水质工程学第3章混凝2

1、第二篇：物理、化学及物理化学处理工艺原理 第3章： 凝聚和絮凝 绪论2-1混凝的基本理论 2-2 水的混凝过程及机理 2-3混凝剂与助凝剂 2-4影响混凝的主要因素 2-5混合与絮凝反应 绪论 实际原水中，除了一些较大的颗粒、砂粒等能经自然沉淀去除外，大部分悬浮物是以胶体形式存在于水中的。水中含有的这些胶体物质，尺度一般在10-610-9m之间。 包括绝大部分粘土颗粒(4m) 大部分细菌(0.280nm) 病毒及一些高分子量的有机物绪论 这类物质的去除不能依靠自身的沉淀性能，按stokes公式d=10m下沉1m需100分钟d= 1m 下沉1m需10,000分钟 因此，这部分悬浮物很难经自然沉淀

2、或直接气浮从水中去除。为此，我们必须设法改善胶体的界面性能，增大其尺寸，从而使其能易于从水中分离。 绪论 混凝就是通过向水中投加药剂，使水中胶体颗粒相互聚合，增大至可以依靠自然沉淀去除的过程。 混凝的基本理论2.1.1 胶体(colloid)的特性 2.1.2 胶体的双电层理论 2.1.3 胶体的稳定性与凝聚 胶体的特性一、分散体系 二、胶体的基本特性 三、胶体颗粒带电原因 分散体系 两种以上的物质混合在一起组成的体系为分散体系。其中被分散的物质为分散相，分散相周围连续的物质为分散介质。分散体系按溶质的尺度来分，可分为三类： 真溶液 d1nm 胶体 1nmd1m 胶体的基本特性1 光学特性:丁

3、达尔效应（即光的散射）2 布朗运动:3 表面性能:4 电学性质: a电泳现象：胶体在电场作用下的定向运动。+ 粘土、细菌、蛋白质 负电- Al(OH)3颗粒，Fe(OH)3颗粒 正电胶体的基本特性b电渗现象：液体在电场中透过多孔性固体的现象（与电泳相反）。 c动电现象：胶体溶液系统内固相与液相之间产生的相对移动。 胶体颗粒带电的原因1 胶体颗粒表面对溶液中离子的吸附:选择性有共同成分的离子。FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HClFe(OH)3+HClFeOCl+2H2O FeOClFeO+ Cl-Fe(OH)3胶体吸附FeO+而带正电。 胶体颗粒带电的原因2 胶体颗粒表面的溶解:胶体表面

4、与水反应，生成的化合物离解出正、负离子，微粒吸附了其中的一种离子而带电。如粘土颗粒SiO2 +H2OH2SiO3H2SiO32H+ SiO32-其余的SiO2吸附SiO32-带负电 胶体颗粒带电的原因3胶体表面电离：如蛋白质 等电点:使两性胶体呈中性时的pH值。许多蛋白质的等电点在pH45(弱酸性区)，故天然水中细菌带负电。 胶体的双电层理论一、胶团的结构 二、双电层与电位 三、亲水胶体与憎水胶体 胶团的结构胶团的结构胶核: 胶体分子聚合而成的微粒电位形成离子：胶核表面吸附的某种离子反离子:与电位形成离子具有相反电荷的离子，受到两种力的作用静电引力靠近带电微粒热运动扩散作用和溶剂化作用 均匀分

5、散双电层与电位1、双电层：指胶核表面吸附的阴、阳离子层。2、吸附层：胶核表面吸附的电位形成离子与部分反离子组成吸附层。这部分反离子紧附在固体表面随微粒移动，称为束缚反离子。 3、扩散层：另一部分反离子由于热运动和液体的溶剂化作用而向外扩散，当微粒运动时，与固体表面脱开而与液体一起运动，形成扩散层，称为自由反离子。 双电层与电位4、胶团：胶核与吸附层称为胶粒，胶粒与扩散层一道称胶团。胶粒是带电的，而胶团是电中性的。胶核表面吸附层和扩散层各带有不同符号的离子，与微粒一同运动，吸附层厚23A，包围在吸附层周围的自由反离子形成的扩散层是吸附层厚的几百倍。5、滑动界面:微粒运动时， 扩散层中大部分离子被

