水质工程学 第四章凝聚与絮凝
给排水概论第四章水质工程上
章 除盐率可在30%~90%之间变化。除盐率较反渗透膜有所
水
下降，所需压力也比反渗透膜大大降低，一般为1~2MPa， 也成为低压反渗透。
质 5、纳滤用途
工 ➢ 纳滤膜一般用于去除地表水的有机物和色度， 脱除井水的
亚硫酸氢钠，将废水中的六价铬还原为三价铬，然后投加
石灰或氢氧化钠，使之生成氢氧化铬沉淀物，将此沉淀物
从废水中分离出来，便可达到处理的目的。
2H2CrO7+6NaHSO3+6H+ ＝Cr2(SO4)3+3Na2SO4+8H2O Cr2(SO4)3+3Ca(OH)2 ＝2Cr(OH)3↓+3CaSO4
4.2.6 氧化还原和消毒
粒表面的性质。颗粒表面易被水湿润，该颗粒属 亲水性；如不易被水湿润，属疏水性。一般，疏 水性颗粒易被气泡吸附，亲水性颗粒难被气泡吸 附。
4.2.5 粒状材料过滤
第 四
1、过滤定义
章
用细颗粒的材料（例如石英砂）构成滤层，当
水 水通过滤层时，水中的悬浮物能被截留在滤层的
质 滤料表面和缝隙中，从而使水得到澄清。
工 2、沉淀剂（投加的化学药剂）
程
4.2.10 电 解
第 1、电解定义
四 ➢ 电解质溶液在电流的作用下发生电化学反应的过程。
章
与电源负极相连的电极称为阴极，与电源正极相连的电极成 为阳极。
水 2、电解法定义
质 ➢ 利用电解的原理处理水中有毒物质的方法称为电解法。在
工
水进行电解时，水中的有毒物质在阳极或阴极进行氧化还 原反应，结果产生新物质。这些新物质在电解过程中或沉
➢ 中和药剂：酸性药剂，如无机酸（硫酸、盐酸）、 酸性废气，如含有CO2的烟道气等。
水质工程学名词解释
1、感观性状指标——指水中某些杂质对人的视觉、味觉和嗅觉的刺激程度。
2、细菌学指标——指水中某些致病的微生物、病毒以及寄生虫等杂质的限制。
3.混凝剂——能够发挥凝聚和絮凝作用的物质称为混凝剂，具体讲，凡是能够压缩扩散层，降低电动电位，使胶体颗粒相互粘结、聚集的物质称为混凝剂。
4.助凝剂——当单用混凝剂不能取得良好效果时，须投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。
5.“异向絮凝”——由布朗运动所造成的颗粒碰撞、接触、凝聚的现象。
6.“同向絮凝”——由流体运动所造成的颗粒碰撞、接触、凝聚的现象。
7.自然沉淀——颗粒在沉淀过程中不改变其大小、形状和密度的这种沉淀称为自然沉淀。
8.混凝沉淀——在沉淀过程中，颗粒由于相互接触凝聚而改变其大小、形状和密度的这种过程称为混凝沉淀。
9.自由沉淀（与自然沉淀不同）——颗粒沉淀时不受容器壁和其它悬浮物影响的沉淀10. 拥挤沉淀——颗粒处于互相干扰的沉淀（又称网状沉淀）。
11.（截流沉速）ui —小于截流速度的沉速12、q—表面负荷率（单位面积沉淀区单位时间所沉淀的水量）13、杂质穿透——过滤时杂质穿透滤层使水质恶化的现象。
14、杂质穿透深度——过滤即将结束时，自滤层表面到某一深度所取水样恰好符合滤后水的水质要求的深度15、滤料的含污能力——一个过滤周期内，按整个滤层级单位体积滤料中的平均含污量16、滤料含污量——单位体积滤层中所截留的杂质量17、水力分级现象——经反冲洗水力分选后,滤料粒径自上而下大致按由细到粗依次排列,称滤料的水力分级18、负水头现象——过滤过程中，由于过滤层截留了大量杂质而导致砂面一下某一深度处的水头损失超过该处水深的现象。
19、自由性余氯——指水中的OC1＋、HOCl、Cl2等，又叫游离性余氯20、化合性余氯——指水中氯与氨的化合物，有NH2Cl、NHCl2及NHCl3三种，又叫结合性余氯21、树脂的湿真密度——树脂溶胀后的质量与其本身所占体积（不包括树脂颗粒之间的空隙）之比22、树脂的湿视密度——树脂溶胀后的质量与其堆积体积（包括树脂颗粒之间的空隙）之比，亦称堆密度。
排水工程水处理凝与絮凝
水中非常细的悬浮颗粒和胶体颗粒在重力作用下不会沉降，感谢简单的沉淀。
然而，这样的颗粒可以通过增加它们的尺寸和质量，即通过将它们变成絮凝颗粒来去除。
混凝和絮凝水中非常细的悬浮颗粒和胶体颗粒在重力作用下不会沉降，感谢简单的沉淀。
然而，这样的颗粒可以通过增加它们的尺寸和质量，即通过将它们变成絮凝颗粒来去除。
达到这种效果的化学物质称为混凝剂。
