悬浮物质和胶体物质去除

水中杂质分类杂质溶解物（低分子、离子）胶体悬浮物颗粒尺寸0.1nm1nm10nm100nm1μ10μ100μ1mm分辨工具电子显微镜超显微镜显微镜肉眼水的外观透明浑浊浑浊污水处理常规工艺第二节悬浮物质和胶体物质去除•悬浮物质与胶体物质界定常规上，以0.45μm(即450nm)孔径滤膜作为其分界尺度胶体和环境纳米污染物，以下的均可以认定为溶解物质。•沉淀•混凝•澄清•过滤•气浮20-100μm以上悬浮颗粒重力沉降10-9-10-6m左右胶体粒子混凝等环境纳米-微米颗粒物(100nm~10µm）土壤：胶体、粘土矿物、团粒水体：悬浮物、沉积物、腐殖质大气：可吸入微粒、气溶胶、烟尘生物：大分子、细胞、细菌、藻类环境纳米污染物ENP(1nm~100nm)无机：重金属水合物,聚硫化物,聚磷酸,聚硅酸,碳黑,烟雾,微晶体有机：POPs,PTS(持久性,难降解)农药,染料,卤代烃,多环芳烃,多氯联苯,内分泌干扰物生物：蛋白质,含氧酸,DNA,酶,病毒,藻毒素MW1000,粒度1nm微界面特别巨大结构重复自组装分子量粒度分散化学官能团多种形态形貌多样化反应活性区各异结构组成多变化电性或极性显著聚合聚集趋势明显复合组合体系复杂界面反应过程普遍生态干扰毒性强烈迁移扩散范围广阔环境效应功能深远环境纳米污染物的特征微界面体系水体颗粒物-溶液大气颗粒物-空气土壤颗粒物-地下水大气颗粒物-水膜动植生物膜-溶液植物根系-土壤、固定滤层-水溶液空气除尘-水溶液浮选气泡-水溶液活性炭-废水溶液高分子膜-水溶液活性污泥-污水溶液环境纳米物质构成环境微界面体系的重要组成部分水体纳米污染物的界面过程与界面控制技术水质界面转化过程溶解,沉淀络合,螯合氧化,还原催化,光解吸附,解吸吸收,释放降解,富集凝聚,絮凝聚合,解聚渗透,过滤扩散,迁移沉积,蓄积界面控制技术混合,沉淀澄清,过滤吸附,絮凝气浮,超滤化学沉淀生物过滤生物氧化离子交换浓缩脱水不平衡动力学，环境毒性效应决定性步骤混凝过程与混凝机理•胶体结构稳定性ζ电位和Ψ电位•混凝剂•混凝过程G值、GT值和GTρ•混凝机理压缩双电层电中和架桥粘结网捕共沉淀•混凝过程的影响因素胶体浓度混凝剂类型和投加量水体碱度pH值其他离子有机物水力条件等混凝目标强化混凝优化混凝±混凝＝混和＋凝聚＋絮凝吸附混和电中和凝聚絮凝絮体、絮团投药分离颗粒物混凝剂絮凝剂n－+++++++++n－n－n－n－n－n－n+±±±+++混凝机理及主要影响因素•压缩双电层•吸附电中和•粘结架桥•网捕共沉淀主要影响因素：混凝剂、混凝剂浓度、水体颗粒物浓度和性质、水力条件、温度、碱度、pH值等混凝过程中的两个关键性的控制因素是混凝剂的混凝结合效力和水力条件。目前研究混凝技术方法•混凝剂元素测定、形态表征、形貌、设计、合成•混凝过程混凝机理激光光散射PDA、形态表征、动态测定、电镜、原子力显微镜、zeta电位、絮体结构特性表征、自动投药系统等•混凝目标强化混凝TOC、GC、LC、GC－Ms等优化混凝综合指标（技术指标和经济指标）•工艺组合优化预氧化、过滤、沉淀、气浮、氧化、消毒、吸附、BAC、消毒等工艺组合涉及动态检测铝的水解絮凝剂（以铝盐为例）投入到水中，迅速水解，主要的水解反应[3]：32AlHO2()AlOHH1g5lK32717AlHO4717()17AlOHHg48.8lK321334AlHO51334()34AlOHHg97.4lK3()()SAlOH33AlOHg33solK324AlHO4()4AlOHHg23slK3222AlHO422()2AlOHHg6.3slK以上是铝盐在水体中水解的主要产物，除此之外，还可能有其它一些形态。铝离子在水中发生一系列的水解、聚合直至沉淀，反应可综合表达为[129]：平衡表达式：Kxy==AlOHHAlxyxyyx33fffxyHyxHOyAl32式中f表示溶液中各离子活度系数。严格地讲，铝水解反应不仅与溶液铝浓度及OH/Al比有关，还与溶液中离子活度系数有关。