1,水处理原理与工艺,2,第一章 水处理方法概论 第二章 物理处理法工艺原理 第三章 化学处理法工艺原理 第四章 物理化学处理法工艺原理 第五章 生物处理法工艺原理 第六章 污水的深度处理技术 第七章 工业循环冷却水的水质处理与控制,3,第四章 物理化学处理法工艺原理,4,1、混凝,物化处理法应用的场合很多，多用在废水的深度处理中，在自来水的常规处理工艺以及工业给水的处理工艺中，也常见到物化的处理技术。,2、离子交换,3、吸附,4、萃取,5、膜分离,5,（1）给水处理中，以地表水为水源的生活饮用水的常规处理工艺中混凝是其中的重要单元，主要去除水中的胶体和部分微小悬浮物，从表观来看主要是去除产生浊度的物质； （2）废水处理中，应用非常广泛，既可作为独立的处理单元，也可以和其他处理法联合使用，进行预处理、中间处理或最终处理。混凝可以去除废水中呈胶体和微小悬浮物状态的有机和无机污染物，还可以去除某些溶解性物质，如砷、汞等，以及导致水体富营养化的磷元素。 （3）在污泥脱水工艺中，将混凝用作前处理手段，改善污泥的脱水性能,1、混凝,混凝的目的：向水中投加一些药剂（混凝剂）破坏胶体的稳定性，使水中难以沉淀的胶体和微小悬浮物能相互聚合，从而长大至能自然沉淀的程度。,6,混凝主要去除对象：粘土（50nm-4 m） 细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm） 混凝过程涉及到三个方面的问题： 水中胶体的性质 混凝剂在水中的水解 胶体与混凝剂的相互作用 1637年，我国开始使用明矾净水 1884年，西方才开始使用,7,1）光学性质：胶体在水溶液中能引起光的反射的性质； 2）力学性质：指胶体的布朗运动，这也是胶体颗粒不能自然沉淀的原因之一； 3）表面性质：胶体颗粒微小，比表面积大，具有极大的表面自由能，从而使胶体颗粒具有强烈的吸附能力和水化作用； 4）电学性质：指胶体在电场中产生的动电现象，包括电泳和电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的，这是胶体保持其稳定性的重要原因之一。,1.1 胶体的特性与结构,8,胶体的双电层结构,9,胶体的双电层结构 胶核表面吸附了一层带同号电荷的离子， 称为电位离子层；电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同而电性相反的离子，称为反离子层。电位离子层与反离子层就构成了胶体粒子的双电层结构。 在靠近胶核表面的一层内，因吸力较大反离子紧密地吸附在胶核表面上，故称为吸附层。厚度较薄较固定，不随外界的条件（水温）变化而变化。 在吸附层之外，还有一层反离子，在此范围内静电吸力因屏蔽作用而减弱，且受水分子热运动的干扰，与层内的电位离子及胶核的结合力较为松弛，离子扩散游动在吸附层之外，称为扩散层。,10,通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒，胶粒再与扩散层组成电中性胶团（即胶体粒子）。 由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的，其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差，电性与电位离子相同。,11,胶核与溶液主体间由于表面电荷的存在所产生的电位称为电位，而胶粒与溶液主体间由于胶粒剩余电荷的存在所产生的电位称为电位。 电位对于某类胶体而言，是固定不变的，无实用意义；而电位可通过电泳或电渗计算得出，随着温度、pH值及溶液中反离子浓度等条件变化，在水处理中具有重要的意义。 天然水中的胶体杂质通常是负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等。 粘土胶体的电位一般在15-40mV； 细菌的电位一般在-30-70mV； 藻类的电位一般在-10-15mV范围内。,12,所谓的胶体稳定性是指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。 从胶体化学角度而言，胶体溶液并非真正的稳定系统，但从水处理工程的角度而言，由于胶体颗粒和微小悬浮物的沉降速度十分缓慢，因此均被认为是“稳定”的。 胶体的稳定性包含“动力学稳定性”与“聚集稳定性”两方面的内容： 动力学稳定性：布朗运动强，对抗重力影响的能力强 聚集稳定性：胶体粒子表面同性电荷的静电斥力作用或水化膜的 阻碍作用 其中聚集稳定性对胶体稳定性的影响起到关键的作用。