添加到水中形成称为“絮凝物”的凝胶状沉淀物。
水中的大部分胶体颗粒都带负电。
凝结剂（正电荷）中和带负电的胶体颗粒，使它们凝结（附聚）并形成称为“絮凝物”的凝胶状沉淀物，越来越多的颗粒被吸引和吸收，形成更大尺寸的絮凝颗粒。
由于尺寸和质量的增加而絮凝的颗粒很容易在沉淀池中沉降。
(i) 将计量好的化学品（混凝剂）添加到水中并在快速混合器中进行彻底混合。
(ii) 沉淀物的形成，沉淀物在絮凝器中凝结并形成絮凝物。
(iii) 絮凝物在沉淀池中的沉降。
混凝是第一阶段，指的是沉淀物的形成和带电胶体颗粒的不稳定。
絮凝-是第二阶段，是指促进稳定颗粒团聚的缓慢混合技术。
影响凝血的因素：(i) 混凝剂类型，(ii) 混凝剂的数量或剂量(iii) 水的特性。
•悬浮物的类型和数量。
•水温•水的pH值(iv) 混合时间和方法——短时间剧烈搅拌（化学混合），然后温和搅拌（絮状物形成）常用混凝剂(i) 明矾或硫酸铝(ii) 氯化铜(iii) 硫酸亚铁和石灰(iv) 碳酸镁(v) 聚电解质（vi）铝酸钠（i）硫酸铝（或）明矾•化学成分为Al2(SO4)318 H2O•最常用和通用的混凝剂。
•水中需要有碱度才能形成絮凝物。
许多水都具有碳酸氢盐碱度。
明矾溶于水，水解成氢氧化铝（不溶——絮状）Al2(SO4)318H2O + 3Ca(HCO3)2=2 Al(OH)3↓ + 3CaSO4 +18H2O + 6CO2↑如此形成的氢氧化铝絮体不溶于水。
使用明矾的局限性：(i)CO2的形成导致水的腐蚀性。
(ii) 形成的硫酸钙导致水永久硬度。
水质工程学第4章
第四章 沉淀与澄清4.1杂质颗粒在静水中的沉降 4.1.1杂质颗粒在水中的自由沉降 自由沉淀颗粒互不干扰； 不受器皿壁的干扰；经过一段时间后，沉速也不变。
颗粒杂质所受的力：重力，浮力，水流阻力。
其中阻力系数是雷诺数的函数。
沉速：层流区用斯托克斯；紊流区用牛顿公式；过渡区用阿连公式。
层流状态下，颗粒越粗，水温越高，密度差越大沉速越快。
另外斯托克斯公式还能测粒径。
4.1.2杂质颗粒在水中的拥挤沉降当水中大颗粒在有限的水体中沉降时，由于颗粒互相之间的影响，使得颗粒沉速比自由沉降要小，这就是拥挤沉降。
沉速要乘以一个折减系数。
沉淀筒中可分为清水层区、等浓度区、变浓度区、压实区四个区。
4.2平流沉淀池4.2.1理想沉淀池理论 理想沉淀池：自由沉淀； 水平流速相等；沉底后认为被去除。
截留沉速：最不利位置的颗粒恰能在池中沉淀下来的颗粒流速。
表面负荷：指单位沉淀面积上承受的水流量。
对于理想沉淀区，表面负荷与截留沉速相等。
沉速大于截留沉速的全部沉淀下来。
而沉速小于截留只能部分沉淀下来，其沉淀效率等于其沉速与截留沉速的比值。
4.2.2非凝聚性颗粒的静水沉淀实验沉淀效率的计算：BLQq =理想沉淀区的沉淀效率只与截留沉速有关，也就是沉淀效率只与表面负荷有关，而与沉淀时间，池深，水流速度无关。
沉淀池表面积越大沉淀效率越高。
4.2.3凝聚性颗粒杂质的静水沉淀实验对于非凝聚性颗粒杂质，由于颗粒沉速不变，所以等浓度面沉降过程线是一条倾斜的直线。
对于凝聚性颗粒杂质，由于颗粒沉速不断变大，所以等浓度面沉降过程线是向下弯曲的曲线。
由于水中凝聚性颗粒在沉降过程中具有加速沉降的特点，所以沉淀区的池深对于沉淀效率是有影响的，池深越大，沉淀效果越好。
4.2.4浑水异重流及平流沉淀池的构造特点密度大的浑水进入沉淀池后，在重力作用下会潜入池的下部流动，形成所谓的异重流。
浑水浊度高的时候异重流现象明显。
当进水温度比池水低的时候，会加强浑水异重流的流态。
水质工程学名词解释
流速过小：淤塞，影响过水能力
调节的功能
调节水量；均化水质；同时调节水量、均化水质。
调节的目的
削弱水质水量波动对废水处理工艺的影响，利于或保证处理工艺的正常运行，保
证稳定的处理效果。
调节方式
在线调节：全部废水均流过调节池，对废水的流量和水质可进行大幅度调节。
离线调节：只有超过日平均流量的那部分废水进入调节池，对废水的流量和水质
的调节幅度较小，并需另设提升泵，操作复杂，不常采用。
调节池的类型
均量池；均质池；均化池；
9。
凝聚与絮凝.PPT
④适宜的 pH＝5～9，投加过量不会出现胶体再 稳现象。
⑤腐蚀性小，且处理后水的 pH 值和碱度下降较 小。
⑥但是原材料比较紧张，价格比硫酸铝贵。 .
