第三章_混凝动力学

1、第三章 混凝动力学 3.1 混凝动力学 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。 一、异向絮凝 假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率： Np=8dDBn2.(1) Np_单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d颗粒直径；（cm) DB_布朗运动扩散系数;(cm2/s)扩散系数DB可用斯笃克斯曼因斯坦公式表示： .(2) K波兹曼常数,(1.3810-16g

2、.cm2/s2.k) T水的绝对温度,(K) 水的运动黏度, (cm2/s) 水的密度,(g/cm3)将(2)式代入(1)式 . (3)故故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于1 m，布朗运动消失。，布朗运动消失。 二、同向絮凝同向絮凝简称絮凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.dKTDB3238KTnNP 如图所示,当水流处于层流状态下的 流速分布, i和j颗粒均跟随水流前进.由 于I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某 一时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为 均匀球体，di=dj=d ,则再以j颗粒中心

3、为圆心，Rij为半径的范围内的所有i和 j颗粒均会发生碰撞。碰撞速率N0为： . (4). .(5)G速度梯度(S-1)u和u分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s)z垂直与水流方向的两流层之间距离(cm)n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中， 往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 ZUNGGdn34320： 所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比，以G表示。 ZuGGP单位体积水流所耗功率P为.(6)根据牛顿内摩擦定律：=G代入(6)式 .(7) 水的动力黏度 （pas) p单位体积流体所耗功率 （w/m3) G速度梯度 （S

4、-1） 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池时，P应为水流本身能量消耗； PV=gQh(8) V=QT (9)将和(11)代入得： .（10）g重力加速度（9.8m/s2)h混凝设备中的水头损失（m)水的运动黏度（m2/s）T水流在混凝设备中的停留时间（s)pGTghG 三、混凝控制指标 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度快速剧烈，通常在1010- -30 30 S S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速度梯度计，一般G=700G=700-1000 -1000 S S-1-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮凝阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关

5、，还与絮凝时间T有关。通常以G值和GT作为控制指标。G=20-70G=20-70 S S-1-1 范围内，GT=1GT=110104 4 -1-110105 5 范围内。 有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 C CV VGT GT 或 a aC CV VGTGT值作为控制指标。 CV水中颗粒体积浓度。 a颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1a=1 ,而实际 a a1 1 。从理论上而言，采用 C CV VGT GT 或 a aC CV VGT GT 值控制絮凝体效果自然更合理，但具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继续研究的目标。

6、 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等，另一类是主观因素，即可以通过人为改变的一些混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件等。3.2影响混凝的因素 一、水温 水温低时 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，强度小，不易沉淀。 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间碰撞机会减少，影响了混凝效果。 3.水温低时，水中胶体颗粒的布朗运动减弱。 克服水温低效果差的措施： 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增

7、加绒体重量和强度，提高沉速。二、水的pH值和碱度 1.水的pH值直接与水中胶体颗粒的表面电荷和电位有关，不同的pH值下胶体颗粒的表面电荷和点位不同，所需的混凝剂量也不同。 2.水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同的混凝剂的最佳水解反应所需的pH值范围不同，因此，水的pH值对混凝效果的影响也因混凝剂的种类而异。 对一般的浑浊水，投硫酸铝的最佳pH范围为6.5-7.5。 三价铁盐混凝剂适应的pH值范围较宽，最优pH值大约在6.0-8.4之间。 从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然导致水的 PH 值的下降，天然水中含有一定的碱度。 HCOHCO3 3- - + H+

8、H+ + CO CO2 2 + H+ H2 2O O 当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓冲作用，水的 PH 值略有降低，对混凝效果不会有大的影响。 当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度已不足以中和水解产生的酸时，水的PH将大幅度下降，以至将至最优混凝条件以下。这时便不能获得良好的混凝效果，为了保持水的 PH 值在混凝过程中始终处于最优范围内须向水中投加碱剂，既对水进行碱化。一般投加 CaO. AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4 2F Fe eCLCL3 3 + 3H+ 3H2 2O + 3CO + 3Ca aO =

9、 2FO = 2Fe e(OH)(OH)3 3 + 3C+ 3Ca aCLCL2 2 三、水中悬浮物浓度的影响 因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能对混凝发生影响，由于 AL2(SO4)3 的水解产物都带正电核，所以天然水中 Ca2+ 、Mg2+ 对混凝有利，而水中某些阴离子如 Cl-，对混凝产生不利影响，不过，这些方面还有许多问题有待研究。 粘土杂质，不同的水源粒经大小和级配、化学组成、带电性能和吸附性能等，各不相同，因而即使浊度相同，混凝性能也未必一样。一般而言，粒经细小而均一者，混凝效果较差，粒经不同者于混凝有利。颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加粘土或其它混凝剂可提高混凝效果。

