絮凝 - 学生版
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不超过1度 （《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006） 2.美国（1998年）每月95%不大于0.3NTU， 任何时 候小于1NTU。
意义 1.感观学
2.毒理学：污染物吸附（有机微污染物、重 金属等） 3.微生物学：包埋病原微生物，抵御消毒剂
13
胶体（Colloid）性质
光学性质：散射可见光 力学性质：布朗运动 电学性质：电泳 浓度测定 动力学稳定 聚集稳定 表面电荷测定
•非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）
聚氧化乙烯（PEO）
•两性型 天然： •淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 •微生物絮凝剂
41
助凝剂
酸碱类：如石灰、硫酸等 加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸 （SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂，
石英砂，硅藻土等
氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机
物。如投加高锰酸钾、Cl2、O3等
水溶液
絮体 胶体颗粒 26
4.卷扫絮凝（sweep floc）：金属盐，如硫酸铝、
思考
The city of Hong Kong has a dual water-supply system that provides freshwater for drinking and bathing, and salt water for flushing toilets. At the Hong Kong wastewater treatment plant, as in most other wastewater treatment plants, wastewater is passed through a primary clarifier to settle out suspended solids. The Hong Kong plant achieves greater removal in their primary clarifier than most plants elsewhere in the world. Why?
表面性质：比表面大、表面带电
胶体浓度测量：散射比浊法、分光光度法和目视 比浊法等。 浊度单位：常用NTU（Nephelometric Turbidity Units ） 14
胶体分类
原则：根据与溶剂的亲和性
憎水性胶体（ Hydrophobic ）：水分子不直接接 触胶核。表面常带负电，静电排斥稳定；热力 学不稳定。
硫酸铝混凝区域图
卷扫絮凝 再 稳
硫酸铝 pH5.5~7.7 聚合铝
吸附卷扫联合 pH4.5~9.5
吸附脱稳
34
氯化铁混凝区域图
pH4~9
35
pH和碱度对混凝影响
胶体表面电荷：等电点 NOM表面官能团电离：中性偏酸性去除 混凝剂形态：水解消耗碱度
絮体表面电荷
混凝剂溶解度
36
NOM对混凝影响
42
烧杯试Βιβλιοθήκη Baidu（Jar test）
混凝类型与剂量 pH（碱度）
43
例题：硫酸铝混凝某原水
1.确定最适pH。固定投加量
2.确定混凝剂投量。固定pH
44
混凝动力学
碰撞是混凝的首要条件
一、异向絮凝 (perikinetic flocculation) 二、同向絮凝(orthokinetic flocculation) 由水力搅拌或机械搅拌造成的碰撞。 三、差降絮凝(differential settling)
NOM比无机胶 体颗粒需中和 更多电荷
