1、混凝搅拌实验2第第1 1节节 混凝的去除对象混凝的去除对象第第2 2节节 胶体的性质胶体的性质第第3 3节节 水的混凝机理与过程水的混凝机理与过程第第4 4节节 混凝剂与助凝剂混凝剂与助凝剂第第5 5节节 混凝动力学混凝动力学第第6 6节节 混凝影响因素混凝影响因素第第7 7节节 混凝设备混凝设备第第8 8节节 混凝的应用混凝的应用345混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物尺寸范围：尺寸范围：1nm0.1 m（有时认为在（有时认为在1 m）水处理中主要杂质：粘土（水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m） 细菌（细菌（0.2 m-80 m） 病毒病毒 (10
2、nm-300nm) 蛋白质（蛋白质（1nm-50nm） 腐殖酸腐殖酸 6混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花生长成大矾花, ,以便在后续沉淀工艺中去除。以便在后续沉淀工艺中去除。 以地面水为水源的给水处理工艺：以地面水为水源的给水处理工艺：原水原水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤过滤 消毒消毒 饮用水饮用水 混凝沉淀混凝沉淀二级生物二级生物处理出水处理出水过滤过滤废水深度处理：废水深度处理：716371637年年 我国开始使用明矾净水我国开始使用明矾净水18841884年年 西方才开始使用西方才开始使用 1.胶体性质胶体性质2.混凝剂在水中混凝
3、剂在水中溶解与形态溶解与形态混凝过程：混凝过程： 3.胶体与混凝胶体与混凝剂的相互作用剂的相互作用 8 910一、胶体的稳定性一、胶体的稳定性 动力学稳定性：布朗运动对抗重力动力学稳定性：布朗运动对抗重力聚集稳定性：聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）胶体带电相斥（憎水性胶体） 水化膜的阻碍（亲水性胶体）水化膜的阻碍（亲水性胶体） 1 1 微米的颗粒沉淀微米的颗粒沉淀10 10 厘米需要厘米需要2020小时。小时。11憎水胶体憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核的胶体。触，水分子不直接接触胶核的胶体。 亲水胶体亲水胶体 ：胶体微粒直接吸附水分
4、子。：胶体微粒直接吸附水分子。 极性集团：极性集团：OH，COOH，NH2 12二、胶体双电层结构二、胶体双电层结构 动电位动电位 粘土粘土 =-15-40mV细菌细菌 =-30-70mV 电位形成离子电位形成离子 异号电荷异号电荷吸附层吸附层扩散层扩散层13三、三、DLVO理论理论 静电斥力：静电斥力：ER1/x2 EAER布朗运动能量布朗运动能量 Eb1.5kToc 二次凝聚二次凝聚xoa 稳定稳定E范德华引力：范德华引力：EA1/x6（有些认为是（有些认为是1/x2或或1/x3）14苏联（苏联（1938年）：德加根（年）：德加根（Derjaguin） 兰道（兰道（Landon）荷兰（荷兰
5、（1941年）：伏维（年）：伏维（Verwey） 奥贝克（奥贝克（Overbeek） 只适用于憎水性胶体只适用于憎水性胶体15胶体的凝聚：胶体的凝聚： 降低静降低静电斥力电斥力 电位电位 势垒势垒 脱脱稳稳 凝凝聚聚 加入电解质加入电解质 只适用于憎水性胶体只适用于憎水性胶体16 17一、硫酸铝在水中的化学反应一、硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝硫酸铝Al2(SO4)3 18H2O Al(H2O)63+ 水解过程水解过程 （配位水分子）：（配位水分子）： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+ H+ 价数价数 ，pH ，最终产生，最终产生Al(OH)3沉淀。沉淀。6个配位水分个配位水分
6、子子(八面体八面体)硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具有代表性。有代表性。18H+ + OH- H2OH+ + HCO3- CO2+ H2O水中碱度不足时，投加石灰。水中碱度不足时，投加石灰。CaO + H2O Ca(OH)2石灰投加量：石灰投加量：CaO=3a-x+ CaO：纯石灰投加量：纯石灰投加量, mmol/La：混凝剂投量，：混凝剂投量，mmol/L；x：原水碱度：原水碱度, mmol/L ：保证反应顺利进行的剩余碱度，：保证反应顺利进行的剩余碱度， 一般取一般取0.25-0.5mmol/L水解需要的碱度：水解需要的碱度：19缩聚反应缩聚
