（水利水电工程专业论文）折板絮凝池内部流场的数值模拟和絮凝效果分析.pdf

西华大学硕士学位论文 折板絮凝池内部流场的数值模拟和絮凝效果分析 水利水电工程专业 研究生张秉斌指导教师杨开明 给水处理中絮凝阶段的主要任务是创造水力条件，使药剂与水混合后产 生微絮凝体，在一定时间内凝聚成具有良好物理性能的絮凝体，它应有足够 大的粒度、密度和强度，为杂质颗粒在沉淀澄清阶段迅速沉降分离创造良好 的条件。 在竖流折板絮凝设备中，影响反应效果的主要因素为折板间距、转角和 波折数。论文以5 种折板絮凝池模型为试验对象，结合絮凝动力学机理，采 用试验测试、数值模拟及理论分析相结合的方法，对折板絮凝池中影响絮凝 沉淀过程的水流涡漩进行研究。 首先，结合絮凝机理及絮凝反应动力学模型，分析了折板絮凝池絮凝动 力学过程，得出水流状态对絮凝效果具有重要影响的结果。其次，根据设计 的折板絮凝池实验模型，建立模拟的数学模型，通过f l u e n t 软件进行数值模 拟，重点分析絮凝池中水体流态和漩涡对絮凝效果影响。再次，对设计的折 板絮凝池实验模型进行p i v 实验测试，测试所得结果与模拟结果进行对照， 验证了模拟结果的准确性。最后，提出了在折板絮凝池内第1 絮凝段采用9 0 0 异波折板与第2 絮凝段采用9 0 0 同波波折板组合的折板絮凝池方案对絮凝效 果最为有利的结论。 论文通过对上述几方面的研究，验证了折板絮凝池的水力特性对絮凝效 果具有重要影响的结果，得出了折板絮凝池中折板角度的最佳组合设计方 案，对实际工程具有重要的指导意义。 两华大学硕上学位论文 关键词：絮凝效果f l u e n t 折板絮凝池数值模拟 i i 西华大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf cf l o wfieldnu m e r i c a li m u l a t i o nlor|el o ff o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r a n df l o c c u l a t i o ne f f i c i e n c ya n a l y s i s h y d r o e l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g m e n g c a n d i d a t e ：z h a n gb i n g b i ns u p e r v i s o r ：y a n gk a i m i n g t h ef l o c c u l a t i o no ff e e dw a t e rt r e a t m e n th a st h ep r i m a r yt a s kt h a tp r o v i d e s t h en e c e s s a r yh y d r a u l i cc o n d i t i o n st om a k ew a t e ra n dc h e m i c a la g e n tm i x e ds o t h a tf o r mf l o c c u l a t i n gc o n s t i t u e n tt h a th a sg o o dp h y s i c a l p r o p e r t i e s t h e f l o c c u l a t i n gc o n s t i t u e n ts h o u l dh a v eg r e a tg r a n u l a r i t y , d e n s i t ya n di n t e n s i t y i tc a n p r o v i d et h eg o o dc o n d i t i o n st om a k ei m p u r i t ys e t t l ed o w na n ds e p a r a t eq u i c k l yi n p r e c i p i t a t i o ns t a g e 、t h em a j o rf a c t o r st h a th a v es i g n i f i c a n te f f e c to nr e a c t i o na r es p a c i n g b e t w e e nf o l d e dp l a t e ，a n g l eo ff o l d e dp l a t ea n dn u m b e ro fc u r v ef o l d e dp l a t e s t r u c t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o nf i v ef o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o rm o d e l sa r eu s e dt o c o n s u l td y n a m i c sm e c h a n i s ma n dr e s e a r c he d d yt h a