37
优化混凝
混凝剂筛选、剂量、pH 强化混凝 优化混凝剂及混凝条件以达到
最大TOC去除，相应降低消毒副产物。 优化混凝
整体评价，优化混凝剂及过程，
包括： TOC去除、浊度去除、过滤性能、残
留金属浓度和操作费用等。
38
常用混凝剂
一、无机混凝剂
铁盐形成的絮体比 铝盐絮体密实，但 腐蚀性强，有颜色。
流 电 位
ζ电位压缩 电荷逆转 颗粒再稳
余 浊
栾兆坤、汤鸿霄 投加量
23
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
3.吸附架桥：聚合物、金属盐等吸附在胶体上， 除中和电荷外（凝聚），还能与其他胶体颗粒吸 附（絮凝）。可发生同电号吸附。
24
过量投加对胶体起保护作用
25
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
氯化铁，投加量足够多时，超过其溶解度，形 成氢氧化或碳酸盐沉淀，进而网捕水中的胶体 颗粒。
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
2.吸附电中和：投加混凝剂反离子在胶体表面 有专属亲和力，降低胶体的初始电荷。 特性：
低投加量脱稳。优于压缩双电层。 脱稳与离子的吸附性有关。大离子由于不易水化， 易于吸附，聚合分子易于吸附。 投加过量，电荷逆转。
优化混凝与胶体浓度剂量相关性。
22
例：硫酸铝和PACl混凝高岭土
《水处理工程》 凝聚与絮凝
(Coagulation and Flocculation)
参考书目
张晓健，黄霞 。《水与废水物化处理的原理与工
艺 》。北京，清华大学出版社，2011年。
许保玖，龙腾锐。《当代给水与废水处理原理》。
北京，高等教育出版社，2000年。
［美］梅特卡夫和埃迪。《废水工程处理及回用》
由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。 颗粒的碰撞速率 Np＝8/(3) KTn2 n：颗粒数量浓度 凝聚速度 ：只 ：运动粘度 与颗粒浓度有 T: 温度 关，与颗粒尺 寸无关。 粒径大于1m，布朗运动消失。
47
二、同向絮凝(orthokinetic flocculation
由水力或机械搅拌产生 最初的理论基于层流的 假定。 碰撞速率N0＝4/3 n2 d3 G
10
NOM结构示意图
11
混凝目的
目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长
成大矾花,以便在后续沉淀/过滤工艺中去除。 1 微米的颗粒重力沉降1 yard（0.9米）需要1年
以地面水为水源的给水处理典型工艺：
原水 混凝 沉淀 过滤 消毒 饮用水
12
浊度控制在饮用水中的意义
背景 1.我国规定浊度不超过3度(1986年）
20
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
1.压缩双电层：投加电解质，增加离子强度。 很好地解释港湾处的沉积现象 叔采－哈代（Schulze-Hardy） 凝聚能力离子价数6
该理论不能解释：
1）混凝剂投加过多，电荷逆转，效果差；
2）胶体浓度与优化混凝剂投量的关系；
3）与胶粒带同样电号的高分子混凝效果好。21
3
原水
混凝剂 絮凝池
沉淀池
过滤池
消毒 清水池
给 水 处 理 常 规 流 程
用户
4
污水二级出水深度处理
5
城镇污水处理厂污染物排放标准
GB 18918－2002
6
主要内容
第1节 混凝对象 第2节 胶体性质
第3节 混凝机理
第4节 混凝过程与工艺
7
水与废水中典型胶体
粒度：1-1000 nm 生活污水中50-70%的有机质是以胶体的形式
絮凝设备
用G可以来判断混合和絮凝的程度
混合（凝聚）过程 (Mixing):
剧烈搅拌分散药剂 时间通常在10～30s，一般<2min 平均G＝700－1000s-1，
