《水质工程学》PPT课件.pptx

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1、水质工程学水质工程学电子教案电子教案 -给水处理工程给水处理工程总学时：60专业必修课教材给水工程(第四版)严煦世 范瑾初 主编中国建筑工业出版社出版 主讲教师：延克军 教授 课程性质及任务 水质工程学是给水排水工程专业的一门主干专业课，其任务是通过本课程的学习，使学生全面系统地了解水的性质、水质特征与水质指标等概念，较扎实地掌握水处理的基本概念、基本原理、基本方法及基本应用与发展；基本掌握各种水处理的技术与方法、应用条件、设计规范以及新工艺与新技术，为将来从事本专业的工程设计、科学研究及运行管理工作等奠定必要的理论和应用基础。培养学生具有设计、计算水质工程中的各构筑物、工艺系统的初步能力和分

2、析、解决实际工程问题的能力。参考文献 1.徐保玖、安鼎年.给水处理理论与设计.北京:中国建筑工业出版社,1992 2.钟淳昌主编.净水厂设计.北京:中国建筑工业 出版社,1991 3.(日)水处理理论与应用.张自杰等译.北京:中 国建筑工业出版社,1986、http：、在线给水排水等。第一章给水处理概论n1-1水源水质n1-2水质标准n1-3 给水处理方法概述 n1-4反应器n任务：使所提供的水质达到用户的要求。n手段：采用各种方法使水质达到要求，其目的 n 就是将水中“杂质”去除掉。n给水处理典型工艺流程：消毒剂二级泵站清水池絮凝沉淀原水投药混合过滤用户1-1水源水质n1.原水中的杂质 或源

3、于自然过程或源于人为的污染。按照杂质尺寸的大小可将其分为悬浮物、胶体和溶解物三类：分散颗粒 溶解物 胶体颗粒 悬浮物 颗粒尺寸 0.1um(或1um)典型物质 无机离子、细小黏土颗粒、黏土、粉砂、小分子 高分子有机物、腐质酸 细菌等 有机物等 病毒、细菌等 溶液体系 真溶液（透明）胶体溶液（混浊）1.1悬浮物：尺寸较大，易于下沉或上浮，当水流较 慢时可去除。1.2胶体：尺寸很小，长期静置也难下沉，水处理解决 的主要对象。1.3溶解物：包括有机物和无机物两大类。无机物是工业用水的主要去除对象，有害有毒的则是生活饮用水的去除对象。有机物会产生色、臭、味及毒性，主要来自污染，是目前研究的重点对象之一

4、。溶解杂质的主要形式：1）溶解气体：02、N2、CO2、H2S 2）离子：阳离子、阴离子2.各种天然水的水质特点2.1地下水：经地层渗滤，水质清澈，水质水温较稳 定，宜作饮用水和工业冷却水水源。2.2江河水：受自然条件影响很大，水中悬浮物、胶体态杂质含量较多。江河水的最大缺点就是易污染、水温不稳定。2.3湖泊及水库水：流动性小，浊度低、藻类多、含盐量高（淡水湖、微咸水湖和咸水湖3类）2.4海水：含盐量高，各种成分的比例基本一定，氯化物占89%左右，淡化后方可饮用。3.受污染水源中的杂质：水源污染是普遍问题，特别水有机物的污染尤为严重及危险（P236自看）。其解决办法：保护水源，控制污染源；强化

5、处理工艺。1-2水质标准定义：水质标准是用户对象所要求的各项水质参 数应达到的指标和限值。不同的用水对象，水质标准要求不同，既使相同对象，也因经济及技术问题而有较大差异（不同国家差异很大）。但随着科学技术与经济的进步及水源污染的日益严重，水质标准总在不断修订与补充中。1.生活饮用水卫生标准1.1标准的制订：与水源污染、检测技术、医学技术的发展有关。（1）饮用水水质项目大为增加，从原35项增加到96项（2）把检测项目分为常规检测项目（34项）和非常规检 测项目（62项）（3）提高了对浊度的要求（4）在饮用水常规检测项目中增加了耗氧量（高锰酸盐 指数）：耗氧量（以O2计）不超过3mg/L，特殊情

