混凝技術(shù)課件

1、第六章 混 凝,,6．1混凝機(jī)理.,6.1.1 基本概念混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝，是凝聚和絮凝的總稱。凝聚：膠體失去穩(wěn)定性的過程稱為凝聚。絮凝：脫穩(wěn)膠體相互聚集稱為絮凝?；炷^程涉及：①水中膠體的性質(zhì)；②混凝劑在水中的水解；③膠體與混凝劑的相互作用。,,6.1.2 水中膠體的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：是指膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。膠體穩(wěn)定性分“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性”和“聚集穩(wěn)定”兩種。動(dòng)力

2、學(xué)穩(wěn)定性：無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，對(duì)抗重力影響的能力強(qiáng)。聚集穩(wěn)定性包括：①膠體帶電相斥（憎水性膠體）；②水化膜的阻礙（親水性膠體） 在動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和聚集穩(wěn)定兩者之中，聚集穩(wěn)定性對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。膠體顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)見圖6-1?；瑒?dòng)面上的電位：稱為?電位，決定了憎水膠體的聚集穩(wěn)定性。也決定親水膠體的水化膜的阻礙，當(dāng)ξ電位降低，水化膜減薄及至消失。,,,,,6.1.3 DLVO理論 膠體顆粒之間的相互作用決定

3、于排斥能與吸引能，分別由靜電斥力與范德華引力產(chǎn)生。 排斥勢(shì)能：ER－1/d2 吸引勢(shì)能：EA－1/d6（有些認(rèn)為是1/d2或1/d3） 由此可畫出膠體顆粒的相互作用勢(shì)能與距離之間的關(guān)系，見圖6-2。當(dāng)膠體距離xoc時(shí)，吸引勢(shì)能占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)oa <x< oc時(shí)，排斥勢(shì)能占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)x=ob時(shí)，排斥勢(shì)能最大，稱為排斥能峰。 膠體的布朗運(yùn)動(dòng)能量Eb＝1.5kT，當(dāng)其大于排斥能峰時(shí)，膠體顆粒能

4、發(fā)生凝聚。 以上稱為DLVO理論，只適用于憎水性膠體，由德加根（derjaguin）、蘭道（Landon）(蘇聯(lián)，1938年獨(dú)立提出〕，伏維（Verwey）、奧貝克（Overbeek）（荷蘭，1941年獨(dú)立提出）。,,,,,6.1.4 硫酸鋁在水中的化學(xué)反應(yīng) 硫酸鋁Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立即離解出鋁離子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接著會(huì)發(fā)生水解與縮聚反應(yīng)，形成不同的產(chǎn)物。產(chǎn)

5、物包括：未水解的水合鋁離子、單核羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物、氫氧化鋁沉淀等。各種產(chǎn)物的比例多少與水解條件（水溫、pH、鋁鹽投加量）有關(guān)，見圖6-3,,,,,6.1.5 混凝機(jī)理 1．電性中和作用機(jī)理 電性中和作用機(jī)理包括壓縮雙電層與吸附電 中和作用機(jī)理，見圖6-4。 （1）壓縮雙電層 加入電解質(zhì)加入，形成與反離子同電荷離子，產(chǎn)生壓縮雙電層作用，使ξ電位降低，從而膠體顆粒失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生凝聚作用。 壓縮雙電

6、層機(jī)理適用于叔采－哈代法則，即：凝聚能力?離子價(jià)數(shù)6。 該機(jī)理認(rèn)為?電位最多可降至0。因而不能解釋以下兩種現(xiàn)象：①混凝劑投加過多，混凝效果反而下降；②與膠粒帶同樣電號(hào)的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。,,,,,,（2）吸附－電性中和 這種現(xiàn)象在水處理中出現(xiàn)的較多。指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷的聚合離子、高分子物質(zhì)、膠粒等，來降低?電位。其特點(diǎn)是：當(dāng)藥劑投加量過多時(shí)，?電位可反號(hào)。 2．吸附架橋 吸附架橋作用

7、是指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋，架橋模型示意見圖6-5。 高分子絮凝劑投加后，通?？赡艹霈F(xiàn)以下兩個(gè)現(xiàn)象： ①高分子投量過少，不足以形成吸附架橋； ②但投加過多，會(huì)出現(xiàn)“膠體保護(hù)”現(xiàn)象，見圖6-6；,,3．網(wǎng)捕或卷掃 金屬氫氧化物在形成過程中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕與卷掃。所需混凝劑量與原水雜質(zhì)含量成反比，即當(dāng)原水膠體含量少時(shí)，所需混凝劑多，反之亦然。,,,6.1.6 硫酸鋁的混凝機(jī)理

