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第二章 水的混凝 (Coagulation and Flocculation)

第二章 水的混凝 (Coagulation and Flocculation). 第 1 节 混凝的去除对象 第 2 节 胶体的性质 第 3 节 水的混凝机理与过程 第 4 节 混凝剂与助凝剂 第 5 节 混凝动力学 第 6 节 混凝影响因素 第 7 节 混凝设备 第 8 节 混凝的应用. 第 1 节 混凝的去除对象. 混凝去除对象： 胶体及部分细小的悬浮物 尺寸范围： 1nm~0.1  m （有时认为在 1  m ） 水处理中主要杂质： 粘土（ 50nm-4  m ）

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第二章 水的混凝 (Coagulation and Flocculation)

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Presentation Transcript

  1. 第二章 水的混凝 (Coagulation and Flocculation)

  2. 第1节 混凝的去除对象 第2节 胶体的性质 第3节 水的混凝机理与过程 第4节 混凝剂与助凝剂 第5节 混凝动力学 第6节 混凝影响因素 第7节 混凝设备 第8节 混凝的应用

  3. 第1节 混凝的去除对象

  4. 混凝去除对象：胶体及部分细小的悬浮物 • 尺寸范围：1nm~0.1m（有时认为在1m） • 水处理中主要杂质：粘土（50nm-4 m） • 细菌（0.2m-80m） • 病毒 (10nm-300nm) • 蛋白质（1nm-50nm） • 腐殖酸

  5. 废水深度处理： 二级生物处理出水 混凝沉淀 过滤 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花,以便在后续沉淀工艺中去除。 以地面水为水源的给水处理工艺： 原水  混凝  沉淀  过滤  消毒 饮用水

  6. 3.胶体与混凝剂的相互作用 混凝过程： 1637年我国开始使用明矾净水 1884年西方才开始使用 1.胶体性质 2.混凝剂在水中溶解与形态

  7. 第2节 胶体的性质

  8. 1 微米的颗粒沉淀10 厘米需要20小时。 一、胶体的稳定性 • 动力学稳定性：布朗运动对抗重力 • 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）

  9. 憎水胶体 ：吸附层中离子直接与胶核接触，水分子不直接接触胶核的胶体。 亲水胶体 ：胶体微粒直接吸附水分子。 极性集团：－OH，－COOH，－NH2

  10. 吸附层 电位形成离子 异号电荷 动电位 二、胶体双电层结构 扩散层 粘土=-15~-40mV 细菌=-30~-70mV

  11. 三、DLVO理论 Emax（势垒） x>oa 稳定 x>oc 二次凝聚 x<oa 一次凝聚 静电斥力：ER－1/x2 范德华引力：EA－1/x6（有些认为是1/x2或1/x3） ER E 布朗运动能量 Eb＝1.5kT<Emax EA

  12. DLVO理论 只适用于憎水性胶体 苏联（1938年）：德加根（Derjaguin） 兰道（Landon） 荷兰（1941年）：伏维（Verwey） 奥贝克（Overbeek）

  13. 加入电解质 只适用于憎水性胶体 胶体的凝聚： 脱稳 凝聚 降低静电斥力 电位 势垒

  14. 第3节 水的混凝机理与过程

  15. 硫酸铝Al2(SO4)318H2O [Al(H2O)6]3+ 一、硫酸铝在水中的化学反应 硫酸铝：使用历史最久的混凝剂，作用机理具有代表性。 6个配位水分子(八面体) 水解过程 （配位水分子）： [Al(H2O)6]3+[Al(OH)(H2O)5]2++ H+ …价数，pH ，最终产生Al(OH)3沉淀。

  16. 水解需要的碱度： H+ + OH- H2O H+ + HCO3- CO2+ H2O • 水中碱度不足时，投加石灰。 • CaO + H2O  Ca(OH)2 • 石灰投加量： • [CaO]=3[a]-[x]+[] • [CaO]：纯石灰投加量, mmol/L • [a]：混凝剂投量，mmol/L； • [x]：原水碱度, mmol/L • []：保证反应顺利进行的剩余碱度， • 一般取0.25-0.5mmol/L

  17. 2[Al(OH)(H2O)5]2+ [(H2O)4Al Al(H2O)4]4++ 2H2O OH OH 缩聚反应 ： 两个相邻－OH－发生架桥，产生高价聚合离子 …电荷升高，聚合度增大

  18. 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。

  19. Coagulation 凝聚（ ）： 胶体脱稳、凝聚 Flocculation 絮凝（ ）： 脱稳胶体变大 混凝：包括两者 在水与废水中 在水与废水中 胶体化学 胶体化学 体系复杂 体系复杂 单一体系 单一体系 （大小、成份） （大小、成份） 二、水的混凝机理

  20. 1．压缩双电层理论 根据DLVO理论 • 电解质（混凝剂）加入 •  与反离子同电荷离子 • 压缩双电层 • 电位 • 稳定性 • 凝聚

  21. 临界电位 理论上电位＝0，等电状态效果最好 实际只需电位 k  Emax  0 • 很好地解释港湾处的沉积现象。 • 叔采－哈代（Schulze-Hardy）法则: 凝聚能力离子价数6 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。

  22. 异号聚合离子 高分子 + + ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 胶粒 2.吸附-电性中和作用机理 范德华力、氢键及共价键力

