蔡云龙博士课件1-6水厂净水处理工艺原理及实务

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
PACl-96% Al13
PACl-50% Al13
3
4
5
6
7 pH
8
9
10
11
22
快混
快混目的为何 ?
使混凝剂均匀分散至颗粒表面
设计之限制为何 ?
过多的搅拌
可能无法聚集胶体 ?
加 氯 点
过少的搅拌
耗费药剂且处理效果差
混凝剂无法与胶体及溶解性有机物产生交互作用
包括各式各样的藻种(如蓝绿藻、绿藻及硅藻) 藻种及藻类的形状会影响混凝作用
电性中和
两种有机物移除之机制
电性中和: 利用多核铝水解 主要需于低混凝剂剂量与低pH值之条件下 沉淀扫除: 利用氢氧化铝沉淀 主要需于高混凝剂剂量与高pH值之条件下
沉淀扫除
12
残余铝盐
残余铝盐浓度受硫酸盐、硅土、正磷酸盐、腐植物质及温度影响
(a) (b) (c)
Coagulant Hydrolysis
Destabilization
Aggregation
4
混凝剂
金属
铝
硫酸铝 氯化铝 铝酸钠 氢氯酸铝 聚氯化铝 (PACl) 聚硫酸氯化铝 聚硅氯化铝 聚氯化铝+有机聚合物
聚合物
化学药剂
石灰氢氧化物 镁 碳酸盐 活性硅酸盐
天然聚电解质
铁
硫酸铁 硫酸亚铁 氯化铁 硫酸氯化铁 聚合硫酸铁 聚合硅酸铁 (PSI/PSF) 铁盐+有机聚合物
16
聚核心物种 – 铝
Al2(OH)2 、 Al3(OH)4 、Fe2(OH)2 。 7+ 较著名为 Al13O4(OH)24 及 Al13 此tridecamer有“Keggin结构”的结构，组成一个 中央为四面体 AlO45-单位，由12个铝八面体包围其 共享边缘 于天然水体环境及酸性土壤水体中可被测得 Al13 于水溶液中之离子半径约为 1.3 nm 4+ 其他聚核心物种具八聚合物:Al8(OH)20
带有电性之物种可吸附颗 粒并中和其电荷
产物之生成须于低pH值
大量的沉淀物可凝 聚颗粒，利于胶羽扫 除作用
源自文库
8
混凝作用- 反应
电性中和 (吸附作用/去稳定作用) ，扫除胶羽 (Enmeshment) 或 两者混合。 10 m CN 30 -50 m Sweep 200 m 电性中和(CN)
经由电性中和颗粒与金属离子产生之复合物称为 microfloc 快混程序导致反应物产生碰撞形成microfloc 于快混后，聚集许多microflo而形成floc
7
混凝作用 – 速率
Al2(SO4)3 • 14H2O →Al(H2O)63+ + H2O →
Charge Neutralization Sweep flocculation
Fast (10-4 to 1 s)
Slow (1 to 7 s)
Al(OH)2+ + Al(OH)2+ + Al7(OH)174+ →Al(OH)3(s)
产物与颗粒产生之反应
电性中和 (Charge Neutralization)
沉淀扫除 (Enmeshment)
异相混凝 (Heterocoagulation)
异相混凝
6
铝溶解度与颗粒去稳定作用机制之关系
Al(OH)3 precipitation & optimum sweep floc formation
PACl-12% Al13 Alum
Dosage (mg/L)
单体铝会水解进而消耗水中碱度
18
残余溶解铝
1.2 1.0 PACl-1(12.4% Al13) PACl-2 (52.1% Al13) PACl-Al13 (96.3% Al13)
PACl-12% Al13
Residual Al Conc.(mg/L)
13
有机酸-铝错合
单体铝
有机物会与铝物种错合增加铝之溶解度
14
混凝加药造成清水铝残留之问题
8.4
初始 6.76 NTU 初始 15.7 NTU
0.3
初始 6.76 NTU 初始 26.5 NTU 初始 15.7 NTU 初始 32.6 NTU
8.2
初始 26.5 NTU
初始 32.6 NTU
0.25
P : 功（Power , J/sec）
G
P V
G
W

V : 体积（volume, m3）