8、 不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機(jī)理不同。何種作用機(jī)理為主，決定于鋁鹽的投加量、pH、溫度等。實(shí)際上，幾種可能同時(shí)存在。 pH<3 簡(jiǎn)單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用； pH=4~5 多核羥基絡(luò)合物起吸附電性中和； pH=6.5-7.5 氫氧化鋁起吸附架橋；,6．2 混凝劑和助凝劑,6.2.1 混凝劑 混凝劑應(yīng)符合以下要求：①混凝效果好

9、；②對(duì)人體無危害；③使用方便；④貨源充足，價(jià)格低廉。 目前混凝劑的種類有不少于200－300種，分為無機(jī)與有機(jī)兩大系列，見表6-1。 與硫酸鋁相比，三氯化鐵具有以下優(yōu)點(diǎn)：①適用的pH值范圍較寬；②形成的絮凝體比鋁鹽絮凝體密實(shí)；③處理低溫低濁水的效果優(yōu)于硫酸鋁；④但三氯化鐵腐蝕性較強(qiáng)。 硫酸亞鐵一般與氧化劑如氯氣同時(shí)使用，以便將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵。,,聚合氯化鋁又稱為堿式氯化鋁或羥基氯

10、化鋁，性能優(yōu)于硫酸鋁。其成分取決于羥基與鋁的摩爾數(shù)之比，通常稱之為堿化度B，按下式計(jì)算： 聚合鐵包括聚合硫酸鐵與聚合氯化鐵，目前常用的是聚合硫酸鐵，它的混凝效果優(yōu)于三氯化鐵，它的腐蝕性遠(yuǎn)比三氯化鐵小。,,表6-1 常用的混凝劑,,6.2.2 助凝劑助凝劑：凡能提高或改善混凝劑作用效果的化學(xué)藥劑可稱為助凝劑。助凝劑可以參加混凝，也可不參加混凝。廣義上可分為以下幾類：①酸堿類：調(diào)整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大礬

11、花的粒度和結(jié)實(shí)性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨膠、高分子絮凝劑；③氧化劑類：破壞干擾混凝的物質(zhì)，如有機(jī)物。如投加Cl2、O3等。,6．3 凝聚動(dòng)力學(xué),6.3.1 基本概念 混凝動(dòng)力學(xué)：研究顆粒碰撞速率屬于混凝動(dòng)力學(xué)范疇。 顆粒相互碰撞的動(dòng)力來自兩個(gè)方面：顆粒在水中的布朗運(yùn)動(dòng)；在水力或機(jī)械攪拌所造成的流體運(yùn)動(dòng)。 異向絮凝：由布朗運(yùn)動(dòng)引起的顆粒碰撞聚集稱為異向絮凝。

12、 同向絮凝：由水力或機(jī)械攪拌所造成的流體運(yùn)動(dòng)引起的顆粒碰撞聚集稱同向絮凝,,6.3.2 異向絮凝 顆粒的碰撞速率可按下式計(jì)算：(6-1) 式中：DB： 布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)， T為溫度，為水的運(yùn)動(dòng)粘度，為水的密度； 因此：(6-2) 故Np只與顆粒數(shù)量和水溫有關(guān)，而與顆粒粒徑無關(guān)。但當(dāng)顆粒的粒徑大于1?m，布朗運(yùn)動(dòng)消失。,,6.3.3 同向絮凝 1.層流理論 層

13、流條件下顆粒的碰撞示意見圖6-7。 顆粒的碰撞速率按下式計(jì)算：(6-3) 在被攪動(dòng)的水流中，考慮一個(gè)瞬間受煎而扭轉(zhuǎn)的隔離體， 見圖6-8。設(shè)在時(shí)間 內(nèi)，隔離體扭轉(zhuǎn)了 角度，于是角速度 為： (6-4),,轉(zhuǎn)矩 為：(6-5) 于是單位體積水所耗功率p為：(6-6) 由于 ，故 (6-7),,當(dāng)采用機(jī)械攪拌時(shí)，p由機(jī)械攪

14、拌器提供。當(dāng)采用水力絮凝池時(shí)，p應(yīng)為水流本身所消耗的能量，由下式?jīng)Q定： (6-8) 則采用水力絮凝池時(shí)， (6-9),,,,2.同向紊流理論,同向紊流理論： ①外部施加的能量形成大渦旋；②大渦旋將能量輸送給不渦旋；③小渦旋將能量輸送給更小的渦旋；④只有尺度與顆粒尺寸相近的渦旋才會(huì)引起顆粒碰撞；（6-10） 式中，紊流擴(kuò)散系數(shù) ， 為相應(yīng)于尺度的脈動(dòng)速度，為（6-11）