6、况下不超过5mg/L。（5）在无机物、有机物单项项目的选择和限制的确定 上，既借鉴国外标准（WHO、欧盟、美国），又 考虑中国国情。（6）重视消毒剂和消毒副产物的危害，从原有的1项，增加到13项。（7）对部分原有项目的限制提出更严格的要求，共4项：浊度、铅、镉、四氯化碳。（8）增加了粪性大肠菌群的项目。1.2标准的基本要求（P237表14-2）1）水中不得含有病源微生物（3种）。2）水中所含化学物质（70多种）及放射性物质（2种）不得危害人体健康。3）水的感官性状良好。1.3标准简介（指标分类）感官性状和一般化学指标 1)感官性状指标（物理指标）浊度 、悬浮物 、臭和味 2)化学指标 a 杂质

7、或污染物质的单项指标 b 无机特性的综合指标 c 有机污染物的综合指标毒理学指标 指对人体有害的物质，包括众所多无机物、重金属及微量有机污染物，P239。细菌学指标 细菌总数、大肠菌、余氯含量放射性指标 总放射性、总放射性2.工业用水标准 工业用水种类繁多,对水质要求各不相同。由各行业制订。3.其他重要水质标准（1）地表水环境质量标准 （2）其他水质标准1-3给水处理方法概述1.给水处理的基本方法1）去除颗粒物 方法有：混凝、沉淀、澄清、气浮、过滤、筛滤（格栅、筛网、微滤机、滤网滤芯过滤器等）、膜分离（微滤、超滤）、沉砂（粗大颗粒的沉淀）、离心分离（旋流沉砂）等2）去除、调整水中溶解（无机）离

8、子、溶解气体的处理方法 处理方法有：石灰软化、离子交换、地下水除铁除锰、氧化还原、化学沉淀、膜分离（反渗透、纳滤、电渗析、浓差渗析等方法）、水质稳定（水中溶解离子的平衡，防止结垢和腐蚀等，详见本书第五章）、除氟（高氟水的饮用水除氟）、氟化（低氟水的饮用水加氟）、吹脱（去除游离二氧化碳、硫化氢等）、曝气（充氧）、除气（锅炉水除氧等）等3）去除有机物的处理方法 方法有：粉状炭吸附、原水曝气、生物预处理、臭氧预氧化、高锰酸钾预氧化、过氧化氢预氧化、预氯化、臭氧氧化、活性炭吸附、生物活性炭、膜分离、大孔树脂吸附（用于工业纯水、高纯水制备中有机物的去除）等4）消毒方法 方法有：氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧

9、消毒、紫外线消毒、电化学消毒、加热消毒等5）冷却方法2.给水处理的基本工艺1）饮用水常规处理工艺 2）在饮用水常规处理工艺的基础上，增加预处理和（或）深度处理的饮用水处理工艺 3）其他特殊处理工艺1-4反应器 反应器是化工生产过程中的核心部分，在反应器中既有化学反应过程又有物理反应过程，影响因素。通过数学模型方法的简化，使得反应装置的选择、尺寸计算、过程操作及最优控制等找到了科学的方法。许多水处理的理论来自于化工，特别是工业水处理更是发源于早期的化工工业，多数水处理设备与构筑物都可作为反应器来分析研究。1.物料衡算与质量传递1.1 物料衡算方程 在反应器内,某物质无论发生何种变化,都必须遵守质

10、量守恒定律。设在反应器内某一指定部位，任选某一物组分i，可写出如下物料平衡式：单位时间变化量=单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量 （1-1）当变化量为零时（组分的浓度不随时间变化，多数属理想情况），称为稳态，即：单位时间输入量-单位时间输出量+单位时间反应量01.2质量传递 反应器内物质的输入和输出都是质量传递的结果，按传递机理可分：主流传递、分子扩散传递、紊流扩散传递。1）主流传递 物质随水流主体而移动，称主流传递。它与液体中物质浓度分布无关，而与流速有关。传递速度与流速相等，方向与水流方向一致。2）分子扩散传递 在溶液中，如存在浓度梯度时，则由于分子作无规则运动，高浓度区内的组

