第三章-混凝的原理与应用-new

1、第七节第七节 混凝混凝 环境学院环境学院 田晴田晴本节提示本节提示o课程主要内容课程主要内容n掌握掌握p混凝处理的对象、混凝的机理。p影响混凝效果的主要因素。n熟悉熟悉p产生胶体稳定性的原因、胶体的双电子层结构、电位p常用的混凝剂本节提示本节提示o课程主要内容课程主要内容n难点难点p讲解胶体的双电子层过程中，重点介绍结构胶体的动电电位（电位产生原因），帮助学生理解降低该电位的主要方法的机理，结合混凝试验，掌握影响混凝效果的因素，如何提高混凝反应的处理效果Many of the contaminants in water and wastewater contain matter in the

2、colloidal form. These colloids result in a stable “suspension”. In general the suspension is stable enough so that gravity forces will not cause precipitation of these colloidal particles. So they need special treatment to remove them from the aqueous phase. This destabilization of colloids is calle

3、d “coagulation”. CoagulationlSize range: 10-3- 1 micron. 50 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter.In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids. Typical col

4、loidal characteristics for water and wastewater一、概述粒粒径径Mm1010.110-210-310-410-510-6沉淀沉淀时间时间1秒秒10秒秒2分分钟钟 1.83小小时时183小小时时765天天20年年20年年颗粒沉速与粒径颗粒沉速与粒径* 颗粒比重：颗粒比重：2.65kg/dm3水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉淀方可去除。淀方可去除。混凝用途：生活饮用水处理、工业废水处理、城混凝用途：生活饮用水处理、工业

5、废水处理、城市污水三级处理、污泥处理等。市污水三级处理、污泥处理等。 混凝处理对象：混凝处理对象：胶体胶体细小悬浮物细小悬浮物溶解性大分子有机物（疏水性）溶解性大分子有机物（疏水性）二、混凝的原理1.胶体胶体常见胶体：粘土颗粒（对于常见胶体：粘土颗粒（对于d4m），大部分细菌），大部分细菌（0.280nm），病毒（），病毒（10300nm），蛋白质），蛋白质,2. 胶体的分类胶体的分类憎水性胶体憎水性胶体亲水性胶体亲水性胶体扩散层扩散层胶团边界胶团边界滑动面滑动面胶粒胶粒吸附层吸附层胶核胶核电位电位电位电位吸附层吸附层Stern layer（随胶核一起运动）（随胶核一起运动） 靠近靠近胶核表面

6、处，异号离子浓度大，结合紧密胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密扩散层扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩（大部分运动时被甩掉，甩掉后剩下的面，叫滑动面）掉后剩下的面，叫滑动面） 离胶核远，反离胶核远，反离子浓度小，结合松散。离子浓度小，结合松散。结构式：结构式：胶核吸附层扩散层胶核吸附层扩散层 胶粒胶粒 胶团胶团电位电位Potential：胶核表面上的离子和反离子之间形成：胶核表面上的离子和反离子之间形成的总电位的总电位电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位带负（正）电荷带负（正）电荷charge的胶核表面与扩散于溶液中的正的胶核表面与扩

7、散于溶液中的正（负）电荷离子正好电性中和（负）电荷离子正好电性中和.越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强 4.胶体的稳定性胶体的稳定性憎水性胶体：静电作用，同性相斥憎水性胶体：静电作用，同性相斥亲水性胶体：稳定性主要由于它所吸附的大量水分亲水性胶体：稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳子所构成的水壳分子运动（布朗运动）分子运动（布朗运动）胶体颗粒在水中保持分散状态的性质n产生原因5.胶体的脱稳及凝聚混凝机理(重点掌握)压缩双电层压缩双电层电性中和电性中和 Adsorption-charge neutralization 吸附桥联吸附桥联

8、 Polymer bridge formation 沉淀网捕沉淀网捕 Sedimentation& entrapping(1) 压缩双电层作用压缩双电层作用 混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层吸附层, 使使电位降低。当电位降低。当电位为零时电位为零时, 称为等电状称为等电状态。此时胶体间斥力消失态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。胶粒最易发生聚结。 实际上，实际上，电位电位只要降至某一程度而使胶粒电位电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，

9、这时的开始产生明显的聚结，这时的电位称为临界电位。电位称为临界电位。 胶粒因胶粒因电位电位降低或消除以至失去稳定性的电位电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。凝聚。(2) 吸附架桥作用吸附架桥作用 由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程。过程。(3) 网捕作用网捕作用 沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。胶体等微粒，使胶体粘结。以硫酸铝为例讨论混凝过程以硫酸铝为例讨论混凝过程 硫酸铝硫酸铝

