第三章 混凝
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第三章 混凝
同向紊流理论-说明 • 说明 • 1. p 和
沿用习惯，也称为G.
• 2.G能反映所给功率，其值越大，颗粒碰撞 速率越大，混凝效果越好。若太大，由于 过大的水流剪力力，会破坏形成的絮凝体 （处于研究阶段）。 • 3.实际中最佳G值及药物投加量，要通过混 凝条件实验来确定。
3.6混凝动力学—混凝控制指标
混凝剂的种类有不少于200-300种，分为无机与有 机两大系列
3.4混凝剂和助凝剂—混凝剂
铝系
无机 铁系 硫酸铝（在我国使用方便） 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合 物 人工 合成
适宜pH：5.5~8
3.3混凝机理
凝聚机理
压缩双电层 吸附——电中和作用 吸附架桥作用 网捕——卷扫作用
絮凝机理
异向絮凝 同向絮凝
一、凝聚机理—压缩双电层
• 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 • 电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双 电层――电位――稳定性――凝聚
电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电 位＝0，只要使Emax=0即可，此时的电位称为 临界电位
3.4混凝剂和助凝剂—助凝剂
凡是不能在某一特定的水处理工艺中单独用作混 凝剂但可以与混凝剂配合使用而提高或改善混凝 效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加 混凝，也可不参加混凝。 按投加目的可分为几类：
1.以吸附架桥改善已形成的絮体结构：如骨胶、活化硅酸、 聚丙烯酰胺（PAM）及其水解产物 2.以调节原水酸碱度来促进混凝剂水解：调整水的pH，如 石灰、硫酸等 3.以破坏水中有机污染物对胶体颗粒的稳定作用来改善混 凝效果：如投加高锰酸盐、臭氧等 4.以改变混凝剂化学形态促进混凝效果：主要指硫酸亚铁 作为混凝剂时，投加Cl2促使亚铁离子氧化成三价铁
第三章-混凝的原理与应用
PAC 用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。 混凝效果好。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
改善絮体结构－增加颗粒重量
PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物 ，骨胶等
3.影响混凝效果的主要影响因素
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位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 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
同向絮凝
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
改善絮体结构－增加颗粒重量
PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物 ，骨胶等
3.影响混凝效果的主要影响因素
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位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 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
同向絮凝
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
第三章+混凝
关。 ④ 范德华引力：分子间的作用力，与分子间距离的 6 次方成反比。 水中胶体颗粒的稳定性，取决于上述因素的综合作用。 稳定的胶体溶液中: 碰撞时两个滑动面内的离子层厚度较大，范德华引力较弱，同时由于
布朗运动的动能不足以克服能垒，使双电层结构不易遭破坏，从而胶体保持稳定。对于亲水 胶体其水壳厚度使之不能相互接近。 3、胶体颗粒的脱稳与絮凝
3.3.3 水中杂质性质，成分和浓度
水中存在二价及其以上的正离子，利于双电层压缩； 水中存在较多粘土，可降低混凝剂用量； 水中存在较多有机物时，将增加混凝剂用量； 水中杂质越单一、尺寸越均匀、颗粒越细小，越不利于混凝效果； 杂质浓度过低，不利于颗粒间接触而影响混凝效而果； 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。
电中和
小胶粒被异号大胶粒吸附
巨大颗粒一般指矾花、滤料。
3-2 混凝的过程与机理
3.2.1 水处理中混凝的特点
天然水中的颗粒是一个很复杂的体系──大小不一，组分多样，性质各异。废水中存在的 颗粒有：
粘土、细菌、腐植酸、蛋白质等； 无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒；
比胶体化学中研究的单一胶体更为复杂。 水的混凝过程要考虑：颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构。
3.1.4 胶体的稳定性与凝聚
1、稳定性 胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性。
2、稳定的原因： ① 布朗运动：保持分散状态；提供碰撞机会 ② 静电斥力：疏水胶体外的同号电荷形成静电斥力，又叫 ζ 电位库仑力，与颗粒间距离
的平方成反比，与电位成正比。 ③ 水（溶剂）化作用：亲水胶体由于具有水壳，具有水化作用。其大小与水壳的厚度有
3-3 影响混凝的主要因素
3.3.1 水温
混凝剂的水解为吸热过程， 低温不利于混凝剂水解（水温每降 10℃，水解速度将降低 2~4 倍）；
布朗运动的动能不足以克服能垒，使双电层结构不易遭破坏，从而胶体保持稳定。对于亲水 胶体其水壳厚度使之不能相互接近。 3、胶体颗粒的脱稳与絮凝
3.3.3 水中杂质性质，成分和浓度
水中存在二价及其以上的正离子，利于双电层压缩； 水中存在较多粘土，可降低混凝剂用量； 水中存在较多有机物时，将增加混凝剂用量； 水中杂质越单一、尺寸越均匀、颗粒越细小，越不利于混凝效果； 杂质浓度过低，不利于颗粒间接触而影响混凝效而果； 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。