11、分将向低浓度区扩散直至趋于均匀分布状态。Fick第一定律给出了分子扩散的经验式：(1-2)式中:J物质扩散通量，单位：摩尔/面积/时间 或质量单位/面积/间 DB分子扩散系数，单位：面积/时间 Ci组分I的浓度，单位：摩尔/体积或质量单位/体积 x浓度梯度方向的坐标。3）紊流扩散传递 大多数的水流为紊流，此时液体质点不仅具有随流的运动，还具有“各向”的脉动，从而引起物质的传递。紊流扩散通量可写成类似 于分子扩散通量式；(1-3)式中：DC称紊流扩散系数，其它同（1-2）式。2.理想反应器模型 即为了便于研究，将反应器理想模型化。本书结合水处理介绍了三种理想反应器：完全混合间歇式反应器（CMB型

12、）、完全混合连续式反应器（CSTR型）、推流式反应器（PF型）等。2.1完全混合间歇式反应器（CMB型）这是一种间歇操作式搅拌器，即一次性投入，然后搅拌混合，再一次性排出，无输出与输入，故物料 衡算式为：(1-4)t=0，Ci=C0；t=t，C=Ci，积分上式得：(1-5)设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则(1-6)为二级反应时，则：（1-7）例1：某消毒实验，由试验知为一级反应，且 k=0.92/min。求细菌被灭活99%时所需时间 为多少？2.2 完全混合连续式反应器（CSTR）连续流入、搅拌、连续流出，部分进料停留时间为零，部分则为无穷大。根据反应器内物料完全均匀混合且与流出浓度相同

13、的假定，在等温条件下，物料衡算式为：（1-8）按稳态考虑，即 ，于是：（1-9）设为一级反应，r（Ci）=-kCi，则 因，故 （1-10）例2：条件同例1，采用CSTR。解：显然远大于CMB，这是因CMB是在CO下，而CSTR是在Ce下进行的。多个CSTR串联使用时：如为一级反应，则有12n3coC1C2Cn-1cn两边相乘得：则总反应时间为：例3：前例如用2个CSTR，求消毒时间。经计算知2.3推流型反应器（PF）理想型PF反应器内的物料仅以相同的流速平行流动，而无扩散作用，经分析推导可得出前述CMB完全相同的公式：（1-11）3.非理想反应器 3.1 一般概念 PF型和CSTR型反应器是

14、两种极端的、假想的流型。PF型反应器在进口端是在高浓度C0下进行反应，只是在出口端才在低浓度Ce下进行反应。而CSTR型始终在低浓度Ce下进行反应，故CSTR型反应器生产能力低于PF型。在CMB中，所有物料的停留时间都相同；CSTR型反应器中存在返混，即停留时间不同的物料之间混合。用示踪剂画图说明各反应器出口的浓度分布。3.2纵向分散模型(PFD)自学4.水处理中常见的反应器 水处理中常见的反应器的常见反应器见表1-1。表1-1 水处理中的常见反应器作业P252：1、2反应器期望的反应器设计 反应器期望的反应器设计快速混合器絮凝器沉 淀砂滤池吸 附离子交换完全混合局部完全混合的活塞流活塞流活塞

15、流活塞流活塞流软化加氯污泥反应器生物滤池化学澄清活性污泥完全混合活塞流局部完全混合的活塞流活塞流完全混合完全混合及活塞流第二章混凝n2-1混凝机理n2-2混凝剂和助凝剂 n2-3凝聚动力学n2-4影响混凝的主要因素n2-5混凝剂的配制与投加n2-6混合和絮凝设备2-1混凝机理n混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过 n 程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。n凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。n絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。n混凝三要素：n 水中胶体颗粒的性质；n 混凝剂在水中的水解形式；n 胶体与混凝剂的相互作用。1.1 水中胶体的稳定性 是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。1.1

