水处理混凝

三、混凝过程 1．凝聚（coagulation）
带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――ζ电位↓――脱稳――凝聚， 生长成约 d=10µ 特点：剧烈搅拌，瞬间完成 →→在混合设备中完成
2．絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒――生长成大矾花 d=0.6-1.2mm 特点：需要一定时间，搅拌从强→弱 →→在絮凝中设备完成
因此，产物包括：未水解的水合铝离子 单核羟基络合物 多核羟基络合物 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、混凝机理 水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括两者
1．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――ζ电位↓――稳定性↓――凝
♦肉类加工厂废水处理： 例：某肉类加工厂屠宰废水 COD 为 670mg/L，用聚合硫酸铁处理后，COD 去除率在
77％以上。
混凝优点：上马快、投资省、效果好，但运转费高，沉渣多
2．废水深度处理与回用 如：1）加利福尼亚州橘子县 21 世纪水厂再生水回灌地下
石灰
生化处 理出水
最近采用：GTC（建议值 100），C：颗粒浓度
第 6 节 混凝影响因素
主要包括：水温、水化学特性、杂质性质和浓度、水力条件（前面已有叙述）
一、水温 低温，混凝效果差，原因是： 1）无机盐水解吸热 2）温度降低，粘度升高――布朗运动减弱 3）胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚
二、pH 及碱度 视混凝剂品种而异。 无机盐水解，造成 pH 下降，影响水解产物形态。 根据水质、去除对象，最佳 pH 范围也不同。 需碱度来调整 pH，碱度不够时需要投加石灰。
聚
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ζ电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要ζ电位＝0，只要使 Emax=0 即可，此时的ζ电位称 为临界电位。
示例：河川到海洋的出口处，由于海水中电解质的混凝作用，胶体脱稳凝聚，易形成三 角洲。
叔采－哈代法则可以适用，即：凝聚能力∝离子价数 6
但该理论不能解释：1）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效果好。
这些都与胶粒的吸附力有关，绝非只来源于静电力，还来源于范得华力、氢键及共价键 力（多出现在有聚合离子或高分子物质存在时）。
2．吸附-电性中和 这种现象在水处理中出现的较多。 指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子
物质、胶粒等，来降低ζ电位。这一点与第 1 条机理不同。 在铝盐混凝剂的过程中，水解的多核羟基络合物主要
阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）
人工 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧
有 合成 化乙烯（PEO）
机
两性型：
使用极少
天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等
微生物絮凝剂
发展方向：
无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁
（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、
第 4 节 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
种类有不少于 200－300 种。
分类：
硫酸铝
铝系 明矾
聚合氯化铝（PAC）
无 机
铁系
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
适宜 pH：5.5~8 适宜 pH：5~11，但腐蚀性强
阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国内尚少
一、异向絮凝 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 Np＝8/(3νρ) KTn2 n：颗粒数量浓度 ν：运动粘度 凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np 只与颗粒数量有关，而与颗粒粒径无关。 当颗粒的粒径大于 1µm，布朗运动消失。
二、同向絮凝 由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。
配位水分子发生水解： [Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++ H+
……. 其结果是：价数降低，pH 降低，最终产生――Al(OH)3 沉淀
2．缩聚反应 －OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物） …….. 其结果是：电荷升高，聚合度增大 同时多核羟基络合物还会继续水解。
下随流体流动而产生的电流。 絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化
二、混合设备 水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。 管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间 2－3 秒 机械混合：搅拌
三、絮凝设备 ♦隔板絮凝池：由往复式和回转式两种
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 0.3－0.5m，回转式的水头损失比往复式的小 40％左右。 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 设计参数：流速：起端 0.5-0.6m/s，末端 0.2-0.3m/s
用 G 可以来判断混合和絮凝的程度：
混合（凝聚）过程：G＝700－1000s-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂
时间通常在 10～30s，一般<2min
絮凝过程
：不仅与 G 有关，还与时间有关。
平均 G＝20－70s-1， GT＝1～104－105
实际设计，采用 V 和 T，反过来校核 GT 或者平均 G
第二章 混凝
第 1 节 混凝的去除对象
混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。 范围在：1nm~0.1µm（有时认为在 1µm） 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 µm）
细菌（0.2µm-80µm） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸 1637 年 我国开始使用明矾净水 1884 年 西方才开始使用 混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质
2．剂量与投加方式 计量：流量计（转子、电磁）、孔口、计量泵 投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加
3．投加量自动控制 最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量 一般采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。 自动控制方法：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：根据试验结果反馈到投药，仍有一定滞后。 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
♦穿孔旋流 ♦不同形式的组合
第 8 节 混凝的应用
一、给水处理 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 10 度
二、废水处理 1．工业废水：用于处理一些特殊的废水，脱色、去除悬浮物等 ♦印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、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。 可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。
k：波兹曼常数，T：温度 Eb<Emax（势垒） 胶体距离 x<oa, 凝聚（一次凝聚）
x>oa， 稳定（二次凝聚除外）
以上称为 DLVO 理论。只适用于憎水性胶体。 德加根（derjaguin）、兰道（Landon）(苏联，1938 年独立提出〕 伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941 年独立提出）
碰撞速率 N0＝4/3 n2 d3 G
d：两流层的速度增量）
可由水流所耗功率 p 来计算。
p＝τG τ：剪切应力
p：单位体积流体所耗功率，W/m3
按照牛顿定律 τ＝µG
G= p/µ
(1/s) (1943 年发明的理论，甘布公式)
µ：动力粘度，Pa s p：水流所耗功率，W/m3 水力搅拌时 pV＝ρgQh（由水流本身能量消耗提供） 水流体积 V＝QT
胶体的凝聚： 降低静电斥力――ζ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
第 3 节 水的混凝机理与过程
一、铝盐在水中的化学反应 铝盐最有代表的是硫酸铝 Al2(SO4)3⋅18H2O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以
[Al(H2O)6]3+存在。在水中，会发生下列过程。 1．水解过程
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G = gh νT
ν：运动粘度，m2/s h：水头损失，m T：水流在混凝设备中的停留时间
但存在问题： 层流假设→基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？ 微涡旋理论 G 增加→碰撞机率增加→絮凝效果增加 但破碎程度也增加。 此现象尚未很好从理论上得到描述。
三、混凝控制指标
起吸附电性中和作用。在水处理中由水合的 Al3+产生的 单纯的压缩双电层作用甚微。
3．吸附架桥 指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，
会出现“胶体保护”现象。
4．网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚 ―――澄清池中发生的现象
二、助凝剂 可以参加混凝，也可不参加混凝。
1．酸碱类：调整水的 pH，如石灰、硫酸等 2．加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂 3．氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加 Cl2、O3 等
第 5 节 混凝动力学
颗粒间的碰撞是混凝的首要条件――混凝动力学
三、水中杂质浓度 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。 对策：1）加高分子助凝剂 2）加粘土 3）投加混凝剂后直接过滤
四、混凝效果的评价
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烧杯试验（Jar test）
第 7 节 混凝设备