电中和
小胶粒被异号大胶粒吸附
巨大颗粒一般指矾花、滤料。
3-2 混凝的过程与机理
3.2.1 水处理中混凝的特点
天然水中的颗粒是一个很复杂的体系──大小不一，组分多样，性质各异。废水中存在的 颗粒有：
粘土、细菌、腐植酸、蛋白质等； 无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒；
比胶体化学中研究的单一胶体更为复杂。 水的混凝过程要考虑：颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构。
3.1.4 胶体的稳定性与凝聚
1、稳定性 胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性。
2、稳定的原因： ① 布朗运动：保持分散状态；提供碰撞机会 ② 静电斥力：疏水胶体外的同号电荷形成静电斥力，又叫 ζ 电位库仑力，与颗粒间距离
的平方成反比，与电位成正比。 ③ 水（溶剂）化作用：亲水胶体由于具有水壳，具有水化作用。其大小与水壳的厚度有
3-3 影响混凝的主要因素
3.3.1 水温
混凝剂的水解为吸热过程， 低温不利于混凝剂水解（水温每降 10℃，水解速度将降低 2~4 倍）；
第三章 混 凝
第三章混凝各种废水都是以水为分散介质的分散体系。
根据分散相粒度不同，废水可分为三类：分散相粒度为0.1～1nm间的称为真溶液；分散相粒度在1～100nm间的称为胶体溶液；分散相粒度大于100nm称为悬浮液。
其中粒度在100nm以上的悬浮液可采用沉淀或过滤处理，而粒度在1nm～100μm间的部分悬浮液和胶体溶液可采用混凝处理。
混凝就是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成具有可分离性的絮凝体，再加以分离除去的过程。
第一节胶体的特性与结构一、胶体特性胶体的特性包括光学性质、力学性质、表面性能、动电现象四个方面。
1．光学性质胶体的光学性质是指胶体在水溶液中能引起光的反射的性质。
2．力学性质胶体的力学性质主要是指胶体的布朗运动，即胶体颗粒所作的一刻不停的不规则运动。
这也是胶体颗粒不能自然沉淀的原因之一。
它可用水分子的热运动来解释，胶体颗粒总是处于周围水分子的包围中，而水分子由于热运动总在不停地撞击胶体颗粒，其瞬间合力不能完全抵消，就使得胶体颗粒不断改变位置。
3．表面性能胶体颗粒微小．故其比表面积大，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．动电现象胶体的动电现象包括电泳与电渗，二者都是由于外加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相与液相间产生的相对移动。
电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。
与此同时，也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为电渗。
电泳现象说明胶体微粒是带电的。
当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电，如氢氧化铁、氢氧化铝等；相反，如向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电，像碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。
粘土胶体一般也带负电。
由于胶体微粒的带电性,当它们互相靠近时,就产生排斥力，因此不能聚合。
二、胶体的结构图3-1是胶体结构示意图。
第三章 混凝剂的种类
第三章混凝剂的种类1.混凝剂的分类若要取得好的混凝效果，应选择适宜的混凝剂与助凝剂。
混凝剂、助凝剂应具有使用方便、价格低廉、货源充足等优点。
混凝剂的种类很多，按其化学成分可分为无机混凝剂、有机混凝剂两大类。
（1）无机混凝剂①铝盐混凝剂如硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等。
铝盐混凝剂具有腐蚀性小、净化效果、使用方法等优点。
但水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散。
效果不如铁盐。
值得注意的是聚合氯化铝为一种无机高分子混凝剂，又称碱式氯化铝，简称为PAC，这种聚合铝的优点是矾花形成块，粒重易沉淀，投量比硫酸铝低。
②铁盐混凝剂如三氧化铁、硫酸亚铁、聚合铁等。
铁盐混凝剂所形成的矾花较重，易沉淀，处理低温浊水的效果比铝盐好。
但三氧化铁的腐蚀性较大，出水含铁量较高。
硫酸亚铁又称绿矾，价廉，货源充分，但混凝效果不如三价铁盐。
因此，在使用硫酸亚铁是把二价铁氧化为三价铁，以增强混凝效果。
聚合铁是一种无机高分子混凝剂，其净化效果比三氧化铁、硫酸亚铁的效果好。
铁盐混凝剂的PH使用范围较宽，在5~11之间。
③镁盐混凝剂如硫酸镁、碳酸镁等。
镁盐等混凝剂的特点是形成的絮凝体比铝盐的还重，容易沉淀，而且可以重复利用。
但因镁盐的价格较贵，国内很少采用。
目前应用最广的是铝盐混凝剂和铁盐混凝剂。
（2）有机混凝剂可分为有机合成高分子混凝剂和天然高分子絮凝剂两大类。
①有机合成高分子混凝剂一般都是水溶性的线型高分子聚合物，它呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化和单体，各单体以共价键结合。
聚合体的分子量是各单体的分子量的总和，单体的总数称聚合度。
高分子混凝剂的聚合度即指链节数，高聚合物的相对分子质量高达150万~160万。
按照高分子聚合物在水中离解的情况，可分为阳离子型、阴离子型、非离子型。
在我国使用最多的高分子混凝剂是聚丙烯酰胺（PAM），它是非离子型聚合物，相对分子量在15万以上。
商品浓度一般为8%，使用时，一般控制水浓度在30%~40%较好。
第三章_混凝动力学
•第三章 混凝动力学
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
• K——波兹曼常数,(1.38×10-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将(2)式代入(1)式
•
8 NP KTn 2 ……………………………. 3
(3)
• 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大 于1m，布朗运动消失。
图 6-11 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