tr e a c tt oc o a g u l a t i o nb y c o m b i n i n gt e s t i n gw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i r s t l y , i th a sb e e ne d u c e dt h a tt h ef l o wc o n d i t i o nh a si m p o ae f f e c to n f l o c c u l a t i o nb ya n a l y z i n gf l o c c u l a t i o nm e c h a n i s mp r o c e s sa n dc o m b i n i n g f l o c c u l a t i o nm e c h a n i s mw i t hf l o c c u l a t i o n d y n a m i c s m o d e l s e c o n d l y , m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu po nt h eb a s i so ft e s t i n gf l o c c u l a t i o nm o d e l t h e nt h e i n f l u e n c eo ff l o c c u l a t i o ni sm a i n l ya n a l y z e do nt h eb a s i so ff l o wf i e l da n de d d y a f t e rf l o wf i e l dh a db e e nn u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yf l u e n ta n a l y t i cs o f t w a r e t h i r d l y p i va c t u a lm e a s u r e m e n ti sc a r r i e do nt ov a l i d a t et h er e s u l to fs i m u l a t i o n i i i 两华大学硕十学位论文 l a s t l y ，i tc o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep r o c e s sw h i c hc o m b i n e so p p o s i t e f o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r ( a n g l ei s9 0 ) w i t hp a r a l l e lc o r r u g a t e df o l d e dp l a t e f l o c c u l a t o r ( a n g l ei s9 0 ) i sf a rm o r ee f f i c i e n t f r o mw h a th a sb e e nd i s c u s s e d a b o v e ，i t i n d i c a t e st h a t h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i ch a si m p o r te f f e c to nf l o c c u l a t i o na n dw h a ti st h eb e s tc o m b i n a t i o n m o d ea b o u ta n g l eo ff o l d e dp l a t ei nf l o c c u l a t o rt og u i d et h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g d e s i g n k e y w o r d s ：f l o c c u l a t i o ne f f i c i e n c y f l u e n tf o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西 华大学所有，特此声明。 作者签名：僦。7 年口z io 日 导师签名：彳刁宜l d 凡口，年口月。；日 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密酣，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：；眵移动 早期：卅；y 指导教师签名：苷易扳日风 日期： 砷 话华大学硕十学位论文 第1 章概论 1 1 引言 随着人民生活水平的提高，人们对生活饮用水水质的要求也越来越严 格。2 0 0 7 年7 月1 日，由国家标准委和卫生部联合发布的生活饮用水 卫生标准强制性国家标准和1 3 项生活饮用水卫生检验国家标准正式 实施，新标准中的饮用水水质指标由原标准的3 5 项增至1 0 6 项，增加 了7 1 项。