悬浮物质和胶体物质去除-其它版

第二节悬浮物质和胶体物质去除•悬浮物质与胶体物质界定常规上，以0.45μm(即450nm)孔径滤膜作为其分界尺度以下的均可以认定为胶体（环境纳米污染物）和溶解物质。20-100μm以上悬浮颗粒重力沉降10-6-20μm之间悬浮微粒混凝结合沉降10-9-10-6m左右胶体粒子混凝等广义颗粒物溶质胶体或高分子颗粒物109876543log(粒度/m)1Å1nm0.45m1m1mm无OH,Cl,HCO3硅溶胶颜料水泥机SO42,HS等Fex(OH)yFeOOH细泥灰尘化Al13(OH)327+MnO2细砂合Na+,K+,Ca2+碳黑粘土类中砂物Mg2+,Cu2+等金属硫化物碳酸盐磷酸盐悬浮沉积物有有机酸含氧酸DNA无机颗粒吸附的有机物机氨基酸酶红血球化苯酸染料肽纤维素纸浆纤维合蛋白质橡胶石油微滴物胺多聚糖絮凝剂富里酸胡敏酸缩聚物微生病毒细菌藻类浮游动物物筛滤沉降去除水流中分散稳定性增强水中杂质分类杂质溶解物（低分子、离子）胶体悬浮物颗粒尺寸0.1nm1nm10nm100nm1μ10μ100μ1mm分辨工具电子显微镜超显微镜显微镜肉眼水的外观透明浑浊浑浊环境纳米-微米颗粒物(100nm~10µm）土壤：胶体、粘土矿物、团粒水体：悬浮物、沉积物、腐殖质大气：可吸入微粒、气溶胶、烟尘生物：大分子、细胞、细菌、藻类环境纳米污染物ENP(1nm~100nm)无机：重金属水合物,聚硫化物,聚磷酸,聚硅酸,碳黑,烟雾,微晶体有机：POPs,PTS(持久性,难降解)农药,染料,卤代烃,多环芳烃,多氯联苯,内分泌干扰物生物：蛋白质,含氧酸,DNA,酶,病毒,藻毒素MW1000,粒度1nm微界面特别巨大结构重复自组装分子量粒度分散化学官能团多种形态形貌多样化反应活性区各异结构组成多变化电性或极性显著聚合聚集趋势明显复合组合体系复杂界面反应过程普遍生态干扰毒性强烈迁移扩散范围广阔环境效应功能深远环境纳米污染物的特征微界面体系水体颗粒物-溶液大气颗粒物-空气土壤颗粒物-地下水大气颗粒物-水膜动植生物膜-溶液植物根系-土壤、固定滤层-水溶液空气除尘-水溶液浮选气泡-水溶液活性炭-废水溶液高分子膜-水溶液活性污泥-污水溶液环境纳米物质构成环境微界面体系的重要组成部分水体纳米污染物的界面过程与界面控制技术水质界面转化过程溶解,沉淀络合,螯合氧化,还原催化,光解吸附,解吸吸收,释放降解,富集凝聚,絮凝聚合,解聚渗透,过滤扩散,迁移沉积,蓄积界面控制技术混合,沉淀澄清,过滤吸附,絮凝气浮,超滤化学沉淀生物过滤生物氧化离子交换浓缩脱水不平衡动力学，环境毒性效应决定性步骤沉淀池絮凝池混合池过滤池原水投药消毒后出水传统工艺处理流程Cl2Cl2混凝过程污水处理常规工艺混凝过程•胶体结构稳定性ζ电位和Ψ电位•混凝剂•混凝过程G值、GT值和GTρ•混凝机理压缩双电层电中和架桥粘结网捕共沉淀•混凝过程的影响因素胶体浓度混凝剂类型和投加量水体碱度pH值其他离子有机物水力条件等混凝目标强化混凝优化混凝②难溶的离子型晶体与溶液离子之间有一平衡关系（由溶度积来确定），使得晶体表面有了一定符号的电荷。铁、铝氢氧化物颗粒表面电荷可以是依此机理产生的。由于金属氧化物或氢氧化物的溶解沉淀反应与溶液pH值有关，因此，这类颗粒的表面电荷和电势受pH控制；①固相表面对水中某种离子的特异吸附；③颗粒表面离子化官能团的离解，特别是高分子有机物因其极性能团的酸碱离解而使表面带上电荷；（受pH控制）（如蛋白质：COOH–R–NH2）④某些离子型晶体缺陷在晶体表面产生过量的阳或阴离子，而在其表面层带正电或负电。（粘土及其它铝硅酸盐矿物晶体的表面电荷成因）0斥力引力d±混凝＝混和＋凝聚＋絮凝吸附混和电中和凝聚絮凝絮体、絮团投药分离颗粒物混凝剂絮凝剂n－+++++++++n－n－n－n－n－n－n+±±±+++目前研究混凝技术方法•混凝剂元素测定、形态表征、形貌、设计、合成•混凝过程混凝机理激光光散射PDA、形态表征、动态测定、电镜、原子力显微镜、zeta电位、絮体结构特性表征、自动投药系统等•混凝目标强化混凝TOC、GC、LC、GC－Ms等优化混凝综合指标（技术指标和经济指标）•工艺组合优化预氧化、过滤、沉淀、气浮、氧化、消毒、吸附、BAC、消毒等工艺组合涉及动态检测混凝机理及主要影响因素•压缩双电层•吸附电中和•粘结架桥•网捕共沉淀主要影响因素：混凝剂、混凝剂浓度、水体颗粒物浓度和性质、水力条件、温度、碱度、pH值等混凝过程中的两个关键性的控制因素是混凝剂的混凝结合效力和水力条件。