15、 故（6-12）,,3．混凝控制指標(biāo) 自藥劑與水均勻混合起直至大顆粒絮凝體形成為止，工藝上總稱混凝過程。相應(yīng)設(shè)備有混合設(shè)備和絮凝設(shè)備。 混合（凝聚）過程：在混合階段，對(duì)水流進(jìn)行劇烈攪拌的目的主要是使藥劑快速均勻分散以利于混凝劑快速水解、聚合、及顆粒脫穩(wěn)。平均G＝700~1000s-1，時(shí)間通常在10～30s，一般<2min散藥劑，此階段，雜質(zhì)顆粒微小，同時(shí)存在顆粒間異向絮凝。

16、 絮凝過程 ：在絮凝階段，主要靠機(jī)械或水力攪拌促使顆粒碰撞凝聚，故以同向絮凝為主。同向絮凝效果不僅與G有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)。在絮凝階段，通常以G值和GT值作為控制指標(biāo)。 平均G＝20－70s-1， GT＝1～104－105 隨著絮凝的進(jìn)行，G值應(yīng)逐漸減小。,6.4 影響水混凝的主要因素,6.4.1 概述 影響混凝效果的因素比較復(fù)雜，主要包括：①原水性質(zhì)，包括水溫、水化學(xué)特性、雜質(zhì)性質(zhì)和濃度等；

17、②投加的凝聚劑種類與數(shù)量；③使用的絮凝設(shè)備及其相關(guān)水力參數(shù)。,,6.4.2水溫影響 水溫低時(shí)，通常絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒細(xì)小、松散，凝聚效果較差。其原因有： ①無機(jī)鹽水解吸熱； ②溫度降低，粘度升高――布朗運(yùn)動(dòng)減弱； ③水溫低時(shí)，膠體顆粒水化作用增強(qiáng)，妨礙凝聚； ④水溫與水的pH值有關(guān),,6.4.3水的pH和堿度影響 水的pH值對(duì)混凝效果的影響程度，與混凝劑種類有關(guān)。

18、 混凝時(shí)最佳pH范圍與原水水質(zhì)、去除對(duì)象等密切有關(guān)。 當(dāng)投加金屬鹽類凝聚劑時(shí)，其水解會(huì)生成H+，但水中堿度有緩沖作用，當(dāng)堿度不夠時(shí)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]：純石灰CaO投量，mmol/L； [a]：混凝劑投量，mmol/L； [x]：原水堿度，按mmol/L，Ca

19、O計(jì)；[δ]：保證反應(yīng)順利進(jìn)行的剩余堿度，一般取0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通過試驗(yàn)決定。,6.4.4水中懸浮物濃度的影響,雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機(jī)率下降，混凝效果差?？刹扇〉膶?duì)策有： ①加高分子助凝劑； ②加粘土 ③投加混凝劑后直接過濾 如果原水懸浮物含量過高，為減少混凝劑的用量，通常投加高分子助凝劑。如黃河高濁度水常需投加有機(jī)高分子絮凝劑作為助凝劑。,6．5

20、混凝劑的配制與投加,6.5.1 混凝劑的溶解和溶液配制溶解池容積W1：W1=（0.2~0.3）W2 （6-14）式中W2為溶液池容積。 （6-15）式中：W2——溶液池容積，m3Q——處理的水量 m3/ ha——混凝劑最大投加量，mg/Lc——溶液濃度，一般取5%~20%n——每日調(diào)制次數(shù)，一般不超過3次,,6.5.2 混凝劑投加 混凝劑投加設(shè)備包括計(jì)量設(shè)備、藥液提升設(shè)

21、備、投藥箱、必要的水封箱以及注入設(shè)備等。。 1.計(jì)量設(shè)備 計(jì)量設(shè)備有：轉(zhuǎn)子流量計(jì)；電磁流量計(jì)；苗嘴；計(jì)量泵等。 2.投加方式 （1）泵前投加 ：安全可靠，一般適用取水泵房距水廠較近者，圖中水封箱是為防止空氣進(jìn)入，見圖6-9。。 （2）高位溶液池重力投加：適用取水泵房距水廠較遠(yuǎn)者，安全可靠，但溶液池位置較高，見圖6-10。 （3）水射器投加：設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，溶液池高度不會(huì)受太大限制，但效率低，易磨

