建筑工程給排水水處理-凝聚和絮凝

第3章凝聚和和絮凝建筑工程學院院給排水教研研室混凝(coagulation)的定義混凝的去除對對象膠體及部分細細小的懸浮物物粒徑范圍在1nm~0.1m（有時認為在在1m）混凝目的投加混凝劑使使膠體脫穩(wěn),相互凝聚生長長成大礬花。?；炷亩x義包括凝聚(aggregation)和絮凝(flocculation)兩個步驟,凝聚是指使使膠體脫穩(wěn)穩(wěn)并生成微微小聚集體體的過程,而絮凝是指指使脫穩(wěn)的的膠體或微微小懸浮物物聚結(jié)成大大的絮凝體的過過程?；炷^程涉涉及到三個個方面的問問題水中膠體的的性質(zhì)混凝劑在水水中的水解解與形態(tài)膠體與混凝凝劑的相互互作用3.1膠體的穩(wěn)定定性一.膠體的穩(wěn)定定性動力學穩(wěn)定定性布朗運動對對抗重力。。聚集穩(wěn)定性性膠體帶電相相斥（憎水水性膠體））水化膜的阻阻礙（親水水性膠體））兩者之中,聚集穩(wěn)定性性對膠體穩(wěn)定定性的影響響起關(guān)鍵作作用。二.膠體的雙電電層結(jié)構(gòu)ⅠδdⅡ膠核滑動面ζの圖3-1膠體雙電層結(jié)構(gòu)示意電位：決定定了膠體的的聚集穩(wěn)定性。一般粘土電位＝-15~-40mV細菌電位＝-30~-70mV膠體的凝聚聚：降低靜電斥斥力—電位――勢壘—脫穩(wěn)—凝聚辦法：加入入電解質(zhì)，，但只適用于憎水水性膠體三.DLVO理論3-2一.鋁鹽在水中中的化學反反應鋁鹽最有代代表性的是是硫酸鋁Al2(SO4)318H2O,溶于水后,立即離解鋁鋁離子,通常是以[Al(H2O)6]3+存在.在水中,會發(fā)生下列列過程。1.水解過程配位水分子子發(fā)生水解解：[Al(H2O)6]3+――[Al(OH)(H2O)5]2++H+…….其結(jié)果是：：價數(shù)降低低，pH降低，最終終產(chǎn)生――Al(OH)3沉淀3.2混凝機理2.縮聚反應－OH－發(fā)生架橋橋,產(chǎn)生高價聚聚合離子(多核羥基配合物)……..其結(jié)果是：：電荷升高高，聚合度度增大同時多核羥羥基配合物還會繼繼續(xù)水解。。因此,產(chǎn)物包括：：未水解的的水合鋁離離子單核羥基配合物多核羥基配合物氫氧化鋁沉沉淀各種產(chǎn)物的的比例多少少與水解條條件(水溫、pH、鋁鹽投加加量)有關(guān)。二.膠體的凝聚聚機理目前比較公公認的凝聚聚機理有四四個方面：：壓縮雙電層層作用吸附-電中和作用用吸附-架橋作用網(wǎng)捕-卷掃作用（1）壓縮雙電電層作用加入電解質(zhì)質(zhì)，形成與與反離子同同電荷離子子，產(chǎn)生壓壓縮雙電層層作用，使使ξ電位降低，，從而膠體體顆粒失去去穩(wěn)定性，，產(chǎn)生凝聚聚作用。該機理認為為電位最多可可降至0。因而不能能解釋以下下兩種現(xiàn)象象：①混凝凝劑投加過過多，混凝凝效果反而而下降；②②與膠粒帶帶同樣電號號的聚合物物或高分子子也有良好好的混凝效效果。3-3（2）吸附－電電中和作用用（3）吸附架橋橋作用是指高分子子物質(zhì)和膠膠粒，以及及膠粒與膠膠粒之間的的架橋，架架橋模型示示意見圖3-4。高分子絮凝凝劑投加后后，通?？煽赡艹霈F(xiàn)以以下兩個現(xiàn)現(xiàn)象：①高分子投投量過少，，不足以形形成吸附架架橋；②但投加過過多,會出現(xiàn)“膠膠體保護””現(xiàn)象，見見圖3-5。(4)網(wǎng)捕或卷掃掃吸附架橋作作用模型示示意圖3-43-5三.絮凝機理異向絮凝（perikineticflocculation）由布朗運動動所引起的的膠體顆粒粒碰撞聚集集。