（市政工程专业论文）微涡旋水力澄清器中颗粒物Zeta电位试验研究.pdf

摘要 z e t a 电位是反映胶体和悬浮物稳定性的重要指标。从z e t a 电位的角度讨论絮凝反 应机理，研究设计微涡旋水力澄清器，对于提高饮用水水质有重要意义。 本文针对目前高密度澄清工艺研究热点，结合涡流扩散理论、翼片隔板理论、泥渣 悬浮理论、小间距斜板沉淀理论以及物料衡算方程设计了微涡旋水力澄清器。并用沪河 泥沙和市政管网自来水配置成试验用原水，结合静态试验对本澄清器的净水机理和效能 做试验验证，得出以下结论： ( 1 ) 从烧杯实验可以看出，通过加大混凝剂投加量以及调节p h 值，投加助凝剂 都能有效的提高混凝剂的混凝性能； ( 2 ) 通过相应的z e t a 电位变化可以看出，p f s 、p a c 、p a f c 混凝的时候是以吸 附架桥作用为主，电性中和作用为辅，而a s 是以电性中和为主，兼有吸附架桥作用， p a m 主要起吸附架桥作用，同时兼有电性中和作用； ( 3 ) 从处理效果看，单独投加时p a f c 处理效果优于p f s 、p a c 、a s ，p a m 联合 投加时，可改善絮体结构，使细小松散的絮凝体变得粗大而密实，减少沉淀时间，综合 比较初步选出p a f c 为动态试验使用药剂，选用p a m 为动态试验助凝剂； ( 4 ) 本澄清器在稳定状态下运行一定时间内，测得翼片隔板反应区同一取样口的 水样浊度基本稳定在6 3 0 删6 6 8 胛u 之间，z e t a 电位基本稳定在1 3 0 m y 1 3 7 m v 之间，说明澄清器运行情况基本稳定； ( 5 ) 当澄清器运行稳定后，在清水区同一取样点取水样，单独投加p a f c 时，处 理后水样的余浊为2 5 6 胛u ，水样中颗粒物的z e t a 电位为一6 8 2 m v ，p a f c + p a m 联合 投加时，处理后水样的余浊为2 1 3 兀，水样中颗粒物的z e t a 电位为一5 3 6 m y ，可见联 合投加优于单独投加，出水水质情况良好。 关键词：z e t a 电位；微涡旋；推流式反应器 a b s t r a c t z e t ap o t e n t i a li sa l l i m p o r t a n ti n d e xw h i c hr e f l e c t st h es t a b i l i t yo fc o l l o i d s a n d s u s p e n s i o n f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fz e t ap o t e n t i a l ，d i s c u s s i n gt h ef l o c e u l a t i o nr e a c t i o n m e c h a n i s m ，r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt h ee n t i r e s c r o l lh y d r a u l i cc l a r i f y , i si m p o r t a n tf o r i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fd r i n k i n gw a t e r t h ec l a r i f i e ro fh i g hd e n s i t yr e t i c u l a rf l o c c u l a t i o nw a sd e s i g n e d ，w h i c hw a sb a s e do nt h e r e s e a r c h h o t s p o to fh i g hd e n s i t yc l a r i 聊n gt e c h n o l o g ya n d i nc o m b i n ew i t hv o r t e x d i f f u s i o n ，s l u d g es u s p e n s i o nl a y e r , w i n gs h e e tt y p ei n c l i n e dp l a t e st h e o r ya n dm a t e r i a lb a l a n c e c a l c u l a t i o ne q u a t i o n t h i sc l a r i f i e r sm e c h a n i s ma n de f f e c t i v e n e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o nw a s i d e n t i f i e db yt h er a ww a t e rw i t ht h eb e dm u do fc h a nr i v e r t h ec o n c l u s i o n sw e r eb e l o w ： ( 1 ) w ec a ns e ef r o mt h eb e a k e re x