《混凝澄清法》PPT课件.ppt

混凝澄清法（coagulation-flocculation）,学习内容,.混凝的概述.混凝机理.混凝剂与助凝剂4.影响混凝的因素5.混凝设备,1.混凝的概述,1.混凝澄清法的概念 混凝澄清是指在混凝剂的作用下，使废水中的胶体和细微悬浮物凝聚为絮凝体，然后予以分离除去的水处理法。混凝凝聚coagulation：胶体失去稳定性的过程称为凝聚絮凝flocculation：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。,10-10 10-9 10-7 10-4 粒度（m）,真溶液 胶体溶液 悬浮液,混凝法,沉淀法,.2.混凝的去除对象 主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分离出去。,降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质，还能改善污泥的脱水性能。,2.混凝机理,2.1胶体2.1.1 水处理中常见胶体 粘土颗粒（对于d4m），大部分细菌（0.280nm），病毒（10300nm），蛋白质。2.2.2 胶体的性质(1)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。,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：胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）,胶体稳定性,胶核,a.胶核-表面有负电荷，可吸附水中的正离子。,电位离子,反离子,b.电位离子-胶核表面的一层带有同号电荷的离子.,C.反离子-与电位离子电量相等,符号相反的离子.,反离子吸附层,反离子扩散层,(2)双电层结构及其电位,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,d.滑动面-固定层和扩散层之间的交界面。,e.胶团-胶粒和扩散层一起构成电中性的胶体粒子。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,电位-胶核表面上的电位离子和反离子之间形成的电位称为总电位，即电位。电位-胶体滑动面与溶液主体之间的电位称为移动电位，即电位。,扩散层,胶团边界,滑动面,胶粒,吸附层,胶核,电位,电位,q胶体粒子的电动电荷密度，即胶粒表面与溶液主体间的电荷差 扩散层厚度，cm；水的介电常数，其值随水温升高而减小。,电位随温度，p值及溶液中反离子强度等外部条件而变化,2.2.3 胶体的脱稳和凝聚机理,1.基本概念稳定性（stabilization)-胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性。脱稳(destabilization)-胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳.凝聚-脱稳的胶粒相互聚集为微絮粒的过程,称为凝聚.2.混凝的机理混凝可分为压缩双电层、电性中和、吸附架桥、网罗卷带四种机理。,（1）压缩双电层机理(modification of the electrical double layer),加入电解质，加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高时，则扩散层的厚度将减小。该过程的实质是由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。压缩双电层电位稳定性凝聚,溶液中离子浓度与扩散层厚度的关系,溶液中离子浓度低,溶液中离子浓度高,B,A,溶液中离子浓度低时，扩散层厚度为OA,溶液中离子浓度高时，扩散层厚度减小为OB,（2）电性中和机理(electrical neutralization),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，中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，胶粒间的排斥力减小，距离减小，吸引力增大，胶粒得以迅速凝聚。使胶体的脱稳和凝聚易于发生。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。电性中和电位电位稳定性凝聚,（3）吸附桥联机理(polymer bridging of colloids),吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的过程。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 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；但投加过多，会出现“胶体保护”现象；,高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图,形成“胶粒高分子胶粒”的絮凝体,胶体保护：当高分子物质投量过多时，胶粒的吸附面均被被高分子覆盖，两胶粒接近时，就受到高分子之间相互排斥而不聚集。