常规给水处理工艺 混凝.ppt

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1、第15章 混凝（coagulation）,15.1混凝机理15.2混凝剂与助凝剂15.3混凝动力学15.4影响混凝效果的主要因素15.5混凝剂的配制与投加15.6混合与絮凝设备,在上一章,我们已经讲过,水中的杂质分为悬浮物、胶体和溶解物，而我们给水处理的主要对象是细小的悬浮物和胶体微粒。我们下面以不同粒径的微粒所需要的沉淀时间来看，混凝处理的必要性。,15.1 混凝机理,粒径 沉降1m所需的时间 10mm 砾砂 1s 1mm 粗砂 10s悬浮物 0.1mm 细砂 2.1min 0.01mm 泥 1.83h 1m 细菌 183h 0.1m 765d胶体 0.01m 20a 1nm 200a,由以

2、上计算看出，水中细小悬浮物及胶体杂质靠自然沉淀是无法去除的的，或者说需要很长的时间，这在工程上是很不经济的。对于这类物质的去除要用到我们下面讲的混凝沉淀来解决。混凝处理的对象：水中常常不能用自然沉淀法除去的细小的悬浮物和胶体物质。,混凝的办法：1、首先投加化学药剂来破坏胶体和悬浮微粒在水中形成的稳定分散系，使其聚集为具有明显沉降性能的絮凝体。2、再用重力沉降法予以分离。,混凝的定义：通过投加化学药剂使水中胶体颗粒和细小的悬浮颗粒相互聚集，这一过程称为混凝，包括凝聚(aggregation)和絮凝（flocculation）两个步骤。凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程，而絮凝则指微絮粒通过吸

3、附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。,混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质 混凝剂在水中的水解与形态 胶体与混凝剂的相互作用,1、胶体稳定性 胶体稳定性：系指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。,15.1.1 胶体的稳定性,胶体稳定性分“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。,动力学稳定性:由于胶体颗粒很小，受到来自各个方向水分子热运动的撞击不均衡，做无规则的高速运动，可以克服重力不下沉，能够均匀地分散在水溶液中。系指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。聚集稳定性：系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。憎水性胶体：胶体带电相斥 亲水性胶体：水化膜的阻碍其中聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关

4、键作用。,电位离子层：在胶体粒子的中心是胶核，它由数百乃至数千个分散相固体物质分子组成，在胶核表面，吸附了一层带同号电荷的离子。反离子层：为维持胶体离子的电中性。在电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同，而电性相反的离子。双电层结构：电位离子层与反离子层构成了胶体粒子的双电层结构。,2、胶体的双电层结构,胶体结构示意图,电位离子层构成了双电层的内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层总电位的符号和大小。反离子层构成了双电层的外层。按其与胶核的紧密程度，反离子层又分为吸附层和扩散层。反离子吸附层：紧靠电位离子，并随胶核一起运动，和电位离子层一起构成了胶体粒子的固定

5、层。反离子扩散层：固定层以外的那部分反离子。它由于受电位离子的引力较小，因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度相等。,滑动面：吸附层与扩散层的交界面在胶体化学上称为滑动面。胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒。胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶团，称为胶团。由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的，其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差。其电性与电位离子电性相同。胶体的电动电位（电位）：当胶体粒子运动时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团，向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电荷数值，符号与电位离子相同），

6、使胶粒与扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶体的电动电位，常称为电位。,总电位或电位：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差则称为总电位或电位。在总电位一定时，扩散层愈厚，电位愈高，反之，扩散层愈薄，电位愈低。电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相凑近和接触碰撞，并在水分子的无规则撞击下做布朗运动，使胶粒长期稳定地分散于水中。电位的大小反映胶粒带电的多少，可以用来衡量胶体稳定性的大小。电位愈高，胶体的稳定性就愈高。,电位离子层反离子层双电层结构吸附层和扩散层滑动面胶粒胶团（胶体粒子）胶体的电动电位（电位）总电位或电位,电位决定了憎水胶体的聚集稳定性一般粘土电位-15-40mV 细菌电位-30-7

