第5章 凝聚与絮凝3ppt课件

5 3混凝剂和助凝剂 5 3 1混凝剂混凝剂选择应符合以下要求 混凝效果好 对人体无毒害危害 使用方便 货源充足 成本低 新型药剂的卫生许可 根据经验选取 目前混凝剂的种类有不少于200 300种 分为无机与有机两大系列 对比情况见下页表格 无机与有机混凝剂对比情况表 1 硫酸铝 aluminiumsulfate AS 1 性质硫酸铝有固 液两种形态 我国常用固态硫酸铝 硫酸铝为白色结晶体 易溶于水 水溶液呈酸性 pH值在2 5以下 根据其中不溶于水的物质的含量 可分为精制和粗制两种 2 特点硫酸铝使用方便 混凝效果较好 不会给处理后的水质带来不良影响 但是水温低时硫酸铝水解困难 形成的絮凝体较松散 处理效果不及铁盐混凝剂 3 混凝机理硫酸铝加入水中后 首先离解为Al3 和SO42 然后Al3 水解产生多种水解产物 主要有四类 未水解的水合铝离子 pH 3 单核羟基配合物 多核羟基配合物或聚合物 pH 4 5 氢氧化铝沉淀物 pH 6 5 7 5 根据水解产物形态 硫酸铝对胶体的混凝作用有两种情况 一是低pH值时侧重于高电荷低聚合度物质的吸附 电性中和作用 二是高pH值时侧重于低电荷高聚合度物质的吸附架桥作用 硫酸铝的最佳pH值范围是 去除浊度时 浊度离子水化膜薄 电位低 宜pH 6 5 7 5 利用水解产生低电荷高聚合度物质来吸附架桥 去除色度时 色度离子 电位高 宜pH 4 5 5 5 利用带正电荷多的水解产物吸附 电性中和来脱稳凝聚 2 聚合氯化铝 polyaluminiumchloride PAC 1 性质PAC是一种无机高分子混凝剂 又称碱式氯化铝或羟基氯化铝 PAC固体为黄色树脂状 易潮解 溶液为黄褐色透明液体 水处理中多用液体PAC 其化学分子表达式有多种 Al2 OH nCl6 n m 可看作高分子聚合物 m为聚合度 通常n 1 5 m 10 Aln OH mCl3n m 可看作复杂的多核配合物 这两个分子式实际上是同一物质的不同表达 PAC在水中的聚合物成分主要取决于碱化度 即羟基与铝的摩尔数之比 可按下式计算 碱化度为PAC的一个生产指标 一般控制B 50 80 生产过程中 控制适当的B值 可获得所需的优质聚合氯化铝 2 特点 适应水质范围较宽 对污染严重或低浊度 高浊度 高色度的原水都可达到较好的混凝效果 相对硫酸铝而言 混凝效果受稳定影响较小 形成絮体的速度较快 且粗大而厚重 沉淀性能好 投药量比较低 相同水质只用硫酸铝的1 2 1 3 适宜的pH 5 9 投加过量不会出现胶体再稳现象 腐蚀性小 且处理后水的pH值和碱度下降较小 但是原材料比较紧张 价格比硫酸铝贵 3 三氯化铁 FeCl3 6H2O 三氯化铁为黑褐色结晶体 有强烈吸水性 极易溶于水 液体三氯化铁或受潮的固体物腐蚀性极大 必须用耐腐蚀加药设备 三氯化铁的特点有 易溶解 易混合 形成的絮凝体密度大 沉降快 处理低温水或低浊水效果比铝盐好 适宜的pH 6 0 8 4 三氯化铁用量一般比铝盐少 三氯化铁溶液具有强腐蚀性 对金属腐蚀性最大 对混凝土也腐蚀 对塑料管也会因发热而引起变形 处理后的水的色度比用铝盐高 且投加量最佳范围较窄 如果控制不好 会导致出水的色度增大 固体产品易受潮 不易保管 4 硫酸亚铁 FeSO4 7H2O 硫酸亚铁为半透明的绿色结晶体 俗称 绿矾 易溶于水 硫酸亚铁离解出的Fe2 只能生成简单的单核络合物 不如三价铁盐那样有良好的混凝效果 残留于水中的Fe2 会使处理后的水带色 当水的色度较高时 Fe2 与水中有色胶体反应 将生成颜色更深的不易沉淀的物质 因此生产中采用硫酸亚铁作为混凝剂时 通常将Fe2 氧化成Fe3 氧化方法有氯化 曝气等 常用氯化法 称亚铁氯化法 化学反应式为 6FeSO4 7H2O 3Cl2 2Fe2 SO4 3 2FeCl3 7H2O 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 5 有机高分子混凝剂 有机高分子混凝剂一般都是线性高分子聚合物 其分子呈链状 并由很多链节组成 每一链节为一化学单体 各单体以共价键结合 且各单体常含有带电基团 按基团带电情况 人工合成的有机高分子混凝剂常分为阳离子型 阴离子型和非离子型 目前水处理中常用的是聚丙烯酰胺 PAM 为非离子型 