混凝沉淀实验

40
Residual Turbidity
30
20
10
0
3
4
5
6
7
8
pH
图 2-5 原水 pH – 剩余浊度关系曲线图
图 2-5 是根据表 2-2 所测的实验数据绘制得到的原水 pH 与剩余浊度关系曲 线图。由该图可以看出，在 pH = 3~6.11 时原水絮凝沉淀后剩余浊度随着 pH 值的 增大而迅速下降，在试验点 pH=6.11 时达到最小值（NTU=1.84） ，在 pH=6.11-~9 时剩余浊度随 pH 值的增大而缓慢上升。 铝盐加入到水溶液中，不仅会发生水解反应，也会发生羟基桥联作用，从而 产生 Al 的单体、低聚物、多核羟基聚合物、多核羟基聚合物的聚集体或者 Al OH 3 溶胶等多种水解聚合形态； Al 的不同水解聚合形态决定了铝盐对水中 浊度的去除以吸附电中和、吸附桥联、卷扫作用中哪种机理为主。而 Al 的各种 水解聚合形态所占百分比受水质的 pH、颗粒物浓度以及水流扰动状况等条件的 影响。 本次实验采用控制变量，只改变原水的 pH。 图 2-6 为铝盐的水解聚合形态随 pH 变化规律图。从图中可以看出，在低 pH 时，Al 的主要形态为Al H2 O
Residual Turbidity
50
慢速搅拌转速：50 r/min 慢速搅拌时间：20 min 水温：20℃ 混凝剂浓度：10 g/L 原水 pH 值：7.21
1 3.16 45.10
2 4.10 43.60
3 5.16 16.06
4 6.11 1.84
5 7.13 2.44
6 8.03 3.21
一、投药量对混凝效果的影响 1、实验记录 ⑴基础资料 实验日期：2014.3.18 快速搅拌转速：150 r/min 混凝剂名称： 硫酸铝 原水浊度： 45.0 慢速搅拌转速：50 r/min 混凝剂浓度：10 g/L 原水 pH 值：7.20
废水中能形成矾花的近似最小混凝剂量：0.8 mL ⑵实验数据：G=15.2，GT=21198 表 2-1 投药量实验数据记录 水样编号 水样温度 投药量 /ml 1.0 2.5 25 125 4.0 40 120 1 2 3 16.0℃ 5.5 55 115 7.0 70 110 8.0 80 100 4 5 6
增的情况， 这主要是实验时该组烧杯所用原水与其他组烧杯原水并非取自同一桶 原水，且水质相对较为清澈，原水浊度较低，所以在同样的投加量下剩余浊度会 出现陡降的现象。
⑵投药量 - pH 值关系曲线图
pH
7.15
7.10
7.05
pH
7.00 6.95 6.90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
d2nρ μ
⑤
则根据该公式，实验过程的雷诺数大小为： 50 0.062 × 60 × 1000 1.002 × 10−3
������������ =
≈ 2994
查表可知，此时对应的阻力系数������������ ≈ 0.44，混合液处于湍流区。 综上已知条件，可根据公式③④计算得混合液的 G 和 GT 值分别为： ������ =
图 2-2 颗粒物的剩余浊度随凝聚剂投加量的变化 [1] ①误差分析 而根据实验数据所绘制的投药量与剩余浊度关系曲线却不呈现先降后增的
走势，且剩余浊度整体偏高。针对这两个问题，在排除实验操作步骤出错的情况 下， 便只剩当天的浊度仪出故障和投药量整体偏低 2 个原因 （实验时原水 pH=7.20、 水力条件 G=15.2、GT=21198.0，说明这两者均控制理想范围内，不加考虑） 。 由于使用同一台浊度仪的后续小组（林文婷等人）表示他们所读的数据并未 出现异常，且若是浊度仪出现故障的话，读出的数据应该是整体偏大或偏小（系 统误差） ，即绘制得到的曲线也应该有先降后增的趋势，只是曲线向上平移或向 下平移部分距离而已，因此可以排除浊度仪出错的原因。 所以，实验中投药量整体偏低便成为投药量-剩余浊度关系曲线未出现先降 后增趋势的唯一解释。理由如下： 实验前在确定原水形成矾花的最小投加量时，由于矾花较小且难以判断，因 此小组成员只能在出现大量矾花后估测形成矾花的最小投加量，而这个估测值 （0.8mL）极有可能比实际值偏小。若偏小，则说明絮凝剂的投加量不足，达不 到絮凝最佳效果的药剂量，绘制得到的投加量-剩余浊度曲线也将只显示理论曲 线（图 2-2）的前半部分，即只出现递减部分的关系曲线，这与图 2-1 所示的情 况相同。 另一方面， 药剂投加量不足也将导致在最大投药量时也达不到最佳絮凝效果， 从而使测得的剩余浊度整体偏高， 这也与实际所绘制得到的曲线的剩余浊度数据 相符合（图 2-1 中最小剩余浊度也在 5 以上） 。 综上所述，可以确定投药量不足是导致投药量-剩余浊度未出现先降后增趋 势的原因。
③
2������������
④
