混凝单元及其强化处理方法

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胶体的基本性质
胶体的特性 胶体的结构 胶体的稳定与凝聚
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水中杂质分类
分散颗粒 颗粒尺寸 典型物质 溶液体系 溶解物 <0.1nm(毫微米) 无机离子、小分 子有机物等 真溶液（透明） 胶体颗粒 悬浮物 1～100(1000)nm >0.1(1)μm 细小粘土颗粒、高 粘土、粉砂、 分子有机物、腐殖 细菌等 酸、病毒、细菌等 胶体溶液（混浊）
使水产生混浊
胶体物质的颗粒能够产生光的散射（丁道尔现 胶体物质的颗粒能够产生光的散射（ ），因此含有胶体颗粒的水的透明度会下降 因此含有胶体颗粒的水的透明度会下降。 象），因此含有胶体颗粒的水的透明度会下降。
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胶体的特性
胶体颗粒表面带有电荷
相同种类的胶体带有相同的电荷。 相同种类的胶体带有相同的电荷。带负电 荷的胶体有：粘土颗粒、细菌等； 荷的胶体有：粘土颗粒、细菌等；带正电 荷的胶体有：氢氧化铝胶体、 荷的胶体有：氢氧化铝胶体、氢氧化铁胶 体等。 体等。
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内容
基本定义、作用 基本定义、 混凝过程的要素分析 混凝过程及混凝动力学 药剂与设备、 药剂与设备、构筑物 影响混凝效果的主要因素 强化混凝的技术措施
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混凝过程
在水处理中， 混凝” 在水处理中，“混凝”的工艺过程实际上分为 凝聚” 絮凝”两个过程， “凝聚”与“絮凝”两个过程，对应的工艺或设 备称为“混合” 反应” 备称为“混合”与“反应”。 “凝聚”是指投加混凝剂后使胶体脱稳并发生初 凝聚” 步凝聚的反应，属于化学过程。 步凝聚的反应，属于化学过程。 “絮凝”指的是细小絮体相互碰撞聚合长大的过 絮凝” 属于物理过程。 程，属于物理过程。 Coagulation，flocculation
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混凝动力学
对混凝过程的主要控制条件是搅拌强度与反应 时间，其主要参数为速度梯度和水力停留时间。 时间，其主要参数为速度梯度和水力停留时间。 对于在絮凝过程中已经长大的矾花絮体， 对于在絮凝过程中已经长大的矾花絮体，因颗 粒较大，布朗运动已经不起作用， 粒较大，布朗运动已经不起作用，颗粒将随着 水流运动。在这种运动中， 水流运动。在这种运动中，如果相邻水层间存 在着速度差， 在着速度差，则处于相邻水层中位置较后但速 度较快的颗粒就可以碰上另一水层中前面的颗 此种理论称为“同向絮凝”理论。 粒。此种理论称为“同向絮凝”理论。
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混凝动力学－参数范围 混凝动力学－
混凝过程的动力学控制参数如下： 混凝过程的动力学控制参数如下： 对于混合池： 对于混合池： G=500~1000 s-1 T＝10~30s, (<2 min) ＝ 对于絮凝反应池： 对于絮凝反应池： G=20~70 s-1 GT=104~105
1. G值间接代表了单位体积中单位时间内颗粒的碰撞次数， G值越大单位时间颗粒碰撞的次数越多。 2. GT值间接代表了在整个反应时间内颗粒碰撞的总次数。 28
1 6 1 6 1 1 [M ] : [M ] : [M ] = 1 : ( ) : ( ) = 1 : : 2 3 64 729
+ 2+ 3+
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压缩双电层
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吸附－电中和
吸 附 电 中 和
吸附架桥
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沉淀物的卷扫或网捕
铝盐铁盐产生的大量的氢氧化铝氢氧化铁沉淀物 能够直接网捕卷扫水中的胶体颗粒， 能够直接网捕卷扫水中的胶体颗粒，即水中胶体 颗粒直接吸附在已形成的大絮体上， 颗粒直接吸附在已形成的大絮体上，而不是从胶 体小颗粒相互凝聚长大。 体小颗粒相互凝聚长大。 在水的混凝处理中， 在水的混凝处理中，以上几种机理可能都会起作 只是各种机理所起作用的程度会有所不同， 用，只是各种机理所起作用的程度会有所不同， 与处理条件、工艺设备、混凝剂种类及投药量、 与处理条件、工艺设备、混凝剂种类及投药量、 源水浊度、水的pH值等有关。 pH值等有关 源水浊度、水的pH值等有关。