p e r i m e n t ，b ya d d i n gt h eq u a n t i t yo ft h ec o a g u l a n ta n d r e g u l a t eap hv a l u e ，m i xc o a g u l a n tt oa d dq u a n t i t ya n dap hv a l u et h r o u g ha na n l a r g e m e n t ， a d dc o a g u l a n ta i d sa l s oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fc o a g u l a n t ( 2 ) w ec a ns e ep f s 、p a ca n dp a f cc o a g u l a n tw i t ht h ez e t ap o t e n t i a lp a s s e dt o c o r r e s p o n dc h a n g e sd i a g r a ma n dc a ns e e ，m a i n e f f e c tw i t ha d s o r bt h eb r i d g i n gf u n c t i o na s l o r d ，g e ta ne l e c t r i cs h o c ks e xn e u t r a l i z a t i o nf o ra s s i s t ，b u tt h ea st a k eg i v i n go rg e ta n e l e c t r i cs h o c ks e xt om o d e r a t ea sal o r d ，a n dh a v ea d s o r bt h eb r i d g i n gf u n c t i o n t h ep a m m a i n l yh a sa l r e a d ya d s o r b e dab r i d g i n gf u n c t i o n ，i nt h em e a n t i m ea n dh a v et h ee l e c t r i c i t y n e u t r a l i z a t i o n ( 3 ) s e ef r o mt h ep r o c e s s i n gr e s u l t ，w et h r o wt oa d da l o n eh o u rp a f cp r o c e s s i n gr e s u l t b e t t e rt h a np f s 、a s ，w h e nm a t c ha d d i n gp a mc a ni m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ef l o e i tc a n m a k eas m a l lf l o eb e c o m eb u c k l ya n da i r t i g h ta c t u a l l y , d e c r e a s et h ep r e c i p i t a t e st i m e ， s y n t h e s i sc o m p a r i s o nf i r s ts t e pt os e l e c tp a f ct oe x p e r i m e n tt h eu s a g em e d i c i n ef o rd y n a m i c s t a t e ，c h o o s et ou s ep a m a sad y n a m i ce x p e r i m e n tc o a g u l a n ta i d s ( 4 ) t h i sc l a r i f i e ro p e r a t e si nac e r t a i np e r i o do f t i m ei nas t a b l ec o n d i t i o n ，m e a s u r i n g w a t e rt u r b i d i t yi si nt h eb a s i cs t a b i l i t yo ff r o m6 3 0t o6 6 8 ，z e t ap o t e n t i a li si nt h eb a s i c s t a b i l i t yo ff r o m13 0m v t o13 7 m y , w h i c hb o t ha r ef r o mt h es a m es a m p l i n ga r e ai nt h ew i n g s l i c er e a c t i o nz o n e i ti sn o t e dt h a tt h ec l a r i f i e ro p e r a t e si nas t a b l es i t u a t i o n ( 5 ) w h e nt h ec l a r i f i e rw a sc i r c u l a t