22、損，見圖6-11。 （4）泵投加：不必另設(shè)計(jì)量設(shè)備，適合混凝劑自動(dòng)控制系統(tǒng)，有利于藥劑與水混合，見圖6-12。,,,,,,,,,,,,,,,,6.5.3 混凝劑投加量自動(dòng)控制,1.數(shù)學(xué)模擬法 對(duì)于某一特定水源，可根據(jù)水質(zhì)、水量建立數(shù)學(xué)模型，寫出程序交計(jì)算機(jī)執(zhí)行調(diào)控。采用數(shù)學(xué)模型實(shí)行加藥自動(dòng)控制的關(guān)鍵是：必須要有前期大量而又可靠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才可運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立符合實(shí)際生產(chǎn)的數(shù)學(xué)模型。適用特定原水條件，水質(zhì)儀表

23、多，投資大。,,2.現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)法 采用現(xiàn)場(chǎng)模擬裝置來確定和控制投藥量是較簡(jiǎn)單的一種方法，常用的模擬裝置是斜管沉淀器，過濾器或兩者并用。原水濁度低時(shí)，常用模擬過濾器，原水濁度高時(shí)可用斜管沉淀器或過濾器串聯(lián)使用。此法存在反饋滯后現(xiàn)象，模擬裝置與生產(chǎn)設(shè)備存在一定的差別，但與實(shí)驗(yàn)室相比，更接近實(shí)際情況。,,3.特性參數(shù)法 影響混凝效果的因素復(fù)雜，在某種情況下、某一特性參數(shù)是影響混凝效果的主要因素，這一因素的變化反映了

24、混凝程度的變化。流動(dòng)電流檢測(cè)器法和透光率脈動(dòng)法屬于特性參數(shù)法。,,流動(dòng)電流是指膠體擴(kuò)散層中反離子在外力作用下隨著流體流動(dòng)而產(chǎn)生的電流。此電流與膠體ξ電位有正相關(guān)關(guān)系?；炷竽z體ξ電位變化反映了膠體脫穩(wěn)程度。優(yōu)點(diǎn)是控制因子單一；投資低，操作簡(jiǎn)單；控制精度較高。缺點(diǎn)是投藥量與流動(dòng)電流很少相關(guān)。 透光率脈動(dòng)法是利用光電原理檢測(cè)絮凝聚顆粒的變化，達(dá)到混凝在線連續(xù)控制的新技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是因子單一，不受混凝機(jī)理或品種的限制，不受水質(zhì)限

25、制。,6．6 混凝設(shè)備,6.6.1 混合設(shè)備 1.水泵混合 投藥投加在水泵吸水口或管上?；旌闲Ч?，節(jié)省動(dòng)力，各種水廠均可用，常用于取水泵房靠近水廠處理構(gòu)筑物的場(chǎng)合，兩者間距不大于150m。,,2.管式混合 管式靜態(tài)混合器：流速不宜小于1m/s，水頭損失不小于0.3~0.4m，簡(jiǎn)單易行，見圖6-13。 擴(kuò)散混合器，是在管式孔板混合器前加一個(gè)錐形帽，錐形帽夾角90°

26、;。順流方向投影面積為進(jìn)水管總截面面積的1/4，開孔面積為進(jìn)水管總截面面積的3/4，流速為1.0~1.5m/s，混合時(shí)間2~3s。節(jié)管長(zhǎng)度不小于500mm。水頭損失約0.3~0.4，直徑在DN200~DN1200，見圖6-14。,,,,,,,3 機(jī)械混合 在池內(nèi)安裝攪拌裝置，攪拌器可以是槳板式、螺旋槳式或透平式，速度梯度700~1000s-1，時(shí)間10~30s以內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是混合效果好，不受水質(zhì)影響，缺點(diǎn)是增加機(jī)械設(shè)備，增

27、加維修工作。,,6.6.2 絮凝設(shè)備 1.隔板絮凝池 隔板絮凝池分往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式，見圖6-15與圖6-16。 隔板絮凝池的水頭損失由局部水頭和沿程水頭損失組成。往復(fù)式總水頭損失一般在0.3~0.5m，回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40％左右。 隔板絮凝池特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、管理方便，但絮凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應(yīng)大水廠。 隔板絮凝池的設(shè)計(jì)參數(shù)：,,,,①流速：起端