3、三氯化铁（FeCl3·6H2O）
• 三氯化铁为黑褐色结晶体，有强烈吸水性，极易溶于水， 液体三氯化铁或受潮的固体物腐蚀性极大，必须用耐腐 蚀加药设备。三氯化铁的特点有：
• 一般在高浊度水处理中常用 PAM 作为助凝剂
配合铝盐、铁盐使用，可大大降低药耗且效果
显著。
.
5.3.2 助凝剂
助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可 称为助凝剂。也就是能促进和加速凝聚过程，提高绒粒 质量的物质称为助凝剂。助凝剂可以掺加混凝，也可不 掺加混凝。广义上可分为以下几类：
①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；
.
（1）泵前投加
优点：混合充分，一般适用 5 取水泵房距水厂较近者
3 2 1
h 6 4
5 7
9
10
图 15-9 泵前投加
8
缺点：对水泵有较大腐蚀性， 特别是采用氯化铁。
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；
.
（2）重力投加
•其化学分子表达式有多种： •①[Al2(OH)nCl6-n]m，可看作高分子聚合物，m为聚合度， 通常n＝1～5，m≤10； •②Aln(OH)mCl3n-m，可看作复杂的多核配合物。 这两个分子式实际上是同一物质的不同表达。
.
PAC在水中的聚合物成分主要取决于碱化度，即羟基 与铝的摩尔数之比，可按下式计算：
水质工程学混凝
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6-2。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。
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。
硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便 将二价铁氧化成三价铁。
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝， 性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的 摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式 计算：
B [OH ] 3[ Al ]
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前 常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三 氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。
Ⅱ
Ⅰ δ Ⅲ δ
距离
（2）
Ⅰ δ
δ
Ⅱ
δ
距离
Ⅲ 距离
（3）
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
（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，电位可反号。
2．吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒 与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-5。 高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现 象：
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。
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与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也 有良好的混凝效果。
滑动面
负离子 原有正离子 投加的正离子
Φ （-）
水质工程学 第4章沉淀与澄清
p0 0
ui dpi u0
（7-23） 23）
式中p 沉速小于u 式中p0—沉速小于u0的颗粒重量占所有颗粒重量 的百分率； 的百分率；
4.2.4 非凝聚性颗粒的沉淀实验分析 非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验，用一个圆筒 非凝聚性颗粒在静水中的沉淀实验， 进行，如图7 所示。在圆筒水面h 进行，如图7-5所示。在圆筒水面h处开一个取样 要求颗粒在在水中均匀分布，浓度为C 口，要求颗粒在在水中均匀分布，浓度为C0；然 后在分别在t 时取样， 后在分别在t1, 、 t2 、 …tn时取样，分别测得浓度 对应的沉速分别为h/t 为C1 、 C2 、 …Cn,对应的沉速分别为h/t1=u1、 h/t2=u2 、…h/tn=un 。设p1、p2、…pn 分别代表 C1/C0、C2/C0、…Cn/C0则1-pi表示所有速度大于等 的颗粒所占的比例， 代表沉速小于u 于ui的颗粒所占的比例，pi代表沉速小于ui的颗粒 所占的比例，见图7 所占的比例，见图7-5。 具有沉速u 具有沉速u1、u2的两种颗粒之间的颗粒浓度分数 为p1-p2。 p1-
