给水处理第二章混凝

§4
影响混凝效果的主要因素
一、 水力条件 二、 水温
表现形式：水温低时，絮体形成缓慢，絮体细小、松散，沉淀 效果差 对策：对低温水，增加混凝剂投加量、投加高分子助凝剂。
三、水的pH值和碱度
原因：pH值影响混凝剂的水解产物，从而影响到混凝效果。对 不同混凝剂，影响程度不一样。 去处浊度时，铝盐最佳pH值：6.5～7.5，铁盐：6.0～8.4 碱度的意义：保持稳定的pH值。 对策： 碱度低，投加碱，如CaO； 投加量：[CaO]=3[a]-[x]+[δ]
• 吸附层和扩散层
• 胶团 胶核 双电层
滑 动 面
• 滑动面与胶粒
胶体的结构
• 胶核 • 双电层 内层离子—电位形成离子 外层离子—反离子
• 胶团
胶核 双电层
• 滑动面与胶粒
胶体的结构式
胶体的结构式
• Fe(OH)3胶体
三、 胶 体 的 电 位
• ξ 电位越高，胶体越稳定
• 决定ξ电位的因素： （1）胶体的本质 （2）电解质溶液的浓度（其中反离子的浓度） • ξ＝ 0 等电点，胶体最不稳定
一、异向絮凝
——由Fick扩散定律推导
扩散系数
碰撞速率 布朗运动造成的颗粒碰撞，与水温成正 比，与颗粒的数量浓度平方成正比。
二、同向絮凝：流体运动所造成的颗粒碰撞聚集
●层流状态下，控制水体流动的重要参数是速度梯度 ●速度梯度，是指相邻水层的水流速度差du和它们之间 的距离dz之比，即： u du G z dz 层流状态下，单位体 积，单位时间颗粒的 碰撞次数可写成：
24 100aQ aQ W2 1000 1000cn 417cn
搅拌：机械搅拌、压缩空气搅拌、水力搅拌。
空气强度：
溶解池：8～10L/(s· m2)
溶液池：3～5 L/(s· m2 )
二、混凝剂投加
包括计量和投加两个部分。 (1) 计量设备——用于混凝剂的定量投加
常用的有：转子流量计、电磁流量计、苗嘴（孔口计 量）、计量泵、浮杯计量等。
（2）投加方式
分重力投加与压力投加两类。
重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加
（2）投加方式
分重力投加与压力投加两类。
重力投加：泵前投加、高位溶液池重力投加 压力投加：水射器投加、泵投加
（3）混凝剂投加量自动控制
1）数学模型法 ——前馈与后馈闭环控制
2）现场模拟实验法 ——模拟沉淀法、模拟滤池法 3）特性参数法 ——流动电流检测法、透光率脉动法
DLVO理论
四、混凝机理
1. Al2(SO4)3在水中的化学反应 Al2(SO4)3→Al 3+ →[Al(H2O)6]3+ 水解：
[Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(OH)(H2O)5]2+ + H3O + [Al(OH)(H2O)5]2+ + H2O [Al(OH)2(H2O)4]+ + H3O + [Al(OH)2(H2O)4]+ + H2O [Al(OH)3(H2O)3] + H3O +
天然水的pH=6.5~7.8，胶体在吸附架桥和电性中和作 用下脱稳，取决于铝盐投加量。投加量过大，发生“再 稳”现象；投加量继续增大，会发生网捕卷扫作用。
★
高分子混凝剂
阳离子型，对负电荷胶体起电性中和与吸 附架桥作用； 非离子性和阴离子型，只起吸附架桥作用。
第二节
一、混凝剂
混凝剂和助凝剂
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
第二章
混
凝
• 混凝：水中胶体粒子和微小悬浮颗粒的聚集过程。
• 与三个因素有关：水中胶体粒子的性质、混凝剂的 水解产物、胶体粒子与混凝剂间的相互作用。 • 混凝与“混合”、“凝聚”和“絮凝”
混合：混凝剂与水均匀混合的过程；
凝聚：水中胶体“脱稳”的过程； 絮凝：脱稳胶体相互聚集的过程。 • 混凝的作用：去除浊度、色度、部分无机与有机污 染物。
胶体颗粒带电的原因
（1）胶体颗粒表面的吸附作用
如：SiO2 + H2O → H2SiO3 H2SiO3 → H+ + HSiO3 -→ 2H+ + SiO3 2SiO2胶核吸附 SiO3 2-而带负电 如：Fe(OH)3 → FeOCl → FeO+ + ClFe(OH)3胶核吸附 FeO+ 而带正电
