《矿山环境与生态工程》课件-2.2矿井水混凝沉淀处理工艺

矿山环境与生态工程第二章煤矿矿井水处理与资源化第一节：煤矿矿井水处理与资源化方法第二节：矿井水混凝沉淀处理工艺第三节：矿井水过滤处理工艺第四节：矿井水脱盐处理工艺第五节：煤矿矿井水地下水库技术第六节：矿井水井下处理与复用技术第七节：煤矿矿井水零排放技术第一章煤矿矿井水处理与资源化第一节：煤矿矿井水处理与资源化方法第二节：矿井水混凝沉淀处理工艺第三节：矿井水过滤处理工艺第四节：矿井水脱盐处理工艺第五节：煤矿矿井水地下水库技术第六节：矿井水井下处理与复用技术第七节：煤矿矿井水零排放技术混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。相当于给水处理中加药混合后的极短时间，可能在一秒钟以内。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。主要在絮凝设备中完成。1基本概念一、混凝工艺基本原理胶体的双电层结构Gouy-Ghapman扩散双电层理论胶粒吸附层扩散层胶团边界电位离子反离子滑动面Ψ电位ξ电位双电层一般包括内层和外层两部分，内层为Stem吸附层，外层为离子扩散层。2混凝工艺基本原理Stem-Grahame

吸附层在颗粒表面与扩散双电尼之间存在一离子的专属吸附层。由于强的静电作用和表面对离子的专属吸附力，使离子束缚在这一吸附层中。当表面吸附过量的反离子时可引起颗粒表面电荷变号。在吸附层中存在两个与表面平行的平面，即内Helmholtz面（IHP）和外Helmholtz面（OHP）。OHP面是扩散双电层的起点。对于球形颗粒的扩散双电层电势分布：双电层厚度（非常重要）扩散双电层的电势分布憎水胶体的稳定与脱稳胶体颗粒表面存在双电层是其保持稳定的重要原因。当两个颗粒足够靠近以致扩散双电层相重叠时它们之间产生静电排斥力。两平板双电层叠加示意图边界条件为：在z＝0和x＝h时ψ=ψ0。x＝h/2时，。由此得两平行平板中间位置处（x=h/2）的电位：两平板间可列静电力和静水压力之间的平衡方程，即：式中：P为平板间的静水压强；ρ为平板间空间电荷密度；ψ为平板间电势分布。在x=h/2时，。因此，该处只存在静水压强（Pm）。两平板因扩散双电层叠加产生的静电斥力（Fdl）就等于(Pm—P0)之差，即：两平板间范德华引力势能：图

胶体化学势能作用曲线示意图

范德华引力是颗粒凝聚或平板间粘附的主要作用力。静电双电层斥力部分地甚至全部地抵消范德华引力的作用，而使颗粒保持稳定。静电双电层作用势能VDL和范德华引力势能VL0的合成称为相互作用势能。一般存在一极大值Vm称为斥能峰。当两个颗粒在靠近斥能峰时，在静电斥力作用下将重新分开，不能发生凝聚斥能峰的表达式：ζ电势由上述讨论可以得出：①胶体颗粒在水中．由于表面官能团的解离，电势决定离子的吸附以及晶格缺陷等原因产生表面电荷及电势。颗粒表面电荷大部分情况受水的pH控制，并存在一电荷零点的pH（PH0）。②固液界面处静电场受到吸附层中的吸附反离子和扩散层中的反离子的屏蔽作用。吸附层内电势导线性降低而扩散层的电势则呈指数函数降低。③影响胶体颗粒稳定件的主要参数是扩散层电位ψd和厚度（由参数k-1代表）。增加溶液离子强度可使k值增大，表现为扩散双电层变薄。当吸附层内过量吸附反离子可引起电荷反号，使表面电位ψ0与扩散电位ψd符号相反。这些都会引起胶体颗粒脱稳而凝聚。ζ电势的大小和符号与扩散层电势ψd相近。

ζ=ψd当对电泳槽两端施加直流电压时，可通过显微镜观测到电泳槽中胶体颗粒在水中向正极（带负电胶体）或负极（带正电胶体）运动的迁移率。颗粒电泳迁移率uc定义为：uc与ζ电势的关系为：式中，ε为水的介电常数；μ为水的粘度；f（ka）为修正系数。a为颗粒半径。（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