h4 / h0 ( p6 − p5 ) +K u0
（7-24） 24）
深 度
沉 时 降 间
图 7-8 凝 性 粒 去 白 数 算 聚 颗 的 除 分 计
4.3 斜板（管）沉淀池 斜板（
1．原在原体积不变时，减少 ，加大A， 在原体积不变时，减少H，加大 ，可以提高沉淀 效率或提高Q 效率或提高 ⇒浅层理论 1904年 Hazen 提出 年 1945年 Camp认为池浅为好 年 认为池浅为好 1955年 多层沉淀池产生 年 1959年 日本开始应用斜板 年 1972年 中国汉阳正式应用 年
水质工程学给水处理期末复习整理
第一章水质与水处理概论1、天然水体中的杂质分类⑴按水中杂质的尺寸，可分为溶解物、胶体颗粒和悬浮物。
⑵从化学结构上可分为无机物、有机物和生物。
⑶按杂质的来源可分为天然杂质和污染性杂质。
2、水体富营养化：指富含磷酸盐和某些形式的氮素的水，在光照和其他环境条件适宜的情况下，这些营养物质足以使水中的藻类过量生长，在随后的藻类死亡和随之而来的异氧微生物代活动中，水体中的溶解氧很可能被耗尽，造成水质恶化和生态环境结构破坏的现象。
3、两个相关的水质指标描述水体的自净过程：生化需氧量BOD：该值越高说明有机物含量越高，水体受污染程度越严重。
水中溶解氧DO：是维持水生物生态平衡和有机物能够进行生化分解的条件，DO值越高说明水中有机污染物越少。
水体中BOD值和DO值呈高低反差关系4、生活饮用水水质常规检验项目和限制：第四章凝聚与絮凝1、胶体的稳定性：从水处理角度而言，是指交替颗粒在水中长期保持分散状态的特性。
⑴动力稳定性；⑵带电稳定性；⑶溶剂化作用稳定性。
2、胶体稳定存在的原因：⑴胶体的双电层结构：胶体粒子可以通过吸附而带有电荷，同种胶粒带同种电荷，而同种电荷会相互排斥，要使胶体聚沉，就要克服排斥力，消除胶粒所带电荷。
⑵胶体粒子在不停的做布朗运动。
3、胶体的凝聚机理：⑴压缩双电层作用：水处理所去除的胶体主要为带负电的胶体，常用的铝盐、铁盐混凝剂产生的带正电和的高价金属羟基聚合离子可以起到压缩双电层的作用。
高价电解质压缩双电层的能力优于低电解质离子，所以，一般选作混凝剂的多为高价电解质。
如：Fe3＋、AL3＋。
⑵吸附电中和作用：指胶体微粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒或带异号电荷的高分子，从而中和了胶体颗粒本身所带部分电荷，减少了胶体颗粒间的静电斥力，使胶体颗粒更易于聚沉。
⑶吸附架桥作用：指分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机物或无机高分子物质架桥连接，凝集为大的聚集体而脱稳聚沉，此时胶粒间并不直接接触，高分子物质在两个胶体颗粒之间像一座桥一样将它们连接起来。
水质工程学习题08
水质工程学（上）例题、思考题、习题第1章水质与水质标准1.水中杂质按尺寸大小可分为几类？了解各类杂质主要来源、特点及一般去除方法。
2.各种典型水质特点。
3.《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006) 分类指标。
第2章水的处理方法概论1.水的主要物理化学处理方法。
2.反应器原理用于水处理有何作用和特点？3. 反应器的类型。
4.典型给水处理工艺流程。
第3章凝聚和絮凝例题1.设已知K＝5.14×10-5，G＝30s-1。
经过絮凝后要求水中颗粒数量浓度减少3/4，即n0/n M=4，试按理想反应器作以下计算：1）采用PF型反应器所需絮凝时间为多少分钟？2）采用CSTR反应器（如机械搅拌絮凝池）所需絮凝时间为多少分钟？3）采用4个CSTR型反应器串联所需絮凝时间为多少分钟？解：1）将题中数据代入公式得：t＝ln4/(5.14×10-5×30)＝899s＝15min2）将题中数据代入公式得：t＝（4-1）/(5.14×10-5×30)＝1946s＝32min3）将题中数据代入公式得：t＝（41/4-1）/(5.14×10-5×30)＝269s总絮凝时间T＝4t＝4×269＝1076s＝18min由此可知，推流型絮凝池的絮凝效果优于单个机械絮凝池，但采用4个机械絮凝池串联时，絮凝效果接近推流型絮凝池。
2. 某地表水源的总碱度为0.2mmol/L。
市售精制硫酸铝（含Al2O3约16％）投量为28mg/L。
试估算石灰（市售品纯度为50％）投量为多少mg/L。
解：投药量折合Al2O3为28mg/L×16％＝4.48mg/L，Al2O3分子量为102，故投药量相当于4.48/102=0.044 mmol/L，剩余碱度取0.37 mmol/L，则得：[CaO]=3×0.044－0.2+0.37＝0.3 mmol/LCaO分子量为56，则市售石灰投量为：0.3×56/0.5=33 mg/L。
凝聚与絮凝
界面处存在一静电场。从而使靠近表面处 的液相离子发生不均衡分布，即与表面电 荷反号的离子受到吸引而高于主体溶液中 的浓度，而与表面电荷同号的离子受到排 斥而低于主体溶液中的浓度。见图。这样 就在颗粒表面附近形成一个离子扩散双电 层。由于双电层的存在使两个颗粒不能足 够靠近，以致粘结在一起。
第二节 胶体颗粒的基本性质
该式表明胶体化学作用势能VT为间距h函数
第二节 胶体颗粒的基本性质
5.
