第四章混凝动力学
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•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”。
•
8 NP KTn 2 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：
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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。
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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
• 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。
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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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，即可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。
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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。
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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+
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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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• 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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8 NP KTn 2 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：
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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。
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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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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
• 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。
G
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——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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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，即可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。
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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。
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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+
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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