给水工程-时文歆--第02章

第二章混凝本章主要内容第一节混凝的基本理论第二节水的混凝机理第三节混凝剂与助凝剂第四节影响混凝的主要因素第五节混合与絮凝反应第一节混凝的基本理论实际原水中，除了一些较大的颗粒、砂粒等能经自然沉淀去除外，大部分悬浮物是以胶体形式存在于水中的。水中含有的这些胶体物质，尺度一般在10-6～10-9m之间。包括：绝大部分粘土颗粒(4μm)大部分细菌(0.2~80nm)病毒及一些高分子量的有机物这类物质的去除不能依靠自身的沉淀性能，按Stokes公式d=10μm下沉1m需100分钟d=1μm下沉1m需10,000分钟因此，这部分悬浮物很难经自然沉淀或直接气浮从水中去除。为此，必须设法改善胶体的界面性能，增大其尺寸，从而使其能易于从水中分离。胶体颗粒的沉降混凝就是通过向水中投加药剂，使水中胶体颗粒相互聚合，增大至可以依靠自然沉淀去除的过程。1.分散体系两种以上的物质混合在一起组成的体系为分散体系。其中被分散的物质为分散相，分散相周围连续的物质为分散介质。分散体系按溶质的尺度来分，可分为三类：真溶液d1nm胶体1nmd1μm悬浮液d1μm一、胶体的特性¾光学特性:丁达尔效应（即光的散射）2.胶体的基本特性胶体的基本特性•布朗运动:•表面性能:•电学性质:•a.电泳现象：胶体在电场作用下的定向运动。→+粘土、细菌、蛋白质负电→-Al(OH)3，Fe(OH)3颗粒正电（1）胶体颗粒表面对溶液中离子的吸附:选择性——有共同成分的离子。FeCl3　+3H2O→Fe(OH)3　+3HClFe(OH)3　+HCl→FeOCl+2H2OFeOCl→FeO++Cl-Fe(OH)3胶体吸附FeO+而带正电。3.胶体颗粒带电的原因（2）胶体颗粒表面的溶解:胶体表面与水反应，生成的化合物离解出正、负离子，微粒吸附了其中的一种离子而带电。如粘土颗粒：SiO2+H2O→H2SiO3H2SiO3→2H++SiO32-其余的SiO2吸附SiO32-带负电胶体颗粒带电的原因（3）胶体表面电离：如蛋白质等电点:使两性胶体呈中性时的pH值。许多蛋白质的等电点在pH4~5，而天然水的pH值多为中性，故天然水中细菌带负电。胶体颗粒带电的原因1.胶团的结构二、胶体的双电层理论胶核:胶体分子聚合而成的微粒电位形成离子：胶核表面吸附的某种离子反离子:与电位形成离子具有相反电荷的离子，受到两种力的作用：①静电引力──靠近带电微粒②热运动扩散作用和溶剂化作用──均匀分散（1）双电层：指胶核表面吸附的阴、阳离子层。（2）吸附层：胶核表面吸附的电位形成离子与部分反离子组成吸附层。这部分反离子紧附在固体表面随微粒移动，称为束缚反离子。（3）扩散层：另一部分反离子由于热运动和液体的溶剂化作用而向外扩散，当微粒运动时，与固体表面脱开而与液体一起运动，形成扩散层，称为自由反离子。2.双电层与ζ电位（4）胶团：胶核与吸附层称为胶粒，胶粒与扩散层一道称胶团。胶粒是带电的，而胶团是电中性的。胶核表面吸附层和扩散层各带有不同符号的离子，与微粒一同运动，吸附层厚2~3A°，包围在吸附层周围的自由反离子形成的扩散层是吸附层厚的几百倍。（5）滑动界面:微粒运动时，扩散层中大部分离子被脱开，形成滑动界面，最紧的滑动界面就是吸附层外边界。胶核滑动面ⅠⅡ　のζ　δd胶体双电层结构示意图（6）ζ电位:胶体在滑动时所显示的电位，滑动界面上可通过电流速度计算距离。(1)憎水胶体吸附层中离子与胶核直接接触的胶体，具有双电层。常为无机胶体。(2)亲水胶体胶体微粒直接吸附水分子，形成水合(水化)壳。多为分子量很大的高分子化合物或高聚物。亲水胶体吸水分散成胶体，脱水回复到原物质，其稳定性高于憎水胶体(疏水)。双电层理论适用于疏水胶体。3.憎水胶体与亲水胶体指胶体溶液保持分散的悬浮状态的特性。动力学稳定：指颗粒布朗运动对抗重力的影响。胶体颗粒很小，布朗运动剧烈，足以抵抗重力的影响，故能长期悬浮于水中。聚集稳定性：胶体颗粒之间不能相互聚集的特性。如表面同性电荷的排斥或水化膜的阻碍。胶体的稳定性关键在于后者。1.胶体的稳定性三、胶体的稳定性与凝聚胶体稳定的原因①布朗运动②静电斥力③水化作用④范德华引力水中胶体颗粒的稳定性，取决于上述因素的综合作用。