0斥力引力d吸附电中和胶粒表面对异号离子、胶粒或链状离子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用而中和自身部分电荷，减少了静电斥力，使之容易与其它颗粒接近、互相吸附而凝聚。胶粒吸附异号离子或胶粒，ξ电位降低，引力使该种胶粒相互靠近发生凝聚。混凝中，混凝剂一般为高价电解质及其聚合离子，这些成分在有效压缩双电层的同时，发挥着吸附电中和的作用。•3、吸附架桥作用吸附架桥主要是指投加的水溶性链状高分子聚合物絮凝剂，在静电力、范德华力和氢键力等的作用下，将胶体和悬浮颗粒吸附、架桥形成一串串絮体（矾花）相互融合聚结为大絮体而沉降的过程。4、网捕作用三价铝盐或铁盐水解生成的沉淀物在自身沉降过程中，集卷、网捕水中的胶体微粒，使胶体凝结。5、一些概念（1）凝聚——从作用机理来看，是指胶体和分散系双电层压缩、ζ电位破坏、电性中和而脱稳并聚集为絮粒的过程。（2）絮凝——从工艺上看，是指絮粒通过吸附、交联、网捕，聚结为大絮体沉降的过程。（3）混凝——凝聚和絮凝统称为混凝。（4）絮凝剂——是从化学角度看，是使胶体和悬浮颗粒凝聚和絮凝的药剂，所以也称为混凝剂。二、影响混凝效果的因素1、污水水质（1）胶体杂质浓度胶体浓度不同，所需投加金属离子量也不同。（2）PH值不同混凝剂都有最佳PH值。（3）水温一般水温高有利于混凝，但水温过高会使一些高分子混凝剂老化。（4）共存杂质2、混凝剂的影响（1）混凝剂分子形态分子量应适当，不宜过高或过低（2）混凝剂的投加量经实验确定最佳投加量（3）混凝剂的投加顺序无机铝系硫酸铝、明矾、聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）适宜pH：5.5~8铁系三氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁、聚合硫酸铁、聚合氯化铁适宜pH：5~11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等。微生物絮凝剂铝的水解絮凝剂（以铝盐为例）投入到水中，迅速水解，主要的水解反应[3]：32AlHO2()AlOHH1g5lK32717AlHO4717()17AlOHHg48.8lK321334AlHO51334()34AlOHHg97.4lK3()()SAlOH33AlOHg33solK324AlHO4()4AlOHHg23slK3222AlHO422()2AlOHHg6.3slK以上是铝盐在水体中水解的主要产物，除此之外，还可能有其它一些形态。铝离子在水中发生一系列的水解、聚合直至沉淀，反应可综合表达为[129]：平衡表达式：Kxy==AlOHHAlxyxyyx33fffxyHyxHOyAl32式中f表示溶液中各离子活度系数。严格地讲，铝水解反应不仅与溶液铝浓度及OH/Al比有关，还与溶液中离子活度系数有关。3(3)2()xyxyxAlyHOAlOHyH无机高分子絮凝剂InorganicPolymerFlocculants阳离子型聚合氯化铝PAC,PACl聚合硫酸铝PAS聚合硫酸铁PFS聚合氯化铁PFC聚合磷酸铝PAP聚合磷酸铁PFP阴离子型聚合硅酸PSi(活化硅酸)ASi复合絮凝剂聚合硫酸铝铁PAFS聚合氯化铝铁PAFC聚合硅酸铝PASI聚合硅酸铁PFSI聚合硅酸铝铁PAFSI无机+有机复合型聚合铝-聚丙烯酰胺聚合铝-甲壳素聚合铝-合成有机高分子AlO4Al12(OH)24(H2O)127+(Al13)分子量(1039)纳米级高电荷(+7)电中和能力强链状枝状聚集架桥能力强界面吸附絮凝能力强稳定性抗水解退化强现有生产产品中只占40～50％SKLEAC聚合氯化铝(Al13)