7、反应 ：两个相邻两个相邻OH发生架桥，产生高价聚合离子发生架桥，产生高价聚合离子2Al(OH)(H2O)52+ (H2O)4Al Al(H2O)44+ 2H2O OHOH电荷升高，聚合度增大电荷升高，聚合度增大 20H2OH2OH2OH2OAlOHOHH2OH2OH2OH2OAl21产物包括：未水解的水合铝离子产物包括：未水解的水合铝离子 单核羟基络合物单核羟基络合物 多核羟基络合物多核羟基络合物 氢氧化铝沉淀氢氧化铝沉淀 各种产物的比例多少与水解条件（水温、各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。、铝盐投加量）有关。 22二、水的混凝机理二、水的混凝机理在水与废水中在水与
8、废水中体系复杂体系复杂（大小、成份）（大小、成份）胶体化学胶体化学单一体系单一体系在水与废水中在水与废水中体系复杂体系复杂（大小、成份）（大小、成份）胶体化学胶体化学单一体系单一体系凝聚（凝聚（Coagulation）：）：胶体脱稳、凝聚胶体脱稳、凝聚絮凝（絮凝（Flocculation）：）：脱稳胶体变大脱稳胶体变大混凝：包括两者混凝：包括两者23241 1压缩双电层理论压缩双电层理论 根据根据DLVO理论理论 电解质（混凝剂）加入电解质（混凝剂）加入 与反离子同电荷离子与反离子同电荷离子 压缩双电层压缩双电层 电位电位 稳定性稳定性 凝聚凝聚 25很好地解释港湾处的沉积现象。很好地解释港湾
9、处的沉积现象。叔采哈代（叔采哈代（Schulze-Hardy）法则）法则: 凝聚能力凝聚能力 离子价数离子价数6 6 理论上理论上 电位电位0，等电状态效果最好，等电状态效果最好实际只需实际只需 电位电位 k Emax 0该理论不能解释：该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。效果好。 临界电位临界电位 262.2.吸附吸附- -电性中和作用机理电性中和作用机理范德华力、氢键范德华力、氢键及共价键力及共价键力+异号聚合离子异号聚合离子高分子高分子胶粒胶粒273
10、 3吸附架桥机理（链状高分子聚合物）吸附架桥机理（链状高分子聚合物） “胶体保护胶体保护” 再稳现再稳现象象4.4.网捕或卷扫机理网捕或卷扫机理 金属氢氧化物沉淀物在形成过金属氢氧化物沉淀物在形成过程中对胶粒的网捕。程中对胶粒的网捕。 小胶粒与大矾花发生接触凝聚小胶粒与大矾花发生接触凝聚 澄清池中发生的现象澄清池中发生的现象 使小胶体变大使小胶体变大 （絮凝）（絮凝）在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。28pH10条件下水解条件下水解COO阴离子型（阴
11、离子型（HPAM）水解度：水解度：3040有机高分子单体的毒性问题。有机高分子单体的毒性问题。有些国家严格规定不得超过有些国家严格规定不得超过0.05%。37发展方向：发展方向： 聚合硫酸铝铁（聚合硫酸铝铁（PFAS）聚合氯化铝铁（聚合氯化铝铁（PFAC）聚合硫酸氯化铁（聚合硫酸氯化铁（PFSC）聚合硫酸氯化铝（聚合硫酸氯化铝（PASC）聚合铝硅（聚合铝硅（PASi）聚合铁硅（聚合铁硅（PFSi）聚合硅酸铝（聚合硅酸铝（PSA）聚合硅酸铁（聚合硅酸铁（PSF） 无机复合聚合物混凝剂无机复合聚合物混凝剂 传统无机约占传统无机约占20%20%，无机聚合物占无机聚合物占70%70%，有机约占有机约占
12、10%10%。 38无机有机复合：无机有机复合： 聚合铝聚合铝/ /铁铁- -聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、聚合铝聚合铝/ /铁铁- -甲壳素、甲壳素、聚合铝聚合铝/ /铁铁- -天然有机高分子、天然有机高分子、聚合铝聚合铝/ /铁铁- -其它合成有机高分子其它合成有机高分子 高分子絮凝剂：高分子絮凝剂： 阳离子有机化合物阳离子有机化合物天然改性高分子：无毒易降解，如甲壳素等天然改性高分子：无毒易降解，如甲壳素等多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻微生物絮凝剂微生物絮凝剂 39二、助凝剂（结合混凝实验自学）二、助凝剂（结合混凝实验自学） 酸碱类：如石灰、硫酸等
