第三章_混凝动力学.ppt

1、第三章混凝动力学3.1混凝动力学从两个方面驱动水中的颗粒相互碰撞：一方面，水中颗粒的布朗运动，由布朗运动引起的颗粒碰撞和聚集称为“各向异性絮凝”。另一方面，由水力或机械搅拌引起的流体运动，由流体运动引起的颗粒碰撞和聚集称为“同向絮凝”。1.各向异性絮凝假设颗粒是均匀的球体。根据菲克定律，粒子的碰撞率可以推导如下：NP=8ddbn2。(1)各向异性絮凝中每单位体积颗粒的碰撞率；(l/cm3.s) n粒子数浓度；(a/cm3) d粒径；(厘米)分贝布朗运动扩散系数；(cm2/s)，扩散系数DB可用Stuxnstein公式表示：(2) K玻尔兹曼常数，(1.3810-16g cm2/s2.k) t水

2、的绝对温度，(K)水的运动粘度，(cm2/s)水的密度，(g/cm3)和(2)然而，当颗粒尺寸大于1m时，布朗运动消失。2.同向混凝，简称絮凝，在整个混凝过程中起着非常重要的作用。如图所示，当水流呈层流速度分布时，I和J粒子都跟随水流。因为I粒子的当前速度大于J粒子的当前速度，所以I和J将在某个时刻碰撞。假设水中的粒子是均匀的球体，di=dj=d，在以J粒子的中心为中心，以Rij为半径的范围内，所有的I和J粒子都会碰撞。碰撞率N0为：(4).(5) g速度梯度(S-1) u和u分别是两个相邻流动层的速度和速度增量(cm/s) z，两个流动层之间垂直于水流方向的距离(cm) n和d是原水杂质特征

3、，而g是控制混凝效果的水力条件。因此，在混凝设备中，速度梯度G值常被作为重要的控制参数之一。所谓速度梯度是指两个相邻水层之间的速度差与它们之间的距离之比，用G表示。根据牛顿内耗定律：=G代入公式(6).(7)水的动态粘度(pas) p单位体积流体消耗的功率(w/m3) G速度梯度(S-1)当使用机械搅拌时，公式中的p由机械搅拌器提供，当使用水力絮凝池时，PV=gQh(8) V=QT (9)和(11)被替换以获得：(10) g重力加速度(9.8m/s2) h凝结设备中的水头损失(m)水的运动粘度(m2/s) T水流在凝结设备中的停留时间(s)；第三，混凝控制指标处于搅拌阶段，根据速度梯度，搅拌强

4、度一般在700-1000s-1之间。在这个阶段形成的粒子更小。絮凝阶段属于同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间t有关，G值和GT通常作为控制指标。G=20-70 S-1，GT=1104 -1105。有些人考虑了颗粒浓度和不稳定程度等因素，提出了CVGT值或aCVGT值作为控制指标。等速水中的颗粒体积浓度。粒子的有效碰撞系数。如果每一次不稳定粒子的碰撞都会导致凝聚，那么：a=1，但实际的a1。理论上，用CVGT值或aCVGT值来控制絮体较为合理，但具体值根本无法确定，因此目前只能从概念上理解或作为进一步研究的目标。影响混凝效果的因素很多且复杂，但一般可分为两类。一是客观因素，主要指原水的一些特

5、征因素，如水温、酸碱度、水中各种化学成分的含量和性质；二是主观因素，即一些可以人为改变的混凝条件，如混凝剂种类和投加方式、水利条件等。3.2影响凝血的因素：1 .水温低时，1。混凝剂水解速度慢，产生的絮体细小疏松，强度低，不易沉淀。2.水的粘度高，颗粒的沉降速度降低，颗粒之间碰撞的机会减少，从而影响凝结效果。3.当水温较低时，水中胶体粒子的布朗运动减弱。克服低水温不良影响的措施：1 .增加混凝剂的用量，改善颗粒间的碰撞条件。2.加入助凝剂(如活性硅酸)或粘土，增加羊绒的重量和强度，提高沉降速度。水的酸碱度和碱度水的酸碱度与水中胶体粒子的表面电荷和电位直接相关。在不同的酸碱度下，胶体颗粒的表面电

