(好資料)1.2混凝--水處理教案(清華大學(xué)精品課程)

第二章 混凝第1節(jié) 混凝的去除對(duì)象 混凝可去除的顆粒大小是膠體及部分細(xì)小的懸浮物，是一種化學(xué)方法。 范圍在：1nm0.1mm（有時(shí)認(rèn)為在1mm） 混凝目的：投加混凝劑使膠體脫穩(wěn)，相互凝聚生長成大礬花。 水處理中主要雜質(zhì)：粘土（50nm-4 mm） 細(xì)菌（0.2mm-80mm） 病毒（10nm-300nm） 蛋白質(zhì)（1nm-50nm）、腐殖酸1637年 我國開始使用明礬凈水1884年 西方才開始使用混凝過程涉及到三個(gè)方面的問題：水中膠體的性質(zhì) 混凝劑在水中的水解與形態(tài) 膠體與混凝劑的相互作用第2節(jié) 膠體的性質(zhì)一、膠體的穩(wěn)定性1 動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性：布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)抗重力。2 聚集穩(wěn)定性：膠體帶電相斥（憎水性膠體） 水化膜的阻礙（親水性膠體） 兩者之中，聚集穩(wěn)定性對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。二、膠體的雙電層結(jié)構(gòu)動(dòng)電位z電位：決定了膠體的聚集穩(wěn)定性 一般粘土z電位-15-40mV 細(xì)菌z電位-30-70mV三、DLVO理論膠體的穩(wěn)定性和凝聚可由兩膠粒間的相互作用和距離來評(píng)價(jià)。由下列兩方面的力決定：靜電斥力：ER1/d2范德華引力：EA1/d6（有些認(rèn)為是1/d2或1/d3）由此可畫出兩者的綜合作用圖。另一方面，膠體的布朗運(yùn)動(dòng)能量Eb1.5kT k：波茲曼常數(shù)，T：溫度 EbEmax（勢(shì)壘）膠體距離xoa， 穩(wěn)定（二次凝聚除外）以上稱為DLVO理論。只適用于憎水性膠體。德加根（derjaguin）、蘭道（Landon）(蘇聯(lián)，1938年獨(dú)立提出伏維（Verwey）、奧貝克（Overbeek）（荷蘭，1941年獨(dú)立提出） 膠體的凝聚： 降低靜電斥力z電位勢(shì)壘脫穩(wěn)凝聚 辦法：加入電解質(zhì)，但只適用于憎水性膠體第3節(jié) 水的混凝機(jī)理與過程一、鋁鹽在水中的化學(xué)反應(yīng) 鋁鹽最有代表的是硫酸鋁Al2(SO4)318H2O，溶于水后，立即離解鋁離子，通常是以Al(H2O)63+存在。在水中，會(huì)發(fā)生下列過程。1水解過程 配位水分子發(fā)生水解： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+ H+ . 其結(jié)果是：價(jià)數(shù)降低，pH降低，最終產(chǎn)生Al(OH)3沉淀2縮聚反應(yīng) OH發(fā)生架橋，產(chǎn)生高價(jià)聚合離子（多核羥基絡(luò)合物） . 其結(jié)果是：電荷升高，聚合度增大 同時(shí)多核羥基絡(luò)合物還會(huì)繼續(xù)水解。 因此，產(chǎn)物包括：未水解的水合鋁離子 單核羥基絡(luò)合物 多核羥基絡(luò)合物 氫氧化鋁沉淀 各種產(chǎn)物的比例多少與水解條件（水溫、pH、鋁鹽投加量）有關(guān)。二、混凝機(jī)理 水的混凝現(xiàn)象比較復(fù)雜。至今尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。 凝聚（Coagulation）、絮凝（Flocculation ） 混凝：包括兩者 1壓縮雙電層根據(jù)DLVO理論，加入電解質(zhì)對(duì)膠體進(jìn)行脫穩(wěn)。電解質(zhì)加入與反離子同電荷離子壓縮雙電層z電位穩(wěn)定性凝聚z電位0，等電狀態(tài)，實(shí)際上混凝不需要z電位0，只要使Emax=0即可，此時(shí)的z電位稱為臨界電位。示例：河川到海洋的出口處，由于海水中電解質(zhì)的混凝作用，膠體脫穩(wěn)凝聚，易形成三角洲。 叔采哈代法則可以適用，即：凝聚能力離子價(jià)數(shù)6 但該理論不能解釋：1）混凝劑投加過多，混凝效果反而下降； 2）與膠粒帶同樣電號(hào)的聚合物或高分子混凝效果好。這些都與膠粒的吸附力有關(guān)，絕非只來源于靜電力，還來源于范得華力、氫鍵及共價(jià)鍵力（多出現(xiàn)在有聚合離子或高分子物質(zhì)存在時(shí)）。2吸附-電性中和 這種現(xiàn)象在水處理中出現(xiàn)的較多。 指膠核表面直接吸附帶異號(hào)電荷的聚合離子、高分子物質(zhì)、膠粒等，來降低z電位。這一點(diǎn)與第1條機(jī)理不同。 在鋁鹽混凝劑的過程中，水解的多核羥基絡(luò)合物主要起吸附電性中和作用。在水處理中由水合的Al3+產(chǎn)生的單純的壓縮雙電層作用甚微。