这样就会产生“胶体保护”。,架桥模型,胶体保护示意,（4）网罗卷带机理(entrapment in the floc structure),沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或带金属的碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕，产生沉淀分离。,以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。,.混凝剂及其作用机理,3.1 定 义：为了使胶体颗粒脱稳而聚集所投加的药剂。凝聚剂压缩双电层和电性中和机理起作用；絮凝剂吸附桥联机理起作用；3.2 混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。,3.3分类:目前混凝剂的种类有不少于200300种，分为无机与有机两大系列,无机,铝系,铁系,硫酸铝;明矾,硫酸铝钾 KAL(SO4)212H2O;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;,有机,人工合成,天然,a.阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物;b.阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）;c.非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）;d.两性型,a.淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等;b.微生物絮凝剂,铁铝聚合盐质量衡量标准:盐基度盐基度-产品分子中OH与金属原子的当量百分比,可用下式表示:B=OHn/xRm 100%式中:B-盐基度,%;N-单体分子中OH的个数;Rm-单体分子中Fe或Al的原子个数;X-Fe和Al的化合价.盐基度决定了产品的化学组成,混凝效果等重要性质.,混凝剂的凝聚能力表示:凝聚值凝聚值-使胶体开始脱稳凝聚所需要的最低混凝剂剂量.讨论:混凝剂所产生的反离子价数越高,凝聚值就越小.例如,使负电荷胶体凝聚所需的Na+,Ca2+,Al3+的数量大体呈1:10-2:10-3的比例减少.,实际上，在pH 4时，随着溶液中的OH-浓度的提高，水解产物之间还发生羟基架桥聚合反应，生成不同聚合度的高电荷络离子：,与此同时，生成的多核聚合物还会继续水解,所以水解与缩聚两种反应交错进行，最终结果产生聚合度极大的中性氢氧化铝。当其数量超过其溶解度时，即析出氢氧化铝沉淀物。,A1(OH)(H2O)52+,A12(OH)2(H2O)84+,A1n(OH)2n-2(H2O)2n+4(n+2)+,无机絮凝剂作用机理（1）铝盐的水解过程 在pH 4时，Al3+以Al(H2O)6 3+的形式存在 当pH，发生配位水分子离解，生成各种羟基合铝离子，最终生成氢氧化铝沉淀物。,3.混凝剂的作用机理,（2）铝盐和铁盐在混凝中的作用由于上述聚合和水解反应交错进行，因而其产物必然是多种形态的聚合铝络离子在一定条件下的混合平衡。略去配位H2O分子以后的具体形态可能有：A16(OH)153+、A17(OH)174+、A18(OH)20 4+及A113(OH)345+等。一般地，低pH值下的主要形态是低聚合度的高电荷络离子-（压缩双电层和电荷中和作用）高pH值下的主要形态是高聚合度的低电荷络离子-（吸附桥联作用）pH值在78时，聚合度极大的中性A1(OH)3(H2O)3n占绝对优势-（沉淀的网捕作用）pH8.5时，则重新溶解为A1(OH)4-、A16(OH)202-等负离子-（吸附桥联作用）由上述情况可见，从投加混凝剂开始到反应结束，必然是从简单到复杂的各种产物相继出现并交叉发挥作用的过程。,2.有机高分子絮凝剂作用机理-吸附桥联?/为什么离子型的絮凝效果更有效?（1）如为离子型，而且其电号与微粒电性相反，就能起降低电位和吸附桥联的双重作用。,（2）离子型絮凝剂所带的同电号基团间的静电斥力能使线性分于由卷曲形变为伸展形，捕捉范围增大，活性基团也得到充分暴露，从而使絮凝剂分子与微粒之间发生吸附桥联的机率增大。,1.定义: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。2.分类：pH调整剂：调整水的pH，常用的pH调整剂有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。絮体结构改良剂：加大矾花的粒径，密度和机械强度，如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等,例如当用FeSO4作混凝剂时，则常用O2和Cl2将Fe2+氧化为Fe3+，以提高混凝效果。,3.助凝剂,4.