晶格AlO4Al12(OH)24(H2O)127+DiameternmAl132-3nmAggregates40-400nmSKLEACSKLEACMSNMRSpectrogramofPurifiedAl13SKLEACElectronmicroscopyimageofAl13precursorAtomicForceMicroscopyimageofPACmicro-flocsSKLEAC絮凝剂的原子力显微镜三维图像Al13聚集体原子力显微镜(AFM)图象水处理中铝盐适用的pH范围为6~8.5，以Al2(SO4)3·14H2O计的投量为：混凝+过滤10~100mg/L，直接过滤0.5~5mg/L。铁盐与铝盐有相似的水解过程。适用pH范围6~8.5，以FeCl3计投量为：混凝+过滤7~70mg/L，直接过滤0.5~5mg/L。3、助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。（1）pH值调整剂：调整水的pH，如石灰、硫酸等（2）絮体结构改良剂：如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂（3）氧化剂：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等4、水利条件的影响混合阶段：激烈紊动，不超过2分钟，使药剂迅速均匀扩散到水中反应阶段：紊动程度逐渐减弱，13~15分钟，使形成具有良好沉淀性能的絮凝体。混凝设备混凝剂的配制溶解池容积W1：W1=（0.2-0.3）W2式中W2为溶液池容积。式中：W2——溶液池容积，m3Q——处理的水量，m3/ha——混凝剂最大投加量，mg/Lc——溶液浓度，一般取5%-20%n——每日调制次数，一般不超过3次cnaQcnaQW41710001000100242混凝剂投加混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。1.计量设备计量设备有：转子流量计；电磁流量计；计量泵等。（3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度限制小，但效率低，易磨损。（4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，有利于药剂与水混合。（2）管式混合管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.3-0.4m，简单易行。扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90°。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，流速为1.0-1.5m/s，混合时间2-3s。（3）机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度700-1000s-1，时间10-30s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式。絮凝设备隔板絮凝池的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。隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。2.折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。3.机械絮凝池搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。设计参数①絮凝时间10-15分。②池内一般设3～4挡搅拌机。③搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。④桨板总面积宜为水流截面积的10～20％，不宜超过75％，桨板长度不大于叶轮半径的75％，宽度宜取10～30c