粘土、金属氧化物、金属硫化物等无机物质。
亲水性胶体（ Hydrophilic ）：胶体微粒直接吸 附水分子。常带负电，水化膜稳定；真溶液。
蛋白质、腐殖酸、淀粉等有机物质。
15
胶体电荷起源
表面电离作用：-OH、-COOH、-NH2等 表面吸附电位决定离子：范德华力、氢键等 晶格缺陷：
等电点：pH函数，如α-Fe2O3为7-8.5
39
聚合氯化铝 PACl：[Al2(OH)nCl6-n]m
m：聚合度，10
B （碱化度）＝[OH]/3[Al] ×100%（50-80%）
已水解聚合，有效成份多，投加量少。
对pH和碱度变化适应性强。
机理：
吸附电中和与吸附架桥协同作用
40
有机高分子絮凝剂
人工合成： •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）
16
胶体双电层结构
吸附层 扩散层
电位形成离子 反离子 动电位
17
DLVO理论
ER E
斥力
Emax（势垒） 布朗运动能量 Eb＝1.5kT<Emax
吸引力
EA
x>oa 稳定 x>oc 二次凝聚
x<oa 一次凝聚
18
胶体颗粒的（Zeta）电位
决定胶体颗粒稳定性的重要指标 混凝目的是降低胶体颗粒净排斥力 Zeta电位的计算公式：
d：颗粒粒径 ； n：颗粒数量浓度
G＝U/Z (速度梯度，velocity gradient, 1/s) （相邻两流层的速度增量）
48
G可由单位体积水流所耗功率p来计算： p＝G p：单位体积流体所耗功率，W/m3 ：剪切应力
按照牛顿定律 ＝G
G p / (1943年发明的，甘布公式)
30
混凝剂化学
金属盐混凝剂投入水体后，发生复杂水解反应， 形成各种聚合度的水解产物。这过程也与水体 中的pH值和碱度有关。产物形态与混凝。
Al13
31
硫酸铝和PACl混凝作用简表
32
铝盐水解
pH<3 简单水合铝离子压缩双 电层 pH=4－5 多核羟基络合物吸附电 中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物吸附电 中和；氢氧化铝起吸附 天然水体一般pH=6.5-7.8 架桥、网捕 33
29
混凝剂投加量策略
1.高浊度、低碱度原水：投加足够多的絮凝 剂，不用考虑pH变化和剂量过量； 2.高浊度、高碱度：投加足够絮凝剂，中性 条件下吸附/电中和，可加酸调整。 3.低浊高碱度：投加过量卷扫絮凝，或者投 加石英砂之类助凝剂，增加颗粒物。 4.低浊低碱度：最难处理。投加碱和石英砂， 剂量易过量。
粘土=-15~-40mV 细菌=-30~-70mV Fe(OH)3 +56mV
19
水体中胶体的去除
凝聚（coagulation）：降低两颗粒间双电 层总势能的过程。生成10μm絮体floc。
絮凝（flocculation）：脱稳的颗粒通过化
学架桥聚集成三维絮体网络结构的过程。 生成0.6-1.2 mm絮体。 混凝：混合（mixing）、凝聚、絮凝
：动力粘度，Pa s
49
水力搅拌时 p由水流本身能量消耗提供
pV＝gQh h：水头损失（m） ：密度, kg/m3 Q：流量 g：重力加速度,9.8m/s2 V：水流体积＝QT T：水力停留时间（s）
gh G T
也称为甘布公式
：运动粘度= / ，m2/s
50
混凝控制指标
凝聚
絮凝 混合设备
27
混凝剂投加量策略
颗粒物浓度： S1 < S2 < S3 <S4
JAWWA，1968
28
混凝剂投加量策略
区域1：低投加量，不足以产生胶体脱稳 区域2：投加量合适，脱稳絮凝沉降 区域3：投加过量，颗粒再稳 区域4：投加量足够高，产生卷扫絮凝 说明：
低浓度胶体：高投加量 较低浓度胶体:易于投量过量，再稳 高浓度颗粒：需较高投加量
(第四版)。 北京，化学工业出版社 ，2004年。
Mackenzie L. Davis. Water and Wastewater
Engineering. McGraw-Hill，2010.