e di ns t a b i l i t yo p e r a t i o n ，w et o o kt h ew a t e rs a m p l eo n t h es a m ep o i n t t h er e s i d u a lt u r b i d i t yo ft h ew a t e rs a m p l ew a s2 5 6 ，a n dt h ez e t ap o t e n t i a lo f t h ep a r t i c u l a t em a t t e rw a s 一6 8 2 m vw h e no n l ya d d e dp a f c t h er e s i d u a lt u r b i d i t yo ft h e w a t e rs a m p l ew a s2 13 ，a n dt h ez e t ap o t e n t i a lo ft h ep a r t i c u l a t em a t t e rw a s 一5 3 6 m vw h e n a d d e dp a f ca n dp a m c o m b i n e d t h e r e f o r e ，a d d i n g c o m b i n e dw a sb e t t e rt h a na d d i n g s i n g l e ， t h ew a t e rq u a l i t yo fe f f l u e n tw a s g o o d k e yw o r d s ：z e t ap o t e n t i a l ；m i c r o v o r t e x ；p l u g - - f l o w - r e a c t o r i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：国d 妒年矿月岁。日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名： o 芦髟年j 月弓3 日 2 矿年乡月；d 日v ， 长安大学硕十学位论文 1 1 问题的提出及工作的意义 第一章绪论 水是城市生存和发展必不可少的支持要素。城市给水工程是城市最基本的市政工 程，它直接关系着城市建设和发展以及城市的文明、安全、居民的生活质量，也关系着 城市的可持续发展【啦】。由于我国水资源分布不均、资源匾乏、污染严重，加之对水量 的片面索取、过量开采或边开采边污染，造成了水生态环境的急剧恶化。 随着水质污染的加剧，水处理工艺已由重视“水量 过渡到重视“水质 ，使污水 处理由“粗放”型向去除n 、p 等深度处理转化，净化及排污设施由传统的土建处理构 筑物向小型的、成套的处理设备转化，运行控制系统由人工控制向自动监测控制转化。 同时社会对饮用水水质的要求在不断提高，发达国家提出了更加严格的水质新标准，我 国新的生活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 于2 0 0 7 年7 月1 日起实施，规定指标 由原标准的3 5 项增至1 0 6 项，其中制定了常规指标4 2 项，非常规指标6 4 项。新标准 最大变化之一是水厂出水浊度由原来的3 彤降为1 形。然而，目前我国水司中除 少部分新建的或规模较大的水司目前出水浊度已接近或达到了新的水质标准要求外，相 当一部分早期建设的中小型水司都不同程度地存在供水水质不达标的问题。 所以进一步完善城市给水工程，改进水处理工艺提高出水水质对于提升城市人居环 境品质的意义是不言而喻的。对此有两种解决的办法，一种通过降低现有水厂的处理规 模来达到提高出水水质的目的，但这样势必要新建水厂，以满足城市对供水规模的要求； 另一种方法是通过对现有水处理系统运行管理的优化，实施挖潜改造，在基本维持现有 供水规模或降幅不大的前提下，提高供水水质，以达到新的水质标准。( ( 2 0 1 0 年发展规 划也提出了“加强科学管理充分发挥每一工艺构筑物的作用【3 】，对现有工艺进行“必 要的合理的技术改造，充分发挥常规处理效果”的规划目标【4 1 。可以预见，在今后一段 时期内，现有工艺挖潜与技术改造将是我国供水行业的重要工作内容和研究课题。如今 国家提倡发展循环经济，建立节约型社会，并把节水、节地和节能作为发展的主题，实 现可持续发展，而澄清器作为典型的给水处理工艺，集混合、絮凝和沉淀为一体，在节 水、节地和节能方面有较大的优势。 因此，本课题以微涡旋水力澄清器水样中颗粒物的z e t a 电位为研究对象，以微观 视角探讨澄清器的净水机理，实现澄清器净水工艺的改进。以出水质量高，节约滤池反 第一章绪论 冲洗水，节约占地面积以及降低能耗为目的，在现有澄清工艺技术改造的基础上提出新 型的澄清器。本课题的研究适应供水行业发展的要求，符合节约型社会的主题，具有深 远的研究意义。 1 2 国内外z e t a 电位及澄清工艺的研究进展概况 1 2 1 国内外有关z e t a 电位的研究进展和现状 给水处理的绝大部分问题是除掉水中的悬浮固体微粒。用化学工程的术语来说，这 是一种固一液的分离过程。