第三章-混凝的原理与应用
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.
Coagulation
Many of the contaminants in water and
wastewater contain matter in the colloidal form.
These colloids result in a stable “suspension”.
In general the suspension is stable enough so
Dose (mg/L. )
水力条件 跌水、搅拌、曝气等混合作用形成的水流紊动性
要配合混凝的脱稳与絮凝过程。水力坡度在凝聚过程 中不易过大，过大会造成颗粒破碎。
水力混合
.
水处理中，常规的混凝处理工艺过程为（混合、反应、 分离）： 1. 混+凝+沉淀 2. 混+凝+沉淀+过滤
改善絮体结构－增加颗粒重量 PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物
，骨胶等
.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 3.影响混凝效果的主要影响因素
水温
低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因： 1．无机盐水解是吸热反应，水解困难。 2．水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减 少，不利于胶体凝聚。 同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。 3．水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。 常用方法：增加混凝剂投量；
三、混凝的操作
1. 分混合与絮凝二个阶段： （1）混合阶段－快速混合。
矾花直径 小大
药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快， 故 要 求 混 合 快 速 剧 烈 。 10 ～ 30 秒 ， 不超过2分钟。
t=10~30s
t=15~30mins
搅拌强度
G50~010s010 G20~7s01 大 小
（2）絮凝阶段－慢速搅拌
废水处理工艺中典型的 絮凝工艺
直接过滤中的絮凝阶段 接触絮凝过滤
停留时间
搅拌 5-30s
<1s 絮凝 30-60min
2-10min 2-5min
.
G （S-1）
500-1500 2500-7500
50-100 25-150 25-200
1．异向絮凝（microfloculation, perikinetic floculation） 由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。 2．同向絮凝（macrofloculation, orthokinetic floculation） 由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝
.
一、概述
颗粒沉速与粒径
粒径 10 1
0.1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
Mm
沉淀 1
10 2
1.83 183 765 20 〉20
时间 秒 秒 分钟 小时 小时 天 年 年
* 颗粒比重：2.65kg/dm3
.
水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除 ，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉 淀方可去除。 混凝用途：生活饮用水处理、工业废水处理、城 市污水三级处理、污泥处理等。
适当的紊流程度，G由大到小，既要 保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。
G ·t间接时表间一示般在1时0～间30t内分钟颗。粒. 碰撞的总次数
G速度梯度（Velocity gradient）
相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向 的两流层之间的距离的比值, T-1,(1/S)。
G du dy
G P
当pH＝4~5时，水中有[Al(OH)(H2O)5]2+、 [Al(OH)2(H2O)4]+及少量[Al(OH)3(H2O)3]。
当pH＝7~8时，水中主要是[Al(OH)3(H2O)3]沉淀 物。
但在某一特定pH时，水解产物还有许多复杂的 高聚物和络合物同时共存。
因为初步水解产物中的. 羟基OH-具有桥键性质。
药剂投量
此外还有药剂投加量的问题，当药剂投加量过小会降 低混凝效果，但投加量过大会引起胶体复稳，此时必须 增加投加量才能使复稳后的胶体重新通过吸附架桥、沉 淀网捕等作用去除。
浊 度
稳 定
失稳区
复稳区 卷 扫 絮 凝 区
Lg 铝盐投量
.
Typical results from a jar test series might look like:
.
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒 间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
胶粒因ξ电位电位降低或消除以至失去稳定性的 过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为 凝聚。
.
(2) 吸附架桥作用
由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的 过程。
(3) 网捕作用
沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的 胶体等微粒，使胶体粘结。
以硫酸铝为例讨论混凝过程
硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水后，离解出Al3+， 并结合有6个配位水分子，成为水合铝离子
.
水中悬浮物浓度 ．浓度低 颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措 施： （1）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附 架桥作用，使絮体尺寸密度增大。 （2）投加矿物颗粒 （3）采用直接过滤法 原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。
．高浓度 铝盐和铁盐投加量增大。为减少. 混凝剂投加量，常加高分子
[Al(H2O)6]3+。
.
水合铝离子进一步水解，形成单羟基单核络合 物：
[A2 O l6 (]3 H ) H 2 O [Al(2 O 5]2 )H H 3 O ) (H
单羟基单核络合物又进一步水解：
[Al2 O (5 ] O 2 )H 2 O H [)A (2 H ( l2 H ( O 4 O ] ) H 3 H O )
that gravity forces will not cause precipitation of
these colloidal particles. So they need special
treatment to remove them from the aqueous
phase. This destabilization of colloids is called
吸附层Stern layer（随胶核一起运动）―― 靠近 胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密 扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩 掉后剩下的面，叫滑动面）―― 离胶核远，反离 子浓度小，结合松散。 结构式： 胶核＋吸附层＋扩散层
胶粒 胶团
.