第二节 胶体颗粒的基本性质
第二节 胶体颗粒的基本性质
第二节 胶体颗粒的基本性质
第三节 絮凝动力学
脱稳的胶体颗粒必须和其它的胶体颗粒接触才能发 生絮凝。目前观点认为颗粒之间发生碰撞接触是由三种 物理传输过程所致，即
有一平衡关系，这使晶体表面有了一定符号的电荷。 铁、铝氧化物颗粒表面电荷可认为是依此机理产生的。 由于金属氧化物或氢氧化物的溶解沉淀反应与溶液pH 值有关，因此，这类颗粒的表面电荷和电势受pH控制。
第二节 胶体颗粒的基本性质
（3）颗粒表面离子化官能团的解离，特别是高分子有机 物因其极性官能团的酸碱解离而使表面带上电荷。
异
同
差
向
向
降
絮
絮
絮
凝
凝
凝
第三节 絮凝动力学
异向絮凝
定义：胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象 单一分散相的颗粒浓度n,由于布朗运动相碰而减少
的速率可以表示为n的二级反应
第三节 絮凝动力学
第三节 絮凝动力学
第三节 絮凝动力学
同向絮凝
定义：借搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用。 给水处理中的絮凝池即为体现同向絮凝的设备。
水质工程学4.1-4.2
(1-P0)—沉速≥u0的颗粒（能全部下沉）所
二、影响平流沉淀池沉淀效果的因素
（一）水流状态 1、短路(流) 原因—水的流速、流程 不同： （1）股流 大股流；小股流 （2）表面流（风）
大股流
穿孔墙 风 穿孔墙
小股流
小股流
风
表面流
表面流
（3）异重流：由于密 度不同引起水的分层流 动（温度差；浓度差） （4）滞流 （5）出水堰产生的水 流抽吸作用
4、储泥区 排泥方式由斗形底排泥，穿孔管排 泥，机械排泥等。前两种方式需设储泥 区，机械排泥可不考虑，但池底应略有 坡度。
四、平流沉淀池设计计算
（一）沉淀区计算 表面负荷率
控制指标
停留时间
Q 1、按表面负荷率计算（u0= ） A （1）沉淀池表面积
Q—设计流量（m3/d）
uo
参考类似水厂 取30～52m3/m2· d（u0=0.35～0.6mm/s）
直线Ⅱ代表从池顶点A开始下沉而不能 沉到池底的颗粒的运动轨迹； 直线Ⅲ代表从池顶A点开始下沉而刚好 沉到池底最远处B’点的颗粒的运动轨 迹；
按直线Ⅲ运动的颗粒的沉速设为u0， 当u≥u0 全部去除（直线Ⅰ）； u＜u0 不能全部去除（直线Ⅱ）； 能够全部去除的颗粒中最小颗粒的沉 降速度——截留沉速u0
u0的计算：
L t= （水平） v
L H v u0
H t= （竖直） u0
vH u 0= L
又
Q v HB
B—池宽 H—有效水深
整理得：
QH Q Q q u0= HBL BL A
q —表面负荷率或溢流率，表示单位面
积上的产水量。 u0—可全部去除的最小颗粒的沉速。 二者数值相等，但意义不同。
水质工程学重点
水体富营养化是：指富含磷酸盐和某些形式的氮素的水在光照和其他环境条件适宜的情况下，水中的这些营养物质足以使水中的藻类过量生成随后的藻类死亡和随之而来的异样微生物代谢活动中水体中的溶解氧很可能被耗尽造成水体质量恶化和水生态环境结构破坏现象。
水体的自净作用指水体在流动中或随着时间的推移，水体中的污染物自然降低的现象。
混凝：是通过某种方法使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集的过程，是水和废水处理工艺中的一种单元操作，包括凝聚和絮凝。
凝聚：主要指胶体脱稳并生成微小聚集体的过程，絮凝：主要指脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的过程。
异相絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集同向絮凝：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。
絮凝设施：机械絮凝池，隔板絮凝池，折板絮凝池，网格絮凝池，穿孔旋流絮凝池负水头现象：当过滤进行到一段时间时，滤料表面由于被阻塞，使整个滤层的水损集中在滤池表面，在过滤后期滤层内部出现真空到某一深度处的滤层水头损失超过该深度处的水深，该深度处就出现负水头滤层的膨胀率：在滤层的反冲洗过程中，滤层因部分或全部悬浮于上升水流中而使滤层厚度增大的现象，滤层增厚的相对比率大阻力配水系统能定量地控制反冲洗水分布的均匀程度，工作比较可靠，但是水头损失较大，是一个缺点，常用的有穿孔管配水系统小阻力配水系统虽然分布水的均匀程度较差，但反冲洗时消耗的水头损失很小，为滤池实现反冲洗提供了便利条件，用于中小型设备，常用的有格栅，孔板，穿孔渠，滤头CT值：消毒剂的浓度与接触时间的乘积；GT值：速度梯度与絮凝时间的乘积交联度：交联剂在离子交换树脂内的重量百分含量。
离子交换树脂的含水率：在水中充分膨胀的湿树脂中所含水的百分数离子树脂交换容量：一定数量的离子交换树脂所具有的可交换离子的数量浓差极化：在浓度梯度作用下，溶质由膜表面向主体溶液反向扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致水的透过通量下降。
Stern模型：胶体颗粒表面电荷构成双电子内层，而在与胶体表面临近的一两个分子厚的区域内，反离子由于受到胶体表面电荷强烈的静电吸引而与胶体紧密吸附在一起，其余的离子则扩散地分布于stern层之外。
水质工程学课件：凝聚和絮凝
3.3 混凝剂
一.混凝剂 种类有不少于200－300种 其分类见表3-1
表3-1 常用混凝剂
硫酸铝
铝系
明矾 聚合氯化铝（PAC）
无
聚合硫酸铝（PAS）
机
三氯化铁
硫酸亚铁
铁系 硫酸铁（国内生产少）
聚合硫酸铁
聚合氯化铁
适宜pH：5.5~8
适宜pH：5~11， 但腐蚀性强
阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物
凝聚和絮凝
混凝(coagulation)的定义
混凝的去除对象 胶体及部分细小的悬浮物 粒径范围在1nm~0.1m（有时认为在1m）
混凝目的 投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾花。