去除的微粒下限粒度应为l n m ，上限粒度约可定为l o g m 。 在这个范围内包括蛋白质、腐殖酸、病毒、细菌和粘土等微粒物。这些微粒使水产生浊 度【5 】o 在分散相与分散介质之间的界面层两侧，往往带有不同性质的电荷，其原因主要是， 固体表面可以从分散介质中有选择地吸附某种离子而带电。应当指出，固体表面上的带 电离子，不论它是如何产生的，皆应视其为固体粒子的组成部分。带电的固体离子表面， 主要是由于静电吸引力的存在，必然要吸引等电量的、与固体表面带有相反电荷的离子 环绕在固体粒子的周围，这样便在固一液两相之间形成双电层结构。 1 8 7 9 年，h e l m h o l t z 6 】首先提出双电层的概念。他认为正、负离子整齐地排列在固 一液界面层的两侧。正、负电荷的分布情况，就如同平行板电容器那样，故称之为双电 层电容器模型。此理论虽然可以解释电泳、电渗等电动现象，但对许多现象仍无法解释， 而且此理论忽略了溶液中离子热运动的影响。 1 9 0 9 年，g o u y 【6 】提出了扩散双电层理论。他认为靠近固体表面的反离子不是整齐 地排列在一个平面上，而是呈扩散状态分布在溶液中。这是因为反离子同时受到两个方 向相反的作用；静电吸引力使其趋于靠近固体表面；热运动产生的扩散作用又使反离子 趋向于均匀分布。这两种作用达到平衡时，反离子则呈扩散状态分布于溶液中。 1 9 2 4 年，s t e m 7 】将g o u y c h a p m a n 模型中的扩散层分成了2 个部分，靠近胶体表面的 1 、2 个分子厚的区域内，反离子由于受到强烈的静电引力，与胶体表面紧密地结合在一起， 构成所谓的“s t e m 层，在“s t e m ”层外，才是所谓的离子扩散分布的扩散层。s t e m 层内 电位变化的情况与h e l m h o l t z 平板模型中相似，由表面处的电位下降到s t e m 层，s t e m 层 的电位称为s t e m 电位，扩散层中的电位符合g o u y c h a p m a n 模型，从s t e m 电位降到零。 电动电位( z e t a 电位) 就是固液相对移动时，滑动面与溶液本体的电位差。由于滑动而略比 2 长安人学硕士学位论文 s t e m 层靠外，因此电动电位( z e t a 电位) 稍低于s t e r n 电位。 j k ，e d z w a l d t 8 】研究发现：水中d o c 浓度的不同对胶体电泳淌度又较大影响( 因淌度 与z e t a 电位关系可由s m o l u c h o w s k i 公式给出，也即对z e t a 电位有较大影响) ，有机物 使胶粒z e t a 电位增加，且有机物( 不是浊度) 是影响混凝投药量的决定因素。 刘文君等人【9 】对于生物预处理对受有机污染源水中胶体z e t a 电位的影响问题进行 了研究。试验表明，水中有机物的存在能增加无机胶粒z e t a 电位值，使胶体更趋稳定， 而生物预处理工艺则能有效地降低受有机物污染原水胶粒的z e t a 电位值，降低幅度达 1 4 4 3 7 2 ，使胶粒更易于脱稳。 王晓敏等人【lo 】对于混凝剂对胶体电动电位的影响进行了试验研究。混凝剂是通过压 缩双电层、吸附电中和、卷扫絮凝、吸附架桥4 种方式起到对水中胶体的凝聚作用的， 最终达到水处理的效果。通过测量水样中加入混凝剂前后胶体的电动电位( z e t a 电位) ， 发现混凝剂的投加会使得溶液中胶体的电动电位发生变化，这种变化和混凝机理中混凝 剂通过压缩双电层达到胶体凝聚效果的说法是一致的。 王利平等人【1 1 】对水中胶粒z e t a 电位及影响混凝效果的问题进行了探讨，通过对原 水毛电位变化范围的分析研究，可以找出z e t a 电位与混凝剂投加量、沉淀池出水浊度之 间的关系，以确定最优投药量，来作为检验生产合理投药量的控制指标。 万里平等人【1 2 】对油f f l 作业废水絮凝过程中z e t a 电位的问题进行了研究，以川中矿 区典型的压裂酸化废水为研究对象，考察了溶液p h 值、无机混凝剂、有机高分子絮凝剂、 以及无机混凝剂与有机高分子絮凝剂共同作用对废水z e t a 电位的影响，从理论上对油田 废水的絮凝特点进行了表征实验结果证明：油田作业废水适合在酸性条件下进行絮凝处 理；聚硅硫酸铁和阳离子有机高分子絮凝剂能使废水颗粒表面z e t a 电位明显正移；当联合 使用时，先加无机混凝剂，后加有机絮凝剂，能提高污水处理质量。 狄平宽等人【l3 】对于无机电解质和有机高分子絮凝剂对高岭土表面z e t a 电位的影响 问题进行了探讨。实验证明：( 1 ) 无机电解质对高岭土表面z e t a 电位的影响主要以物理 吸附，即静电引力作用为主；( 2 ) 有机絮凝剂的影响分为三种情况：对于阳离子型絮凝 剂，主要是静电物理吸附的结果；对于阴离子絮凝剂，除静电排斥作用外，还有p h p 分子中的活性基团( c o n h 2 ，c o o ) 与高岭土表面发生了氢键吸附作用；对于非离子型絮 凝剂，使高岭土表面z e t a 电位绝对值减小，但不能使其改变符号，说明p a m 具有压缩 表面双电层的能力，并存在p a m 分子中的一c o n h 2 基团与高岭土表面发生了氢键吸附 作用；( 3 ) 无机电解质和有机絮凝剂共同存在下对高岭土表面z e t a 电位的影响分两种情 第一章绪论 况：无机电解质存在下，添加有机絮凝剂，可能与无机电解质预先压缩双电层和发生特 殊吸附作用有关，也可能与无机电解质与有机絮凝剂在高岭土表面发生相互作用有关； 有机絮凝剂存在下，无机电解质在高岭土表面上的作用大大减弱。 