【清华大学】水环境处理讲义 NO 3

省部重点实验室

2012/01/06

私聊

水质检测

第三章混凝
第1节混凝的去除对象

混凝可去除的颗粒大小是胶体及部分细小的悬浮物，是一种化学方法。

范围在：1nm~0.1mm（有时认为在1mm）

混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。

水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 mm）

细菌（0.2mm-80mm）

病毒（10nm-300nm）

蛋白质（1nm-50nm）、腐殖酸

混凝过程涉及到三个方面的问题：水中胶体的性质

混凝剂在水中的水解与形态

胶体与混凝剂的相互作用

第2节胶体的性质

一、胶体的稳定性

1．动力学稳定性：布朗运动对抗重力。

2．聚集稳定性：胶体带电相斥（憎水性胶体）

水化膜的阻碍（亲水性胶体）

两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。

二、胶体的双电层结构

动电位z电位：决定了胶体的聚集稳定性

一般粘土z电位＝-15~-40mV

细菌z电位＝-30~-70mV

三、DLVO理论

胶体的稳定性和凝聚可由两胶粒间的相互作用和距离来评价。由下列两方面的力决定：

静电斥力：E_R－1/d²

范德华引力：E_A－1/d⁶（有些认为是1/d²或1/d³）

由此可画出两者的综合作用图。

另一方面，胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT

k：波兹曼常数，T：温度

Eb（势垒）

胶体距离x凝聚（一次凝聚）

x>oa，稳定（二次凝聚除外）

以上称为DLVO理论。只适用于憎水性胶体。

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）

胶体的凝聚：

降低静电斥力――z电位¯――势垒¯――脱稳――凝聚

办法：加入电解质，但只适用于憎水性胶体

第3节水的混凝机理与过程

一、铝盐在水中的化学反应

铝盐最有代表的是硫酸铝Al₂(SO₄)₃×18H₂O，溶于水后，立即离解铝离子，通常是以[Al(H₂O)₆]³⁺存在。在水中，会发生下列过程。

1．水解过程

配位水分子发生水解：

[Al(H₂O)₆]³⁺――[Al(OH)(H₂O)₅]²⁺+ H⁺

…….

其结果是：价数降低，pH降低，最终产生――Al(OH)₃沉淀

2．缩聚反应

－OH－发生架桥，产生高价聚合离子（多核羟基络合物）

……..

其结果是：电荷升高，聚合度增大

同时多核羟基络合物还会继续水解。

因此，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

各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关。

二、混凝机理

水的混凝现象比较复杂。至今尚未有统一认识。

凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ）

混凝：包括两者

1．压缩双电层

根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。

电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双电层――z电位¯――稳定性¯――凝聚

叔采－哈代法则可以适用，即：凝聚能力µ离子价数⁶

但该理论不能解释：1）混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；

2）与胶粒带同样电号的聚合物或高分子混凝效果好。

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z电位。

3．吸附架桥

指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥

高分子投量过少，不足以形成吸附架桥，但投加过多，会出现“胶体保护”现象。

4．网捕或卷扫

金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕

小胶粒与大矾花发生接触凝聚

―――澄清池中发生的现象

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第1楼2012/01/06

三、混凝过程

1．凝聚（coagulation）

带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和――z电位¯――脱稳――凝聚，生长成约d=10m

特点：剧烈搅拌，瞬间完成

®®在混合设备中完成

2．絮凝（flocculation）

高聚合物的吸附架桥

脱稳胶粒――生长成大矾花d=0.6-1.2mm

特点：需要一定时间，搅拌从强®弱

®®在絮凝中设备完成

第4节混凝剂和助凝剂

一、混凝剂

种类有不少于200－300种。

分类：

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
无机	铁系	三氯化铁硫酸亚铁硫酸铁（国内生产少）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	国外开始增多，国内尚少
		阴离子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）
		非离子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）
		两性型：	使用极少
	天然	淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等
	天然	微生物絮凝剂

发展方向：

无机复合聚合物混凝剂：聚合硫酸铝铁（PFAS）、聚合氯化铝铁（PFAC）、聚合硫酸氯化铁（PFSC）、聚合硫酸氯化铝（PASC）、聚合铝硅（PASi）、聚合铁硅（PFSi）、聚合硅酸铝（PSA）、聚合硅酸铁（PSF）