10、Al2(SO4)318H2O溶于水后，离解出溶于水后，离解出Al3+，并结合有并结合有6个配位水分子，成为水合铝离子个配位水分子，成为水合铝离子Al(H2O)63+。 水合铝离子进一步水解，形成单羟基单核络合水合铝离子进一步水解，形成单羟基单核络合物：物：OHO)Al(OH)(HOHO)Al(H32522362 单羟基单核络合物又进一步水解：单羟基单核络合物又进一步水解：OHO)(HAl(OH)OHO)Al(OH)(H34222252OHO)(HAl(OH)OHO)(HAl(OH)33232422 上述反应中，降低水中上述反应中，降低水中H+(或或H3O+)浓度或提高浓度或提高pH，使反应趋向

11、右方，水合羟基络合物的电荷逐渐，使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。降低，最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物。 当当pH4时，水解受到抑制，水中存在的主要是时，水解受到抑制，水中存在的主要是Al(H2O)33+ 。 当当pH45时，水中有时，水中有Al(OH)(H2O)52+、Al(OH)2(H2O)4+及少量及少量Al(OH)3(H2O)3。 当当pH78时，水中主要是时，水中主要是Al(OH)3(H2O)3沉沉淀物。淀物。 但在某一特定但在某一特定pH时，水解产物还有许多复杂的时，水解产物还有许多复杂的高聚物和络合物同时共存。高聚物和络合物同时共存。

12、因为初步水解产物中的羟基因为初步水解产物中的羟基OH-具有桥键性质。具有桥键性质。 在由在由Al(H2O)63+转向转向Al(OH)3(H2O)3的中间过的中间过程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物：物：OHO)Al(HOHO)Al(HO)Al(OH)(HO)Al(H255252252362或或OHO)Al(OH)(HO)Al(OH)(HO)Al(H25102252362 两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基双核络合物：双核络合物：O2HO)(H(OH)AlO)2Al(OH)(H24822

13、2232 从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物。的是各种形态的水解聚合物。 带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥的作用。的脱稳和吸附架桥的作用。 为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。 当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌，当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌，使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶

14、体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝体，使混凝过程很好完成。体，使混凝过程很好完成。三、混凝的操作 1. 分混合与絮凝二个阶段：分混合与絮凝二个阶段：（1）混合阶段快速混合）混合阶段快速混合。药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，故要求混合快速剧烈。故要求混合快速剧烈。1030秒，秒，不超过不超过2分钟。分钟。 （2）絮凝阶段慢速搅拌）絮凝阶段慢速搅拌适当的紊流程度，适当的紊流程度，G由大到小，既要由大到小，既要保证碰

15、撞吸附，又要防止絮体破碎。保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。时间一般时间一般1030分钟。分钟。矾花直径小 大 搅拌强度大 小1s1000500Gt=1030s 1s7020Gt=1530mins G t间接表示在时间间接表示在时间t内颗粒碰撞的总次数内颗粒碰撞的总次数dyduG G速度梯度（速度梯度（Velocity gradient）相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向的两流层之间的距离的比值的两流层之间的距离的比值, T-1,(1/S)。 VPGG: 反应器内平均水力梯度反应器内平均水力梯度, T-1,1/S;P: 需要的功率需要的功率,

16、 W;: 动力学黏度系数动力学黏度系数, N.S/m2;V: 絮凝池体积，絮凝池体积，m3适当的紊流程度，适当的紊流程度，G由大到小，既要保证碰撞吸附，由大到小，既要保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。时间一般又要防止絮体破碎。时间一般1030分钟分钟G t间接表示在时间间接表示在时间t内颗粒碰撞的总次数内颗粒碰撞的总次数VPQVtG废水处理絮凝过程中典型的停留时间，与废水处理絮凝过程中典型的停留时间，与G值值工艺工艺停留时间停留时间G （S-1）搅拌搅拌F废水处理中的快速搅拌废水处理中的快速搅拌典型值典型值5-30s500-1500接触絮凝过滤接触絮凝过滤1s2500-7500絮凝絮凝废水处理工

17、艺中典型的废水处理工艺中典型的絮凝工艺絮凝工艺30-60min50-100直接过滤中的絮凝阶段直接过滤中的絮凝阶段2-10min25-150接触絮凝过滤接触絮凝过滤2-5min25-2001 1异向絮凝（异向絮凝（microfloculation, perikinetic floculationmicrofloculation, perikinetic floculation）由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。2 2同向絮凝（同向絮凝（macrofloculation, orthokinetic floculationmacrofloc