因而作为给水处理中重要环节的絮凝处理过程越发体现其重要性。 给水处理中絮凝阶段的主要任务是创造水力条件，使药剂与水混合后产 生微絮凝体，在一定时间内凝聚成具有良好物理性能的絮凝体，它应有足够 大的粒度、密度和强度，为杂质颗粒在沉淀澄清阶段迅速沉降分离创造良好 的条件。 竖流折板絮凝池的原理是：运用折板的缩放或者转弯造成的边界层分离 所产生的吸附紊流耗能方式，利用搅流机构形成的水力喷射、微涡漩紊动、 角隅涡流综合效应和竖向流形成的絮粒网捕作用，在絮凝池内沿程保持横向 均匀，纵向分散地输入微量而足够的能量，有效提高输入能量的利用率，缩 短絮凝时间，提高絮凝体沉降性能，从而达到絮凝效果【l 】。 在竖流折板絮凝设备中，影响反应效果的主要因素为折板间距、转角和 波折数。因为如果转角过小，易形成固定旋涡区或死水区，转角过大，折弯 就小，扰流作用小，不利于絮凝体的形成【2 】。絮体的成长过程是由微粒相互 碰撞后聚集成小集团，再由小集团聚集成大集团，由于絮体收到的剪切作用 随着颗粒的增大而增大，所以要控制其剪切速度。因此这折板的结构设计也 从这些主要因素出发，整个絮凝池分为三个部分：第一部分采用异波折板， 主要是通过对流体不断地缩放，给颗粒提供丰富的碰撞机会，主流速度较大， 促成絮凝体的生长；第二部分采用同波折板，其在前面形成一定尺度的絮凝 体的基础上主要通过流体曲折改变流体运动方向继续促进絮体生长，同时要 控制剪切作用强度，防止成形絮体的破碎：第三部分速度最小，在竖直通道 内流动，继续生长絮体，避免絮体破碎，使得生成的絮体顺利流到沉淀池。 所以三个部分的速度依次递减，有利于絮体成长，避免破碎【3 1 。 西华大学硕上学位论文 水中的各种固体杂质构成了水污染最明显的部分。大颗粒悬浮物可在重 力的作用下沉降，细微颗粒包括悬浮物和胶体颗粒，它们的自然沉降是极其 缓慢的，它们是造成水浊度的根本原因。它们的去除，有赖于破坏其分散性 或者胶体的稳定性，如加入混凝剂，使颗粒相互聚结，形成易于去除的大絮 凝体等。 混凝是通过投加某些电解质使水中的微小颗粒相互聚集形成絮状大颗 粒的过程。其目的主要是为了改变水中黏土和细菌等悬浮颗粒的存在性质和 状态，以利于后续工序的去除过程【4 】。简言之，混凝是指从加药开始，直至 最终形成絮凝体( 俗称“矾花”) 的过程。絮凝阶段主要是去除水中的悬浮物 体和胶体，此过程由凝聚和絮凝两个阶段构成，它决定了水中悬浮杂质颗粒 聚结程度、颗粒成长的质量及其降解特性，是水处理工艺中至关重要的环节。 混凝过程中为使悬浮微粒或胶体变成易于去除的大絮凝体而投加的主 要化学药剂称为混凝剂。混凝剂是通过它或者它的水解产物对水中胶体压缩 其双电层、中和其电性以及吸附、架桥等作用完成的。目前常用的混凝剂是 无机多价金属盐类( 如铝盐、铁盐) 和高分子聚合物( 如聚丙烯酞胺等) 两 大类。 絮凝反应设备有隔板式反应池、旋流反应池、折板式反应池、机械搅拌 反应池、涡流反应池、孔板反应池等。反应池的选择应根据水质、水量、净 水工艺、高程布置和维修条件等因素确定，表1 一l 列出几种反应设备的适 用条件及其优缺点【5 】。 2 西华大学硕十学位论文 往容积较大，水头损失一 反应效果好，构造水量大于3 0 0 0 0 m 3 d 的水 隔板 复 简单，施工方便。 较大，转折处矾花易 厂；水量变动小者。隔板简单，施工方便。厂；水量变动小者。 式破碎 式反一 回反应效果好，水头出水流量不易分配水量大于3 0 0 0 0 1 1 1 3 ( ：1 的水 应池 转损失小，构造简单，均匀，出口处易积泥厂；水量变动小者；改建和 式管理方便。扩建旧池时更适用。 旋流式反应 池 折板式反应 池 涡流式反应 池 网格、栅条 反应池 机械式反应 池 悬浮反应池 加上隔板反 应池 容积小，水头损失 较小。 反映效果好，反应 时间短，容积较小。 反应时间短，容积 小，造价较低。 反映效果好，水头 损失小，反应时间 短 反映效果好，水头 损失小，可适应水 质、水量的变化。 反映效果好，水头 损失较小，造价较 低。 池子较深，地下水位 高处施工较困难，反 应效果较差 构造较隔板反应池 复杂，造价较高。 池子较深，锥底施工 较困难，反映效果较 差。 末端池底易积泥。 一般用于中小型水厂。 一般用于流量变化较小的中 小型水厂。 水量小于3 0 0 0 0m 3 d 的水厂 需机械设备和经常大小水量均适用，并能适应 维护。 水量变动较大者水量燹动孜大看 斜挡板在结构上处 理较困难重颗粒泥中小型水厂 砂易堵在斜挡板底 部。 3 西华大学硕士学位论文 1 2 折板絮凝池的研究现状 本文选择中小型水厂广泛采用的折板絮凝池为研究对象。折板絮凝池子 是近2 0 年来在隔板絮凝池基础上发展起来的。2 0 世纪7 0 年代初期，国内外 高效絮凝技术及装置的试验研究发展较快。到7 0 年代中期，华东地区开始 大量推广人字折板竖流絮凝装置。1 9 7 8 年，江苏省六合县水厂建成国内第一 座折板絮凝池( 设计规模5 0 0 0 m 3 d ) 。1 9 8 1 年，镇江市金山水厂将2 座规模 为1 2 5 0 0 m 3 d 脉冲澄清池改造成2 5 0 0 0 m 3 d 的竖流折板絮凝一斜管沉淀池， 开始将折板絮凝工艺应用于中型水厂。