3(3)2()xyxyxAlyHOAlOHyH无机高分子絮凝剂InorganicPolymerFlocculants阳离子型聚合氯化铝PAC,PACl聚合硫酸铝PAS聚合硫酸铁PFS聚合氯化铁PFC聚合磷酸铝PAP聚合磷酸铁PFP阴离子型聚合硅酸PSi(活化硅酸)ASi复合絮凝剂聚合硫酸铝铁PAFS聚合氯化铝铁PAFC聚合硅酸铝PASI聚合硅酸铁PFSI聚合硅酸铝铁PAFSI无机+有机复合型聚合铝-聚丙烯酰胺聚合铝-甲壳素聚合铝-合成有机高分子AlO4Al12(OH)24(H2O)127+(Al13)分子量(1039)纳米级高电荷(+7)电中和能力强链状枝状聚集架桥能力强界面吸附絮凝能力强稳定性抗水解退化强现有生产产品中只占40～50％SKLEAC聚合氯化铝(Al13)晶格AlO4Al12(OH)24(H2O)127+DiameternmAl132-3nmAggregates40-400nmSKLEACSKLEACMSNMRSpectrogramofPurifiedAl13SKLEACElectronmicroscopyimageofAl13precursorAtomicForceMicroscopyimageofPACmicro-flocsSKLEAC絮凝剂的原子力显微镜三维图像Al13聚集体原子力显微镜(AFM)图象-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.02.03.00.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18PAC,B=2.53SC(mA)Al(mmol/L)AlCl3絮凝体的流动电流特性流动电流胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动（胶粒固定不动）而产生的电流。与胶体zeta电位有正相关聚合铝凝聚形态的流动电流特性投加剂量0.03mmol/L-4-3-2-1012345678pHSC(mA)B=0.0B=2.5PACAlCl301234502004006008001000Time(s)FI25156.254.683.13PAC絮凝体粒度成长絮凝指数图谱SO4/Al02468101214161800.511.522.53PAC,B=2.5G(10-6mol/m2)AlCl3[Al](10-4mol/m2)聚合铝在颗粒物的吸附SKLEAC012345605101520剂量(10M)-5絮凝指数(R)RPAC,B=2.5AlCl3(a)-30-25-20-15-10-505101505101520剂量(10M)MM)-5Zeta电位(ZP)ZPPAC,B=2.5AlCl3(b)-50510152025303505101520剩余浊度(RT)RT剂量(10M)-5AlCl3PAC,B=2.5(c)聚合铝的除浊效果SKLEAC混凝目标及强化混凝•混凝技术与强化混凝研究前沿混凝重要性混凝研究概况消毒剂/消毒副产物的发现及法规制定强化混凝的提出强化混凝与优化混凝研究进展和发展前景•我国强化混凝与优化混凝国家目标强化混凝与其他工艺•强化混凝处理的目标体系----混凝过程对几乎所有的水体杂质都有一定的去除作用广义颗粒物有机物DOM（DissolvedOrganicMatter）部分无机离子•衔接与匹配预氧化沉淀与气浮过滤与吸附深度处理消毒气浮的基本原理1、基本概念利用高度分散的微小气袍作为载体粘附于废水中的悬浮污染物，其浮力大于重力和阻力，从而使污染物上浮至水面，形成泡沫，然后用刮渣设备自水面刮除泡沫，实现固液或液液分离的过程称为气浮。悬浮颗粒与气泡粘附的原理：水中悬浮固体颗粒能否与气泡粘附主要取决于颗粒表面的性质。颗粒表面易被水湿润，颗粒属亲水性；如不易被水湿润，属疏水性。亲水性与疏水性可用气、液、固三相接触时形成的接触角大小来表示。在气、液、固三相接触时，气、液界面张力线和气固张力线之间的夹角(对着水的一侧)称为湿润接触角以θ表示。