当代给水与废水处理原理-部分2(共计547页)-.ppt

第一节凝聚与絮凝电解质对亲水胶体起凝聚作用的特点：第一，离子的价数对凝聚无重要作用；例如，带负电的胶体明胶分子，加氯化钠不沉淀，加氯化钙同样也不沉淀。第二，使亲水胶体凝聚沉淀出来起重要作用的是阴离子，阴离子个仅对带正电的亲水肢体起凝聚作用，同样也对带负电的亲水胶体起凝聚作用。阴离子起凝聚作用的Hofmeister顺序：，柠檬酸根，酒石酸根，CH3COO-，Cl-，，Br-，I-)(,75624OHCSO2446)(OHC3NO各种阳离子起凝聚作用的能力差别，不如阴离子那样明显。第一节凝聚与絮凝憎水胶体间的互凝沉淀亲水胶体间的互凝沉淀同带相反电号的亲水肢体互相凝聚而沉淀正负离子相中和而沉淀带正电胶体与带负电的胶体互相凝聚两种带负电荷的亲水肢体混合后，其中一种沉淀出来而只一种保持分散带带负电荷的强亲水胶体与带正电荷的强亲水胶体混合而不凝聚第一节凝聚与絮凝5.1.4絮凝动力学1.三种物理传输过程:同向絮凝差降絮凝异向絮凝三种物理传输过程胶体颗粒由于布朗运动相碰而凝聚的现象（这里指颗粒已处于脱稳状态，所以相碰后可粘在一起）在胶体化学中称为异向絮凝。使细小颗粒凝聚主要靠搅拌的作用，原因有二：其一是，靠布朗运动来使颗粒凝聚．速度太慢，不能单独使用；其二是，颗粒相碰凝聚逐渐长大后，布朗运动就会停止，相碰的机会就会降得很低，凝聚过程就会停止。这种藉搅拌使胶体颗粒相碰后的凝聚作用称为同向絮凝。给水处理中的絮凝池即为体现同向絮凝的设备。对于两种不同尺寸的颗粒之间的絮凝，除同向、异向絮凝之外，还存在着所谓差降絮凝。大的颗粒以较快速度下降过程中，能赶上沉速较小的小颗粒，因而发生碰撞，产生絮凝现象。第一节凝聚与絮凝2.异向絮凝tkTannp34110（5-17）式中：n为t时刻的颗粒浓度；n0为颗粒的初始浓度；ap为颗粒间粘附效率因数；μ为水的粘度；k为Boltzmann常数；T为绝对温度。dSSkTVaTp221)/exp(2（5-18）≈2·k·a·exp(-Vm/kT)粘附效率因数ap与斥能峰Vm及扩散双电层厚度k-1有关。压缩双电层和降低ζ电势从而降低斥能峰可使ap值提高。dzduat8693.002/1（5-20）dzduznnJijjiij3)(34（5-19）第一节凝聚与絮凝3.同向絮凝水中两种颗粒由于搅拌作用，在每秒钟内相碰Jij次：表明：每秒钟每立方米水中两种颗粒相碰的次数与搅拌产生的速度梯度成正比。n个颗粒的半衰期：（1）加大搅拌所产生的速度梯度du/dz可以缩短t1/2，但它所起的作用并不太大；（2）同样数日的大颗粒与小颗粒相比，其t1/2相关的数量级为(d大/d小)3；（3）在搅拌的过程中，随着颗粒的不断长大，t1/2也就迅速缩短；（4）如果在搅拌开始，就有较大的颗粒存在，总的颗粒数下降速度必然会很快。第一节凝聚与絮凝反应器中利用机械设备进行搅拌，产生速度梯度G：ntannG8ln00（5-21）nannGT)/8()/ln(00（5-22）时间tn用T表示，与G相乘则得—个无量钢数GT数：GT数反映了在时间T时颗粒数n的值，也反映了颗粒的大小。)())((923ijjiipsaaaagk3)(34jiIaaGk)11)((32jijiDaaaakTk第一节凝聚与絮凝4.差降絮凝结论：①颗粒直径越小，扩散传递速率越大。②对于大颗粒，速度梯度传递相差降传递作用为主，而且颗粒直径越大，这些作用越显著。③存在一个特定的颗粒直径使传递速率最小。传递速率应为扩散、梯度和差沉传递速率的叠加：Km=kD+kI+kS（5-23）总的絮凝速率常数：kT=kma（5-24）絮凝速率：jiTnnkdtdn（5-25）第一节凝聚与絮凝5.1.5水处理中的絮凝与凝聚1.