1、凝聚和絮凝凝聚和絮凝混凝混凝(coagulation)的定义的定义 混凝的去除对象混凝的去除对象 胶体及部分细小的悬浮物 粒径范围在1nm0.1m（有时认为在1m）混凝目的混凝目的 投加混凝剂使胶体脱稳,相互凝聚生长成大矾花。混凝的定义混凝的定义 包括包括凝聚凝聚(aggregation)(aggregation)和和絮凝絮凝(flocculation)(flocculation)两个步两个步 骤骤,凝聚是指使胶体脱稳并生成微小聚集体的过程凝聚是指使胶体脱稳并生成微小聚集体的过程,而絮凝是指使脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的而絮凝是指使脱稳的胶体或微小悬浮物聚结成大的 絮凝体的过程。絮凝体的过
2、程。混凝过程涉及到三个方面的问题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与形态 胶体与混凝剂的相互作用3.1 胶体的稳定性胶体的稳定性一一.胶体的稳定性胶体的稳定性 动力学稳定性动力学稳定性 布朗运动对抗重力。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）两者之中两者之中,聚集稳定性聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。对胶体稳定性的影响起关键作用。二.胶体的双电层结构胶体的双电层结构d胶胶核核滑动面滑动面图 3-1 胶体双电层结构示意 电位：决定了胶体的聚集 稳定性。一
3、般粘土电位-15-40mV 细菌电位-30-70mV 胶体的凝聚：降低静电斥力电位势垒脱稳凝聚办法：加入电解质，但只 适用于憎水性胶体三三.DLVO理论理论图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系 （a)双电层重叠；(b)势能变化曲线rrEmaxEa0c (a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x3-2 一一.铝盐在水中的化学反应铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表性的是硫酸铝Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即离解铝离子,通常是以Al(H2O)63+存在.在水中,会发生下列过程。1.水解过过程 配位水分子发生水解：Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+H+.其结果是：价数降低
4、，pH降低，最终产生Al(OH)3沉淀3.2 混凝机理混凝机理2.缩缩聚反应应 OH发生架桥,产生高价聚合离子(多核羟基配合物).其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基配合物还会继续水解。因此,产物包括：未水解的水合铝离子 单核羟基配合物 多核羟基配合物 氢氧化铝沉淀 各种产物的比例多少与水解条件(水温、pH、铝盐投加量)有关。二二.胶体的凝聚机理胶体的凝聚机理目前比较公认的凝聚机理有四个方面：目前比较公认的凝聚机理有四个方面：压缩双电层作用压缩双电层作用吸附吸附-电中和作用电中和作用吸附吸附-架桥作用架桥作用网捕网捕-卷扫作用卷扫作用（1）压缩双电层压缩双电层作用作用加入电解质，形成与
5、反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。滑动面负离子原有正离子投加的正离子（1）距离距离（2）滑动面电位（-）（-）电位滑动面距离（3）图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用3-3 （2 2）吸附电中和作用）吸附电中和作用 （3 3）吸附架桥作用）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，架桥模型示意见图3-4。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
6、架桥；但投加过多,会出现“胶体保护”现象，见图3-5。(4)(4)网捕或卷扫网捕或卷扫吸附架桥作用模型示意图吸附架桥作用模型示意图胶粒高分子胶粒高分子排斥排斥胶粒高分子图 6-5 架桥模型示意图 6-6 胶体保护示意3-43-43-53-5三三.絮凝机理絮凝机理异异向絮凝（perikinetic flocculation）由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。同向絮凝（orthokinetic flocculation）由外力（水力或机械力）推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。四四.影响响混凝效果的主要因素|(1)水水温的影响温的影响|(2)水的水的pH值的影响值的影响|(3)水的碱度的影响水的碱度的
