流條件下顆粒碰撞速率：

N0＝8dDn2D：紊流擴散系數(shù)和布朗擴散系數(shù)之和但在紊流中，布朗擴散紊流擴散故，D＝u

：渦旋尺度u

：相應(yīng)的脈動速度設(shè)渦旋尺度

＝顆粒直徑d根據(jù)流體力學，計算脈動速度u

，則：G＝(/)1/2

：單位時間、單位體積流體的有效能耗G＝(p/)1/22)G增加

碰撞機率增加

絮凝效果增加但破碎程度也增加此現(xiàn)象尚未很好從理論上得到描述。三、混凝控制指標

凝聚絮凝混合設(shè)備絮凝設(shè)備用G可以來判斷混合和絮凝的程度

混合（凝聚）過程(Mixing):劇烈攪拌分散藥劑時間通常在10～30s，一般<2minG＝700－1000s-1，絮凝過程：不僅與G有關(guān)，還與時間有關(guān)平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105

實際設(shè)計，采用v和T

校核GT或者平均G最近提出GTC指標（建議值100），C：顆粒濃度有關(guān)混凝動力學指標還需進一步研究。第6節(jié)混凝影響因素水的特性：溫度、pH及堿度、雜質(zhì)性質(zhì)與濃度混凝劑種類：前面已有敘述水力條件：前面已有敘述一、水溫

低溫，混凝效果差，原因是：無機鹽水解吸熱溫度降低，粘度升高――布朗運動減弱膠體顆粒水化作用增強，妨礙凝聚對策：提高投藥量、添加高分子助凝劑二、pH及堿度

視混凝劑品種而異。無機鹽水解，造成pH下降，影響水解產(chǎn)物形態(tài)。根據(jù)水質(zhì)、去除對象，最佳pH范圍也不同。需堿度來調(diào)整pH，堿度不夠時需投加石灰。三、水中雜質(zhì)濃度

雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機率下降，混凝效果差。對策：加高分子助凝劑加粘土等礦物顆粒投加混凝劑后直接過濾“低溫低濁”----混凝困難四、混凝效果的評價混凝燒杯試驗（Jartest）

——6聯(lián)攪拌機混凝劑投加量濁度最佳混凝劑投加量不同混凝劑效能的比較不同水和廢水的混凝效果混凝影響因素（如pH值、水中雜質(zhì)等）助凝劑的效果……

混凝實驗?zāi)康模荷钊胝J識混凝現(xiàn)象和混凝機理，了解混凝影響因素。具體題目：設(shè)計實驗方案（分組）進行實驗數(shù)據(jù)整理與問題分析報告與討論第7節(jié)混凝設(shè)備一、混凝劑的配制與投配

一般采用液體投加的方式。1．投配流程：藥劑

溶解池

溶液池

計量設(shè)備

投加設(shè)備

混合設(shè)備

2．計量與投加方式計量：流量計（轉(zhuǎn)子、電磁）、孔口計量、計量泵投加：泵前投加 虹吸定量投加水射器投加 泵投加數(shù)學模型法：根據(jù)水質(zhì)水量建立模型，但需要大量的生產(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3．投加量自動控制二、混合設(shè)備

水泵混合：投藥投加在水泵吸水口或管上。管式混合：管式靜態(tài)混合器、擴散混合器，混合時間2－3秒機械混合：攪拌2）與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子混凝效果好。膠體帶電相斥（憎水性膠體）1)層流假設(shè)基于紊流理論的顆粒碰撞機率計算？在實際水處理過程中，往往是四種機理綜合作用。氫氧化鋁起吸附架橋、網(wǎng)捕隔板絮凝池：由往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種H++OH-H2O“膠體保護”再穩(wěn)現(xiàn)象兩個相鄰－OH－發(fā)生架橋，產(chǎn)生高價聚合離子------通常起絮凝劑作用（相鄰兩流層的速度增量）靜電斥力：ER－1/x2TOC去除率為68％。：動力粘度，Pas——6聯(lián)攪拌機三、絮凝設(shè)備

1.隔板絮凝池：由往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種水頭損失：局部水頭和沿程水頭損失往復(fù)式總水頭損失一般在0.3－0.5m回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40％左右。各段水頭損失：

：局部阻力系數(shù)vit:第i廊道轉(zhuǎn)彎處水流速度vi:第i廊道內(nèi)水流速度mi:第i廊道水流轉(zhuǎn)彎次數(shù)h＝

hiRi：第i廊道過水斷面水力半徑Ci：流速系數(shù)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)大水廠設(shè)計參數(shù)：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段數(shù)：4－6段絮凝時間：20－30分隔板間距：不小于0.5m動力學穩(wěn)定性：布朗運動對抗重力2）與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子混凝效果好。水中堿度不足時，投加石灰。PAC30mg/L二級氣浮出水，油15－20mg/L但在紊流中，布朗擴散紊流擴散1微米的顆粒沉淀10厘米需要20小時。第1節(jié)混凝的去除對象有