水污染控制工程：凝聚与絮凝

1、 水处理工程水处理工程凝聚与絮凝凝聚与絮凝 (Coagulation and Flocculation) 2混凝剂原水絮凝池沉淀池过滤池消毒清水池用户给水处理常规流程给水处理常规流程3主要内容主要内容第1节 混凝对象第2节 胶体性质第3节 混凝机理第4节 混凝过程与工艺4水与废水中典型胶体水与废水中典型胶体 粒度：1-1000 nm 生活污水中50-70%的有机质是以胶体的形式存在 在饮用水处理中，色度、浊度、病毒、细菌、藻类和有机质主要是以胶体形式存在或其行为类似胶体56混凝对象混凝对象 去除对象：胶体、悬浮物（及其吸附的有毒物质）、微生物以及部分可溶物等 新的动向：天然有机质（Natura

2、l Organic Matter，NOM） 降低消毒副产物 NOM：广泛存在天然水体 吸附颗粒上稳定颗粒 吸附重金属，人工合成有机物7NOM结构示意图8目的：目的：投加混凝剂使投加混凝剂使胶体脱稳胶体脱稳，相互，相互凝聚生长凝聚生长成大矾花成大矾花, ,以便在后续以便在后续沉淀沉淀/ /过滤过滤工艺中去除。工艺中去除。 以地面水为水源的给水处理典型工艺：以地面水为水源的给水处理典型工艺：原水原水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤过滤 消毒消毒 饮用水饮用水 混凝目的混凝目的1 微米的颗粒重力沉降微米的颗粒重力沉降1 yard（0.9米）需要米）需要1年年9浊度控制在饮用水中的意义1.感观学2.毒理学：

3、污染物吸附（有机微污染物、重金属等）3.微生物学：包埋病原微生物，抵御消毒剂1.我国规定浊度不超过3度(1986年） 不超过1度度（生活饮用水卫生标准GB5749-2006）2.美国（1998年）每月95%不大于0.3NTU， 任何时候小于1NTU。意义意义背景背景10胶体（胶体（Colloid）性质）性质光学性质：散射可见光 浓度测定力学性质：布朗运动 动力学稳定表面性质：比表面大、表面带电 聚集稳定电学性质：电泳 表面电荷测定胶体浓度测量：散射比浊法、分光光度法和目视比浊法等。浊度单位：常用NTU（Nephelometric Turbidity Units ） 11胶体电荷起源胶体电荷起源

4、表面电离作用：-OH、-COOH、-NH2等表面吸附电位决定离子：范德华力、氢键等晶格缺陷：等电点：pH函数，如-Fe2O3为7-8.512胶体双电层结构胶体双电层结构动电位动电位 电位形成离子电位形成离子 反离子反离子吸附层吸附层扩散层扩散层13胶体分类胶体分类原则：根据与溶剂的亲和性憎水性胶体（ Hydrophobic ）：水分子不直接接触胶核。表面常带负电，静电排斥稳定；热力学不稳定。 粘土、金属氧化物、金属硫化物等无机物质。亲水性胶体（ Hydrophilic ）：胶体微粒直接吸附水分子。常带负电，水化膜稳定；真溶液。 蛋白质、腐殖酸、淀粉等有机物质。14 DLVO理论理论 EAER布

5、朗运动能量布朗运动能量 Eb1.5kToc 二次凝聚二次凝聚xoa 稳定稳定E斥力吸引力15胶体颗粒的胶体颗粒的 （Zeta）电位电位 决定胶体颗粒稳定性的重要指标 混凝目的是降低胶体颗粒净排斥力 Zeta电位的计算公式：粘土粘土 =-15-40mV细菌细菌 =-30-70mVFe(OH)3 +56mV16水体中胶体的去除水体中胶体的去除凝聚（coagulation）：降低两颗粒间双电层总势能的过程。生成10m絮体floc。絮凝（flocculation）：脱稳的颗粒通过化学架桥聚集成三维絮体网络结构的过程。生成0.6-1.2 mm絮体。混凝：混合（mixing）、凝聚、絮凝17憎水胶体脱稳的

6、机理（凝聚）憎水胶体脱稳的机理（凝聚）1.压缩双电层：投加电解质，增加离子强度。叔采叔采哈代（哈代（Schulze-Hardy）凝聚能力凝聚能力 离子价数离子价数6 6 该理论不能解释：该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，电荷逆转，效果差；2）胶体浓度与优化混凝剂投量的关系；3）与胶粒带同样电号的高分子混凝效果好。 很好地解释港湾处的沉积现象很好地解释港湾处的沉积现象18憎水胶体脱稳的机理（凝聚）憎水胶体脱稳的机理（凝聚） 2.吸附电中和：投加混凝剂反离子在胶体表面有专属亲和力，降低胶体的初始电荷。 特性： 低投加量脱稳。优于压缩双电层。 脱稳与离子的吸附性有关。大离子由于不易水化，易于吸附，

