第四章_混凝动力学
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六、混凝剂投加方式的影响 • 混凝剂的投加方式有干投和湿透两种。 硫酸铝以稀溶液形式投加更好，而三氯 化铁则以干投或浓溶液形式投加更好。 如果除投加混凝剂之外还投加助凝剂， 则各种药剂之间的投加先后顺序对混凝 效果也有很大影响。
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• ：
• 所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之 间的距离之比，以G表示。
•
u G Z
单位体积水流所耗功率P为
P G
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• 根据牛顿内摩擦定律：=G代入式 • …………………………….. p G • ——水的动力黏度 （pas) • p——单位体积流体所耗功率 （w/m3) • G——速度梯度 （S-1） • 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗； • PV=gQh………………………… • V=QT…………………………… (11) • 将和(11)代入得： gh G T ……………..（12） • • g——重力加速度（9.8m/s2) • h——混凝设备中的水头损失（m) • ——水的运动黏度（m2/s） • T——水流在混凝设备中的停留时间（s)
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• 扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示： •
KT ………………………………. DB 8d
• K——波兹曼常数,(1.3810-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将式代入式
•
8 NP KTn2 3
…………………………….
• 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。
• 二、同向絮凝
• 同向絮凝简称须凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.
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•
如图所示,当水流处于层流状态下的 流速分布, i和j颗粒均跟随水流前进.由 于 I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某 一 时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为 均 匀球体，di=dj=d ,则再以j颗粒中心 为 圆心，Rij为半径的范围内的所有i和 j 颗粒均会发生碰撞。 • 碰撞速率N0为： • 4 N 0 n 2 d 3G • ………………………….. 3 • . U G • ……………………………. Z • G——速度梯度(S-1) • u和u——分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s) • z——垂直与水流方向的两流层之间距离(cm) • n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中， 往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 • 中国环评网：
•
•
• •
有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 CVGT 或 aCVGT 值作为控制指标。
CV——水中颗粒体积浓度。 a——颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。 从理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但 具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继 续研究的目标。
七、水力条件的影响
•
水力条件对混凝效果的影响是显著的，此处所指 的水利条件包括水里强度和作用时间两方面的因素。 混合阶段要使投入的混凝剂迅速均匀地分散到原水中， 这样混凝剂能均匀地在水中水解聚合并使胶体颗粒托 文凝聚，快速混合要求有快速而剧烈的水力或机械搅 拌作用，而且短时间内完成，一般在几秒或一分钟内 完成，一般不超过2分钟。 • 絮凝反应阶段，要求已脱稳的胶体颗粒通过异向 絮凝和同向絮凝的方式逐渐增大成具有良好沉降性能 的絮凝体，因此絮凝反应阶段搅拌强度和水流速度应 随着絮凝体的增大而逐渐降低，避免已聚集的絮凝体 被打碎而影响混凝沉淀效果。同时，由于絮凝反应是 一个絮凝体逐渐增大的慢速过程，如果混凝反应后需 要絮凝体增长到足够大的颗粒尺寸通过沉淀去除，需 要保证一定的絮凝作用时间，如果混凝反应后是采用 中国环评网： http://www.eiacn.com 收集整理 气浮或直接过滤的工艺，则反应时间可以大大缩短。
1 2 4 6 7 3 1 8 高压水 6 5
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图 6-10 高位水箱溶液重力投加
1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱； 5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；
图 6-11 水射器投加
1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗； 4-水射器；5-压水管；6-高压水管
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四、水中有机污染物的影响
•
水中有机物对胶体有保护稳定作用， 即水中溶解性的有机物分子吸附在胶体 颗粒表面好像形成一有机涂层一样，将 胶体颗粒保护起来，阻碍胶体颗粒之间 的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的 脱稳凝集作用，因此，在有机物存在条 件下胶体颗粒比没有有机物时难以脱稳， 需要增加混凝剂投加量才能获得较好的 混凝效果。
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五、混凝剂种类与投加量的影响 • 由于不同种类的混凝剂其水解特性和 适用的水质情况不完全相同，因此应根 据原水水质情况优化选用适当的混凝剂 种类。对于无机盐类混凝剂，要求形成 能有效压缩双电层或产生强烈点中和作 用的形态，对于有机高分子絮凝剂，则 要求有适量的官能团和聚合结构，较大 的分子量。
• •
•
AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4 2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
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三、水中悬浮物浓度的影响 • 因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能 对混凝发生影响，由于 AL2(SO4)3 的水解产物都带 正电核，所以天然水中 Ca++ 、Mg++ 对混凝有利， 而水中某些阴离子如 CL-，对混凝产生不利影响， 不过，这些方面还有许多问题有待研究。 • 粘土杂质，不同的水源粒经大小和级配、化学 组成、带电性能和吸附性能等，各不相同，因而即 使浊度相同，混凝性能也未必一样。一般而言，粒 经细小而均一者，混凝效果较差，粒经不同者于混 凝有利。颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加 粘土或其它混凝剂可提高混凝效果。 • 中国环评网：
•
中国环评网： 三价铁盐混凝剂适应的PH值范围较宽，最优PH http://www.eiacn.com 收集整理 值大约在6.08.4之间。
•
从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然 导致水的 PH 值的下降，天然水中含有一定的碱度。