影响混凝的因素,1.废水水质的影响2.混凝剂的影响3.水力条件的影响,1.废水水质的影响,（1）浊度(turbidity)浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。（2）pH值在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。（3）水温(temperature)水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。（4）共存杂质(impurities)有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些物质则不利于混凝的进行。,2.混凝剂的影响,（1）混凝剂种类(kinds of coagulants)混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚;如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。,2.混凝剂的影响,（2）混凝剂投加量(dosage)投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。（3）混凝剂投加顺序(sequence)当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。,3.水力条件的影响,水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合，为此要求速度梯度G在5001000s1，搅拌时间t应在1030s。反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在2070s-1和1530min。,(1)速度梯度G的含义：直径分别为d1和d2的两个微粒，二者在竖直方向上 的中心距为dy，且dy(d1十d2)2。如果两微粒所在的两相邻水层之间有速度差du，且du0，那末两水层在垂直水流方向上单位长度的相对速度变化率dudy就称为二者的平均速度梯度，以G表示，单位为s-1。速梯度实质上反映了颗粒的碰撞机会。,5.混凝设备,5.1 混凝剂的配制与投配5.2 混合反应设备5.3 澄清池,1.投加方式:固体投加(干投）和液体投加（湿投），一般采用液体投加方式 干投方式流程：药剂输送-粉碎-提升-计量-药混合 湿投方式流程：溶解池-溶液池-定量控制设备-投加设备-混合设备,5.1 混凝剂的配制与投配,2.湿投方式投药系统投药系统包括：溶解池、溶液池、计量设备、提升设备、投加设备。(1)混凝剂溶解和溶液配制 a.溶解池-溶解混凝剂的设备（溶解池或陶缸）。溶解池一般为地下式，为加速溶解可设搅拌装置（机械、压缩空气、水泵、水力搅拌等）;溶解池容积可按溶液池容积的20%-30%计算。b.溶液池-配制一定浓度溶液的设施。其容积计算公式为：,式中：W2溶液池容积，m3Q处理的水量 m3/ha混凝剂最大投加量，mg/Lc溶液浓度，一般取5%20%n每日调制次数，一般不超过3次,(3)计量设备-流量计(转子,电磁)；苗嘴；计量泵等。(4)投加设备 1）泵前投加-安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见图6-9。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，见图6-10。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，见图6-11。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，见图6-12。,混合设备功能：混凝剂与原水混合的过程.要求：使投入的药剂迅速均匀地扩散于被处理水中，以创造良好的混凝条件的过程。一般设专门的混合装置，而且紧靠絮凝池，以提高絮凝效果。分类水泵混合；管式混合；机械混合。,5.2 混合和絮凝反应设备,1)水泵混合-将混凝剂溶液在输水泵的吸入管加入，利用叶轮旋转产生的涡流达到混合。简便易行，能耗低，且混合均匀。但水泵离反应器不能太远，否则容易在输水管内形成细碎絮凝体。,2)管式混合-将混凝剂溶液加入压力管，利用管内紊流使药剂扩散于水中。为了提高混合效果，可增设挡板或孔板。无活动部件，结构简单，安装使用方便。,3)机械搅拌混合槽,搅拌桨快速旋转造成的紊流完成混合。槽体有效容积按水力停留时间为1030s计算。桨叶外缘线速度取1530ms。,5.2.2 絮凝反应池,1.絮凝反应池任务-使细小的矾花逐渐絮凝成较大而密实的颗粒。(矾花：原水与药剂混合后，水中胶体等微小颗粒初步凝结产生的细小絮凝体。)2.种类(1)机械搅拌式(2)水力搅拌式:隔板絮凝池；折板絮凝池；穿孔旋流絮凝池;网格絮凝池,(1)机械搅拌反应池-利用电动机经减速装置驱动搅拌器对水进行搅拌，使水中颗粒相互碰撞，发生絮凝。,a.