10、水中有机物对胶体有保护稳定作用，即水中溶解性的有机物分子吸附在胶体颗粒表面好像形成一有机涂层一样，将胶体颗粒保护起来，阻碍胶体颗粒之间的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝集作用，因此，在有机物存在条件下胶体颗粒比没有有机物时难以脱稳，需要增加混凝剂投加量才能获得较好的混凝效果。四、水中有机污染物的影响四、水中有机污染物的影响 由于不同种类的混凝剂其水解特性和适用的水质情况不完全相同，因此应根据原水水质情况优化选用适当的混凝剂种类。对于无机盐类混凝剂，要求形成能有效压缩双电层或产生强烈点中和作用的形态，对于有机高分子絮凝剂，则要求有适量的官能团和聚合结构，较大的分子量。五、混凝剂种类与投加量

11、的影响五、混凝剂种类与投加量的影响 混凝剂的投加方式有干投和湿透两种。硫酸铝以稀溶液形式投加更好，而三氯化铁则以干投或浓溶液形式投加更好。如果除投加混凝剂之外还投加助凝剂，则各种药剂之间的投加先后顺序对混凝效果也有很大影响。六、混凝剂投加方式的影响六、混凝剂投加方式的影响 水力条件对混凝效果的影响是显著的，此处所指的水利条件包括水力强度和作用时间两方面的因素。混合阶段要使投入的混凝剂迅速均匀地分散到原水中，这样混凝剂能均匀地在水中水解聚合并使胶体颗粒托文凝聚，快速混合要求有快速而剧烈的水力或机械搅拌作用，而且短时间内完成，一般在几秒或一分钟内完成，一般不超过2分钟。 絮凝反应阶段，要求已脱稳的

12、胶体颗粒通过异向絮凝和同向絮凝的方式逐渐增大成具有良好沉降性能的絮凝体，因此絮凝反应阶段搅拌强度和水流速度应随着絮凝体的增大而逐渐降低，避免已聚集的絮凝体被打碎而影响混凝沉淀效果。同时，由于絮凝反应是一个絮凝体逐渐增大的慢速过程，如果混凝反应后需要絮凝体增长到足够大的颗粒尺寸通过沉淀去除，需要保证一定的絮凝作用时间，如果混凝反应后是采用气浮或直接过滤的工艺，则反应时间可以大大缩短。七、水力条件的影响七、水力条件的影响3.3混凝剂的配制和投加 3.3.13.3.1混凝剂的配制混凝剂的配制 混凝剂的溶解 和溶液的配制 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。

13、搅拌装置有： 、 、等。 中小型水厂，常用自然 浸溶，压力水经穿孔管淋溶或冲溶。 3.3.2 混凝剂投加 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 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。 2.投加方式 按混凝剂的状态分固体投加（干投）和溶液投加（湿投）； 按混凝剂投加到原水中的位置有泵前投加和泵后投加； 在溶液投加中按药液加注到原水中的动力来源有重力投加和压力投加之分。（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6-9。 （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，

14、但溶液池位置较高，见图6-10。 （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6-11。 （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6-12。123456h578910图 6-9 泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球阀；6-投药苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-压水管；325687图 6-10 高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；14123645高压水图 6-11 水射器投加1-溶液池；2-投药箱

15、；3-漏斗；4-水射器；5-压水管；6-高压水管1-溶液池；2-计量泵；3-压水管图 6-12 计量泵投加3213.3.3 混凝剂投加量自动控制混凝剂投加量自动控制 1.数学模拟法数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原方法建立符合实际生产的数学模型。适用特

16、定原水条件，水质仪表多，投资大。水条件，水质仪表多，投资大。 2.现场模拟试验法现场模拟试验法 采用现场模拟装置来确定和控制投药量是采用现场模拟装置来确定和控制投药量是较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。但与实验室相

17、比，更接近实际情况。 3.特性参数法特性参数法 影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。数法。 流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体与胶体电位有正相关关系。混凝后胶体电位有正相关关系。混凝后胶体电电位变化反映了胶

18、体脱稳程度。优点是控制因位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。缺点是投药量与流动电流很少相关。缺点是投药量与流动电流很少相关。 透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。的限制，不受水质限制。3.4 混凝设备混凝设备 3.4.1 混合设备混合设备 1.水泵混合水泵混合 投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，投药投

19、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，两者间距不大于靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。 2.管式混合管式混合 管式静态混合器：流速不宜小于管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损，水头损失不小于失不小于0.30.4m，投药点至末端出口距离应不，投药点至末端出口距离应不小于小于50倍管道直径。见图倍管道直径。见图6-13。 扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进。顺流方向投影面