7、0mV,3、胶体之间的相互作用（DLVO理论）,胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能大小，分别由静电斥力与范德华引力产生。静电斥力：ER1/d2范德华引力：EA1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出两者的综合作用图。,当胶体距离xoc时，吸引势能占优势；当oa x oc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。另一方面，胶体的布朗运动能量Eb1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。其中：k：波兹曼常数，T：温度在常温条件下：EbEmax（势垒）,胶体距离xoa，稳定,以上称为DLVO理论。只

8、适用于憎水性胶体。德加根（Derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938年独立提出;伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）,15.1.2 硫酸铝盐在水中的化学反应,最常用的混凝剂是铝盐和铁盐。将硫酸铝Al2（SO4）318H2O溶于水后，立即离解出Al 3+，实际上，由于H2O是极性分子，在pH4的条件下，通常水溶液中的Al 3以六水合铝离子Al(H2O)63+形式存在，如pH值升高，A1(H2O)6 3就会发生水解，生成各种羟基络合铝离子。随着pH值的升高，水解逐级进行，最终将形成氢氧化铝沉淀。,水解过程 配位水分子发生水解：,结果：价数降低

9、，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀。由于氢氧化铝是一个典型的两性氢氧化物，当pH继续增高时，可以继续水解，生成可溶性的阳离子。,缩聚反应 当然，实际反应要复杂得多。当pH4时，羟基络合铝离子增加，各离子的羟基之间还可发生架桥连接(OH)，产生多核羟基配合物(这是一种高分子缩聚反应)，它们还会继续水解。发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基配合物）。,结果：电荷升高，聚合度增大，同时多核羟基络合物还会继续水解。水解反应与缩聚反应交错进行，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、单核羟基配合物、多核羟基配合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。,当

10、pH3时，水中的铝以 形态存在；当pH=45时，水中以多核羟基配合物为主；当pH=6.57.5时，水解产物将以氢氧化铝沉淀为主；当pH8.5时，存在。,水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳。使胶体脱稳的机理可归结为以下四种。(1)压缩双电层(2)吸附电性中和作用(3)吸附架桥作用(4)网捕 卷扫作用,15.1.3 混凝机理,(1)压缩双电层,根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。电解质加入与反离子同电荷离子压缩双电层电位稳定性凝聚,定义:向水中投加电解质后，水中与胶粒上反离子具有相同电荷的离子浓度增加了。这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换或挤

11、入吸附层，使胶粒带电荷数减少，降低电位，并使扩散层厚度缩小。这种作用称为压缩双电层。,电位0，等电状态，实际上混凝不需要电位0，只要使Emax=0即可，此时的电位称为临界电位。,示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三角洲。,但该理论不能解释：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混凝效果好。这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范德华力、氢键及共价键力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。3）各种电解质离子压缩双电层的能力是不同的。在浓度相等的条件下，电解质离子破坏胶体稳定的能力随离子价的增高而加大。

12、这种能力大致与离子价数的26方成比例。,实验表明，对同一胶体体系，要获得相同的压缩双电层效果时，用一价离子，浓度需25150mmolL，用二价离子浓度只要0.52mmolL，而用三价离子则浓度可小到0.010.1mmolL。,(2)吸附电性中和作用,定义：吸附电中和作用是指胶粒表面对异号离子，异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了它的部分或全部电荷，降低 电位,减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。这一点与第1条机理不同。在铝盐混凝的过程中，水解的多核羟基络合物主要起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的Al3+产生的单纯压缩双电层作用。其特点是

13、：当药剂投加量过多时，电位可反号。引起胶体的重新稳定.,吸附电中和,图为吸附电中和的示意图左图表示高分子物质的带电部位与胶粒表面所带异号电荷的中和作用右图则表示小的带正号胶粒被带异号电荷的大胶粒表面所吸附。,(3)吸附架桥作用,定义：向水中投加高分子化学药剂，分散体系中的胶体颗粒通过吸附有机或无机高分子物质架桥连接，凝聚为大的聚集体而脱稳聚沉，此时胶体颗粒之间并不直接接触，高分子物质在两个胶体颗粒之间像一座桥一样将他们连接起来。这就是吸附架桥作用。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。如下图所示。,胶体保护可理解为：当全部胶粒的吸附面均被高分子覆盖以后，两胶粒