分类搅拌器有浆板式和叶轮式;按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。,b.运行 第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。机械搅拌絮凝池宜分格串联使用，以提高絮凝效果。c.设计参数 絮凝时间1015分。池内一般设34挡搅拌机。搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。桨板总面积宜为水流截面积的1020，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。,(2)水力搅拌式,（一）隔板絮凝池1.类型：分往复式和回转式两种,往复式隔板絮凝池,隔板反应池及平流式沉淀池,隔板反应池,穿孔配水墙,吸泥机,导流墙,上部穿孔出水墙,2.主要设计参数：a.絮凝时间2030min，平均G值3060s-1，GT值104105 b.廊道流速从起端0.50.6m/s，逐步递减到末端0.20.3m/s，一般宜分成46段。c.隔板间距不小于0.5m，转弯处过水断面积为相邻廊道过水断面积的1.21.5倍。d.底坡2%3%，排泥管直径大于150mm。e.总水头损失，往复式0.30.5m，回转式0.20.35m左右。,3.设计计算 絮凝池容积V：池长L：隔板间距b：隔板间距b：平均速度梯度G：,(二)折板絮凝池1.描述 池内放置一定数量的平折板或波纹板，水流沿折板竖向上下流动，多次转折，促进絮凝。即将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。2.分类 a.按折板安装方式分为同波和异波折板(折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”)；b.按水流通过折板间隙数分为单通道和多通道。各类型可组合使用，同波和异波的絮凝效果差别不大，但平板效果较差，只能放置在池末。,3.折板絮凝池设计参数 絮凝时间615min，平均G值3050s-1，GT值大于2104。分段数不宜小于3，前段流速0.250.35m/s，中段0.150.25m/s，末段0.100.15m/s。平折板夹角有9001200两种,由钢丝网水泥板或塑料板拼装而成。折板长0.82.0m，宽0.50.6m，峰高0.30.4m，板间距（峰距）0.30.6m。,(三)穿孔旋流絮凝池1.描述 由若干方格组成(一般不少于6格），格之间的隔墙上沿池壁开孔，孔口上下交错布置，孔口尺寸逐格增大，流速逐渐减小,格内水流为旋流。2.设计运行参数 絮凝时间1525min。起点孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。3.特点 穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。,(四)网格絮凝池1.描述 为多格竖井回流式，每个竖井安装若干层网格或栅条；各竖井之间的隔墙上下交错开孔；每个竖井网格或栅条数自进水端到出水端逐渐减少，一般分三段（密、疏、无）；水流通过网格时，相继收缩、扩大，形成旋涡,造成颗粒碰撞；水流通过竖井之间孔洞流速及过网流速按絮凝规律逐渐减小。2.特点 网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。,3.絮凝池组合应用不同形式的絮凝池组合应用往往可以相互补充，取长补短。如往复式和回转式隔板絮凝池的竖向组合；穿孔旋流絮凝池与隔板絮凝池的组合；隔板絮凝池和机械搅拌絮凝池的组合等，可达到良好的絮凝效果。,5.4 澄清池,1.概述 澄清池(clarifier)是用于混凝处理的另一种设备。在澄清池内，可以同时完成混合、反应、沉降分离等过程。,2.特点优点 占地面积小，处理效果好，生产效率高，节省药剂用量.缺点 对进水水质要求严格，设备结构复杂。,3.分类从泥渣与废水接触方式不同，澄清池可分为两大类：一类是悬浮泥渣型，有悬浮澄清池，脉冲澄清池；另一类是泥渣循环型，有机械加速澄清池和水力循环加速澄池清,泥渣悬浮型澄清池工作原理：加入药剂的原水上升使池内泥渣呈悬浮状态，水流由下而上通过悬浮状态的泥渣层时，絮体被泥渣层拦截下来。其作用类似过滤。浑水通过悬浮层即获得澄清；被拦截下的杂质使悬浮泥渣颗粒变大，沉速提高。,钟罩式脉冲澄清池,出水,泥渣,脉冲澄清池的工作过程可分为两个阶段，从进水室水位开始上升到虹吸作用开始称为充水阶段，由虹吸作用开始到虹吸作用破坏称为放水阶段。脉冲澄清池两次充水相隔时间称为脉冲周期，约3040s,其中充水时间约为2530s，放水时间510s。,泥渣循环分离型澄清池工作原理：依靠外力，使池内泥渣在竖直方向上不断循环，在运动中捕集水中的微絮粒，并在分离区加以分离,机械加速澄清池示意图,混凝剂,水力循环澄清池,原理：依靠水力作用，使加入药剂的原水经喷嘴高速喷入喉管，在喉管下部的喇叭口附近造成真空而吸入回流泥渣，原水与回流泥渣在喉管中剧烈混合后，送入第一絮凝室和第二絮凝室接触，再进入分离室进行泥水分离。清水排出，泥渣下沉，部分进泥渣浓缩室浓缩后排出，部分被吸入喉管重新循环。,