: 动黏滞系数 (dynamic viscosity, N*s/m2) : 水的比重, N/m3 ( = * g )
对于隔板或水跃池的G值计算
G
hL 1 s T
hL : 损失水头
28
电性补丁机制:
吸附在颗粒上的高分子阳离子排列随着附在表 面之负电荷密度。 在高分子电解质及颗粒表面间之强静电吸力。 胶体去稳定的电双层模式。 吸附在固定层的反向离子在颗粒间引发还原作 用的排斥浅势能。
架桥机制:
高分子电解质的分散作用于悬浮物中。 固液接口的吸附作用。 吸附高分子电解质的压缩与沉降。 从架桥& 渐增的大胶羽颗粒中邻近高分子电解 质与颗粒的碰撞。
有机体(微生物) 原生动物(Giardia lamblia, Cryptosporidium) 病毒 藻类 细菌
4
混凝原理
此程序导致化学药剂与胶体颗粒接触并产生反应 反应产物: micro-floc 工程上之程序包括两阶段 选择适当化学药剂(chemicals) ，最适剂量(dosages) 及pH值，产生micro-floc产物 混凝剂与胶体颗粒间之接触
EL:16.60M
WL:16.208M
WL:18.20M EL:15.60M
GL:15.50M
1200MM RCP-1 1500MM SP-1 M
EL:16.60M
HWL:16.1M
WL:13.10M
EL:13.8M
EL:9.6M
供水区域
HWL:12.60M
EL:8.00M~49.0 0M
加药设备 取水口 原水管
25
管内混合(In-Pipe mixing)
高混合强度为混凝剂添加后第一秒，此为决定性时刻 混凝剂之分散越快越好 (< 0.1s，其水解产物(0.01 ~ 1 s)将会被吸附且提高颗粒电性中和之效率
Impeller in Draft tube
Submerged Jet
26
高分子聚合物(Polymer)种类
T ： 停留时间
26
快混设备之设计
Mixer type
Back-mix mechanical reactors
G (1/s) 600 to 1000
Residence time (s) 10 to 60
G 25,000
In-line blenders
Hydraulic Jump
>2500
800
扫除胶羽 (SW)
此反应介于氢氧化铝沉淀物及颗粒 (Heterocoagulation) 非晶型与不规则之天然氢氧化铝胶羽可提供位置，进行enmeshment.
静电吸引力提供键结力(bonding force)
9
沉淀扫除使胶羽快速生成且聚集变大
铝物种与初始的负电性颗粒交互作用，在右方的颗粒初期呈稳定 态，之后藉电性中和而去稳定。高混凝剂量时因电性转换产生再 稳定，而与氢氧化物胶羽结合沉淀(沉淀扫除)。 12
铝型态研究可利用铁试剂(8-hydroxy-7-iodo-5-quinoline sulfonic acid)进行逐时螯合比色法 单体铝、聚合铝及胶体铝
17
4+
5+
4+
消耗碱度
8.5 8.0 7.5 7.0 EPACl PACl Alum
PACl-60% Al13
pH
6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 0 10 20 30 40 50
潍坊市城市管理行政执法局
潍坊市城镇供水净水技术培训
水厂净水处理工艺原理及实务 林志麟 博士
2017.06.05
上海简约净化科技有限公司
自来水处理单元及流程
传统净水处理流程
液氯 液体硫酸 铝
洗砂水池
嘉南 大圳
LWL:17.60M
WL16.72M
EL:16.90M
16.693M 16.2295M
WL:18.20M WL:16.2267M
混凝作用 – 有机物
天然有机物(NOM)
包括各式各样的巨大分子 如同颗粒之混凝作用
沉淀
两种有机物移除之机制(Dempsey, 1982)
沉淀: 利用多核铝水解 主要需于低混凝剂剂量与低pH值之条件下 吸附: 利用氢氧化铝沉淀 主要需于高混凝剂剂量与高pH值之条件下
吸附共沉
11
混凝作用 – 藻类
藻类(Algae)
- Seeds from the Moringa Oleifera Tree - 淀粉 - 树胶,树脂 - 丹宁酸 - 几丁聚醣 - 褐藻酸钠合成聚合物