1 9 8 2 年北京进行竖流波形( 纹) 高效 絮凝器试验，反应时间4 8 m i n ，效果尚佳【6 】。1 9 8 3 年，国家城建总局鉴定的 高效能混合絮凝研究课题，也将折板絮凝工艺列为高效絮凝工艺的一种形 式。1 9 8 8 年，作为大型水厂的南京市上元门水厂的2 弹沉淀池原隔板絮凝工艺， 改造为竖流折板絮凝工艺，设计规模6 0 0 0 0 m a d ，运行效果良好，为当今国 内单池设计规模最大的竖流折板絮凝池，提高了供水水质，增加了单池产水 量。目前，竖流折板工艺已成为国内给水厂常用的絮凝工艺形式。其优点是 水流在同波折板之间曲折流动或在异波折板之间连续不断的缩放流动形成 众多的小漩涡，提高了原水中颗粒碰撞絮凝的效果。 对于折板絮凝池的研究主要围绕折板絮凝池存在的问题来展开，就折板 絮凝池的结构、机理、絮凝控制指标、絮凝动力学等方面进行了研究，取得 一定的成果。 孙友勋，谭章荣，范瑾初掣7 】针对异波折板絮凝池水头损失计算值与实 测值误差较大的问题，通过理论分析及模型试验，探寻了异波折板絮凝单元 水头损失的半经验半理论计算公式。 汪广丰【8 】针对竖流折板絮凝工艺设计的部分问题，如单池设计流量与折 板间距的关系、絮凝时间、g 值和g t 值、折板絮凝的组合方式、折板设计 参数以及阻力系数善的选取等进行了分析。 李实，王旭宁等【9 】对竖流式多孔道异波折板絮凝池的设计特点进行了分 析和归纳。 4 西华大学硕士学位论文 谭章荣，秦祖群，孙友勋等【l o 】对异波折板絮凝池传统的絮凝控制指标g 值在理论和应用上的缺陷进行了分析，并提出单位造涡强度这一宏观控制指 标。 杨开明，杨小林，谷晋川掣】综述了折板絮凝池的发展历程，并探讨了 絮凝机理和存在的问题，提出了采用p i v 计算和数值模拟进行研究的思路。 孙友勋，时钧，范瑾初等【1 2 】在模型试验的基础上考查了异波折板絮凝池 的絮凝机理并进行了絮凝动力学的分析。 王绍文【1 3 】首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对絮凝的动力学问题 进行了研究，提出了惯性效应是絮凝的动力学致因，提出了湍流剪切力是絮 凝反应中决定性的动力学因素，并建立了絮凝的动力相似准则。 武道吉、谭凤训掣1 4 】从紊流结构分析混合动力学机理，提出主流区的涡 流扩散对混合时间起主导作用，导出了混合综合控制指标，并通过试验对比， 进一步证实了指标的实用性。 刘世美、刘金生掣1 5 阐述了涡漩运动的组成与结构，并就涡漩运动在水 的混凝中的作用以及在实践中的应用进行探讨。 赫俊国掣1 6 】依据低温低浊水的特点，对其处理过程中的亚微观传质及絮 凝过程的动力特性进行了分析，并通过试验结果阐明了该技术的可应用性和 实用性以及低耗高效的特点。 王乃忠【1 7 】对絮凝反应过程中稳态絮粒粒径以及紊流微尺度与有效能耗 的关系进行了分析，并在间隙式搅拌与连续流搅拌的情况下分别推导出相应 的絮凝效率表达式。 1 3 问题的提出和研究意义 国内现在的絮凝处理技术发展迅速，但还存在着很多问题，大致可以归 纳如下： ( 1 ) 对絮凝水力条件的改善重视程度不够 1 8 】。国内很多地表水源污染， 水体中藻类等有机物含量明显增多，常规混凝处理效果并不理想。絮凝强化 时，对因池体自身结构缺陷等因素造成的混凝动力不足、水力条件不当等问 题往往不够重视。 两华大学硕士学位论文 ( 2 ) 折板絮凝池参数的选取缺少必要的科学依据。当前的折板絮凝池 设计普遍存在的现象是：在设计手册规定范围内，设计参数的选取范围过大 【1 引，絮凝时间范围为6 1 5 m i n ，夹角范围为9 0 0 1 2 0 0 等。 ( 3 ) 设计值或计算值往往和实际差异较大【l 】。设计手册中，折板絮凝池 的设计主要控制参数是水流速度、水头损失( g 值) 和絮凝时间，但建成后 往往发现实际运行参数与设计值相差甚远。以水头损失为例，设计手册中采 用的是明渠渐扩和渐缩公式，有人通过研究发现，竖流折板絮凝池水头损失 实测值明显小于设计计算值。 ( 4 ) 运行中缺少科学的絮凝量化评判标准。絮凝效果的好坏主要依据 形成的矾花情况。实际生产中，絮凝的效果大都根据后续沉淀出水浊度进行 评价，但这已不是絮凝阶段结果的直接反映，沉淀出水浊度还和沉淀效果有 很大关系。另一方面，即使对絮凝效果进行直接评价，评价大多也只是停留 在对矾花大小和密实与否的感官描述上，缺少可操作的量化评价标准。 因而开发新型、高效、安全的絮凝剂，深入研究絮凝基础理论及其控制 技术，现已成为一门迅速发展的科学技术。水处理工程中普遍采用经验参数 法和物理模拟法。但由于工程个体的差异性，导致经验参数法精确度不高； 物理模拟法耗时长、费用高。而本文通过数值模拟的方法，分析了水流状态 对絮凝效果的影响。与上述两种方法相比，数值模拟法具有的优点有：模拟 过程耗时少、精度高，且节省人力物力：另外模拟过程具有很好的可重复性， 条件容易控制，能及时进行调整和改进；数值模拟的结果可以用图像显示等 比较直观的方法显示出来。因此，采用计算流体力学的方法，对水处理构筑 物进行数值模拟，在实际的工程设计中有着良好的应用前景，具有重要的实 际工程意义。 