化学混凝法全解

2019/12/161污水的化学处理法2.1化学混凝法2.2中和法2.3化学沉淀法2.4氧化-还原法2019/12/1622.1化学混凝法(Coagulation)概述混凝原理混凝剂和助凝剂影响混凝的主要因素混凝工艺过程与设备2019/12/163一、概述1、废水分散体系根据分散相粒度不同，废水可分为三类：粗分散体系（悬浮液）：分散相粒度100nm。胶体分散体系（胶体溶液）：分散相粒度为1~100nm。分子-离子分散体系（真溶液）：分散相粒度为0.1~1nm。2019/12/164悬浮液胶体溶液真溶液吸附法等处理混凝法处理自然沉淀或过滤处理0.1nm1nm100nm粒度100m1nm0.1nm2019/12/1653、混凝法的用途•可以用来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。如造纸、钢铁、纺织、化工、食品等工业废水及城市污水的三级处理•能改善污泥的脱水性能。如污泥处理2、去除对象：主要为废水中细小的悬浮颗粒和胶体颗粒。4、优点：设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好，间歇或连续运行皆可。缺点：运行费用较高，沉渣量大，且脱水较困难。2019/12/166二、混凝原理•混凝是通过向废水中投加化学药剂——混凝剂(coagulant)，破坏胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集(aggregation)成较粗大的颗粒而沉淀，得以与水分离，使废水得到净化。2019/12/1671、废水中胶体颗粒的稳定性（1）胶体特性光学性质：在水溶液中能引起光的反射的性质。力学性质：主要是指胶体的布朗运动。表面性能：比表面积大，具有极大的表面自由能，使胶体颗粒具有强烈的吸附能力和水化作用。动电现象：胶体的动电现象包括电泳与电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的。胶体的稳定性正是上述特性的综合表现，尤其是胶粒之间的静电斥力的作用结果。如要了解胶体带电现象和使胶体脱稳的途径，就必须研究胶体的结构。2019/12/168胶体的双电层结构模型胶核电位离子束缚反离子胶团边界（2）胶体的结构滑动面吸附层扩散层2019/12/169胶体粒子的结构式：10[Fe(OH)3]mnH＋(n－x)Cl－x+xCl－胶核(nuclear)胶粒(colloidalparticle)吸附层stationarylayer扩散层diffuselayer胶团(colloidalmicelle)例：氢氧化铁胶体由三氯化铁水解形成。试写出氢氧化铁胶体粒子的结构式。解：氢氧化铁胶体粒子的结构式如下所示：电位形成离子自由反离子束缚反离子其中，m为胶核中的分子数；n为被吸附的电位离子数；(n-x)为吸附层中反离子数；x为扩散层中的反离子数。11(3)电位（总电位）与电位（电动电位）•胶粒与溶液主体之间的电位差，称为电动电位，常称电位。•胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位称为总电位或称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，电位也愈低。•电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相接近和接触碰撞。2019/12/1612•电位对于某类胶体而言，是固定不变的，它无法测出，也不具备实用意义。•电位可通过电泳或电渗计算得出，测定电位可确定电荷大小以及稳定程度。它随着温度、PH值及溶液中反离子浓度等外部条件而变化，在水处理中具有重要的意义。q4q—电动电荷密度δ—扩散层厚度ε—水的介电常数13(4)胶体保持稳定的原因1）胶体微粒的带电性。同类的胶体微粒间的静电斥力阻止微粒间彼此接近而聚合成较大的颗粒。2）水化作用。带电荷的胶粒和反离子都能与周围的水分子发生水化作用，形成一层水化壳，阻碍各胶粒的聚合。上述分析说明，水中胶体物质是相当稳定的，要想去除它，首先要使它们脱稳，然后凝聚和絮凝。2019/12/16142.胶体的脱稳机理胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性（stabilization)。胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳(destabilization)。凝聚：指脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程。絮凝：指未经脱稳的胶体形成大颗粒絮体的过程。混凝：包括凝聚和絮凝两个过程。混凝机理：可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种。2019/12/1615（1）压缩双电层机理(modificationoftheelectricaldoublelayer)•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。•由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。2019/12/1616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BA到颗粒表面的距离反离子浓度O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OB2019/12/1617港湾处泥沙沉积现象可用该机理较好地解释。因为淡水进入海水时，海水中盐类浓度较大，使淡水中胶粒的稳定性降低，易于凝聚，所以在港湾处泥砂易沉积。该机理无法解释的现象：如以三价铝盐或铁盐作混凝剂，当其投量过多时，凝聚效果反而下降，其至重新稳定。压缩双电层机理只是通过单纯静电现象来说明电解质对脱稳的作用，如仅用它来解释水中的混凝现象，会产生一些矛盾。为此，又提出了其他几种机理。2019/12/1618（2）吸附电中和机理(electricalneutralization)•胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或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电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。