PAM的分子结构中n为聚合度或链节数 一般n 2 9万 相应分子量M 150 600万 聚丙烯酰胺在混凝过程中吸附架桥作用显著 对于高浊水 低浊水和污水处理 污泥脱水都有显著的效果 同时用量较低 但是因其价格昂贵 使用受到一定限制 并且其单体丙烯酰胺有毒性 故生产中应严格控制产品中的单体残留量 在饮用水处理时 最大投加量应该控制在1 0mL L以内 最好采用单体含量在0 05 以下的产品 一般在高浊度水处理中常用PAM作为助凝剂配合铝盐 铁盐使用 可大大降低药耗且效果显著 5 3 2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助凝剂 也就是能促进和加速凝聚过程 提高绒粒质量的物质称为助凝剂 助凝剂可以掺加混凝 也可不掺加混凝 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 SiO2nH2O 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 以改变混凝剂的化学形态来促进混凝效果的助凝剂 5 4混合与絮凝反应 5 4 1混凝剂的制备与投加混凝剂的投加分为固体和液体投加 或称干投和湿投 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 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 溶解池 将混凝剂由固体变为液体的设施 溶液池 配置一定浓度溶液的设施 溶解池容积W1 W1 0 2 0 3 W2式中W2为溶液池容积 式中 W2 溶液池容积 m3Q 处理的水量m3 ha 混凝剂最大投加量 mg Lc 溶液浓度 一般取5 20 n 每日调制次数 一般不超过3次 1 混凝剂的溶解和溶液配制 溶解池 溶液池 注意 两者高程之间的关系 溶解池 溶液池 例题 某水厂采用精制硫酸铝作为混凝剂 其最大投量为35mg L 水厂设计水量100000m3 d 混凝剂每日调制3次 溶液浓度按10 计 试求溶解池和溶液池体积各为多少 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 转子流量计 电磁流量计 苗嘴 计量泵等 2 混凝剂投加 计量 计量加药泵计量 孔口计量 转子流量计 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 图中水封箱是为防止空气进入 见图15 9 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 见图15 10 3 水射器投加 设备简单 使用方便 溶液池高度不会受太大限制 但效率低 易磨损 见图15 11 4 泵投加 不必另设计量设备 适合混凝剂自动控制系统 有利于药剂与水混合 见图15 12 2 混凝剂投加 方式 1 泵前投加 优点 混合充分 一般适用取水泵房距水厂较近者 缺点 对水泵有较大腐蚀性 特别是采用氯化铁 2 重力投加 3 水射器 优点 安全可靠 缺点 自动化程度较低 能耗较高 优点 简单方便 缺点 效率低 易磨损 4 泵投加 优点 投药量准确 工作稳定可靠 适应性强 粗 精 块均可 缺点 设备较庞大 占地大 造价高 投药量突然增大时 不易调节 排渣困难 5 4 2混合过程 在混合阶段水中杂质颗粒尺寸微小 异向絮凝占主导地位 1 作用在混合阶段进行剧烈搅拌的目的是使药剂快速均匀地扩散在水中 使胶体脱稳凝聚 产生微絮凝体 微絮凝体d 5 m 2 工艺要求混合要求快速剧烈 5 4 3絮凝反应过程 经过混合过程 形成矾花达到5 m以上 一般不再产生布朗运动 因此 在絮凝阶段必须借助于机械或水力搅拌进行同向絮凝 1 作用使微絮凝体通过合适的水力条件变成粗大絮凝体 粗大絮凝体d 0 6mm 2 工艺要求 1 提供足够的碰撞次数 2 搅拌强度要递减 3 絮凝体不能在絮凝池中沉淀 因此流速不能太小 3 措施 1 增大颗粒浓度 对低浊度水可投加粘土 增加投矾量等 2 增大颗粒尺寸 例如投加高分子助凝剂活化硅酸 PAM等 3 要有适当的速度梯度G 且G值要逐渐递减 一般通过控制流速v来控制G值递减 一般在絮凝池进口v 0 5 0 6m s 在絮凝池出口v 0 1 0 