2
1
3
图 6-12 计量泵投加
1-溶液池；2-计量泵；3-压水管
3.3.3 混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立
数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数
学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前
3.特性参数法
影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、
某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，
这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流 动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参 数法。
流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力
作用下随着流体流动而产生的电流。此电流
与胶体ξ电位有正相关关系。混凝后胶体ξ电
位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面： • 一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗 粒碰撞聚集称“异向絮凝”。 • 另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流 体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
• K——波兹曼常数,(1.38×10-16g.cm2/s2.k) • T——水的绝对温度,(K) • ——水的运动黏度, (cm2/s) • ——水的密度,(g/cm3) • 将(2)式代入(1)式
•
8 NP KTn 2 ……………………………. 3
(3)
• 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大 于1m，布朗运动消失。
图 6-11 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
2
1
3
图 6-12 计量泵投加
1-溶液池；2-计量泵；3-压水管
3.3.3 混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立
数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数
学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前
3.特性参数法
影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、
某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，
这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流 动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参 数法。
流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力
作用下随着流体流动而产生的电流。此电流
与胶体ξ电位有正相关关系。混凝后胶体ξ电
位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因
第3章混凝
胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起 称为胶粒
胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶 团，称为胶团。 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 ，其电性与 电位离子电性相同。
2 胶体的电位
胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动 时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团， 向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩 余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电 荷数值，符号与电位离子相同），使胶粒与 扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶 体的电动电位，常称为ζ电位。
式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L；
[a]：混凝剂投量，mmol/L；
[x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计；[δ]： 保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通 过试验决定。
3.水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤
3.1.3 DLVO理论
DLVO理论：胶体颗粒之间的相互作用 决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥 力与范德华引力产生。
排斥势能：ER－1/d2 吸引势能：EA－1/d6
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能 与距离之间的关系，
排
斥
势
Er
能
ER E
Emax 0a
吸
Ea
引
势
能
EA
r c
r (a)
图 6-6 胶体保护示意
4 网捕卷扫作用
向水中投加含金属离子的化学药剂后， 由于金属离子的水解和聚合，会以水中 的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者 在这种沉淀物从水中析出的过程中，会 吸附和网捕胶粒而共同沉降下来这称为 网捕卷扫作用。
水质工程学——第3章 混凝