18、ulation, orthokinetic floculation）由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝异向絮凝异向絮凝同向絮凝同向絮凝2.混凝剂与助凝剂混凝前提是投药，按药剂作用分：混凝前提是投药，按药剂作用分：混凝剂混凝剂助凝剂助凝剂硫酸铝硫酸铝室温溶解度室温溶解度50，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低浊水。浊水。氯化铁氯化铁腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮凝体密实，沉淀性能好。

19、对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。硫酸亚铁硫酸亚铁绿色，易溶。只能离解出绿色，易溶。只能离解出Fe2+生成简单的单核络合物，效果比生成简单的单核络合物，效果比Fe3+差。不差。不能除色，能除色，Fe2+与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。PAC用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。混凝效果好。混凝效果好。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。 混凝剂混凝剂助凝剂助凝剂 调节或改善混凝条

20、件调节或改善混凝条件调节调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3改善絮体结构增加颗粒重量改善絮体结构增加颗粒重量 PAM、活性硅酸，粘土，、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物水解物、天然高分子物，骨胶等，骨胶等3. 3.影响混凝效果的主要影响因素影响混凝效果的主要影响因素 水温水温低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因：低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因：1 1无机盐水解是吸热反应，水解困难。无机盐水解是吸热反应，水解困难。2 2水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶体凝聚。少，不利

21、于胶体凝聚。同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。3 3水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。常用方法：增加混凝剂投量；常用方法：增加混凝剂投量； 投加高分子助凝剂。投加高分子助凝剂。 水的水的pHpH值和碱度值和碱度1 1水的水的pHpH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态，值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态，混凝机理不同，对混凝影响较大。混凝机理不同，对混凝影响较大。2 2每一种混凝剂都有各自的每一种混凝剂都有各自的pHpH值最优范围。值最优范围。碱度能保持水解反应顺利进行。对碱度能保持水解反应顺利进行。对pHp

22、H值起缓冲作用。值起缓冲作用。 An actual gang-stirrer apparatus is shown in the figure below.水中悬浮物浓度水中悬浮物浓度1 1浓度低浓度低颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措施：施：（1 1）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附架桥作用，使絮体尺寸密度增大。架桥作用，使絮体尺寸密度增大。（2 2）投加矿物颗粒）投加矿物颗粒（3 3）采用直接过滤法）采用直接过滤法原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。原

23、水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。2 2高浓度高浓度铝盐和铁盐投加量增大。为减少混凝剂投加量，常加高分子铝盐和铁盐投加量增大。为减少混凝剂投加量，常加高分子助凝剂。助凝剂。聚合氯化铝对高浊水效果较好。聚合氯化铝对高浊水效果较好。药剂投量药剂投量 此外此外还还有有药剂药剂投加量的投加量的问题问题，当，当药剂药剂投加量投加量过过小会降小会降低混凝效果，但投加量低混凝效果，但投加量过过大会引起胶体复大会引起胶体复稳稳，此，此时时必必须须增增加投加量才能使复加投加量才能使复稳稳后的胶体重新通后的胶体重新通过过吸附架吸附架桥桥、沉淀网、沉淀网捕等作用去除。捕等作用去除。Typical resul

24、ts from a jar test series might look like:Dose (mg/L)水力混合水力混合水力条件水力条件 跌水、跌水、搅搅拌、曝气等混合作用形成的水流紊拌、曝气等混合作用形成的水流紊动动性性要配合混凝的脱要配合混凝的脱稳稳与絮凝与絮凝过过程。水力坡度在凝聚程。水力坡度在凝聚过过程程中不易中不易过过大，大，过过大会造成大会造成颗颗粒破碎。粒破碎。水处理中，常规的混凝处理工艺过程为（混合、反应、水处理中，常规的混凝处理工艺过程为（混合、反应、分离）：分离）：1. 混混+凝凝+沉淀沉淀2. 混混+凝凝+沉淀沉淀+过滤过滤四、 化学混凝的设备1. 混凝剂的配制和投加设备混凝剂的配制和投加设备3. 反应絮凝设备反应絮凝设备2. 混合反应设备混合反应设备四、 化学混凝的设备1. 混凝剂的配制和投加设备混凝剂的配制和投加设备(1) 混凝剂的溶液和配制混凝剂的溶液和配制混凝剂在溶解池中进行溶解混凝剂在溶解池中进行溶解:搅拌搅拌加速药加速药剂溶解剂溶解机械搅拌机械搅拌压缩空气搅拌压缩空气搅拌水泵搅拌水泵搅拌 药剂溶解完全后，将浓药液