z e t a 电位是反映胶体和悬浮物稳定性的重要指标。从z e t a 电位的角度讨论絮凝反 应机理，研究设计微涡旋水力澄清器，对于提高饮用水水质有重要意义。 1 2 2 国内外澄清工艺的发展和研究现状 澄清器是将絮凝和沉淀两个过程综合于一个构筑物中完成的，该工艺主要依靠活性 泥渣层达到澄清目的，从改善絮凝条件方面，充分利用池中的成熟絮凝体，使杂质颗粒 与其发生接触絮凝而从水中分离，从而提高处理效果，并使沉淀污泥具有较高的含固率 【1 4 1 。严格地说，澄清是混凝沉淀工艺过程的通称，但自5 0 年代前苏联人发明澄清器并 传入我国后，澄清工艺特指澄清裂15 1 。 自从美国i n f i l c o 公司1 9 2 0 年发现已沉淀的絮粒混入原水有较好的净水效果，于 1 9 2 5 1 9 3 2 年进行了长期试验，到1 9 3 5 年才正式建造第一座机械搅拌澄清器；苏联 a s e p b e a l 9 3 1 年间发现泥渣悬浮层可以大大提高净水效果，至1 9 3 7 年切切尔金创设了 第一支扩散式澄清器；法国d e g r e m o n t 公司于1 9 5 6 年建造了脉冲澄清器以来，澄清器 的应用已经有8 0 多年的历史【1 6 】。八十多年来，国内外在典型澄清器的基础上开展了多 方面的研究工作，主要集中在典型澄清工艺的改造和新型澄清工艺的设计方面。 ( 1 ) 典型澄清工艺的改造 典型澄清工艺的改造包括加装斜板( 管) 、改进进水方式等措施，其中加装斜板( 管) 是改造的重点。 刘荣光等人对澄清器中增设斜板( 管) 的相关问题进行了探讨，提出在机械加速澄 清器中增设斜板( 管) 为克服因为流量增加而导致反应时间减少的问题以及应适当加强 搅拌，以适当增大速度梯度。此外，在水力循环澄清器内增设斜板( 管) ，建议取消喷 嘴、喉管和喇叭管。在脉冲( 悬浮) 澄清器内增设斜板( 管) 的同时还可在浓缩室上半 部增设斜板( 管) 以提高浓缩室的浓缩作用【1 7 】。 杨福才等人对加速澄清器加设倾斜装置对澄清效果的影响进行探讨，研究发现，加 速澄清器安装倾斜装置，效果至少可提高1 倍，倾斜装置在悬浮层界面上效果较好，并 有面积效果和整流效果1 8 】。 4 长安大学硕十学位论文 准能公司净水厂处理净化黄河地表水，在机械加速澄清器的清水分离区加装斜管， 其絮凝效果和处理能力发生明显变化。四座澄清器处于最佳运行状态下，其单池运行处 理能力比原设计处理能力有所增加，提高日供水能力，出水水质也比较稳定，可降低到 1 2 m g l ，聚合氯化铝药耗降- f 氐至1 1 2 4 堙k m 3 。既满足电厂工业用水需要，又解决了生 产系统的难题，保证了供水系统的安全、稳定和经济运行【1 9 】。 顾勇强研究指出水力循环澄清器在加装斜管的局部改造外，还需针对提高水力循环 澄清器泥渣浓缩能力的问题进行改造，并提出了在澄清器底部增设止回板的改造措施 2 0 1 o ( 2 ) 新型澄清工艺的设计和研究 美国以节省化学药剂，产生低浊度的出水以及操作维护简单为目标设计了旋流 ( h f r ) 澄清器，该装置采用水力驱动的系统，用以形成和保持一个旋流的锥体型污泥 层，水流以不断扩展的旋流方式上升流过污泥层，试验结果证明了该装置出水质量高， 混凝剂用量省，易于运行，污泥易于处理，能量费用节省，基建投资省和维护费用低以 及适应性强的优点【2 1 1 。 法国d e g e r m o n t 水与废水处理公司研究设计了超脉冲澄清器，这种澄清器是综合了 泥渣过滤型和泥渣循环型两种澄清器于一体的高速澄清器，主要是在脉冲澄清器的污泥 悬浮层中设置了带有导流片的斜板并扩大污泥浓缩室的面积而成，其上升流速可达到 2 2 3 3 m m s 甚至4 2 5 5 m m s 【16 1 。 匈牙利学者以高分子聚合物活化了的粉砂作絮凝的悬浮接触介质，进行了强化絮凝 的试验研究，提出了循环絮凝澄清器( c f 澄清器) 和快速絮凝澄清器( f l u o r a p i d c l a r i f i e r ) 。据报导，此类池型与传统澄清器相比，前者所需时间仅需3 m i n ，澄清速 度可提高3 倍【2 2 】。 甘肃金桥水处理公司研发了一种微涡旋水力澄清器即双流澄清器，将预沉、混合、 澄清集一个池体中，减少了处理高浊度水的预沉池等构筑物：底部采用4 5 0 c 锥体结构， 重力排泥；在池体内部导流简采用5 5 。c 角，保证原水与混凝剂有足够的反应时f 、日j 和反 应强度要求；延长导流板，增大导流区，使导流板与伞形板配合作用，从而保证了原水 在高低浊度下的出水质量。经过多年的运行实践证明，该工艺比常规工艺降低造价4 5 ， 节约动力3 5 ，降低运行成本4 7 2 2 【2 3 1 。 