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1、 6.1.2 水中胶体的稳定性胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。聚集稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；水化膜的阻碍（亲水性胶体）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图6-1。滑动面上的电位：称为 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。第1页/共66页 第2页/共66页 6.1.3 DLVO理论 胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静
2、电斥力与范德华引力产生。排斥势能：ER1/d2 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。胶体的布朗运动能量Eb1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（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）。第3页/共66页 第4页/共66页 6.1.4
3、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，见图6-3 第5页/共66页 第6页/共66页 6.1.5 混凝机理 1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，见图6-4。（1）压缩双电层 加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使电位降低，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
4、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；与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。第7页/共66页 第8页/共66页 （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。2吸附架桥 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6-5。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
5、，见图6-6；第9页/共66页 3网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。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。第10页/共66页 6.1.6 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；第11页/共66页62 混凝剂和助凝剂 6.2.1 混凝剂 混凝剂应符合以下要求：混凝效果好；对人体无危害；使用方便；货源充足，价格
6、低廉。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，见表6-1。与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：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。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。第12页/共66页 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的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算：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。第13页/共66页 表6-1 常用的混凝剂无无无无机机机机铝系
7、铝系铝系铝系 硫酸铝硫酸铝硫酸铝硫酸铝明矾明矾明矾明矾聚合氯化铝（聚合氯化铝（聚合氯化铝（聚合氯化铝（PACPAC）聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（聚合硫酸铝（PASPAS）适宜适宜适宜适宜pHpH：5.58 5.58 铁系铁系铁系铁系 三氯化铁三氯化铁三氯化铁三氯化铁硫酸亚铁硫酸亚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）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硫酸铁聚合硫酸铁聚合氯化铁聚合氯化铁聚合氯化铁聚合氯化铁 适宜适宜适宜适宜pHpH：511511，但腐蚀，但腐蚀，但腐蚀，但腐蚀性强性强性强性强 有有有有机机机机 人工人工人工人工合成合成合
8、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，国内尚国外开始增多，国内尚国外开始增多，国内尚国外开始增多，国内尚少少少少 阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAMHPAM）非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（非离子型：聚丙烯酰胺（PAMPAM），聚氧化乙烯），聚氧化乙烯），聚氧化乙烯），聚氧化乙烯（PEOPEO）两性型：两性型：两性型：两性型：使用极少使用极少使用极少使用极少 天然天然天然
9、天然 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等淀粉、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微生物絮凝剂微生物絮凝剂 第14页/共66页 6.2.2 助凝剂助凝剂：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。第15页/共66页63 凝聚动力学6.3.1 基本概念 混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力
10、学范畴。颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；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 第16页/共66页 6.3.2 异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按下式计算：(6-1)式中：DB：布朗运动扩散系数，T为温度，为水的运动粘度，为水的密度；因此：(6-2)故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1 m，布朗运动消失。第17页/共66页 6.3.3 同向絮凝 1.层流理论 层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。颗粒的碰撞速率按下式计算：(6-3)
11、在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体，见图6-8。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为：(6-4)第18页/共66页 转矩 为：(6-5)于是单位体积水所耗功率p为：(6-6)由于 ，故 (6-7)第19页/共66页 当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定：(6-8)则采用水力絮凝池时，(6-9)第20页/共66页 第21页/共66页 2.同向紊流理论 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不涡旋；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；（6-10）式中，紊
12、流扩散系数 ，为相应于尺度的脉动速度，为（6-11）故（6-12）第22页/共66页 3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）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散药剂，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，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G
13、2070s-1，GT1104105 随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。第23页/共66页6.4 影响水混凝的主要因素6.4.1 概述 影响混凝效果的因素比较复杂，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。第24页/共66页 6.4.2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值有关第25页/共66页 6.4.3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。
