第四章 凝聚和絮凝

第四章凝聚和絮凝第一节胶体稳定性一、为什么要研究胶体水中细微颗粒包括悬浮物和胶体颗粒因为其自然沉降极其缓慢，在停留时间有限的水处理构筑物内不可能沉降下来。它们是造成水浑浊的根本原因。要去除水中胶体，必须研究胶体。二、胶体的特性（一）颗粒尺寸：颗粒尺寸为1nm至100nm的颗粒称为胶体。（二）胶体在水中能引起光的散射。（三）胶体带电，能在电场中移动。（四）胶体能通过普通滤纸，但不能够过半透膜。（五）胶体颗粒由于水分子的热运动撞击，发生的不规则运动，称为布朗运动。三、胶体的结构胶体粒子是胶团，包括胶粒和扩散层。胶粒又包括胶核和吸附层。四、胶体的稳定性（一）胶体稳定性概念胶体稳定性，是指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。（二）导致胶体稳定性的原因1、动力学稳定性：无规则布朗运动强，对抗重力影响的能力强。2、聚集稳定性：（1）胶体带电相斥（憎水性胶体）（2）胶体表面水化膜（亲水性胶体）本节小结本节主要介绍了胶体。通过本节的学习，我们要懂得：1.胶体的特性；2.胶体的结构；3.胶体的稳定性。第二节混凝机理一、混凝、凝聚、絮凝以及混凝剂的概念（一）混凝：水中胶体颗粒及微小悬浮物的聚集过程，它是凝聚和絮凝的总称。（二）凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。（三）絮凝：脱稳胶体相互聚结成大颗粒絮体的过程称为絮凝。（四）混凝剂：能起凝聚和絮凝作用的药剂称为混凝剂。二、胶体的混凝机理（一）混凝的目的混凝是为了使胶体颗粒能够通过碰撞而彼此聚集。为实现这一目的，就要消除或降低胶体颗粒的稳定因素，使其失去稳定性。（二）胶体颗粒脱稳的机理胶体颗粒的脱稳可分为两种情况：1、通过混凝剂的作用，使胶体颗粒本身的双电层结构发生变化，使ξ电位降低或消失，达到胶体稳定性破坏的目的。2、胶体颗粒的双电层结构未发生多大变化，而主要是通过混凝剂的媒介作用，使颗粒彼此聚集。（三）当前流行描述水混凝现象的四种机理1、压缩双电层作用机理2、吸附和电荷中和作用机理3、吸附架桥作用机理4、沉淀物网捕作用机理注：在水处理工程中，上述四种机理有时可能同时发挥作用，只是在特定情况下以某种机理为主。需具体情况具体分析。三、影响混凝效果的主要因素（一）水温；（二）pH值；（三）碱度；（四）悬浮物含量；（五）水力条件。本节小结本节主要介绍了混凝机理。通过本节的学习，我们要懂得：1.混凝、凝聚、絮凝以及混凝剂的概念；2.混凝的目的；3.胶体颗粒脱稳的机理；4.影响混凝效果的主要因素。第三节混凝剂一、混凝剂的基本要求（一）混凝效果好；（二）对人体健康无害；（三）适应性强，使用方便；（四）货源可靠，价格低廉。二、混凝剂的种类目前混凝剂种类很多，按化学成分可分为无机和有机两大系列，见下表。无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（PAS）适宜pH：5.5~8铁系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适宜pH：5~11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物国外开始增多，国内尚少阴离子型：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：使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂三、介绍一些重要常见混凝剂（一）无机类混凝剂1、无机盐类（硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁）2、无机高分子类（聚合氯化铝、聚合硫酸铁、活化硅酸）（二）有机类混凝剂分为天然高分子改性和化学合成两大类。如聚丙烯酰胺（PAM）。（三）复合类混凝剂1、复合型无机高分子混凝剂2、无机-有机高分子混凝剂复合使用（四）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。可分为三种类型：1、调整剂2、絮体结构改良剂3、氧化剂（五）微生物絮凝剂1、微生物絮凝剂概念微生物絮凝剂是指由微生物的自身产生的、具有高效絮凝作用的天然高分子物质（如蛋白质、糖蛋白、多糖、DNA等）。2、微生物絮凝剂絮凝能力的影响因素（1）絮凝剂的分子结构和分子量（2）絮凝剂的投加剂量（3）温度（4）pH（5）金属离子3、微生物絮凝剂的特点（1）高效（2）无毒（3）消除二次污染（4）絮凝广泛（5）价格较低4、微生物絮凝剂絮凝机理及应用前景絮凝机理还在不断研究中。目前主要停留在高效微生物絮凝剂产生菌种的分离、筛选和培养上。本节小结本节主要介绍了混凝剂。通过本节的学习，我们要懂得：1.混凝剂的基本要求；2.混凝剂的种类；3.了解一些重要常见混凝剂；4.认识微生物絮凝剂。第四节混凝过程一、混凝过程的概念水处理过程中，向水中投加药剂，进行了水与药剂的混合，从而使水中的胶体物质产生凝聚或絮凝，这一综合过程称为混凝过程。混凝过程包括药剂的溶解、配制、计量、投加、混合和反应等几个部分。二、药剂的配制和投加目前普遍采用湿法投加，即将混凝剂配成一定浓度的溶液，直接定量投加到原水中。（一）混凝剂溶解和溶液配制1、混凝剂溶解：将块状或粒状混凝剂加入水中溶解成溶液（浓药液)，必要时进行适当搅拌（水力、机械或压缩空气等方式）。2、溶液配制量及溶液池容积计算：根据实际使用情况按一定公式计算（见p47)。（二）混凝剂投加1、计量设备：通过计量或定量设备将药液投入到原水中，并能够随时调节。常用的有计量泵、苗嘴、孔板、转子流量计等。2、投加方式投加方式分为重力投加和压力投加。