2m s 4 要提供足够的碰撞次数 就要有足够的絮凝时间 T 10 30min 5 改善水流状态 即在絮凝池中设置扰流装置 在水中形成脉动流速 提高有效能耗 例如设置栅条 网格 波纹板等 5 5混凝实验 实验目的 观察混凝现象 从而加深对混凝理论的理解 了解混凝剂的筛选方法 选择和确定最佳的混凝工艺条件 整个过程经历三个阶段 混合 絮凝和沉淀 混合混合时间 10 30s 最多不超过 min速度梯度 500 1000s 1 絮凝保证足够的絮凝时间 10 75s 1 沉淀停止搅拌 静置 可编程六联电动搅拌器 浊度仪 1 确定最佳投药量 用量筒量取6个水样于6个1000mL混凝杯中 并测定原水的浊度 pH值及水温 依次向六个加药杯中加入Al2 SO4 3溶液1 2 4 8 10 12mL 按表 设置程序 见实验指导书 搅拌过程中 观察并记录 矾花 形成的过程 矾花 外观 大小 密实程度等 搅拌过程完成后 停机 静沉10min 观察并记录 矾花沉淀的过程 静沉结束后 分别取出100mL上清液 并分别用浊度仪测出剩余浊度 绘制剩余浊度 投药量曲线 最佳混凝剂投加量 浊度 混凝剂投加量 2 确定最佳pH值范围 另取5个1000mL水样 向水样中加酸或碱调节pH值 依次为4mL 2mL 10 HCl 0mL 2mL 4mL 10 NaOH 快速搅30s 500转 分 用pH计测pH值 按前面确定的最佳投药量加Al2 SO4 3分别于 个加药杯重复2 3 6 绘制剩余浊度 pH值曲线 确定最佳pH范围 最佳pH范围 浊度 pH 基本概念混凝动力学 研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴 颗粒相互碰撞的动力来自两个方面 异向絮凝 由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝 同向絮凝 由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝碰撞速率 指单位时间 单位体积内颗粒的碰撞次数 絮凝速率 指单位时间 单位体积内颗粒总数量浓度的减少速率 絮凝速率 1 2 碰撞速率 混凝动力学 补充 颗粒的碰撞速率可按下式计算 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 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1 m 布朗运动消失 1 异向絮凝 2 同向絮凝 1 层流条件下的同向絮凝层流条件下颗粒的碰撞示意见图15 7 颗粒的碰撞速率按下式计算 在被搅动的水流中 考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体见图15 8 设在时间内 隔离体扭转了角度 于是角速度为 转矩为 于是单位体积水所耗功率p为 由于故 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 则采用水力絮凝池时 同向紊流理论 外部施加的能量形成大涡旋 大涡旋将能量输送给小涡旋 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 式中 紊流扩散系数 为相应于尺度的脉动速度 为故 2 紊流条件下的同向絮凝 设颗粒在水中均匀分布 每个颗粒的体积为 总颗粒数为n则单位体积水中含有颗粒总体积为 体积浓度为由于絮凝速度为碰撞速度的 1 2倍 则絮凝速度为 3 理想紊流反应器 当采用PF反应器时 在稳态状态下 絮凝时间 当采用CSTR反应器时 在稳态状态下 絮凝时间 4 G值和GT值的含义 G值增大 碰撞速率增大 则颗粒碰撞次数也增加 G值可作为一种搅拌强度的指标 但G值太大 絮凝体会破碎 一般控制平均G值为 1 混合阶段以异向絮凝为主 要求将混凝剂快速溶解于水中使胶体脱稳 一般G 700 1000s 1 2 絮凝阶段以同向絮凝为主 要促使微絮凝体变成粗大絮凝体 又要防止絮凝体破碎 一般G 20 70s 1 水流在混凝设备中停留时间T越大 颗粒碰撞的次数越多 但T太长 经济上不合理 一般控制T为 1 混合阶段T 10 20s 不超过2min 2 絮凝阶段T 10 30min 