6、脱开， 形成滑动界面，最紧的滑动界面就是吸附层外边界。见图。双电层与电位6、电位电位:胶体在滑动时所显示的电位，滑动界面上可通过电流速度计算距离。亲水胶体与憎水胶体1、憎水胶体(hydrophobic colloid) 吸附层中离子与胶核直接接触的胶体，具有双电层。常为无机胶体。2、亲水胶体(hydrophilic colloid)胶体微粒直接吸附水分子，形成水合(水化) 壳。多为分子量很大的高分子化合物或高聚物。亲水胶体吸水分散成胶体，脱水回复到原物质，其稳定性高于憎水胶体(疏水)。 双电层理论适用于疏水胶体。 胶体的稳定性与凝聚一、稳定性 二、脱稳与凝聚 胶体的稳定性1、定义 2、稳定的原

7、因 胶体的稳定性的定义胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性 胶体稳定的原因 布朗运动 静电斥力 水化作用 范德华引力 水中胶体颗粒的稳定性，取决于上述因素的综合作用。见图。 胶体的脱稳与凝聚1、定义 2、同号胶体的凝聚 3、异号胶体的凝聚 4、亲水胶体凝聚 5、接触凝聚 脱稳与凝聚的定义 使胶体失去稳定性(的现象)称之为脱稳。 脱稳后的胶体相互聚结，成为大颗粒，称之为凝聚。 同号胶体的凝聚 稳定的原因 脱稳与凝聚：压缩双电层 投加电解质，增大反离子浓度，这些反离子与扩散层中的反离子发生交换，进而挤入滑动面和吸附层，使胶粒所带电荷数减少，电位降低。这种作用叫压缩双电层。电位等于0时称为等电点，此

8、时胶团尺寸最小，最易脱稳。 异号胶体的凝聚 异号电荷若大致相等，可依靠静电引力相互聚凝，电位降低。若电荷差异大，则可能变为同号胶体。 亲水胶体的凝聚 稳定的原因：水化壳的存在 脱稳与凝聚：投加电解质：压缩去除水合层，中和电荷，脱水与压缩双电层的区别:离子价数无重要影响。 接触凝聚 胶体颗粒由于吸附在巨大颗粒表面上产生的凝聚现象称为接触凝聚，可能包括几种不同的现象。 压缩双电层小胶粒被同号大胶粒吸附 电中和 小胶粒被异号大胶粒吸附巨大颗粒一般指矾花、滤料 水的混凝过程及机理2.2.1 水处理中混凝的特点 2.2.2 水的混凝机理 2.2.3 铁盐和铝盐的混凝过程 2.2.4 混凝对改善水质的作用

9、 水处理中混凝的特点废水中存在的颗粒有: 粘土、细菌、腐植酸、蛋白质无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒。要考虑:颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构 水的混凝机理基本概念 一、压缩双电层机理 二、吸附电中和作用机理 三、吸附架桥作用机理 四、沉淀物网捕作用机理 混凝的基本概念凝聚（coagulation）:指胶体由于压缩双电层而脱稳的过程，瞬间絮凝（flocculation）:指胶体脱稳后聚集成大颗粒絮体(floc，矾花)的过程。混凝：两者的总称。 压缩双电层机理 投加电解质，增大溶液中离子浓度，减小扩散层厚度(降低电位)，使得最大排斥势能(能垒)减小以及消失。适用:河口

10、、海湾处的沉积现象由于简单离子造成的混凝无法解释: 胶粒反号与再稳定最佳混凝效果时电位不为零高分子混凝剂作用 吸附电中和机理 胶粒表面强烈吸附异号离子、胶粒或链状分子带异电荷的部位，使静电斥力减小，胶粒脱稳而沉淀。是由于吸附和静电引力两种作用的结果。（如图所示） 适用:胶粒表面电性改变，再稳定 吸附架桥作用机理 两个大的同号胶粒间由于异号胶粒而连接起来； 高分子物质与胶粒的吸附与桥连。 适用:非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂的混凝。（如图所示） 沉淀物网捕作用机理 水中胶粒被混凝剂形成的絮状沉淀物所网捕，胶粒本身也可作为沉淀物形成的核心。铁盐和铝盐的混凝过程一、铝盐水解过程 二、铝盐、