3吸附架橋 指高分子物質(zhì)和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋 高分子投量過少，不足以形成吸附架橋，但投加過多，會(huì)出現(xiàn)“膠體保護(hù)”現(xiàn)象。4網(wǎng)捕或卷掃 金屬氫氧化物在形成過程中對(duì)膠粒的網(wǎng)捕 小膠粒與大礬花發(fā)生接觸凝聚 澄清池中發(fā)生的現(xiàn)象根據(jù)以上機(jī)理，可以解釋在不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機(jī)理。 pH3 簡(jiǎn)單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用 pH=45 多核羥基絡(luò)合物起吸附電性中和 pH=6.5-7.5 多核羥基絡(luò)合物起吸附電性中和；氫氧化鋁起吸附架橋、網(wǎng)捕 天然水體一般pH=6.5-7.8三、混凝過程1 凝聚（coagulation）帶電荷的水解離子或高價(jià)離子壓縮雙電層或吸附電中和z電位脫穩(wěn)凝聚，生長成約d=10m 特點(diǎn)：劇烈攪拌，瞬間完成 在混合設(shè)備中完成2絮凝（flocculation） 高聚合物的吸附架橋 脫穩(wěn)膠粒生長成大礬花d=0.6-1.2mm 特點(diǎn)：需要一定時(shí)間，攪拌從強(qiáng)弱 在絮凝中設(shè)備完成第4節(jié) 混凝劑和助凝劑一、混凝劑種類有不少于200300種。分類：無機(jī)鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.58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：511，但腐蝕性強(qiáng)有機(jī)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(dòng)物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑發(fā)展方向：無機(jī)復(fù)合聚合物混凝劑：聚合硫酸鋁鐵（PFAS）、聚合氯化鋁鐵（PFAC）、聚合硫酸氯化鐵（PFSC）、聚合硫酸氯化鋁（PASC）、聚合鋁硅（PASi）、聚合鐵硅（PFSi）、聚合硅酸鋁（PSA）、聚合硅酸鐵（PSF）無機(jī)有機(jī)復(fù)合：聚合鋁/鐵-聚丙烯酰胺、聚合鋁/鐵-甲殼素、聚合鋁/鐵-天然有機(jī)高分子、聚合鋁/鐵-其它合成有機(jī)高分子有機(jī)高分子絮凝劑：陽離子有機(jī)化合物 天然改性高分子絮凝劑：無毒易降解，如甲殼素等 多功能絮凝劑：絮凝、緩蝕阻垢、殺菌滅藻 微生物絮凝劑二、助凝劑可以參加混凝，也可不參加混凝。1酸堿類：調(diào)整水的pH，如石灰、硫酸等2 加大礬花的粒度和結(jié)實(shí)性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨膠、高分子絮凝劑3 氧化劑類：破壞干擾混凝的物質(zhì)，如有機(jī)物。如投加Cl2、O3等第5節(jié) 混凝動(dòng)力學(xué) 顆粒間的碰撞是混凝的首要條件混凝動(dòng)力學(xué)一、異向絮凝 由布朗運(yùn)動(dòng)造成的碰撞，主要發(fā)生在凝聚階段。顆粒的碰撞速率 Np8/(3nr) KTn2 n：顆粒數(shù)量濃度 n：運(yùn)動(dòng)粘度凝聚速度決定于顆粒碰撞速率。Np只與顆粒數(shù)量有關(guān)，而與顆粒粒徑無關(guān)。 當(dāng)顆粒的粒徑大于1mm，布朗運(yùn)動(dòng)消失。 二、同向絮凝由水力或機(jī)械攪拌產(chǎn)生。其理論仍在發(fā)展之中。最初的理論基于層流的假定。碰撞速率N04/3 n2 d3 Gd：顆粒粒徑GDU/DZ(速度梯度)（相鄰兩流層的速度增量） 可由水流所耗功率p來計(jì)算。ptG t：剪切應(yīng)力p：?jiǎn)挝惑w積流體所耗功率，W/m3按照牛頓定律 tmG (1/s) (1943年發(fā)明的理論，甘布公式)m：動(dòng)力粘度，Pa sp：水流所耗功率，W/m3水力攪拌時(shí) pVrgQh（由水流本身能量消耗提供）水流體積VQTn：運(yùn)動(dòng)粘度，m2/sh：水頭損失，mT：水流在混凝設(shè)備中的停留時(shí)間但存在問題： 層流假設(shè)基于紊流理論的顆粒碰撞機(jī)率計(jì)算？ 微渦旋理論 G增加碰撞機(jī)率增加絮凝效果增加 但破碎程度也增加。 此現(xiàn)象尚未很好從理論上得到描述。三、混凝控制指標(biāo)用G可以來判斷混合和絮凝的程度：混合（凝聚）過程：G7001000s-1，但劇烈攪拌是為盡快分散藥劑 時(shí)間通常在1030s，一般2min絮凝過程 ：不僅與G有關(guān)，還與時(shí)間有關(guān)。 