2
Water and Wastewater Treatment Engineering
Water Treatment Engineering To make water more acceptable for a desired end-use （维基百科） Wastewater Treatment Engineering To produce an environmentally-safe fluid waste stream, to be reused… （维基百科） Water Pollution Control Engineering
45
由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。
由大颗粒的下降速度快于小颗粒而发生的碰撞。
三种速率与颗粒直径的关系
扩散，小颗粒，d小于 0.01 μ m重要 大颗粒，速度梯度与 差降传递 0.1~1μm，总传递速率 最小
梯度 差降 扩散
许保玖等
46
一、异向絮凝 (perikinetic flocculation)
存在
在饮用水处理中，色度、浊度、病毒、细菌、
藻类和有机质主要是以胶体形式存在或其行
为类似胶体
8
9
混凝对象
去除对象：胶体、悬浮物（及其吸附的有毒 物质）、微生物以及部分可溶物等 新的动向：天然有机质（Natural Organic Matter，NOM）—— 降低消毒副产物 NOM：广泛存在天然水体 吸附颗粒上稳定颗粒 吸附重金属，人工合成有机物
意义 1.感观学
2.毒理学：污染物吸附（有机微污染物、重 金属等） 3.微生物学：包埋病原微生物，抵御消毒剂
13
胶体（Colloid）性质
光学性质：散射可见光 力学性质：布朗运动 电学性质：电泳 浓度测定 动力学稳定 聚集稳定 表面电荷测定
•非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）
聚氧化乙烯（PEO）
•两性型 天然： •淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 •微生物絮凝剂
41
助凝剂
酸碱类：如石灰、硫酸等 加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸 （SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂，
石英砂，硅藻土等
氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机
物。如投加高锰酸钾、Cl2、O3等
水溶液
絮体 胶体颗粒 26
4.卷扫絮凝（sweep floc）：金属盐，如硫酸铝、
思考
The city of Hong Kong has a dual water-supply system that provides freshwater for drinking and bathing, and salt water for flushing toilets. At the Hong Kong wastewater treatment plant, as in most other wastewater treatment plants, wastewater is passed through a primary clarifier to settle out suspended solids. The Hong Kong plant achieves greater removal in their primary clarifier than most plants elsewhere in the world. Why?
表面性质：比表面大、表面带电
胶体浓度测量：散射比浊法、分光光度法和目视 比浊法等。 浊度单位：常用NTU（Nephelometric Turbidity Units ） 14
胶体分类
原则：根据与溶剂的亲和性
憎水性胶体（ Hydrophobic ）：水分子不直接接 触胶核。表面常带负电，静电排斥稳定；热力 学不稳定。
硫酸铝混凝区域图
卷扫絮凝 再 稳
硫酸铝 pH5.5~7.7 聚合铝
吸附卷扫联合 pH4.5~9.5
吸附脱稳
34
氯化铁混凝区域图
pH4~9
35
pH和碱度对混凝影响
胶体表面电荷：等电点 NOM表面官能团电离：中性偏酸性去除 混凝剂形态：水解消耗碱度
絮体表面电荷
混凝剂溶解度
36
NOM对混凝影响
42
烧杯试Βιβλιοθήκη Baidu（Jar test）
混凝类型与剂量 pH（碱度）
43
例题：硫酸铝混凝某原水
1.确定最适pH。固定投加量
2.确定混凝剂投量。固定pH
44
混凝动力学
碰撞是混凝的首要条件