11、铁盐的混凝特性 铝盐的水解过程 水解 羟基架桥连接作用(高分子缩聚反应)多核羟基络合物 水的pH值影响铝盐的水解和缩聚反应，其水解产物见图3-2-3 铝盐和铁盐的混凝特性兼有凝聚和絮凝两种作用pH低时高电荷，低聚合度压缩双电层、吸附电中和pH高时低电荷，高聚合度吸附架桥 混凝对改善水质的作用一、水的混凝的主要目的 二、混凝改善水质的作用途径 三、混凝在废水处理中的作用 四、混凝在水处理流程中的设置位置 五、混凝对水中杂质的去除效果 水的混凝的主要目的 改变水中细小颗粒（含液体颗粒）的特性，为进一步去除颗粒提供条件； 使某些溶解性物质转变为不溶性物质。经混凝后进一步处理(分离)的措施有:沉淀混凝

12、是支配沉淀效果的主要因素气浮要求颗粒有一定尺度，使气泡能够附着直接过滤脱稳，去除大颗粒更为有效 混凝改善水质的作用途径 增大尺度: 去除胶体 形成不溶沉淀物: 去除某些可溶物质，如PO43- ，F 絮体的吸附作用：溶解性物质及胶体 破乳: 去除乳化油 混凝在水处理中的作用 降低废水的浊度、色度。 去除多种高分子物质、有机物、重金属，在工业废水处理中广为应用 除磷 改善悬浮物质的沉降性能 混凝在水处理流程中的设置位置可作为预处理、中间处理、最终处理，一般设在固液分离单元前 混凝对水中杂质的去除效果混凝剂与助凝剂术语2.3.1 常用混凝剂 2.3.2 常用助凝剂 术语 混凝剂:在混凝过程中加入水中

13、的能够起凝聚/絮凝作用的化学药剂助凝剂:与混凝剂同时使用，促进混凝过程，改善混凝效果的药剂，本身可起凝聚作用，也可不起凝聚作用，主要改善絮凝体的结构。 常用混凝剂1、对混凝剂的要求 2、常用混凝剂 3、混凝剂的配制与投加 对混凝剂的要求 混凝效果要好，投加与使用方便； 货源充足，价格便宜； 饮用水使用的混凝剂必须无毒无害 常用混凝剂 碱式氯化铝Aln（OH）mCl3n-m 硫酸铝Al2（SO4）3 铁盐 碳酸镁MgCO33H2O 有机合成高分子混凝剂 天然高分子混凝剂 混凝剂的配制与投加分为干式和湿式，我国常采用湿式投加 湿式投配的步骤 溶药池体积（V1） 配药池体积（V） 投加 湿式投配的步

14、骤溶药 配药 投加应注意的问题：配药浓度、配药次数、最佳投加量、沉渣处理 溶药池体积VV3 . 02 . 01（3-1）式中：V1溶药池体积（m3） V配药池体积（m3）配药池体积bnaQV417（3-2）式中：a混凝剂最大用量，mg/L Q处理水量，m3/h b溶液浓度，按药剂固体重量百分数计算，通常1020 n每昼夜配药的次数，一般26次，手工操作不大于3 投加必须计量，投加量应满足最佳投量对计量设备的要求：准确计量，可灵活调节，操作简单。常用计量方式有：计量泵、转子流量计、孔口计量。 投配方式： 重力投加：泵前、吸水井、澄清池前等 水射器：泵后、压力管 计量泵：泵后、压力管、反应器 常用

15、助凝剂1、酸、碱类：调节pH2、绒粒核心类：粘土、高分子聚合物等，改善矾花的结构3、氧化剂类：破坏起干扰作用的有机物 影响混凝的主要因素2.4.1 水温 2.4.2 pH值和碱度 2.4.3 水中杂质性质，成分和浓度 2.4.4 混凝剂种类、投放量2.4.5 水力条件 水温 水温低，絮凝体形成缓慢，结构松散； 水温低，降低水解反应速度，因水解为吸热反应； 水温低，水的粘度增大，布郎运动减弱，水的剪切力增大 pH值和碱度 pH影响铝、铁盐水解产物的形态，是影响混凝效果的主要原因。最佳pH值的确定（如图3-4-1） 碱度：起缓冲作用，以使pH保持在适宜范围 水解反应产生H+，故在混凝剂投量大，原水