亲水性和疏水性物质的接触水、气、固体颗粒三相分别用1，2，3表示。θθ亲水性颗粒气泡疏水性颗粒1.2σ1.2σ1.3σ2..3σ2..3σ1.3σ在气、液、固相接触时，三个界面张力总是平衡的。以σ表示界面张力，有：σ1.3=σ1.2cos(180ْ－θ)+σ2.3(1-1)式中：σ1.3——水、固界面张力；σ1.2——液、气界面张力；σ2.3——气、固界面张力；θ——接触角。水中气泡与颗粒粘附之前单位界面面积上的界面能为W1=σ1.3+σ1.2，而粘附后则减为W2=σ2.3界面能减少的数值为：∆W＝W1—W2＝σ1.3+σ1.2-σ2.3（1—2)将式(1—1)代入式(1—2)得；∆W＝σ1.2(1-cosθ)θ90ْ为亲水性颗粒，不易与气泡粘附，θ90ْْ为疏水性颗粒，易于与气泡粘附。θ→0ْ，即颗粒完全被水湿润cosθ→l，∆W→0，颗粒不与气泡粘附，就不宜用气浮法处理。θ→180ْ，颗粒完全不被水湿润，cosθ→-1，∆W→2σ1.2，颗粒易于与气泡粘附，宜于气浮法处理。此外如σ1.2很小，∆W亦小，也不利于气泡与颗粒的粘附。2．投加化学药剂对气浮效果的促进作用(1)投加表面活性剂维持泡沫的稳定性(2)利用混凝剂脱稳以油的颗粒为例，表面活性物质的非极性端吸附于油粒上，极性端则伸向水中，极性端在水中电离，使油粒被包围了一层负电荷，产生了双电层现象，增大了ζ-电位，不仅阻碍油粒兼并，也影响抽粒与气泡粘附。(3)投加浮选剂改变颗粒表面性质气浮的分类与特点根据气泡产生的方式气浮法分为：电解气浮法；散气气浮法：扩散板曝气气浮、叶轮气浮。溶气气浮法：溶气真空气浮加压溶气气浮：全溶气流程、部分溶气流程、回流加压溶气流程。澄清池澄清池是能够同时实现混凝剂与原水的混合、反应和絮体沉降三种功能的设备。它利用的是接触凝聚原理，即为了强化混凝过程，在池中让已经生成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮泥渣层(接触凝聚区)，当投加混凝剂的水通过它时，废水中新生成的微絮粒被迅速吸附在悬浮泥渣上，从而能够达到良好的去除效果。所以澄清池的关键部分是接触凝聚区。保持泥渣处于悬浮、浓度均匀稳定的工作条件已成为所有澄清池共同特点。根据泥渣与废水接触方式的不同，澄清池可分为两大类：悬浮泥渣型，它的泥渣悬浮状态通过上升水流的能量在池内形成的，当水流从下往上通过泥渣层时，截留水中夹带的小絮体，主要形式有悬浮澄清池、脉冲澄清池等；泥渣循环型，即让泥渣在竖直方向上不断循环，通过该循环运动捕集水中的微小絮粒,并在分离区加以分离，主要形式有机械加速澄清池和水力循环加速澄清池。在废水处理中，应用最广泛的机械加速澄清池。废水从进水管进入环形配水三角槽,混凝剂通过投药管加在配水三角槽中，再一起流入混合室，进行水与药剂和回流污泥的混合。由于涡轮的提升作用，混合后的泥不被提升到反应室，继续进行混凝反应,并溢流到导流室。导流室中有导流板，使废水平稳地沿伞形罩进入分离室，分离室中设有排气管，将废水中带入的空气排出，减少对泥水分离的干扰，泥渣便靠重力自然下沉，清液由集水槽和出水管流出池外。过滤•过滤混凝沉淀、生物处理后续处理，活性炭吸附或离子交换等前处理•过滤机理阻力截留重力沉降接触絮凝•表面过滤和深层过滤（深床过滤）•滤池和滤池结构滤料要求：机械强度、化学稳定性、级配和孔隙率有效直径d10，不均匀系数k80＝d80/d10（1.65～1.80）滤料纳污能力过滤滤料孔隙率和比表面积•垫层结构承托滤料均匀布水•水头损失滤池总水头H＝滤料层Ht+垫层集水系统h1+控制阀ht+出水管流速水头v2/2g+剩余水头h2•滤速•反冲•滤池种类和运行过滤基本概念一、过滤过程混合物的分离：液体和气体混合物什么现象属于过滤？•混合物中的流体在推动力（重力、压力、离心力）的作用下通过过滤介质，固体粒子被截留，而流体通过过滤介质，从而实现流体与颗粒物的分离。•液－固分离，气－固分离•如砂滤池、袋式除尘器、