rrEmaxEa0c(a)ErEa吸引势能EA排斥势能ER间距x相互作用势能与颗粒距离关系（a）双电层重叠（b）势能变化曲线一、水的混凝机理原水中存在的颗粒有:粘土、细菌、腐植酸、蛋白质……无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒。要考虑:颗粒增大至足以沉降的粒度，有较密实和大比重的结构。第二节水的混凝机理凝聚（coagulation）:指胶体由于压缩双电层而脱稳的过程，是一种瞬间发生的过程。絮凝（flocculation）:指胶体脱稳后聚集成大颗粒絮体(floc，矾花)的过程。混凝：两者的总称。1.混凝的基本概念投加电解质，增大溶液中离子浓度，减小扩散层厚度(降低ζ电位)，使得最大排斥势能减小乃至消失。适用:河口、海湾处的沉积现象，由于简单离子造成的混凝。（1）压缩双电层机理胶粒表面强烈吸附异号离子、胶粒或链状分子带异电荷的部位，使静电斥力减小，胶粒脱稳而沉淀。是由于吸附和静电引力两种作用的结果。适用:胶粒表面电性改变。2.吸附电中和机理①两个大的同号胶粒由于异号胶粒而连接；②高分子物质与胶粒的吸附与桥连。适用:非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂的混凝。3.吸附架桥作用机理高分子絮凝剂投加量十分重要：①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②但投加过多，会出现“胶体保护”现象。胶粒高分子胶粒高分子排斥排斥胶粒高分子图6-5架桥模型示意图6-6胶体保护示意水中胶粒被混凝剂形成的絮状沉淀物所网捕，胶粒本身也可作为沉淀物形成的核心。4.沉淀物网捕作用机理•水解:常见产物是[Al(H2O)6]3+•羟基架桥连接作用(高分子缩聚反应)→多核羟基络合物:[Alx(OH)y](3x-y)+•水温、水的pH值、铝盐的投量等影响铝盐的水解和缩聚反应：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、氢氧化铝沉淀等。其水解产物见下图。1.铝盐的水解过程二、铝盐的混凝过程在不同pH值下，铝离子水解产物[Alx(OH)y](3x-y)+的相对含量（曲线旁数字分别表示x和y)(1)铝总浓度为0.1mol/L；（2）铝总浓度为10-5mol/L,水温25℃兼有凝聚和絮凝两种作用：pH低时，高电荷，低聚合度→压缩双电层、吸附电中和；pH高时，低电荷，高聚合度→吸附架桥2.铝盐的混凝特性1.混凝的主要目的①改变水中细小颗粒的特性，为进一步去除颗粒提供条件；②使某些溶解性物质转变为不溶性物质。经混凝后进一步处理的措施有:沉淀：混凝是影响沉淀效果的主要因素；气浮：要求颗粒有一定尺度，使气泡能附着；直接过滤：脱稳，去除大颗粒更为有效；三.混凝对改善水质的作用•增大尺度:去除胶体；•形成不溶沉淀物:去除某些可溶物质，如PO43-，F-；•絮体的吸附作用：溶解性物质及胶体；•破乳:去除乳化油。2.混凝的作用途径混凝剂:在混凝过程中加入水中的能够起凝聚/絮凝作用的化学药剂。助凝剂:与混凝剂同时使用，促进混凝过程，改善混凝效果的药剂，本身可起凝聚作用，或者不具凝聚作用，主要用于改善絮凝体的结构。第三节混凝剂与助凝剂•混凝效果要好，投加与使用方便；•货源充足，价格便宜；•饮用水使用的混凝剂必须无毒无害。1.对混凝剂的要求①碱式氯化铝[Aln（OH）mCl3n-m]②硫酸铝[Al2（SO4）3]③铁盐④碳酸镁[MgCO3·3H2O]⑤有机合成高分子混凝剂⑥天然高分子混凝剂常用混凝剂常用混凝剂硫酸铝聚合氯化铝三氯化铁聚丙烯酰胺聚合氯化铝铁聚合硫酸铝分为干式和湿式，我国常采用湿式投加。溶药配药投加应注意的问题：配药浓度、配药次数、最佳投加量、沉渣处理。2.混凝剂的配制与投加VV)3.0~2.0(1=（2-1）式中：V1—溶解池体积（m3）V—溶液池体积（m3）（1）溶解池体积bnaQV417=（2-2）式中：a——混凝剂最大用量，mg/L；Q——处理水量，m3/h；b——溶液浓度，按药剂固体重量百分数计算，通常10~20%；n——每昼夜配药的次数，一般2~6次，手工操作不大于3。