混凝机理

• 氧化剂 • 改善絮凝体结构的高分子助凝剂
§2.3 混凝动力学
水中颗粒相互碰撞的动力：
9 布朗运动
9 流体的运动
1. 异向絮凝（Perikinetic Flocculation)
由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。
凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。
−
dn dt
=
kpn2
k p = 8πα p Dbd
2、隔板絮凝池设计计算
• 流速：从大到小逐渐变 化，起端0.5 ~0.6 m/s， 末 端0.2~0.3 m/s。
• 絮凝时间：T=20~30分钟。
• 隔板间距： b不小于0.5~0.6m, a=(1.2~1.5) b, 池底应有i=0.02~0.03,
设不小于150mm排泥管。
•
隔板反应池设计计算（续）
第2章 混凝
2.1 混凝机理 2.2 混凝剂和助凝剂 2.3 混凝动力学 2.4 影响混凝的主要因素 2.5 混凝剂的配置和投加 2.6 混合和絮凝设备
2.1 混凝机理
• 什么是混凝？
– 水中胶体的聚集过程 凝聚coagulation
混凝 絮凝flocculation
• 混凝过程与哪些因素有关？
– 水中胶体颗粒的稳定性 – 胶体粒子与混凝剂的相互作用 – 混凝剂的水解产物
设计要求
• 间距应根据水流速度的大小而改变，隔板之间的流速通常 也分段设计，分段数一般不少于3段。
• 各段流速分别为：第一段 0.25~0.35m/s；第二段0.15~0.25 m/s；第三段0.10~0.15 m/s。
• 折板的夹角采用 90°~120°，折板可采用钢丝网水泥或塑 料板等拼装而成，波高一般采用0.25~0.4m。
• 混凝剂的溶解 • 常用搅拌方式： • 机械搅拌、 • 压缩空气搅拌、 • 水泵搅拌、 • 水力搅拌等。
• 溶液池
•
溶解溶液池
溶解池及溶液池体积
• 溶液池容积计算 ：
W1
=
24aQ 1000⋅1000
⋅
1 b
⋅ 1 = 24×100aQ = aQ (M 3) n 1000×1000bn 4176bn
∑ p =
n 1
C D ρ lω
8
3
(
r
4 2
−
r14 )
• 式中：P—浆板所耗总功率，W;
•
r2—浆板外缘旋转半径，m;
•
CD—阻力系数，
•
ω—相对于水的旋转角速度；
• 3.每个旋转轴所需电动机功率
n—同一旋转半径上浆板数；
r1—浆板内缘旋转半径，m; ρ—水的密度，
• N=
P
式中：N—电动机功率
q——流量； w——孔口面积； μ——孔口的流量系数； g——重力加速度； h——孔口前作用水头。
3.转子流量计计量
• 2.水射器投加 • 3.水泵前投加
• 干投法
• 把固体药剂（通常系硫酸铝）破碎成粉末后进行定量头加。
• 优点：c设备占地小；
•
d易调节排渣容易。
• 缺点：c投药量不太准确，特别是用药量少时
由水力或机械搅拌产生。 (1)两球形颗粒的相互碰撞（基于层流假定）
du = Δu dz zij
速度梯度，两相邻水层的水流速 度差和它们之间的距离之比
N0
=
4 3
n 2d 3G
G = du dz
思考下列因素对颗粒碰撞速率的影响
¾ 直径 ¾ 搅拌开始时有较大的颗粒存在 ¾ 颗粒浓度 ¾ 搅拌强度
(2)G值公式推导
絮凝池时，P应为水流本身能量消耗；
• PV=ρgQh V=QT
• 则： •
G = gh
γT
思考 ： 同向絮凝影响因素主要有哪些？
3、絮凝动力学方程
N0 = 8πα p Dbdn2
Db = λ ⋅ uλ
uλ =
1 15
ε ⋅λ γ
当涡旋尺度λ与颗粒粒径d相等 ，也即λ=d时，
N0
=
8πα p
15
ε d 3n2 γ
4、絮凝速率
• 絮体体积
φ = π d 3n
6
• 带入ຫໍສະໝຸດ Baidu体碰撞速 率公式可得：
N0
=
4 3
n 2d 3G
=
8
π
G φn
• 絮凝速率为：
dn dt
=
−
1 2
N0
=
−
4
π
G φn
思考 ：
1、絮凝速率与哪些因素有关？
2、如何根据絮凝速率表达式推求不同类型反应器的停留时
间？
5、混凝控制指标（1）
• （1）G值和GT值 • （2）体积浓度与能耗
• 总容积：W=QT/60
• 每池平面面积：F=W/nH1+f • 池长：L=F/B
• 隔板间距：an=Q/3600nvnH1
• 水头损失
hn
= ξm
u it 2 2g
+
ui2 Ci2 Ri
l i