法 d e g e r m o n t 水与废水处理公司也开发研制了高密度澄清器并获得该项专利，这 s 第一章绪论 种澄清器在欧洲己经应用多年，比如法国的m o u t 水厂、德国的来格朗等诸多欧洲水厂 均采用该工艺，具有处理效率高、单位面积产水量大、适应性强、处理效果稳定等优点 【1 9 2 0 1 。目前国内已有工程采用该处理工艺，如乌鲁木齐石墩子山水厂扩建工程、石家庄 市桥西污水处理厂污水回用改造工程、首钢污水处理工程等【24 1 。 话安建筑科技大学围绕上述高密度澄清工艺处理西宁市低温低浊水开展了系统的 试验研究。研究显示泥渣回流高密度澄清器由于采用了泥渣回流技术，同时利用了高分 子助凝剂的吸附架桥作用，大大提高了低温低浊水的混凝反应效率，克服了低温低浊的 不利影响，能够降低混凝剂用量，适宜作为西宁市低温低浊水处理工艺【巧j 。 1 2 3 几种典型澄清器的水动力学分析 ( 1 ) 机械搅拌澄清器 该澄清器是用叶轮桨板的机械作用来完成絮体的悬浮、紊动和动态稳定要求【1 6 】，然 而，机械搅拌澄清器工作极为接近完全混合连续式反应器，水流具有返混的特点，由于 存在短路水流和可能产生水体随搅拌器做整体同心圆运动现象，达不到药剂混合均匀的 目的。特别是药剂直接进入反应室时，缺少药剂充分水解并与进水快速混合阶段，所以 存在缺陷【2 6 1 。因此，本次课题以水力澄清器为研究对象。 ( 2 ) 悬浮澄清器 悬浮澄清器是一种泥渣悬浮型澄清器，它的工作接近于推流式反应器，靠水流的搅 拌作用来保证接触絮凝区的工作要求，絮体的悬浮、紊动和动态稳定性都由水流条件来 完成的【1 6 】。停留时间一般为2 0 3 0 m i n ，水流通过悬浮层的水头损失为5 8 c m m ( 高 值适用于浑浊度较高的原水) 【2 7 1 。但是对进水量、水温等因素较敏感，处理效果不太稳 定，产水率较低。 ( 3 ) 水力循环澄清器 水力循环澄清器是一种泥渣循环型澄清器，它的工作也接近于推流式反应器，利用 水流在水射器的作用下进行混合和达到泥渣循环回流。当带有一定压力的原水( 投加混 凝剂后) 以高速通过水射器喷嘴时，在水射器喉管周围形成负压，从而将数倍于原水的 回流泥渣i 吸入喉管，并与之充分混合。由于回流泥渣和原水的充分接触、反应，大大加 强了颗粒问的吸附作用，加速了絮凝，以获得较好的澄清效果。但是它对水质、水温变 化适应性较差，水头损失较大，总停留时间为l 1 5h 2 7 】。 ( 4 ) 高密度澄清器 6 长安大学硕士学位论文 高密度澄清器在混合反应区内靠搅拌器的提升作用完成泥渣、药剂和原水的快速凝 聚反应，然后经叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体，再进 入斜管沉淀区进行分离。澄清水通过集水槽收集进入后续处理构筑物，沉淀物通过刮泥 机刮到泥斗中，经容积式循环泵提升将部分污泥送至反应池进水管，剩余污泥排放。该 工艺具有以下几个特点： 设有外部污泥循环系统把污泥从污泥浓缩区提升到反应池进水管，与原水混合。 凝聚和絮凝在两个反应区中进行，首先通过搅拌的混合反应区，接着进入推流式反 应区。混合反应区的停留时间一般在6 1 0 m i n ，推流反应区的停留时间一般在3 5 m i n 。 采用合成有机助凝剂p a d v i 。 从低速反应区到斜管沉淀区矾花能保持完整，并且产生的矾花质均、密度高。 采用高效的斜管沉淀，沉淀区上升速度可达2 0 - - 一4 0 m h ，高密度矾花在此得到很 好的沉淀啪1 。 1 3 本文的主要研究工作 ( 1 ) 模型的设计 总结本课题组己设计的澄清器的优缺点，结合现有澄清工艺的工作原理，在水力学 理论的指导下进行装置的设计。 ( 2 ) 静态试验研究 通过测定使用不同混凝剂处理后水的z e t a 电位及残余浊度，以及讨论p h 对z e t a 电位的影响，从z e t a 电位的角度分析讨论混凝剂硫酸铝( a s ) 、聚合硫酸铁( p f s ) 、 聚合氯化铝( p a c ) 、聚氯化铝铁( p a f c ) 和助凝剂聚丙烯酰胺( p 蝴) 的作用机理， 讨论如何有效的提高混凝剂的混凝性能，并选择出合适的混凝剂，作为动态试验的参考。 ( 3 ) 动态试验研究 设计加工动态试验装置系统。通过静态试验初步选出合适的混凝药剂p a f c 以及助 凝剂p a m ，在动态试验阶段重点对p a f c 和p a f c + p a m 处理原水的情况，对装置的运行 状况进行检验。通过考察试验运行的不同反应时间同一取样点水样z e t a 电位和浊度的 对比、同一反应时间不同取样点水样z e t a 电位和浊度的对比，并分析z e t a 电位与有机 物控制参数( c o d u 、u v 2 ，。) 的相关性，证明并检验微涡旋水力澄清器设计的合理性。 7 第_ 二章水体中颗粒物z e t a 电位的讨论及混凝理论 第二章水体中颗粒物z e t a 电位的讨论及混凝理论 2 1 水体中颗粒物z e t a 电位的讨论 一般地，粒度在1 m i l 1 9 m 间的颗粒都属于胶体颗粒。对线性的分子而言，含有 1 0 3 - - - , 1 0 9 个原子的分子也属于胶体颗粒，而不论它们的绝对尺寸。如相对分子质量约 1 00 0 0 , - - 一3 0 00 0 0 或更高的蛋白质即属此类。