混凝剂用量过小或过 大混凝效果都不好
§5
混凝剂的配制和投加
一、混凝剂的溶解和溶液配制
固体投加（干法）（一般不用）
液体投加（湿式）
混凝剂的配制一般分为药剂溶解（对于固体混凝剂） 和加水稀释至要求投加浓度两个过程。
溶解池：钢筋混凝土或钢结构，防腐处理 总池容：W1=(0.2～0.3)W2 溶液池：钢筋混凝土或钢结构，防腐处理 总池容：
第一节
百度文库一、胶体的稳定性
混凝机理
——胶体粒子在水中长期保持分散状态的特性
胶体的大小：d=10-9 ~10-7m
胶体稳定分动力学稳定和聚集稳定性 动力学稳定——布朗运动对抗重力影响的性能。 聚集稳定性——胶体粒子间不能相互聚集的特性。 胶体稳定性关键在于聚集稳定性 亲水胶体－－水化作用
憎水胶体－－静电作用引起
吸附作用：胶核表面直接吸附 带相反电荷的聚合离子或高分 子物质。胶核表面的电荷降低， 使ζ电位降低。降至临界电位 ζk时，胶体脱稳凝聚。
pH大于3时，铝盐水解产物主 要为聚合离子及多核羟基配合 物，易于在胶核表面吸附，从 而发生吸附-电性中和作用。
混凝剂投加量过多，胶体带上 相反电荷，重新稳定，“再稳” 现象
羟基桥联
、2+
2
+
产物：1.未水解的水合铝离子：Al3+
2.单核羟基配合物：[Al(OH)2]+、 [Al(OH)]2+、 [Al(OH)4]3.多核羟基配合物： [Al2(OH)2]4+、 [Al3(OH)4]5+
4.氢氧化铝沉淀物： Al(OH)3
图2.3 各物种含量与pH的关系
2.混凝机理
总结
★ 对铝盐或铁盐混凝剂而言
pH<3，主要水解产物水合铝离子[Al(H2O)6]3+起压缩双 电层作用； pH=4.5~6，主要水解产物多核羟基配合物对负电荷胶 体起吸附—电性中和作用，凝聚体密实； pH=7~7.5，主要水解产物电中性氢氧化铝聚合物 [Al(OH)3]n起吸附架桥作用，也存在羟基配合物的吸附— 电性中和作用；
（1）压缩双电层 投入电解质，可 压缩胶体的双电 层（即扩散层） 厚度，从而降低 滑动面上的ζ电 位，进而降低排 斥势能峰。 ζk：临界电位
Schulze-Hardy规则：加药量 一价:二价:三价＝1-6: 2-6: 3-6 只有当水的pH小于3时，Al 3+才起压缩双电层作用。
（2）吸附-电性中和作用：
四、水中悬浮物浓度
悬浮物浓度低时，混凝效果差。
原因：影响混凝速率。
对策：投加高分子助凝剂——如：聚丙烯酰胺，吸 附架桥
投加矿物质——增加混凝剂水解产物的凝结 中心，提高颗粒碰撞速率，增加絮凝体密度。 直接过滤
悬浮物浓度过高时，混凝剂用量增加。
对策：投加高分子助凝剂。
五、混凝剂用量：
S表示每升水中含有 的微粒表面积 S4> S3> S2> S1
4 N 0 Gd 3 n 2 3
• 紊流状态，甘布和斯泰因根据一个瞬间受剪而扭 转的单位立方体推导 （甘布公式）
水力絮凝池中
（甘布公式）
• 甘布公式：考虑紊流状态。但未从紊流 规律来解释碰撞速率。
• 列维奇(Levich)等根据局部各向同性紊 流理论推求同向絮凝动力学方程。
碰撞速率
与公式
4 N 0 Gd 3 n 2 3
(6)聚合铁 聚合硫酸铁
[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m
• 优点：适用处理的水浊度变化 范围宽，对原水溶解性铁去处 率高，耗量小，处理后，PH变 化小
2.有机高分子混凝剂 聚丙烯酰胺：
分子式 简称PAM，分子量150万~600万。为合成有机 高分子絮凝剂，属非离子型，主要作用机理 为吸附架桥。可通过水解构成阴离子型 （pH>10），充分发挥吸附架桥作用；也可 通过引入基团制成阳离子型，对负电荷胶体 有更好的混凝效果。
• 生产实践中，通常采用多级絮凝池。每一级可采 用不同的G值，从絮凝开始到絮凝结束，G值逐渐 减小，以保护形成的絮体不被破坏。采用机械搅 拌时，搅拌强度逐渐减小，采用水力絮凝池时， 水流速度逐渐减小。 • 因此，对于水力条件这一影响混凝过程的因素， 通过控制G值或GT值，来实现良好的混合与絮凝。