14、接近时，就受到高分子的阻碍而不能聚集。,吸附架桥,(4)网捕与卷扫作用,定义：向水中投加含金属离子的化学药剂后，由于金属离子的水解和聚合，会以水中的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者在这种沉淀物从水中析出的过程中，会吸附和网捕胶粒而共同沉降下来，这称为网捕作用。当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中胶粒以致产生沉淀分离。如下图所示。,网捕,小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象 根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理。pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络

15、合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕。天然水体一般阳离子型高分子混凝剂对负电荷的胶粒电性中和与吸附架桥双重作用，非离子型和阴离子型高分子混凝剂只能起吸附架桥作用。,混凝过程,凝聚（coagulation）带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和电位脱稳凝聚，生长成约d=10特点：剧烈搅拌，瞬间完成 在混合设备中完成,2絮凝（flocculation）通过高聚合物的吸附架桥。脱稳胶粒生长成大矾花（）的过程。特点：需要一定时间，搅拌强度从强弱 在絮凝设备(反应池)中完成,15.2 混凝剂与助凝剂,一、混凝剂1、混凝剂的要求：混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；贷源充足，价格低廉。

16、2、分类：种类有不少于200300种，按化学成分可分为无机混凝剂和有机混凝剂两大类。,常用的混凝剂,硫酸铝为白色有光泽结晶体，分子式Al2(SO4)18H2O，分为精制（杂质含量不大于0.5%，Al2 O3 含量不小于15%）和粗制(杂质含量不大于2.4%，Al2 O3 含量不小于14%)两种。特点：混凝效果好，使用方便，对处理后的水质无不良影响，但处理低温、低浊水效果差。主要是由于硫酸铝水解反应是一个吸热反应，在低温条件下，絮凝体松散。天然矿物明矾也是一种铝盐（Al2(SO4)3 K2SO424H2O）,1）无机盐类混凝剂（1）硫酸铝,（一）混凝剂,（2）三氯化铁,三氯化铁为黑褐色有金属光泽

17、结晶体，分子式FeCl36H2O，极易溶于水。其中FeCl3含量达92%，不溶杂质小于4%。与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：适用的pH值范围较宽；絮凝速度快，絮凝体密实，沉淀性能好；处理低温低浊水的效果好；但三氯化铁腐蚀性较强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀；除色效果不好；易潮解，不易保管。,（3）硫酸亚铁,硫酸盐铁为半透明绿色结晶体，俗称绿矾。分子式为FeSO47H2O，易溶于水。特点：只能离解出Fe2+生成简单的单核络合物，混凝效果比Fe3+差；水中残留的二价铁离子使处理后的水带色；Fe2+与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。,为了提高硫酸亚铁的混凝效果，若将投入水中

18、的二价铁离子氧化成三价铁离子，则可以克服以上的缺点。一般采用调节pH值、加入氯、曝气等方法。,2）高分子混凝剂,（1）聚合铝,聚合铝包括聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铝（PAS）.聚合氯化铝（PAC）又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。化学式子是Al2(OH)nCl6-nm,其中，m为聚合度，通常小于10，n=15，分子量在1000左右。,B=OH/3Al=n/3*2此值行业标准要求达到：5080%，用铝灰，酸溶、碱溶法制成的多核配合物。与无机盐类混凝剂比较，具有以下特点：形成絮凝体的速度快，絮凝体大而密实，沉降性能好；投药量小(1/2_1/3)；对原水的适应性好，混凝效果好且稳定；