13、酸碱类：如石灰、硫酸等加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸（加大矾花粒度和结实性：如活化硅酸（SiOSiO2 2 nHnH2 2O O）、骨胶、高分子絮凝剂）、骨胶、高分子絮凝剂氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加如投加ClCl2 2、O O3 3等等 40411.胶体性质胶体性质2.混凝剂在水中混凝剂在水中溶解与形态溶解与形态混凝过程：混凝过程： 3.胶体与混凝胶体与混凝剂的相互作用剂的相互作用 42 一、异向絮凝一、异向絮凝 (perikinetic flocculation)由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。由布朗运动造成的碰撞，主要
14、发生在凝聚阶段。 颗粒的碰撞速率颗粒的碰撞速率 Np8/(3) KTn2 n：颗粒数量浓度：颗粒数量浓度 ：运动粘度：运动粘度 T: 温度温度凝聚速度凝聚速度 ：只与：只与颗粒浓度有关，颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关与颗粒尺寸无关。粒径大于粒径大于1 1 m m，布朗运动消失。，布朗运动消失。 43二、同向絮凝二、同向絮凝(orthokinetic flocculation) G U/ Z (速度梯度，速度梯度，velocity gradient, 1/s)（相邻两流层的速度增量）（相邻两流层的速度增量） 碰撞速率碰撞速率N04/3 n2 d3 Gd：颗粒粒径：颗粒粒径 ； n：颗粒数量浓度：颗
15、粒数量浓度由水力或机械搅拌产生由水力或机械搅拌产生 最初的理论基于层流的假定。最初的理论基于层流的假定。44G可由单位体积水流所耗功率可由单位体积水流所耗功率p来计算：来计算：p G p：单位体积流体所耗功率，：单位体积流体所耗功率，W/m3 ：剪切应力：剪切应力 按照牛顿定律按照牛顿定律 G /pG (1943年发明的，甘布公式年发明的，甘布公式) ：动力粘度，：动力粘度，Pa s 45TghG ：运动粘度：运动粘度= / ，m2/s 也称为甘布公式也称为甘布公式水力搅拌水力搅拌时时 p由水流本身能量消耗提供由水流本身能量消耗提供pV gQhh：水头损失（：水头损失（m）Q：流量：流量V：水
16、流体积：水流体积QTT：水力停留时间（：水力停留时间（s） ：密度：密度, kg/m3g：重力加速度：重力加速度,9.8m/s246但存在问题：但存在问题： 1) 层流假设层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？率计算？ 能量传递能量传递微涡旋理论微涡旋理论 外部施加外部施加能量能量大涡旋大涡旋小涡旋小涡旋水的粘性影响水的粘性影响增强，从而产增强，从而产生能量耗散。生能量耗散。与颗粒尺度相当的与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞涡旋才会引起碰撞 使颗粒整使颗粒整体移动体移动强度不足以推强度不足以推动颗粒碰撞动颗粒碰撞47由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异由于小涡旋也是
17、做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞紊流条件下颗粒碰撞速率：紊流条件下颗粒碰撞速率： N08 dDn2D：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和但在紊流中，布朗扩散但在紊流中，布朗扩散紊流扩散紊流扩散故，故，D u ：涡旋尺度：涡旋尺度 u ：相应的脉动速度：相应的脉动速度48设涡旋尺度设涡旋尺度 颗粒直径颗粒直径d根据流体力学，计算脉动速度根据流体力学，计算脉动速度u ，则：，则：230158nGdNG( / )1/2 ：单位时间、单位体积流体的有效能耗：单位时间、单位体积流体的有效能耗G(p/ )1/2492) G增