水处理中的混凝特点（1）水处理要求颗粒尽快长大到一定的粒度，以便能从沉淀设备中去除掉．而胶体化学往许只是在烧杯中的—种试验，没有对于粒度和沉淀时间的较严格要求。（2）絮凝的颗粒是一个很复杂的体系，而胶体化学所研究的，一般都是单一的胶体，颗粒大小基本是均匀的，这种差别特别大。（3）由于有机和无机混凝剂的使用，水处理中的凝聚与絮凝机理要比压缩双电层脱稳凝聚机理复杂得多。第一节凝聚与絮凝2.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第一节凝聚与絮凝3.凝聚和絮凝过程的四种作用（1）双电层压缩：胶体化学中双电层压缩专指金属离子对于带负电憎水胶体的作用，在水处理中，这相当于混凝剂所离解的Al3+和Fe3+的作用。但脱稳凝聚不只是Al3+和Fe3+的作用，所有中间产物中的带正电的高价离子，也同样能起到促使胶体脱稳凝聚的作用。（2）吸附中和：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ζ电位。其特点是：当药剂投加量过多时，ζ电位可反号。（3）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。（4）絮体网捕：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。包括两种情形：第一种情形指高分子絮凝剂把许多较小的胶体吸附起来，形成更大的颗粒。第二种情形是指，在两个大的同号胶体中间，由于有一个较小的异号胶体而连在一起。第一节凝聚与絮凝4.无机混凝剂对于某一种原水，①一个最佳的剂混凝剂量，最佳剂量可获最佳的混凝效果，处理后水的残余浊度最低。②每一种混凝剂都有一个使用的PH范围。无机混凝剂的最佳剂量的确定主要靠烧杯实验。辅助手段有：颗粒电泳测定，尺寸分布测定及可滤性测定。投加混凝剂的剂量与原水浊度和TOC有密切关系。无机高分子絮凝剂例聚合铝聚硅酸铝盐是人工控制设备下制备的铝盐水解聚合-沉淀反应动力学过程的中间产物。聚合铝中最佳凝聚形态主要是由Ferron逐时络合比色法测定的Alb或Al27及核磁共振法（NWR）所检测的A113O4(OH)247+形态（简称Al13），其含量的多少大致反映出产品的絮凝效能。是另一类新型无机高分子混凝剂，是在活化硅酸（即聚硅酸）及铝盐混凝剂的基础上发展起来的聚硅酸与铝盐的复合产物。带有负电荷的聚硅酸具有较高的相对分子质量，对水体中的胶粒具有很强的吸附架桥能力；而铝盐在水溶液中水解可形成系列带有正电荷的水解羟基铝离子．具有较强的电中和能力。把二者复合成一种产品，可使其成为同时具有电中和作用及吸附架桥能力的无机高分子混凝剂。第一节凝聚与絮凝5.加药混合与絮凝池设计Kolmogoroff涡旋微尺度：413/v（5-26）式中，ε为单位质量的流体在紊流中的能量耗散；v为水的运动粘度，且v＝μ/ρ。21/vG（5-27）微尺度η大于颗粒直径d1的1.33至2倍时，碰撞速率最小，在选择值时应尽量避免这种情况发生。对于絮体网捕凝聚过程，高值使停留时间可以缩短，这是比较经济的。GGG混合设备中紊流的平均速度梯度亦与能量耗散ε和水的运动粘度v有定量关系：通过控制值就可以调整涡旋微尺度η的长短。G第一节凝聚与絮凝絮凝他的设计：（1）原水颗粒物质尺寸广泛分布：iikjikjiknjinnnjidtdn1,,21（5-28）式中，ni、nj分别为i级颗粒和j级颗粒的浓度；β(i,j)为i级颗粒与j级颗粒间絮凝的速率常数；β(i,k)为j级颗粒与k级颗粒间絮凝速率常数。上式可理论上计算出任意时刻絮凝池内颗粒尺寸分布以及它们的浓度。（2）颗粒尺寸微小颗粒以扩散传递为主，温度控制很重要。大颗粒以流速梯度和差降传递为主，值的正确选择及增加絮体的密实程度很重要。