1 4 本文研究的主要工作 本文以折板絮凝池为研究对象，采用数值模拟的方法，分析内部水流的 流态，定性分析其漩涡状况对絮凝效果的影响。同时，通过p i v 测试实验来 显示折板絮凝池内部流态，验证数值模拟结果。具体研究工作如下： ( 1 ) 结合絮凝机理及絮凝反应动力学模型，分析了折板絮凝池絮凝动 6 西华大学硕上学位论文 力学过程，得出水流状态对絮凝效果具有重要影响的结论。 ( 2 ) 对转角为9 0 0 、1 0 0 0 、11 0 0 、1 2 0 0 的折板絮凝池模型进行模拟计算， 重点观测分析异波折板单元对水流的缩放作用和同波折板单元对水流曲折 流动的作用；观测水体漩涡尺度强度和局部的速度梯度，分析它们对絮凝效 果的影响。 ( 3 ) 对设计实体模型进行p i v 实验测试，观测分析模型内部流体的流 态，并验证数值模拟结果。 ( 4 ) 总结模拟和实测结果，得出絮凝池折板组合最佳方案。 7 西华大学硕士学位论文 第2 章混凝过程基本理论 2 1 混凝过程的理论基础 水中胶体物质是相当稳定的，要想去除它，首先要使它们脱稳，然后凝 聚和絮凝。凝聚( c o a g u l t i o n ) 3 7 】是颗粒脱稳及其聚结的前步，此时胶体颗粒 间的斥力由于物理的或化学的某种效应而部分地去掉，其扩散层被压缩，三 电位降低，从而使得胶体颗粒可能粘结在一起的现象或过程。简言之，凝聚 是指加药后胶体失去了聚集稳定性( 简称“脱稳”) 并通过胶粒本身的布朗 运动进行碰撞聚集而形成尺寸较小的微“絮凝体 ( m i c r o f l o c ) 的过程。絮 凝( f l o c c u l a t i o n ) 3 s j 顾名思义，是水中投加大量或过量的混凝剂之后，脱稳 颗粒直接或间接地相互聚结生成呈“絮状”的大颗粒而进行卷扫、沉淀分离 的过程，该过程紧接着凝聚过程进行。简言之，絮凝是指“微絮凝体 ( m i c r o f l o c ) 再通过机械或水力搅拌进一步聚集成肉眼可见的大“絮凝体 ( f l o c ) 。在水处理工艺上与之相对应的两个阶段分别为快速混合和絮凝。凝 聚与絮凝这两个阶段仅是人们在研究混凝机理时，为了方便解释胶体颗粒脱 稳沉降的现象、原因，便于定量定性描述、分析而提出的。这两个名词在概 念上可以划分得很清楚，但在实际的水处理操作运行中，在混凝时凝聚与絮 凝这两个阶段的间隔是瞬间，几乎是同步发生的，实验过程通常模拟和观察 的是絮凝阶段。 2 1 1 胶体表面的电化学理论 把一种物质分散在另一种物质中所形成的体系被称为分散系，前者称为 分散质，后者称为分散剂。分散质分散后形成大小不等的微粒，微粒越小， 分散度越高。根据其微粒的尺度由将分散系分为三种类型：真溶液、胶体分 散系、悬浊体系。粒径介于1 一1 0 0 n m 之间的是胶体分散系。不同类型的分 散系只是物质的不同存在形式，其间是可以相互转化的1 2 0 】。 胶体表面带有电荷是胶体具有聚集稳定性的主要原因。概括的讲，分散 颗粒表面的电荷是由于带电离子在颗粒和溶液间的不平衡分布造成，这种不 平衡分布因颗粒性质的不同而不同。胶体带上电后，会吸引溶液中与表面电 8 西华大学硕上学位论文 荷符号相反的离子( 反离子) ，同时排斥与表面电荷符号相同的离子( 同离 子) ，这样会造成表面附近溶液中的反离子过剩( 即高于本体溶液中的浓度) 和同离子欠缺( 即低于本体溶液中的浓度) 。反离子过剩可称为吸附，并可 发生离子交换，而同离子欠缺则称为负吸附。吸附和负吸附共同造成溶液中 的反电荷。存在与电荷表面的电荷与溶液中的反电荷构成所谓“双电层”。经 历了h e l m h o l t z 、g o u y c h a p m a n 和s t e m 三种模型的发展阶段后，我们对双 电层的结构有了比较完整的认识，可以参照的系统而详尽的有周祖康、顾惕 人、马季铭等人的著作，这里不作详细介绍。 胶体微粒间存在v a nd e r w a a l s 吸引作用，而在微粒相互接近时因双电层 的重叠又产生排斥作用，胶体的稳定性就决定于此二者的相对大小。 图2 一l 是胶体结构示意图。它的中心是由数十到数千个不溶于水的胶 体分子聚合形成的胶核。在表面选择吸附了一层带同号电荷的离子，这些离 子可以是胶核表层分子离解产生的，也可以是水中原来就存在的h + 、n a + 等 阳离子或o h 等阴离子。这层离子称为胶粒的电位离子，它决定了胶粒的带 电符号和电荷多少，构成了双电层的内层。由于电位离子的静电引力，在其 周围的溶液里又吸引了众多的异号离子，形成反离子层，它构成了双电层的 外层。其中紧靠内层的反离子被电位离子牢固地吸引着，当胶核运动时，它 随着一起运动，称为反离子吸附层，它和电位离子一起组成胶团的固定层。 固定层以外的反离子，由于热运动和液体溶剂化作用而向外扩散，因此受电 位离子的引力较弱，不随胶核一起运动，它们围着吸附层形成了扩散层。固 定层与扩散层之间的交界面称为滑动面，滑动面以内的部分称为胶粒，它是 带电微粒。胶粒与扩散层一起构成了电中性的胶团。上述胶体及胶粒表面双 电层结构，可以用a l ( o h ) 3 溶胶为例见图2 2 。 