不同的絮凝池设计停留时间不同 G值间接反映单位时间颗粒碰撞次数 GT值反映总的碰撞次数 一般控制絮凝池的平均GT 1 104 1 105 5 7混合和絮凝设备 5 7 1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 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700 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 3 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 见图15 13 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 节管长度不小于500mm 水头损失约0 3 0 4 直径在DN200 DN1200 见图15 14 5 7 2絮凝设备 絮凝设备的基本要求 通过该设备后形成肉眼可见的大的密实絮凝体 按照动力来源分为两大类 水力搅拌设备和机械搅拌设备 水力搅拌式 隔板絮凝池 折板絮凝池 网格絮凝池 格栅絮凝池等 主要掌握隔板絮凝池 折板絮凝池的设计 机械搅拌式 机械絮凝池 1 隔板絮凝池分往复式和回转式 见图15 15与图15 16 2 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 3 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 适应大中水厂 1 隔板絮凝池 1 4 隔板絮凝池的设计参数 流速 起端0 5 0 6m s 末端0 2 0 3m s段数 4 6段 转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1 2 1 5倍 絮凝时间 20 30min 隔板间距 不大于0 5m 池底应有0 02 0 03坡度直径不小于150mm的排泥管 廊道的最小宽度不小于0 5m 各段的水头损失 总水头损失 1 隔板絮凝池 2 1 隔板絮凝池 3 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 其示意图见图15 18与图15 19 2 折板絮凝池 1 2 折板絮凝池 2 2 折板絮凝池 2 2 折板絮凝池 3 设计参数 折板絮凝池的流速通常也分段设计 分段数一般不少于3段 各段流速分别为 第一段0 25 0 35m s 第二段0 15 0 25m s 第三段0 10 0 15m s 折板的夹角采用90 120度 波高一般采用0 25 0 4m 优点 1 无论是同波还是异波折板间水流流动连续不断 可行成众多小旋涡 提高了颗粒碰撞絮凝效果 2 在折板的每个转角处 两折板之间的空间可视为CSTR完全混合连续反应器 众多连续反应器串联起来就接近或相当于推流型 PF型 反应器 所以折板絮凝池接近推流型 3 与隔板絮凝池相比 水流条件大大地改善 在总的水流能量消耗中 有效能量消耗比例提高 所需絮凝时间可以缩短 池子体积减小 缺点 1 因板距小 安装维修较困难 2 折板费用较高 一般常用于中小型水厂 2 折板絮凝池 4 深圳某水厂折板絮凝池 2 折板絮凝池 5 机械絮凝池的剖面示意见图6 19 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 3 机械絮凝池 1 1 功率计算水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力 在dA微面积上水流阻力阻力dFi所耗功率 即桨板施于水的功率 式中 为水流旋转线速度 为桨板旋转角速度 为旋转半径因此 3 机械絮凝池 2 第i块桨板克服水的阻力所耗功率 设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板 则每根旋转轴全部桨板所耗功率 每根旋转轴所需电动机功率 3 机械絮凝池 3 2 设计参数 絮凝时间10 15分 池内一般设3 4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10 20 不宜超过75 桨板长度不大于叶轮半径的7