16、.1 胶体稳定性分：“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。1）动力学稳定性：是指胶体粒子的布朗运动对抗重力影 响的能力。胶体粒子的布朗运动足以抵抗重力影响，故而长悬，称动力学稳定。为什么不聚集下沉呢？2）聚集稳定性：指胶体粒子间不能相互聚集的特性。在 布朗运动下有聚集顷向，但由于 胶体带电相斥（憎 水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）3）两种稳定性间的关系：很显然，如果胶体粒子表面电 荷或水化膜被消除，则失去聚集稳定性，从而可聚集 成大颗粒，使动力学稳定性破坏，沉淀就会发生。因 此，在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。胶体颗粒的双电层结构(见下页图6-1

17、)胶体由胶核、密实层及扩散层所组成，故称为双电层结构。由于胶核带负电荷（其表面电位称为总电位或表面电位或热力学电位），故在其表面将吸附并控制一层较密实且排列整齐的正电荷离子（该层表面称为滑动面，=0，其电位称为电位）组成胶粒，与其外的扩散层（被热运动扰乱其排列）中的正电荷共同形成电性中和并组成胶团。扩散层外边缘的电位为零。滑动面上的电位决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当电位降低，水化膜减薄及至消失。胶体颗粒间的相互作用 一般用二者间的距离与相互作用力而不是 电位来研究，如 DLVO理论（P255）。该理 论认为，对于憎水性胶体，两颗粒接近以至发 生双电层重叠时既存在静

18、电斥力也存在范德华 引力，能否聚集取决于这两力的相对大小。即 胶体颗粒之间的相互作用决定于由静电斥力产 生的排斥能与范德华引力产生吸引能。1）排斥势能：ER1/d22）吸引势能：EA1/d6（有些认为是1/d2或1/d3）由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关 系，见下页图6-2。当胶体距离xoc时，吸引势 能占优势；当oa x oc时，排斥势能占优势；当x=ob 时，排斥势能最大，称为排斥能峰。布朗运动能量Eb1.5kT，远远小于排斥能峰，胶 体颗粒不可能发生凝聚。水化膜的形成与影响 由于亲水性胶粒表面极性基团对水分子的强烈吸 附，使粒子被包裹一层较厚的水化膜，使得范德华引 力不能发

19、挥，从而使得胶粒无法相互靠近。因此，对 于亲水性胶体而言，水化作用是胶体聚集稳定性的主 要原因，电位的影响远小于水化膜的影响。1.2 硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝Al2（SO4）18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以Al(H2O)63+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。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。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关，见下页图6-31.3 混凝机理 尽管水处理中的混凝现象比较复杂，不同类混凝 及不同的水质条件下，作用机理有所不同，但当前比 较一致的看法是混凝剂对水中胶体粒子的混凝作

20、用有 三种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。何为主，取 决于混凝剂的种类、投加量、水中胶粒性质、含量及水温、PH值等，机理或是其中的一种、二种、三种。电性中和作用机理 电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和 作用机理，见后图6-4。1）压缩双电层：加入电解质，形成与反离子同电荷离 子，产生压缩双电层(主要指扩散层厚度d)作用（图中 （2）所示），使滑动面上的电位降低到某k，排斥能 峰就可降为零，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚 作用。压缩双电层机理适用于叔采哈代法则，即：凝聚能力离子价数6。该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；与胶粒带同样电

21、号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。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，来降低电位。其特点是：当药剂投加量过多时，电位可反号。吸附架桥 吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图6-56-5。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；但投加过多，会出现但投加过多，会出现“胶体保护胶体保护”现象

22、，见图现象，见图6-66-6；网捕或卷扫 当铝盐或铁盐混凝剂投量很大时，金属氢氧化物在形成及沉淀过程中可对胶粒产生网捕与卷扫作用。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。1.4 硫酸铝的混凝机理 不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。pH3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和；pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥。2-2混凝剂和助凝剂 本节自学为主，提纲为：1.混凝剂的分类；2.各种混凝剂的简称、性质、常用类型；3.助凝剂的作用

