水污染控制混凝

第十六章水的混凝CoagulationandFlocculation,水污染控制工程課件,重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院,主講：龍良俊,第一節(jié)概述,第一節(jié)概述,一、混凝的作用廢水中的大顆?？梢酝ㄟ^重力沉淀法去除，但微小粒徑的懸浮物和膠體能在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)，即使靜置數(shù)十個(gè)小時(shí)也不會(huì)自然沉降。混凝所處理的對(duì)象，主要是水和廢水中的微小懸浮物和膠體雜質(zhì)。,第一節(jié)概述,二、凝聚、絮凝和混凝凝聚(coagulation)：投加混凝劑后水中的膠體失去穩(wěn)定性，膠體顆粒互相凝聚，結(jié)果形成眾多的“小礬花”。絮凝(flocculation)：凝聚過程中形成的“小礬花”通過吸附、卷帶、架橋等作用，形成顆粒較大絮凝體的過程?；炷菏悄?、絮凝兩各過程的總稱。是水中膠體粒子及微小懸浮物的聚集過程。,第一節(jié)概述,三、天然水中的膠體雜質(zhì)通常是負(fù)電荷膠體，如粘土、細(xì)菌、病毒、藻類、腐殖質(zhì)等。四、混凝的應(yīng)用給水處理：混凝+沉淀，微絮凝+過濾廢水處理：五、混凝的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；便于間歇運(yùn)行，效果好。缺點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用高；沉渣量大，處置困難；,第二節(jié)膠體的特性,第二節(jié)膠體的特性,一、膠體的基本特性(一)光學(xué)特性：指膠體在水溶液中能引起光的反射。(二)布朗運(yùn)動(dòng):膠體為常見的分散體系之一。(三)表面特性：分散體系的分散度越大，膠體顆粒的比表面積越大，具有的表面自由能越大，使膠體可以產(chǎn)生特殊的吸附能力和溶解現(xiàn)象。(四)動(dòng)電現(xiàn)象（電泳現(xiàn)象）：膠體具有帶電性，在電場(chǎng)力作用下，膠體微粒向一個(gè)電極方向移動(dòng)的現(xiàn)象。,第二節(jié)膠體的特性,二、膠體的結(jié)構(gòu)膠核膠粒膠團(tuán)吸附層擴(kuò)散層,第二節(jié)膠體的特性,三、雙電層理論,中心稱為膠核，其表面選擇性地吸附了一層帶有同號(hào)電荷的離子（可以是膠核的組成物直接電離產(chǎn)生的，也可以是從水中選擇吸附的H+或OH-造成的），成為膠體的電位離子。由于電位離子的靜電引力，在其周圍又吸附了大量的異號(hào)離子，形成了所謂的“雙電層”。,膠核,第二節(jié)膠體的特性,這些異號(hào)離子，其中緊靠電位離子的部分被牢固的吸引著，當(dāng)膠核運(yùn)動(dòng)時(shí)，它也隨著一起運(yùn)動(dòng)，形成固定的離子層，稱為吸附層。而其它的異號(hào)離子，距離電位離子較遠(yuǎn)，受到的引力較弱，不隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，并有向水中擴(kuò)散的趨勢(shì)，形成了擴(kuò)散層。吸附層與擴(kuò)散層之間的交界面稱為滑動(dòng)面。,膠核,滑動(dòng)面以內(nèi)的部分稱為膠粒，膠粒與擴(kuò)散層之間有一個(gè)電位差，稱為膠體的電動(dòng)電位（電位）。而膠核表面的電位離子與溶液之間的電位差稱為總電位（電位，電位離子和反離子形成的總電位。）,第二節(jié)膠體的特性,膠體在水中受到幾個(gè)方面的影響：（1）由于膠粒的帶電現(xiàn)象，帶相同電荷的膠體產(chǎn)生靜電斥力，而且電位越高，膠體間的靜電斥力越大。（2）受水分子熱運(yùn)動(dòng)的撞擊，使膠體在水中做不規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)。（3）膠粒之間還存在著相互引力范德華引力。范德華引力的大小與膠粒間距離的平方成反比，當(dāng)間距較大時(shí)，可忽略不計(jì)。