混凝工艺

影响水混凝的主要因素 影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括： ①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质 性质和浓度等； ②投加的凝聚剂种类与数量； ③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
水温影响
水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮 凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原 因有：
①无机盐水解吸热； ②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱； ③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝 聚； ④水温与水的pH值有关
常用的混凝剂
铝系 无 机 铁系 硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 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） 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯 （PEO） 两性型： 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 天然 微生物絮凝剂 使用极少 适宜pH：5.5~8
0
4 2 3 = n d G 3
Δu G= Δz
在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪切而扭转的隔 离体，Δ x • Δ y • Δ z 见图。设在时间Δ t 内，隔离体扭转了 θ 角度，于是Δω 角速度为：
1 Δθ Δl Δu Δω = = • = =G Δt Δt Δz Δz
△ Δ Δ
Δ
τΔx·Δy
滑动面
电位Φ
电位Φ
Ⅱ Ⅰ δ Ⅲ δ δ δ
Ⅰ δ
Ⅱ 距离 Ⅲ
（1）
距离
（2）
距离
（3）
（2）吸附－电性中和
这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带 异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低ζ电 位。其特点是：当药剂投加量过多时，ζ电位可反号。
2．吸附架桥
吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之 间的架桥，架桥模型示意见图。 高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象： ①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； ②但投加过多，会出现“胶体保护”现象；
加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力将部分反离子挤压到吸 附层中，从而使扩散层厚度减小。 由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间 排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。
Φ （-） 负离子 滑动面 原有正离子 投加的正离子 Φ （-）
滑动面
N p = 8π dD B n 2
DB =
式中：DB： 布朗运动扩散系数， 因此： 8 2
Np = 3υρ KTn
KT 3π d υρ
；
故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无 关。但当颗粒的粒径大于1μm，布朗运动消失。
同向絮凝 1.层流理论
层流条件下颗粒的碰撞示意见。 颗粒的碰撞速率按下式计算： N
水中胶体的稳定性
胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态 的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两 种。 动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能 力强。 聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）； ②水化膜的阻碍（亲水性胶体） 在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体 稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒的双电层结构见图。
胶粒 高分子 胶粒 排斥 胶粒
高分子 排斥
高分子
图 6-5 架桥模型示意
图 6-6 胶体保护示意
3．网捕或卷扫
金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。 所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含 量少时，所需混凝剂多，反之亦然。
混凝剂和助凝剂
混凝剂应符合以下要求： ①混凝效果好； ②对人体无危害； ③使用方便； ④货源充足，价格低廉。 目前混凝剂的种类有不少于200－300 种，分为无机与有机两大系列，
水射器投加 利用高压水通过水射喷嘴和喉管之间 真空抽吸作用将药液吸入，随水注入 原水管
1 2 4 6 7 3 1 8 高压水 6 5
2
3
5 4
水射器
1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱； 5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水； 1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗； 4-水射器；5-压水管；6-高压水管
Δ
△θ
Δ
扭 转 方 向
Δ
转矩 ΔJ 为：
Δ J = (τ Δ x Δ y )Δ z
于是单位体积水所耗功率p为：
ΔJ • Δω τ Δ xΔ yΔ z • G p= = = τG Δx • Δy • Δz Δ xΔ yΔ z
由于 τ = μG ，故
G =
p
μ
当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当 采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能 量，由下式决定：
2．给水处理的基本工艺 给水处理可以分为两大类： （1）饮用水处理 （2）工业用水处理 其中，饮用水处理的工艺可以分成： （1）饮用水常规处理工艺 （2）在饮用水常规处理工艺的基础上，增加预处理和 (或)深度处理的 饮用水处理工艺 （3）其他特殊处理工艺
(1)
饮用水常规处理工艺
在以地表水为水源时，饮用水常规处净水厂处理工艺如 下图。
stern层 粒子带电，这些电荷的主要 来源是从水溶液中选择性地 吸附某种离子：吸附正离子 胶粒带正电，吸附负离子带 负电，但整个溶液是电中性 的，故还应有等量的反离子 存在。 固粒表面吸附的离子和溶 液中的反离子构成双电层
滑动面
扩散层
胶 核
根据Stern双电层理论可将双 电层分为两部分，即Stern层 和扩散层。 当固体粒子在外电场的作 用下，固定层与扩散层发生相 对移动时的滑动面即是剪切 面，该处的电位称为Zeta电位 或电动电位（ζ-电位）
W1=（0.2~0.3）W2
式中: W2为溶液池容积。
W
2
24 × 100 aQ aQ = = 1000 × 1000 cn 417 cn
式中：W2——溶液池容积，m3
Q——处理的水量 m3/ h a——混凝剂最大投加量，mg/L c——溶液浓度，一般取5%~20% n——每日调制次数，一般不超过3次
混凝机理
电性中和作用机理
电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理。 （1）压缩双电层 加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双 电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生 凝聚作用。 该机理认为ζ电位最多可降至0。 因而不能解释以下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效 果反而下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良 好的混凝效果。
适宜pH：5~11，但腐蚀 性强
国外开始增多，国内尚 少
人工 合成 有 机
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝， 性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩 尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计 算：
[ OH ] B = 3 [ Al ]
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前 常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯 化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。