19、适用的pH范围宽；腐蚀性小。,式中，OH和Al数目之比代表了水解和聚合反应的程度，此值与混凝效果密切相关。羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度（盐基度）B，按下式计算：,(2)聚合硫酸铁（PFS）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，它是一种红褐色的粘稠液体。它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小，处理后水的色度和铁离子含量均较低。(3)聚丙烯酰胺(PAM）非离子型聚合物。聚合度一般为2000090000，分子量达到150600万。对胶体具有强烈的吸附作用。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。(4)阴离子型聚丙烯酰胺（HPAM）由于聚丙烯酰胺的酰胺

20、基之间的氢键作用，线性分子往往不能完全展开，因此，在碱性条件下，部分水,（5）阳离子型聚合物 一般带氨基、亚氨基或季氨基的水溶性聚合物。由于天然胶体带负电，混凝效果优良，但价格较贵。目前，有机高分子混凝剂单体的毒性没有解决，不能用于给水处理，大多作为助凝剂使用。,解变成羧基，带负电，在静电斥力的作用下，使分子伸展，充分发挥吸附架桥作用，但负电过强，对絮凝产生阻碍，因此，控制水解度30%40%。,混凝剂的发展方向,无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝

21、（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）,无机有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂,（二）助凝剂,（1）pH调整剂 在原水pH值不符合工艺要求，或在投加混凝剂后pH值发生较大变化时，就需要投加酸性或碱性物质予以调整。常用的pH调整剂有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。（2）絮体结构改良剂 为了加大絮体的粒径、密度和机械强度。这类物质有水玻璃、活化硅酸（SiO2.nH2O）、

22、骨胶、海藻酸钠、粉煤灰、粘土、高分子絮凝剂等。,当单独使用混凝剂不能取得良好效果时，需投加某些辅助药剂以增强混凝效果，这种能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂我们称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。1、作用,（3）氧化剂 当原水中的有机物含量较高时，容易形成泡沫，不仅使感观性状恶化，絮凝体也不易沉降。此时，应投加Cl2、Ca(ClO)2和NaClO等氧化剂来破坏有机物。2、常用的助凝剂 骨胶、聚丙烯酰胺及其水解产物、活性硅胶、海藻酸钠等。,15.3 混凝动力学,混凝动力学：研究颗粒碰撞速率和混凝速率问题的科学。应包括混合过程和絮凝过程中的动力学，即凝聚动力学和絮凝动力学，但由于混合

23、过程时间很短，絮凝时间长，因此，主要讨论絮凝动力学。颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。,颗粒间的碰撞是混凝的首要条件混凝动力学 一、异向絮凝二、同向絮凝三、混凝控制指标,一、异向絮凝动力学,定义：脱稳的胶体颗粒由于布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。在这一过程中，单位体积水中颗粒数减少，而颗粒的总质量不变，颗粒的絮凝速率取决于颗粒的碰撞速率。单一分散相颗粒浓度n，由于布朗运动相碰而减少的速率可以表示为n的二级反应动力学。式中，kp为速率常数，,则，,因此，布朗运动造成的颗粒碰撞速率与温度成正比，与颗粒密度的平方成正比，与颗粒尺寸无关。,

24、将上式积分得：,则半衰期为,颗粒的碰撞速率：,n：颗粒数量浓度；：运动粘度；K:波兹曼常数，颗粒碰撞后产生聚集的分数。,如果温度为20度，水中颗粒浓度为105个/mL，则计算出半衰期为23d,因此，靠布朗运动进行絮凝是不现实的，只有刚脱稳的小颗粒才有布朗运动，当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,二、同向絮凝动力学,定义：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。其理论仍在发展之中。最初的同向絮凝理论基于层流的假定推导的。1、层流同向絮凝 设水中颗粒为均匀球体，则：,碰撞速率,d：颗粒粒径(速度梯度)（相邻两流层的速度增量）,从上式看出，同向絮凝与水中杂质的性质和水力特性有关。其中，

