第三章--混凝沉淀及澄清之一.doc

第三章 混凝、沉淀和澄清
第一节 混凝机理
水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉淀方可去除。
混凝：水中胶体及微小悬浮物的聚集过程。包括凝聚和絮凝。
凝聚：水中胶体失去稳定性的过程。
絮凝：脱稳胶体相互聚结成大颗粒絮体的过程。这两过程很难分开。
混凝用途：生活饮用水处理、工业废水处理、城市污水三级处理、污泥处理等。
一、 胶体的稳定性
指胶体colloid粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。原因：
（一）动力学稳定性（沉降稳定性）－布朗运动使胶体处于稳定状态不下沉。
布朗运动对抗重力的影响大。
（二）聚集（凝聚）稳定性
指由于静电斥力（同性电荷）和水化膜作用不能接近相互聚集变大。
1． 胶团的基本形态
胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒），表面吸附了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反离子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散力。
吸附层Stern layer（随胶核一起运动）―― 靠近胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密
扩散层Diffuse layer（大部分运动时被甩掉，甩掉后剩下的面，叫滑动面）―― 离胶核远，反离子浓度小，结合松散。
结构式：
胶核＋吸附层＋扩散层
胶粒
胶团
2． ψ电位Potential：胶核表面上的离子和反离子之间形成的总电位
ξ电位：胶体滑动面上的电位，称作动电位
带负（正）电荷charge的胶核表面与扩散于溶液中的正（负）电荷离子正好电性中和，构成双电层结构The electrical double layer。
ξ越大，扩散层越厚，胶体颗粒斥力大，稳定性强。
3． 颗粒间相互作用力有
（1） 静电斥力the force of repulsion－排斥势能
（2） 范德华力van der Waals force of attraction－吸引势能
4.水化膜作用
二、 混凝机理
1．压缩双电层
2．吸附－电中和Adsorption-charge neutralization
3．吸附架桥Polymer bridge formation
4． 沉淀物网捕或卷扫
三、 铝盐和铁盐的混凝特性
（一）铝盐和铁盐的水解过程
1. 铝盐的水解过程
Al2(SO4)318H2O溶于水中，立即离解出铝离子，且常以[Al(H2O)6]3+水会形态存在。Al3+（略去配位水分子）经过水解、聚合或配合反应可形成多种物质。
Al3+→Al(OH)3 中间产物受PH、水温、投加量等限制。

2. 铁盐的水解过程

（二）铝盐和铁盐的混凝特性
PH＜3 铝以[Al(H2O)6]3+形态为主（主要是压缩双电层）
PH＝4.5~6.0 多核羟基配合物为主（吸附电中和）
PH＝7.0~7.5 中性氢氧化铝聚合物[Al(OH)3]n为主（吸附架桥）
PH＞8.5 络合阴离子[Al(OH)4]-
铝盐投加量超过一定限度，会出现胶体保护（脱稳颗粒变号、被包卷），重新稳定。
继续增大，超过Al(OH)3溶解度而产生大量沉淀物，起网捕作用。
第二节 混凝剂、助凝剂和影响混凝的因素
一、混凝剂和助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂：起主要作用
助凝剂：本身可起也可不起凝聚作用，与混凝剂一起能促进水的混凝，改善絮凝体条件。如污染水，胶体表面有一层有机保护膜（表面性能变化），可加氧化剂破坏保护膜，帮助混凝。
（一）混凝剂
1． 硫酸铝
室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。
不宜低温低浊水。
2． 氯化铁
腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮凝体密实，沉淀性能好。
对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
3． 硫酸亚铁
绿色，易溶。只能离解出Fe2+生成简单的单核络合物，效果比Fe3+差。
不能除色，Fe2+与腐植酸反应生成颜色更深的物质，色度更难去除。
4． PAC
用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。
混凝效果好。
5． PAM
非离子型聚合物。
适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。
（二）助凝剂
1． 调节或改善混凝条件
包括碱和氧化剂
2． 改善絮体结构－增加重量
二、影响混凝效果的主要影响因素
（一）水温
低温水絮凝体形成慢、细小松散，原因：
1． 无机盐水解是吸热反应，水解困难。
2． 水温下降，水的粘度大，布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶体凝聚。
同时，水流剪力增大，影响絮凝体成长。
3． 水温下降，胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚。
常用方法：增加混凝剂投量；
投加高分子助凝剂。
（二）水的pH值和碱度
1． 水的pH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态，混凝机理不同，对混凝影响较大。
2． 每一种混凝剂都有各自的pH值最优范围。
3． 碱度能保持水解反应顺利进行。对pH值起缓冲作用。
（三）水中悬浮物浓度
1． 浓度低
颗粒碰撞几率减小，混凝效果差。为提高混凝效果，常用措施：
（1）投加铝（铁）盐同时，投加高分子助凝剂，通过吸附架桥作用，使絮体尺寸密度增大。
（2）投加矿物颗粒
（3）采用直接过滤法
原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。
2． 高浓度
铝盐和铁盐投加量增大。为减少混凝剂投加量，常加高分子助凝剂。
聚合氯化铝对高浊水效果较好。
（四）水力条件
1． 异向絮凝
由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为异向絮凝。
2． 同向絮凝
由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集，称为同向絮凝
控制混凝效果的水力条件用G和GT作控制参数。
G速度梯度（Velocity gradient）－指相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向的两流层之间的距离的比值。