稳定性原因 双电层结构与电位
•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。
扩散层
•电位：滑动面上的电位，动电位。
在数值上等于总电位中和
吸附层
胶 胶粒 核
胶
団
天然水中胶体杂质通常是负电胶 体，如粘土，细菌，病毒，藻类， 腐殖物等。 粘土电位＝-15~-40 mV 细菌电位＝-30~-70 mV 藻类电位＝-10~-15 mV
の
阳离子浓度 阴离子浓度
憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用：
排斥势能——静电斥力 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能——范德华引力 吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3） 胶体颗粒能否聚集取决于总势能
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a b
高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 投加过多，会出现“胶体保护”现象。 •铝盐的多核水解产物： 长度不足，电性中和 •中性氢氧化铝聚合物： 架桥作用 •高分子物质： 吸附架桥 +（电中和）
线性、长度
弹性势能、电性 斥力、水化膜
架桥模型示意图
胶体保护示意图
3.网捕或卷扫 网捕或卷扫 机械作用
金属氢氧化物在形成过
天然水体一般pH=6.5-7.8 ，主要吸附 架桥和电性中和。
作业一
1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么
处于稳定状态（稳定状态的分类）？ 2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因 3.混凝机理有哪些？
3.2 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
混凝剂符合的要求
混凝效果好 对人体无危害
使用方便 货源充足，价格低廉
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。布朗运动既 是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定 因素。
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第三章
凝聚和絮凝
3.1 混凝机理 3.2 混凝剂和助凝剂
3.3 混凝动力学
3.4 影响混凝效果的主要因素
3.5 混凝剂的配制和投加
3.6 混合和絮凝设备
2012-11-6
3.7 混凝设计
1
3.1 混凝机理
混凝：水中胶体粒子和微小悬浮颗粒的聚集过程。 与三个因素有关：水中胶体粒子的性质、混凝剂的 水解产物、胶体粒子与混凝剂间的相互作用。 过程包括凝聚和絮凝两个过程。
3.2.1 常用凝聚剂 三氯化铁：分子式FeCl3· 2O 6H 一般介绍：(1)不受温度影响，絮体大，沉降速度快，效果较好； (2)易溶解，易混合，沉渣少； (3)原水pH为6-8.4时效果较好，若原水碱度不浊度时，用量一般比硫酸铝要少；而处理低
浊度水时，效果不显著 (5)混凝机理与硫酸铝相似，使用的pH范围较宽； (6)对金属腐蚀性较大，对混凝土亦腐蚀，对塑料管也
（2）为了破坏水中有机物，改善混凝效果的氧化剂；（？？）
（3）为了改善某些特殊水质的絮凝性能而投加的助凝剂。
2012-11-6 通常所指的助凝剂为第3类。 15
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.1 常用凝聚剂 固体硫酸铝，分子式：Al2(SO4)3· 2O 18H 一般介绍：(1)制造工艺复杂，水解作用缓慢； (2)含无水硫酸铝50%-52%，含三氧化二铝约15%； (3)适用于水温为20-40oC；
(4)pH=4-7，主要去除水中有机物
pH=5.7-7.8，主要去除水中悬浮物 pH=6.4-7.8，处理浊度高、色度低(小于30度)的水 液体硫酸铝：制造工艺简单；含三氧化二铝约6%； 近年来在南
2012-11-6
方地区较广泛采用。
16
图3.7 硫酸铝的混凝作用范围
2012-11-6
17
3.2 混凝剂和助凝剂
3.1 混凝机理
（1）电性中和:
图3.5 吸附-电性中和作用
吸附作用：胶核表面直接吸附带相 反电荷的聚合离子或高分子物质。 胶核表面的电荷降低，使ζ电位降 低。降至临界电位ζk时，胶体脱稳 凝聚。混凝剂投加量过多，胶体带 上相反电荷，重新稳定。
pH大于3时，铝盐水解产物主要为聚 合离子及多核羟基配合物，易于在 胶核表面吸附，从而发生吸附-电性 中和作用。 只有当水的pH小于3时，Al3+才起压 缩双电层作用。 11
2012-11-6
24
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.4 混凝剂的卫生安全性
• 本身无毒，但含有的杂质有毒； • 本身无毒，但与水中杂质反应后的产物 有毒； • 本身有毒。
2012-11-6
25
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.5 混凝剂品种和投加量选择方法 （1）必须考虑原水水质条件和出水水质标准。原水水质条件 包括：悬浮物含量及性质、水温、pH值、碱度、色度等。 （2）可参照相同或类似原水条件下的现有净水厂的运行经验。
9
3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（1）电性中和: 包括压缩双电层作用、吸附—电性中和作用 图3.4 压缩双电层作用
降低排斥势能峰只能 通过降低ζ电位来实现。 投入电解质，可压缩胶 体的双电层（即扩散层） 厚度，从而降低滑动面 上的ζ电位，进而降低 排斥势能峰。
ζk：临界电位
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2012-11-6 水解物种不同，混凝机理不同。 8
3.1 混凝机理 3.1.2 硫酸铝在水中的化学反应
可由反应平衡推导出物种浓度与pH的相关关系 图3.3 铝离子水解产物[Alx(OH)y](3x-y)+的相对含量 （曲线旁的数字分别表示x和y）
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(1)铝离子总浓度为0.1mol/L;(2)铝离子总浓度为10-5mol/L,水温25℃.