ψ电位Potential：胶核表面上的离子和反离子之间形成 的总电位 ξ电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位 带负（正）电荷charge的胶核表面与扩散于溶液中的正 （负）电荷离子正好电性中和. ξ越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强
硫酸亚铁 绿色，易溶。只能离解出Fe2+生成简单的单核络合物，效果比Fe3+差。不 能除色，Fe2+与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。
PAC 用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。 混凝效果好。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。
.
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
或
[A 2 O 6 l]3 ( )[ H Al2 O (5 O ]2 ) [ H A )l(2 O (H 1 O ]5 0 ) H H 2 O)
两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基 双核络合物：
2[A2 O l3 ] ( 2 ) O [A 2 H (O l 2 ) (2 ( H H O H 8 ]4 ) 22 O H
.
4.胶体的稳定性
胶体颗粒在水中保持分散状态的性质
产生原因
憎水性胶体：静电作用，同性相斥 亲水性胶体：稳定性主要由于它所吸附的大量水分 子所构成的水壳 分子运动（布朗运动）
.
5.胶体的脱稳及凝聚——混凝机理(重点 掌握)
压缩双电层 电性中和 Adsorption-charge neutralization 吸附桥联 Polymer bridge formation 沉淀网捕 Sedimentation& entrapping
[A2 (l2 H O (4 ] O ) H 2 O H [) A 3 (l2 H O (3 ] O ) H 3 O H )
上述反应中，降低水中H+(或H3O+)浓度或提高 pH，使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降 低，最终生成中性氢氧化铝. 难溶沉淀物。
当pH<4时，水解受到抑制，水中存在的主要是 [Al(H2O)3]3+ 。
.
.
从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用 的是各种形态的水解聚合物。
带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层 的脱稳和吸附架桥的作用。
为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶 体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。
当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌， 使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶 体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合 度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝 体，使混凝过程很好完成。.
V
G: 反应器内平均水力梯度, T-1,1/S;
G•t V • P P: 需要的功率, W;
Q V μ: 动力学黏度系数, N.S/m2;
GV:·絮t间凝接池表体积示，在m时3 间t内颗. 粒碰撞的总次数
废水处理絮凝过程中典型的停留时间，与G值
工艺
F废水处理中的快速搅拌 典型值
接触絮凝过滤
投加高分子助凝剂。
.
水的pH值和碱度 1．水的pH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态， 混凝机理不同，对混凝影响较大。 2．每一种混凝剂都有各自的pH值最优范围。 碱度能保持水解反应顺利进行。对pH值起缓冲作用。
.
An actual gang-stirrer apparatus is shown in the figure below.
在由[Al(H2O)6]3+转向[Al(OH)3(H2O)3]的中间过 程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合
物：
[A 2 O 6 ] 3 l[ ) (A H 2 O l 5 ] 2 ( O ) [A 2 O H 5 O l) ( A )H H ( 2 O 5 H l ] 5 ( H ) 2 H O
异向絮凝
同向絮凝
.
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
.
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
第七节 混凝
环境学院 田晴
.
本节提示
课程主要内容
掌握
混凝处理的对象、混凝的机理。 影响混凝效果的主要因素。
熟悉
产生胶体稳定性的原因、胶体的双电子层结构、 δ电位
常用的混凝剂
.
本节提示
课程主要内容
难点
讲解胶体的双电子层过程中，重点介绍结构胶体 的动电电位（δ电位产生原因），帮助学生理解 降低该电位的主要方法的机理，结合混凝试验， 掌握影响混凝效果的因素，如何提高混凝反应的 处理效果
“coagulation”.
.
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
混凝处理对象： 胶体 细小悬浮物 溶解性大分子有机物（疏水性）
.
二、混凝的原理
1.胶体
常见胶体：粘土颗粒（对于d<4μm），大部分细菌 （0.2~80nm），病毒（10~300nm），蛋白质,
2. 胶体的分类
憎水性胶体 亲水性胶体
.
3.胶体的双电子层结构
胶核
胶粒
.
滑动面 胶团边界
吸附层 扩散层
ξ电位 Ψ电位
Coagulation
Many of the contaminants in water and
wastewater contain matter in the colloidal form.
These colloids result in a stable “suspension”.