平均G2070s-1， GT1104105實(shí)際設(shè)計(jì)，采用V和T，反過來校核GT或者平均G最近采用：GTC（建議值100），C：顆粒濃度第6節(jié) 混凝影響因素主要包括：水溫、水化學(xué)特性、雜質(zhì)性質(zhì)和濃度、水力條件（前面已有敘述）一、水溫低溫，混凝效果差，原因是：1） 無機(jī)鹽水解吸熱2） 溫度降低，粘度升高布朗運(yùn)動(dòng)減弱3） 膠體顆粒水化作用增強(qiáng)，妨礙凝聚二、pH及堿度 視混凝劑品種而異。 無機(jī)鹽水解，造成pH下降，影響水解產(chǎn)物形態(tài)。 根據(jù)水質(zhì)、去除對(duì)象，最佳pH范圍也不同。 需堿度來調(diào)整pH，堿度不夠時(shí)需要投加石灰。三、水中雜質(zhì)濃度 雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機(jī)率下降，混凝效果差。 對(duì)策：1）加高分子助凝劑 2）加粘土 3）投加混凝劑后直接過濾四、混凝效果的評(píng)價(jià) 燒杯試驗(yàn)（Jar test）第7節(jié) 混凝設(shè)備一、混凝劑的配制與投配一般采用液體投加的方式。1投配流程： 藥劑溶解池溶液池計(jì)量設(shè)備投加設(shè)備混合設(shè)備2劑量與投加方式 計(jì)量：流量計(jì)（轉(zhuǎn)子、電磁）、孔口、計(jì)量泵 投加方式：泵前投加，虹吸投加，水射器投加，泵投加3投加量自動(dòng)控制 最佳投加量：既定水質(zhì)目標(biāo)的最小混凝劑投加量 一般采用混凝攪拌試驗(yàn)，確定最佳混凝劑投加量，然后進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。 自動(dòng)控制方法：數(shù)學(xué)模型法：需要大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、涉及儀表多 現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)法：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反饋到投藥，仍有一定滯后。 流動(dòng)電流檢測(cè)器（SCD）：流動(dòng)電流是指膠體擴(kuò)散層中反離子在外來作用下隨流體流動(dòng)而產(chǎn)生的電流。 絮凝監(jiān)測(cè)器：利用光電原理檢測(cè)水中絮凝顆粒變化二、混合設(shè)備水泵混合：投藥投加在水泵吸水口或管上。管式混合：管式靜態(tài)混合器、擴(kuò)散混合器，混合時(shí)間23秒機(jī)械混合：攪拌三、絮凝設(shè)備隔板絮凝池：由往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種 水頭損失由局部水頭和沿程水頭損失組成。 往復(fù)式總水頭損失一般在0.30.5m，回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40左右。 特點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單、管理方便，但絮凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應(yīng)大水廠 設(shè)計(jì)參數(shù)：流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s 段數(shù)：46段 絮凝時(shí)間：2030分隔板間距：不大于0.5m折板絮凝池：通常采用豎流式，與隔板式相比，水流條件大大改善，有效能量消耗比例提高，絮凝時(shí)間1015分但安裝維修較困難，折板費(fèi)用較高機(jī)械絮凝池：漿板式和葉輪式水平軸式和垂直軸式調(diào)節(jié)容易，效果好，大、中、小水廠均可但維修是問題。穿孔旋流不同形式的組合第8節(jié) 混凝的應(yīng)用一、給水處理以地面水為水源時(shí)，去除濁度和細(xì)菌。經(jīng)混凝沉淀后一般濁度小于10度二、廢水處理1工業(yè)廢水：用于處理一些特殊的廢水，脫色、去除懸浮物等印染廢水處理：適用于含顏料、分散染料、水溶性分子量較大的等染料廢水處理。 混凝劑的選擇與染料種類有關(guān)，需做混凝試驗(yàn)。 可以單獨(dú)用無機(jī)混凝劑，也可和有機(jī)高分子絮凝劑聯(lián)用。 例：某針織廠廢水TOC為5060mg/L，pH值為7.5。 采用PAC混凝劑，投加量為140mg/L時(shí)，TOC去除率為68。 含油廢水處理：乳化油顆粒小、表面帶電荷，加混凝劑，壓縮雙電層。通常采用混凝氣浮工藝。例：蘭州煉油廠廢水加PAC采用二級(jí)氣浮原水含油50-100mg/L 投加PAC50mg/L一級(jí)氣浮出水，油2030mg/L PAC30mg/L二級(jí)氣浮出水，油1520mg/L肉類加工廠廢水