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3.1 混凝机理 3.1.2 硫酸铝在水中的化学反应
表3.1 铝离子水解平衡常数(25oC) 水解产物：
1.未水解的水合铝离 子：Al3+ 2.单核羟基配合物： [Al(OH)2]+、 [Al(OH)]2+、 [Al(OH)4]-、 3.多核羟基配合物： [Al2(OH)2]4+、 [Al3(OH)4]5+、 4.氢氧化铝沉淀物： Al(OH)3
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.3 常用助凝剂 改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮体变得粗大而密实，作用 机理为高分子物质的吸附架桥。 活化硅酸：分子式N2O· xSiO2· 2O。 yH
一般介绍：
（1）适用于硫酸亚铁与铝盐混凝剂，可缩短混凝沉淀时间，节省 混凝剂用量； （2）原水浊度低、水温较低时使用，效果更为显著； （3）可提高滤速；
胶体分散系统具有丁达尔效应、布朗运动、电泳等现象。
按胶体带电的符号，水中的胶体分带正电的胶体和带负电的胶 体两大类。胶体带电来源于：同晶置换、不溶的氧化物摄入的H+ 或OH-粒子、有机物表面的基团离解、物质成分中阴阳离子间的 不等当量溶解、离子的特性吸附作用。 按胶体与水的关系，水中的胶体分亲水胶体和憎水胶体两类。?? 与水分子有很好亲合力的胶体成为亲水胶体，固体包含在一个 2012-11-6 4 大水壳中。憎水胶体不发生水合现象。
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3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（2）吸附架桥 高分子物质不论带电与否，都与胶粒有吸附作用。高分子物质分子 链的一端吸附某一胶粒后，另一端会吸附另一胶粒，形成“胶粒— 高分子—胶粒”的絮凝体。——吸附架桥作用。 图3.6 吸附架桥作用
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3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（4）要有适宜的酸化度和活化时间，要注意加注点。
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.3 常用助凝剂
聚丙烯酰胺及其水解产物：处理高浊度水时使用最多的助凝剂， 可减少铝盐或铁盐的用量。一般在投加混凝剂后再投加。
其他的还有：骨胶、海藻酸钠、氢氧化钠、生石灰、氯等。
氢氧化钠、生石灰、氯为广义上的助凝剂。
3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性 胶体稳定分动力学稳定和聚集稳定两种。 动力学稳定指颗粒布朗运动对抗重力影响的性能。 聚集稳定指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。 典型的亲水胶体，水化作用是胶体聚集稳定性的主要原因。 憎水胶体的稳定性决定于胶体颗粒表面的动电位，即ζ电位， 由双电层结构得到解释——DLVO理论(从胶粒之间相互作用能的 角度阐述胶粒相互作用)。
（4）丙烯酰胺单体有毒性，用于生活饮用水净化时，应符合优等 品要求；无腐蚀性，
（5）为合成有机高分子絮凝剂，非离子型，可通过水解构成阴离 子型（pH>10），充分发挥吸附架桥作用。也可通过引入基团制成 阳离子型，对负电荷胶体有更好的混凝效果；
2012-11-6 （6）主要作用机理为吸附架桥。 21
3.2 混凝剂和助凝剂
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会引发热而引起变形。
图3.8 三氯化铁与硫酸铝的混凝作用范围比较
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.1 常用凝聚剂 碱式氯化铝：分子式[Aln(OH)mCl3n-m]或[Al2(OH)nCl6-n]m（通式）， 简写PAC 一般介绍： （1）净化效率高，耗药量少，出水浊度低，色度 小，过滤性能 好，原水浊度高时效果更好； （2）温度适应性高，pH适用范围宽(pH=5-9)，可不投加碱剂； （3）设备简单，操作方便，腐蚀性小，成本较三氯化铁低；
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3.3 混凝动力学
一般絮凝动力学研究的只是憎水胶体经电解质脱稳后的容积絮凝 过程，解决颗粒碰撞速率和混凝速率的问题。 产生颗粒相互接触的动力来源：布朗运动与流体运动推动水中颗 粒相互碰撞。
异向絮凝：由布朗运动所引起的颗粒碰撞聚集；