,第二節(jié)膠體的特性,一般水中的膠粒，電位較高。其互相間斥力不僅與電位有關(guān)，還與膠粒的間距有關(guān)，距離愈近，斥力愈大。而布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能不足以將兩顆膠粒推近到使范德華引力發(fā)揮作用的距離。因此，膠體微粒不能相互聚結(jié)而長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。使膠體微粒不能相互聚結(jié)的另一個(gè)因素是水化作用。由于膠粒帶電，將極性水分于吸引到它的周圍形成一層水化膜。水化膜同樣能阻止膠粒間相互接觸。但是，水化膜是伴隨膠粒帶電而產(chǎn)生的，如果膠粒的（電位消除或減弱，水化膜也就隨之消失或減弱。,第二節(jié)膠體的特性,三、雙電層理論受膠核電位離子的靜電引力和反離子熱運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散作用、溶液對(duì)反離子的水化作用，反離子的濃度隨與膠粒表面距離增加而逐漸減少，分布符合Boltzmann分布。,第二節(jié)膠體的特性,四、膠體的穩(wěn)定性膠體的穩(wěn)定性，指膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。穩(wěn)定因素靜電斥力布朗運(yùn)動(dòng)水化作用不穩(wěn)定因素范德華引力布朗運(yùn)動(dòng)重力作用,膠體的穩(wěn)定性（1）動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定：是指顆粒布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)抗重力影響的能力。粒子越小，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性越高。（2）聚集穩(wěn)定性：指膠體粒子間不能相互聚集的特性。膠體粒子小，比表面積大，故表面能大，在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，有自發(fā)地相互聚集的傾向，但由于粒子表面同性電荷的排斥力作用或水化膜的的阻礙使這種自發(fā)聚集不能發(fā)生。（電位導(dǎo)致）,第二節(jié)膠體的特性,可見膠體粒子表面電荷或水化膜消除，便失去聚集穩(wěn)定性，小顆粒便可相互聚集成大的顆粒，從而動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性也隨之破壞，沉淀就會(huì)發(fā)生。因此，膠體穩(wěn)定性關(guān)鍵在于聚集穩(wěn)定性?；炷幚砑词且茐哪z體的聚集穩(wěn)定性，使膠體脫穩(wěn)、聚集、沉淀析出。,第二節(jié)膠體的特性,第二節(jié)膠體的特性,五、膠體的類型(一)疏水性膠體（憎水性膠體）吸附層中的離子直接與膠核接觸，水分子不能直接接觸膠核。如氫氧化鋁、二氧化硅在水中形成的膠體。(二)親水性膠體膠核表面存在某些極性基團(tuán)和水分子親和力很大，使水分子直接吸附到膠核表面而形成一層水化膜的膠體。,第三節(jié)混凝原理根據(jù)膠體的特性，在水處理中，采取措施破壞膠體的穩(wěn)定性。采用的方法：投加電解質(zhì)投加電荷不同或水化作用不同的膠體或產(chǎn)生此類膠體的電解質(zhì)投加高分子物質(zhì)接觸凝聚上述投加的物質(zhì)統(tǒng)稱混凝劑,第三節(jié)混凝原理,化學(xué)混凝的機(jī)理至今仍未完全清楚。因?yàn)樗婕暗囊蛩睾芏?，如水中雜質(zhì)的成分和濃度、水溫、水的pH值、堿度，以及混凝劑的性質(zhì)和混凝條件等。（一）雙電層壓縮機(jī)理（二）吸附電中和機(jī)理（三）吸附架橋機(jī)理（四）沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理,第三節(jié)混凝原理,一、雙電層壓縮1、憎水性膠體當(dāng)兩個(gè)膠粒相互接近以至雙電層發(fā)生重疊時(shí)，就產(chǎn)生靜電斥力。