•
• •
HCO3- + H+ CO2 + H2O
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4.2影响混凝的因素
• 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体 上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所 处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、 水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等， 另一类是主观因素，即Leabharlann Baidu以通过人为改变的一些 混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件 等。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
• • • •
Np=8dDBn2…………………..
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d——颗粒直径；（cm) DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
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• 一、水温
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重 量和强度，提高沉速。
4.3混凝剂的配制和投加
• 4.3.1混凝剂的配制 • 混凝剂的溶解 和溶液的配制
• 大中型水厂通常建造 混凝土溶解池并配置搅拌 装置，搅拌的目的在于加 速药剂溶解。搅拌装置有： 机械搅拌、压缩空气搅拌、 水泵搅拌、水力搅拌等。 中小型水厂，常用自然
•
浸溶，压力水经穿孔管淋溶或冲溶。 中国环评网：
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4.3.2 混凝剂投加
混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必 要的水封箱以及注入设备等。。 1.计量设备 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。 2.投加方式 （1）泵前投加 ：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者， 图中水封箱是为防止空气进入，见图6-9。。 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安 全可靠，但溶液池位置较高，见图6-10。 （3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度不会受 太大限制，但效率低，易磨损，见图6-11。 （4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统， 有利于药剂与水混合，见图6-12。
当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓 冲作用，水的 PH 值略有降低，对混凝效果不会有大的影响。 当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度以不足已中和水解产 生的酸时，水的PH将大幅度下降，以至将至最优混凝条件以下。这时便 不能获得良好的混凝效果，为了保持水的 PH 值在混凝过程中始终处于 最优范围内须向水中投加碱剂，既对水进行碱化。一般投加 CaO.
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图 6-9 泵前投加
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；
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• 二、水的pH值和碱度
• 水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑 浊水，投硫酸铝的最佳PH范围为6.57.5。 • 我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产 生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2 。 • H+ + HCO3- = CO2 + H2O 这使水中碳酸平衡 发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样 受PH值的控制，(FeCL36H2O) • Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+
•第四章 混凝动力学
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• 4.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
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• 三、混凝控制指标
• 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度 快速剧烈，通常在1030 S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速 度梯度计，一般G=7001000 S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮拧阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。 通常以G值和GT作为控制指标。G=2070 S-1 范围内，GT=1×104 1×105 范围内。
六、混凝剂投加方式的影响 • 混凝剂的投加方式有干投和湿透两种。 硫酸铝以稀溶液形式投加更好，而三氯 化铁则以干投或浓溶液形式投加更好。 如果除投加混凝剂之外还投加助凝剂， 则各种药剂之间的投加先后顺序对混凝 效果也有很大影响。
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• 所谓的速度梯度，就是指两相邻水层的水流速度差和它们之 间的距离之比，以G表示。
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单位体积水流所耗功率P为
P G
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• 根据牛顿内摩擦定律：=G代入式 • …………………………….. p G • ——水的动力黏度 （pas) • p——单位体积流体所耗功率 （w/m3) • G——速度梯度 （S-1） • 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗； • PV=gQh………………………… • V=QT…………………………… (11) • 将和(11)代入得： gh G T ……………..（12） • • g——重力加速度（9.8m/s2) • h——混凝设备中的水头损失（m) • ——水的运动黏度（m2/s） • T——水流在混凝设备中的停留时间（s)
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• 扩散系数DB可用斯笃克斯—曼因斯坦公式表示： •
KT ………………………………. DB 8d
• K——波兹曼常数,(1.3810-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将式代入式
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8 NP KTn2 3
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• 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。
• 二、同向絮凝
• 同向絮凝简称须凝,它在整个混凝过程中占有十分重要的地位.