7、影响|(4)水中浊质颗粒浓度的影响水中浊质颗粒浓度的影响|(5)水中有机污染物的影响水中有机污染物的影响|(6)混凝剂种类与投加量的影响混凝剂种类与投加量的影响|(7)混凝剂投加方式的影响混凝剂投加方式的影响|(8)水力条件的影响水力条件的影响3.3 混凝剂混凝剂一一.混凝剂混凝剂 种类有不少于种类有不少于200200300300种种其分类见表其分类见表3-1 3-1 无机铝铝系 硫酸铝铝明矾矾聚合氯氯化铝铝（PAC）聚合硫酸铝铝（PAS）适宜pH：5.58 铁铁系 三氯氯化铁铁硫酸亚铁亚铁硫酸铁铁（国内国内生产产少）聚合硫酸铁铁聚合氯氯化铁铁 适宜pH：511，但腐蚀蚀性强 有机 人工合成
8、阳阳离子型：含氨氨基、亚氨亚氨基的聚合物 国国外开开始增多，国内尚国内尚少 阴阴离子型：水解聚丙烯酰胺烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺烯酰胺（PAM），聚氧氧化乙烯烯（PEO）两两性型：使用极极少 天然 淀粉、动动物胶胶、树胶树胶、甲壳壳素等 微生物絮凝剂剂 表表3-1 3-1 常用混凝剂常用混凝剂无机复合聚合物混凝剂无机复合聚合物混凝剂 无机有机复合无机有机复合 有机高分子絮凝剂有机高分子絮凝剂 发展方向发展方向二二.助凝剂剂 凡能提高或改善混凝剂剂作用效果的化学药剂学药剂可称为称为助凝剂剂。助凝剂剂可以参参加混凝，也可不参参加混凝。广义义上可分为为以下几类类：酸碱类碱类：调调整水的p
9、H，如石灰、硫酸等；加大矾矾花的粒度和结实结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶胶、高分子絮凝剂剂；氧氧化剂类剂类：破坏干扰扰混凝的物质质，如有机物。可可投加Cl2、O3等。三三.混凝剂剂选用原则选用原则v混凝效果好v无毒毒害作用作用v货货源充足v成本低成本低v新型药剂的卫生许可新型药剂的卫生许可v借鉴已有经验借鉴已有经验 3.4 混凝动力学混凝动力学一一.异向絮凝动力学异向絮凝动力学 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，主要发生在凝聚阶段。颗粒的碰撞速率颗粒的碰撞速率 Np8/(3)KTn2 (3-1)n：颗粒数量浓度：颗粒数量浓度 ：运动粘度：运动粘度
10、凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒只与颗粒 数量有关，而与颗粒粒径无关。数量有关，而与颗粒粒径无关。当颗粒的粒径大于当颗粒的粒径大于1 m，布朗运动消失。，布朗运动消失。二二.同向絮凝动力学同向絮凝动力学 由水力或机械搅拌产生。由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。最初的理论基于层流的假定。层层流条条件下颗颗粒的碰碰撞示意见图见图3-6。xy扭转方向图 3-7 速度梯度计算图示图 3-6 层流条件下颗粒碰撞示意x 1.层层流理论论 层层流条条件下颗颗粒的碰碰撞示意见图见图6-7。颗颗粒的碰碰撞速率按下式计计算：
11、(3-2)在被搅动搅动的水流中，考虑虑一个个瞬间间受煎而扭转扭转的隔离体，见图见图3-7。设设在时间时间 内内，隔离体扭转扭转了 角度，于是角速度 为为：(3-3)GdnN32034 zyx t Gzuztlt 1 转转矩 为为：(3-4)于是单单位体积积水所耗功率p为为：(3-5)由于 ，故 (3-6)J zyxJ GzyxGzyxzyxJp G pG 当当采用机械搅搅拌时时，p由机械搅搅拌器提供。当当采用水力絮凝池时时，p应为应为水流本身所消耗的能量，由下式决决定：(3-7)则则采用水力絮凝池时时，(3-8)QTVgQhpV TghG 2.2.同向紊流理论同向紊流理论 外部施加的能量形成大
12、涡旋；大涡旋将能量输外部施加的能量形成大涡旋；大涡旋将能量输送给小涡旋；小涡旋将能量输送给更小的涡旋；送给小涡旋；小涡旋将能量输送给更小的涡旋；只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞。撞。（3-93-9）式中，紊流扩散系数式中，紊流扩散系数 ，为相应于尺度为相应于尺度的脉动速度，为的脉动速度，为（3-103-10）故故（3-113-11）208ndDNB uD u 151u230158ndN 三三.混凝过程的控制指标混凝过程的控制指标 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：混合混合(凝聚凝聚)过程：过程：G7001000s
13、-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂,时间通常在1020s,一般2min.絮凝过程：絮凝过程：不仅与G有关(随随着絮凝的进进行,G G值应值应逐渐减渐减小)，还与时间有关。平均G2070s-1，GT1104105实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G最近采用：GTC(建议值100),C：颗粒浓度一一.混凝剂剂的溶解和溶液配制 溶解池容积溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2 （3-12）式中式中W2为溶液池容积。为溶液池容积。（3-13）式中：式中：W2溶液池容积，溶液池容积，m3 Q处理的水量处理的水量 m3/h a混凝剂最大投加量，混凝剂最大投加量，mg/L c溶液浓度，一般取溶液