  23. 3．吸附架桥机理（链状高分子聚合物） 使小胶体变大 （絮凝） “胶体保护” 再稳现象 4.网捕或卷扫机理 金属氢氧化物沉淀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 在实际水处理过程中，往往是四种机理综合作用。 目前仅限于定性描述，有关定量研究近年也已开始。

  24. 铝盐可能的混凝机理 pH<3 简单水合铝离子压缩双电层 pH=4－5 多核羟基络合物吸附电中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物吸附电中和 氢氧化铝起吸附架桥、网捕 天然水体一般pH=6.5-7.8

  25. 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 胶体电位――胶体脱稳――脱稳胶体凝聚――生长成d=10的小矾花（Floc） 特点：剧烈搅拌，使混凝剂快速分散 在混合设备中完成

  26. 2. 絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架桥 脱稳胶粒 生长成大矾花(Floc) （可以通过沉淀去除）d=0.6-1.2mm 特点：需要一定时间使矾花长大，搅拌从强弱 在絮凝设备中完成

  27. 第4节 混凝剂和助凝剂

  28. 一、混凝剂(Coagulant) 无机混凝剂 铁盐形成的絮体比铝盐絮体密实，但腐蚀性强，有颜色。

  29. 聚合氯化铝 PAC：[Al2(OH)nCl6-n]m • m：聚合度，10 • B （碱化度）＝[OH]/3[Al] ×100%（50-80%） • 事先已水解聚合，有效成份多，投加量少。 • 对pH变化适应性强。 • 机理： • 吸附电中和与吸附架桥协同作用

  30. 铝聚合物形态对混凝的影响？ • “六元环”结构模型（最稳定结构）：6个6配位八面体的铝原子的结构—— Al6(OH)12(H2O)126+ • “Al13”结构模型：12个6配位八面体的铝原子围绕1个4配位的铝原子。一般认为Al13是PAC中最佳的凝聚－絮凝成份，其含量反映了产品的品质。

  31. 有机混凝剂 ------通常起絮凝剂作用 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） • 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM） • 聚氧化乙烯（PEO） • 两性型 天然： • 淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等 • 微生物絮凝剂

  32. 非离子型：聚丙烯酰胺（PAM） [ ]n －CH2－CH－ CONH2 pH>10条件下水解 COO－ 阴离子型（HPAM） 水解度：30－40％ 聚合度：20000～90000 分子量：150万～600万 对胶体表面具有强烈吸附作用。 有机高分子单体的毒性问题。 有些国家严格规定不得超过0.05%。

  33. 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） 传统无机约占20%，无机聚合物占70%，有机约占10%。

  34. 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 高分子絮凝剂： 阳离子有机化合物 天然改性高分子：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

  35. 二、助凝剂（结合混凝实验自学） • 酸碱类：如石灰、硫酸等 • 加大矾花粒度和结实性：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

  36. 第5节 混凝动力学

  37. 3.胶体与混凝剂的相互作用 混凝过程： 1.胶体性质 2.混凝剂在水中溶解与形态

  38. 凝聚速度 ：只与颗粒浓度有关，与颗粒尺寸无关。 碰撞是混凝的首要条件 一、异向絮凝 (perikinetic flocculation) 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/(3) KTn2 n：颗粒数量浓度 ：运动粘度 T: 温度 粒径大于1m，布朗运动消失。

  39. 二、同向絮凝(orthokinetic flocculation) 由水力或机械搅拌产生 最初的理论基于层流的假定。 碰撞速率N0＝4/3 n2 d3G d：颗粒粒径 ； n：颗粒数量浓度 G＝U/Z (速度梯度，velocity gradient, 1/s) （相邻两流层的速度增量）

  40. G可由单位体积水流所耗功率p来计算： p＝G p：单位体积流体所耗功率，W/m3 ：剪切应力 按照牛顿定律 ＝G (1943年发明的，甘布公式) ：动力粘度，Pa s

  41. 水力搅拌时 p由水流本身能量消耗提供 pV＝gQh ：密度, kg/m3 g：重力加速度,9.8m/s2 h：水头损失（m） Q：流量 V：水流体积＝QT T：水力停留时间（s） 也称为甘布公式 ：运动粘度= /，m2/s

  42. 微涡旋理论 能量传递 …… 大涡旋 小涡旋 使颗粒整体移动 强度不足以推动颗粒碰撞 外部施加能量 但存在问题： 1) 层流假设基于紊流理论的颗粒碰撞机率计算？ 水的粘性影响增强，从而产生能量耗散。 与颗粒尺度相当的涡旋才会引起碰撞

  43. 由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞由于小涡旋也是做无规则的脉动，参考类似异向絮凝中布朗扩散造成的颗粒碰撞 紊流条件下颗粒碰撞速率： N0＝8dDn2 D：紊流扩散系数和布朗扩散系数之和 但在紊流中，布朗扩散紊流扩散 故，D＝ u  ：涡旋尺度 u ：相应的脉动速度

  44. G＝(p/)1/2 设涡旋尺度＝颗粒直径d 根据流体力学，计算脉动速度u ，则： G＝(/)1/2 ：单位时间、单位体积流体的有效能耗

  45. 2) 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 。

  46. 混合设备 絮凝设备 三、混凝控制指标 凝聚 絮凝 用G可以来判断混合和絮凝的程度 混合（凝聚）过程 (Mixing): 剧烈搅拌分散药剂 时间通常在10～30s，一般<2min G＝700－1000s-1，

  47. 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校核GT或者平均G 最近提出GTC指标（建议值100），C：颗粒浓度 有关混凝动力学指标还需进一步研究。

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