25、G是控制混凝效果的水力条件。G可由水流所耗功率p来计算。,在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪切而扭转的隔离体，。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为：,转矩 为：于是单位体积水所耗功率p为：由于，故,这就是1943年发明的理论，甘布公式,：动力粘度，Pa/sp：水流所耗功率，W/m3水力搅拌时 pVgQh（由水流本身能量消耗提供）水流体积VQT：运动粘度，m2/sh：水头损失，mT：水流在混凝设备中的停留时间，s。,2.同向紊流理论 同向紊流理论：外部施加的能量形成大涡旋；大涡旋将能量输送给小涡旋；小涡旋将能量输送给更小的涡旋；只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞。各向同性

26、紊流条件下的颗粒碰撞速度：,式中，紊流扩散系数，,，,为相应于尺度 的脉动速度。,故，,式中，,我们可以看出，上式与甘布公式很相似，只是系数不同。由于，大漩涡传递能量而不消耗能量，消耗能量的主要是受粘性影响的小漩涡，因此，仍然可以用甘布公式。,所需的絮凝时间：,PF型反应器：,CSTR型反应器：,m个絮凝池串联：,书中p268计算表明：要达到相同的混凝效果，推流式反应器所需的时间最短，完全混合式所需时间最长，一般采用几个CSTR串联，串联的级数为34级。,三、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。用G可以来判断混合和絮凝的

27、程度。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G7001000s-1，时间通常在1030s，一般2min此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。,絮凝过程：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G2070s-1，GT1（104105）随着絮凝的进行，G值应逐渐减小 实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC（建议值100），C：颗粒浓度,15.4 影响混凝效果的主要因素,影响混凝效

28、果的因素比较复杂，主要包括：原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；投加的凝聚剂种类与数量；使用的絮凝设备及其相关水力参数。,1、水温的影响 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。原因：无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难。低温水的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶粒脱稳凝聚。同时，水的粘度大时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚。而且水化膜内的水由于粘度和重度增大，影响了颗粒之间粘附强度。水温与水的pH值有关。水温低时，水的pH值提高，相应地混凝最佳pH值也将提高。,2、pH

29、值 水的pH值对混凝效果的影响程度很大，主要从两个方面来影响混凝效果。1.水的pH直接与水中胶体颗粒的表面电荷核电位有关，不同pH下胶体颗粒的表面电荷和电位不同，所需的混凝剂数量也不同。2.水的pH值对混凝剂的水解反应有显著影响，不同的混凝剂的最佳水解反应所需的pH值范围不同。3.混凝时的最佳pH范围还与原水水质、去除对象等密切相关。,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；：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.250.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通过试验决定。,当混凝剂加入原水中，发生水解反应，反应产生

30、的H+会消耗水中碱度。特别是投加无机盐类凝聚剂或混凝剂投量比较大时，消耗的碱度过多，造成水的pH值下降，如果水的pH超过混凝剂的最佳混凝pH值范围，混凝效果将受到影响。当原水碱度不够或混凝剂投量大时，需要投加石灰。石灰投量按下式估算：CaO=3ax,3、碱度,3、水中杂质成分、性质、浓度 粒径级配、化学组成、带电性能、吸附性能粒径细小而均一不好 有机物的影响 吸附在胶体表面，使其高度稳定 溶解盐类的影响 钙镁离子有利，氯离子无利 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。对策：1）加高分子助凝剂 2）加粘土，增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高絮凝体的密实性 3）投加混凝剂后直接过滤,4、混凝

31、剂种类与投加量的影响 不同的混凝剂其水解特性和适用的水质情况不完全相同，因此应根据原水水质情况选择合适的混凝剂。5、混凝剂的投加方式的影响 混凝剂的投加方式有干投和湿投两种。由于固体混凝剂和液体混凝剂甚至不同浓度的液体混凝剂之间，其中能压缩双电层或具有吸附电性中和能力的混凝剂的水解形态不完全相同，因此，投加到水中产生的混凝效果也不完全一样。硫酸铝以稀溶液投加较好，而三氯化铁以干投或浓溶液形式投加较好。6.水力条件的影响,15.5 混凝剂的配制与投加,一、混凝剂的溶解和溶液的配制 混凝剂的投配方法分干投法与湿投法两种。实践中多用湿投法。湿投法也就是将固体混凝剂溶解后，配制成一定浓度的溶液投入到水

