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1、第三章 混 凝,第一节 胶体的特性与结构第二节 胶体的脱稳与凝聚 第三节 混凝剂与助凝剂 第四节 影响混凝的因素 第五节 混凝设备,第一节 胶体的特性与结构,一、胶体特性 1、光学性质：指胶体在水溶液中能引起光的反射 2、力学性质：主要是指胶体的布朗运动。 3、表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由 能, 胶体具有强烈的吸附能力和水化作用。 4、动电现象：包括电泳与电渗，二者都是由于外 加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相 与液相间产生的相对移动。,return,电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这
2、种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电；向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电。,电泳与电渗,return,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,胶体的结构,两种电位随距离的变化情况,第二节 胶体的脱稳与凝聚,一、基本概念,混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。 凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 混凝过程涉及：水中胶体的性质；混凝剂在水中的水解；胶体与混凝剂的相互作用。,return,由胶体
3、粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面处最大，并沿着胶粒表面向外的距离呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等. 当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度将从图上的oa减小至ob。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。 由于扩散层厚度的减小， 电位相应降低，因此胶粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力相应变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主变成以引力为主(排斥势能消失了)，胶粒得以迅速凝聚。,1、压缩双电层机理,二、混凝机理,胶粒表面对异号离
4、子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少厂静电斥力，降低下电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。,2、吸附电中和,吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥联的过程。当三价铝盐或铁盐及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解、缩聚反应形成高分子聚合物，具有线形结构。这类高分子
5、物质可被胶粒所强烈吸附。聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。因其线形长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐变大，形成粗大絮凝体。,3、吸附架桥机理,本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象.因为废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶较后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。 在废水处理中，对高分子絮凝剂投加量及搅拌时间和强度都应严格控制，如投加量过大时，一开始微粒就被若干
6、高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，结果造成胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到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，造成再稳定状态。 显然，在吸附桥联过程中，肢粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。,当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物如Al(OH)3，Fe(OH)3)或带金属碳酸盐(如CaCO3)时,水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。水中胶粒本身可作为这些沉淀所形成
7、的核心时，凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越少。,4、沉淀物网捕机理,硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝Al2（SO4）18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以Al(H2O)63+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。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、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。,硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。 pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用； pH
8、=45 多核羟基络合物起吸附电性中和； pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；,三、同向絮凝 1.层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。 颗粒的碰撞速率按下式计算： (3-1) 在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体， 设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速 度 为： (3-2),转矩 为： (3-3) 于是单位体积水所耗功率p为： (3-4) 由于 ，故 (3-5),当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定： (3-6) 则采用水力絮凝池时， (3-7),2.同向紊流理论,同向紊流理论： 外部施加的能量形成大涡
9、旋；大涡旋将能量输送给不涡旋；小涡旋将能量输送给更小的涡旋；只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞； （3-8） 式中，紊流扩散系数 ，为相应于尺度的脉动速度，为 （3-9） 故 （3-10）,四、 异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按下式计算： (3-11) 式中：DB：布朗运动扩散系数， T为温度，为水的运动粘度，为水的密度； 因此： (3-12) 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但 当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,第三节 混凝剂和助凝剂,一、 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人 体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。 目前混凝剂的种类有不少于200300
10、种，分为无 机与有机两大系列，见表6-1。 与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：适用 的pH值范围较宽；形成的絮凝体比铝盐絮凝体密 实；处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；但三氯 化铁腐蚀性较强。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将 二价铁氧化成三价铁。,return,聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算： 聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。,表6-1 常用的混凝剂,二、助凝剂 助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂 可称为