混凝过程中所投加的高分子助凝剂聚丙烯 酰胺，在相对分子质量为5 0 0 万时，展开长度约为2 0 9 m ，但由于相当于含有7 1 0 5 个 原子的线性分子，所以也划为胶体颗粒。投加无机混凝剂形成的氢氧化物沉淀亦呈胶体 状态，即无定形的微晶体。 水中的胶体颗粒可分成憎水的和亲水的两大类。憎水胶体指与水分子间缺乏亲和性 的胶体，亲水胶体指与水分子能结合的胶体。这种划分并不反映胶体的一种基本的特性， 因为一些胶体具有介乎这两个极端间的性质。水中粘土以及投加的无机混凝剂所形成的 胶体等无机物质皆属于憎水胶体，而有机物质，如蛋白质、淀粉及胶质等则属于亲水胶 体。其实，水处理中的典型憎水胶体粘土颗粒表面也可能吸附了一层水分子，但比起亲 水胶体所吸附的水分来则微不足道。亲水胶体靠它所特有的极性基团来吸附水分子，故 能吸附大量的水分。例如，淀粉l o o g 含有0 6 2 m o l 的极性基团，能吸附0 4 4 m o l 水( 7 9 9 ) ； 最小的蛋白质分子胰岛素没l o o g 含有0 4 2 4 m o l 的极性基团，能吸附0 3 2 3 m o l 的水 ( 5 8 9 ) 。亲水胶体的一个最突出的性质是，它们能够在吸水自动分散形成胶体溶液后， 又可脱水恢复成原来的物质，并再重新分散于水中产生胶体。憎水胶体则不具这种性质， 它们的分散需藉外力的作用，脱水后也不能重新自然地分散于水中。因此，亲水胶体也 称为可逆的胶体，憎水胶体也称为不可逆的胶体。 胶体颗粒在水中继续保持分散状态的性质称为胶体的稳定性。对于憎水胶体，稳定 性可以通过它的双电层结构来说明；对于亲水胶体，虽然也具有一种双电层结构，但它 的稳定主要由它所吸附的大量水分子所构成的水壳来说明。亲水胶体保持分散的能力， 即它的稳定性比憎水胶体高。 双电层结构是由于胶体颗粒具有巨大的比表面而产生的。如1 9 m 立方米的颗粒， 其比表面值达6 00 0 0c m2 c m3 ，而1c m 立方体的比表面只有6e m2 e m3 差1 00 0 0 倍。 如果把l g m 的立方体分成l0 0 0 个0 1 9 m 的立方体，比表面值又会增大1 0 倍，这样大 的比表面便产生了巨大的吸附能力，吸附了大量的离子，形成了所谓的双电层结构。 8 长安人学硕上学位论文 下面有关双电层的讨论都是指憎水胶体的。 2 1 1 颗粒表面电荷的产生 水中胶体颗粒表面都带有电荷。在一般的水质中，粘土、细菌、病毒等都是带负电 荷的胶体。而氢氧化铝或氢氧化铁等微晶体都是带正电荷的胶体。颗粒表面电荷产生的 机理主要有下列四个方面： ( 1 ) 固相表面对水中某种离子的特异吸附，例如a g i 胶体对a 矿或i 。离子的吸附而 使其表面带上正或负电荷。a 矿或i 。离子称为电位决定离子。依相平衡原理，a 矿离子在 固相表面和水溶液中的电化学势必需相等，即 肛s ( a 幻+ z e 巾s = ua ( a 幽+ z e 巾a ( 2 1 ) 式中，g s ( a g + ) 、| la ( a 曲分别为a 矿离子在固相表面和在水溶液中的化学势；z 为 离子价数；e 为电子电量；巾。，巾。分别为固相和液相电势，由。一由。代表a g i 胶体颗 粒表面热力学电势( 1 l r o ) 。依化学势定义可将方程( 2 2 ) 写为 j ：( a g + ) 十七t l n ( a g + ) 4 - 2 e 乒= i | ：( a g + ) - t - k t i n a s + ) + z e q ；。 ( 2 2 ) 式中，。e 、u 。e 分别为a 矿在固相表面和溶液中的标准化学势；k 为b o l t z m a n n 常 熟；t 为热力学温度；a s ( a 曲，a a ( a g + ) 分别为a 矿离子在表面和溶液中的活度。在溶液 中存在依特定a 矿离子活度a a o ( a g + ) 使a 百颗粒表面电荷为零，称为电荷零点。在这一 特定活度时，由。= 由。即1 l ，o = o ，上式变为 p ；( a g + ) + k l v l a ( a g + ) o 一弘：( a g + ) - i - k t l n 协g + ) 口( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 且假定a s ( a g + ) - - a s o ( a g + ) 得 岍卜弘等- n 篙鲁 亿4 ， 该式称为n e r n s t 方程。它表明：a g i 胶体颗粒表面电势决定a 矿离子在溶液中的活 度。 ( 2 ) 极难溶的离子型晶体与它溶解下来的离子产物之间有一平衡关系( 这个平衡关 系由溶度积来确定) ，这使晶体表面有了一定符号的电荷。铁、铝氧化物颗粒表面电荷 可认为是依次机理产生的。由于金属氧化物或氢氧化物的溶解沉淀反应与溶液p h 值有 关，因此，这类颗粒的表面电荷和电势受p h 控制。 9 第_ 二章水体中颗粒物z e t a 电位的讨论及混凝理论 ( 3 ) 颗粒表面离子化官能团的解离，特别是高分子有机物囚其极性官能团的酸碱解 离而使表面带上电荷。因此这类胶体表面电荷和电势也受溶液p h 控制。例如，蛋白质 表面存在有c o o h 和n h 2 基团。