同向絮凝：由水力或机械搅拌推动水流运动所引起的颗粒碰撞聚 集，也叫剪切絮凝。
凝聚：水中胶体“脱稳”并生成微小聚集体的过程；
絮凝：脱稳胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的 过程。 混凝作用：去除浊度、色度、部分无机与有机污染 2012-11-6 2 物。
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3
3.1 混凝机理 3.1.1 胶体的稳定性
——胶体粒子在水中长期保持分散状态的特性 （1）胶体及其分类 分散在分散介质中的物质粒子，在某个方向上的线度在1nm-1µ m 之间，这种分散系统称为胶体分散系统。
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3.3.1 异向絮凝 颗粒碰撞速率可表示为颗粒浓度n的二级反应：
dn / dt k p n
dn / dt 4 3
2
pKTn
2
颗粒碰撞速率只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。 但当颗粒的粒径大于1 m，布朗运动消失。 絮凝速率取决与颗粒碰撞速率。
（4）为无机高分子化合物，作用机理与硫酸铝相似，但优于硫 酸铝。（电性中和与架桥）
（5）碱化度：B=[OH]/3[Al]*100%，影响水解产物。一般在50%80%之间。
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3.2.2 常用絮凝剂 聚丙烯酰胺：分子式[-CH2-CH-CONH2]x，简写PAM，分子量150万600万 一般介绍：（1）处理高浊度水时效果显著，可减少混凝剂用量及 一级沉淀池容积。可用于水厂污泥脱水； （2）常与混凝剂配合使用，视原水浊度高低按一定的顺序投加； （3）固体不易溶解，在有机械搅拌的溶解槽内配置，配制浓度一 般为2%，投加浓度0.5%-1%；
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3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性 热力电位或总 电位：Φ 动电位：ζ
图3.1 胶体双电层 结构示意
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3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性
ER
1 2
a 0 e
2
kx
凝聚和絮凝
3.1 混凝机理 3.2 混凝剂和助凝剂
3.3 混凝动力学
3.4 影响混凝效果的主要因素
3.5 混凝剂的配制和投加
3.6 混合和絮凝设备
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3.7 混凝设计
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3.1 混凝机理
混凝：水中胶体粒子和微小悬浮颗粒的聚集过程。 与三个因素有关：水中胶体粒子的性质、混凝剂的 水解产物、胶体粒子与混凝剂间的相互作用。 过程包括凝聚和絮凝两个过程。
3.2.1 常用凝聚剂 三氯化铁：分子式FeCl3· 2O 6H 一般介绍：(1)不受温度影响，絮体大，沉降速度快，效果较好； (2)易溶解，易混合，沉渣少； (3)原水pH为6-8.4时效果较好，若原水碱度不浊度时，用量一般比硫酸铝要少；而处理低
浊度水时，效果不显著 (5)混凝机理与硫酸铝相似，使用的pH范围较宽； (6)对金属腐蚀性较大，对混凝土亦腐蚀，对塑料管也
（2）为了破坏水中有机物，改善混凝效果的氧化剂；（？？）
（3）为了改善某些特殊水质的絮凝性能而投加的助凝剂。
2012-11-6 通常所指的助凝剂为第3类。 15
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.1 常用凝聚剂 固体硫酸铝，分子式：Al2(SO4)3· 2O 18H 一般介绍：(1)制造工艺复杂，水解作用缓慢； (2)含无水硫酸铝50%-52%，含三氧化二铝约15%； (3)适用于水温为20-40oC；
(4)pH=4-7，主要去除水中有机物
pH=5.7-7.8，主要去除水中悬浮物 pH=6.4-7.8，处理浊度高、色度低(小于30度)的水 液体硫酸铝：制造工艺简单；含三氧化二铝约6%； 近年来在南
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方地区较广泛采用。
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图3.7 硫酸铝的混凝作用范围