同向絮凝（（orthokineticflocculation）由外力（水水力或機械械力）推動動所引起的的膠體顆粒碰撞撞聚集。四.影響混凝效效果的主要要因素(1)水溫的影響(2)水的pH值的影響(3)水的堿度的的影響(4)水中濁質(zhì)顆顆粒濃度的的影響(5)水中有機污污染物的影影響(6)混凝劑種類類與投加量量的影響(7)混凝劑投加加方式的影影響(8)水力條件的的影響3.3混凝劑一.混凝劑種類有不少少于200－300種其分類見表表3-1無機鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.5~8鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國內(nèi)生產(chǎn)少）聚合硫酸鐵聚合氯化鐵適宜pH：5~11，但腐蝕性強有機人工合成陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物國外開始增多，國內(nèi)尚少陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）兩性型：使用極少天然淀粉、動物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑表3-1常用混凝劑劑無機復合聚聚合物混凝凝劑無機－有機機復合有機高分子子絮凝劑發(fā)展方向二.助凝劑凡能提高或或改善混凝凝劑作用效效果的化學學藥劑可稱為助凝劑劑。助凝劑可以以參加混凝凝，也可不不參加混凝凝。廣義上可分分為以下幾幾類：①酸堿類：：調(diào)整水的的pH，如石灰、、硫酸等；；②加大礬花花的粒度和和結(jié)實性：：如活化硅硅酸（SiO2nH2O）、骨膠、、高分子絮絮凝劑；③氧化劑類類：破壞干干擾混凝的的物質(zhì)，如如有機物。?？赏都覥l2、O3等。三.混凝劑選用原則①混凝效果果好②無毒害作用③貨源充足足④成本低⑤新型藥劑劑的衛(wèi)生許許可⑥借鑒已有經(jīng)經(jīng)驗3.4混凝動力學學一.異向絮凝動動力學由布朗運動動造成的碰碰撞，主要要發(fā)生在凝凝聚階段。。顆粒粒的的碰碰撞撞速速率率Np＝8/(3)KTn2(3-1)n：顆顆粒粒數(shù)數(shù)量量濃濃度度：運運動動粘粘度度凝聚聚速速度度決決定定于于顆顆粒粒碰碰撞撞速速率率。。Np只與與顆顆粒粒數(shù)量量有有關(guān)關(guān)，，而而與與顆顆粒粒粒粒徑徑無無關(guān)關(guān)。。當顆顆粒粒的的粒粒徑徑大大于于1m，布布朗朗運運動動消消失失。。二.同向向絮絮凝凝動動力力學學由水水力力或或機機械械攪攪拌拌產(chǎn)產(chǎn)生生。。其理理論論仍仍在在發(fā)發(fā)展展之之中中。。最初初的的理理論論基基于于層層流流的的假假定定。。層流流條條件件下下顆顆粒的的碰碰撞撞示示意意見見圖圖3-6。ΔΔτΔx·ΔyΔΔ△θ扭轉(zhuǎn)方向圖3-7速度梯度計算圖示圖3-6層流條件下顆粒碰撞示意ΔΔ△Δx1.層流流理理論論層流流條條件件下下顆顆粒粒的的碰碰撞撞示示意意見見圖圖6-7。顆粒粒的的碰碰撞撞速速率率按按下下式式計計算算：：(3-2)在被被攪攪動動的的水水流流中中，，考考慮慮一一個個瞬瞬間間受受煎煎而而扭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的的隔隔離離體體，，見見圖圖3-7。