• 前述采用的G值、GT值，还不能真正反映混 凝过程的实际情况，G值不能表示有效功率 消耗。对混凝机理的研究、对混凝控制指 标的研究仍然在进行，一些研究者提出采 用其他的指标作为混凝过程的控制指标。 • 如：采用 CVGT 或 αCVGT， CV表示颗粒体积浓度，α表示有效碰撞系数 • 但实际应用证明，以G值或GT值作为设计时 的参数，是可以得到较好的混凝效果的。
相似
三、混凝控制指标—G值
• 工程上，混凝过程由混合与絮凝两阶段组 成。 • 混合，是指混凝剂、助凝剂等与水均匀混 合，通过剧烈搅拌实现。其目的是：药剂 快速均匀分散于水中，以利于混凝剂快速 水解、聚合，以及胶体脱稳。 G值：700~1000s-1
• 絮凝阶段，发生颗粒接触、碰撞，逐渐长 大，以同向絮凝为主。 • 絮凝过程中，絮体逐渐长大，容易破碎， 因此G值不宜太大。 • 颗粒的碰撞速率与G值有关，还与GT值有关。 GT值得物理意义为：反映在T时间内单位体 积水中两种颗粒碰撞总次数的无量纲量。 GT值越大，效果越好（n越小）。 • 根据自来水厂的絮凝池计算出的结果，G值 约为 20~70 s-1，GT约为104~105。
1.无机混凝剂 • (1)硫酸铝：Al2(SO4)3· nH2O 精制：Al2O3>15% • (2)明矾：Al2(SO4)3· K2SO4· 24H2O Al2O3：10.6%
(3)聚合铝 简称PAC
化学式：[ Al2(OH)nCl6-n ] m或Aln(OH)mCl3n-m
可看作AlCl3经水解产生Al(OH)3中间产物的聚合体
（3）吸附架桥
高分子物质不论带电与否，都与胶粒有吸附作用。高 分子物质分子链的一端吸附某一胶粒后，另一端会吸 附另一胶粒，形成“胶粒—高分子—胶粒”的絮凝 体。——吸附架桥作用。
投加量过多产生胶体保护作用
（4）网捕作用
当铝盐或铁盐混凝剂投加量很大，形成大量 氢氧化物，可以网捕、卷扫水中胶粒而产生沉 淀分离，成网捕或卷扫作用。为机械作用。
特点：（1）处理高浊度水时效果显著，可减少混凝剂用量及一 级沉淀池容积； （2）常与混凝剂配合使用，视原水浊度高低按一定的顺序投加；
（3）固体不易溶解，在有机械搅拌的溶解槽内配置，配制浓度一 般为2%，投加浓度0.5%~1%；无腐蚀性。 （4）单体有毒性，用于生活饮用水净化时，应符合优等品要求。
二、助凝剂
碱化度
OH B 100% 3Al
工业产品 B＝50～80％
聚合铝的优点
• 1）适用范围广，耗药量少，出水浊度低， 色度小，过滤性能好，原水浊度高时效果 更好； • 2）温度适应性高，pH适用范围宽(pH=5~9) 可不投加碱剂； • 3）设备简单，操作方便，腐蚀性小，成本 较三氯化铁低； • 4）为无机高分子化合物，作用机理(电性 中和与架桥)与硫酸铝相似，但优于硫酸铝。
HCl
胶体颗粒带电的原因
（2）胶体颗粒表面的溶解
酸性 Al 3 Al (OH )3 碱性 AlO2
（3）胶体颗粒表面分子的电离
R-COOH 在碱性溶液中电离带负电 -NH2 在酸性溶液→-NH3· OH带正电
二、胶体的结构
• 胶核 • 双电层 内层离子—电位形成离子 外层离子—反离子
• 常用的助凝剂：骨胶，聚丙烯酰胺及 其水解产物，活化硅酸，海藻酸钠
• 生石灰、氯为广义上的助凝剂。
第三节
混凝动力学
颗粒之间发生絮凝，必须要相互碰撞— 混凝动力学 • 异向絮凝：由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集；
• 同向絮凝：由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集， 也叫剪切絮凝； • 差降絮凝：大颗粒下沉时赶上沉速较小的颗粒， 因而发生碰撞，产生的絮凝现象。
(4)三氯化铁：FeCl3
特点： • 1）对低温、低浊度水混凝效果比硫酸 铝好 • 2）有很强的腐蚀性，加药设备要用耐 腐蚀材料 • 3）原水pH为6~8.4时效果较好，若原水 碱度不足，应加一定量的石灰
(5)硫酸亚铁（绿矾）：FeSO4· 7H2O
Fe2+混凝效果较差，使用前将Fe2+ 氧化成Fe3+