32、中。对于液体混凝剂，加水稀释到一定的浓度后投加。1、投配流程,下图为溶药、配药及投药过程和设备的示意图。,药剂的溶解和投加过程,2、溶解池 固体转化为液体的装置。溶解池的形状可以是圆的、方形和矩形。溶解池的结构：钢制 小型水厂 混凝土 大中型水厂溶解池的大小与水厂的规模和药剂种类有关。溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2 式中W2为溶液池容积。,3、溶液池 将经过溶解的混凝剂稀释到可以投加的浓度。,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。4、搅拌方式搅拌目的：加速药剂溶解。搅拌装置：机

33、械搅拌、压缩空气搅拌及水力搅拌。,机械搅拌：以电动机驱动浆板或涡轮搅动溶液。特点：溶药效果好，但投资及设备维修工作量大。压缩空气搅拌：向池内通入压缩空气进行搅拌。特点：与机械搅拌相比溶解速度慢，动力消耗大，但因为没有与溶液直接接触的设备，维修工作量小。适用于适用于各种规模的水厂和各种混凝剂的溶解。水力搅拌：利用水厂的高压水直接对药剂进行冲溶和淋溶或水泵循环的方式。前一种方式的特点：节省机电设备，溶药效率低、不充分，适用于中小水厂和极易溶解的药剂。后一种方式的特点：与前一种方式相比，溶药效率高，但是仍然不够快。,溶解池,溶液池,二、混凝剂的投加,1计量设备 要求：投量准确且能随时调节，设备简单，

34、工作可靠，使用方便。常用计量设备：1）转子流量计 不准确 2）电磁流量计 3）孔口和苗嘴 在一定液位下，一定孔径的孔口或苗嘴，出流量一定 准确简单 4）计量泵 准确但贵,2、投加方式混凝剂的投加方式有多种分类。按混凝剂的状态分为干投和湿投。按投加的位置分泵前投加和泵后投加。按投加的动力源分重力投加和压力投加。常用的湿投加方式,（1）泵前投加 将药剂投加到水泵的吸水管或吸水喇叭口处。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。（2）高位溶液池重力投加 混凝剂溶液从较高的溶液池依靠重力自动流加到原水中（压水管或混合池的入口）。安全可靠，适用取水泵房距水厂较远者，但溶液池位置

35、较高。（3）水射器投加 利用高压水通过水射器喷嘴和喉管之间形成的真空抽吸作用将药液吸入。设备简单，使用方便，溶液池高度无特殊要求，但效率低，易磨损。（4）泵投加 如果选择计量泵投加，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。如果选择离心泵投加，需另配备计量设备。,3投加量的自动控制,最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量。由于影响混凝的因素复杂、水厂运行中水质、水量不断变化，故为了达到混凝剂的最佳投量且能随时调节、准确投加一直是水处理技术人员研究的目标。我国大多采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。该方法简单易行，但从试验结果到生产应用滞后，一般滞后

36、13h，且实验条件和生产条件也很难一致，为了提高混凝效果、节省投药量发展了多种混凝自动控制技术。自动控制方法：,1）数学模型法 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

37、一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。,3）特性参数法 影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体电位有正相关关系,而混凝后胶体电位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。缺点是投药量与流动电流很少相关。,透光率脉动法是利用光电原理检测水中絮凝体颗粒尺寸和数量的变化，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。絮凝颗粒