•显然，其结果与压缩双电层相同，但作用机理是不同的。•铝盐和铁盐混凝剂投加量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。19（3）吸附架桥（桥连）机理(polymerbridgingofcolloids)•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。L•本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象。因为废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。高分子絮凝剂对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图＋在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。该机理可解释非离子型或带同号电荷离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。初期吸附絮体形成2019/12/1621（4）沉淀物网捕机理(entrapmentintheflocstructure)•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。•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。返回目录2019/12/1622三、混凝剂与助凝剂•凝聚(coagulation)是瞬时的，所需的时间是将化学药剂扩散到全部水中的时间。•絮凝(flocculation)则与凝聚作用不同，它需要一定的时间让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分开。•混凝（coagulation-flocculation）•习惯上将低分子电解质称为凝聚剂，而将高分子药剂称为絮凝剂。•混凝剂(coagulant)：一般把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。•助凝剂(coagulantaids)：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。2019/12/16231.混凝剂类型无机盐类（铁盐和铝盐）有机高分子类普通铝、铁盐聚合铝、铁盐2019/12/1624(1)无机盐类1）普通铝、铁盐–普通铝盐：硫酸铝、明矾等–普通铁盐：三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁等2）聚合铝、铁盐–聚合氯化铝–聚合硫酸铁2019/12/1625(2)有机高分子类(polyelectrolytes)•分类：–天然和人工两种，其中天然高分子混凝剂的应用远不如人工的广泛，主要原因是其电荷密度小，分子量较低，且容易发生降解而失去活性。–根据高分子聚合物所带基团能否离解及离解后所带离子的电性，可分为阴离子型(anionic)、阳离子型(cationic)和非离子型(nonionic)2019/12/1626•特点：高分子混凝剂一般为链状结构，各单体间以共价键结合。高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线形高分子。•作用机理：（a）由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对胶粒的吸附结合；（b）线型高分子在溶液中的吸附架桥作用。在一般情况下，不论混凝剂为何种离子型，对不同电性的胶体和细微悬浮物都是有效的。但如为离子型，且电性与胶粒电性相反，就能起降低电位和吸附架桥双重作用，可明显提高絮凝效果。2019/12/16272.助凝剂（1）pH调整剂•常用石灰、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠等。（2）絮体结构改良剂•如活性硅酸、粘土等。（3）氧化剂•可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物，以提高混凝效果。返回目录2019/12/1628四、影响混凝的因素废水水质混凝剂水利条件2019/12/16291.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。2019/12/16301.废水水质的影响（3）水温(temperature)–水温会影响无机盐类的水解–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。2019/12/16312.混凝剂的影响（1）混凝剂种类(kindsofcoagulants)•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。2019/12/1632（2）混凝剂投加量(dosage)•与水中微粒种类、性质、浓度有关；•与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。•最佳混凝剂和最佳投药量，应通过试验确定。一般的投加量范围：普通铁盐、铝盐为10~30mg/L；聚合盐为普通盐的1/2~1/3;有机高分子混凝剂通常只需1~5mg/L。若投加量过量，很容易造成胶体的再稳。（3）混凝剂投加顺序(sequence)•最佳投加顺序可通过试验来确定。•一般而言，当无机与有机并用时，先加无机混凝剂，再加有机混凝剂。•但当处理的胶粒在50m以上时，常先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。2019/12/16333.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，为此要求搅拌强度要大，但时间要短。速度梯度G应在500–1000s－1，搅拌时间t应在10–30s。•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，因此搅拌强度要小，而时间要长，相应G和t值分别应在20－70s-1和15－30min。2019/12/1634五、混凝工艺过程及设备•混凝的工艺过程•混凝设备2019/12/1635废水混凝剂混合反应沉降（澄清）出水污泥1、混凝的工艺过程混合目的是使混凝剂尽快与水混合，需要短时间高强度搅拌反应阶段