（1）重力投加利用重力将药剂投加到水泵吸水管内或吸水井中的吸水喇叭口处，利用水泵叶轮混合。（2）压力投加利用水泵或水射器将药剂投加到原水管中，适用于将药剂投加到压力水管中，或需要投加到标高较高、距离较远的净水构筑物中。（三）投药管道与药剂仓库1、投药管道与零件宜采用耐酸材料，并且便于清洗和疏通。2、药剂仓库应设在加药间旁，尽可能靠近投药点，药剂的固定储量一般按15~30d最大投药量计算，其周转储量根据供药点的远近与当地运输条件决定。三、混凝实验（一）目的：根据原水水质、水量变化和既定的出水水质目标，确定出混凝剂最佳投加量。（二）混凝实验方法我国大多数水厂采用根据实验室混凝搅拌试验确定混凝剂最佳剂量，然后进行人工调节。目前，为提高混凝效果，节省药耗量，自动控制和优化控制技术在逐步推广应用，包括：数学模拟法、现场模拟法、特性参数法等。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。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。透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化，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。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ξ电位有正相关关系。混凝后胶体ξ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。本节小结本节主要介绍了混凝过程。通过本节的学习，我们要懂得：1.混凝过程的概念；2.药剂的配制和投加；3.混凝实验目的；4.混凝实验的方法。第五节混凝设施一、混合设施（一）混合的基本要求混合是取得良好混凝效果的重要前提。对混合施舍的基本要求，在于通过对水体的强烈搅动后，能够在很短的时间内促使药剂均匀的扩散到整个水体，达到快速混合的目的。药剂的品种、浓度、原水的温度、水中颗粒的性质、大小等，都会影响到混凝效果，而混合方式的选择是最主要的影响因素。（二）各种混合方式的特点和适用条件1、管式混合主要有管道静态混合器、孔板式管道混合器、扩散混合器等。最常用为管道静态混合器。管道静态混合器：在管道内设置若干固定叶片，通过的水成对分流，并产生涡旋反向旋转和交叉流动，从而达到混合目的。优点：在管道上安装容易，实现快速混合，效果好，投资省，维修工程量小。缺点：会产生一定的水头损失。适用于流量变化较小的水厂。2、水泵混合水泵混合是利用水泵的叶轮产生涡流，从而达到混合的目的。优点：设备简单，没有额外消耗能量，运行费用较省。缺点：在使用如三氯化铁等腐蚀性较强药剂时会腐蚀水泵叶轮。适用于取水泵房靠近水厂处理构筑物场合。3、机械混合机械混合是通过机械在池内的搅拌达到混合目的。要求在规定时间内达到需要的搅拌强度，满足速度快、混合均匀的要求。优点：水头损失小，可适应水量、水温、水质的变化，混合效果好。缺点：需要消耗电能，机械设备管理和维护较为复杂。适用于取水泵房靠近水厂处理构筑物场合。二、絮凝设施原水与药剂混合后，通过絮凝设备的外力作用，使具有絮凝性能的微絮凝颗粒接触碰撞，形成肉眼可见的大的密实絮凝体，从而实现沉淀分离的目的。在原水处理构筑物中，完成絮凝过程的设施称为絮凝池，絮凝过程是净水工艺中不可缺少的重要内容。（一）絮凝过程的基本要求1、颗粒具有充分的絮凝能力；2、具备保证颗粒获得适当的碰撞接触而又不致破碎的水力条件；3、具备足够的絮凝反应时间；4、颗粒浓度增加，接触效果增加，即接触碰撞机会增多。（二）絮凝设施的分类絮凝设施的形式较多，一般分为水力搅拌式和机械搅拌式两大类。1、水力搅拌式是利用水流自身能量，通过流动过程中的阻力给水流输入能量，反映为在絮凝过程中产生一定的水头损失。2、机械搅拌式是利用电机或其他动力带动叶片进行搅动，使水流产生一定的速度梯度，这种形式的絮凝不消耗水流自身的能量，絮凝所需要的能量由外部提供。（三）几种常用的絮凝池形式1、隔板絮凝池主要有往复式隔板絮凝池和回转式隔板絮凝池两种。2、折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。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”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。3、机械搅拌絮凝池机械搅拌絮凝池通过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。搅拌器可以旋转运动，亦可上下往复运动。搅拌时第一格搅拌强度最大，而后逐步减小。具体见P54图4-244、穿孔旋流絮凝池穿孔旋流絮凝池是利用进口较高流速，使水流产生旋流运动，从而完成絮凝过程。由若干方格（一般不少于6格）组成，各格之间的隔墙上沿池壁开孔，孔口上下交错布置，逐格增大孔口尺寸，以降低流速。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。具体见P55图4-255、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。具体见P55图4-26（四）絮凝池的设计絮凝池设计的目的在于创造一个最佳的水力条件，以较短的絮凝时间，达到最好的絮凝效果。具体计算方法参考教材P55-57。本节小结本节主要介绍了混凝设施。通过本节的学习，我们要懂得：1.混合的基本要求；2.各种混合方式的特点和适用条件；3.絮凝过程的基本要求；4.絮凝设施的分类；5.了解几种常用的絮凝池形式。