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.1 混凝机理
（1）电性中和:
图3.5 吸附-电性中和作用
吸附作用：胶核表面直接吸附带相 反电荷的聚合离子或高分子物质。 胶核表面的电荷降低，使ζ电位降 低。降至临界电位ζk时，胶体脱稳 凝聚。混凝剂投加量过多，胶体带 上相反电荷，重新稳定。
pH大于3时，铝盐水解产物主要为聚 合离子及多核羟基配合物，易于在 胶核表面吸附，从而发生吸附-电性 中和作用。 只有当水的pH小于3时，Al3+才起压 缩双电层作用。 11
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.4 混凝剂的卫生安全性
• 本身无毒，但含有的杂质有毒； • 本身无毒，但与水中杂质反应后的产物 有毒； • 本身有毒。
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.5 混凝剂品种和投加量选择方法 （1）必须考虑原水水质条件和出水水质标准。原水水质条件 包括：悬浮物含量及性质、水温、pH值、碱度、色度等。 （2）可参照相同或类似原水条件下的现有净水厂的运行经验。
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3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（1）电性中和: 包括压缩双电层作用、吸附—电性中和作用 图3.4 压缩双电层作用
降低排斥势能峰只能 通过降低ζ电位来实现。 投入电解质，可压缩胶 体的双电层（即扩散层） 厚度，从而降低滑动面 上的ζ电位，进而降低 排斥势能峰。
ζk：临界电位
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2012-11-6 水解物种不同，混凝机理不同。 8
3.1 混凝机理 3.1.2 硫酸铝在水中的化学反应
可由反应平衡推导出物种浓度与pH的相关关系 图3.3 铝离子水解产物[Alx(OH)y](3x-y)+的相对含量 （曲线旁的数字分别表示x和y）
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(1)铝离子总浓度为0.1mol/L;(2)铝离子总浓度为10-5mol/L,水温25℃.
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3.1 混凝机理 3.1.2 硫酸铝在水中的化学反应
表3.1 铝离子水解平衡常数(25oC) 水解产物：
1.未水解的水合铝离 子：Al3+ 2.单核羟基配合物： [Al(OH)2]+、 [Al(OH)]2+、 [Al(OH)4]-、 3.多核羟基配合物： [Al2(OH)2]4+、 [Al3(OH)4]5+、 4.氢氧化铝沉淀物： Al(OH)3
3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.3 常用助凝剂 改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮体变得粗大而密实，作用 机理为高分子物质的吸附架桥。 活化硅酸：分子式N2O· xSiO2· 2O。 yH
一般介绍：
（1）适用于硫酸亚铁与铝盐混凝剂，可缩短混凝沉淀时间，节省 混凝剂用量； （2）原水浊度低、水温较低时使用，效果更为显著； （3）可提高滤速；
胶体分散系统具有丁达尔效应、布朗运动、电泳等现象。
按胶体带电的符号，水中的胶体分带正电的胶体和带负电的胶 体两大类。胶体带电来源于：同晶置换、不溶的氧化物摄入的H+ 或OH-粒子、有机物表面的基团离解、物质成分中阴阳离子间的 不等当量溶解、离子的特性吸附作用。 按胶体与水的关系，水中的胶体分亲水胶体和憎水胶体两类。?? 与水分子有很好亲合力的胶体成为亲水胶体，固体包含在一个 2012-11-6 4 大水壳中。憎水胶体不发生水合现象。
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3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（2）吸附架桥 高分子物质不论带电与否，都与胶粒有吸附作用。高分子物质分子 链的一端吸附某一胶粒后，另一端会吸附另一胶粒，形成“胶粒— 高分子—胶粒”的絮凝体。——吸附架桥作用。 图3.6 吸附架桥作用
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3.1 混凝机理 3.1.3 混凝机理
（4）要有适宜的酸化度和活化时间，要注意加注点。
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.3 常用助凝剂