混凝的定义 包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)两个步 骤,凝聚是指使胶体脱稳并生成微小聚集体的过程, 而絮凝是指使脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的 絮凝体的过程。
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。
(4)网捕或卷扫
吸附架桥作用模型示意图
胶粒
高分子
胶粒
高分子
图 63-54 架桥模型示意
胶粒 排斥
高分子 排斥
图 36-56 胶体保护示意
三.絮凝机理
异向絮凝（perikinetic flocculation） 由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。
滑动面
胶 核
电位：决定了胶体的聚集 稳定性。
一般粘土电位＝- 15~-40mV 细菌电位＝-30~-70mV
ζ
Ⅱ
Ⅰ
δd
图 3-1 胶体双电层结构示意
三.DLVO理论
排
斥
凝聚和絮凝
2、现场模拟法
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,但与实验室相比,更 接近实际情况,
3、特性参数法
1.混合的基本要求； 2.各种混合方式的特点和适用条件； 3.絮凝过程的基本要求； 4.絮凝设施的分类； 5.了解几种常用的絮凝池形式,
优点：水头损失小,可适应水量、水温、水 质的变化,混合效果好,
缺点：需要消耗电能,机械设备管理和维护 较为复杂,
适用于取水泵房靠近水厂处理构筑物场合,
二、絮凝设施
原水与药剂混合后,通过絮凝设备的外力作 用,使具有絮凝性能的微絮凝颗粒接触碰撞,形 成肉眼可见的大的密实絮凝体,从而实现沉淀 分离的目的,
由若干方格 一般不少于6格 组成,各格之间 的隔墙上沿池壁开孔,孔口上下交错布置,逐格增 大孔口尺寸,以降低流速,
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的 絮凝池组合应用,
具体见P55图4-25
5、网格 栅条 絮凝池
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3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、栅,
不规则运动,称为布朗运动,
三、胶体的结构 胶体粒子是胶团,包括胶粒和扩散层, 胶粒又包括胶核和吸附层,
四、胶体的稳定性 一 胶体稳定性概念 胶体稳定性,是指胶体颗粒在水中长期保持
分散悬浮状态的特性, 二 导致胶体稳定性的原因 1、动力学稳定性：无规则布朗运动强,对抗
水质工程学上册期末复习
混凝：是指通过某种方法使水中胶体粒子和微小悬浮物聚集的过程。
混凝包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物。
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。
混凝的原理：压缩双电层，吸附电中和作用，吸附架桥作用，网捕——卷扫作用。
压缩双电层：根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。
起聚沉作用的主要是反离子，反离子的价数越高，其聚沉效率也越高。
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。
压缩双电层：理论上电位=0，等电状态效果最好，实际上只需电位临近于0.吸附—电中和作用：这种现象在水处理中出现的较多。
指胶核表面直接吸附异号离子、异号高分子、异号胶粒等，来降低电位、减少静电斥力，有利于颗粒接近而互相吸附。
其特点是：当药剂投加过多时，电位可反号，此为“吸附—电性中和作用机理”。
铝系：适宜PH：5.5~8 铁系：适宜PH：5~11，但腐蚀性强。
铝盐作混凝剂时，运输方便，操作简单，混凝效果较好，但水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散，混凝效果变差。
铁盐作混凝剂时，其优点是易溶解，形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实，沉降速度快，处理低温、低浊水时效果优于硫酸铝，适用的PH值范围较宽，投加量比硫酸铝小。
铁盐形成的絮体比铝盐絮体密实，但腐蚀性强，有颜色。
机理：吸附电中和与吸附架桥协同作用。
铝盐和铁盐作为混凝剂在水处理过程中发挥以下三种作用：1.Al3+或Fe3+和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的脱稳凝聚作用2.高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用3.以氢氧化物沉淀形态存在时的网捕絮凝作用混凝动力学：异向絮凝：由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。
絮凝速率只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。
同向絮凝：由水力或机械搅拦产生。
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水质工程学1 XX大学 环境工程学院XX教研室水质工程学1第四章 凝聚与絮凝混凝机理02混凝剂的配置与投加06混凝动力学04胶体结构01影响因素05混凝剂与助凝剂03教学内容及要求1)理解胶体的结构及稳定性；2)掌握混凝机理以及混凝效果影响因素；3)掌握混凝剂种类及其选用原则；4)掌握混凝动力学原理；5)掌握混凝过程的特征及要求；6)理解混凝设施的类型及特点，掌握其设计计算方法。
7)了解混凝设施的运行与管理。
对象：水和废水中常常不能用自然沉降法除去的悬浮微粒和胶体污染物。