一、异向絮凝 (perikinetic flocculation) 二、同向絮凝(orthokinetic flocculation) 由水力搅拌或机械搅拌造成的碰撞。 三、差降絮凝(differential settling)
NOM比无机胶 体颗粒需中和 更多电荷
37
优化混凝
混凝剂筛选、剂量、pH 强化混凝 优化混凝剂及混凝条件以达到
最大TOC去除，相应降低消毒副产物。 优化混凝
整体评价，优化混凝剂及过程，
包括： TOC去除、浊度去除、过滤性能、残
留金属浓度和操作费用等。
38
常用混凝剂
一、无机混凝剂
铁盐形成的絮体比 铝盐絮体密实，但 腐蚀性强，有颜色。
流 电 位
ζ电位压缩 电荷逆转 颗粒再稳
余 浊
栾兆坤、汤鸿霄 投加量
23
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
3.吸附架桥：聚合物、金属盐等吸附在胶体上， 除中和电荷外（凝聚），还能与其他胶体颗粒吸 附（絮凝）。可发生同电号吸附。
24
过量投加对胶体起保护作用
25
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
氯化铁，投加量足够多时，超过其溶解度，形 成氢氧化或碳酸盐沉淀，进而网捕水中的胶体 颗粒。
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
2.吸附电中和：投加混凝剂反离子在胶体表面 有专属亲和力，降低胶体的初始电荷。 特性：
低投加量脱稳。优于压缩双电层。 脱稳与离子的吸附性有关。大离子由于不易水化， 易于吸附，聚合分子易于吸附。 投加过量，电荷逆转。
优化混凝与胶体浓度剂量相关性。
22
例：硫酸铝和PACl混凝高岭土
《水处理工程》 凝聚与絮凝
(Coagulation and Flocculation)
参考书目
张晓健，黄霞 。《水与废水物化处理的原理与工
艺 》。北京，清华大学出版社，2011年。
许保玖，龙腾锐。《当代给水与废水处理原理》。
北京，高等教育出版社，2000年。
［美］梅特卡夫和埃迪。《废水工程处理及回用》
由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。 颗粒的碰撞速率 Np＝8/(3) KTn2 n：颗粒数量浓度 凝聚速度 ：只 ：运动粘度 与颗粒浓度有 T: 温度 关，与颗粒尺 寸无关。 粒径大于1m，布朗运动消失。
47
二、同向絮凝(orthokinetic flocculation
由水力或机械搅拌产生 最初的理论基于层流的 假定。 碰撞速率N0＝4/3 n2 d3 G
10
NOM结构示意图
11
混凝目的
目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长
成大矾花,以便在后续沉淀/过滤工艺中去除。 1 微米的颗粒重力沉降1 yard（0.9米）需要1年
以地面水为水源的给水处理典型工艺：
原水 混凝 沉淀 过滤 消毒 饮用水
12
浊度控制在饮用水中的意义
背景 1.我国规定浊度不超过3度(1986年）
20
憎水胶体脱稳的机理（凝聚）
1.压缩双电层：投加电解质，增加离子强度。 很好地解释港湾处的沉积现象 叔采－哈代（Schulze-Hardy） 凝聚能力离子价数6
该理论不能解释：
1）混凝剂投加过多，电荷逆转，效果差；
2）胶体浓度与优化混凝剂投量的关系；
3）与胶粒带同样电号的高分子混凝效果好。21
3
原水
混凝剂 絮凝池
沉淀池
过滤池
消毒 清水池
给 水 处 理 常 规 流 程
用户
4
污水二级出水深度处理
5
城镇污水处理厂污染物排放标准
GB 18918－2002
6
主要内容
第1节 混凝对象 第2节 胶体性质
第3节 混凝机理
第4节 混凝过程与工艺
7
水与废水中典型胶体
粒度：1-1000 nm 生活污水中50-70%的有机质是以胶体的形式
絮凝设备
用G可以来判断混合和絮凝的程度
混合（凝聚）过程 (Mixing):
剧烈搅拌分散药剂 时间通常在10～30s，一般<2min 平均G＝700－1000s-1，
粘土、金属氧化物、金属硫化物等无机物质。
亲水性胶体（ Hydrophilic ）：胶体微粒直接吸 附水分子。常带负电，水化膜稳定；真溶液。
蛋白质、腐殖酸、淀粉等有机物质。
15
胶体电荷起源
表面电离作用：-OH、-COOH、-NH2等 表面吸附电位决定离子：范德华力、氢键等 晶格缺陷：
等电点：pH函数，如α-Fe2O3为7-8.5
39
聚合氯化铝 PACl：[Al2(OH)nCl6-n]m
m：聚合度，10
B （碱化度）＝[OH]/3[Al] ×100%（50-80%）
已水解聚合，有效成份多，投加量少。
对pH和碱度变化适应性强。
机理：
吸附电中和与吸附架桥协同作用
40
有机高分子絮凝剂