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如图所示,当水流处于层流状态下的 流速分布, i和j颗粒均跟随水流前进.由 于 I颗粒当前进速度大于j颗粒，则在某 一 时刻，i与j必将碰撞。设水中颗粒为 均 匀球体，di=dj=d ,则再以j颗粒中心 为 圆心，Rij为半径的范围内的所有i和 j 颗粒均会发生碰撞。 • 碰撞速率N0为： • 4 N 0 n 2 d 3G • ………………………….. 3 • . U G • ……………………………. Z • G——速度梯度(S-1) • u和u——分别为流速和相邻两流层的流速增量(cm/s) • z——垂直与水流方向的两流层之间距离(cm) • n和d为原水杂质特性，而G是控制混凝效果的水力条件。故在混凝设备中， 往往以速度梯度G值作为重要的控制参数之一。 • 中国环评网：
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有人将颗粒浓度及脱稳程度等因素考虑进去，提出以 CVGT 或 aCVGT 值作为控制指标。
CV——水中颗粒体积浓度。 a——颗粒有效碰撞系数。 如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。 从理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但 具体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继 续研究的目标。
七、水力条件的影响
•
水力条件对混凝效果的影响是显著的，此处所指 的水利条件包括水里强度和作用时间两方面的因素。 混合阶段要使投入的混凝剂迅速均匀地分散到原水中， 这样混凝剂能均匀地在水中水解聚合并使胶体颗粒托 文凝聚，快速混合要求有快速而剧烈的水力或机械搅 拌作用，而且短时间内完成，一般在几秒或一分钟内 完成，一般不超过2分钟。 • 絮凝反应阶段，要求已脱稳的胶体颗粒通过异向 絮凝和同向絮凝的方式逐渐增大成具有良好沉降性能 的絮凝体，因此絮凝反应阶段搅拌强度和水流速度应 随着絮凝体的增大而逐渐降低，避免已聚集的絮凝体 被打碎而影响混凝沉淀效果。同时，由于絮凝反应是 一个絮凝体逐渐增大的慢速过程，如果混凝反应后需 要絮凝体增长到足够大的颗粒尺寸通过沉淀去除，需 要保证一定的絮凝作用时间，如果混凝反应后是采用 中国环评网： http://www.eiacn.com 收集整理 气浮或直接过滤的工艺，则反应时间可以大大缩短。
1 2 4 6 7 3 1 8 高压水 6 5
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图 6-10 高位水箱溶液重力投加
1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱； 5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；
图 6-11 水射器投加
1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗； 4-水射器；5-压水管；6-高压水管
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四、水中有机污染物的影响
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水中有机物对胶体有保护稳定作用， 即水中溶解性的有机物分子吸附在胶体 颗粒表面好像形成一有机涂层一样，将 胶体颗粒保护起来，阻碍胶体颗粒之间 的碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的 脱稳凝集作用，因此，在有机物存在条 件下胶体颗粒比没有有机物时难以脱稳， 需要增加混凝剂投加量才能获得较好的 混凝效果。
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五、混凝剂种类与投加量的影响 • 由于不同种类的混凝剂其水解特性和 适用的水质情况不完全相同，因此应根 据原水水质情况优化选用适当的混凝剂 种类。对于无机盐类混凝剂，要求形成 能有效压缩双电层或产生强烈点中和作 用的形态，对于有机高分子絮凝剂，则 要求有适量的官能团和聚合结构，较大 的分子量。
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AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4 2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
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三、水中悬浮物浓度的影响 • 因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能 对混凝发生影响，由于 AL2(SO4)3 的水解产物都带 正电核，所以天然水中 Ca++ 、Mg++ 对混凝有利， 而水中某些阴离子如 CL-，对混凝产生不利影响， 不过，这些方面还有许多问题有待研究。 • 粘土杂质，不同的水源粒经大小和级配、化学 组成、带电性能和吸附性能等，各不相同，因而即 使浊度相同，混凝性能也未必一样。一般而言，粒 经细小而均一者，混凝效果较差，粒经不同者于混 凝有利。颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加 粘土或其它混凝剂可提高混凝效果。 • 中国环评网：
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中国环评网： 三价铁盐混凝剂适应的PH值范围较宽，最优PH http://www.eiacn.com 收集整理 值大约在6.08.4之间。