6、荷和位置不同，所需的混凝剂量也不同。2.水的酸碱度对混凝剂的水解反应有显著影响，不同混凝剂的最佳水解反应所需的酸碱度范围不同，因此水的酸碱度对混凝效果的影响因混凝剂的种类而异。对于一般的浊水，加入硫酸铝的最佳酸碱度范围为6.5-7.5。三价铁盐混凝剂能适应较宽的酸碱度范围，最佳酸碱度约为6.0-8.4。从铝盐和铁盐的水解反应公式可以看出，水解过程中不断产生的氢必然会导致水的酸碱度降低，而天然水含有一定的碱度。当HCO 3-HCO 2H2O用量较小时，原水碱度较大时，由于水中碳酸化合物的缓冲作用，水的酸碱度略有下降，对混凝效果影响不大。当用量大时，原水的碱度小，水的碱度不足以中和水解产生的酸，水

7、的酸碱度将大大下降，甚至低于最佳混凝条件。此时，不能获得良好的凝结效果。为了在凝结过程中将水的酸碱度保持在最佳范围内，应该向水中加入碱化剂，这不仅使水碱化。一般来说，曹是补充的。Al2(SO4)3 3H2O 3 Cao=2al(oh)3 3c aso 4 2 FEC L3 3H2O 3 Cao=2fe(oh)3 3c ACL 2。第三，水中悬浮固体浓度的影响，因为电解质可以凝结胶体，水中溶解的盐可以影响凝结。由于AL2(SO4)3的水解产物都带有正核，天然水中的Ca2和Mg2有利于混凝，而水中的一些阴离子，如氯离子，对混凝有不利影响。然而，在这些方面仍有许多问题需要研究。粘土杂质，不同的水源颗

8、粒在大小和级配、化学成分、带电性能和吸附性能上是不同的，所以即使浊度相同，混凝性能也可能不一样。一般来说，粒径小且均匀时混凝效果差，粒径不同时有利于混凝。低颗粒浓度往往不利于混凝，人工添加粘土或其他混凝剂可以提高混凝效果。水中的有机物可以保护和稳定胶体，也就是说，水中的可溶性有机物分子吸附在胶体颗粒的表面上，就好像它们形成了有机涂层，这保护了胶体颗粒，阻止了胶体颗粒之间的碰撞，并阻止了凝结剂和胶体颗粒之间的不稳定和凝集。因此，胶体颗粒在有有机物存在的情况下比没有有机物的情况下更难去稳定，因此有必要增加混凝剂的用量以获得更好的混凝效果。(4)水中有机污染物的影响；(4)由于不同混凝剂的水解特性和

9、适用水质不完全相同，应根据原水水质优化选择合适的混凝剂。对于无机盐混凝剂，要求形成能有效压缩双电层或产生强点中和的形式；对于有机高分子絮凝剂，要求具有合适的官能团、聚合物结构和大分子量。5.混凝剂种类和用量的影响。混凝剂的投加方式有两种：干投加和湿投加。最好加入硫酸铝作为稀溶液，氯化铁作为干溶液或浓溶液。如果在混凝剂之外加入助凝剂，各种药剂的加入顺序也会对混凝效果产生很大影响。6.混凝剂投加方式的影响。水力条件对混凝效果影响显著。这里的水力条件包括两个因素：水力强度和作用时间。混合在一起在絮凝反应阶段，要求不稳定的胶体颗粒通过各向异性絮凝和同向絮凝逐渐增加成具有良好沉降性能的絮体。因此，絮凝反

10、应阶段的搅拌强度和水流速度应随着絮体的增加而逐渐降低，以避免聚集的絮体破碎而影响混凝沉淀效果。同时，由于絮凝反应是一个絮体逐渐增加的缓慢过程，如果絮体生长到足够大的颗粒尺寸以在混凝反应后通过沉淀去除，则需要确保一定的絮凝时间，如果在混凝反应后采用气浮或直接过滤过程，则反应时间可以大大缩短。第七章。水力条件的影响，3.3混凝剂的配制和投加，3.3.1混凝剂的配制溶解和溶液配制大中型水厂通常修建混凝土溶解池和配置搅拌装置，搅拌的目的是加速化学物质的溶解。搅拌装置包括：机械搅拌、压缩空气搅拌、水泵搅拌、液压搅拌等。自然沥滤通常用于中小型水厂，压力水通过穿孔管道进行沥滤或冲洗。混凝剂投加混凝剂投加设备