,13,与胶体化学的单一胶体体系相比，水与废水中的胶体体系要复杂得多。 水处理中的混凝机理也比较复杂。关于“混凝”一词，目前尚无统一规范化的定义。 在水处理工程中，混凝是凝聚(coagulation)和絮凝（flocculation）的总称，其中，凝聚是指胶体被压缩双电层而失去稳定性，发生相互聚集的过程；絮凝则指脱稳胶体聚结成大颗粒絮体的过程。 凝聚是瞬时的，只需将药剂全部分散到水中即可，絮凝则需要一定的时间去完成，但一般情况下很难分开。,1.2 水的混凝机理,14,目前比较公认的混凝机理,注：在实际水处理中，上述各种机理往往同时或交叉发挥作用，只是依条件的不同而以其中的某一种起主导作用而已。,1.压缩双电层机理,4. 网捕作用,2. 电性中和作用,3. 吸附架桥作用,15,(1) 压缩双电层机理,以天然水中带负电荷的粘土胶体为例，在投入铝盐或铁盐等混凝剂后，混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层, 因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，等于压缩双电层，使扩散层减薄，从而使电位降低。当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时，电位为零, 称为等电状态。理论上来说，此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。,16,17,实际上，电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚集，这时的电位称为临界电位(k)。,胶粒因电位降低或消除以至失去稳定性的过程，称为胶体脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。,18,双电层压缩是阐明胶体凝聚的一个重要理论，特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况，该理论可以较好地解释港湾处的沉积现象，因淡水进入海水时，盐类增加，离子浓度增高，淡水夹带的胶体的稳定性降低，所以在港湾处粘土和其他胶体颗粒易沉积。,但是双电层理论认为电位最多可降至零，因而不能解释水处理中的一些混凝现象，如混凝剂投量过多时胶体会重新稳定；在等电状态混凝效果应最好，但生产实践却表明，混凝效果最佳时的电位常大于零；与胶粒带同电荷的聚合物或高分子有机物可能有好 凝聚效果。,19,(2) 吸附电中和作用,指胶核表面直接吸附异号离子、异号胶粒或链状高分子带异号电荷的部位等，来降低电位。,这种吸附力，绝非单纯的静电力，一般认为还存在范德华引力、氢键、共价键等。,混凝剂投量适中时，通过胶核表面直接吸附带相反电荷的聚合离子或高分子物质，电位可达到临界电位k；但当混凝剂投量过多时，胶核表面吸附过多的相反电荷的聚合离子，导致胶核表面电荷变号。,20,吸附电中和理论解释了压缩双电层所不能解释的现象，并已广泛应用于解释金属盐混凝剂对胶体颗粒的脱稳凝聚作用。,21,22,高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象： 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥； 但投加过多，会出现“胶体保护”现象，使胶体又处于稳定状态（即由于胶粒相对较少，吸附了某一胶粒的高分子物质的另一端粘结不到第二胶粒，而是被原先的胶粒吸附在其他部位）。,23,因此，只有在高分子投加量适中时，即胶粒只有部分表面被覆盖时，才能在胶粒间产生有效的吸附架桥作用并获得最佳絮凝效果。 另外，已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间搅拌，架桥聚合物可能会从另一胶粒表面脱开，重又卷回所在胶粒表面，造成再稳定状态。,利用这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂能得到好的絮凝效果的现象。,高分子物质若为阳离子型聚合电解质，对带负电荷的粘土胶体而言，既具有电性中和作用又具有吸附架桥作用；若为非离子型或阴离子型聚合电解质，只能起吸附架桥作用。,24,(4) 网捕或卷扫机理,当金属盐类混凝剂的投加量和介质条件足以使它们迅速生成难溶性氢氧化物沉淀时，沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。