混凝搅拌实验

第二章混凝搅拌实验(CoagulationandFlocculation),第1节混凝的去除对象第2节胶体的性质第3节水的混凝机理与过程第4节混凝剂与助凝剂第5节混凝动力学第6节混凝影响因素第7节混凝设备第8节混凝的应用,第1节混凝的去除对象,混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物尺寸范围：1nm0.1m（有时认为在1m）水处理中主要杂质：粘土（50nm-4m）细菌（0.2m-80m）病毒(10nm-300nm)蛋白质（1nm-50nm）腐殖酸,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。,以地面水为水源的给水处理工艺：原水混凝沉淀过滤消毒饮用水,1637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用,1.胶体性质,2.混凝剂在水中溶解与形态,第2节胶体的性质,一、胶体的稳定性,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）,憎水胶体：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核的胶体。亲水胶体：胶体微粒直接吸附水分子。,极性集团：OH，COOH，NH2,二、胶体双电层结构,粘土=-15-40mV细菌=-30-70mV,扩散层,三、DLVO理论,静电斥力：ER1/x2,EA,ER,布朗运动能量Eb1.5kTEmax,E,范德华引力：EA1/x6（有些认为是1/x2或1/x3）,苏联（1938年）：德加根（Derjaguin）兰道（Landon）荷兰（1941年）：伏维（Verwey）奥贝克（Overbeek）,胶体的凝聚：,降低静电斥力,电位,势垒,脱稳,凝聚,第3节水的混凝机理与过程,一、硫酸铝在水中的化学反应,水解过程（配位水分子）：Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+H+价数，pH，最终产生Al(OH)3沉淀。,6个配位水分子(八面体),硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具有代表性。,H+OH-H2OH+HCO3-CO2+H2O,水中碱度不足时，投加石灰。CaO+H2OCa(OH)2石灰投加量：CaO=3a-x+CaO：纯石灰投加量,mmol/La：混凝剂投量，mmol/L；x：原水碱度,mmol/L：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25-0.5mmol/L,水解需要的碱度：,缩聚反应：两个相邻OH发生架桥，产生高价聚合离子,电荷升高，聚合度增大,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,各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。,二、水的混凝机理,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,很好地解释港湾处的沉积现象。叔采哈代（Schulze-Hardy）法则:,凝聚能力离子价数6,理论上电位0，等电状态效果最好,实际只需电位kEmax0,该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。,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。目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。,铝盐可能的混凝机理,pH10条件下水解COO阴离子型（HPAM）水解度：3040,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%。,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）,无机复合聚合物混凝剂,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,二、助凝剂（结合混凝实验自学）,酸碱类：如石灰、硫酸等加大矾花粒度和结实性：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,第5节混凝动力学,1.胶体性质,2.混凝剂在水中溶解与形态,碰撞是混凝的首要条件,一、异向絮凝(perikineticflocculation),由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。,颗粒的碰撞速率Np8/(3)KTn2n：颗粒数量浓度：运动粘度T:温度,粒径大于1m，布朗运动消失。,二、同向絮凝(orthokineticflocculation),GU/Z(速度梯度，velocitygradient,1/s)（相邻两流层的速度增量）,碰撞速率N04/3n2d3Gd：颗粒粒径；n：颗粒数量浓度,由水力或机械搅拌产生最初的理论基于层流的假定。,G可由单位体积水流所耗功率p来计算：pGp：单位体积流体所耗功率，W/m3：剪切应力,按照牛顿定律G,(1943年发明的，甘布公式),：动力粘度，Pas,：运动粘度=/，m2/s,也称为甘布公式,水力搅拌时p由水流本身能量消耗提供,pVgQh,h：水头损失（m）Q：流量V：水流体积QTT：水力停留时间（s）,：密度,kg/m3g：重力加速度,9.8m/s2,但存在问题：,1)层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？,水的粘性影响增强，从而产生能量耗散。,与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞,由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞,紊流条件下颗粒碰撞速率：N08dDn2,D：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和但在紊流中，布朗扩散紊流扩散故，Du：涡旋尺度u：相应的脉动速度,设涡旋尺度颗粒直径d根据流体力学，计算脉动速度u，则：,G(/)1/2,：单位时间、单位体积流体的有效能耗,2)G增加碰撞机率增加絮凝效果增加但破碎程度也增加此现象尚未很好从理论上得到描述。,三、混凝控制指标,凝聚絮凝,用G可以来判断混合和絮凝的程度,混合（凝聚）过程(Mixing):,剧烈搅拌分散药剂时间通常在1030s，一般2minG7001000s-1，,絮凝过程：,不仅与G有关，还与时间有关平均G2070s-1，GT1104105,实际设计，采用v和T校核GT或者平均G,最近提出GTC指标（建议值100），C：颗粒浓度,有关混凝动力学指标还需进一步研究。,第6节混凝影响因素,水的特性：温度、pH及碱度、杂质性质与浓度混凝剂种类：前面已有叙述水力条件：前面已有叙述,一、水温,低温，混凝效果差，原因是：无机盐水解吸热温度降低，粘度升高布朗运动减弱胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚对策：提高投药量、添加高分子助凝剂,二、pH及碱度,视混凝剂品种而异。无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。需碱度来调整pH，碱度不够时需投加石灰。,三、水中杂质浓度,杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。,对策：加高分子助凝剂加粘土等矿物颗粒投加混凝剂后直接过滤,“低温低浊”-混凝困难,四、混凝效果的评价,混凝烧杯试验（Jartest）6联搅拌机,混凝剂投加量,浊度,最佳混凝剂投加量,不同混凝剂效能的比较不同水和废水的混凝效果混凝影响因素（如pH值、水中杂质等）助凝剂的效果,混凝实验目的：深入认识混凝现象和混凝机理，了解混凝影响因素。具体题目：,第7节混凝设备,一、混凝剂的配制与投配,一般采用液体投加的方式。,1投配流程：药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备,2计量与投加方式,计量：流量计（转子、电磁）、孔口计量、计量泵投加：泵前投加虹吸定量投加水射器投加泵投加,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、混合设备,水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间23秒机械混合：搅拌,三、絮凝设备,1.隔板絮凝池：由往复式和回转式两种水头损失：局部水头和沿程水头损失,往复式总水头损失一般在0.30.5m回转式的水头损失比往复式的小40左右。,各段水头损失：,：局部阻力系数vit:第i廊道转弯处水流速度vi:第i廊道内水流速度mi:第i廊道水流转弯次数,hhi,Ri：第i廊道过水断面水力半径Ci：流速系数,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,设计参数：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段数：46段絮凝时间：2030分隔板间距：不小于0.5m,2.折板絮凝池,与隔板式相比，水流条件大大改善。絮凝时间1015分但安装维修较困难，折板费用较高。,3.机械絮凝池,速度梯度应递减。,调节容易，效果好，大、中、小水厂均可但维修是问题。,每根旋转轴全部浆板所耗功率：,4.不同型式组合絮凝池,往复式回转式隔板隔板机械,第8节混凝的应用,一、给水处理,以地面水为水源时，去除浊度和细菌。经混凝沉淀后一般浊度小于10度。,以地面水为水源的给水处理工艺：原水混凝沉淀过滤消毒饮用水,二、废水处理,1工业废水：用于处理一些特殊废水，脱色、去除悬浮物等。,印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。,混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。,例：某针织厂废水TOC为5060mg/L，pH值为7.5。采用PAC混凝剂，投加量为140mg/L时，TOC去除率为68。,含油废水处理：乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压缩双电层。通常采用混凝气浮工艺。,