凝聚总的综合作用位能为VT＝VR＋VA1.不同溶液有不同的VR曲线2.VR随颗粒间的距离按指数规律下降3.VA则只随颗粒间的距离变化，与溶液中的离子强度无关4.不同溶液离子强度有不同的VT曲线胶体的凝聚：

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（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。自由沉淀：悬浮固体浓度不高，沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀，颗粒的沉淀轨迹呈直线。整个沉淀过程中，颗粒的物理性质，如形状，大小及比重等不发生变化。絮凝沉淀:悬浮颗粒浓度不高，但沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因互相聚集增大而加快沉降，沉淀轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状和沉速是变化的，实际沉速很难用理论公式计算，需通过试验测定。化学混凝沉淀属絮凝沉淀。1基本概念二、沉淀工艺基本原理区域沉淀或成层沉淀：悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上），颗粒的沉降受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二沉池与污泥。压缩沉淀:悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间已挤集成团块结构，互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中的浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。1基本概念二、沉淀工艺基本原理2自由沉淀及其基本理论1混凝沉淀处理基本工艺流程三、矿井水混凝沉淀处理的构筑物2混合设施静态混合器机械混合池3絮凝池（1）网格絮凝池3絮凝池（2）折板絮凝池4斜板（斜管）沉淀池（1）上向流斜管沉淀池4斜板（斜管）沉淀池（2）侧向流斜管沉淀池5澄清池（1）机械加速澄清池5澄清池（2）水力循环加速澄清池（3）悬浮澄清池5澄清池（4）脉冲澄清池1矿井水混凝处理工艺设计的水力条件四、矿井水混凝沉淀处理工艺设计及案例控制指标反应时间（T）搅拌强度（G）▼

速度梯度（甘布公式）：G=△u/△z=(gh/νT)1/2

▼

平均GT值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＝4/3n2d3

Gd：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）V：水流体积＝QTT：水力停留时间（s）Q：流量

：密度,kg/m3g：重力加速度但存在问题：

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。使颗粒整体移动强度不足以推动颗粒碰撞与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞紊流条件下颗粒碰撞速率（参照异向絮凝）：

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网格絮凝池的设计案例网格絮凝池流速一般按照由大到小进行设计.反应时间10～30min，平均G值20～70s-1

，GT值104~105

，以保证絮凝过程的充分和完善.为使絮粒不致被破坏或产生沉淀，絮凝池内流速必须加以控制，控制值随絮凝池形式而异.絮凝时间6～15min，絮凝池内的速度梯度G由进口至出口逐渐减小，G值变化范围100～15s-1以内，且GT≥2×104

.四、矿井水混凝沉淀处理工艺设计及案例主要设计参数计算例题—网格絮凝池矿井水的处理规模为1万m³/d，设计可单独运行的两组网格絮凝池。

（1）设计水量计算例题—网格絮凝池（2）设计尺寸计算

计算例题—网格絮凝池

计算例题—网格絮凝池（1）网格设计

表

网格孔洞参数1-6格为前段，水过网孔的流速v3前取0.25~0.3m/s。7-12格为中段，水过网孔的流速v3中取0.22~0.25m/s。计算例题—网格絮凝池（3）各段计算

计算例题—网格絮凝池（3）各段计算

计算例题—网格絮凝池（3）各段计算

计算例题—网格絮凝池（3）各段计算

计算例题—网格絮凝池（3）各段计算

3斜板（斜管）沉淀池工艺设计的浅池理论四、矿井水混凝沉淀处理工艺设计及案例B是沉淀池宽度4斜管沉淀池工艺设计案例四、矿井水混凝沉淀处理工艺设计及案例斜板或斜管的长度通常在1～1.2m。为防止污泥堵塞或斜板变形，板间垂直距离以80～120mm为宜。斜管直径一般采用50~80mm。用于给水处理时，不小于50mm，斜管直径则采用25～35mm。主要设计参数计算例题—网格絮凝池（1）设计水量计算矿井水的处理规模为5000m3/d，设计两座可单独运行的斜管沉淀池预计单池矿井水平均每日水量：Q平