办法：1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体；2、再用重力沉降法予以分离。
混凝的定义：包括凝聚和絮凝两个步骤，凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。
混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。
水处理中主要杂质：◆粘土（50nm-4 μm）◆细菌（0.2μm-80μm）◆病毒（10nm-300nm）◆蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸4.1胶体的稳定性和胶体结构A:胶体的稳定性B:胶体的双电层结构C:DLVO理论4.1胶体的稳定性和胶体结构 A:胶体的稳定性（1）胶体在水中作布朗运动在水分子热运动的撞击下作不规则运动，即布朗运动。
这是胶体在水中保持稳定的因素之一。
（2）运动中的胶体带电荷电泳现象可以说明胶体微粒是带电的。
带正电的微粒：氢氧化铁、氢氧化铝等；带负电的微粒：碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。
同种胶体微粒带同号电荷，静电斥力相互作用，不易凝聚。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体稳定性分：“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。
1）动力学稳定性：是指胶体粒子的布朗运动对抗重力影响的能力。
胶体粒子的布朗运动足以抵抗重力影响，故而长悬，称动力学稳定。
为什么不聚集下沉呢？2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。
在布朗运动下有聚集顷向，但由于 ①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）3）两种稳定性间的关系：很显然，如果胶体粒子表面电荷或水化膜被消除，则失去聚集稳定性，从而可聚集成大颗粒，使动力学稳定性破坏，沉淀就会发生。
因此，在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构右图是胶体结构示意图。
电位离子层：在粒子的中心是胶核，它由数百乃至数千个分散相固体物质分子组成，在胶核表面,吸附了一层带同号电荷的离子。
反离子层：为维持胶体离子的电中性。
在电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同，而电性相反的离子。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构双电层结构：电位离子层与反离子层构成了胶体粒子的双电层结构。
电位离子层构成了双电层的内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层总电位的符号和大小。
反离子层构成了双电层的外层按其与胶核的紧密程度，反离子层又分为吸附层和扩散层反离子吸附层：紧靠电位离子，并随胶核一起运动，和电位离子层一起构成了胶体粒子的 固定层 。
反离子扩散层： 固定层 以外的那部分反离子。
它由于受电位离子的引力较小，因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度相等。
滑动面：吸附层与扩散层的交界面在胶体化学上称为滑动面。
4.1胶体的稳定性和胶体结构B:胶体的双电层结构胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒；胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶团，称为胶团；由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的；其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差；其电性与电位离子电性相同。
4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。
其结果必然使胶粒产生剩余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电荷数值，符号与电位离子相同），使 胶粒与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的电动电位，常称为ζ电位。
总电位或 ψ 电位：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差则称为总电位或 ψ 电位。
在总电位一定时，扩散层愈厚，ζ电位愈高，反之，扩散层愈薄，ζ电位愈低。
4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相凑近和接触碰撞，并在水分子的无规则撞击下做布朗运动，使胶粒长期稳定地分散于水中。
ζ电位的大小反映胶粒带电的多少，可以用来衡量胶体稳定性的大小。
ζ电位愈高，胶体的稳定性就愈高。
电位离子层反离子层双电层结构吸附层和扩散层滑动面胶粒胶团（胶体粒子）胶体的电动电位（ζ电位）总电位或 ψ 电位4.1胶体的稳定性和胶体结构 B:胶体的双电层结构ζ电位决定了胶体的聚集稳定性一般粘土ζ电位＝-15~-40mV细菌ζ电位＝-30~-70mVC: DLVO理论胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。
由下列两方面的力决定：静电斥力：E R －1/d2范德华引力：E A －1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。
4.1胶体的稳定性和胶体结构C: DLVO理论胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。