28、0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段數(shù)：4~6段； ②轉(zhuǎn)彎處過水?dāng)嗝娣e為廊道過水?dāng)嗝娣e的1.2~1.5倍； ③絮凝時(shí)間：20~30min； ④隔板間距：不大于0.5m，池底應(yīng)有0.02~0.03坡度直徑不小于150mm的排泥管； ⑤廊道的最小寬度不小于0.5m； ⑥各段的水頭損失 ，總水頭損失,,,,,,,,,2.折板絮凝池

29、 通常采用豎流式，它將隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰對(duì)波谷平行安裝稱“同波折板”，波峰相對(duì)安裝稱“異波折板”。與隔板式相比，水流條件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安裝維修較困難，折板費(fèi)用較高。其示意圖見圖6-17與圖6-18。,,,,,,,,3 機(jī)械絮凝池 機(jī)械絮凝池的剖面示意見圖6-19。 攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水平軸式和垂直軸式。

30、 第一格攪拌強(qiáng)度最大，而后逐步減小，G值也相應(yīng)減小，攪拌強(qiáng)度決定于攪拌器轉(zhuǎn)速和槳板面積。,,,,,,,（1）功率計(jì)算 水流對(duì)槳板的阻力就是槳板施于水的推力，在dA微面積上水流阻力 （6-15） 阻力dFi所耗功率，即槳板施于水的功率： （6-16） 式中：，為水流旋轉(zhuǎn)線速度，為槳板旋轉(zhuǎn)角速 度，為旋轉(zhuǎn)半徑 因此 （6-17）,,第塊槳板克服水的阻力所耗功率：（

31、6-18） 設(shè)每根旋轉(zhuǎn)軸在不同旋轉(zhuǎn)半徑上裝相同數(shù)量的槳板，則每根旋轉(zhuǎn)軸全部槳板所耗功率： （6-19）每根旋轉(zhuǎn)軸所需電動(dòng)機(jī)功率： （6-20）,,（2）設(shè)計(jì)參數(shù) ①絮凝時(shí)間10~15分。 ②池內(nèi)一般設(shè)3～4擋攪拌機(jī)。 ③攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速按葉輪半徑中心點(diǎn)線速度計(jì)算確定，線速度第一擋0.5m/s逐漸減小至末擋的0.2m/s。 ④槳板總面積宜為水流截面積的10～20％，不宜超過75％，槳板長(zhǎng)度不大于葉輪半徑的

32、75％，寬度宜取10～30cm。 （3）優(yōu)缺點(diǎn) 機(jī)械絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)容易，效果好，大、中、小水廠均可，但維修是問題。,,4.穿孔旋流絮凝池 由若干方格組成。分格數(shù)一般不少于6格。流速逐漸減小，G也相應(yīng)減小以適應(yīng)絮凝體形成，孔口流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速宜取0.2～0.3m/s。絮凝時(shí)間15～25min。穿孔旋流絮凝池的平面示意圖見圖6-20。 穿孔旋流絮凝池的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)

33、造簡(jiǎn)單，施工方便，造價(jià)低，可用于中、小型水廠或與其他形式的絮凝池組合應(yīng)用。,,,,,5.網(wǎng)格、柵條絮凝池 網(wǎng)格、柵條絮凝池設(shè)計(jì)成多格豎井回流式。每個(gè)豎井安裝若干層網(wǎng)格或柵條，各豎井間的隔墻上、下交錯(cuò)開孔，進(jìn)水端至出水端逐漸減少，一般分3段控制。前段為密網(wǎng)或密柵，中段為疏網(wǎng)或疏柵，末段不安裝網(wǎng)、柵。網(wǎng)格（柵條）絮凝池的示意圖見圖6-21。,,,,,網(wǎng)格絮凝池效果好，水頭損失小，絮凝時(shí)間較短，但還存在末端池底積泥現(xiàn)象，小數(shù)

34、水廠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格上滋生藻類、堵塞網(wǎng)眼現(xiàn)象。其設(shè)計(jì)參數(shù)見表6-2,表6-2 柵條、網(wǎng)格絮凝池主要設(shè)計(jì)參數(shù),,網(wǎng)格和柵條絮凝池在不斷完善和發(fā)展之中，絮凝池宜與沉淀池合建，一般布置成兩組并聯(lián)形式。每組設(shè)計(jì)水量一般為1.0～2.5萬m3/d之間。,,6.不同形式絮凝池組合應(yīng)用 每種形式的絮凝池各有其優(yōu)缺點(diǎn)。不同形式的絮凝池組合應(yīng)用可以相互補(bǔ)充，取長(zhǎng)補(bǔ)短。往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池在豎向組合是常用方式之一，穿孔旋流與隔板絮凝池