（2）溶液池体积必须计量，投加量应满足最佳投量；对计量设备的要求：准确计量，可灵活调节，操作简单。常用计量方式有：计量泵、转子流量计、孔口计量。投配方式：—重力投加：泵前、吸水井、澄清池前等；—水射器：泵后、压力管；—计量泵：泵后、压力管、反应器。（3）投加123456h578910泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球阀；6-投药苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-压水管泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者13256874高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压水管高位水箱重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度不会受太大限制，但水射器效率低，易磨损。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。计量泵投加酸、碱类：调节pH；绒粒核心类：粘土、高分子聚合物等，改善矾花的结构；氧化剂类：破坏起干扰作用的有机物。3.常用助凝剂1.水温•水温低，絮凝体形成缓慢，结构松散；•水温低，降低水解反应速度，因水解为吸热反应；•水温低，水的粘度增大，布郎运动减弱，水的剪切力增大第四节影响混凝的主要因素•pH影响铝、铁盐水解产物的形态，是影响混凝效果的主要原因。最佳pH值的确定?•碱度：起缓冲作用，以使pH保持在适宜范围。水解反应产生H+，故在混凝剂投量大，原水碱度不足时，需加助凝剂。2.pH值和碱度•水质指标（杂质种类）•杂质的存在形态•杂质的性质（尺度、级配等）•杂质的浓度目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。3.水中杂质性质、成分和浓度混凝剂种类选用不同的混凝剂在其它条件（如温度、pH、投加量等）相同时对同类原水进行试验，去除率高的为最佳混凝剂。投加量最佳混凝剂投量应根据试验确定。在其它条件相同时，采用不同的投加量对原水进行混凝试验。4.混凝剂种类、投加量1.混凝的水力条件混凝根据水力条件的不同分为两个阶段：（1）混合（2）絮凝反应第五节混合与絮凝反应完成胶体的脱稳(借助于强烈的水力条件)•快速：在投药后聚合反应未达到平衡时，利用带电的水解中间产物脱稳。•剧烈：创造良好的接触条件。一般混合时间为10~30秒，混合池HRT≤2分钟。（1）混合使絮凝体微粒逐渐形成较大颗粒，增大尺度，便于沉淀。要求：搅拌强度或水流速度逐渐降低，反应时间视水质、设备而异。在此阶段应保持：①适当的紊流程度，增加碰撞机会，不致造成絮体的沉淀，但又不能产生过大的水力剪切作用使絮体破碎。②适宜的搅拌时间，使絮体尺寸达0.6~1.0mm左右。（2）絮凝反应推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布郎运动；在水力或机械搅拌下所造成的流体运动。由布郎运动造成的颗粒碰撞凝聚称为“异向絮凝”。由流体运动造成的颗粒碰撞凝聚称为“同向絮凝”，在整个混凝工程中占有十分重要的地位。2.絮凝反应动力学①意义：dyduG=假设水中含有d1和d2两种颗粒，其浓度分别为n1和n2，两种颗粒在单位体积中的碰撞机率为：GddnnN32121)(61+=上式说明，G值反映了颗粒碰撞的机会与次数。是控制混凝效果的水力条件；在絮凝设备中将速度梯度G值作为重要的控制参数。速度梯度G值絮凝效果不仅与G值有关，还与絮凝时间T值有关。Gt（可变）值反映了混凝时的条件。一般Gt值为104~105。常用的G值范围:混合池G=500~1000S-1HRT2min500~1000S-1HRT5min反应池G=10~100S-1逐渐减小出口处5~10S-1HRT20～30min（1）混合设备①水泵混合投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场