7、聚合分子易于吸附。投加过量，电荷逆转。优化混凝与胶体浓度剂量相关性。19例：硫酸铝和PACl混凝高岭土电位压缩电荷逆转颗粒再稳栾兆坤、汤鸿霄余浊流电位投加量20憎水胶体脱稳的机理（凝聚）憎水胶体脱稳的机理（凝聚） 3.吸附架桥：聚合物、金属盐等吸附在胶体上，除中和电荷外（凝聚），还能与其他胶体颗粒吸附（絮凝）。可发生同电号吸附。 21过量投加对胶体起保护作用221449-145023憎水胶体脱稳的机理（凝聚）憎水胶体脱稳的机理（凝聚） 4.卷扫絮凝（sweep floc）：金属盐，如硫酸铝、氯化铁，投加量足够多时，超过其溶解度，形成氢氧化或碳酸盐沉淀，进而网捕水中的胶体颗粒。水溶液絮体胶体颗粒

8、24烧杯试验（烧杯试验（Jar test）混凝类型与剂量pH（碱度）25例题：硫酸铝混凝某原水例题：硫酸铝混凝某原水1.确定最适pH。固定投加量2.确定混凝剂投量。固定pH26思考思考 The city of Hong Kong has a dual water-supply system that provides freshwater for drinking and bathing, and salt water for flushing toilets. At the Hong Kong wastewater treatment plant, as in most other wast

9、ewater treatment plants, wastewater is passed through a primary clarifier to settle out suspended solids. The Hong Kong plant achieves greater removal in their primary clarifier than most plants elsewhere in the world. Why? 27混凝剂投加量策略混凝剂投加量策略颗粒物浓度：S1 S2 S3 S4JAWWA，196828混凝剂投加量策略混凝剂投加量策略 区域1：低投加量，不足以

10、产生胶体脱稳区域2：投加量合适，脱稳絮凝沉降区域3：投加过量，颗粒再稳区域4：投加量足够高，产生卷扫絮凝说明： 低浓度胶体：高投加量 较低浓度胶体:易于投量过量，再稳 高浓度颗粒：需较高投加量29混凝剂投加量策略混凝剂投加量策略 1.高浊度、低碱度原水：投加足够多的絮凝剂，不用考虑pH变化和剂量过量；2.高浊度、高碱度：投加足够絮凝剂，中性条件下吸附/电中和，可加酸调整。3.低浊高碱度：投加过量卷扫絮凝，或者投加石英砂之类助凝剂，增加颗粒物。4.低浊低碱度：最难处理。投加碱和石英砂，剂量易过量。30W. StummC. R. Omelia“泰勒环境成就奖 ”Aquatic Chemistry3

11、1混凝剂化学混凝剂化学 金属盐混凝剂投入水体后，发生复杂水解反应，形成各种聚合度的水解产物。这过程也与水体中的pH值和碱度有关。产物形态与混凝。 Al1332JAWWA，1968思考小明研究制备不同的碱化度的聚合氯化铝混凝剂，采用商品二氧化硅颗粒模拟颗粒物，并采用去离子水配制二氧化硅悬浊液体系，然后投加不同的混凝剂及其不同投加量进行混凝剂性能测试。实验结果令小明非常失望，各个实验得到的混凝效果都很差。试问，原因可能出在哪里？你有什么方式解决这个问题？从中你又对混凝有何种认识？3334硫酸铝和PACl混凝作用简表35铝盐水解铝盐水解 pH3 简单水合铝离子压缩双电层pH=45 多核羟基络合物吸附

12、电中和pH=6.5-7.5多核羟基络合物吸附电中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕天然水体一般天然水体一般pH=6.5-7.836S1S2S3S4颗粒面积浓度颗粒面积浓度电中和区电中和区絮凝沉降区絮凝沉降区卷扫絮凝区卷扫絮凝区1234投投药药量量PAClAlum界面接触絮凝界面接触絮凝3738硫酸铝混凝区域图硫酸铝pH5.57.7聚合铝pH4.59.5吸附脱稳再 稳卷扫絮凝吸附卷扫联合39氯化铁混凝区域图氯化铁混凝区域图pH4940pH和碱度对混凝影响和碱度对混凝影响胶体表面电荷：等电点NOM表面官能团电离：中性偏酸性去除混凝剂形态：水解消耗碱度絮体表面电荷混凝剂溶解度 ，水解形态41NOM对混凝影

