混凝的原理

的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y）
(1) 铝总浓度为0.1mol/L ； （2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃
6.1.5 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，见图6-4。 （1）压缩双电层 加入电解质加入，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。 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。
6．2 混凝剂和助凝剂
6.2.1 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对 人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低 廉。 目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为 无机与有机两大系列，见表6-1。 与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适 用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝 体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； ④但三氯化铁腐蚀性较强。 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。
第六章 混 凝
6．1混凝机理.
6.1.1 基本概念 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。 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 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。
G

当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当 采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能 量，由下式决定：
pV gQh V QT
则采用水力絮凝池时，
(6-8)
G
gh T
(6-9)
△ Δ Δ Δ
τ Δ x·Δ y
Δ
△θ
Δ
扭 转 方 向
Δ
图 6-7 层流条件下颗粒碰撞示意
图 6-8 速度梯度计算图示
6．3
凝聚动力学
6.3.1 基本概念 混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动 力学范畴。 颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在 水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流 体运动。 异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集 称为异向絮凝。 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
胶粒 高分子 胶粒 排斥 胶粒
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
3．网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的 网捕与卷扫。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。
6.1.6 硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机 理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐 的投加量、pH、温度等。实际上，几种可 能同时存在。 pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电 层作用； pH=4~5 多核羟基络合物起吸附电性中 和； pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；
6.4 影响水混凝的主要因素
6.4.1 概述 影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：
①原水性质，包括水温、水化学特性、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。
6.4.2水温影响
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
6.1.2 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）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体） 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。胶体颗粒 的双电层结构见图6-1。 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。
铝系 无 机 铁系 硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯 （PEO） 两性型： 使用极少 适宜pH：5.5~8
6.5.2 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。
6.3.3 同向絮凝 1.层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。 颗粒的碰撞速率按下式计算：
4 2 3 N0 n d G 3
(6-3)
在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔 离体，x y z 见图6-8。设在时间 内，隔离体扭 t 转了 角度，于是角速度 为：
6.3.2 异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按下式计算：
(6-1) KT D 式中：DB： 布朗运动扩散系数， 3d T为温度， 为水的运动粘度，为水的密度； 因此： 8 (6-2) Np KTn 2 3
B
N p 8dDB n
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。
2.同向紊流理论 同向紊流理论： ①外部施加的能量形成大涡 旋；②大涡旋将能量输送给不涡旋；③小涡旋将 能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸 相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；
（6-10） u为相应于尺度的 式中，紊流扩散系数 D u， 脉动速度，为 1 u （6-11） 15 故 8 3 2 N0 d n （6-12）
6.4.4水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤 如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的 用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水 常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。
6．5
混凝剂的配制与投加
6.5.1 混凝剂的溶解和溶液配制 溶解池容积W1：
W1=（0.2~0.3）W2
（6-14）
式中W2为溶液池容积。
24 100aQ aQ W2 1000 1000cn 417cn
（6-15）
式中：W2——溶液池容积，m3 Q——处理的水量 m3/ h a——混凝剂最大投加量，mg/L c——溶液浓度，一般取5%~20% n——每日调制次数，一般不超过3次
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a
c
间距x
吸 引 势 能 EA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱEa
图 6-2
相互作用势能与颗粒距离关系
（a)双电层重叠； (b)势能变化曲线
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应
硫酸铝Al2（SO4）· 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，见图6-3
l 1 u G t t z z
(6-4)
转矩 J 为：
J xy z
于是单位体积水所耗功率p为：
p J xyz G G x y z xyz
p
(6-5)
(6-6) (6-7)
由于 G ，故
Φ （-） 负离子 滑动面 原有正离子 投加的正离子 Φ （-）
滑动面
滑动面
电位Φ
电位Φ
Ⅱ Ⅰ δ Ⅲ δ δ δ
Ⅰ δ
Ⅱ 距离 Ⅲ
（1）
距离
（2）
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： 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6-6；
100 1.0 1.4 80 13.32
100 1.0 1.3 80 1.4
A1(Ⅲ)（％）
60
A1(Ⅲ)（％）
60 1.2
40
40
20 1.1 6 PH 8 10
1,3 3.4 2.2 2 4
20
1.1
13.32
12
2 (3x-y)+
4
6 PH
8
10
12
图 6-3 在不同PH值下，铝离子水解产物[AL（OH） ]y x
滑动面
胶 核
の
Ⅱ
δ
ζ
d
图 6-1 胶体双电层结构示意