第六章混凝

第六章混凝6．1混凝机理.6.1.1基本概念混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。6.1.2水中胶体的稳定性胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。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：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒的双电层结构见图6-1。滑动面上的电位：称为电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。ⅠδdⅡ胶核滑动面ζの图6-1胶体双电层结构示意6.1.3DLVO理论胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥力与范德华引力产生。排斥势能：ER－1/d2吸引势能：EA－1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图6-2。当胶体距离xoa或xoc时，吸引势能占优势；当oaxoc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（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）。图6-2相互作用势能与颗粒距离关系（a)双电层重叠；(b)势能变化曲线rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x6.1.4硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。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，见图6-324681012204060801001.013.321.41,31.13.42.2PHA1(Ⅲ)（％）A1(Ⅲ)（％）PH100806040201210864213.321.11.21.01.31.4(3x-y)+xy图6-3在不同PH值下，铝离子水解产物[AL（OH）]的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y）(1)铝总浓度为0.1mol/L；（2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃6.1.5混凝机理1．电性中和作用机理电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理，见图6-4。（1）压缩双电层加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝聚能力离子价数6。该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：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也有良好的混凝效果。滑动面负离子原有正离子投加的正离子（1）距离距离（2）滑动面电位ΦΦ（-）δδⅠⅡⅢⅠδΦ（-）电位Φ滑动面距离ⅡⅢδδ（3）图6-4压缩双电层和吸附-电中和作用（2）吸附－电性中和这种现象在水处理中出现的较多。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，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。2．吸附架桥吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-5。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图6-6；3．网捕或卷扫金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。胶粒高分子胶粒高分子排斥排斥胶粒高分子图6-5架桥模型示意图6-6胶体保护示意6.1.6硫酸铝的混凝机理不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。pH3简单的水合铝离子起压缩双电层作用；pH=4~5多核羟基络合物起吸附电性中和；pH=6.5-7.5氢氧化铝起吸附架桥；6．2混凝剂和助凝剂6.2.1混凝剂混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低廉。目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为无机与有机两大系列，见表6-1。与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④但三氯化铁腐蚀性较强。硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算：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，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。][3][AlOHB表6-1常用的混凝剂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6.2.2助凝剂助凝剂：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。广义上可分为以下几类：①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。6．3凝聚动力学6.3.1基本概念混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。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。异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。同向絮凝：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称同向絮凝6.3.2异向絮凝颗粒的碰撞速率可按下式计算：(6-1)式中：DB：布朗运动扩散系数，T为温度，为水的运动粘度，为水的密度；因此：(6-2)故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。28ndDNBpdKTDB3238KTnNp6.3.3同向絮凝1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。颗粒的碰撞速率按下式计算：(6-3)在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体，见图6-8。设在时间内，隔离体扭转了角度，于是角速度为：(6-4)GdnN32034zyxtGzuztlt1转矩为：(6-5)于是单位体积水所耗功率p为：(6-6)由于，故(6-7)JzyxJGzyxGzyxzyxJpGpG当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定：(6-8)则采用水力絮凝池时，(6-9)QTVgQhpVTghGΔΔτΔx·ΔyΔΔ△θ扭转方向图6-8速度梯度计算图示图6-7层流条件下颗粒碰撞示意ΔΔ△2.同向紊流理论同向紊流理论：①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给不涡旋；③小涡旋将能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；（6-10）式中，紊流扩散系数，为相应于尺度的脉动速度，为（6-11）故（6-12）208ndDNBuDu151u230158ndN3．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。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G＝700~1000s-1，时间通常在10～30s，一般2min散药剂，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。絮凝过程：在絮凝阶段，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G＝20－70s-1，GT＝1～104－105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。6.4影响水混凝的主要因素6.4.1概述影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；②投加的凝聚剂种类与数量；③使用的絮凝设备及其相关水力参数。6.4.2水温影响水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：①无机盐水解吸热；②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱；③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；④水温与水的pH值有关6.4.3水的pH和碱度影响水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。石灰投量按下式估算：[CaO]=3[a]–[x]+[δ]（6-13）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；[δ]：保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通过试验决定。6.4.4水中悬浮物浓度的影响杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：①加高分子助凝剂；②加粘土③投加混凝剂后直接过滤如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。6．5混凝剂的配制与投加6.5.1混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积W1：W1=（0.2~0.3）W2（6-14）式中W2为溶液池容积。（6-15）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cnaQcnaQW417100010001002426.5.2混凝剂投加混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。。1.计量设备计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。2.投加方式（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。123456h578910图6-9泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球阀；6-投药苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-压水管；325687图6-10高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；14123645高压水图6-11水射器投加1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗；4-水射器；5-压水管；6-高压水管1-溶液池；2-计量泵；3-压水管图6-