混凝处理技术

水处理工程第二讲混凝原理和工艺混凝工艺内容提要概述胶体的特性混凝剂与助凝剂混凝影响因素混凝原理内容提要第一节概述废水中的大颗粒可以通过重力沉淀法去除，但微小粒径的悬浮物和胶体能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十个小时也不会自然沉降。混凝所处理的对象，主要是水和废水中的微小悬浮物和胶体杂质。混凝的作用混凝定义天然水中的胶体混凝的应用混凝的特点废水类型真溶液胶体悬浮液分散相粒度0.1~1nm1~100nm100nm去除方法混凝处理混凝、沉淀/过滤第一节概述凝聚(coagulation)：投加混凝剂后水中的胶体失去稳定性，胶体颗粒互相凝聚，结果形成众多的“小矾花”。絮凝(flocculation)：凝聚过程中形成的“小矾花”通过吸附、卷带、架桥等作用，形成颗粒较大絮凝体的过程。混凝：是凝聚、絮凝两各过程的总称。是水中胶体粒子及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三方面的问题：1）水中胶体粒子的性质2）混凝剂在水中的水解物种3）胶体粒子与混凝剂之间的相互作用混凝的作用混凝定义天然水中的胶体混凝的应用混凝的特点第一节概述通常是负电荷胶体，如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等。给水处理：混凝+沉淀，微絮凝+过滤废水处理：优点：设备简单，操作方便；便于间歇运行，效果好。缺点：运行费用高；沉渣量大，处置困难。混凝的作用混凝定义天然水中的胶体混凝的应用混凝的特点第二节胶体的特性(一)光学特性：指胶体在水溶液中能引起光的反射。(二)布朗运动:胶体为常见的分散体系之一。(三)表面特性：分散体系的分散度越大，胶体颗粒的比表面积越大，具有的表面自由能越大，使胶体可以产生特殊的吸附能力和溶解现象。(四)动电现象（电泳现象）：胶体具有带电性，在电场力作用下，胶体微粒向一个电极方向移动的现象。胶体的基本特性胶体的结构双电层理论胶体的稳定性胶体的类型第二节胶体的特性胶核胶粒胶团吸附层扩散层胶体的基本特性胶体的结构双电层理论胶体的稳定性胶体的类型第二节胶体的特性胶体粒子的结构及其电位分布胶体在水中的运动和受力分析问题：胶体在水中不能聚结的原因？胶体的基本特性胶体的结构双电层理论胶体的稳定性胶体的类型第二节胶体的特性（一）定义：胶体的稳定性，指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。（二）胶体的稳定性（1）动力学稳定：是指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。粒子越小，动力学稳定性越高。（2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。胶体粒子小，比表面积大，故表面能大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向，但由于粒子表面同性电荷的排斥力作用或水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。（三）影响胶体稳定性的因素胶体双电层结构ξ电位排斥能峰胶体的基本特性胶体的结构双电层理论胶体的稳定性胶体的类型第二节胶体的特性疏水性胶体（憎水性胶体）亲水性胶体胶体的基本特性胶体的结构双电层理论胶体的稳定性胶体的类型吸附层中的离子直接与胶核接触，水分子不能直接接触胶核。如氢氧化铝、二氧化硅在水中形成的胶体。胶核表面存在某些极性基团和水分子亲和力很大，使水分子直接吸附到胶核表面而形成一层水化膜的胶体。第三节混凝原理化学混凝的机理至今仍未完全清楚，因为它涉及的因素很多。从机理上解释主要有四种，压缩双电层、电性中和、吸附架桥、网捕或卷扫。在实际的水处理中，这四种机理往往同时或交叉发挥作用，只是依条件的不同而以其中的某一种起主导作用。压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫第三节混凝原理由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面最大，并沿着胶粒表面向外扩散，与距离呈递减分布，最终与溶液中的离子浓度相等。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度将减小。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有的反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。