������ 表示速度梯度，s −1 ； ������ 表示搅拌时间，s 。 因此，只要知道实验所用六联搅拌器的桨叶面积AP 、混合液的体积������ 及密度 大小������、桨叶末端水流流速������������ 、混合液的流体阻力系数������������ 、20℃时混合液的动力 粘度������以及慢速搅拌的历时 ������ ，即可分别根据公式③、④计算得混合液的速度梯 度 G 及 GT 值。 已知实验所用六联搅拌器示意图如图 2-4 所示，其主要参数如下： 表 2-2 六联搅拌器主要实验参数 参数 瓶体直径 D 数值 11cm 瓶体高度 H 18cm 桨叶直径 d 6cm 桨叶宽 b 5cm 混合液体积 V 1L
二、混合液 pH 值对混凝效果的影响 1、实验记录 ⑴基础资料 实验日期：2014.3.25 快速搅拌转速：150 r/min 快速搅拌时间：3 min 静置时间：15 min 混凝剂名称： 硫酸铝 原水浊度： 56.4 投药量：10 mL ⑵数据记录 表 2-3 原水 pH 对混凝效果影响的实验数据 编号 pH 剩余浊度 2、数据处理
50
20℃时混合液压动力粘度近似取：������ = 1.002 × 10−3 Pa s 慢速搅拌时间：������ = 10min； 混合液的阻力系数 ������������ 与搅拌过程的雷诺数 ������������ 有关，因此欲求 ������������ 必须先求雷 诺数������������。对于搅拌装置的雷诺数������������的计算公式为： ������������ =
Residual Turbidity
35
30
Residual Turbidity
25
20
15
10
5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Concentration of the coagulant (mg/L)
图 2-1 投药量 -剩余浊度关系曲线图 图 2-1 为根据实验数据作出的投药量-剩余浊度关系曲线图。本实验所用絮 凝剂为硫酸铝，根据相关文献（[1]刘敏. 无机絮凝剂絮凝效率的研究. 河北化工. 2007 年 11 月.） ， 以硫酸铝为絮凝剂进行投药时， 剩余浊度随凝聚剂投加量增加， 开始呈降低趋势随后又升高，说明随着凝聚剂加入量的增加，胶体颗粒先是发生 吸附脱稳而凝聚并沉降，当加入量增大时，胶体颗粒过量吸附导致表面电荷出现 反号，在脱稳之后出现了复稳状况，从而使体系絮凝效率降低。 （见图 2-2）
的形式存在，并会进一步发生 ，其水解反应方程如下：
2+ 5
m −3n − m
+ H2 O ⇌ Al OH H2 O
+ H+
然后，进行逐级水解： Al OH H2 O Al OH 其中， Al OH
3 2 2+ 5
+ H2 O ⇌ Al OH3Biblioteka 2H2 O H2 O
3
+ 4
+ H+
H2 O + 4 +H2 O ⇌ Al OH
②最佳混凝剂投加量 由于实际绘制得到的药剂量-剩余浊度曲线只出现递减的部分，因此无法确 定最佳混凝剂投加量的具体数值， 但仍可以根据曲线的趋势对最佳投加量进行估 测。 由图 2-1 得知，曲线斜率的绝对值随投药量的增加而逐渐变小，说明实际最 大投加量 80 mg/L 已经接近最佳混凝剂投加量，再结合其他小组的实验数据，估 测最佳混凝剂投加量为 90mg/L。 值得注意的是，图 2-1 所示的曲线在投药量为 80 mg/L 时出现斜率绝对值陡
3
↓ +H +
H2 O
是两性化合物， 如果溶液中有足够的碱度或者升高溶
液的 pH，它将进一步水解释放 H +。 虽然如上文所分析的， 实验所投加的混凝剂的量不足以使得原水完全絮凝沉 淀，图 2-3 中的曲线也只能显示理论投药量 – pH 值关系曲线的前半部分；但从
图 2-3 可以看出，在 pH=7.20 的原水中，随着硫酸铝投加量的增加混凝沉淀后混 合液的 pH 呈现不断下降的趋势，并在 pH=6.90~6.95 左右出现稳定，说明虽然投 药量未达到最佳值，但铝盐已经不再水解，也即水解产生的 H + 抑制了铝盐的 进一步水解，继续投加铝盐后混合液的 pH 不会发生大的变化。 因此，图 2-3 所示的曲线足以反映铝盐投加量与混合液静止沉淀后的 pH 的 关系：随铝盐投加量的增多，混合液 pH 先迅速下降后稳定在 6.9 左右。
Concentration of coagulant (mg/L)
图 2-3 投药量 – pH 值关系曲线图 图 2-3 是实验混凝剂投药量与絮凝沉淀后测得的混合液 pH 值的关系曲线图。 在水溶液中，铝盐以水合铝离子 Al H2 O 配位水解，生成各种羟基铝离子 Aln OH Al H2 O
3+ 6 3+ 6
/（mg/L） 10 初矾花时间/s 矾花沉淀情况 131
矾花细 矾花较 矾花一 比较细 细密、 细密、 少 少 31.9 7.06 般 21.0 7.01 密 15.9 6.96 多 13.5 6.92 多 9.0 6.92