水厂设计3-- - 混凝

第三章混凝处理 混凝去除对象 胶体及部分细小的悬浮物 混凝目的 投加混凝剂使胶体脱稳 相互凝聚生长成大矾花 以便在后续沉淀工艺中去除 动力学稳定性 布朗运动对抗重力聚集稳定性 胶体带电相斥 憎水性胶体 水化膜的阻碍 亲水性胶体 为什么要投药 如何脱稳 先来回想一下 胶体的稳定性 1 压缩双电层理论 根据DLVO理论 电解质 混凝剂 加入 与反离子同电荷离子 压缩双电层 电位 稳定性 凝聚 2 吸附 电性中和作用机理 范德华力 氢键及共价键力 3 吸附架桥机理 链状高分子聚合物 胶体保护 再稳现象 4 网捕或卷扫机理 金属氢氧化物沉淀物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象 使小胶体变大 絮凝 在实际水处理过程中 往往是四种机理综合作用 一 混凝剂 Coagulant 无机混凝剂 铁盐形成的絮体比铝盐絮体密实 但腐蚀性强 有颜色 常用的药剂有哪些 m 聚合度 10B 碱化度 OH 3 Al 100 50 80 事先已水解聚合 有效成份多 投加量少 对pH变化适应性强 机理 吸附电中和与吸附架桥协同作用 聚合氯化铝PAC Al2 OH nCl6 n m 铝聚合物形态对混凝的影响 六元环 结构模型 最稳定结构 6个6配位八面体的铝原子的结构 Al6 OH 12 H2O 126 Al13 结构模型 12个6配位八面体的铝原子围绕1个4配位的铝原子 一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚 絮凝成份 其含量反映了产品的品质 有机混凝剂 通常起絮凝剂作用 人工合成 阳离子型 含氨基 亚氨基的聚合物阴离子型 水解聚丙烯酰胺 HPAM 非离子型 聚丙烯酰胺 PAM 聚氧化乙烯 PEO 两性型 天然 淀粉 动物胶 树胶 甲壳素等微生物絮凝剂 非离子型 聚丙烯酰胺 PAM CH2 CH CONH2 n 聚合度 20000 90000分子量 150万 600万对胶体表面具有强烈吸附作用 pH 10条件下水解COO 阴离子型 HPAM 水解度 30 40 有机高分子单体的毒性问题 有些国家严格规定不得超过0 05 混凝剂发展方向 聚合硫酸铝铁 PFAS 聚合氯化铝铁 PFAC 聚合硫酸氯化铁 PFSC 聚合硫酸氯化铝 PASC 聚合铝硅 PASi 聚合铁硅 PFSi 聚合硅酸铝 PSA 聚合硅酸铁 PSF 无机复合聚合物 传统无机约占20 无机聚合物占70 有机约占10 无机 有机复合 聚合铝 铁 聚丙烯酰胺 聚合铝 铁 甲壳素 聚合铝 铁 天然有机高分子 聚合铝 铁 其它合成有机高分子 高分子絮凝剂 阳离子有机化合物天然改性高分子 无毒易降解 如甲壳素等多功能絮凝剂 絮凝 缓蚀阻垢 杀菌灭藻微生物絮凝剂 无机 有机复合 聚合铝 铁 聚丙烯酰胺 聚合铝 铁 甲壳素 聚合铝 铁 天然有机高分子 聚合铝 铁 其它合成有机高分子 高分子絮凝剂 阳离子有机化合物天然改性高分子 无毒易降解 如甲壳素等多功能絮凝剂 絮凝 缓蚀阻垢 杀菌灭藻微生物絮凝剂 3 1混凝剂的选择 同水源已建水厂或相似水质已建水厂 如何选 参考 都参考什么 投什么药剂 最佳投量 考虑pH值和碱度影响 对照混凝条件的差异 如混合 反应 投药点等 进行适当调整 混凝剂投量计算T 日混凝投量 kg d a 单位混凝剂最大投量 mg L Q 日处理水量 m3 d 考虑pH值和碱度影响水的pH值对混凝效果影响很大 对一般的浑浊水 投硫酸铝的最佳pH范围为6 5 7 5 而且在铝盐或者铁盐水解反应中 不断产生的H 必然导致水的pH值的下降 天然水中含有一定的碱度 当投药量较少 原水的碱度又较大时 