14、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+（6-13）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。第26页/共66页 6.4.4水中悬浮物浓度的影响 杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：加高分子助凝剂；加粘土 投加混凝剂后直接过滤 如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的
15、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。第27页/共66页65 混凝剂的配制与投加 6.5.1 混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积W1：W1=（0.20.3）W2 （6-14）式中W2为溶液池容积。（6-15）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次第28页/共66页 6.5.2 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；苗嘴；计量泵等。2.投加方式 （1）泵前投加：安
16、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6-9。（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6-10。（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6-11。（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6-12。第29页/共66页 第30页/共66页 第31页/共66页 第32页/共66页第33页/共66页第34页/共66页第35页/共66页6.5.3 混凝剂投加量自动控制 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
17、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。第36页/共66页 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。第37页/共66页 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
18、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。第38页/共66页 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，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。第39页/共66页66 混凝设备 6.6.1 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
19、厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。第40页/共66页 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，见图6-13。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1.01.5m/s，混合时间23s。节管长度不小于500mm。水头损失约0.30.4，直径在DN200DN1200，见图6-14。第41页/共66页 第42页/共66页第43页/共66页 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7001000
20、s-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。第44页/共66页 6.6.2 絮凝设备 1.隔板絮凝池 隔板絮凝池分往复式和回转式，见图6-15与图6-16。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，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。隔板絮凝池的设计参数：第45页/共66页 流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s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
21、距：不大于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 ，总水头损失第46页/共66页 第47页/共66页第48页/共66页第49页/共66页 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。其示意图见图6-17与图6-18。第50页/共66页 第51页/共66页 第52页/共66页 3 机械絮凝池 机械絮凝池的剖面示意见图6-19。搅拌器有浆板式和
22、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。第53页/共66页 第54页/共66页第55页/共66页（1）功率计算 水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在dA微面积上水流阻力（6-15）阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：（6-16）式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速 度，为旋转半径 因此 （6-17）第56页/共66页 第块桨板克服水的阻力所耗功率：（6-18）设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，则每根旋转轴全部桨板所耗功率：（6-19）每根旋转轴所需电动机功率：（6-20）第57
23、页/共66页 （2）设计参数 絮凝时间1015分。池内一般设34挡搅拌机。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。桨板总面积宜为水流截面积的1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。（3）优缺点 机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。第58页/共66页 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也相应减小以适应絮凝体形成，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6-
24、20。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。第59页/共66页 第60页/共66页 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）絮凝池的示意图见图6-21。第61页/共66页 第62页/共66页 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，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。其设计参数见表6-2第63页/共66页表6-2 栅
25、条、网格絮凝池主要设计参数 絮絮凝凝池池型型1 1絮凝池分段絮凝池分段 栅条缝隙或网栅条缝隙或网格孔眼尺寸格孔眼尺寸（mmmm）板条板条宽度宽度（mmmm）竖井平均竖井平均流流 速速（m/sm/s）过栅或过过栅或过网流速网流速（m/sm/s）竖井之间竖井之间孔洞流诉孔洞流诉（m/s)m/s)栅条或间格栅条或间格构件布设层构件布设层数（层）数（层）/层距（层距（cmcm）絮凝时间（絮凝时间（mm mm）流速梯度流速梯度（s-1s-1）栅栅条条絮絮凝凝池池 前段前段（安放（安放密栅格）密栅格）505050500.120.120.140.140.250.250.30 0.30 0.300.300.2
26、0 0.20 16/60 16/60 3 35 5 7070100 100 中段中段（安装（安装疏栅条）疏栅条）808050500.120.120.14 0.14 0.220.220.25 0.25 0.200.200.15 0.15 8/60 8/60 3 35 5 404060 60 末段末段（不安（不安放栅条）放栅条）0.100.100.14 0.14 0.100.100.14 0.14 4 45 5 101020 20 网网格格絮絮凝凝池池前段前段（安放密（安放密网格）网格）8080808035 35 0.120.120.14 0.14 0.250.250.30 0.30 0.300.
27、300.20 0.20 16/6016/6070 70 3 35 5 7070100 100 中段中段（安装（安装疏网格）疏网格）100100 100100 35 35 0.120.120.14 0.14 0.220.220.35 0.35 0.200.200.15 0.15 16/6016/6070 70 3 35 5 404050 50 末段末段（不安（不安放网格）放网格）0.100.100.14 0.14 0.100.100.14 0.14 4 45 5 101020 20 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。第64页/共66页 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。第65页/共66页谢谢您的观看！第66页/共66页