18、加增加碰撞机率增加碰撞机率增加絮凝效果增加絮凝效果增加 但破碎程度也增加但破碎程度也增加 此现象尚未很好从理论上得到描述此现象尚未很好从理论上得到描述 。50三、混凝控制指标三、混凝控制指标 凝聚凝聚絮凝絮凝混合设备混合设备絮凝设备絮凝设备用用G可以来判断混合和絮凝的程度可以来判断混合和絮凝的程度 混合（凝聚）过程混合（凝聚）过程 (Mixing): 剧烈搅拌分散药剂剧烈搅拌分散药剂 时间通常在时间通常在1030s，一般，一般2min G7001000s-1，51絮凝过程絮凝过程 ：不仅与不仅与G有关，还与时间有关有关，还与时间有关 平均平均G2070s-1， GT1104105 实际设计，采
19、用实际设计，采用v和和T校核校核GT或者平均或者平均G 最近提出最近提出GTC指标（建议值指标（建议值100），），C：颗粒浓度：颗粒浓度 有关混凝动力学指标还需进一步研究。有关混凝动力学指标还需进一步研究。5253水的特性：温度、水的特性：温度、pH及碱度、及碱度、 杂质性质与浓度杂质性质与浓度混凝剂种类：前面已有叙述混凝剂种类：前面已有叙述水力条件：前面已有叙述水力条件：前面已有叙述54一、水温一、水温 低温，混凝效果差，原因是：低温，混凝效果差，原因是： 无机盐水解吸热无机盐水解吸热 温度降低，粘度升高温度降低，粘度升高布朗运动减弱布朗运动减弱胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚胶体颗粒水化作
20、用增强，妨碍凝聚 对策：提高投药量、添加高分子助凝剂对策：提高投药量、添加高分子助凝剂 55二、二、pH及碱度及碱度 视混凝剂品种而异。视混凝剂品种而异。无机盐水解，造成无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形下降，影响水解产物形态。态。根据水质、去除对象，最佳根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。范围也不同。需碱度来调整需碱度来调整pH，碱度不够时需投加石灰。，碱度不够时需投加石灰。 56三、水中杂质浓度三、水中杂质浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。混凝效果差。 对策：对策： 加高分子助凝剂加高分子助凝剂 加粘土等矿物颗粒加粘土等矿物颗粒投加
21、混凝剂后直接过滤投加混凝剂后直接过滤 “低温低浊低温低浊”- - 混凝困难混凝困难57四、混凝效果的评价四、混凝效果的评价混凝烧杯试验（混凝烧杯试验（Jar test） 6联搅拌机联搅拌机58混凝剂投加量混凝剂投加量浊度浊度最佳混凝剂投加量最佳混凝剂投加量不同混凝剂效能的比较不同混凝剂效能的比较不同水和废水的混凝效果不同水和废水的混凝效果混凝影响因素（如混凝影响因素（如pHpH值、水中杂质等）值、水中杂质等）助凝剂的效果助凝剂的效果59 混凝实验混凝实验目的：深入认识混凝现象和混凝机理，目的：深入认识混凝现象和混凝机理， 了解混凝影响因素。了解混凝影响因素。 具体题目：具体题目：设计实验方案（
22、分组）设计实验方案（分组） 进行实验进行实验 数据整理与问题分析数据整理与问题分析 报告与讨论报告与讨论6061一、混凝剂的配制与投配一、混凝剂的配制与投配 一般采用液体投加的方式。一般采用液体投加的方式。 1投配流程：投配流程： 药剂药剂 溶解池溶解池 溶液池溶液池 计量设计量设备备 投加设备投加设备 混合设备混合设备 622计量与投加方式计量与投加方式 计量：流量计（转子、电磁）、计量：流量计（转子、电磁）、孔口计量、孔口计量、计量泵计量泵投加：泵前投加投加：泵前投加 虹吸定量投加虹吸定量投加 水射器投加水射器投加 泵投加泵投加636465666768数学模型法：根据水质水量建立模型，但数
23、学模型法：根据水质水量建立模型，但需要大量的生产数据、涉及仪表多需要大量的生产数据、涉及仪表多现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍有一定滞后。药，仍有一定滞后。 流动电流检测器（流动电流检测器（SCD）：流动电流是指）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。流动而产生的电流。絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化颗粒变化 3投加量自动控制投加量自动控制 69二、混合设备二、混合设备 水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。水泵混合：投药投加在水泵吸水