23、、投加条件。混凝剂的基本点要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格低廉。混凝剂的分类：目前混凝剂的种类有不少于200300种，分为无机与有机两大系列，见下页表。无无机机铝系铝系 硫酸铝硫酸铝明矾明矾聚合氯化铝（聚合氯化铝（PAC）聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（PAS）适宜适宜pH：5.58 铁系铁系 三氯化铁三氯化铁硫酸亚铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）硫酸铁（国内生产少）聚合硫酸铁聚合硫酸铁聚合氯化铁聚合氯化铁 适宜适宜pH：511，但腐蚀性，但腐蚀性强强 有有机机 人工人工合成合成 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国内尚少国外开始增多

24、，国内尚少 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（），聚氧化乙烯（PEO）两性型：两性型：使用极少使用极少 天然天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 微生物絮凝剂微生物絮凝剂 常用类型及比较：1.三氯化铁与硫酸铝相比，具有以下优点：适用的pH值范围较宽；形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；但三氯化铁腐蚀性较强。2.硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。3.聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝

25、的摩尔数之 比，通常称之为碱化度B，按下式计算：（2-1）4.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，它的腐蚀性远比三氯化铁小。助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用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。广义上可分为以下几类：酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸 等；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；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如 有机物。如投加Cl2、O3等。2-3凝聚动力学 混凝发生的一个必要条件就是颗粒间相互 碰撞，凝聚动力学即研究其碰撞的过程与方式。颗粒相互碰撞的动力来自两个

26、方面：1）颗粒在水中的布朗运动；2）在水力或机械搅拌所造成的流体运动。异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称 为异向絮凝。同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运 动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝。1.异向絮凝 颗粒在水分子热运动的撞击下作无规则的布朗运 动，导致相互的碰撞，对于脱稳胶体，一经碰撞就会 聚集成大颗粒，从而使单位体积内的颗粒数减少。因 此，絮凝速率取决于碰撞速率。颗粒的碰撞速率可按由Fich定律导出下式计算：(2-2)式中：Np单位体积内的颗粒碰撞速率，1/cm3.s d 颗粒直径，cm；n 颗粒数量浓度，个/cm3 DB 布朗运动扩散系数，可由Stokes-Einstein 公

27、式导出:(2-3)即:（2-4）式中：T水的绝对温度温度，K；水的运动粘度，cm2/s；水的密度，g/cm3；K波兹曼常数；故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但随着颗粒粒径的增大（絮凝），布朗运动逐渐减小，当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。2.同向絮凝2.1层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意见下图：1）颗粒的碰撞速率：按下式计算：(2-5)2）甘布公式：在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体，见上图。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为 ：（2-6）转矩 为：（2-7）于是单位体积水所耗功率p为：（2-8）由于 ，故 （2-9）当采用机械搅拌时，p由机械搅

28、拌器提供。当采用 力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式：（2-10）则采用水力絮凝池时，（2-11）2.2同向紊流理论 在各向同性紊流中，存在尺度大小不等的旋涡，能量由大到小传递，即同向紊流理论：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；只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗 粒碰撞。（2-12）式中，紊流扩散系数 ，为相应于尺度的脉动速度，为（2-13）式中为单位世间单位体积流体的有效能耗；旋涡尺度。故：（2-13）2.4混凝控制指标 自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上 总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。混合（凝聚

29、）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以利于混凝剂快速水解、聚合、及 颗粒脱稳。平均G7001000s-1，时间通常在1030s，一般 2min即告完成，此阶段，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，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。同向絮凝效果不仅与G有关（由前碰撞速率公式知越大越好），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。平均G2070s-1，GT104105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小，这是因G值增大时，水流剪切力随之增大，使絮 体又有破碎的可能。2-4影响混凝的主要因素 影响混凝效果的