Al + 3H 2 O = Al(OH)3 ↓ +3H
2．缩聚反应
3+
+
2[Al(OH)(H2 O) 5 ]2+ = [Al2 (OH) 2 (H 2 O)8 ]4+ + 2H 2 O
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水的混凝机理与混凝过程
混凝机理： 混凝机理： 压缩双电层 吸附电中和 吸附架桥 沉淀物的卷扫或网捕
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压缩双电层
内容
基本定义、作用 基本定义、 混凝过程的要素分析 混凝过程及混凝动力学 药剂与设备、 药剂与设备、构筑物 影响混凝效果的主要因素 强化混凝的技术措施 混凝的其它问题和相应的 技术措施
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定义、 定义、作用
混凝指的是水中胶体粒子以及微小悬浮 混凝指的是水中胶体粒子以及微小悬浮 物的聚集过程。 物的聚集过程。 混凝是传统给水处理的基本单元之一。 混凝是传统给水处理的基本单元之一。 对于后续工艺的稳定运行起着重要的作 用。
-1
µ――水的动力粘度，Pa·s ――水的动力粘度 Pa· 水的动力粘度，
V――体积，m3 ――体积， ――体积
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混凝动力学－水力搅拌 混凝动力学－
G=
ρ gh µT
式中： 式中：
G――速度梯度，s-1 速度梯度 梯度， ρ――水的密度（约为 1000kg/m3） ――水的密度 水的密度（ h――流过水池的水头损失（m） 流过水池的水头损失（ ） µ――水的动力粘度，Pa·s ――水的动力粘度 Pa· 水的动力粘度， T――水力停留时间（s） 水力停留时间（ ） g――重力加速度（9.81m/s2） ――重力加速度 ――重力加速度（
硫酸铝产品分为固态与液态两种，常用固态。 化学式为 Al2(SO4)3 。硫酸铝产品分为固态与液态两种，常用固态。固态硫酸 个结晶水（ .18H ，产品（优等品、合格品） ，产品 铝通常含有 18 个结晶水（Al2 (SO4 )3 .18H2O） 产品（优等品、合格品）中 Al2 O3 的 间接表示） 含量不小于 15.6% 铝盐混凝剂中有效成分的含量用 Al2O3 间接表示） 不溶杂质的 （ ， 0.15%，产品等级差别主要是铁的含量。 含量不大于 0.15%，产品等级差别主要是铁的含量。液体产品中 Al2O3 的含量不小 7.8%。 硫酸铝产生的絮体不如铁盐产生的絮体密实， 较松散。 5.5～ 于 7.8%。 硫酸铝产生的絮体不如铁盐产生的絮体密实 ， 较松散 。 适宜 pH 值为 5.5～ 6.5～7.5。 因低温条件下水解速度慢， 对低温低浊水的处理效果较差。 8， 最佳范围 6.5～7.5。 因低温条件下水解速度慢， 对低温低浊水的处理效果较差。
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凝聚
在凝聚过程中， 在凝聚过程中，向水中加入的混凝剂发生了水 解和聚合反应， 解和聚合反应，产生带正电的水解与高价聚合 离子和带正电的氢氧化铝或氢氧化铁胶体， 离子和带正电的氢氧化铝或氢氧化铁胶体，它 们会对水中的胶体产生压缩双电层、 们会对水中的胶体产生压缩双电层、吸附电中 和的作用，使水中粘土胶体的电动电位下降， 和的作用，使水中粘土胶体的电动电位下降， 胶体脱稳，并开始生成细小的矾花（通常<5μ 胶体脱稳，并开始生成细小的矾花（通常<5μ m）。 凝聚过程要求对水进行快速搅拌， 凝聚过程要求对水进行快速搅拌，以使水解反 应迅速进行， 应迅速进行，并使反应产物与胶体颗粒充分接 凝聚过程需要的时间较短，一般在2 触。凝聚过程需要的时间较短，一般在2分钟 以内就可完成。 以内就可完成。在自来水厂中进行凝聚过程的 设备称为混合池或混合器。 设备称为混合池或混合器。
胶体的特性
颗粒尺寸很小
胶体颗粒的粒径很小，粒径大小在1～100nm 胶体颗粒的粒径很小，粒径大小在1 （也有认为上限为1000nm,即1µm的）。 也有认为上限为1000nm,即1µm的
稳定而不沉淀
因胶体颗粒的尺寸极小，在水分子的撞击下做不 因胶体颗粒的尺寸极小， 规则运动，即布朗运动， 规则运动，即布朗运动，即使在静止的水中也不 会产生沉淀。 会产生沉淀。
阳离子型 阴离子型 两性型 非离子型
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混凝剂
用于饮用水处理的混凝剂应混凝效果好，对人体健康无害，使用方便， 用于饮用水处理的混凝剂应混凝效果好，对人体健康无害，使用方便，价格 低廉。饮用水常用的混凝剂是铝盐、铁盐及其聚合物，主要有： 低廉。饮用水常用的混凝剂是铝盐、铁盐及其聚合物 ，主要有：