24、口或管上。管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间混合时间23秒秒机械混合：搅拌机械混合：搅拌 707172三、絮凝设备三、絮凝设备 1. 隔板絮凝池：由往复式和回转式两种隔板絮凝池：由往复式和回转式两种 水头损失：局部水头和沿程水头损失水头损失：局部水头和沿程水头损失 7374往复式总水头损失一般在往复式总水头损失一般在0.30.5m回转式的水头损失比往复式的小回转式的水头损失比往复式的小40左右。左右。 各段水头损失：各段水头损失：iiiiitiilRCvgvmh2222 ：局部阻力系数：局部阻力系数vit: 第第i廊道转弯处水流速度廊道转弯处水
25、流速度vi: 第第i廊道内水流速度廊道内水流速度mi:第第i廊道水流转弯次数廊道水流转弯次数hhiRi：第第i廊道过水断廊道过水断面水力半径面水力半径Ci：流速系数：流速系数75特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂不稳定，池子大。适应大水厂 设计参数：设计参数：流速：起端流速：起端0.5-0.6m/s，末端，末端0.2-0.3m/s段数：段数：46段段 絮凝时间：絮凝时间：2030分分 隔板间距：不小于隔板间距：不小于0.5m 762. 折板絮凝池折板絮凝池 与隔板式相比，水与隔板式相比，水流条件大大改善。流条件大大改善。絮凝时间絮
26、凝时间1015分分 但安装维修较困难，但安装维修较困难，折板费用较高折板费用较高 。 773. 机械絮凝池机械絮凝池 速度梯度应递减。速度梯度应递减。78调节容易，效果好，大、中、小水厂均可调节容易，效果好，大、中、小水厂均可 但维修是问题。但维修是问题。 79)(8414231rrlCPnD每根旋转轴全部每根旋转轴全部浆板所耗功率：浆板所耗功率：804. 不同型式组合絮凝池不同型式组合絮凝池 往复式回转式隔板往复式回转式隔板隔板机械隔板机械8182一、给水处理一、给水处理 以地面水为水源时，去除浊度和细菌。以地面水为水源时，去除浊度和细菌。 经混凝沉淀后一般浊度小于经混凝沉淀后一般浊度小于1
27、0度度 。以地面水为水源的给水处理工艺：以地面水为水源的给水处理工艺：原水原水 混凝混凝 沉淀沉淀 过滤过滤 消毒消毒 饮用水饮用水 83二、废水处理二、废水处理 1工业废水：工业废水： 用于处理一些特殊废水，脱色、去除悬浮物等用于处理一些特殊废水，脱色、去除悬浮物等 。印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。水溶性分子量较大的等染料废水处理。 混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。 可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。凝剂联
28、用。 84例：某针织厂废水例：某针织厂废水TOC为为5060mg/L，pH值为值为7.5。采用采用PAC混凝剂，投加量为混凝剂，投加量为140mg/L时，时，TOC去除率为去除率为68。 85含油废水处理：含油废水处理：乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压缩双电层。缩双电层。通常采用混凝气浮工艺。通常采用混凝气浮工艺。 例：兰州炼油厂废水加例：兰州炼油厂废水加PAC采用二级气浮采用二级气浮原水含油原水含油50-100mg/L 投加投加PAC50mg/L一级气浮出水，油一级气浮出水，油2030mg/L PAC30mg/L二级气浮出水，油二级气浮出水，油15
29、20mg/L 86肉类加工厂废水处理：肉类加工厂废水处理： 例：某肉类加工厂屠宰废水例：某肉类加工厂屠宰废水COD为为670mg/L，用聚合硫酸铁处理后，用聚合硫酸铁处理后，COD去除率在去除率在77以上。以上。 混凝优点：上马快、投资省、效果好，混凝优点：上马快、投资省、效果好，但运转费高，沉渣多但运转费高，沉渣多 872废水深度处理与回用废水深度处理与回用 二级生物二级生物处理出水处理出水混凝沉淀混凝沉淀过滤过滤混凝剂混凝剂COD50 mg/LBOD5: 20-30mg/LCOD: 60-100mg/LSS: 20-30mg/L含有粒径数含有粒径数nm到到10 m的颗粒的颗粒市政杂用市政杂用绿化、洗车绿化、洗车冷却用水冷却用水去除颗粒物去除颗粒物氮、磷氮、磷砷、汞等砷、汞等