5
混凝作用 – 金属离子
两步骤: (1) 金属离子产生水解反应； (2) 水解物种与颗 粒反应
金属离子产生水解之反应
根据pH值、剂量、离子强度、碱度及其他条件 于低pH值 (4<pH<6): 产物为复合物 于高pH值 (6<pH<10): 金属氢氧化物为主要产物, 由其于高 剂量下
21
各快混单元类型
逆混反应器 管内搅拌式
水跃式
管内静力混合式
25
速度坡降转换
单位转换 Force: F = ma (kg* m/s2, N) Energy = Force * Length ( N*m ) Power = Energy / time (Watt, hp) 1 hp = 745.7 W
20
速度坡降
速度坡降导致浓度坡度延伸及稀薄 速度坡降导致能量因黏滞度而消散
du G dy
运动学上黏滞度分别与能量消散率速度改变与距离均 方根具相关性
J N m kg m m m 2 3 2 s Kg s Kg s s Kg s
水处理常用的Polymer
聚合物之胶凝模式
静电补丁模式 (电性中和模式)
低分子量的阳离子聚合物被吸附在带负电的颗粒上
架桥模式
高分子量的非离子和负离子聚合物也许会被吸附 静电力 (关于颗粒中相反电位的聚合物) ； 疏水特性 (聚合物包括非极化族群 [-CHg-l, wh 造成聚合物累积在交界面上) ； 氢键键结 (在颗粒表面上羟基族和聚合物的胺族 之键结) 。
快 混
洗砂水池
反冲
供水区域
原水表 分水井 混合池 回流池 胶凝池 沉淀池
快滤池 清水池
消毒设备 上层液回收 清运 晒泥场 污泥沉淀池 废水池
2
天然水中胶体之来源
无机胶体 硅土氧化物 方解石 黏土(高岭土、火山灰风化黏土) 氧化铁(针铁矿、赤铁矿) 铝的纯氧化物或其混合物种
有机胶体（NOM）
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Adsorption of polymer and formation of loops available for binding.
Polymer bridging between particles (aggregation)
Restabilization of colloid particles (floc breakup)
0.5 to 1
2
>2500
1600
Diffusers
700 to 1000
0.5 to 1
600
These numbers are all over with different values in different textbooks
24
逆混反应器(Back-mix reactor)
停留时间: 10 to 60 s 速度坡降(G) : 300 s-1 颗粒于停留时间内分散分布 去稳定机制主要为胶羽扫除或捕捉 (G 值不受影 响)
10
Residual aluminum (mg/L)
1 0.1 0.01 0.001 4 5 6 pH 7 8 9
Residual Al pH
200 g/l 5.0~7.5
50 g/l 5.5~7.0
Residual Al = Soluble Al(III) + Al-organic complex + Al(OH)3 colloids + Al(OH)3 floc fragment
混凝最终pH
8 残余溶解铝 (mg/L)
0.2
7.8
0.15
7.6
0.1
7.4
0.05
7.2
0
0
10
20 30 alum 加药量 (ppm v/v)
40
50
7.2
7.4
7.6
混凝终了 7.8 pH
8
8.2
8.4
低浊水混凝之pH值>8且溶解铝量>0.2 mg/L
15
多元氯化铝 (PACl)
盐基比 r = [OH-] / [Al3+] ( 3 r 0 ) r <1 ，单体铝Al (Al3+，AlOH2+) 1.25< r < 2.5，Al13 聚合物 r > 2.5，氢氧化铝
33
胶凝槽之设计(慢混)
胶凝槽主要提供颗粒内不碰撞，已达到颗粒附聚作 用，即可利用沉淀作用或浮除作用去除。