1第四章：混凝第四章：混凝 (coagulation-flocculation)12本章内容本章内容概述概述胶体的特性与胶体的特性与结构结构混凝机理混凝机理压缩双电层，电性中和，吸附连桥，网络卷带压缩双电层，电性中和，吸附连桥，网络卷带混凝剂与助凝剂混凝剂与助凝剂混凝流程与设备混凝流程与设备澄清池澄清池23第一节、概述第一节、概述混凝混凝：在废水中预先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性，使废水中的胶体和细小悬浮物聚集再加以分离。混凝过程有两个作用：凝聚（coagulation）-使水中原有的离散微粒首先具有粘附在固体颗粒上的性质 絮凝（flocculation）-这些具有粘附性的离散微粒能够粘结成絮体34溶液的种类（按溶质颗粒大小）溶液的种类（按溶质颗粒大小）种类种类颗粒大小颗粒大小实例实例真溶液0.2 - 2.0(nm)空气、海水、汽油、酒胶体溶液2.0 nm 1m牛奶、雾、奶油悬浮液 1m血液、颜料、杀虫剂喷雾剂第二节：胶体结构与特性第二节：胶体结构与特性45水处理中常见胶体：粘土颗粒（对于d4m）大部分细菌（0.280nm）病毒（10300nm）蛋白质56胶体特性胶体特性廷得耳效应布朗运动表面特性：比表面积大，具有极大的表面自由能，使胶体有强烈的吸附能力和水化能力。带电荷性：I.电泳/电渗现象II.常见带-电胶体粒子：粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等III.常见带+电胶体粒子：Fe(OH)3, Al(OH)3等6 Fe(NO3)3 溶液 Fe(OH)3胶体溶液7胶胶粒粒电位电位电位离子滑动面滑动面胶团边界胶团边界吸附层吸附层反离子扩散层扩散层胶体粒子结构示意图胶体粒子结构示意图电位电位胶胶核核浓度浓度8胶体胶体胶粒胶粒扩散层扩散层胶核胶核吸附层吸附层胶体粒子结构：胶体粒子结构：89DLVO理论理论(Derjaguin-Landon-Verwey-Overbeek）1.E(总势能) = ER + EA x: 粒子间距离2.a: 絮凝(可逆)3.Emax: 势垒4.b：聚沉 (永久性)斥力势能, 吸力势能及总势能曲线第三节：混凝机理第三节：混凝机理910混凝机理：压缩双电层机理电性中和吸附连桥网络卷带1011斥斥力力引引力力势垒势垒c1 c2 c3电解质浓度对胶粒势能的影响电解质浓度对胶粒势能的影响11 压缩双电层机理压缩双电层机理：向溶液中加入电解质，加入的反离子与扩散层原有的反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度(D)减小。电位降低电位降低颗粒相撞时的距离减少颗粒相撞时的距离减少排斥力吸引力12电性中和大胶粒吸附许多小胶粒或异号离子，电位降低，达到胶体的脱稳和凝聚。一般加入高价电解质或聚合离子。再稳现象：过多投加多核络合离子，胶核的强烈吸附作用，使胶体重新带电（电荷异号），而出现的再稳现象。1213吸附连桥吸附连桥胶体保护胶体保护13吸附连桥水溶性链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。再稳：I.高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生“胶体保护”作用II.长时间剧烈搅拌1414网罗卷带使用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂投加量很大形成大量的金属氢氧化物(如Al(OH)3 、Fe(OH)3或带金属碳酸盐(CaCO3)沉淀。水中的胶粒以这些沉淀为核心产生沉淀是一种机械作用15第四节：混凝剂与助凝剂第四节：混凝剂与助凝剂混凝剂分类混凝剂分类1516161. 无机混凝剂无机混凝剂17无机混凝剂 - 铝盐(硫酸铝、明矾)水解水解聚合聚合17铝的比重小，在水温低的情况下，絮粒较轻而疏松，处理效果较差pH有效范围:5.5-818铝盐混凝机理：Al3+水解/聚合pH较低:高电荷低聚合度的络合物为主压缩电双层 + 吸附架桥pH较高：低电荷高聚合度的络合物为主吸附架桥 +网捕卷带pH高：水解沉淀物为主吸附 + 网捕卷带19无机混凝剂 -聚合氯化铝(PAC)Al2(OH)nCl6-nm, n5，m10pH有效范围：5-9投药量低, 絮凝体形成快，比重大，沉降性好碱化度较高，对设备的腐蚀性小，处理后的水pH和碱度下降较小。