In general the suspension is stable enough so
Dose (mg/L. )
水力条件 跌水、搅拌、曝气等混合作用形成的水流紊动性
要配合混凝的脱稳与絮凝过程。水力坡度在凝聚过程 中不易过大，过大会造成颗粒破碎。
水力混合
.
水处理中，常规的混凝处理工艺过程为（混合、反应、 分离）： 1. 混+凝+沉淀 2. 混+凝+沉淀+过滤
改善絮体结构－增加颗粒重量 PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物
，骨胶等
.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 3.影响混凝效果的主要影响因素
水温
低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因： 1．无机盐水解是吸热反应，水解困难。 2．水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减 少，不利于胶体凝聚。 同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。 3．水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。 常用方法：增加混凝剂投量；
三、混凝的操作
1. 分混合与絮凝二个阶段： （1）混合阶段－快速混合。
矾花直径 小大
药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快， 故 要 求 混 合 快 速 剧 烈 。 10 ～ 30 秒 ， 不超过2分钟。
t=10~30s
t=15~30mins
搅拌强度
G50~010s010 G20~7s01 大 小
（2）絮凝阶段－慢速搅拌
废水处理工艺中典型的 絮凝工艺
直接过滤中的絮凝阶段 接触絮凝过滤
停留时间
搅拌 5-30s
<1s 絮凝 30-60min
2-10min 2-5min
.
G （S-1）
500-1500 2500-7500
50-100 25-150 25-200
1．异向絮凝（microfloculation, perikinetic floculation） 由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。 2．同向絮凝（macrofloculation, orthokinetic floculation） 由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝
.
一、概述
颗粒沉速与粒径
粒径 10 1
0.1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
Mm
沉淀 1
10 2
1.83 183 765 20 〉20
时间 秒 秒 分钟 小时 小时 天 年 年
* 颗粒比重：2.65kg/dm3
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水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除 ，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉 淀方可去除。 混凝用途：生活饮用水处理、工业废水处理、城 市污水三级处理、污泥处理等。
适当的紊流程度，G由大到小，既要 保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。
G ·t间接时表间一示般在1时0～间30t内分钟颗。粒. 碰撞的总次数
G速度梯度（Velocity gradient）
相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向 的两流层之间的距离的比值, T-1,(1/S)。
G du dy
G P
当pH＝4~5时，水中有[Al(OH)(H2O)5]2+、 [Al(OH)2(H2O)4]+及少量[Al(OH)3(H2O)3]。
当pH＝7~8时，水中主要是[Al(OH)3(H2O)3]沉淀 物。
但在某一特定pH时，水解产物还有许多复杂的 高聚物和络合物同时共存。
因为初步水解产物中的. 羟基OH-具有桥键性质。
药剂投量
此外还有药剂投加量的问题，当药剂投加量过小会降 低混凝效果，但投加量过大会引起胶体复稳，此时必须 增加投加量才能使复稳后的胶体重新通过吸附架桥、沉 淀网捕等作用去除。
浊 度
稳 定
失稳区
复稳区 卷 扫 絮 凝 区
Lg 铝盐投量
.
Typical results from a jar test series might look like:
.
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒 间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
胶粒因ξ电位电位降低或消除以至失去稳定性的 过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为 凝聚。
.
(2) 吸附架桥作用
由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的 过程。
(3) 网捕作用
沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的 胶体等微粒，使胶体粘结。
以硫酸铝为例讨论混凝过程
硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水后，离解出Al3+， 并结合有6个配位水分子，成为水合铝离子
.
水中悬浮物浓度 ．浓度低 颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措 施： （1）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附 架桥作用，使絮体尺寸密度增大。 （2）投加矿物颗粒 （3）采用直接过滤法 原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。
．高浓度 铝盐和铁盐投加量增大。为减少. 混凝剂投加量，常加高分子
[Al(H2O)6]3+。
.
水合铝离子进一步水解，形成单羟基单核络合 物：
[A2 O l6 (]3 H ) H 2 O [Al(2 O 5]2 )H H 3 O ) (H
单羟基单核络合物又进一步水解：
[Al2 O (5 ] O 2 )H 2 O H [)A (2 H ( l2 H ( O 4 O ] ) H 3 H O )
that gravity forces will not cause precipitation of
these colloidal particles. So they need special
treatment to remove them from the aqueous
phase. This destabilization of colloids is called
吸附层Stern layer（随胶核一起运动）―― 靠近 胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密 扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩 掉后剩下的面，叫滑动面）―― 离胶核远，反离 子浓度小，结合松散。 结构式： 胶核＋吸附层＋扩散层
胶粒 胶团
.