凝聚动力学
混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴 颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：
(1)颗粒在水中的布朗运动； 异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。 (2)在水力或机械搅拌所造成的流体运动。 同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰 撞聚集称同向絮凝
异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按下式计算：
水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤 如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的 用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水 常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。
混凝剂的配制与投加
混凝剂的溶解和溶液配制 溶解池容积 W1：
混凝剂 混凝 沉淀 过滤 氯 清水池
预加氯
源水
管网
在以地下水为水源时，饮用水常规处理的主要去除对象 是水中可能存在的病原微生物。处理工艺流程见图。
井水 氯
清水池
管网
第三章 混 凝
混凝机理 混凝机理
基本概念 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为 混凝，是凝聚和絮凝的总称。 凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。 絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。 混凝过程涉及： ①水中胶体的性质； ②混凝剂在水中的水解； ③胶体与混凝剂的相互作用。
pV = ρ gQh V = QT
则采用水力絮凝池时，
G =
gh νT
混凝控制指标
自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺 上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。 混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌 的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、 聚合、及颗粒脱稳。平均G＝700-1000s-1，时间通常在10～ 30s，一般<2min散药剂，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在 颗粒间异向絮凝。 絮凝过程 ：在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗 粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有 关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制 指标。 平均 G＝20－70s-1， GT＝1～104－105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。
水处理的基本方法与基本工艺
1．给水处理的基本方法 对于去除水中各类杂质和污染物质，有多种方法可供 在给水处理中使用、选择与组合。
(1) (2) (3) (4) (5)
去除颗粒物(包括胶体颗粒和悬浮颗粒)的处理方法 去除、调整水中溶解(无机)离子、溶解气体的处理方法 去除有机物的处理方法 消毒方法 冷却方法
混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学 模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型 实行加药自动控制的关键是：必须要有前期大量而 又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符 合实际生产的数学模型。适用特定原水条件，水质 仪表多，投资大。
2. 现场模拟试验法 采用现场模拟装置来确定和控制投药量是 较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管 沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低 时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜 管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈 滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的 差别，但与实验室相比，更接近实际情况。
Ⅱ
δ
ζ d
胶体双电层结构示意图
の
Ⅰ
ZETA 电位是对颗粒之间相互排斥或吸引力的强度的度量。 ZETA 电位的测量使我们能够详细了解分散机理，它对静电 分散控制至关重要。
滑动面上的电位：称为ζ电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。 也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄 及至消失。
与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点： ①适用的pH值范围较宽； ②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实； ③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； ④但三氯化铁腐蚀性较强。 硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便 将二价铁氧化成三价铁
助凝剂
助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称 为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广 义上可分为以下几类： ①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等； ②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂； ③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加 Cl2、O3等。
水的pH和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有 关。 混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。 当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成H+，但水中碱 度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。
石灰投量按下式估算：
[CaO]=3[a] – [x] + [δ] 式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L； [a]：混凝剂投量，mmol/L； [x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计； [δ]：保证反 应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通过试验决定。
混凝剂投加
混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要 的水封箱以及注入设备等。
1.计量设备
计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。
2.投加方式 （1）泵前投加 （2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远 者，安全可靠，但溶液池位置较高。 （3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度 不会受太大限制，但效率低，易磨损。 （4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控 制系统，有利于药剂与水混合。
泵前投加
药液投加在水泵吸水管或吸水喇叭口处
5
浮球阀
3
溶液池
恒位箱
4
苗嘴 6 水封箱 5
7
h
2提升泵
ຫໍສະໝຸດ Baidu
提升泵
9
10 压水管
溶解池 1
吸水管 8
安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者， 水封箱是为防止空气进 入。
计量泵投加
2
1
3
1-溶液池；2-计量泵；3-压水管
高位水箱溶液重力投加 利用重力将药液投入水泵压水管上 或混合池入口处