（1）G值的意义

（2）G值的计算
层流指标
根据牛顿内摩擦定律

3． 混凝工艺中G、GT的控制－校核参数
（1）混合阶段－异向凝聚占主导，药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，故要求混合快速剧烈。10～30秒，不超过2分钟，一般700～1000s-1之内。
（2）絮凝阶段－同向絮凝为主
适当的紊流程度，G由大到小，既要保证碰撞吸附，又要防止絮体破碎。时间一般10～30分钟。平均G＝20～70 s-1
Gmax=100~120 s-1（起）
G中间＝Gp
Gmin=5~10 s-1（末）
GT＝104～105
第三节 混凝工艺的工程设计
一、加药间
（一）概述
加药间包括药剂贮备（药品库）、药剂配制（溶解和溶液配制）、药剂投配。
（二）药剂的配制
1．搅拌方式
（1）机械搅拌
（2）压缩空气搅拌
（3）水泵搅拌
（4）水力搅拌
2．溶液池容积

3．溶解池容积
W1＝（0.2~0.3）W2 m3
一般建于地下便于操作，池顶高出地面0.2m左右。溶剂腐蚀性强时要注意防腐。
（三）药剂的投配
投加设备包括计量设备、药剂提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。根据不同投药方式或投药量控制系统，所用设备也有所不同。
1． 计量设备
药液投入原水中必须有计量或定量设备，并能随时调节。
（1）孔口计量：苗嘴、孔板等（中小水厂）
（2）转子流量计、电磁流量计、计量泵（大中水厂）
2． 投加方式（重力投加和压力投加）
（1）泵前投加：将药液靠重力投加在水泵吸水管或吸水井中吸水喇叭口处。（利用水泵叶轮混合）
适用－取水泵站离水厂较近。水封箱防止空气进入。
（2）高位溶液池重力投加：取水泵站距水厂较远，建高位溶液池，将药液投入水泵压水管或混合池人口处。
（3）水射器投加：利用水射器抽吸作用将药液吸入投加到压水管中。效率低，应设计量设备。
（4）泵投加：计量泵投加或耐酸泵加转子流量计。
3． 混凝投加量自动控制
（1）数学模型法
（2）现场模拟试验法
（3）其它自动控制方法
二、混合设施
基本要求：药剂与水的混合须快速、均匀。
1． 水泵混合：适合取水泵站距絮凝池距离小于150米。
2． 管式混合：
v≥1m/s △h≥0.3~0.4m L≥50d
（1）静态混合器Static mixer
（2）扩散混合器Diffuse mixer
3． 机械混合池Mechanical mixing chamber：在池内安装搅拌装置，以电动机驱动搅拌器使之混合。时间T＝1～2min。
三、絮凝设施Flocculating equipment
要求：混合后，在此形成肉眼可见的大、密的絮凝体。包括：
水力搅拌式：G由水流本身势能提供，利用沿程水位差，液体沿程水头损失所做的功，使液体达到相应的速度梯度。简单、方便、适应性差。
机械搅拌式：G由外加机械能提供，絮凝效果好，稳定，维护管理工作量大。
（一）隔板絮凝池
水流以一定流速在隔板之间通过而完成絮凝过程。包括：
往复式：流速V由大到小，间距由小到大，水流180度转弯，局部水头损失大，对絮凝后期不利，絮凝体易碎。
回转式：水流由池中间进入，逐渐回流转至外侧，90度转弯，局部水头损失小。
1． 主要设计参数
（1）絮凝时间T＝20～30min，平均G＝30～60S-1，GT＝104～105
（2）廊道流速，起端0.5~0.6m/s，逐步减到末端0.2~0.3m/s，宜分为4～6段。
（3）隔板间距不小于0.5m，转角处过水断面积应为相邻廊道过水断面积的1.2~1.5倍。
（4）底坡2%~3%，排泥管d≥150mm
（5）总h，往复式0.3~0.5m，回转式0.2~0.35m
2． 计算公式
（1）絮凝池容积

