混凝

1提问：1、水处理的目的？2、水中粗大颗粒物质有哪些物理处理方法？3、为了避免造成壅水现象，栅后的渠底应比栅前低多少？4、对城市污水处理厂来说，沉砂池通常都按去除密度为多少？粒径为多少以的砂粒上考虑的？5、曝气沉砂池的主要功能？主要涉及参数？2混凝课的思考题？1、试说明胶体颗粒表面带电的原因，并简述动电现象、双电层与电位。2、试比较憎水胶体和亲水胶体的特点。3、何谓胶体稳定性？试用胶粒间相互作用势能曲线说明胶体稳定性的原因。4、概述水的混凝机理和混凝过程。35、混凝过程中，压缩双电层和吸附—电中和作用有何区别？简述硫酸铝的混凝作用机理及其与水的pH值的关系。6、概述影响混凝效果的几个因素。7、目前我国常用的混凝剂有哪几种？各有何优缺点？今后的发展方向？混凝课的思考题？4混凝课的思考题？8、高分子混凝剂投量过多时，为什么混凝效果反而不好？9、什么叫助凝剂？在什么情况下需要投加助凝剂？按功能助凝剂分为几种？10、同向絮凝和异向絮凝的差别何在？两者的凝聚速率（或者碰撞速率）与哪些因素有关？511、混凝控制指标有哪几种？为什么要重视混凝控制指标的研究？你认为合理的控制指标应如何确定？12、混凝过程中，G值的真正含义是什么？沿用已久的G值和GT的数值范围存在什么缺陷？请写出机械絮凝池和水力絮凝池的G值公式。混凝课的思考题？62.2水的混凝(CoagulationandFlocculation)教材P104—P1137混凝投加化学药剂来破坏胶体和悬浮颗粒在水中形成的稳定分散体系，使其聚集为具体明显沉降性能的絮凝体，然后才能用重力沉降法予以分离。包括凝聚和絮凝两个步骤，统称为混凝。凝聚是指使胶体脱稳并聚集为微絮粒的过程。絮凝则是指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大的絮体的过程。82.2.1混凝的去除对象2.2.2胶体的性质2.2.3水的混凝机理与过程2.2.4混凝剂与助凝剂2.2.5混凝动力学2.2.6混凝影响因素2.2.7混凝设备2.2.8混凝的应用结构安排92.2.1混凝的去除对象1011•混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物•尺寸范围:1nm~0.1m（有时认为在1m）•水处理中主要杂质:粘土（50nm-4m）细菌（0.2m-80m）病毒(10nm-300nm)蛋白质（1nm-50nm）12混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。以地面水为水源的给水处理工艺：原水混凝沉淀过滤消毒饮用水混凝沉淀二级生物处理出水过滤废水深度处理：131637年我国开始使用明矾净水1884年西方才开始使用1.胶体性质2.混凝剂在水中溶解与形态混凝过程：3.胶体与混凝剂的相互作用142.2.2胶体的性质15一、胶体的稳定性动力学稳定性：布朗运动对抗重力聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体）1微米的颗粒沉淀10厘米需要20小时。16憎水胶体：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核的胶体。亲水胶体：胶体微粒直接吸附水分子。极性集团：－OH，－COOH，－NH217二、胶体双电层结构动电位粘土=-15~-40mV细菌=-30~-70mV电位形成离子异号电荷吸附层扩散层18教材中图2-36胶体间作用力和距离间的关系胶粒的稳定性就取决于两种力何者占主导两个颗粒表面的距离约大于3nm时，两个颗粒总是处于相斥状态。带同号电荷的胶粒之间总是存在电位引起的静电斥力（库仑力）胶粒之间又总是存在着范德华力19教材中图2-36胶体间作用力和距离间的关系胶体微粒表面距离为oa时斥力最大，一般情况下，胶体颗粒的布朗运动的动能不足以克服这个最大斥力，所以不能聚合。这个最大斥力称为“势垒”，如能设法克服这个势垒，颗粒就有可能进一步接近，直至吸力大于斥力而使它们吸附聚合。20胶体的凝聚：降低静电斥力电位势垒脱稳凝聚加入电解质只适用于憎水性胶体21憎水胶体颗粒来说，它们的胶核表面间隔着两个滑动面内的离子层厚度，使颗粒总处于相斥的状态，这就是憎水胶体保持稳定的根源。亲水胶体颗粒则由于吸附了大量的水分子构成的水壳，彼此不能靠进而保持稳定。222.2.3水的混凝机理与过程23一、硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝Al2(SO4)318H2O[Al(H2O)6]3+水解过程（配位水分子）：[Al(H2O)6]3+[Al(OH)(H2O)5]2++H+…价数，pH，最终产生Al(OH)3沉淀。6个配位水分子(八面体)硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具有代表性。24水中碱度不足时，投加石灰。CaO+H2OCa(OH)2石灰投加量：[CaO]=3[a]-[x]+[][CaO]：纯石灰投加量,mmol/L[a]：混凝剂投量，mmol/L；[x]：原水碱度,mmol/L[]：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25-0.5mmol/L水解需要的碱度：H++OH-H2OH++HCO3-CO2+H2O25缩聚反应：两个相邻－OH－发生架桥，产生高价聚合离子2[Al(OH)(H2O)5]2+[(H2O)4AlAl(H2O)4]4++2H2OOHOH…电荷升高，聚合度增大26H2OH2OH2OH2OAlOHOHH2OH2OH2OH2OAl27产物包括：未水解的水合铝离子单核羟基络合物多核羟基络合物氢氧化铝沉淀各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。28二、水的混凝机理在水与废水中体系复杂（大小、成份）胶体化学单一体系在水与废水中体系复杂（大小、成份）胶体化学单一体系凝聚（Coagulation）：胶体脱稳、凝聚絮凝（Flocculation）：脱稳胶体变大混凝：包括两者29301．压缩双电层理论电解质（混凝剂）加入与反离子同电荷离子压缩双电层电位稳定性凝聚31•很好地解释港湾处的沉积现象。•叔采－哈代（Schulze-Hardy）法则:凝聚能力离子价数6理论上电位＝0，等电状态效果最好该理论不能解释：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。实际只需电位kEmax0临界电位322.吸附-电性中和作用机理范德华力、氢键及共价键力++吸附异号离子高分子＋＋＋＋＋＋＋＋＋异号胶粒吸附作用中和了部分或者全部电荷，减少了静电斥力，因而容易和其他颗粒接近而相互吸附。