（1）硫酸铝 ）
内容
基本定义、作用 基本定义、 混凝过程的要素分析 混凝过程及混凝动力学 药剂与设备、 药剂与设备、构筑物 影响混凝效果的主要因素 强化混凝的技术措施 混凝的其它问题和相应的 技术措施
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混凝剂
按化学成分分类： 按化学成分分类：
无机盐类混凝剂 无机高分子混凝剂 有机高分子絮凝剂
按基团带电情况分类
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絮凝
絮凝是指细小矾花逐渐长大的物理过程。 絮凝是指细小矾花逐渐长大的物理过程。在 絮凝过程中，通过吸附电中和、吸附架桥、 絮凝过程中，通过吸附电中和、吸附架桥、 沉淀物的网捕等作用， 沉淀物的网捕等作用，细小的矾花相互碰撞 凝聚逐渐长大，最后可以长大到0.6 1mm， 0.6～ 凝聚逐渐长大，最后可以长大到0.6～1mm， 这些大矾花颗粒具有明显的沉速， 这些大矾花颗粒具有明显的沉速，在后续的 沉淀池中被有效去除。 沉淀池中被有效去除。 絮凝过程要求对水体的搅拌强度适当， 絮凝过程要求对水体的搅拌强度适当，并随 着矾花颗粒的长大搅拌强度从强到弱。 着矾花颗粒的长大搅拌强度从强到弱。絮凝 过程需要的时间较长，一般在10 30分钟 10- 分钟。 过程需要的时间较长，一般在10-30分钟。 在自来水厂中进行絮凝过程的设备称为反应 池，或絮凝反应池。 或絮凝反应池。
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胶体表面带电的原因
1）胶体颗粒表面对水中离子的选择性吸附
胶体颗粒的表面会优先吸附与其含有共同成分的离 子，如氢氧化铁胶体颗粒优先吸附水中的含铁的阳离子 使胶体颗粒带正电； 使胶体颗粒带正电；
2）胶体颗粒表面的溶解
如粘土（主要成分为二氧化硅） 如粘土（主要成分为二氧化硅）颗粒的表面部分溶 产生硅酸（ 解，产生硅酸（H2SiO3）,硅酸部分电离形成带负电的硅 酸根（ ），粘土颗粒吸附硅酸根使泥土颗粒带负 酸根（HSiO3-），粘土颗粒吸附硅酸根使泥土颗粒带负 电；
3）胶体颗粒表面分子的电离 ）
如细菌表面氨基酸中的氨基和羧基都会部分电离， 如细菌表面氨基酸中的氨基和羧基都会部分电离，但 因羧基的电离远多于氨基，从而使细菌的表面带负电。 因羧基的电离远多于氨基，从而使细菌的表面带负电。
9
胶 体 的 双 电 层 结 构
胶 体 的 稳 定 与 凝 聚
混凝剂
给水处理中常用的混凝剂是铝盐、 铁盐及其聚合物，主要有： 硫酸铝； 聚合氯化铝； 三氯化铁； 硫酸亚铁； 聚合硫酸铁；
生活饮用水
原水
地表水
混凝
沉淀
过滤
消毒
自来水
处理对象：水中的致病微生物 处理对象：水中的悬浮物和胶体杂质
常规给水处理流程
混凝要素分析
胶体粒子＋混凝剂水解产物胶体粒子＋混凝剂水解产物->矾花？
水中的胶体粒子(包括微小悬浮物) 水中的胶体粒子(包括微小悬浮物)的性质 混凝剂在水中的水解产物 混凝剂水解产物与胶体粒子相互作用形成 稳定的矾花
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混凝动力学－同向絮凝 混凝动力学－
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混凝动力学－机械搅拌 混凝动力学－
1000η1η 2 N G= µV
式中： 式中： G――速度梯度， s 速度梯度， N――电机功率，kW ――电机功率 ――电机功率， η1 ——搅拌设备机械效率，约为 0.75 ——搅拌设备机械效率 搅拌设备机械效率， η2 ——传动系统的效率，0.6～0.9 ——传动系统的效率 0.6～ 传动系统的效率，
向水中投加电解质时， 向水中投加电解质时，会使溶液中反离子 的浓度提高， 的浓度提高，更多的反离子扩散进入了吸 附层，从而降低了电动电位， 附层，从而降低了电动电位，减小了扩散 层的厚度，使胶体脱稳。 层的厚度，使胶体脱稳。 不同价数的离子压缩双电层的能力不同， 不同价数的离子压缩双电层的能力不同， 离子价数越高压缩双电层的能力越强。 离子价数越高压缩双电层的能力越强。使 胶体脱稳的不同价数离子的浓度之比大约 是：
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混凝剂在水中的反应(以铝盐为例) 混凝剂在水中的反应(以铝盐为例)
1．水解反应
[Al(H2 O) 6 ]3+ + H 2 O = [Al(OH)(H2 O)5 ]2+ + H 3O + [Al(OH)(H2 O)5 ]2+ + H 2 O = [Al(OH)2 (H 2 O) 4 ]+ + H 3O + [Al(OH)2 (H 2 O) 4 ]+ + H 2 O = Al(OH)3 (H 2 O)3 ↓ + H 3O +