当胶粒运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩 散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷( 其量等于脱离胶团的反离子所带电荷 数值，符号与电位离子相同) ，使胶粒与扩散层之间形成一个电位差，称为 电动电位，常称毛电位。而胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位则称 为总电位或称热力学电位甲。在总电位一定时，扩散层越厚，毛电位越高； 反之扩散层越薄，芎电位也越低。芎电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相接 9 两华大学硕十学位论文 近和接触碰撞，并在水分子的无规则撞击下做布朗运动，使胶粒长期稳定地 分散于水中。三电位的大小反映胶粒带电的多少，可以用来衡量胶体稳定性 的大小。三电位愈高，胶体的稳定性就愈高。 胶体的水化作用，使胶粒表面形成水化膜而造成水中胶体的稳定。对于 天然水中粘土类胶体因属于憎水胶体，它所形成的水化膜与胶体双电层结构 有关，若消除三电位，水化膜也就消失。但对原水中胶体表面的水化膜，在 很多情况下并非是由胶体电荷引起的。例如，高分子物质由于极性基团吸引 了大量水分子而形成了水化膜1 2 。 电位粒子 f i g 2 1s t r u c t u r a lr e p r e s e n t a t i o no f c o l l o i d 图2 - 1 胶体结构示意图 一 l o 度 度 两华大学硕士学位论文 i a l ( o h ) 3 1 - n a l ( o h ) + 2 ( n x ) o h x 十x o h 一 胶核电位形成离子反离子吸附层反离子扩散层 l 广- 一k 一一 固定层扩散层 胶粒 胶团 f i g 2 - 2r e p r e s e n t a t i o no fc o l l o s o l 图2 - 2 溶胶图示 2 1 2 胶体的脱稳和水的混凝机理 分子间的v a nd e r w a a l s 吸引作用分为三种相互作用：两个永久偶极子 之间的相互作用；永久偶极子与诱导偶极子间的相互作用；分子之间的 色散相互作用。由于这三种作用均为吸引相互作用，其相互作用能以负值表 示，大小与分子间距离的6 次方成反比。除了少数极性分子外，对于大多数 分子，色散相互作用占支配地位。同一种物质的微粒间的v a nd e rw a a l s 作用 永远是相互吸引，介质的作用使此吸引作用减弱，介质的性质与微粒的性质 越接近，则微粒间的相互吸引就越弱。根据h a m a k e r 理论，对于两个彼此平 行的平板微粒，单位面积的上的相互吸引作用能为： 匕= 一面a 万 ( 2 1 ) 式中，d 为两板间的距离；a 为h a m a k e r 常数，它与组成微粒的分子之间的 相互作用参数有关。对于同一物质的半径为口的两个球形微粒，它们之间的 相互作用能为： _ 一啬 ( 2 - 2 ) 式中，h 是两球之间的最短距离。式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 适用于微粒的半 径比微粒的间距大得多的情景，实际胶体大多数情景符合此要求。若是微粒 8 1 曼d , 时，就要考虑板厚与球半径的校正。 两华大学硕上学位论文 双电层的排斥作用能【2 2 】以正值表示。带电的微粒和双电层中的反离子作 为一个整体是电中性的，因此只要彼此的双电层并未交联，两个带电微粒之 间就不存在静电斥力，排斥作用能为零。只有当两个微粒接近到它们的双电 层发生重叠，从而改变了双电层的电荷和电位分布时，才产生排斥作用。两 平行板微粒的双电层在单位面积上产生的相斥能为： = 6 4 n o k b t ，, 0 2 e - 。 ( 2 3 ) = 掣碱2 e - 讲 ( 2 4 ) 茁。 r = 陪e kt 1 ，2 c 2 吲 l 曰j 式中，口是微粒的半径，矿1 为双电层的厚度，h 为两球间的最近距离。 世 1 滟斥 、鞲 ir k 距离 i 皿 l o 蚕 一舭值 f i g 2 3p o t e n t i a le n e r g yc u l n eg r a p ho f p a r t i c l e s 图2 3 综合位能曲线 如图2 3 所示，微粒之间的总相互作用能即综合位能v rv a + v r ，由 式( 2 4 ) 可知可随微粒的相互接近而趋于一极限值。在日较小时，必 定是吸引大于排斥，玢为负值，但在微粒间距很小时，由于电子云的相互作 1 2 西华大学硕上学位论文 用，而产生电子云的玻恩( b o r n ) 排斥能，吩会剧烈上升为正值，于是形成 一极小值，称之为第一极小值。当微粒间距较大时，随着距离的增大，虼 和琢都会下降，但珞表现为较快的指数规律下降，而下降的较缓慢，因 而在初始时还能超过乃，玢为正值，但当距离继续增大时，乃将超过 ，玢表现为负值，若距离继续增大，蜥就趋于零。于是形成在间距较大处 的极小值，称为第二极小值，在第一极小值和第二极小值之间则出现一峰值， 称为势垒。 两微粒互相靠近时，首先到达第二极小值处，由于第二极小值和布朗运 动相比尚小，因而仅能发生微弱的絮凝，易受扰动而被破坏。