DLVO理论Schulze—Hardy法则压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫DLVO理论•由于扩散层厚度的减小，ξ电位相应降低，胶粒间的相互排斥力也减少。•由于扩散层减薄，颗粒相撞时的距离减少，相互间的吸引力变大。颗粒间排斥力与吸引力的合力由斥力为主变为以引力为主，颗粒就能相互凝聚。两个胶粒能否相互凝聚，取决于二者的总势能。第三节混凝原理第三节混凝原理DLVO理论根据DLVO理论，要使胶粒通过布朗运动相互碰撞聚集，需要降低其排斥势能，即降低或消除胶粒的ξ电位，在水中投加电解质即可达到此目的。对于水中的负电荷胶体，投入的电解质——混凝剂应是正电荷或聚合离子，其作用是压缩胶体双电层——保持胶体电性中和所要求的扩散层厚度。Schulze—Hardy法则浓度相同的电解质破坏胶体稳定性的效力随离子价数的增加而加大（高价电解质压缩胶体双电层的效果远比低价电解质有效）。再稳现象：原因？压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫2500~1500:50~20:1::32MMM第三节混凝原理当投加的电解质为铁盐、铝盐时，它们能在一定条件下离解和水解，生成各种络离子。这些络离子不仅能够压缩双电层，而且能够通过胶核外围的反离子层进入固液界面，并中和电位离子所带电荷，ξ电位降低，达到胶粒的脱稳和凝聚。在水处理中，一般均投加高价电解质或聚合离子。再稳现象：过多投加多核络合离子，胶核的强烈吸附作用，使胶体重新带电（电荷异号），而出现的再稳现象。压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫第三节混凝原理吸附架桥作用是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的现象。胶体再稳现象：（1）高分子聚合物浓度较高时，对胶粒的包裹，产生“胶体保护”作用。（2）胶粒较少时，高分子聚合物的缠绕作用；（3）长时间的剧烈搅拌。压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫第三节混凝原理当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作混凝剂时，当其投加量和介质条件足以使它们迅速生成金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3等难溶性氢氧化物沉淀时，沉淀就能把胶粒和细微悬浮物作为晶核或吸附质通过网捕或卷扫而将其一起除去。这基本上是一种机械作用。混凝剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，胶粒越多，金属混凝剂投加量越少。压缩双电层电性中和吸附架桥网捕或卷扫第四节混凝剂与助凝剂混凝剂分类铝盐无机混凝剂铁盐PAC无机高分子PFS天然高分子有机混凝剂人工合成高分子混凝剂发展方向定义作用分类混凝剂助凝剂第五节混凝工艺工艺流程混凝工艺流程由药剂投加、混合、反应及沉淀分离等单元组成。混合使混凝剂迅速、均匀地分散到废水中，通过压缩双电层和电中和作用，使胶体脱稳，形成小“矾花”。反应在一定的水流条件下，小“矾花”通过吸附架桥和沉淀物网捕等作用形成较大的絮体。沉淀反应过程形成的大絮体进入沉淀池进行分离。（问题）混凝剂的投加混合絮凝反应第五节混凝工艺工艺流程混凝剂的投加混合絮凝反应固体投加、液体投加投加方式第五节混凝工艺工艺流程混凝剂的投加混合絮凝反应（一）混合的作用（二）速度梯度与搅拌强度（三）混合方式第五节混凝工艺工艺流程混凝剂的投加混合絮凝反应（一）絮凝反应的作用（二）反应的水力条件（三）反应设备（四）絮凝反应器的设计要点第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质浊度浊度过高或过低都不利于絮凝，浊度不同，所需的絮凝剂用量也不同。低浊水缺少凝聚核心，可将部分沉渣连续回流到混合池入口，以促进反应过程。混凝剂水力条件第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质水温水温会影响无机盐类的水解。水温低，水解反应慢；水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。另外，水温也影响反应后的沉降过程。混凝剂水力条件第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质pH值及碱度—影响混凝效果的重要因素(1)pH值影响胶体颗粒表面电荷及ξ电位对于带正电胶体，pH降低，H+吸附量增加，胶粒电荷增大，电泳速度加快；pH升高，结果与上相反。