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从铝盐和铁盐水解反应式可以看出，水解过程中不断产生的H+必然 导致水的 PH 值的下降，天然水中含有一定的碱度。
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HCO3- + H+ CO2 + H2O
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4.2影响混凝的因素
• 影响混凝效果的因素较多也很复杂，但总体 上可以分为两类，一类是客观因素，主要是指所 处理对象即原水所具有的一些特性因素如水温、 水的pH值、水中各种化学成分的含量及性质等， 另一类是主观因素，即Leabharlann Baidu以通过人为改变的一些 混凝条件如混凝剂的种类及投加方式、水利条件 等。
• 一、异向絮凝
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假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
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Np=8dDBn2…………………..
Np_——单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n——颗粒数量浓度；（个/ cm3 ） d——颗粒直径；（cm) DB_——布朗运动扩散系数;(cm2/s)
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• 一、水温
• 水温低时 • 1. 混凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重 量和强度，提高沉速。
4.3混凝剂的配制和投加
• 4.3.1混凝剂的配制 • 混凝剂的溶解 和溶液的配制
• 大中型水厂通常建造 混凝土溶解池并配置搅拌 装置，搅拌的目的在于加 速药剂溶解。搅拌装置有： 机械搅拌、压缩空气搅拌、 水泵搅拌、水力搅拌等。 中小型水厂，常用自然
•
浸溶，压力水经穿孔管淋溶或冲溶。 中国环评网：
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4.3.2 混凝剂投加
混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必 要的水封箱以及注入设备等。。 1.计量设备 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。 2.投加方式 （1）泵前投加 ：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者， 图中水封箱是为防止空气进入，见图6-9。。 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安 全可靠，但溶液池位置较高，见图6-10。 （3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度不会受 太大限制，但效率低，易磨损，见图6-11。 （4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统， 有利于药剂与水混合，见图6-12。
当投药量较少，原水的碱度又较大时，由于水中的碳酸化合物的缓 冲作用，水的 PH 值略有降低，对混凝效果不会有大的影响。 当投药量较大，原水的碱度小时，水中的碱度以不足已中和水解产 生的酸时，水的PH将大幅度下降，以至将至最优混凝条件以下。这时便 不能获得良好的混凝效果，为了保持水的 PH 值在混凝过程中始终处于 最优范围内须向水中投加碱剂，既对水进行碱化。一般投加 CaO.
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图 6-9 泵前投加
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；
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• 二、水的pH值和碱度
• 水的PH对混凝效果影响很大，对一般的浑 浊水，投硫酸铝的最佳PH范围为6.57.5。 • 我们知道，AL2(SO4)3在水解过程中要产 生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2 。 • H+ + HCO3- = CO2 + H2O 这使水中碳酸平衡 发生变化,PH相应地降低.三价铁盐水解反应同样 受PH值的控制，(FeCL36H2O) • Fe3+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)2+ + H+ • Fe(OH)2+ + H2O Fe(OH)3 + H+
•第四章 混凝动力学
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• 4.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
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• 三、混凝控制指标
• 在混合阶段，水中杂质颗粒微小，异向凝聚占主导地位，混合速度 快速剧烈，通常在1030 S，最多不超过2分钟既告完成。搅拌强度按速 度梯度计，一般G=7001000 S-1之内。在此阶段形成的颗粒较小。 在絮拧阶段，属同向絮凝，不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。 通常以G值和GT作为控制指标。G=2070 S-1 范围内，GT=1×104 1×105 范围内。