两微粒继续靠 近可达势垒附近，若要接近到此距离以内，微粒的动能必须超过此势垒，一 旦越过此势垒，微粒将能继续靠近，逐渐转变为吸引作用为主。当接近至第 一极小值处时，表现为更强的吸引力，其作用远超过布朗运动，使微粒发生 结合而凝聚。一般稳定溶胶的势垒高度可达数千r ，而微粒的平均动能仅 3 2 k b t ，故仅靠布朗运动，微粒是不会越过势垒的，必须依靠投加电解质， 使综合位能曲线的势垒高度下降，微粒就会容易越过势垒发生后凝聚。换言 之，增大电解质浓度或价数时，形增大，双电层厚度矿1 减小，因而两微粒扩 散层发生交联而产生排斥的距离相应缩短，而在近距离处范德华引力相对较 强，因而使微粒发生凝聚。 通常，聚沉均发生在势垒为零或很小的情形下，微粒凭借其动能克服势 垒的障碍，一旦越过势垒，微粒间的相互作用位能就会随彼此接近而降低， 最后在第一极小值处达到平衡。如果位能综合曲线上有较高的势垒，足以阻 止微粒在第一极小值处聚结，但第二极小值却深得足以抵挡微粒的动能，则 微粒可以在第二极小值处聚结。由于此时微粒相距较远，这样形成的聚结体 必定是一个松散结构，容易被破坏和复原，表现出触变性质。习惯上将第一 极小值处发生的聚结称为凝聚，将第二极小值处发生的聚结称为絮凝。所以 在絮凝过程中要控制水流的剪切强度，避免絮体破碎。 为了便于对混凝过程各阶段作用原理、颗粒变化情况的了解，现在粗略 划分见表2 1 j 。 两华大学硕士学位论文 表2 - 1 絮凝各阶段特性 t a b 2 1p e c u l i a r i t yo fs t a g e so ff l o c c u l a t i o n 阶段凝聚絮凝 2 2 混凝剂、助凝剂及其作用机理 2 2 1 混凝剂 如前面所说的，分散在水中的微粒因具有聚结稳定性和沉降稳定性而不 能有效的与水分离。为破坏其聚结稳定性从而破坏其沉降稳定性，必须借助 于投加混凝剂。在水处理中使用的混凝剂可分为无机盐类混凝剂、无机高分 子混凝剂、天然有机高分子混凝剂、人工合成有机高分子混凝剂等几类。 ( 1 ) 无机盐类混凝剂 在天然水中存在的无机盐的离子或者在水处理中作为混凝剂加入水中 的无机盐可以通过数种方式影响微粒的稳定性。一是提供反离子而达到压缩 双电子层并降低盖电位的作用；二是溶解产生的各种离子与微粒表面方式专 属化学作用而达到电荷中和作用：三是由水解金属盐类生成的沉淀物发挥卷 扫网捕作用使微粒转入沉淀。 在溶胶中加入无机盐可起到压缩扩散层厚度并降低善电位的作用。随着 离子浓度和电荷数目的增加，扩散层厚度矿1 迅速减小，静电斥力作用的范 围随着减小，微粒在碰撞时可以更加接近。又由于v a n d e r w a a l s 作用为近距 离作用力，在短距离处它将变的很大，因而排斥势能相对较小，引起综合位 能曲线上的势垒左移并降低高度，到达一定程度时，胶体就失去稳定性而发 生凝聚。事实上，从稳定到凝聚的转变常发生在一个相当窄的电解质浓度范 1 4 西华大学硕士学位论文 围内。对于一定的盐类可以确定出一个临界絮凝浓度c ，称为聚沉值，所谓 聚沉值是引起溶胶明显聚沉所需电解质的最小浓度。同价数的反离子，其聚 沉值有一定差异，其中以一价离子的差异最为明显，大致为： h + c s + r b 十 n h + k + n a + l i 十 对于负离子是： f 一 1 0 3 一 h 2 p 0 4 一 b r 0 3 一 c l 一 c 1 0 3 一 b r 一 i - c n s 一 这种同价离子的聚沉能力的次序称为感胶离子序，且是对小离子而言的。对 于大的有机离子，其v a nd e r w a a l s 吸引很强，其聚沉能力要比小离子大的多。 加入无机盐时产生的反离子能与胶粒表面发生“专属作用”，会使离子 的表面电荷得到中和，同时引起三电位降低，从而发生凝聚。所谓“专属作 用 是指非静电性质的作用，如疏液结合、氢键、表面络合等。在加入过量 电解质时，常常发生表面电荷变号的现象，这是“专属作用 最明显的证据。 “专属作用 对胶体稳定性的影响实际是通过对表面电荷的影响而发生的。 当足够数量的反离子吸附在表面上时，可以使粒子电荷减少到某个临界值， 这时静电斥力不再足以阻止粒子间的接触，于是发生凝聚。 在水中投加水解金属盐( 如硫酸铝或三氯化铁) 类混凝剂时，若投量很 大，则可能产生大量的水解沉淀物，在这些沉淀物迅速沉淀过程中，水中的 胶粒会被这下沉淀物所卷扫或网捕而发生沉降，这种絮凝作用就称为卷扫絮 凝。 国内用的无机盐中铝盐混凝剂主要有硫酸铝、明矾和聚合氯化铝三种； 铁盐混凝剂主要有硫酸亚铁、三氯化铁和聚硫酸铁三种。它们的使用条件和 优缺点见表2 2 【2 1 1 。 两华大学硕上学位论文 表2 - 2 各种混凝剂的特性 t a b 2 2p e c u l i a r i t yo fc o m m o nc o a g u l a t i n ga g e n t _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一r yyt _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 名称分子式主要性能 ( 2 ) 无机高分子混凝剂 无机高分子混凝剂是在铝盐和铁盐混凝剂的基础上发展起来的一类新 型水处理药剂。