由于水中的碳酸化合物的缓冲作用 水的pH值略有降低 对混凝效果不会有大的影响 当投药量较大 原水的碱度小时 水中的碱度已不足以中和水解产生的酸时 水的pH将大幅度下降 以至于降至最优混凝条件以下 这时 便不能获得良好的混凝效果 为了保持水中的pH值在混凝过程中始终处于最优范围内 须向水中投加碱剂 即对水进行碱化 一般投加CaO Al2 SO4 3 3H2O 3CaO 2Al OH 3 3CaSO42FeCl3 3H2O 3CaO 2Fe OH 3 3CaCl2石灰投加量宜用混凝实验决定 也可按下式估算 CaO 3 a CaO 纯石灰CaO投量 mmol L a 混凝剂投量 mmol L 原水碱度 mmol L 剩余碱度 一般取0 25 0 5mmol L 例 石灰投量计算 书上例子石灰投量计算混凝剂投加量表示方法 第一种 就是用混凝剂成品的质量来表示 即每单位体积水体中投加了多少成品混凝剂的质量 第二种 以混凝剂有效成分来表示 如铝盐可以用铝或氧化铝来表示 即每单位体积水体中投加了多少铝或氧化铝 一 混凝剂的配制与投加流程 尽可能采用自动投药装置 1 投配流程 3 2药剂的配制和投加 一般采用湿投法 2 溶解池和溶液池 大中型水厂通常建造混凝土溶解池 并配置搅拌装置 搅拌的目的在于加速药剂溶解 搅拌装置有 机械搅拌 压缩空气搅拌 水泵搅拌 水力搅拌等 中小型水厂 常用自然浸溶 压力水经穿孔管淋溶或冲溶 溶液池容积W1 溶液池容积 m3 Q 处理的水量 m3 h a 混凝剂的最大投量 按无水产品计 mg L b 溶液浓度 混凝剂溶液按商品固体混凝剂重量计算 一般取5 20 或按扣除结晶水计算 采用5 7 5 n 每日调配次数 3次溶液池一般设两个 一用一备 即每个容积都是W1 一般为高架式设置 以便能重力投加药剂 池周围应有工作台 宽1 0 1 5m 池底坡度不小于0 02 底部设置DN100mm排空管 必要时还应在池内最高工作水位处设溢流装置 池内采用环氧树脂进行防腐处理 沿地面接入药剂稀释用给水管DN80mm一条 溶解池容积W2 0 2 0 3 W1为便于投加药剂 溶解池高程一般以设置在地平面以下为宜 池顶宜高出地面1m左右 以改善操作条件 溶液池底坡度不小于0 02 池底应有DN100mm排渣管 池壁须设超高防止搅拌溶液时溶液溢出 给水管管径按10min放满溶解池考虑 池体一般采用钢混结构 内壁做防腐处理 溶解池搅拌设备机械搅拌 搅拌桨为平桨板 中心固定式 搅拌设备应进行防腐处理 混凝剂投加方式 湿投 重力投加 压力投加 泵前投加 高位溶液池重力投加 水射器投加 计量泵投加 9 3 7投加混凝剂应采用计量泵加注 计量设备孔口计量 流量计 转子 电磁 计量泵 q 流量w 孔口面积 孔口的流量系数g 重力加速度h 孔口前作用水头 转子流量计 计量泵投加 计量泵每小时投药量 q W1 12 数学模型法 根据水质水量建立模型 但需要大量的生产数据 涉及仪表多现场模拟试验法 根据试验结果反馈到投药 仍有一定滞后 流动电流检测器 SCD 流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流 絮凝监测器 利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化 3 投加量自动控制 二 助凝剂 絮凝剂的配制与投加 类同于混凝剂的投加 三 加药间及药库 3 3混合设施 混合基本要求 使药剂迅速而均匀的扩散于水中混合要快速剧烈 在10 30s 最多不超过2min中完成混合设施与后续处理构筑物越近越好 尽可能直接连接与后续构筑物的连接管道流速可采用0 8 1 0m s 混合基本方式 水力 简单 