ψ电位Potential：胶核表面上的离子和反离子之间形成 的总电位 ξ电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位 带负（正）电荷charge的胶核表面与扩散于溶液中的正 （负）电荷离子正好电性中和. ξ越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强
硫酸亚铁 绿色，易溶。只能离解出Fe2+生成简单的单核络合物，效果比Fe3+差。不 能除色，Fe2+与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。
PAC 用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。 混凝效果好。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。
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助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
或
[A 2 O 6 l]3 ( )[ H Al2 O (5 O ]2 ) [ H A )l(2 O (H 1 O ]5 0 ) H H 2 O)
两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基 双核络合物：
2[A2 O l3 ] ( 2 ) O [A 2 H (O l 2 ) (2 ( H H O H 8 ]4 ) 22 O H
.
4.胶体的稳定性
胶体颗粒在水中保持分散状态的性质
产生原因
憎水性胶体：静电作用，同性相斥 亲水性胶体：稳定性主要由于它所吸附的大量水分 子所构成的水壳 分子运动（布朗运动）
.
5.胶体的脱稳及凝聚——混凝机理(重点 掌握)
压缩双电层 电性中和 Adsorption-charge neutralization 吸附桥联 Polymer bridge formation 沉淀网捕 Sedimentation& entrapping
[A2 (l2 H O (4 ] O ) H 2 O H [) A 3 (l2 H O (3 ] O ) H 3 O H )
上述反应中，降低水中H+(或H3O+)浓度或提高 pH，使反应趋向右方，水合羟基络合物的电荷逐渐降 低，最终生成中性氢氧化铝. 难溶沉淀物。
当pH<4时，水解受到抑制，水中存在的主要是 [Al(H2O)3]3+ 。
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从上述反应可以看出，三价铝盐发挥混凝作用 的是各种形态的水解聚合物。
带有正电的水解聚合物，同时起到压缩双电层 的脱稳和吸附架桥的作用。
为使硫酸铝达到优异的混凝效果，应尽量使胶 体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥。
当混凝剂投放水中后，应立即进行剧烈搅拌， 使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触，使胶 体脱稳，随后，脱稳胶体在相互凝聚的同时，靠聚合 度不断增大的高聚物的吸附架桥作用，形成大的絮凝 体，使混凝过程很好完成。.
V
G: 反应器内平均水力梯度, T-1,1/S;
G•t V • P P: 需要的功率, W;
Q V μ: 动力学黏度系数, N.S/m2;
GV:·絮t间凝接池表体积示，在m时3 间t内颗. 粒碰撞的总次数
废水处理絮凝过程中典型的停留时间，与G值
工艺
F废水处理中的快速搅拌 典型值
接触絮凝过滤
投加高分子助凝剂。
.
水的pH值和碱度 1．水的pH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态， 混凝机理不同，对混凝影响较大。 2．每一种混凝剂都有各自的pH值最优范围。 碱度能保持水解反应顺利进行。对pH值起缓冲作用。
.
An actual gang-stirrer apparatus is shown in the figure below.
在由[Al(H2O)6]3+转向[Al(OH)3(H2O)3]的中间过 程中，羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合
物：
[A 2 O 6 ] 3 l[ ) (A H 2 O l 5 ] 2 ( O ) [A 2 O H 5 O l) ( A )H H ( 2 O 5 H l ] 5 ( H ) 2 H O
异向絮凝
同向絮凝
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2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
.
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
第七节 混凝
环境学院 田晴
.
本节提示
课程主要内容
掌握
混凝处理的对象、混凝的机理。 影响混凝效果的主要因素。
熟悉
产生胶体稳定性的原因、胶体的双电子层结构、 δ电位
常用的混凝剂
.
本节提示
课程主要内容
难点
讲解胶体的双电子层过程中，重点介绍结构胶体 的动电电位（δ电位产生原因），帮助学生理解 降低该电位的主要方法的机理，结合混凝试验， 掌握影响混凝效果的因素，如何提高混凝反应的 处理效果
“coagulation”.
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Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
混凝处理对象： 胶体 细小悬浮物 溶解性大分子有机物（疏水性）
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二、混凝的原理
1.胶体
常见胶体：粘土颗粒（对于d<4μm），大部分细菌 （0.2~80nm），病毒（10~300nm），蛋白质,
2. 胶体的分类
憎水性胶体 亲水性胶体
.
3.胶体的双电子层结构
胶核
胶粒
.
滑动面 胶团边界
吸附层 扩散层
ξ电位 Ψ电位