333．吸附架桥机理（链状高分子聚合物）“胶体保护”再稳现象使小胶体变大（絮凝）高分子投加量少，不足以形成吸附架桥。高分子投加过多，会出现“胶体保护”再稳现象。344.网捕或卷扫机理金属氢氧化物沉淀物在形成过程中对胶粒的网捕。小胶粒与大矾花发生接触凝聚―――澄清池中发生的现象35在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。36铝盐可能的混凝机理pH3简单水合铝离子压缩双电层pH=4－5多核羟基络合物吸附电中和pH=6.5-7.5多核羟基络合物吸附电中和氢氧化铝起吸附架桥、网捕天然水体一般pH=6.5-7.837三、混凝过程1.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胶体电位――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚――生长成d=10的小矾花特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散在混合设备中完成382.絮凝（flocculation）高聚合物的吸附架桥脱稳胶粒生长成大矾花(Floc)（可以通过沉淀去除）d=0.6-1.2mm特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从强弱在絮凝设备中完成392.2.4混凝剂和助凝剂40一、混凝剂(Coagulant)无机混凝剂铁盐形成的絮体比铝盐絮体密实，但腐蚀性强，有颜色。41m：聚合度，10n（碱化度）＝[OH]/3[Al]×100%（50-80%）•事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。•对pH变化适应性强。机理：吸附电中和与吸附架桥协同作用聚合氯化铝PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m42铝聚合物形态对混凝的影响？•“六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面体的铝原子的结构——Al6(OH)12(H2O)126+•“Al13”结构模型：12个6配位八面体的铝原子围绕1个4配位的铝原子。一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚－絮凝成份，其含量反映了产品的品质。43有机混凝剂------通常起絮凝剂作用人工合成：•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）•两性型天然：•淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等•微生物絮凝剂44非离子型：聚丙烯酰胺（PAM）－CH2－CH－CONH2[]n聚合度：20000～90000分子量：150万～600万对胶体表面具有强烈吸附作用。pH10条件下水解COO－阴离子型（HPAM）水解度：30－40％有机高分子单体的毒性问题。有些国家严格规定不得超过0.05%。45发展方向：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（PSA）聚合硅酸铁（PSF）无机复合聚合物混凝剂传统无机约占20%，无机聚合物占70%，有机约占10%。46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高分子絮凝剂：阳离子有机化合物天然改性高分子：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47二、助凝剂•酸碱类：如石灰、硫酸等•加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、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482.2.5混凝动力学491.胶体性质2.混凝剂在水中溶解与形态混凝过程：3.胶体与混凝剂的相互作用50碰撞是混凝的首要条件一、异向絮凝(perikineticflocculation)由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率Np＝8/(3)KTn2n：颗粒数量浓度：运动粘度T:温度凝聚速度：只与颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关。粒径大于1m，布朗运动消失。51二、同向絮凝(orthokineticflocculation)G＝U/Z(速度梯度，velocitygradient,1/s)（相邻两流层的速度增量）碰撞速率N0＝4/3n2d3Gd：颗粒粒径；n：颗粒数量浓度由水力或机械搅拌产生最初的理论基于层流的假定。52G可由单位体积水流所耗功率p来计算：p＝Gp：单位体积流体所耗功率，W/m3：剪切应力按照牛顿定律＝G/pG(1943年发明的，甘布公式)：动力粘度，Pas53机械搅拌时:VNG102N电功功率KW搅拌机效率V池容积m354ThG：运动粘度=/，m2/s也称为甘布公式水力搅拌时p由水流本身能量消耗提供h：水头损失（m）Q：流量V：水流体积＝QTT：水力停留时间（s）：水的密度,kg/m3g：重力加速度,9.8m/s2p＝Qh/v55但存在问题：1)层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？能量传递微涡旋理论外部施加能量大涡旋小涡旋……水的粘性影响增强，从而产生能量耗散。与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞使颗粒整体移动强度不足以推动颗粒碰撞56由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞紊流条件下颗粒碰撞速率：N0＝8dDn2D：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和但在紊流中，布朗扩散紊流扩散故，D＝u：涡旋尺度u：相应的脉动速度57设涡旋尺度＝颗粒直径d根据流体力学，计算脉动速度u，则：230158nGdNG＝(/)1/2：单位时间、单位体积流体的有效能耗G＝(p/)1/2582)G增加碰撞机率增加絮凝效果增加但破碎程度也增加此现象尚未很好从理论上得到描述。59三、混凝控制指标凝聚絮凝混合设备絮凝设备用G可以来判断混合和絮凝的程度混合（凝