水质工程学

滑动面
胶 核
胶体电位是 导致聚集稳定
性的直接原因
の
Ⅱ
ζ
Ⅰ
δd
图图36-1-胶1 体胶双体电双层电结构层示结意构图示 意
滑动面上的电位：称为电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定 亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。
3.1、混凝机理
3.1.3 DLVO理论
DLVO理论，由德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）( 苏联) ，伏维（Verwey）、奥贝克(Overbeek）（荷兰）提出。 只适用于憎水性胶体。
颗粒的碰撞速率按下式计算：
N0
=
4 n2d 3G 3
(3-3)
在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔
离体，x • y • z见图3-7。设在时间 △t 内，隔离体
扭转了θ 角度，于是角速度 △ω为：
= = l • 1 = u = G
t t z z
(3-4)
3.3、混凝动力学
因此：
Np
=
8
3
KTn2
(3-2)
故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当 颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。
3.3、混凝动力学
3.3.3 同向絮凝 1. 层流理论
图3-6层流条件下颗粒碰撞示意图
△y △x
图3-7 速度梯度计算图示
3.3、混凝动力学
层流条件下颗粒的碰撞示意见图3-6。
2.2、反应器的概念及在水处理中的应用
2.2.2 物料在反应器内的流动模型
1、理想混合流动模型 反应器内浓度完全均匀一致
2、活塞流流动模型 各断面上流速一致，停留时间是管长的函数
3、轴向扩散流动模型和多级串联流动模型 实际反应器都是介于推流型和完全混合连续流型的。 轴向分散模型的基本设想是在活塞流基础上加上一
絮凝过程 ：在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒 碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有关， 还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制指 标。
平均G＝20~70s-1， GT＝1x104~1x105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。
3.3、混凝动力学
例题：某水力搅拌絮凝反应池，水力停留时间20min，水头损失 0.30m，水温20oC。求该反应池的平均G值和GT值。（水温
转矩△J 为：
J = xyz
(3-5)
于是单位体积水所耗功率p为：
p = J • = xyz • G = G
x • y • z xyz
(3-6)
根据牛顿内摩擦定理：τ=μG ,其中τ：剪应力，G:速度梯度 , μ:水的动力粘
滞系数，故
G= p

(3-7)
当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池
2.河流氧垂曲线
1.3.水体污染与自净
1.3.4.河流的氧垂曲线方程
⑴ 第一段(AO):有机物浓度高，耗氧速率大于复氧速率， DO大幅度下降； O点溶解氧最低-------氧垂电（最不利点）
⑵ 第二段（OB）：有机物浓度降低，耗氧速率小于复氧速率，DO开始逐渐 回升。 ⑶ 第三段（B以后）：溶解氧回升至起始阶段。
水温高时,水解反应速度过快,形成的絮凝体水合作 用增强、松散不易沉降。
4.1、影响混凝效果的主要因素
4.1.2 水的pH值和碱度的影响 水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。 混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。 当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成H+，但水中碱度 有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。 石灰投量按下式估算(混凝剂为Al2(SO4)3)：
3．混凝控制指标 自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺
上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。
3.3、混凝动力学
混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的 目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚 合、及颗粒脱稳。平均G ＝700~ 1000s-1，时间通常在10～30s， 不超过 2min，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向 絮凝。
1.3.水体污染与自净
1.3.4.河流的氧垂曲线方程
研究河流中DO的变化规律----DO的重要性（生态平衡） 1、河流中的溶解氧变化 存在两种变化趋势： ⑴ 有机物被微生物降解，消耗水中的溶解氧，使DO下降； 降解耗氧速率----与有机物浓度成正比 ⑵ 河流流动过程中，接受大气复氧，使DO上升。 复氧速率----与亏氧量成正比 两种作用的结果----形成氧垂曲线
凝。 同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的
颗粒碰撞聚集称同向絮凝.
3.3、混凝动力学
3.3.2 异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按Fick定理导出：
N p = 8dDBn2
(3-1)
KT
式中：DB： 布朗运动扩散系数，DB = 3 d ；其中T为温度，
ν为水的运动粘度，ρ为水的密度，n为颗粒数量；
胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由 静电斥力与范德华引力产生。
排斥势能：ER≈1/2εαφ02e-kx 吸引势能：EA=-Aα/12x
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系， 见图3-2。当胶体距离x<oa或x>oc时，吸引势能占优势； 当oa <x< oc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大， 称为排斥能峰。
20oC时，动力黏度μ=1.002x10-3Pa·s）
解：
G=
gh T
=
1000 9.81 0.30 1.002 10-3 20 60
= 49.5s-1
GT = G T = 49.5 20 60 = 59400
4.1、影响混凝效果的主要因素
4.1 影响混凝效果的主要因素 4.2 混凝剂的配制与投加 4.3 混凝设备
图3-5 胶体保护示意
3.1、混凝机理
3．网捕或卷扫
混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时, 对胶粒 会网捕、卷扫导致沉淀分离。这是一种机械作用，所需 混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少 时，所需混凝剂多，反之亦然。
硫酸铝的混凝机理 (总结) 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种
3.1、混凝机理
3.1.4 混凝机理 1．电性中和作用机理
电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理。 （1）压缩双电层
加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双 电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚 作用。
压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝聚能力离 子价数6。
个轴向扩散流动模型。轴向扩散量，可以用费克定律 来表示：
N = - D dC x dx
多级串联：
Lu N=
2Dx
3.1、混凝机理
3.1.1 基本概念
3.1 混凝机理 （▲ ） 3.2 混凝剂和助凝剂 3.3 混凝动力学
➢ 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。
高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象： ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图3-5；
胶粒胶粒
高分高子分子 胶粒胶粒
胶粒胶粒 排斥排斥
高分高子分子 排斥排斥
高分高子分子
图图6-56-架5 桥架模桥型模示型意示意
图3-4 架桥模型示意
图图6-6-胶6 体胶保体护保示护意示意
➢ 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。
3.1、混凝机理
3.1.2 水中胶体的稳定性 胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特
性。 胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。 动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。 聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）<水处理>；
该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象： ①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； ②与胶粒带同号电荷的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。
3.1、混凝机理
（2）吸附－电性中和
这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异
号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。
其特点是：当药剂投加量过多时，电位Φ 可反号。
胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥能峰时， 胶体颗粒能发生凝聚。
3.1、能
ER
E
Emax 0a
r c
吸
Ea
引
势
能
EA
r (a)
间距x
图 图6-23-2 相相互互作 用作势用能势与 能颗 粒与距粒离间关 系距离关系 （ a()a双) 电双层电重 叠层； 重(b)叠势 能；变(化b曲) 线势能变化曲线
影响混凝效果的因素很多，主要包括：
①原水性质，包括水温、pH和碱度、杂质性质和 浓度等；
②投加的凝聚剂种类与数量；
③使用的絮凝设备及其相关水力参数（G值）
4.1、影响混凝效果的主要因素
4.1.1 水温的影响 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、 松散，凝聚效果较差。其原因有： ①无机盐水解吸热； ②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱； ③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚； ④水温与水的pH值有关
（-）
滑动面
滑动面
负离子 原有正离子
Φ （-）
滑动面
投加的正离子
电位Φ 电位Φ
Ⅱ
Ⅰ δ Ⅲ δ
（1）
距离
（2）
距离
图3-3 压缩双电层和吸附-电中和作用
Ⅰ δ
δ
Ⅱ
δ
距离