• 总水头损失：H=∑hn • 平均速度梯度： G =
γh 60 μ T
隔板反应池优缺点及适用条件
优点：
同波折板絮凝池与异波折板絮凝池
• 按水流通过折板的间隙数，又分为“单通道”和“多通道”。
• 多通道折板絮凝池
优缺点
• 优点：
•
1.无论是同波还是异波折板间水流流动连续不断，可行成众多小旋
涡，提高了颗粒碰撞絮凝效果。
•
2.在折板的每个转角处，两折板之间的空间可视为CSTR完全混合连
续反应器，众多连续反应器串联起来就接近或相当于推流型（PF型）反
• •
1000⋅η ⋅η η1—搅拌设备总机械效率(一般取0.75）; 1 2 η2—传动效率，可采用0.6~0.95。
• 注意：浆板线速度是以池子为固定参照物，相对线速度为浆板相对水
流运动线速度，其值为旋转线速度0.5 ~0.75倍。只有浆板刚启动时，两 者才相等，因此浆板受的阻力最大，所以在选用电机时，应考虑启动功 率这一因素。但计算运转功率获速度梯度G值，应按全部浆板所耗功率 （P公式），或以旋转线速度乘以0.50. ~ 75倍代入。
• 双电层 • Zeta电位 • 等电状态 • 电荷反转 • 再稳
3）DLVO理论
2胶0世体纪粒4子0年之代间由因原为苏范联德科华学作 家用D而er相ya互gu吸in、引L，a又nd因au为和粒荷子兰周科围 学的家双V电er层we的y与交O联ve而rb产ee生k建排立斥的作关用 于。憎胶水体胶的体稳稳定定性性取的决定于量这理两论种。相
G = Δu ΔZ
Δω = Δθ = Δx ⋅ 1 = Δu = G
Δt Δt Δz Δz
P
=
ΔJ
⋅
Δω
=
(τ
⋅
Δx
⋅ Δy) ⋅
Δz
Δu Δz
=
τ
⋅
Δx ⋅
Δy
⋅
Δz
⋅G
=τG
ΔV
Δχ ⋅⋅Δy⋅Δz
Δx ⋅ Δy ⋅ Δz
τ = μ Δu = μG
ΔZ
P = μG 2
G=
p
μ
甘布公式
• 当用机械搅拌时，P由机械搅拌器提供，当采用水力
• 水头损失主要集 中在进水喷嘴上：
h
•
=
1
μ2
⋅
u2 2g
μ—喷嘴流量系数（0.9~0.95）
•
u—喷嘴流速，m/s.
•
效果不理想，由于水的短流现象比较严重，射流持续
互对抗的作用能量的相对大小。
思考：如何降低胶体颗 粒的稳定性？
降低Zeta电位，使Emax=0 此时的Zeta电位称为临界 电位
排斥能峰
E R = B ' / x 12
E A = − A' / x6 E = ER + EA
2.1.2 混凝机理
（1）电性中和
压缩双电层
吸附—电中和
（2）吸附架桥
胶体保护
（特别是用药量少时）
•
d块状药剂须进行破碎时，需增设破碎机
（3）混凝剂投加的自动控制
• 数学模型法 • 现场模拟试验法 • 特性参数法
– 流动电流法 – 透光率脉动分析法
2.6 反应池设计计算
1、设计要点 • 流速由大到小 • 注意G值及GT值 • 一般与沉淀池合建，如需分建，需注意
防止絮体打碎 • 低浊水可考虑部分泥渣回流
• 浆板：总面积为水流截面积的10%~20%，不宜超过25%，以免 池水随浆板共同旋转减弱搅拌效果，浆板长度不大于叶轮直 径的 75 %，宽度为10~30 cm，
• 叶轮旋转线速度：按叶轮半径中心点的线速度计算（相当于 池中 水流的平均速度）
•
第一格0.5~0.6 m/s ,以后逐渐递减，最末一格采用0.1~ 0.2
m/s 。
• 絮凝时间：一般采用15~ 20分钟。
搅拌设备的计算
• 1. 搅拌叶轮转数
n = 60 v
πDo
• n—叶轮转数，转/分；
• v—叶轮半径中心点线速 度，m/s;
• D0—叶轮半径中心点旋
转
直径，M（其值与叶轮
半
径相等）
• 2.浆板旋转时，克服水的阻力所耗功率
• 浆板旋转时，水对浆板的阻力，也即浆板施于水的推力， 在dA面积上水流的阻力可用因次分析方法求得如下的表达式： (见p279)
• 三价铁盐混凝剂适应的PH值范围较宽，最优PH值大 约在6.0~8.4之间。
• 高分子混凝剂混凝效果受pH值影响较小
• 当原水碱度不足或混凝剂投量过高时，应投加石灰 调节碱度
3、水中悬浮物浓度的影响
•
•
粘土杂质
• 悬浮物浓度
• 悬浮有机物
• 混凝剂投加量与水中悬浮物的关系
§2-5混凝剂的配制和投加
• 见（P280例题）
机械絮凝池优缺点
优点：
• 絮凝效果好； • 易调节、受水质变化的影响小； • 水头损失小。
缺点：
• 需设置机电设备； • 维修管理较复杂。
5 其他形式反应池
（1）旋流絮凝池
• 一般喷嘴出口： u=2~3m/s.