設(shè)設(shè)在在時時間間內(nèi)內(nèi)，，隔隔離離體體扭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)了了角角度度，，于于是是角角速速度度為為：：(3-3)轉(zhuǎn)矩矩為為：：(3-4)于是是單單位位體體積積水水所所耗耗功功率率p為：：(3-5)由于于，，故故(3-6)當采采用用機機械械攪攪拌拌時時，，p由機機械械攪攪拌拌器器提提供供。。當采采用用水水力力絮絮凝凝池池時時，，p應為為水水流流本本身身所所消消耗耗的的能能量量，，由由下下式式?jīng)Q決定定：：(3-7)則采采用用水水力力絮絮凝凝池池時時，，(3-8)2.同向向紊紊流流理理論論①外外部部施施加加的的能能量量形形成成大大渦渦旋旋；；②②大大渦渦旋旋將將能能量量輸輸送送給給小小渦渦旋旋；；③③小小渦渦旋旋將將能能量量輸輸送送給給更更小小的的渦渦旋旋；；④④只只有有尺尺度度與與顆顆粒粒尺尺寸寸相相近近的的渦渦旋旋才才會會引引起起顆顆粒粒碰碰撞撞。。（3-9）式中，紊紊流擴散散系數(shù)，，為為相應于于尺度的的脈動速速度，為為（3-10）故（3-11）三.混凝過程程的控制制指標用G可以來判判斷混合合和絮凝凝的程度度：混合(凝聚)過程：G＝700－1000s-1，但劇烈烈攪拌是是為盡快分分散藥劑劑,時間通常常在10～20s,一般<2min.絮凝過程程：不僅與G有關(guān)(隨著絮凝凝的進行行,G值應逐漸漸減小)，還與時間間有關(guān)。。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105實際設(shè)計計，采用用V和T，反過來來校核GT或者平均均G最近采用用：GTC(建議值100),C：顆粒濃濃度一.混凝劑的的溶解和和溶液配配制溶解池容容積W1：W1=（0.2~0.3）W2（3-12）式中W2為溶液池池容積。。（3-13）式中：W2——溶液池容容積，m3Q——處理的水水量m3/ha——混凝劑最最大投加加量，mg/Lc——溶液濃度度，一般般取5%~20%n——每日調(diào)制制次數(shù)，，一般不不超過3次3.5混凝過程程二.混凝劑的的計量常用的計計量設(shè)備備計量泵流量計（（轉(zhuǎn)子、、電磁））孔口苗嘴等。。三.混凝劑的的投加方方式（1）泵前投投加（2）高位溶溶液池重重力投加加（3）水射器器投加（4）泵投加加123456h578910圖3-8泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球閥；6-投藥苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-壓水管；325687圖3-9高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球閥；6-流量計；7-調(diào)節(jié)閥；8-壓力水；14123645高壓水圖3-10水射器投加1-溶液池；2-投藥箱；3-漏斗；4-水射器；5-壓水管；6-高壓水管1-溶液池；2-計量泵；3-壓水管圖3-11計量泵投加321四.混凝劑投投加量自自動控制制數(shù)學模型型法：需要大量量的生產(chǎn)產(chǎn)數(shù)據(jù)、、涉及儀儀表多現(xiàn)場模擬擬試驗法法：根據(jù)試驗驗結(jié)果反反饋到投投藥，仍仍有一定滯滯后。流動電流流檢測器器（SCD）：流動電流流是指膠膠體擴散散層中反反離子在在外來作作用下隨隨流體流流動而產(chǎn)產(chǎn)生的電電流。絮凝監(jiān)測測器：利用光電電原理檢檢測水中中絮凝顆顆粒變化化五.