16、碱度不足时，需加助凝剂。 pH值和碱度水中杂质性质、成分和浓度 水质指标（杂质种类） 杂质的存在形态 杂质的性质（尺度、级配等） 杂质的浓度 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。 混凝剂种类、投加量1、混凝剂种类 选用不同的混凝剂在其它条件（如温度、pH、投加量等）相同时对同类废水进行试验，去除率高的为最佳混凝剂。 2、投加量 最佳混凝剂投量应根据试验确定。在其它条件相同时，采用不同的投加量对废水进行混凝试验 （见图3-4-2）。混凝剂种类、投加量混合与絮凝反应2.5.1 混凝的水力条件2.5.2 絮凝动力学 2.5.3 混凝反应设备 混凝的水力条件 实际的混凝根据水力条件的不同分为

17、两个阶段:混合和絮凝反应。 1、混合 2、絮凝反应 混合完成胶体的脱稳(借助于强烈的水力条件) 快速在投药后聚合反应未达到平衡时，利用带电的水解中间产物脱稳。 剧烈创造良好的接触条件。一般混合时间为1030秒，混合池HRT2分钟 絮凝反应 使絮凝体微粒逐渐形成较大颗粒，增大尺度，便于沉淀。要求：搅拌强度或水流速度逐渐降低，反应时间视水质、设备而异。 在此阶段应保持： 适当的紊流程度，增加碰撞机会，不致造成絮体的沉淀，但又不能产生过大的水力剪切作用使絮体破碎。 适宜的搅拌时间，使絮体尺寸达0.61.0mm左右。 絮凝反应动力学 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：1.颗粒在水中的布郎运动；2

18、.在水力或机械搅拌下所造成的流体运动。由布郎运动造成的颗粒碰撞凝聚称为“异向絮凝”；由流体运动造成的颗粒碰撞凝聚称为“同向絮凝”。 1、异向絮凝作用(perikinetic flocculation) 2、同向絮凝作用(orthokinetic flocculation)3、速度梯度G值 异向絮凝作用 定义：胶体颗粒由于布朗运动而相互碰撞、凝聚的作用。 作用：脱稳 动力学： 234nKTdtdn（3-3）颗粒的平均动能： 2310123vdKTEk（3-4）异向絮凝作用式中n单位体积水中的颗粒数（颗粒浓度），1/m3有效碰撞系数，当颗粒充分脱稳时，=1K波尔兹曼常数，1.3810-23JK-1

19、 T绝对温度，K异向絮凝作用水的动力滞系数，Nsm-2颗粒的密度，Kg/m3d 颗粒的直径，m v2颗粒平均变动速度的平方 异向絮凝作用对3-3式积分，设t=0时初始颗粒浓度为n0，则 tKTnn32110（3-5）半衰期(即n=n0/2时所需要的时间)为： 02143KTnt（3-6）异向絮凝作用若T=293K(20)，=1，n0=105 /cm3，则t1/25.4天结论结论：依靠异向絮凝作用增大颗粒尺度的现实意义不大。单靠布郎运动也无法使胶体脱稳。 同向絮凝作用 定义：借水流的运动使胶体絮凝、增大的过程。 作用：增大粒径，絮凝（主要作用） 动力学： nGdtdn4（3-7）同向絮凝作用积分

20、：Gtenn40（3-8）式中:t搅拌时间，sG搅拌强度（速度梯度），t为0时单位水体积中颗粒的总体积， d t为0时的颗粒直径，m dyduG63dn（3-9）同向絮凝作用 式3-8说明，当其它参数保持一定时，n与e成反比关系，即颗粒的原体积比大，n值就小。说明在接触凝聚中，保持一定的悬浮层颗粒体积浓度对去除水中矾花的重要性，是澄清池工作的理论基础。 速度梯度G值 意义： dyduG（3-10） 假设水中含有d1和d2两种颗粒，其浓度分别为n1和n2，两种颗粒在单位体积中的碰撞机率为： GddnnN32121)(61（3-11） 上式说明，G值反映了颗粒碰撞的机会与次数。 速度梯度G值由式3-8可得： tnnG4ln04ln0nnGt（3-12）（3-13）速度梯度G值由上式可知，Gt（可变）值反映了混凝时的条件。一般Gt值为104105。常用的G值范围:混合池G=5001000S-1HRT2min 5001000S-1 HRT5min反应池G=10100 S-1 逐渐减小出口处510S-1HRT2030min速度梯度G值 G值的计算 PG （3-14）机械搅拌时，P为单位体积液体所消耗的机械功率； 水