1920无机混凝剂 铁盐 (FeCl36H2O, FeSO47H2O)混凝速度快腐蚀性强FeCl3: 混凝机理与硫酸铝相似， 适用pH范围宽 （5-11）FeSO4：需将Fe(II)Fe(III)21无机混凝剂 - 聚合铁硫酸铁(PFS)Fe2(OH)n(SO4)3- n/2m，n10适用pH范围：pH 4-11混凝效果稳定腐蚀性低于铁盐COD去除率和脱色效果好 21222.有机混凝剂有机混凝剂天然有机混凝剂动物胶、淀粉、甲壳素等电荷密度小，分子量较低，易发生降解而失去活性人工合成高分子混凝剂23聚丙烯酰胺 (PAM)n: 2000090000MW：150 600万pH10 HPAMy/x:水解度水解阳离子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物人工合成高分子混凝剂分类：按水解后基团带电情况,分为阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型混凝机理：吸附架桥243. 助凝剂通常是在单独使用混凝剂不能取得良好效果的时候投加,用以提高混凝效果的辅助药剂。作用：调节/改善混凝条件改善絮凝体结构分类pH调整剂：石灰、硫酸、NaOH絮凝体结构改良剂：活性硅酸、粘土、骨胶、海藻酸钠氧化剂：氯气、次氯酸、臭氧2425混凝动力学1.异向絮凝(perikinetic flocculation): 由布朗运动造成的颗粒碰撞。 颗粒碰撞速率Np (1/cm3s)：K: Boltzmann常数，1.3810-16 g cm2/s2KT:水的绝对温度,Kn:颗粒数量浓度,个/cm3:水的运动粘度，cm2/s: 水的密度，g/cm3262.同向絮凝(orthokinetic flocculation)层流理论层流理论281.水温：低温时水温效果差无机盐水解吸热温度降低，水的粘度升高，布朗运动减弱胶体颗粒水花作用增强，妨碍凝聚2.pH及碱度：视混凝剂品种而异无机盐：水解造成pH下降，影响水解产物形态根据水质、去除对象不同，最佳pH范围不同3.水中杂质浓度：杂质浓度低，颗粒间碰撞几率下降，混凝效果差加助凝剂或加混凝剂后直接过滤4.水力条件混凝影响因素29第五节：混凝处理流程和设备第五节：混凝处理流程和设备废水投配反应混合沉淀分离出水沉渣混凝沉淀处理示意流程图混凝沉淀处理示意流程图混凝剂助凝剂快速搅拌慢速搅拌30一. 投配药剂溶解池溶液池计量设备投加设备混合设备常用计量设备：浮杯式计量器、孔板及转子流量计常用投加设备：泵前投加、高位溶液池重力投加、水注射器投加、泵投加3132常用混合设备：水泵混合、管式混合、机械混合33絮凝(反应)设备：基本要求：形成肉眼可见的大的密实的絮凝体种类：水力搅拌式、机械搅拌式。隔板絮凝池34隔板絮凝池主要设计参数隔板絮凝池主要设计参数：1. 廊道中流速： 起端 0.5 0.6 m/s，末端 0.2 0.3 m/s2.转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.2 1.5倍3.絮凝时间：20 30 min4.隔板净间距： 0.5 m5.池底应有0.02 0.03坡度并设直径 150 mm的排泥管例题例题： 设计往复式隔板絮凝池的各廊道宽度及絮凝池长度。假设絮凝池设计流量为75000 m3/d, 絮凝时间为20min，絮凝池宽度22 m，平均水深2.8 m。3536折板絮凝池37机械絮凝池38第六节第六节. 澄清池澄清池(Clarifier)1.同时实现混凝剂与原水混合、絮凝、沉淀合成一体的设备。2.工作原理：依靠活性泥渣层达到澄清目的。当脱稳杂质随水流与泥渣层接触时，便被泥渣层阻流下来，使水获得澄清。3.分类：泥渣悬浮型澄清池泥渣循环型澄清池3940IIIIIIIIV41机械搅拌澄清池主要设计参数1.清水区上升流速：0.8 1.1 mm/s2.水在澄清池总停留时间：1.2 1.5 h3.叶轮提升流量可为进水流量3 5倍；叶轮直径可为第二絮凝池内径的70 80%4.原水进水管流速： 1 m/s; 配水槽和缝隙的流速： 0.4 m/s5.第一絮凝室、第二絮凝室+导流室、分离室容积比：2 : 1 : 7; 第二絮凝室流速： 40 60 mm/s6.集水槽: 小澄清池：沿池壁建造环形槽大澄清池：在分离室内加设辐射形集水槽I.直径 6 m: 6 8条辐射槽槽壁孔径： 20 30 mm；孔口流速： 0.5 0.6 m/s设计流量应考虑流量增加的余地，超载系数：1.2 1.57.泥渣浓缩室：1 4个，容积约为澄清池 1 4%