G第二节沉淀实验水中悬浮颗粒离散颗粒絮凝颗粒5.2.1基本概念如果颗粒在整个沉淀过程中由于絮凝作用而不断结成新的、粒度较大、沉淀较快的颗粒，从而原始的颗粒不复存在时，则称为絮凝颗粒。经过混凝过程的悬浮物以及活性构泥的絮体，都属于絮凝颗粒。在沉淀过程中，颗粒保持其原始的大小形状，彼此间不发生粘结现象时，称为离散颗粒。泥砂大都是属于离散颗粒一类。第二节沉淀实验5.2.2离散颗粒的沉淀实验1.离散颗粒的沉淀试验在圆管内进行。整个水深中悬浮物的百分数为：*0**1100PvdPvPP（5-29）2.沉淀试验的两条重要性质：①沉淀试验的高的h可以选用任何值，对于沉淀去除百分数并不发生影响；②当沉淀管高度h与沉淀他的水深一样时，t*即等于活塞流沉淀他的停留时间，v*为从水面能够100％地去除的最小颗粒的沉降速度。第二节沉淀实验3.沉淀试验的P-v曲线实际上是悬浮物粒度的分布曲线.图5-5沉淀试验的P-v曲线第二节沉淀实验4.活塞流模型用活塞流模型表示沉淀池中悬浮颗粒下沉的轨迹，如图5-6所示：图5-6活塞流沉淀池模型位于水面能够100％地去除的最小颗粒沉速v*实际就是沉淀池的设计溢流率（也称表向负荷或过流率）。溢流率沉淀池表面积沉淀池流量沉淀池表面面积沉淀池断面面积池宽池宽UCvACUUCvACv***第二节沉淀实验5.2.3絮凝颗粒的沉淀试验1.离散颗粒的去除百分数图5-7离散颗粒的去除百分数当去沉淀时间为t*时去除悬浮物的百分数可表示为：)100('1*'2'1*1'3'2*2'*'*'*nnnnnnnnknknPvvPPvvPPvvPPvvPP第二节沉淀实验2.絮体颗粒沉淀试验的去除百分数由于颗粒在下沉的过程中不断与其它颗粒相碰而粘结在一起，粒度不断加大，沉降速度也就不断加大，下沉的轨迹线，即去除百分数线等曲线，必然是一条曲线，而不是直线。21,PP图5-8絮体颗粒沉淀试验的去除百分数等值线)100(/)(/)(/)(/6**656**545**4*4**3*PvthPPvthPPvthPPvthPPR去除的百分数表示为：第二节沉淀实验5.2.4浓悬浮液的沉淀试验清水区等浓度区变浓度区压实区沉淀过程中，清水区高度逐渐增加，压实区高度也逐渐增加．而等浓度区的高度则逐渐减小，最后不复存在。变浓度区的高度开始是基本不变的，但当等浓度区消失后，也就逐渐消失。变浓度区消失后，压实区内仍然继续压实，直至这一区的悬浮物达到最大密度为止。当沉降达到变浓度区刚消失的位置时，称为临界沉降点。整个沉降过程各区的变化见图5-9。1.浓悬浮液的沉淀第二节沉淀实验图5-9浓悬浮液的沉淀过程沉淀时间t临界沉降点清水区等浓度区变浓度区沉淀过程线沉淀高度h沉淀柱示意图h第二节沉淀实验2.固体通量曲线图5-10固体通量曲线固体通量φ的定义为：v（5-30）当ρρρm时，值为正；当ρmρρi时，值为负，但其绝对值随ρ值增加而增加；当ρρi时，值为负，但其绝对值随ρ值增加而减小。dddddd第二节沉淀实验5.2.5Kynch的沉淀理论悬浮液的浓度分布包括连续均匀的、从顶部到底部连续增加的以及含有不连续浓度的三种情况。Kynch理论中有关连续均匀的悬浮液浓度的部分后来成为浓缩池设计的基本理论。Kynch沉淀理论的基本假定：（1）在总浮物区的任何水平层内，悬浮物的浓度是均匀的，这一水平层内的全部颗粒以同样的速度下沉。颗粒形状、大小以及成分的任何差别都不会改变这一性质。（2）颗粒的下沉速度只是颗粒附近局部悬浮物浓度的函数。（3）整个沉淀高度的初始浓度为均匀的，或者是沿深度逐渐增加的。1.Kynch理论介绍vdtdhdd（5-31）第二节沉淀实验上式中dh/dt代表位于高度h处，浓度ρ为常数的面的运动速度v，按上述假定①，dh/dt即为这一等浓度面内颗粒运动的速度。图