人工合成： •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）
16
胶体双电层结构
吸附层 扩散层
电位形成离子 反离子 动电位
17
DLVO理论
ER E
斥力
Emax（势垒） 布朗运动能量 Eb＝1.5kT<Emax
吸引力
EA
x>oa 稳定 x>oc 二次凝聚
x<oa 一次凝聚
18
胶体颗粒的（Zeta）电位
决定胶体颗粒稳定性的重要指标 混凝目的是降低胶体颗粒净排斥力 Zeta电位的计算公式：
d：颗粒粒径 ； n：颗粒数量浓度
G＝U/Z (速度梯度，velocity gradient, 1/s) （相邻两流层的速度增量）
48
G可由单位体积水流所耗功率p来计算： p＝G p：单位体积流体所耗功率，W/m3 ：剪切应力
按照牛顿定律 ＝G
G p / (1943年发明的，甘布公式)
30
混凝剂化学
金属盐混凝剂投入水体后，发生复杂水解反应， 形成各种聚合度的水解产物。这过程也与水体 中的pH值和碱度有关。产物形态与混凝。
Al13
31
硫酸铝和PACl混凝作用简表
32
铝盐水解
pH<3 简单水合铝离子压缩双 电层 pH=4－5 多核羟基络合物吸附电 中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物吸附电 中和；氢氧化铝起吸附 天然水体一般pH=6.5-7.8 架桥、网捕 33
29
混凝剂投加量策略
1.高浊度、低碱度原水：投加足够多的絮凝 剂，不用考虑pH变化和剂量过量； 2.高浊度、高碱度：投加足够絮凝剂，中性 条件下吸附/电中和，可加酸调整。 3.低浊高碱度：投加过量卷扫絮凝，或者投 加石英砂之类助凝剂，增加颗粒物。 4.低浊低碱度：最难处理。投加碱和石英砂， 剂量易过量。
粘土=-15~-40mV 细菌=-30~-70mV Fe(OH)3 +56mV
19
水体中胶体的去除
凝聚（coagulation）：降低两颗粒间双电 层总势能的过程。生成10μm絮体floc。
絮凝（flocculation）：脱稳的颗粒通过化
学架桥聚集成三维絮体网络结构的过程。 生成0.6-1.2 mm絮体。 混凝：混合（mixing）、凝聚、絮凝
：动力粘度，Pa s
49
水力搅拌时 p由水流本身能量消耗提供
pV＝gQh h：水头损失（m） ：密度, kg/m3 Q：流量 g：重力加速度,9.8m/s2 V：水流体积＝QT T：水力停留时间（s）
gh G T
也称为甘布公式
：运动粘度= / ，m2/s
50
混凝控制指标
凝聚
絮凝 混合设备
27
混凝剂投加量策略
颗粒物浓度： S1 < S2 < S3 <S4
JAWWA，1968
28
混凝剂投加量策略
区域1：低投加量，不足以产生胶体脱稳 区域2：投加量合适，脱稳絮凝沉降 区域3：投加过量，颗粒再稳 区域4：投加量足够高，产生卷扫絮凝 说明：
低浓度胶体：高投加量 较低浓度胶体:易于投量过量，再稳 高浓度颗粒：需较高投加量
(第四版)。 北京，化学工业出版社 ，2004年。
Mackenzie L. Davis. Water and Wastewater
Engineering. McGraw-Hill，2010.
2
Water and Wastewater Treatment Engineering
Water Treatment Engineering To make water more acceptable for a desired end-use （维基百科） Wastewater Treatment Engineering To produce an environmentally-safe fluid waste stream, to be reused… （维基百科） Water Pollution Control Engineering
45
由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。
由大颗粒的下降速度快于小颗粒而发生的碰撞。
三种速率与颗粒直径的关系
扩散，小颗粒，d小于 0.01 μ m重要 大颗粒，速度梯度与 差降传递 0.1~1μm，总传递速率 最小
梯度 差降 扩散
许保玖等
46
一、异向絮凝 (perikinetic flocculation)
存在
在饮用水处理中，色度、浊度、病毒、细菌、
藻类和有机质主要是以胶体形式存在或其行
为类似胶体
8
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混凝对象
去除对象：胶体、悬浮物（及其吸附的有毒 物质）、微生物以及部分可溶物等 新的动向：天然有机质（Natural Organic Matter，NOM）—— 降低消毒副产物 NOM：广泛存在天然水体 吸附颗粒上稳定颗粒 吸附重金属，人工合成有机物