聚丙烯酰胺及其水解产物：处理高浊度水时使用最多的助凝剂， 可减少铝盐或铁盐的用量。一般在投加混凝剂后再投加。
其他的还有：骨胶、海藻酸钠、氢氧化钠、生石灰、氯等。
氢氧化钠、生石灰、氯为广义上的助凝剂。
3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性 胶体稳定分动力学稳定和聚集稳定两种。 动力学稳定指颗粒布朗运动对抗重力影响的性能。 聚集稳定指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。 典型的亲水胶体，水化作用是胶体聚集稳定性的主要原因。 憎水胶体的稳定性决定于胶体颗粒表面的动电位，即ζ电位， 由双电层结构得到解释——DLVO理论(从胶粒之间相互作用能的 角度阐述胶粒相互作用)。
（4）丙烯酰胺单体有毒性，用于生活饮用水净化时，应符合优等 品要求；无腐蚀性，
（5）为合成有机高分子絮凝剂，非离子型，可通过水解构成阴离 子型（pH>10），充分发挥吸附架桥作用。也可通过引入基团制成 阳离子型，对负电荷胶体有更好的混凝效果；
2012-11-6 （6）主要作用机理为吸附架桥。 21
3.2 混凝剂和助凝剂
2012-11-6 18
会引发热而引起变形。
图3.8 三氯化铁与硫酸铝的混凝作用范围比较
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3.2 混凝剂和助凝剂
3.2.1 常用凝聚剂 碱式氯化铝：分子式[Aln(OH)mCl3n-m]或[Al2(OH)nCl6-n]m（通式）， 简写PAC 一般介绍： （1）净化效率高，耗药量少，出水浊度低，色度 小，过滤性能 好，原水浊度高时效果更好； （2）温度适应性高，pH适用范围宽(pH=5-9)，可不投加碱剂； （3）设备简单，操作方便，腐蚀性小，成本较三氯化铁低；
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3.3 混凝动力学
一般絮凝动力学研究的只是憎水胶体经电解质脱稳后的容积絮凝 过程，解决颗粒碰撞速率和混凝速率的问题。 产生颗粒相互接触的动力来源：布朗运动与流体运动推动水中颗 粒相互碰撞。
异向絮凝：由布朗运动所引起的颗粒碰撞聚集；
同向絮凝：由水力或机械搅拌推动水流运动所引起的颗粒碰撞聚 集，也叫剪切絮凝。
凝聚：水中胶体“脱稳”并生成微小聚集体的过程；
絮凝：脱稳胶体或微小悬浮物聚结成大的絮凝体的 过程。 混凝作用：去除浊度、色度、部分无机与有机污染 2012-11-6 2 物。
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3.1 混凝机理 3.1.1 胶体的稳定性
——胶体粒子在水中长期保持分散状态的特性 （1）胶体及其分类 分散在分散介质中的物质粒子，在某个方向上的线度在1nm-1µ m 之间，这种分散系统称为胶体分散系统。
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3.3.1 异向絮凝 颗粒碰撞速率可表示为颗粒浓度n的二级反应：
dn / dt k p n
dn / dt 4 3
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pKTn
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颗粒碰撞速率只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。 但当颗粒的粒径大于1 m，布朗运动消失。 絮凝速率取决与颗粒碰撞速率。
（4）为无机高分子化合物，作用机理与硫酸铝相似，但优于硫 酸铝。（电性中和与架桥）
（5）碱化度：B=[OH]/3[Al]*100%，影响水解产物。一般在50%80%之间。
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3.2.2 常用絮凝剂 聚丙烯酰胺：分子式[-CH2-CH-CONH2]x，简写PAM，分子量150万600万 一般介绍：（1）处理高浊度水时效果显著，可减少混凝剂用量及 一级沉淀池容积。可用于水厂污泥脱水； （2）常与混凝剂配合使用，视原水浊度高低按一定的顺序投加； （3）固体不易溶解，在有机械搅拌的溶解槽内配置，配制浓度一 般为2%，投加浓度0.5%-1%；
2012-11-6
5
3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性 热力电位或总 电位：Φ 动电位：ζ
图3.1 胶体双电层 结构示意
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3.1 混凝机理
（2）胶体的稳定性
ER
1 2
a 0 e
2
kx