11、助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混 凝。广义上可分为以下几类： 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、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。,第四节 影响水混凝的主要因素,一、概述 影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括： 原水性质，包括水温、水化学特性、杂 质性质和浓度等； 投加的混凝剂种类与数量； 使用的絮凝设备及其相关水力参数。,return,水温 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细 小、松散，凝聚效果较差。其原因有： 无机盐水解吸热； 温度降低，粘度升高，布朗运动减弱； 水温低时，胶体水化
12、作用增强，妨碍凝聚； 水温与水的pH值有关,原水性质的影响,pH值和碱度 水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。 当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。 石灰投量按下式估算： CaO=3a x + （6-13） 式中CaO：纯石灰CaO投量，mmol/L； a：混凝剂投量，mmol/L； x：原水碱度，按mmol/L，CaO计； ：保证反应顺利进行的剩余碱度,悬浮物浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。采取的对策有： 加高分子助凝剂； 加粘土 投加混凝剂后直接过滤 如果
13、原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。,混凝剂的影响,混凝剂种类 混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。对于高分子混凝剂而言，链状分子上所带电荷量越大，电荷密度超高，链状分子越能充分延伸，吸附架桥的空间范围也就越大，絮凝作用就越好。,混凝剂投加量 投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂
14、品种、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。一般的投加量范围是：普通铁盐、铝盐为1030mgL；聚合盐为普通盐的1/31/3；有机高分子混凝剂通常只需15mg/L，且投加量过量，很容易造成胶体的再稳。,混凝剂投加顺序 当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理的胶粒在50m以上时,常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层两使胶体脱稳。,水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。搅拌强度常用速度梯度G来
15、表示。在混合阶段，要求混凝剂与废水迅速均匀的混合，为此要求G在5001000s-1，搅拌时间t应在1030s。而到了反应阶段，既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在2070s-1和1530min。为确定最佳的工艺条件，一般情况下，可以用烧杯搅拌法进行混凝的模拟试验。试验方法分为单因素试验和多因素试验。一般应在单因素试验的基础上采用正交设计等数理统计法进行多因素重复试验.,水力条件,第五节 混凝设备,混凝剂的配制 溶解池容积W1： W1=（0.2-0.3）W2 （6-14） 式中W2为
16、溶液池容积。 （6-15） 式中：W2溶液池容积，m3 Q处理的水量，m3/h a混凝剂最大投加量，mg/L c溶液浓度，一般取5%-20% n每日调制次数，一般不超过3次,return,混凝剂投加 混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。 1.计量设备 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；计量泵等。,2.投加方式 （1）泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者。 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高。,（3）水射器投加：设备简单，使 用方便，溶液池高度限制 小，但效率低，易磨损。 （4）泵投加：不必另设计
17、量设 备，适合混凝剂自动控制系 统，有利于药剂与 水混合。,混合设备 （1）水泵混合 投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。,（2）管式混合 管式静态混合 器：流速不宜小于 1m/s，水头损失不小 于0.3-0.4m，简单易 行。,扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，流速为1.0-1.5m/s，混合时间2-3s。,（3）机械混合 在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度70
18、0-1000s-1，时间10-30s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。,絮凝设备 1.隔板絮凝池 隔板絮凝池分往复式和回转式。,隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。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。 隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。,2. 折板絮凝池 通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高
19、。,3. 机械絮凝池 搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。 第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。,设计参数 絮凝时间10-15分。 池内一般设34挡搅拌机。 搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定， 线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。 桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超 过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度 宜取1030cm。 优缺点 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。,4.穿孔旋流絮凝池 由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也
20、相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。 穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。,5.网格、栅条絮凝池 网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。 网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。,6.不同形式絮凝池组合应用 每种形式的絮凝池各有其优缺
21、点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。,澄清池,澄清池是能够同时实现混凝剂与原水的混合、反应和絮体沉降三种功能的设备。它利用的是接触凝聚原理，即为了强化混凝过程，在池中让已经生成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮泥渣层(接触凝聚区)，当投加混凝剂的水通过它时，废水中新生成的微絮粒被迅速吸附在悬浮泥渣上，从而能够达到良好的去除效果。所以澄清池的关键部分是接触凝聚区。保持泥渣处于悬浮、浓度均匀稳定的工作条件已成为所有澄清池共同特点。,根据
22、泥渣与废水接触方式的不同，澄清池可分为两大类：一类是悬浮泥渣型，它的泥渣悬浮状态通过上升水流的能量在池内形成的，当水流从下往上通过泥渣层时，截留水中夹带的小絮体，主要形式有悬浮澄清池、脉冲澄清池等；另一类是泥渣循环型，即让泥渣在竖直方向上不断循环，通过该循环运动捕集水中的微小絮粒,并在分离区加以分离，主要形式有机械加速澄清池和水力循环加速澄清池。在废水处理中，应用最广泛的机械加速澄清池。,工作过程 废水从进水管进入环形配水三角槽,混凝剂通过投药管加在配水三角槽中，再一起流入混合室，进行水与药剂和回流污泥的混合。由于涡轮的提升作用，混合后的泥不被提升到反应室，继续进行混凝反应,并溢流到导流室。导流室中有导流板，使废水平稳地沿伞形罩进入分离室，分离,室中设有排气管，将废水中带入的空气排出，减少对泥水分离的干扰，泥渣便靠重力自然下沉，清液由集水槽和出水管流出池外。,