14、浓度，一般取5%20%n每日调制次数，一般不超过每日调制次数，一般不超过3次次cnaQcnaQW41710001000100242 3.5 混凝过程混凝过程 二二.混凝剂的计量混凝剂的计量 常用的计量设备常用的计量设备 计量泵 流量计（转子、电磁）孔口 苗嘴等。三三.混凝剂的投加方式混凝剂的投加方式（1）泵泵前投加 （2）高位溶液池重力投加 （3）水射器投加 （4）泵泵投加 123456h578910图 3-8 泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球阀；6-投药苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-压水管；325687图 3-9 高位水箱溶液重力投加1-溶解池
15、；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；14123645高压水图 3-10 水射器投加1-溶液池；2-投药箱；3-漏斗；4-水射器；5-压水管；6-高压水管 1-溶液池；2-计量泵；3-压水管图 3-11 计量泵投加321四四.混凝剂投加量自动控制混凝剂投加量自动控制 数学模型法：数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多 现场模拟试验法：现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，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。絮凝监测器：絮凝监测器：利用光电原理检测水中
16、絮凝颗粒变化五五.快速混合快速混合 目的目的 使胶体颗粒凝聚脱稳 要求要求 强烈、快速、短时六六.絮凝反应絮凝反应 目的目的 促使细小颗粒有效碰撞逐渐增长成大颗粒 要求要求 G由大 小 有足够的反应时间 两个条件（P85）3.6 混凝设施混凝设施一一.混合设施混合设施（1）水力混合）水力混合（2）水泵混合）水泵混合（3）管式混合）管式混合（4）机械混合）机械混合水泵泵混合 投药药投加在水泵泵吸水口或管上。混合效果好，节节省动动力，各种种水厂厂均可用，常用于取水泵泵房靠近水厂厂处处理构构筑物的场场合，两两者间间距不大于150m。管式混合管式混合 管式静态混合器管式静态混合器：流速不宜小于：流速不
17、宜小于1m/s1m/s，水头损失，水头损失不小于不小于0.30.4m0.30.4m，简单易行，见图，简单易行，见图3-103-10。扩散混合器扩散混合器 是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角夹角9090。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/41/4，开孔面积为进水管总截面面积的开孔面积为进水管总截面面积的3/43/4，流速为，流速为1.01.5m/s1.01.5m/s，混合时间混合时间23s23s。管节长度不小于。管节长度不小于500mm500mm。水头损失约。水头损失约0.30.30.40.4，直径在，
18、直径在DN200DN1200DN200DN1200，见图，见图3-103-10。图 3-12 管式静态混合器图 3-13 扩散混合器药剂原水管道 管道 单元混合体静态混合器原水原水管投药套管塑料管孔板锥帽挡板支架 机械混合 在池内内安装搅搅拌装置，搅搅拌器可以是桨桨板式、螺旋桨桨式或透平式，速度梯度7001000s-1，时间时间1030s以内内，优优点是混合效果好，不受水质质影响响，缺点是增加机械设备设备，增加维维修工作,电电耗。二二.絮凝设设施施 水水力絮凝反应设施力絮凝反应设施 隔板絮凝池隔板絮凝池 折板絮凝池折板絮凝池 栅条（网格）絮凝池栅条（网格）絮凝池 穿孔旋流絮凝池穿孔旋流絮凝池
19、机械絮凝反应设施机械絮凝反应设施 其他形式的絮凝池其他形式的絮凝池 1.隔板絮凝池 隔板絮凝池 往复式 （见图3-14）回转式 （见图3-15）隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。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40左右。隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。图 3-14 往复式隔板絮凝池19.7m22.0m进水接沉淀池2.8m接沉淀池进水管进水管图 3-15 回转式隔板絮凝池 流速：起端0.5-0.6m/s,末端0.2-0.3m/s段数：46段;转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；絮凝时间：20
20、30min；隔板间距：不小于0.5m，池底应有0.020.03坡度直径不小于150mm的排泥管；各段的水头损失 ，总水头损失iiiiiilRCvgvmhit2222 ihh隔板絮凝池的设计参数：隔板絮凝池的设计参数：通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图3-16与图3-17。2.2.折板絮凝池折板絮凝池 图 3-16 单通道折板絮凝池剖面示意进水出水进水出水（）（）（a）同波折板 （b）异波折板 图 3-17