由于其比传统无机混凝剂具有适应性强，无毒，高效易沉降 1 6 西华大学硕上学位论文 而相对价廉等优点，近年来得到迅速的发展。目前广泛应用的主要有：聚合 氯化铝( p a c ) ，聚合硫酸铁( p f s ) 、聚硅酸( p s i ) 和聚合硅酸硫酸铝( p a s s ) 。 ( 3 ) 有机高分子混凝剂 很多有机高分子聚合物很容易吸附在胶体粒子上面。粒子间的相互作用 因而受到影响。有机高分子物质量到一定程度可以对胶体的稳定性起到加强 保护作用。但是没有到其加强作用的量的时候就不会对胶体其保护作用，反 而是使溶胶对电解质的敏感性大大增强，聚沉值减小，易于引起聚沉。其主 要作用有：高分子混凝剂的架桥作用，高分子混凝剂的电中和作用，高分子 混凝剂在颗粒表面的吸附和相互作用等。目前主要用到的高分子混凝剂有人 工合成的聚丙烯酰胺( 鼢州) 及其衍生物、聚丙烯酸钠、聚磺基苯乙烯、聚 氧化乙烯、脲醛树脂等：天然的淀粉类、半乳甘露聚糖类、纤维素衍生物类、 动物骨胶等五大类。 2 2 2 助凝剂 当单用混凝剂不能取得良好效果时，需要投加某些辅助药剂以提高混凝 效果，这种辅助药剂称为助凝剂。常用的助凝剂及其作用如下：投加酸或 碱类以调整p h 值；投加活化硅酸、骨胶、p a m 等以增强絮凝体的密实性 和沉降性能；在低浊度原水中投加粘土、活性白土、高岭土或活性炭等以 提高分散系的悬浮物浓度；投加氯、臭氧等氧化剂，如当原水受到严重污 染、有机物过多时，用氧化剂予以分解，破坏其干扰，或者使胶体脱稳，还 可将f e 2 + 转化为f e 3 + ，以提高混凝效果【2 1 】。 2 3 原水与混凝剂的凝聚和絮凝反应 2 3 1 混凝剂的配制与投加 混凝剂的投配可分为于投法和湿投法，我国大都采用湿投法。若药剂是 固体，则需要把它溶解配制成一定浓度的溶液之后再投加。溶解池要根据水 厂用药量的多少和药剂的品种来设计，并配置搅拌装置，以加速药剂的溶解。 无论是无机盐类还是有机合成高分子混凝剂，其投加量必须适当，量不 足达不到应有的混凝效果，量过大则会造成胶体复稳。也就是说，随着混凝 1 7 西华大学硕士学位论文 剂用量不断增大，水的浊度不断降低，当混凝剂用量继续增大时，水的浊度 又逐渐变大。对于无机盐类混凝剂来说，是由于颗粒因超荷现象而导致新的 稳定性，使水质呈现乳浊色，含有超量的铝和铁，水质恶化。对有机合成高 分子混凝剂来说，是由于微粒失去空白吸附位，无法实现吸附架桥而导致胶 体复稳。有机合成高分子混凝剂一般都具有链状结构，当它的某一链节上的 基团吸附某一胶粒后，另一链节上的基团还可伸展于水中吸附另一胶粒，于 是形成“胶粒一高分子物质一胶粒”的聚集体。高分子物质在此起了胶粒与 胶粒之间相互结合的桥梁作用。当高分子混凝剂投量过多时，水中每个微粒 都被高分子物质所包裹，使微粒失去被其它高分子物质吸附的机会，致使吸 附架桥无法实现，胶粒又重新处于稳定状态。所以无论使用何种混凝剂，都 要特别注意控制其用量，避免胶体再稳现象的发生。 2 3 2 凝聚混合设备 混合设备是完成凝聚过程的重要设备。根据混合需要，它应满足下列要 求：证药剂能迅速均匀地扩散到整个水体；混合时间不宜过长；能使 水体产生强烈紊动。这些都为药剂在水中创造良好的水解和聚合条件。为实 现上述要求，一般可以利用水力或机械混合设备【2 l 】。折板絮凝池反应设备是 水力混合设备的一种，能较好适应原水浊度变化和低温低浊的条件【2 3 1 。 2 3 3 絮凝反应设备 絮凝反应设备可分推流型( 简称p f 型) 和完全混合连续流型( 简称c s t r 型) 。接近推流型的絮凝池有隔板絮凝池、折板絮凝池等；接近完全混合连 续流型的絮凝池有机械搅拌絮凝池。 在理想情况下，从絮凝速度考虑，采用隔板式( 或折板式) 絮凝池比用 机械搅拌絮凝池效果好。虽然，按反应器原理，串联数越多絮凝池效果越好， 从混凝动力学考虑，越是经济，当串联数足够大时，其混凝效果将与推流型 接近，但考虑到造价及机械设备的增加会使操作复杂化、也给维修带来了不 便等因素，在实际工程中，串联数一般不超过4 个。这样比较而言，p f 型 絮凝池更经济实用【2 4 】。p f 型絮凝池可分为隔板絮凝池和折板絮凝池，折板 两华大学硕十学位论文 絮凝池是将隔板絮凝池的平板隔板改为具有一定角度的折板而成，通常为竖 流式，单通道折板絮凝池见图2 4 。 进 f i g 2 - 4r e p r e s e n t a t i o no f o p p o s i t ef o l d e dp l a t ef l o c c u l m o r 图2 _ 4 异波折板 口 f i g 2 - 5r e p r e s e n t a t i o no f p a r a l l e lf o l d e dp l a t ef l o c c u l a t o r 图2 5 同波折板 图中，异波折板的波峰相对安装，水流在折板之间缩放流动；同波折板 的波峰和波谷平行安装，水流在折板间曲折流动。同波折板和异波折板一般 组合应用，还和平直联合应用，组合使用的时候前面采用异波折板，中间用 同波折板，最后采用平直板，这样的组合有利于絮体成长，避免破碎。 2