38、影像检测控制法是由絮体图像采集传感器获得絮凝体图像数据，输入计算机进行图像处理，并根据絮凝体图像判别混凝药剂投量是否合适，然后反馈给投药控制单元调节混凝剂投加量。,15.7 混合和絮凝设备,混合的目的：迅速均匀地将药剂扩散到水中，以创造良好的水解凝聚条件，与此同时，胶体脱稳随即完成，并借助布朗运动和水流紊动进行凝聚。在此阶段不要求形成大的絮凝体。这一过程要求搅拌强度要大，使水流产生激烈的湍流，但混合时间要短，一般不超过2分钟。,、混合设备,1、水泵混合 投药投加在水泵吸水管上或吸水喇叭口处。利用水泵叶轮的高速旋转达到快速混合目的。特点：混合效果好，不需另建混合设备，节省动力，适用于各种类型水厂

39、。不适用于取水泵站距离处理构筑物较远的场合，因为可能在管中过早形成絮凝体，流出时容易破碎，且管中流速小时，容易在管中沉积，一般要求小于150m。另外也不适用于混凝剂具有较强腐蚀性时，长期运行可能对水泵叶轮有腐蚀作用。,2、管式混合 1）管道混合将药剂直接投到水泵压水管，借助管中流速进行混合。特点：简单易行，不需另建混合设备，但混合效果不稳定，特别是流速低时混合效果不充分。要求：管中流速大于1m/s，一般采用1.52.0 m/s，水头损失0.30.4m，投药点至末端出口的距离不小于50倍的管道直径。G=200500s-1。,2）管式静态混合器 混合器内安装若干固定混合单元，每个混合单元由若干固定

40、叶片按一定的角度交叉组成。使水流产生分流和旋流达到混合目的。特点：构造简单、无活动部件、安装方便、混合快速而均匀，流量小时效果下降。3）扩散混合器 在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，孔板处流速为1.01.5m/s，混合时间23s。节管长度不小于500mm。水头损失约0.30.4m。直径在DN200DN1200。,3水力混合,1）隔板混合池：利用水流受到局部阻流而产生的湍流来达到混合目的。设三块隔板，最后一道隔板后的槽深不小于0.40.5m；槽内流速0.6m/s；缝隙流速1m/s，缝隙下淹没水深0.10

41、.15m；总水头损失0.4m。适用于流量变化不大的大中型水厂，池深较浅，占地大。,2）跌水混合：利用水位的突然跌落所产生的水流急剧搅动达到混合目的。有水跃式和跌水混合池两种。水跃式一般设在进水明渠上，水流自由跌落形成水跃，产生水流的急剧搅动，混凝剂加在水流最为湍急处，要求：上下游水位差大于0.5m，过堰流速大于3m/s。适用于大中型水厂，自流进水且又富余水头。,水跃式混合池,跌水混合池 利用水流在跌落过程中产生的冲击达到混合的效果。,3）涡流式混合设备,设计要点：底部锥角30-45；反应时间1-1.5min，2min；入口流速1-1.5m/s；圆柱部分上升流速25mm/s。,4机械混合 池形方

42、形或圆形，方形多，深宽比1：13：1。T=1030s，不大于2min，G=5001000-1。在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是浆板式(2m3小池)、螺旋式（230m3）、透平式。透平式：搅拌叶片直径与混合池直径比1：31：4，搅拌轴偏离中心，减少共同回流。特点：混合效果好，且不受水量变化影响，适用于各种规模的水厂，但维修工作量大。,常用的混合设备,二、絮凝（反应）设备,反应设备的任务：是使细小矾花逐渐絮凝成较大颗粒，以便于沉淀除去。反应设备中要求水流有适宜的搅拌强度，既要为细小絮体的逐渐长大创造良好的碰撞机会和吸附条件，又要防止已形成的较大矾花被碰撞打碎。因此，搅拌强度比混合阶段要小，但时间比

43、较长。,几种典型的絮凝（反应）池,1、隔板絮凝池 2、折板絮凝池 3、机械絮凝池4、其他类型絮凝池,由往复式和回转式两种水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.30.5m，回转式的水头损失比往复式的小40左右。,1、隔板絮凝池,特点：构造简单；管理方便；效果较好，对原水的适应能力强；反应时间长，容积大；水头损失大；不适应水量变化大和水量小的水厂。（一般反应池的深度与沉淀池一样，取3.0m，起端流速控制0.50.6m/s，槽宽取0.5m，水量至少要6万吨）,设计参数：段数：46段絮凝时间：2030min隔板间距：大于0.5m，便于施工和检修转弯处过水段面的面积为廊道过水断