21、多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水进水平面图进水A-A剖面折板 网网格、栅条栅条絮凝池设计设计成多格竖竖井回流式。每个竖个竖井安装若干层网层网格或栅条栅条，各竖竖井间间的隔墙墙上、下交错开错开孔，进进水端至出水端逐渐减渐减少，一般分3段控制。前段为为密网网或密栅栅，中段为为疏网网或疏栅栅，末段不安装网网、栅栅。网网格（栅条栅条）絮凝池的示意图见图图见图3-18。3.3.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池 图 3-18 网格（或栅条）絮凝池平面示意图 （图中数字表示网格层数）进水平面布置（2）网格（3）栅条下面进出水上面进出水水流向上水流向下 网网格絮凝池效果好，水头损头损失小，絮凝时间
22、较时间较短，但还还存在末端池底积积泥现现象，小数数水厂发现网厂发现网格上滋生藻类类、堵塞网网眼现现象。其设计参数见设计参数见表3-2。网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为组并联形式。每组设计水量一般为1.01.02.52.5万万m3/dm3/d之间。之间。表3-2 栅条栅条、网网格絮凝池主要设计参数设计参数 絮凝池型1絮凝池分段 栅条缝隙或网格孔眼尺寸（mm）板条宽度（mm）竖井平均流 速（m/s）过栅或过网流速（m/s）竖井之间孔洞流速（m/s)栅条或间格
23、构件布设层数（层）/层距（cm）絮凝时间（min）流速梯度（s-1）栅条絮凝池 前段（安放密栅格）50500.120.140.250.30 0.300.20 16/60 35 70100 中段（安装疏栅条）80500.120.14 0.220.25 0.200.15 8/60 35 4060 末段（不安放栅条）0.100.14 0.100.14 45 1020 网格絮凝池前段（安放密网格）808035 0.120.14 0.250.30 0.300.20 16/6070 35 70100 中段（安装疏网格）100100 35 0.120.14 0.220.35 0.200.15 16/6070
24、 35 4050 末段（不安放网格）0.100.14 0.100.14 45 1020 由若干方格组组成。分格数数一般不少于6格。流速逐渐减渐减小，G也相应减应减小以适应应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间时间1525min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图见图图3-19。穿孔旋流絮凝池的优优点是构构造简单简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂厂或与与其他形式的絮凝池组组合应应用。4.4.穿孔旋流絮凝池穿孔旋流絮凝池 图 3-19 穿孔旋流絮凝池平面示意图上面进水下面进水 机械絮凝池的剖面示意见图3-20。搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安
25、装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。机械絮凝池机械絮凝池 图 3-20 机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池（）（）（）水平轴式；（）垂直轴式浆板；2-叶轮；3-旋转轴；4-隔墙 絮凝时间1015分。池内一般设34挡搅拌机。搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。（3）优优缺点 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。（2 2
26、）设计参数）设计参数 每种种形式的絮凝池各有其优优缺点。不同形式的絮凝池组组合应应用可以相互补补充，取长补长补短。往复复式和回转转式隔板絮凝池在竖竖向组组合是常用方式之一，穿孔旋流与与隔板絮凝池也往往组组合应应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备设备形式增多，应应根据具体情况决况决定。不同形式絮凝池组合应用不同形式絮凝池组合应用1、目前，比较较公认认的凝集机理有哪哪四个个方面?2、根据快速混合的原理，混合设设施主要有哪哪四类类？3、混凝的定义义 4、异异向混凝 5、同向混凝 6、电电位、压缩双电层压缩双电层 7、速度梯度 G8、DLVO理论论9、试叙试叙述脱稳脱稳和凝聚的原理 10、铝盐铝盐和铁盐铁盐作为为混凝剂剂在水处处理过过程中发挥发挥的三种种作用 本章思考题本章思考题11、混凝法主要用于去除水中哪哪些污污染物？12、胶胶体颗颗粒表面带电带电的原因是什么么？13、影响响水的混凝的主要因素有哪哪些？14、水的混凝对对水力条条件的要求是什么么？15、混合和絮凝反应应同样样都是解决搅决搅拌问题问题，它们对搅它们对搅拌的要求有何不同？为为什么么？16、混凝药剂药剂的选选用应应遵循哪哪些原则则？17、什么么叫助凝剂剂？助凝剂剂按投加的目的划划分为哪为哪几类类？