（2）池长

（3）隔板间距

（4）水头损失

（5）平均速度梯度

（二）折板絮凝池
1．在隔板絮凝池基础上发展起来的。池内放置一定数量的平折板或波纹板，水流沿折板竖向上下流动，多次转折，促进絮凝。
按折板安装方式分为同波折板和异波折板。
按水流通过折板间隙数分单通道和多通道。也可组合。
2．主要设计参数
（1）絮凝时间6～15min，平均G值30～50S－1，GT＞2×104
（2）分段数≥3，流速前段0.25~0.35m/s；中段0.15~0.25m/s；末段0.10~0.15m/s
（3）折板夹角有900和1200两种，峰高0.3~0.4m
（三）机械搅拌絮凝池
1．利用电动机经减速装置驱动搅拌器对水进行搅拌，使水中颗粒相互碰撞，发生絮凝。水流能量消耗来源于搅拌机的功率输入。
按搅拌轴位置分为水平轴式（大水厂）；垂直轴式（中、小水厂）
按搅拌器分浆板式和叶轮式。
分格串联，每格一个搅拌机。G由大到小。分格数越多，絮凝效果越好，造价越高，维修量大。搅拌强度取决于搅拌器转速和搅拌面积。
2．主要设计参数
（1）T＝15～20min，平均G＝20～70 S－1，GT＝1×104～1×105
（2）设3～4档搅拌机，每档用隔墙或穿孔墙分隔，以免短流。
（3）搅拌机浆板中心处线速度0.5~0.2m/s
（4）浆板总面积宜为水流截面积的10％～20％，不宜超过25％
（5）浆板长度不大于叶轮直径75％，宽度宜10～30cm。
3． 计算公式
（1）容积

（2）浆板相对于水的旋转角速度

（3）浆板功率

（4）电动机功率

（5）速度梯度

（四）其它形式絮凝池
1． 穿孔旋流絮凝池
由若干方格（大于6格）组成，各格之间隔墙上沿池壁开孔，孔口上、下交错布置，水流沿池壁切线方向进入后形成旋流。孔口起端流速0.6~1.0m/s，末端0.2~0.3m/s，时间T＝15～25min。
2． 网格（栅条）絮凝池
由多格竖井串联而成，每个竖井安装若干层网格或栅条。各竖井之间的隔墙上，上、下交错开孔。每个竖井网格数逐渐减少。一般分3段控制。
前段：密网、密栅
中段：疏网、疏栅
末段：不安装网、栅
两座并联，每组1.0~2.5万m3/d
3． 不同形式组合
（1）往复式和回转式隔板絮凝池竖向组合
（2）穿孔旋流与隔板组合
（3）隔板与机械组合