44、面面积的1.21.5倍池底坡度：0.020.03 便于排泥，设直径150mm的排泥管,特点：与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，絮凝时间1015min但安装维修较困难，折板费用较高,2、折板絮凝池,折板絮凝池是在隔板絮凝池的基础上发展而来的，将隔板反应池中的水平隔板改为间距较小的、并有一定的角度的竖流式折板。折板可以是平板也可以是波纹板，有同波折板和异波折板，并且可以组合使用。按水流通过折板的间隙数，分为单通道和多通道两种。,设计参数：段数：不少于3段各段流速：第一段0.250.35m/s，第二段0.150.25m/s，第三段0.10.15m/s絮凝时间：1015min折板的

45、夹角90120度，波高0.250.40m，材质为塑料板、钢丝网水泥板、不锈钢板,是通过机械带动叶片而使液体运动以完成絮凝的。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（中、小）。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。特点：调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修工作量大。,3、机械絮凝池,水平轴式机械搅拌反应池,功率计算,水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在dA微面积上水流阻力。在dA面积上，水流阻力可用下式表示：,转速计算,n叶轮转数，转/分；v叶轮半径中心点线速度，m/s;D0叶轮半径中心点旋转直径。,所以：,每根

46、旋转轴所需的功率：,所以第i块浆板克服水的阻力所作的功:,阻力dFi所消耗的功，即桨板施于水的功率：,1搅拌设备总机械效率(一般取0.75）;,2传动效率，可采用0.60.95。,设计参数：絮凝时间1520min。池内一般设34挡搅拌机，各搅拌机之间用隔墙分开，隔墙上、下交错开孔，开孔面积按穿孔流速确，定，穿孔流速以不大于下一档搅拌浆外缘线速度为宜。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，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。,4、穿孔旋流反应池,由若干方格组成。分格数一般不

47、少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。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。,5、网格、栅条絮凝池,网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。,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。其设计参数见表15-3。,表1

48、5-3 栅条、网格絮凝池主要设计参数,6.不同形式絮凝池组合应用 每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。,三、选择反应池形式的因素,1混凝效果 混凝效果的好坏是选择反应池形式中最主要考虑的因素。目前，由于缺乏评价反应效果科学方法，以实践经验来判断，由于运行条件的不同，这种方法带有某种片面性。从理论上考虑，一个理想的反应池应具备：在絮凝过程中有较大的G值变化范围 进口处的G值与混合池相接，出口处与沉淀池

49、接近。有较快的反应速度 不发生已经絮凝的颗粒破碎,3水质条件 对于原水浊度很低，絮凝困难时，需选择能产生较大速度梯度和较长反应时间的反应池。,2水量的规模 隔板反应池在水量小于2.5万吨/天时，控制起始流速0.6m/s的情况下，廊道间距只有17cm，这对于施工和清理都非常困难。,4运行条件 运行条件同样影响反应池的选择，例如，水量变化的适应性以及积泥的影响等等。有些反应形式在进水流量变化时，反应速度也将相应的变化。,隔板反应池：G值与流量的1.52.0次方成正比，水量减少一半，G值只有原来的1/31/4。所以，水力反应器都不适应流量变化较大的水厂。,反应池的积泥问题也是常遇到的问题，特别是在反应的后期。双层反应池和穿孔旋流反应池清泥困难。,5工程造价和经常运行费用基建投资：机械反应池因增加机械设备，基建投资最大，在小水厂更突出。各类隔板反应池的单位造价随规模的增大而降低。经常运行费用包括：药耗和电耗，能以最小的GT值完成絮凝的能耗最小。6.运行经验,第15章作业思考题：1、2、4、5、7、8、11、12、13、14、15西提：1、3、4、5,本节完,