(2)pH值对混凝剂作用的影响pH影响着混凝剂在水中的存在状态，不同的pH，混凝剂水解产物不同，所起的混凝作用各异。工程上应充分考虑混凝剂水解而引起水pH值的变化，必要时进行适当调节，使其满足混凝作用的要求。混凝剂水力条件第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质共存杂质(1)有利成分:可促进混凝过程。除硫、磷化合物以外的其他各种无机金属盐，均能压缩胶体粒子的扩散层厚度，促进胶体凝聚，且浓度越高，促进能力越强。(2)不利成分:不利于混凝过程的进行。磷酸离子、亚硫酸离子、高级有机酸离子影响高分子絮凝作用。氯、螯合物、水溶性高分子物质和表面活性物质不利于混凝。混凝剂水力条件第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质混凝剂（重点）①混凝剂种类混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、及浓度。胶体ξ电位高，应投加无机混凝剂使其脱稳凝聚；絮体细小，须投加高分子混凝剂或配合使用助凝剂。②混凝剂投加量投加量与水中微粒种类、性质、浓度有关。废水的混凝处理，最佳混凝剂和最佳投药量的选择应通过实验确定。③混凝剂的投加顺序当使用多种混凝剂时，其最佳投药顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂混用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理的胶粒在50um以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层使胶体脱稳。混凝剂水力条件第六节影响混凝的因素浊度水温pH值及碱度共存杂质水力条件水力条件对混凝剂效果有重要影响。主要的控制指标为搅拌强度和搅拌时间。混合阶段，要求混凝剂于废水迅速均匀混合，为此要求G在500-1000s-1，搅拌时间t应在10-30s。反应阶段，相应G和t值分别应在20-70s-1和15-30min.为确定最佳的工艺条件，一般情况下，可以用烧杯搅拌进行混凝的模拟实验。混凝剂水力条件谢谢！电位离子反离子扩散层胶团边界滑动面胶粒吸附层胶核ξ电位Ψ电位滑动面与溶液本体之间的电势差称为ζ电势。有时也称为电动电势，这是因为只有当固液两相发生相对移动时才有ζ电势。它是固液界面静电排斥力大小的量度,也是衡量分散体系稳定性的重要参数。胶核表层荷电后，留在溶液中的反离子由于离子静电作用必围绕于胶核周围，但离子本身的热运动又使一部分反离子扩散到较热的介质中去。一些紧紧地吸引于胶核近旁的反离子与被吸附于胶核表层的离子组成吸附层，而其余的反离子则组成扩散层。胶核与吸附层组成胶粒，而胶粒与扩散层中的反离子组成胶团。胶体在水中受到几个方面的影响：（1）由于胶粒的带电现象，带相同电荷的胶体产生静电斥力，而且ξ电位越高，胶体间的静电斥力越大。（2）受水分子热运动的撞击，使胶体在水中做不规则的布朗运动。（3）胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力。范德华引力的大小与胶粒间距离的平方成反比，当间距较大时，可忽略不计。一般水中的胶粒，ξ电位较高。其互相间斥力不仅与电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两颗胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结而长期保持稳定的分散状态。使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。混凝剂的分类第四节混凝剂与助凝剂对于混凝剂而言，在废水处理时：（带负电胶体）（1）普通电解质只有压缩双电层和吸附电中和作用；（2）高分子物质A、阳离子型（带正电荷）聚合电解质，具有电中和作用和吸附架桥功能。B、非离子型（不带电荷）或阴离子型（带负电荷）聚合电解质，只能起吸附架桥作用。传统无机混凝剂和无机高分子混凝剂。①铝盐硫酸铝（Al2(SO4)3•18H2O）明矾（K2SO4•Al2(SO4)3•24H2O）由于铝的比重小，在水温低的情况下，絮粒较轻而疏松，处理效果较差。pH有效范围较窄，在5.5-8之间。投加量大。无机混凝剂以铝盐为例，介绍混凝的过程：在水中，Al3+以Al(OH)63+的形态存在，发生水解：[Al(H2O)6]3+==[Al(OH)(H2O)5]2