13、响对混凝影响 NOM比无机胶体颗粒需中和更多电荷UV/TOC42优化混凝优化混凝混凝剂筛选、剂量、pH强化混凝强化混凝 优化混凝剂及混凝条件以达到最大TOC去除，相应降低消毒副产物。优化混凝优化混凝 整体评价，优化混凝剂及过程，包括： TOC去除、浊度去除、过滤性能、残留金属浓度和操作费用等。43常用混凝剂常用混凝剂 一、无机混凝剂铁盐铁盐形成的絮体形成的絮体比铝盐絮体密实，比铝盐絮体密实，但腐蚀性强，有但腐蚀性强，有颜色。颜色。44m：聚合度，10B （碱化度）OH/3Al 100%（50-80%）已水解聚合，有效成份多，投加量少。对pH和碱度变化适应性强。机理：吸附电中和与吸附架桥协同作用

14、聚合氯化铝 PACl：Al2(OH)nCl6-nm45有机高分子絮凝剂人工合成：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：天然： 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂 46国内主要研究者国内主要研究者中国科学院生态环境研究中心，汤鸿霄、曲久辉、栾兆坤、王东升：无机高分子絮凝剂，PACl山东大学，高宝玉：PACl兰州交通大学，常青西安建筑科技大学，王晓昌，金鹏康：PACl与NOM华南理工大学，肖锦：天然高分子改性絮凝剂，多功能絮凝剂47助凝剂助凝剂酸碱类：如石灰、硫酸等加大矾花粒度

15、和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂，石英砂，硅藻土等氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加高锰酸钾、Cl2、O3等 48混凝动力学混凝动力学 一、异向絮凝一、异向絮凝 (perikinetic flocculation)由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。 二、同向絮凝二、同向絮凝(orthokinetic flocculation)由水力搅拌或机械搅拌造成的碰撞。三、差降絮凝三、差降絮凝(differential settling)由大颗粒的下降速度快于小颗粒而发生的碰撞。49颗粒粒度分布颗粒粒度分布激光粒度仪激光粒度仪5051三种速率与颗粒直径的关

16、系三种速率与颗粒直径的关系扩散，小颗粒，d小于0.01 m重要大颗粒，速度梯度与差降传递0.11m，总传递速率最小扩散梯度差降许保玖等52一、异向絮凝一、异向絮凝 (perikinetic flocculation)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) KTn2 n：颗粒数量浓度 ：运动粘度 T: 温度凝聚速度 ：只与颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关。粒径大于1m，布朗运动消失。 53二、同向絮凝二、同向絮凝(orthokinetic flocculation)由水力或机械搅拌产生 最初的理论基于层流的假定。碰撞速率N04/3 n2 d3 Gd：颗粒粒径 ；

17、n：颗粒数量浓度GU/Z (速度梯度，velocity gradient, 1/s)（相邻两流层的速度增量）54G可由单位体积水流所耗功率P来计算：PG p：单位体积流体所耗功率，W/m3 ：剪切应力 按照牛顿定律 G /GP(1943年发明的，甘布公式) ：动力粘度，Pa s 55TghG：运动粘度= / ，m2/s 也称为甘布公式水力搅拌水力搅拌时时 P由由水流本身能量消耗水流本身能量消耗提供提供PVgQhh：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/s256混凝控制指标混凝控制指标 凝聚絮凝混合设备絮凝设备用用G可以来判断混

18、合和絮凝的程度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1030 s，一般2 min 平均G7001000 s-1，197158 快速Gt值相同，慢速G 50s-1,15min59凝聚过程设计与设备凝聚过程设计与设备 P6-23 不同凝聚机理的反应时间差异 吸附电中和1 s 卷扫絮凝17 s 选择步骤 混凝沉降实验确定最优pH和投药量 查药剂的絮凝作用图 根据图表，确定凝聚的主要作用机理60吸附电中和脱稳机理 水射器扩散混合 在线机械混合 在线静态混合卷扫絮凝 混合池机械搅拌混合 水力搅拌混合凝聚过程设计与设备凝聚过程设计与设备61凝聚过程设计参数凝聚过程设计参数 在线机械搅拌 G在30005000s-1 混合时间t大约0.5s 水头损失0.30.9米 在线静态混合 Gt在3501700 混合时间t大约13s 水头损失0.60.9米 在线机械混合静态混合62凝聚过程设计参数凝聚过程设计参数混合池机械搅拌混合 G在6001000 s-1 混合时间t大约17 s 63絮凝过程絮凝过程不仅与不仅与G有关，还与时间有关有关，还与时间有关 平均平均G2070 s-1， GT1104105 反应时间反应时间1530 min在反应池始端在反应池始端