20、积为进水管总截面面积的水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面，开孔面积为进水管总截面面积的面积的3/4，流速为，流速为1.01.5m/s，混合时间，混合时间23s。节管长度不小于节管长度不小于500mm。水头损失约。水头损失约0.30.4，直，直径在径在DN200DN1200，见图，见图6-14。 图 6-13 管式静态混合器图 6-14 扩散混合器药剂原水管道 管道 单元混合体静态混合器原水原水管投药套管塑料管孔板锥帽挡板支架 3 机械混合机械混合 在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是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，速度梯度桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度70

21、01000s-1，时间，时间1030s以内，优点是混以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。械设备，增加维修工作。 3.4.2 絮凝设备絮凝设备 1.隔板絮凝池隔板絮凝池 隔板絮凝池分往复式和回转式，见图隔板絮凝池分往复式和回转式，见图6-15与图与图6-16。 隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头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损失组成。往复式总水头损失一般在0.30.5m，回，回转式的水头损失比往复式的小转式的水头损失比往复式的小40左右。左右。 隔板絮凝池特点：构造简单、管理方

22、便，但絮隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。 隔板絮凝池的设计参数：隔板絮凝池的设计参数： 流速：起端流速：起端0.5-0.6m/s，末端，末端0.2-0.3m/s段数：段数：46段；段； 转弯处过水断面积为廊道过水断面积的转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；倍； 絮凝时间：絮凝时间：2030min； 隔板间距：不大于隔板间距：不大于0.5m，池底应有，池底应有0.020.03坡度直径不小于坡度直径不小于150mm的排泥管；的排泥管； 廊道的最小宽度不小于廊道的最小宽度不小于0.5m； 各段的水头损失各段的水

23、头损失 ，总水头，总水头损失损失iiiiiilRCvgvmhit2222 ihh图 6-15 往复式隔板絮凝池19.7m22.0m进水接沉淀池2.8m接沉淀池进水管进水管图 6-16 回转式隔板絮凝池 2.折板絮凝池折板絮凝池 通常采用竖流式，它将隔板絮凝池通常采用竖流式，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波峰对波谷平行安装称“同波折板同波折板”，波峰相对安装称波峰相对安装称“异波折板异波折板”。与隔板。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量式相比，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，折消耗比例提高，但

24、安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图板费用较高。其示意图见图6-17与图与图6-18。图 6-17 单通道折板絮凝池剖面示意进水出水进水出水（ ）（ ）（a）同波折板 （b）异波折板图 6-18 多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水进水平面图进水A-A剖面折板 3 机械絮凝池机械絮凝池 机械絮凝池的剖面示意见图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。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，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

25、值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。和桨板面积。 图 6-19 机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池（ ）（ ）（ ）水平轴式； （ ）垂直轴式浆板；2-叶轮；3-旋转轴；4-隔墙 （1）功率计算）功率计算 水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在dA微面微面积上水流阻力积上水流阻力 （6-15） 阻力阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：所耗功率，即桨板施于水的功率： （6-16） 式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速 度，为旋度，为旋转半径转半径 因此因此 （6-17） dAvCdFD

26、i22 ldrvCdAvCvdFdPDDii3322 ldrrCdPDi332 第块桨板克服水的阻力所耗功率：第块桨板克服水的阻力所耗功率：（6-18） 设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，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：则每根旋转轴全部桨板所耗功率： （6-19）每根旋转轴所需电动机功率：每根旋转轴所需电动机功率： （6-20） )12(824433321rrlCdrrlCPDrrDi )12(84431rrlCPnD211000 PN （2）设计参数）设计参数 絮凝时间絮凝时间1015分。分。 池内一般设池内一般设34挡搅拌机。挡搅拌机

27、。 搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的逐渐减小至末挡的0.2m/s。 桨板总面积宜为水流截面积的桨板总面积宜为水流截面积的1020，不，不宜超过宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取宽度宜取1030cm。 （3）优缺点）优缺点 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。中、小水厂均可，但维修是问题。 4.穿孔旋流絮凝池穿孔旋流絮凝池 由若干方格组成。分格数一般不少于由若干方格组成。分格数一

28、般不少于6格。流格。流速逐渐减小，速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间。絮凝时间1525min。穿孔旋流絮凝池。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图的平面示意图见图6-20。 穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。的絮凝池组合应用。 图 6-20 穿孔旋流絮凝池平面示意图上面进水下面进水 5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池 网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图6-21。图 6-21 网格（或栅条）絮凝池平面示意图 （图中数