不能适应流量变化 水泵混合 管式静态混合器 扩散混合器 跌水混合等 机械 可调节 但有机械维修量 混合方式比较 水泵混合 设计要点 1 将药剂加于水泵吸水管中 越靠近水泵效果越好2 为防止空气进入水泵吸水管内 需设一装有浮球阀的水封箱3 注意避免腐蚀性较强的药剂腐蚀水泵叶轮及管道4 一级泵房距净水构筑物距离不宜过长 管式混合 静态混合器的水头损失一般小于0 5m 根据水头损失公式 式中 h 水头损失 mQ 处理水量 m3 dd 管道直径 mn 混合单元 个 已知h Q d 求出混合单元n的个数 加药点设于靠近水流方向的第一个混合单元 投药管伸入距离一般采用管道直径的1 3 1 4 扩散混合器 外加动力管式混合 隔板混合池 设计要点 一般设3道隔板 隔板间距为池宽的2倍 第1 3两块隔板的过水孔道设在池中央 第2块隔板的过水孔道设在池子的两侧孔道中央流速 1m s 池内流速 0 6m s T 10 30秒为防止空气带入水中 各过水孔道应设于下游水面以下15 20cm水流在孔道中的水头损失按下式计算 式中 u 孔道中的水头损失 m s 孔道局部阻力系数 2 5g 重力加速度 m s2 设计要点 池型为圆形或方形 可采用单格或者多格串联机械混合的桨板有多种形式 如桨式 推进式 涡流式等桨式采用较多 其结构简单 加工制造容易 但所能提供的混合功率较小 适用于容积较小的混合池 一般2m3以下 其余可用于容积寄到的混合池混合时间控制在10 30s内 最大不超过2min 桨板外缘线速度为1 5 3m s 混合池内一般设带有两叶的平板搅拌器 当 有效水深 H D 混合池直径 1 2 1 3时 搅拌器设一层 H D 1 2 1 3时 搅拌器设两层搅拌器离池底 0 5 0 75 Do 搅拌器直径Do 1 3 2 3 D 搅拌器宽度B 0 1 0 25 D 机械混合池 计算例题 桨板式机械混合池 池体尺寸计算搅拌池有效容积混合池高度 搅拌池当量直径D 当搅拌池为矩形时 其当量直径为 搅拌设备计算桨板尺寸搅拌器垂直轴转速no桨板旋转角速度 桨板转动时消耗功率No所需轴功率 转动桨板所需电动机功率N 絮凝池 经过与药剂充分混和的原水 进入反应池进行反应 按照混凝理论 反应中主要起絮凝作用 故反应池应称为絮凝池 但是目前仍多习称为反应池 絮凝阶段的主要任务是 创造适当的水力条件 使药剂与水混合之后所产生的微絮凝体 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 0 6 1 0mm 密度和强度 不易破碎 并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 絮凝效果可用GT值表征 G为絮凝池内水流的速度梯度 式中 水的绝对粘滞度 Pa s 水的密度 h 絮凝池的总水头损失 t 絮凝时间 一般为10 30min 根据生产运行经验 t 10 30min 流速采用0 2 0 6m s G值在20 60s 1之间 GT值应在104 105之间为宜 t的单位为秒 絮凝池宜与沉淀池合建 这样布置紧凑 可节省造价 如果采用管渠连接 不仅增加造价 而且由于管道流速大而易使已结大的凝絮体破碎 絮凝池的类型及特点 3 4隔板絮凝池 反应池 絮凝池 絮凝阶段主要任务 创造适当的水力条件 使药剂与水混合之后所产生的微絮凝体 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 0 6 1 0mm 密度和强度 不易破碎 并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 隔板式絮凝池根据隔板的设置情况 分为往复式和回转式两种 