30、因素比较复杂，主要包括：原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；投加的凝聚剂种类与数量；使用的絮凝设备及其相关水力参数。2.1水温影响 水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：无机盐水解吸热；温度降低，粘度升高布朗运动减弱；水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；水温与水的pH值有关2.2水的pH和碱度影响 水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类 有关。主要体现在水解后的产物形式，以致使产生不 同的混凝作用机理，而高分子受pH影响较小，这是因 其投入前聚合物形态已基本确定。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。当投加金属盐类凝聚剂

31、时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。石灰投量按下式估算：CaO=3a x+（2-14）式中CaO纯石灰CaO投量，mmol/L；a混凝剂投量，mmol/L；x原水碱度，按mmol/L，CaO计；保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.250.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通过试验决定。例题P2712.3水中悬浮物浓度的影响水中悬浮物浓度的影响 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：效果差。可采取的对策有：加高分子助凝剂；加高分子助凝剂；加粘土；加粘土；投加混凝剂后直接过滤。投加混凝剂后直接过滤。

32、如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。2-5混凝剂的配制与投加 混凝剂的投加有固投和液投，一般为液投。1.混凝剂的溶解和溶液配制 溶解池容积W1：（2-15）式中W2为溶液池容积。（2-16）式中：W2溶液池容积，m3；Q处理的水量，m3/h；a混凝剂最大投加量，mg/L；c溶液浓度，一般取5%20%；n每日调制次数，一般不超过3次。2.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

33、的水封箱以及注入设备等。2.1计量设备：计量与调节 计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。2.2投加方式 （1）泵前投加：安全可靠，一般适用取水泵房距水厂 较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见图。（2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远 者，安全可靠，但溶液池位置较高，见图。（3）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，但效率低，易磨损，见图。（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，见图。3.混凝剂投加量自动控制 混凝剂最佳投药量：是指达到既定水质目标的最小混凝剂投加量。但由于影响因素复杂，运行中水质、水量的不断

34、变化，使得 投加量达到最佳一直是研究的目标。一般水厂均是据实验室混凝 搅拌试验确定其最佳投量，然后对运行进行人工调节，虽简单，但滞后1-3小时，且条件的不同，也未必最佳。随着自动控制的普 及与实现，目前有如下三种自控投药方法。3.1数学模拟法 对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原水条件，水质仪表多，投资大。2.现场模拟试验法 采用现场模拟装置来确定和控制投药量是较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管沉淀器，过滤器或两者并用。原

35、水浊度低时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。3.特性参数法 影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体电位有正相关关系。混凝后胶体电位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。缺点是投药量与流动电流很少相关。透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化

36、，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。作业P286：1、32-6混合和絮凝设备1.混合设备：使药剂与水快速均匀地混合。1.1水泵混合 将药投加在水泵吸水口或吸水管上。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 合，两者间距不大于150m。1.2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 0.30.4m，简单易行，见下图。目前dmax可达2000mm。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

37、，流速为1.01.5m/s，混合时间23s。混合器节管长度不小于500mm。水头损失约0.30.4，直径在 N200DN1200，见下图。1.3 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7001000s-1，时间1030s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。2.絮凝设备 形式较多，分为水力搅拌式和机械搅拌式两大类。2.1隔板絮凝池：分往复式和回转式，见下页图。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0.30.5m，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

38、凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。隔板絮凝池的设计参数：流速：起端，末端段数：46段；转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；絮凝时间：2030min；隔板间距：净距不宜小于0.5m，池底应有0.020.03坡 度、直径不小于150mm的排泥管；廊道的最小宽度不小于0.5m；各段的水头损失：（2-17）总水头损失：（2-18）例题P279简讲2.2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。1）同波折板：折板波峰对波谷平行安装。2）异波折板：波峰相对安装。3）单通道：水流从两折板间依次流过。4）多通道：水流同时从多个折板间平行流过。与隔板式相比，水流条件