c o o h 基团在碱的作用下，解离产生c o o 。带负电荷 的部位，而n h 2 基团在酸的作用下，解离产生n h ”带正电荷的部位。两种带点部位的 代数和使蛋白质宏观上表现为带正电或负电，但一般为带负电。 ( 4 ) 某些离子型结晶物质的s c h o t t k y 缺陷( 指某种离子可以在晶体内自由运动) ， 在晶体表面产生过量的阳离子或阴离子，因而在表面带正电或带负电，粘土或其它铝硅 酸盐矿物颗粒的表面电荷就是这样形成的。由于晶体内碱金属或碱土金属离子取代了表 面晶格中的铝离子，于是引起表面带负电荷。这样形成的表面电荷和电势不受溶液p h 值或其它电势决定离子的影响，且不存在电荷零点。 上述四个方面机理也不是截然可分的。以氧化物颗粒( 例如q f e 2 0 3 ，y a 1 2 0 3 和s i 0 2 ) 为例，其表面电荷的产生可认为是由于对水中一或o h - 离子的吸附。也就是 说，矿离子可看成是氧化物颗粒表面电势决定离子。因此，对这类颗粒表面也存在n e r n s t 方程所描述的关系，即 炉等，n 爵l - i e 1。 6 式中， 旷) o 为氧化物颗粒表面达其电荷零点时溶液中h + 离子活度。因溶液 p h = 一l g h + 】，而h + 离子活度可用其浓度 h + 】来近似，故有 忙2 3 0 3 等，( p h 。- - p h ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，p h o 为氧化物颗粒表面达电荷零点时溶液p h 值。式( 2 6 ) 表明，氧化物颗粒 表面电势是溶液p h 值的函数。在溶液p h p h o 时，颗粒表面带正电荷，其表面热力学电势为正值。改变 溶液p h 值可改变颗粒表面电势的大小荷符号。氧化物颗粒表面电荷零点都有确定的值， 例如一f e 2 0 3 为7 , - v 8 ，y a 1 2 0 3 为9 而s i 0 2 则为2 - - - - , 3 。 由于颗粒表面电荷的作用，使在固液接口处存在一静电场。从而使靠近表面处的液 相离子发生不均衡分布，即与表面电荷反号的离子( 即反离子) 受到吸引而高于主体溶 液中的浓度，而与表面电荷同号的离子( 即同离子) 则受到排斥而低于主体溶液中的浓 度，见示意图。这样就在颗粒表面附近形成一个离子扩散双电层。由于双电层的存在使 l o k 安大学硕上学位论文 两个颗粒不能足够靠近，以致粘结在一起。这就是憎水胶体颗粒在水中保持稳定的重要 原因。 2 1 2g o u y g h a p m a n 扩散双电层理论 双电层一般包括内层和外层两部分，内层为s t e r n 吸附层，外层为离子扩散层。下 面分析扩散层电势和电荷的分布。若考虑颗粒表面的一个小布局，可以认为表面为平面。 在这个平面附近，液相中的离子发生静电迁移和扩散两个相反过程，并存在下列平衡关 系： 訾鼍咱e 誓 亿7 ， ui = ui 。+ k t l n n i ( 2 8 ) 式中，ui 为离子i 的化学式；pi 。为离子i 的标准化学式：n i 为离子i 的数量浓度； z i 为离子i 的价数，1 l r 为扩散层中的电位；x 为与表面垂直方向上的坐标，原点位于表 面上，见图2 1 。 鼍 奄 斟 罾 q ) 图2 1 扩散双电层示意图 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) 并积分得： 氕= 拈? e x p ( 一名。8 砂而t ) ( 2 9 ) 9 ，毋9 o o e o o o o o o t毯尽 第二章水休中颗粒物z e t ai 乜位的讨论及混凝理论 式中，1 1 i o 为中离子i 的数量浓度，当1 l ，= o 时n i = n i o 。式( 2 9 ) 表明，在扩散层中 离子呈b o l t z m a n n 分布 见图2 1 ( b ) 】。扩散层中空间电荷密度分布( p ) 为离子数量 浓度的代数和，即 p = 翠喇i e = 军再c x p ( 咱e 爹棚( 2 1 0 ) 扩散层中电位与电荷密度之间关系由p o i s s o n 方程给出，即 害= 一詈= 一军豫? z b e x p ( 咱e 岍n 式中，亏为水的介电常数。式( 2 1 1 ) 表明，扩散双电层中电场强度( d l l r d x ) 的变 化与该层中空间电荷密度成正比并与水的介电性质有关。 当表面电势较小以致使z i e1 l r 1 ) ，两颗 粒间相互作用可用两平板相互作用来近似。图2 - 4 代表了这类颗粒相互作用的v t h 曲 线。在该曲线上一般存在一极大值v m ( 见图2 4 中曲线1 ) 称为斥能峰。这样，当两个 颗粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚。由图2 4 的v t h 曲线的分析可得如下几点结论： ( 1 ) 根据胶体化学作用势能曲线的变化趋势，扩散双电层厚度大致可取为1 k 的3 倍，因此，较强的胶体化学相互作用将发生在6 k 的距离范围之内。 ( 2 ) 范德华引力势能曲线决定于h a m a k e r 常数值，因此对给定的胶体颗粒间的相互 作用，它是不变的。然而，双电层作