快速混合合目的使膠體顆顆粒凝聚聚脫穩(wěn)要求強烈、快快速、短短時六.絮凝反應應目的促使細小小顆粒有有效碰撞撞逐漸增增長成大大顆粒要求G由大小小有足夠的的反應時時間兩個條件件（P85）3.6混凝設(shè)施施一.混合設(shè)施施（1）水力混混合（2）水泵混混合（3）管式混混合（4）機械混混合水泵混合合投藥投加加在水泵泵吸水口口或管上上。混合合效果好好，節(jié)省省動力，，各種水水廠均可可用，常常用于取取水泵房房靠近水水廠處理理構(gòu)筑物物的場合合，兩者者間距不不大于150m。管式混合合管式靜態(tài)態(tài)混合器器：流速不不宜小于于1m/s，水頭損損失不小小于0.3~0.4m，簡單易易行，見見圖3-10。擴散混合合器是在管式式孔板混混合器前前加一個個錐形帽帽，錐形形帽夾角角90°。順流方方向投影影面積為為進水管管總截面面面積的的1/4，開孔面面積為進進水管總總截面面面積的3/4，流速為為1.0~1.5m/s，混合時時間2~3s。管節(jié)長長度不小小于500mm。水頭損損失約0.3~0.4，直徑在在DN200~DN1200，見圖3-10。圖3-12管式靜態(tài)混合器圖3-13擴散混合器藥劑原水管道管道單元混合體靜態(tài)混合器原水原水管投藥套管塑料管孔板錐帽擋板支架機械混合合在池內(nèi)安安裝攪拌拌裝置，，攪拌器器可以是是槳板式式、螺旋旋槳式或或透平式式，速度度梯度700~1000s-1，時間10~30s以內(nèi)，優(yōu)優(yōu)點是混混合效果果好，不不受水質(zhì)質(zhì)影響，，缺點是是增加機機械設(shè)備備，增加加維修工工作,電耗。二.絮凝設(shè)施水力絮凝反反應設(shè)施施隔板絮凝凝池折板絮凝凝池柵條（網(wǎng)網(wǎng)格）絮絮凝池穿孔旋流流絮凝池池機械絮凝凝反應設(shè)設(shè)施其他形式式的絮凝凝池1.隔板絮凝凝池隔板絮凝凝池往復式（（見見圖3-14）回轉(zhuǎn)式（見圖3-15）隔板絮凝池池的水頭損損失由局部部水頭和沿沿程水頭損損失組成。。往復式總總水頭損失失一般在0.3~0.5m，回轉(zhuǎn)式的的水頭損失失比往復式式的小40％左右。隔板絮凝池池特點：構(gòu)構(gòu)造簡單、、管理方便便，但絮凝凝效果不穩(wěn)穩(wěn)定，池子子大。適應應大水廠。。圖3-14往復式隔板絮凝池19.7m22.0m進水接沉淀池2.8m接沉淀池進水管進水管圖3-15回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池

①流速：起起端0.5-0.6m/s,末端0.2-0.3m/s段數(shù)：4~6段;②轉(zhuǎn)彎處過過水斷面積積為廊道過過水斷面積積的1.2~1.5倍；③絮凝時間間：20~30min；④隔板間距距：不小于0.5m，池底應有有0.02~0.03坡度直徑不不小于150mm的排泥管；；⑤各段的水頭頭損失，，總總水頭損失失隔板絮凝池池的設(shè)計參參數(shù)：通常采用豎豎流式，它它將隔板絮絮凝池的平平板隔板改改成一定角角度的折板板。折板波波峰對波谷谷平行安裝裝稱“同波波折板”，，波峰相對對安裝稱““異波折板板”。與隔隔板式相比比，水流條條件大大改改善，有效效能量消耗耗比例提高高，但安裝裝維修較困困難，折板板費用較高高。其示意意圖見圖3-16與圖3-17。2.折板絮凝池池圖3-16單通道折板絮凝池剖面示意進水出水進水出水（）（）（a）同波折板（b）異波折板圖3-17多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水進水ⅢⅡⅠ平面圖進水A-A剖面折板網(wǎng)格、柵條條絮凝池設(shè)設(shè)計成多格格豎井回流流式。