无机－有机复合：聚合铝/铁-聚丙烯酰胺、聚合铝/铁-甲壳素、聚合铝/铁-天然有机高分子、聚合铝/铁-其它合成有机高分子

有机高分子絮凝剂：阳离子有机化合物

天然改性高分子絮凝剂：无毒易降解，如甲壳素等

多功能絮凝剂：絮凝、缓蚀阻垢、杀菌灭藻

微生物絮凝剂

二、助凝剂

可以参加混凝，也可不参加混凝。

1．酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等

2．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

3．氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等

第5节混凝动力学

一、异向絮凝

由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段。

颗粒的碰撞速率 Np＝8/(3nr) KTn²

n：颗粒数量浓度

n：运动粘度

凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。

当颗粒的粒径大于1mm，布朗运动消失。

二、同向絮凝

由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。

碰撞速率N₀＝4/3 n² d² G

d：颗粒粒径

G＝DU/DZ(速度梯度)（相邻两流层的速度增量）

可由水流所耗功率p来计算。

p＝tG t：剪切应力

p：单位体积流体所耗功率，W/m³

按照牛顿定律 t＝mG

(1/s) (1943年发明的理论，甘布公式)

m：动力粘度，Pa s

p：水流所耗功率，W/m³

水力搅拌时 pV＝rgQh（由水流本身能量消耗提供）

水流体积V＝QT

n：运动粘度，m²/s

h：水头损失，m

T：水流在混凝设备中的停留时间

但存在问题：

层流假设®基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？

微涡旋理论

G增加®碰撞机率增加®絮凝效果增加

但破碎程度也增加。

此现象尚未很好从理论上得到描述。

三、混凝控制指标

用G可以来判断混合和絮凝的程度：

混合（凝聚）过程：G＝700－1000s^-1，但剧烈搅拌是为尽快分散药剂

时间通常在10～30s，一般<2min

絮凝过程：不仅与G有关，还与时间有关。

平均G＝20－70s^-1， GT＝1～10⁴－10⁵

实际设计，采用V和T，反过来校核GT或者平均G

最近采用：GTC（建议值100），C：颗粒浓度

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第2楼2012/01/06

第6节混凝影响因素

一、水温

低温，混凝效果差，原因是：

1）无机盐水解吸热

2）温度降低，粘度升高――布朗运动减弱

3）胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚

二、pH及碱度

视混凝剂品种而异。

无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。

根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。

需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加石灰。

三、水中杂质浓度

杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。

对策：1）加高分子助凝剂

2）加粘土

3）投加混凝剂后直接过滤

第7节混凝设备

一、混凝剂的配制与投配

一般采用液体投加的方式。

1．投配流程：

药剂－溶解池－溶液池－计量设备－投加设备－混合设备－

2．剂量与投加方式

计量：流量计（转子、电磁）、孔口、计量泵

投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加

3．投加量自动控制

最佳投加量：既定水质目标的最小混凝剂投加量

一般采用混凝搅拌试验，确定最佳混凝剂投加量，然后进行人工调节。

自动控制方法：数学模型法：需要大量的生产数据、涉及仪表多

现场模拟试验法：根据试验结果反馈到投药，仍有一定滞后。

流动电流检测器（SCD）：流动电流是指胶体扩散层中反离子在外来作用下随流体流动而产生的电流。

絮凝监测器：利用光电原理检测水中絮凝颗粒变化

二、混合设备

水泵混合：投药投加在水泵吸水口或管上。

管式混合：管式静态混合器、扩散混合器，混合时间2－3秒

在线混合：

机械混合：搅拌

三、絮凝设备

¨隔板絮凝池：由往复式和回转式两种

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。

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

设计参数：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s

段数：4－6段

絮凝时间：20－30分

隔板间距：不大于0.5m

¨折板絮凝池：通常采用竖流式，与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，絮凝时间10－15分

但安装维修较困难，折板费用较高

¨机械絮凝池：

浆板式和叶轮式

水平轴式和垂直轴式

调节容易，效果好，大、中、小水厂均可

但维修是问题。

¨穿孔旋流

¨不同形式的组合

第8节混凝的应用

一、给水处理

以地面水为水源时，去除浊度和细菌。

经混凝沉淀后一般浊度小于10度

二、废水处理

1．工业废水：用于处理一些特殊的废水，脱色、去除悬浮物等

¨印染废水处理：适用于含颜料、分散染料、水溶性分子量较大的等染料废水处理。

混凝剂的选择与染料种类有关，需做混凝试验。

可以单独用无机混凝剂，也可和有机高分子絮凝剂联用。

例：某针织厂废水TOC为50－60mg/L，pH值为7.5。

采用PAC混凝剂，投加量为140mg/L时，TOC去除率为68％。

¨含油废水处理：乳化油颗粒小、表面带电荷，加混凝剂，压缩双电层。

通常采用混凝气浮工艺。

例：兰州炼油厂废水加PAC采用二级气浮

原水含油50-100mg/L

投加PAC50mg/L一级气浮出水，油20－30mg/L

PAC30mg/L二级气浮出水，油15－20mg/L

¨肉类加工厂废水处理：

例：某肉类加工厂屠宰废水COD为670mg/L，用聚合硫酸铁处理后，COD去除率在77％以上。

混凝优点：上马快、投资省、效果好，但运转费高，沉渣多

2．废水深度处理与回用

如：1）加利福尼亚州橘子县21世纪水厂再生水回灌地下

化学澄清

汽提

中和

过滤

活性炭

消毒

反渗透

煅烧

生化处理出水

石灰

沉渣

空气

CO₂

回灌地下

37850m³/d

18925m³/d

56775m³/d

2）南非纳米比亚的首都温德和克：

世界上第一座将城市污水再生水直接用作饮用水源

3．改善污泥脱水性能