混凝搅拌实验

混凝搅拌实验混凝搅拌实验第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：1nm~0.1

m（有时认为在1

m）水处理中主要杂质：粘土（50nm-4

m）细菌（0.2

m-80

m）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

混凝沉淀二级生物处理出水过滤废水深度处理：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混凝过程：

3.胶体与混凝剂的相互作用第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）1微米的颗粒沉淀10厘米需要20小时。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、胶体双电层结构动电位

粘土

=-15~-40mV细菌=-30~-70mV

电位形成离子

异号电荷吸附层扩散层三、DLVO理论

静电斥力：ER－1/x2

EAER布朗运动能量Eb＝1.5kT<Emaxx>oc二次凝聚x<oa一次凝聚Emax（势垒）x>oa稳定E范德华引力：EA－1/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）DLVO理论

只适用于憎水性胶体胶体的凝聚：

降低静电斥力

电位

势垒

脱稳凝聚加入电解质只适用于憎水性胶体病毒(10nm-300nm)絮凝（flocculation）各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间2－3秒聚合铝/铁-其它合成有机高分子极性集团：－OH，－COOH，－NH2报告与讨论氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。Flocculation在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。此现象尚未很好从理论上得到描述。1884年西方才开始使用按照牛顿定律＝G第3节水的混凝机理与过程

一、硫酸铝在水中的化学反应

硫酸铝Al2(SO4)3

18H2O[Al(H2O)6]3+

水解过程（配位水分子）：

[Al(H2O)6]3+

[Al(OH)(H2O)5]2++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]=3[a]-[x]+[][CaO]：纯石灰投加量,mmol/L[a]：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2[Al(OH)(H2O)5]2+

[(H2O)4AlAl(H2O)4]4++2H2O

OHOH…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、水的混凝机理在水与废水中体系复杂（大小、成份）胶体化学单一体系在水与废水中体系复杂（大小、成份）胶体化学单一体系凝聚（Coagulation）：胶体脱稳、凝聚絮凝（Flocculation）：脱稳胶体变大混凝：包括两者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

k

Emax

0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。临界电位2.吸附-电性中和作用机理范德华力、氢键及共价键力++异号聚合离子高分子＋＋＋＋＋＋＋＋＋胶粒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pH<3简单水合铝离子压缩双电层pH=4－5多核羟基络合物吸附电中和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pH=6.5-7.8三、混凝过程

1.凝聚（coagulation）

带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和胶体电位

――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚――生长成d=10m的小矾花（Floc）

特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散

在混合设备中完成2.絮凝（flocculation）高聚合物的吸附架桥脱稳胶粒

生长成大矾花(Floc)

（可以通过沉淀去除）d=0.6-1.2mm特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从强

弱

在絮凝设备中完成第4节混凝剂和助凝剂一、混凝剂(Coagulant)

无机混凝剂铁盐形成的絮体比铝盐絮体密实，但腐蚀性强，有颜色。m：聚合度，

10B（碱化度）＝[OH]/3[Al]×100%（50-80%）事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。对pH变化适应性强。机理：吸附电中和与吸附架桥协同作用聚合氯化铝PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m铝聚合物形态对混凝的影响？“六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面体的铝原子的结构——Al6(OH)12(H2O)126+“Al13”结构模型：12个6配位八面体的铝原子围绕1个4配位的铝原子。一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚－絮凝成份，其含量反映了产品的品质。有机混凝剂

------通常起絮凝剂作用人工合成：

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：淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）－CH2－CH－CONH2[]n聚合度：20000～90000分子量：150万～600万对胶体表面具有强烈吸附作用。pH>10条件下水解COO－阴离子型（HPAM）水解度：30－40％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混凝过程：

3.胶体与混凝剂的相互作用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Np＝8/(3

)KTn2n：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1

m，布朗运动消失。二、同向絮凝(orthokineticflocculation)

G＝

U/

Z(速度梯度，velocitygradient,1/s)（相邻两流层的速度增量）

碰撞速率N0＝4/3n2d3Gd：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：p＝

Gp：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pV＝

gQhh：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？能量传递微涡旋理论外部施加能量大涡旋小涡旋……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使颗粒整体移动强度不足以推动颗粒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：

N0＝8dDn2D：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，D＝u

：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G＝(p/)1/22)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

凝聚絮凝混合设备絮凝设备用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10～30s，一般<2minG＝700－1000s-1，絮凝过程：不仅与G有关，还与时间有关平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105

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：设计实验方案（分组）进行实验数据整理与问题分析报告与讨论第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2－3秒机械混合：搅拌2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。胶体带电相斥（憎水性胶体）1)层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。氢氧化铝起吸附架桥、网捕隔板絮凝池：由往复式和回转式两种H++OH-H2O“胶体保护”再稳现象两个相邻－OH－发生架桥，产生高价聚合离子------通常起絮凝剂作用（相邻两流层的速度增量）静电斥力：ER－1/x2TOC去除率为68％。：动力粘度，Pas——6联搅拌机三、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0.3－0.5m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h＝

hiRi：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：4－6段絮凝时间：20－30分隔板间距：不小于0.5m动力学稳定性：布朗运动对抗重力2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。水中碱度不足时，投加石灰。PAC30mg/L二级气浮出水，油15－20mg/L但在紊流中，布朗扩散紊流扩散1微米的颗粒沉淀10厘米需要20小时。第1节混凝的去除对象有