39、大大改善，可形成众多小旋涡，有效能量消耗比例提高，絮凝时间缩短（一般为10-15min），池子体积减小，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见下页图。折板分段数不少于3段，流速为：第一段：0.250.35m/s；第二段：0.150.25m/s；第三段：0.100.15m/s。2.3 机械絮凝池 机械絮凝池的剖面示意见图。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。新建水厂不见有，设计及计算自学。2.4穿孔旋流絮凝池 由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G值也相应减小以适

40、应絮凝体形成，孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图。穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。2.5网格、栅条絮凝池 网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见下页图。网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，少数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。其设

41、计参数见后页表。网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为1.02.5万m3/d之间。表2-1 栅条、网格絮凝池主要设计参数絮凝池型1絮凝池分段 栅条缝隙或网格孔眼尺寸（mm）板条宽度（mm）竖井平均流 速（m/s）过栅或过网流速（m/s）竖井之间孔洞流诉（m/s)栅条或间格构件布设层数（层）/层距（cm）絮凝时间（mm）流速梯度（s-1）栅条絮凝池 前段（安放密栅格）50500.120.140.250.30 0.300.20 16/60 35 70100 中段（安装疏栅条）80500.120.14 0.220.25 0.200.15

42、 8/60 35 4060 末段（不安放栅条）0.100.14 0.100.14 45 1020 网格絮凝池前段（安放密网格）808035 0.120.14 0.250.30 0.300.20 16/6070 35 70100 中段（安装疏网格）100100 35 0.120.14 0.220.35 0.200.15 16/6070 35 4050 末段（不安放网格）0.100.14 0.100.14 45 1020 2.6不同形式絮凝池组合应用 每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池

43、也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。作业P286：4、5第三章沉淀和澄清n3-1悬浮颗粒在静水中的沉淀n3-2平流沉淀池n3-3斜板（管）沉淀池n3-4澄清池3-1悬浮颗粒在静水中的沉淀n定义：水中悬浮颗粒依靠重力作用，从水中下沉而分 离出来的过程。n分类：按颗粒在沉淀过程中是否相互干扰分为：自由沉淀：单个颗粒在无边际水体中沉淀，其下沉的 过程颗粒互不干扰，且不受器皿壁的干扰，下沉过程 中颗粒的大小、形状、密度保持不变，经过一段时间 后，沉速也不变。拥挤沉淀：当水中含有的凝聚性颗粒或非凝聚性颗粒 的浓度增加到一定值后，大量颗粒在有限水体中下沉

44、时，被排斥的水便有一定的上升速度，使颗粒所受的 摩擦阻力增加，颗粒处于相互干扰状态，此过程称为 拥挤沉淀。1.悬浮颗粒在静水中的自由沉淀 假设沉淀的颗粒是球形。1）悬浮颗粒在静水中的下沉时受到三种力：a.受到的重力为：(2-1)b.所受到的水的浮力：(2-2)c.绕流阻力：(2-3)CD与颗粒大小、形状、Re有关，见下图16-1。2）根据牛顿第二定律可知：(2-4)3）颗粒最终的下沉速度（u）达到重力平衡时，颗粒开始等速下沉，加速度为 零，令式（2-4）右边为零，得沉速公式：（2-5）a.斯笃克斯公式 当Re1时，呈层流状态，得：b.牛顿公式 当1000Re25000时，呈紊流状态，CD0.4

45、，得：c.阿兰公式 当1Re1000时，属于过渡区，2-62-72-82.悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀 当大量颗粒在有限的水体中下沉时，被拥挤的水便有一定的上升速度，使所受阻力增加，颗粒处于相互干扰状态，此时的沉速称为拥挤沉速。拥挤沉速可用实验方法测定。1）沉降过程分析 将高浊度水注入一透明沉淀筒中进行静水沉淀。Ti时刻（如图），整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。2）沉淀过程中交界面沉降曲线分析3）不同高度沉淀筒沉降相似性 当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面沉降过程曲线的相似性（见图7-3）。3-2平流沉淀池 被广泛应用的用以沉淀分离絮凝体，以完成澄清 作用。出水