11、包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱和注射设备。1.计量设备计量设备包括：转子流量计；电磁流量计。苗张嘴；计量泵等。2.根据混凝剂状态，投加方式分为固体投加(干投加)和溶液投加(湿投加)；根据混凝剂投加在原水中的位置，有泵前投加和泵后投加；在溶液加药中，将药液注入原水的动力源是重力加药和压力加药。(1)泵前加药：安全可靠，一般适用于取水泵房靠近水厂的人群。图中的水封盒是为了防止空气进入，如图6-9所示。(2)高位溶液罐重力加药：对于取水泵房远离水厂的情况，安全可靠，但溶液罐位置较高，如图6-10所示。(3)注射器加药：设备使用简单方便，溶液池的高度没有太多限制，但效率低，容易磨损，

12、如图6-11所示。(4)泵加药：无需设计额外的计量设备，适用于混凝剂自动控制系统，有利于试剂和水的混合，如图6-12所示。混凝剂剂量自动控制1。数学模拟方法对于特定的水源，可以根据水质和水量建立数学模型，编写程序并提交给计算机进行调节。用数学模型自动控制加药的关键是在早期必须有大量可靠的生产数据，然后用数理统计的方法建立符合实际生产的数学模型。适用于特定的原水条件，水质仪器多，投资大。现场模拟试验利用现场模拟装置确定和控制剂量是一种简单的方法。常用的模拟装置有斜管除尘器、过滤器或两者兼有。原水浊度低时通常使用模拟过滤器，原水浊度高时可串联使用斜管沉淀器或过滤器。这种方法存在反馈滞后，模拟装置与

13、生产设备之间也存在一些差异，但与实验室相比，更接近实际情况。特征参数法影响混凝效果的因素是复杂的，在某些情况下，某一特征参数是影响混凝效果的主要因素，该因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测法和透光率脉动法属于特征参数法。流动电流是指胶体扩散层中的反离子在外力作用下随流体流动而产生的电流。该电流与胶体电位呈正相关。凝聚后胶体电位的变化反映了胶体不稳定的程度。优点是控制因素单一；投资少，操作简单；控制公关管式静态混合器：流速不应小于1m/s，水头损失不应小于0.30.4m，加药点到终端出口的距离不应小于管径的50倍。参见图6-13。管孔混合器前增加一个锥形帽，锥形帽的夹角为90。下游方向投

14、影面积为进水管总截面积的1/4，开口面积为进水管总截面积的3/4，流速为1.01.5米/秒，混合时间为23秒。管段长度不小于500mm。水头损失约为0.30.4，直径为DN200DN1200，如图6-14所示。机械混合搅拌装置安装在罐内。搅拌器可以是桨叶、螺旋桨或涡轮，速度梯度为700-1000秒-1，时间小于1030秒。其优点是搅拌效果好，不受水质影响，缺点是增加了机械设备和维护工作量。絮凝设备1。折流絮凝池折流絮凝池分为往复式和旋转式，如图6-15和图6-16所示。折流絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式的总水头损失一般为0.30.5米，旋转式的水头损失比往复式的约小40%

15、。折流絮凝池的特点：结构简单，管理方便，但絮凝效果不稳定，池大。适应大型水生植物。折流絮凝池设计参数：流速：开始0.5-0.6m/s，结束0.2-0.3m/s:46段；弯道处的横截面积是走廊横截面积的1.21.5倍。絮凝时间：2030分钟；挡板间距：不大于0.5m，池底设置0.020.03排泥管，坡度不小于150mm走廊最小宽度不得小于0.5m；每节水头损失，总水头损失、2。折板絮凝池通常采用垂直流，将折流絮凝池的平板变成一定角度的折板。当其波峰与波谷平行安装时，折叠板被称为“同一波纹板”，当其波峰彼此相对安装时，折叠板被称为“不同波纹板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能耗比提高，但安

16、装维护难度更大，折板成本更高。示意图见图6-17和图6-18。机械絮凝池截面图见图6-19。搅拌器包括桨式和叶轮式，根据搅拌轴的安装位置分为水平轴式和垂直轴式。在第一个网格中，搅拌强度最高，然后逐渐降低，G值也相应降低。搅拌强度取决于搅拌器的速度和桨叶的面积。(1)功率计算水流对桨叶的阻力是桨叶对水施加的推力，水流阻力消耗的功率(6-15)Da微区的阻力dFi是桨叶对水施加的功率：(6-16)其中：是水流的旋转线速度、桨叶的旋转角速度和旋转半径，so (6-17)。第一个桨叶克服水阻力所消耗的功率：(6-18)如果每个旋转轴在不同的旋转半径上配备相同数量的桨叶，则每个旋转轴的所有桨叶所消耗的功率：(6-19)每个旋转轴所需的电机功率：(6-