第三章 混凝和絮凝2

3.4.4 混凝过程控制指标
可用G判断混合和絮凝的程度： 可用G判断混合和絮凝的程度： 混合（凝聚）过程：在混合阶段， 混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧 烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散 目的主要是使药剂快速均匀分散以利于 烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于 混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G 混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G＝ 700～ 时间10 30s，一般<2min 此阶段， 10～ <2min。 700～1000s-1，时间10～30s，一般<2min。此阶段， 杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。 杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。 絮凝过程：在絮凝阶段， 絮凝过程：在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌 促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。 促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮 凝效果不仅与G有关，还与时间有关。在絮凝阶段， 凝效果不仅与G有关，还与时间有关。在絮凝阶段， 通常以G值和GT值作为控制指标。 GT值作为控制指标 通常以G值和GT值作为控制指标。
3.3.3 复合混凝剂 两种以上特性互补混凝剂复合而成 铁铝混凝剂、无机/有机 3.3.4 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，酰胺基之间氢键削弱架桥， 故碱性条件下水解为羧基阴离子PAM，水解度30-40% 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（助凝）、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、二氧化氯、氯气等 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
= G⋅τ ⋅ ∆x ⋅ ∆y⋅ ∆z / ∆x ⋅ ∆y⋅ ∆z
牛顿定律
=τG τ = µG
G= p
µ
同向紊流理论 能量传递：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（能量耗散） 只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒 碰撞 N = 8πdDn2 Ｄ紊流扩散系数 0 涡旋尺度 λ 、对应脉动速度uλ D= λuλ
3.3 混凝剂
3.3.1 混凝剂选用原则 混凝效果好(直接目的） 混凝效果好(直接目的） 无毒害作用 货源充足 成本低， 成本低，使用方便 新型药剂要有卫生许可 借鉴已有经验（查阅和参考类似水质水厂药剂） 借鉴已有经验（查阅和参考类似水质水厂药剂） 混凝剂的种类有不少于200-300种，分为无机与有 机两大系列
絮凝动力学—同向絮凝动力学（主要的絮凝）
j颗粒中心为圆心、2r半径范围内所有i 与j颗粒均会发生碰撞
层流条件下颗粒碰撞示意图
雷诺数Re＜2000
絮凝动力学—同向絮凝动力学（主要的絮凝）
雷诺数Re＜2000
4 2 3 层流理论 颗粒的碰撞速率 N0 = n d G 3
Ｇ速度梯度＝ｄＵ／ｄｚ
G= p
(根据甘布—斯泰因）
µ
采用机械搅拌： p由机械搅拌器提供
μ水动力黏度
gh 水力絮凝池： G = νT G:速度梯度；p：单位体积水所耗功率
ｈ水头损失Ｔ停留时间
絮凝动力学—同向絮凝动力学（主要的絮凝）
4 2 3 层流理论 颗粒的碰撞速率 N0 = n d G 3 隔离体受瞬间剪力而扭转： 角速度 ∆ω = ∆θ ∆t = ∆l ∆t ⋅ ∆z = ∆u ∆z = G 扭矩 ∆J = (τ ⋅ ∆x ⋅ ∆y)∆z 消耗的功率 p = ∆J ⋅ ∆ω / ∆x ⋅ ∆y⋅ ∆z
适宜pH： 适宜 ：5~11，但腐蚀 ， 性强 Fe-0.3mg/L
国外开始增多， 国外开始增多，国内尚少
有 机
聚合氯化铝又称碱式或羟基氯化铝， 聚合氯化铝又称碱式或羟基氯化铝，性能优于硫酸 其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比， 铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称 之为碱化度 盐基度） ，按下式计算： 碱化度( 之为碱化度 盐基度） B，按下式计算： [Al2(OH)nCl6-n]m 聚合度m≤10，羟基摩尔数 聚合度 ，羟基摩尔数n=1-5 絮凝效果好，适应性好，投量低，弱腐蚀和pH变化 絮凝效果好，适应性好，投量低， 聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁， 聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的 是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁 混凝效果优于三氯化铁， 是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的 腐蚀性远比三氯化铁小。 腐蚀性远比三氯化铁小。
uλ = (ε /15 ) ⋅ λ dt、dV内的有效能耗 ε ν 1 2 3 2局限：涡旋尺寸不一 N0 = 8π (ε 15 ) d n ν 微涡旋理论 12 G = (ε ν ) Ｇ值控制
12
同向紊流理论-说明 说明 1）p 和 ε
µ
沿用习惯，也称为G.
υ
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。
平均G 20－ GT＝ 平均G＝20－70s-1， GT＝1～104－105
随着絮凝的进行， 值应逐渐减小。 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。 实际设计，采用V 反过来校核GT或者平均G GT或者平均 实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G 最近采用：GCT（建议值100），C 100）， 最近采用：GCT（建议值100），C：颗粒浓度
3.3.2 混凝剂种类
铝系 无 机 铁系 硫酸铝 Al2(SO4)3.18H2O,10%投加 投加 明矾 KAl(SO4)2·12H2O 聚合氯化铝（ 聚合氯化铝（PAC）√ ） 聚合硫酸铝（ 聚合硫酸铝（PAS） ） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁（ 聚合硫酸铁（PFS）√ ） 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 人工 合成 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM） 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（ ） 非离子型：聚丙烯酰胺（ ），聚氧化乙烯 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO） ），聚氧化乙烯（ ） 两性型： 两性型： 天然 淀粉、动物胶、树胶、 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂 PAM -0.0005mg/L 使用极少 适宜pH： 适宜 ：5.5~8 Al-0.2mg/碰撞速率和混凝速率的问题。 2）包括凝聚过程和絮凝过程中的动力学，凝 聚时间很短，重点讨论絮凝过程。 3）絮凝过程动力学包括异向絮凝动力学和同 向絮凝动力学。
絮凝动力学—异向絮凝动力学
布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝： 设颗粒浓度n,布朗运动后减小的速率可为二级反应 KT 2 − dn / dt = kpn k p = 4πdDBαp DB = 3πdυρ 颗粒直径d，kp速度常数，DB扩散系数，t时间 αp:颗粒碰撞后产生聚集的分数 T为温度，υ为水的运动粘度，ρ为水的密度； 2 代入积分得到 − dn / dt = 4αpKTn / 3 水温 νρ 颗粒数量浓度 1 n −1 n0 = 4αpKTt/3νρ 例子: 20℃ 11 t1 2 ≈ 2×10 n0 n0=10万个/L,t0.5=23d 。 弱,大于 1微米消失