每個個豎井安裝裝若干層網(wǎng)網(wǎng)格或柵條條，各豎井井間的隔墻墻上、下交交錯開孔，，進水端至至出水端逐逐漸減少，，一般分3段控制。前前段為密網(wǎng)網(wǎng)或密柵，，中段為疏疏網(wǎng)或疏柵柵，末段不不安裝網(wǎng)、、柵。網(wǎng)格格（柵條））絮凝池的的示意圖見見圖3-18。3.網(wǎng)格、柵條條絮凝池圖3-18網(wǎng)格（或柵條）絮凝池平面示意圖（圖中數(shù)字表示網(wǎng)格層數(shù)）進水平面布置（2）網(wǎng)格（3）柵條下面進出水上面進出水水流向上水流向下網(wǎng)格絮凝池池效果好，，水頭損失失小，絮凝凝時間較短短，但還存存在末端池池底積泥現(xiàn)現(xiàn)象，小數(shù)數(shù)水廠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)格上滋滋生藻類、、堵塞網(wǎng)眼眼現(xiàn)象。其其設(shè)計參數(shù)數(shù)見表3-2。網(wǎng)格和柵條條絮凝池在在不斷完善善和發(fā)展之之中，絮凝凝池宜與沉沉淀池合建建，一般布布置成兩組組并聯(lián)形式式。每組設(shè)設(shè)計水量一一般為1.0～2.5萬m3/d之間。表3-2柵條、網(wǎng)格格絮凝池主主要設(shè)計參參數(shù)絮凝池型1絮凝池分段柵條縫隙或網(wǎng)格孔眼尺寸（mm）板條寬度（mm）豎井平均流速（m/s）過柵或過網(wǎng)流速（m/s）豎井之間孔洞流速（m/s)柵條或間格構(gòu)件布設(shè)層數(shù)（層）/層距（cm）絮凝時間（min）流速梯度（s-1）柵條絮凝池前段（安放密柵格）50500.12～0.140.25～0.300.30～0.20≥16/603～570～100中段（安裝疏柵條）80500.12～0.140.22～0.250.20～0.15≥8/603～540～60末段（不安放柵條）0.10～0.140.10～0.144～510～20網(wǎng)格絮凝池前段（安放密網(wǎng)格）80×80350.12～0.140.25～0.300.30～0.20≥16/60～703～570～100中段（安裝疏網(wǎng)格）100×100350.12～0.140.22～0.350.20～0.15≥16/60～703～540～50末段（不安放網(wǎng)格）0.10～0.140.10～0.144～510～20由若干方格格組成。分分格數(shù)一般般不少于6格。流速逐逐漸減小，，G也相應減小小以適應絮絮凝體形成成，孔口流流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速速宜取0.2～0.3m/s。絮凝時間間15～25min。穿孔旋流流絮凝池的的平面示意意圖見圖3-19。穿孔旋流絮絮凝池的優(yōu)優(yōu)點是構(gòu)造造簡單，施施工方便，，造價低，，可用于中中、小型水水廠或與其其他形式的的絮凝池組組合應用。。4.穿孔旋流絮絮凝池圖3-19穿孔旋流絮凝池平面示意圖上面進水下面進水機械絮凝池池的剖面示示意見圖3-20。攪拌器有漿漿板式和葉葉輪式，按按攪拌軸的的安裝位置置分水平軸軸式和垂直直軸式。第一格攪拌拌強度最大大，而后逐逐步減小，，G值也相應減減小，攪拌拌強度決定定于攪拌器器轉(zhuǎn)速和槳槳板面積。。機械絮凝池池圖3-20機械絮凝池剖面示意進水進水接沉淀池接沉淀池（）（）