为了节省占地面积 可在垂直方向上设置成双层或多层隔板絮凝池 例如往复回转式双层隔板絮凝池 往复式隔板絮凝池的计算 设计概述絮凝池宜与沉淀池合建 池数一般不少于两个 絮凝时间宜为20 30min 进口流速为0 5 0 6m s 出口流速为0 20 0 30m s 廊道宽度 隔板间净距 宜大于0 5m 小型池子当采用活动隔板时适当减小 进水管口应设挡水装置 避免水流直冲隔板 隔板转弯处的过水断面面积 絮凝池保护高0 3m 应为廊道断面面积的1 2 1 5倍 池底排泥口的坡度一般为0 02 0 03 排泥管直径不应小于150mm 絮凝效果亦可用速度梯度 G 和反应时间 T 来控制 当原水浊度低 平均G值较小或处理要求较高时 可适当延长絮凝时间 以提高GT值 改善絮凝效果 计算例题 往复式隔板絮凝池 1 总容积W 2 单池平面面积f 3 池长 隔板间净距之和 L 4 池宽B 5 廊道宽度和流速 6 水流转弯次数7 池长复核 未计入隔板厚度 8 池底坡度 9 水头损失 11 GT值 计算例题 回转式隔板絮凝池 总容积W池长L各挡隔板间距an 池宽度的核定第一道 内层 隔板长度l 絮凝池廊道总长度 絮凝时间水头损失h 9 GT值 3 5折板絮凝池 设计概述折板絮凝池是在隔板絮凝池基础上发展而来的 折板絮凝池通常采用竖流式 折板的形式一般有平板 折板和波纹板 折板按照波峰和波谷的相对安装盒平行安装又可分为 异波折板 和 同波折板 按水流在折板间上下流动的间隙数 可分为 单通道 和 多通道 单通道是水流沿着每一对折板间的通道上下流动 多通道是将絮凝分为若干个格子 在每一个格子内放置若干折板 水流在每一格内平行并沿着格子依次上下流动 为使絮凝体逐步成长而避免破碎 无论在单通道或多通道内均可采用前段异波式 中间同波式 后段平板式的组合形式 絮凝时间一般宜为6 15分钟 絮凝过程中的速度应逐段降低 分段数一般不宜少于三段 各段的流速可分别为 第一段 0 25 0 35米 秒 第二段 0 15 0 25米 秒 第三段 0 10 0 15米 秒 折板夹角采用90 120 折板宽度采用0 5m 折板长度为0 8 1 0m 絮凝池内的速度梯度G由进口至出口逐渐减小 一般为起端至末端的G值变化范围为100 15s 1以内 且GT 2 104 计算例题 折板式絮凝池 每组絮凝池流量Q每组絮凝池容积W每组池子面积f每组池子的净宽B絮凝池的布置 6 折板尺寸及布置7 絮凝池长度L和宽度B 8 各格折板的间距及实际流速 9 水头损失 10 絮凝池各段的停留时间 11 絮凝池各段的G值 3 6机械絮凝池 设计概述机械絮凝池是利用装在水下转动的叶轮进行搅拌的絮凝池 按照叶轮轴的安放方向 可分为水平 卧 轴式和垂直 立 轴式两种类型 叶轮的转数可根据水量和水质情况进行调节 水头损失比其他池型小 机械絮凝池一般不少于2个 絮凝时间为15 20min 池内搅拌设3 4档 浆板线速度由第一档的0 5m s逐步减至末档的0 2m s 水平搅拌轴设于池中水深1 2处 叶轮直径应比絮凝池水深小0 3m 叶轮尽端与池子侧壁间距 0 2m 垂直搅拌轴设于池中间 其上浆板顶端设于池子水面下0 3m处 下浆板底端设于距池底0 3 0 5m处 浆板外缘与池侧壁间距 0 25m 水平轴式絮凝池每只叶轮的浆板数一般为4 6块 浆板长度 叶轮直径的75 每根搅拌轴上浆板总面积宜为水流截面积的10 20 不宜 25 每块浆板的宽度为浆板长的1 10 1 15 一般为10 30cm 池身一般为3 4m 搅拌装置 轴 叶轮等 应进行防腐处理 轴承与轴架宜设于池外 水位以上 以避免池中泥沙进入高值严重磨损或折断 注意 桨板线速度是以池子为固定参照物 相对线速度为桨