水中胶粒本身可作为这些金属氢氧化物沉淀物形成的核心，所以混凝剂最佳投加量与被去除物质的浓度成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。,25,根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理： pH3 简单的水合铝离子，起压缩双电层作用； pH=4.56.0 多核羟基络合物，起吸附电性中和作用； pH=77.5 电中性氢氧化铝聚合物，起吸附架桥作用， 同时也存在某些羟基络合物的电性中和作用； 天然水的pH值一般在6.57.8之间，主要是吸附架桥和电性中和，两者以何为主，取决于铝盐投加量。当铝盐投加量超过一定量时，会产生“胶体保护”作用， 使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定。当铝盐投加量再次增大，超过氢氧化铝溶解度而产生大量沉淀物时，则起网捕和卷扫作用。,26,最佳卷扫混凝区发生在pH为78，铝盐投加量为2060mg/L,27,种类很多，不少于200300种 1）无机混凝剂：品种较少，主要是铁盐、铝盐及其聚合物，在水处理中应用最为广泛； 2）有机混凝剂：品种很多，主要是高分子物质，但在水处理中的应用比无机的少。 在全国混凝剂销售中，传统无机混凝剂约占20，无机高分子混凝剂占70，有机高分子混凝剂约占10。,1.3 混凝剂与助凝剂,28,29,常用的混凝剂的特性,30,混凝剂的发展方向： 复合型无机或有机高分子絮凝剂： 如铁铝复合、聚合铝硅/铁硅、无机有机复合 高分子絮凝剂； 阳离子有机化合物 天然改性高分子絮凝剂： 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,31,从广义上而言，凡是能够提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂统称为助凝剂。助凝剂本身可以起混凝作用，也可不起混凝作用。 1）调整剂：当污水pH值不符合要求时，需投加pH调整剂，如石灰、硫酸、氢氧化钠等； 2）絮凝体结构改良剂：用以加大矾花的粒度和结实性，改善矾花的沉降性能，如活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂等； 3）氧化剂类：可用来破坏干扰混凝的有机物，如投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化有机物，提高混凝效果。,32,在混凝过程中，投加混凝剂，压缩胶体颗粒的双电层，降低电势，是实现胶体脱稳的必要条件，但要进一步使脱稳胶体形成大的絮凝体，关键在于保持颗粒间的相互碰撞。颗粒间的相互碰撞是颗粒之间或颗粒与混凝剂之间发生凝聚和絮凝的必要条件。,1.4 混凝动力学,33,造成水中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；在水力或机械搅拌下所造成的流体流动。 由布朗运动造成的碰撞聚集称为”异向絮凝“；由流体湍动造成的碰撞聚集称为”同向絮凝“。,34,（1）异向絮凝 由于布朗运动导致的颗粒的絮凝速率取决于碰撞速率。 式中，Np单位体积中的颗粒在异向絮凝中碰撞速率，1/(m3.s)； n颗粒数量浓度，个/m3; K波尔兹曼常数，1.3810-23kg.m2/(s2.K)； t水的热力学温度，K; 水的运动粘度，m2/s； 水的密度，kg/m3,35,由上式可见，由布朗运动引起的颗粒碰撞速率与颗粒的数量浓度平方和水温成正比，而与颗粒尺寸无关。而布朗运动只在颗粒很小时才表现显著，随着颗粒粒径增大，布朗运动逐渐减弱。当颗粒粒径大于1m时，布朗运动基本消失。 因此，由布朗运动造成的异向絮凝只有在脱稳胶体很小时才起作用。要使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还要靠流体湍动来促使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。,36,（2）同向絮凝 同向絮凝是由水流湍动造成的，在整个混凝过程中占有十分重要的地位。 式中，No粒径d1和d2、初始浓度分别为n1和n2的两颗粒在同向絮凝中的碰撞速率；G速度梯度，1/s。 上式表明，在颗粒浓度和粒径一定的条件下，颗粒间碰撞速率与水流速度梯度有关。速度梯度G作为控制混凝效果的重要水力条件，在混合、反应设备的设计与运行管理上具