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＝0时称等电状态．此时排斥势能消失斥能峰Emax。
C: DLVO理论＝1.5kT，当其大胶体的布朗运动能量 Eb于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。
以上理论称为DLVO理论。
只适用于憎水性胶体，由德加根（Derjaguin）兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出〕，伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）。
4.1胶体的稳定性和胶体结构胶体的凝聚降低静电斥力――ζ电位↓――势垒↓――脱稳――凝聚办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体4.2混凝机理水的混凝现象比较复杂。
至今尚未有统一认识。
混凝包括：凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ）不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。
使胶体脱稳的机理可归结为以下四种。
(1)压缩双电层(2)吸附电中和作用(3)吸附架桥作用(4)网捕作用4.2混凝机理(1)压缩双电层根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。
电解质加入――与反离子同电荷离子↑――压缩双电层――ζ电位↓――稳定性↓――凝聚向水中投加电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。
这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低 ζ 电位，并使扩散层厚度缩小。
这种作用称为压缩双电层。
4.2混凝机理(1)压缩双电层ζ电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要ζ电位＝0，只要使Emax=0即可，此时的ζ电位称为临界电位。
示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。
4.2混凝机理(1)压缩双电层但该理论不能解释：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。
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静力，还来源于范得华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。
各种电解质离子压缩双电层的能力是不同的。
在浓度相等的条件下，电解质离子破坏胶体稳定的能力随离子价的增高而加大。
这种能力大致与离子价数的2～6方成比例。
实验表明，对同一胶体体系，要获得相同的压缩双电层效果时，用一价离子，浓度需25～150mmol／L，用二价离子浓度只要0.5~2mmol／L，而用三价离子则浓度可小到0.01~0.1mmol／L。
4.2混凝机理(2)吸附电中和作用吸附电中和作用是指胶粒表面对异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。
上图为吸附电中和的示意图左图表示高分子物质的带电部位与胶粒表面所带异号电荷的中和作用。
右图则表示小的带正号胶粒被带异号电荷的大胶粒表面所吸附。
4.2混凝机理吸附－电性中和作用与压缩双电层作用都可使胶体ζ电位降低，但两者作用性质并不相同，区别在于：压缩双电层是依靠溶液中反离子浓度增加而使胶体扩散层厚度减小，导致ζ电位降低，其总电位保持不变，且为纯静电作用，不可能使胶体电荷符号改变。
吸附－电性中和是异号反离子直接吸附在胶核表面，总电位会发生变化+、Al3+等）起作用，而吸附－电压缩双电层通常由简单离子（如Na+、Ca2性中和通常由高分子物质或高聚合离子起作用。
4.2混凝机理(3)吸附架桥作用如果投加的化学药剂是具有能吸附胶粒的链状高分子聚合物，或者两个同号胶粒吸附在同一个异号胶粒上，胶粒间就能连结，团聚成絮凝体而被除去，这就是吸附架桥作用。
吸附架桥4.2混凝机理(3)吸附架桥作用高分子絮凝剂投加后，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投加过多，会出现“胶体保护”现象。
胶体保护4.2混凝机理(3)吸附架桥作用注意事项：(a）高分子絮凝剂的分子量对絮凝效果有明显的影响。
分子量越大，架桥能力强，絮凝效果越好。
一般其聚合度约为1000－5000。
但不能过大，否则溶解困难。
(b）高分子絮凝剂的絮凝作用与其所带的基团有关。
一般良好的高分子絮凝剂都带有较多能吸附固体表面的基团，这些基团都是亲水性的。
(c）高分子絮凝剂的絮凝效果除了与其本性有关外还与操作条件有关。
一般以缓慢搅拌，混合均匀，较低的絮凝剂浓度和较慢地投药速度为佳。
如果搅拌速度过快，形成的絮体会被打碎，通过二次吸附而复稳。
4.2混凝机理(3)吸附架桥作用对于高分子物质，其混凝作用机理可分为两种情况：高分子物质为阳离子型时，吸附－电性中和作用和吸附架桥作用都有；高分子物质为阴离子型和非离子型时，则为吸附架桥作用。
4.2混凝机理(4)网捕卷扫作用向水中投加含金属离子的化学药剂后，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来，这称为网捕作用。
网捕卷扫4.2混凝机理硫酸铝的混凝机理硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。
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、氢氧化铝沉淀等。
各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关，4.2混凝机理硫酸铝的混凝机理v当PH＜3时，水中的铝以[A1(H 20)6)3+ 形态存在，即不发生水解反应。