• 池子出水口： u=0.15~0.20m/s. 逆水流方向出水。
AL2(SO4)318H2O 明矾 AL2(SO4)3 • K2SO4 •24H2O 2）铁系 FeCL3 • 6H2O FeSO4 • 7H2O
（2）高分子混凝剂
• 无机高分子混凝剂 聚合氯化铝 [AL2(OH)nCL6~n]m 碱式氯化铝 ALn(OH)mCL3n~m，
• 有机高分子混凝剂
§2-4 影响混凝的因素
1、水温对混凝的影响
• 水的粘度 • 胶体水化作用 • 混凝剂水解 • pH值变化
克服水温低效果差的措施：
• 增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 投加助凝剂或粘土以增加絮体重量和强度，提高沉
速。
2、pH值和碱度的影响
• 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6.5~7.5。
聚丙烯酰胺 PAM
2.2.2 助凝剂
(1) 什么是助凝剂
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。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。
(2) 分类 • 调整混凝过程的PH值
当原水碱度不足而使混凝剂水解困难时，可投加碱剂，通用的是石 灰，以提高水的PH值。
Db
=
κT 6πμd
Einstein-Stokes公式
积分得
− dn = 4α pκT n2 dt 3μ
1 − 1 = 4α pκT t n n0 3μ
t1/ 2
=
3μ 4α pκTn 0
碰撞速率的影响因数：
9水温 9颗粒的数量浓度
当颗粒的粒径大于1μm，布朗运动消失。
2. 同向絮凝 Orthokinetic Flocculation
（3）卷扫网捕 （4）差异沉降
吸附架桥（随机絮体） 再稳
2.1.3 硫酸铝在水中的化学反应
（1）硫酸铝的水解 特征 （2）不同pH值条件下硫酸铝的混凝机理
2.2 混凝剂和助凝剂
2.2.1 混凝剂
水质净化对混凝剂的基本要求：
混凝效果好； 对人体健康无害；使用方便；货源充足，价格低廉。
混凝剂的种类： （1）无机盐类混凝剂 1）铝系
• 适用于大型水厂，因为 Q 小 b 小，不便于施工和维护； • 构造简单、管理方便、效果较好，回转式比往复式效果好，
水头损失小 30-40%。
缺点：
• 絮凝时间长，容积较大，水头损失较大； • 流量变化大时，效果受影响。 • 适合大中小型水厂的有竖流式隔板絮凝池。
3 折板絮凝池设计计算
分类：
• 同波折板 • 异波折板 • 平波折板
2.1.1 水中胶体的稳定性
（1）胶体的稳定性是如何形成的？
• 胶体颗粒的布朗运动——动力学稳定 • 胶体颗粒间的静电斥力——聚集稳定
（憎水胶体）
• 胶体颗粒表面的水化作用——水化作用稳定 （亲 水胶体）
（2）胶体表面的电荷
1）为什么胶体表面带有电荷？
• 吸附作用
• 水解作用
2）胶体表面的双电层
100
• 溶液池一般设二个，一用一备。
• 溶解池溶积计算：
•
W2=（0.2~0.3）W1（M3）
2.5.2 混凝剂的投加
对投药设备的基本要求：
• 投量准确、易调节。 • 设备简单、工作可靠、操作方便。
• （1）计量设备 • 1.孔口计量
• • • • •
•
• •
• 2.浮杯计量
q = μ w 2 gh
应器。所以折板絮凝池接近推流型。
•
3.与隔板絮凝池相比，水流条件大大地改善，在总的水流能量消耗
中，有效能量消耗比例提高。所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小。
• 缺点：
•
1.因板距小，安装维修较困难；
•
2.折板费用较高，一般常用于中小型水厂。
•
采用波纹板缺点就更突出。
4 机械絮凝池设计计算
常用设计参数