46、浊度一般控制在10NTU以下。平流式沉淀池 的基本组成（P293图16-4 即下页图）：进水区、沉淀 区、污泥区、出水区。为便于讨论，从理想沉淀池入手。理想沉淀池的基本假设：颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相 等，并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到池底就被认为去除，不再返回水流中。理想沉淀池的工作情况见下图7-4。1.非凝聚性颗粒的沉淀过程分析1.1不同沉速下的颗粒沉降轨迹与去除 图中直线:I、II、III的分析。1.2 截留沉速(u0)、表面负荷或溢流率（Q/A）1）截留沉速(u0)：反映了沉淀池所能全部去除颗粒中的 最小颗粒的沉淀速度，

47、即直线III颗粒的沉淀速度。即uu0的颗粒均能去除（直线I）；而uu0的 颗粒则只能部分去除（直线II），会随水流流出。沉淀池水平流速为：对用直线代表的一类颗粒而言，流速和沉速 都与沉淀时间有关 2-92-10整理得：2）表面负荷或溢流率（Q/A）式2-11中Q/A称为“表面负荷”或“溢流率”，即单位面积上所通过的流量。该式表明表面负荷在数值上等于截留速度，但含义不同。作业P314：12-11一般一般一般一般1.3 沉淀效率或去除率(E)uu0的颗粒将全部能下沉而去除（直线I及以下），只有uu0的颗粒只能部分去除。1）设原水中沉速为ui（uiuo的均已去除，即1-p0，而剩余部分则 为阴影部分

48、的积分值：通过P295例题加以说明。2-162.凝聚性颗粒的沉淀实验分析2.1沉淀实验装置 采取图7-7的沉淀试验筒，筒长尽量接近实际沉淀池的深度，可采用23m，直径不小于100mm，设56个取样口。试验时先均匀搅拌测定初始浓度，然后开始试验。2.2试验测定 试验开始后，每隔一段时间，同时取出各取样口的水测定悬浮物的浓度，计算相应的去除百分数，由此可得一群数据。2.3去除百分数等值线 以沉淀筒高度h为纵坐标，沉淀时间t为横坐标，将其对应的P值标在交汇点上，把去除百分比相同的各点连成光滑曲线，即得去除百分数等值线。去除百分数等值线含义：a.对应所指明去除百分数时，取出水样中不复存在的颗粒的最远沉

49、 降途径；b.深度与时间的比值指明去除百分数时的颗粒的最小平均沉速或代 表了不同时段试验筒所处沉淀池沿水流方向的位置处的去除率。2.4去除率或去除百分数计算 对于某一表面负荷而言，根据凝聚性颗粒去除百分数等值线，可以得出总的去除百分数（u0=h0/t）：2-172-182-19例题：P298两点说明：1）该图中各点相当于平行沉淀池水流方向纵断面上各水深处的颗粒浓度分布图（去除率高的则浓度低）。2）与前述平流沉淀池中颗粒沉降轨迹中不同水深处的颗粒去除相同，即上部入口的虽不去除，但下部入口处的却会去除，故其计算“基本”相同。作业P314：2、33.平流沉淀池的基本结构 平流式沉淀池分为进水区、沉淀

50、区、存泥区、出水区四部分。1)进水区 进水区的作用是使流量均匀分布在进水截面上，尽量减少扰动。一般做法是使水流从絮凝池直接流入沉淀池，通过穿孔墙将水流均匀分布在沉淀池的整个断面上，见下页图。为使矾花不宜破碎，通常采用穿孔花墙 V4,L/H10，每格宽度应在38m不宜大于15m。3)出水区 通常采用：溢流堰（施工难），淹没孔口（容易找平）见图7-10。孔口流速宜为0.60.7m/s，孔径2030mm，孔口在水面下15cm，水流应自由跌落到出水渠。为了不使流线过于集中，应尽量增加出水堰的长度，降低流量负荷。堰口溢流率一般小于500 m3/m.d，目前我国增加堰长的办法如图。4)存泥区及排泥措施 泥