向溶液中投加電解質(zhì)，溶液中離子濃度增加，擴(kuò)散層的厚度將從圖上的oa減小到ob。加入的反離子與擴(kuò)散層原有反離子之間的靜電斥力將部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴(kuò)散層厚度減小。,第三節(jié)混凝原理,由于擴(kuò)散層厚度的減小，電位相應(yīng)降低，膠粒間的相互排斥力也減少。由于擴(kuò)散層減薄，顆粒相撞時(shí)的距離減少，相互間的吸引力變大。顆粒間排斥力與吸引力的合力由斥力為主變?yōu)橐砸橹鳎w粒就能相互凝聚。兩個(gè)膠粒能否相互凝聚，取決于二者的總勢(shì)能。,DLVO理論,第三節(jié)混凝原理,根據(jù)DLVO理論，要使膠粒通過布朗運(yùn)動(dòng)相互碰撞聚集，需要降低其排斥勢(shì)能，即降低或消除膠粒的電位，在水中投加電解質(zhì)即可達(dá)到此目的。對(duì)于水中的負(fù)電荷膠體，投入的電解質(zhì)混凝劑應(yīng)是正電荷或聚合離子，如Na+、Ca2+、Al3+等，其作用是壓縮膠體雙電層為保持膠體電性中和所要求的擴(kuò)散層厚度。,第三節(jié)混凝原理,根據(jù)SchulzeHardy法則：濃度相同的電解質(zhì)破壞膠體穩(wěn)定性的效力隨離子價(jià)數(shù)的增加而加大。（高價(jià)電解質(zhì)壓縮膠體雙電層的效果遠(yuǎn)比低價(jià)電解質(zhì)有效。）重新穩(wěn)定現(xiàn)象:當(dāng)混凝劑投量過多時(shí)，凝聚效果下降的現(xiàn)象。原因：膠體吸附電解質(zhì)，表面電荷重新分布。,第三節(jié)混凝原理,2、親水性膠體：水化作用是親水性膠體聚集穩(wěn)定性的主要原因。親水性膠體雖然也存在雙電層結(jié)構(gòu)，但電位對(duì)膠體穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)小于水化膜的影響。,第三節(jié)混凝原理,二、吸附電中和機(jī)理異號(hào)膠粒間相互吸引達(dá)到電中和而凝聚；大膠粒吸附許多小膠粒或異號(hào)離子，電位降低，吸引力使同號(hào)膠粒相互靠近發(fā)生凝聚。在水處理中，一般均投加高價(jià)電解質(zhì)或聚合離子。再穩(wěn)現(xiàn)象：過多投加多核絡(luò)合離子，膠核的強(qiáng)烈吸附作用，使膠體重新帶電（電荷異號(hào)），而出現(xiàn)的再穩(wěn)現(xiàn)象。,第三節(jié)混凝原理,三、吸附架橋機(jī)理吸附架橋作用是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與膠粒和細(xì)微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的現(xiàn)象。,再穩(wěn)現(xiàn)象,第三節(jié)混凝原理,三、吸附架橋機(jī)理膠體再穩(wěn)現(xiàn)象：（1）高分子聚合物濃度較高時(shí)，對(duì)膠粒的包裹，產(chǎn)生“膠體保護(hù)”作用。（2）膠粒較少時(shí)，高分子聚合物的纏繞作用；（3）長(zhǎng)時(shí)間的劇烈攪拌。,第三節(jié)混凝原理,四、沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理當(dāng)采用硫酸鋁、石灰或氯化鐵等高價(jià)金屬鹽類作混凝劑時(shí)，當(dāng)投加量很大形成大量的金屬氫氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3或帶金屬碳酸鹽(CaCO3)沉淀時(shí)，可以網(wǎng)捕、卷掃水中的膠粒，水中的膠粒以這些沉淀為核心產(chǎn)生沉淀。這基本上是一種機(jī)械作用?；炷齽┳罴淹都恿颗c被除去物質(zhì)的濃度成反比，膠粒越多，金屬混凝劑投加量越少。,第三節(jié)混凝原理,在混凝過程中，上述現(xiàn)象常不是單獨(dú)存在的，往往同時(shí)存在，只是在一定情況下以某種現(xiàn)象為主。,第三節(jié)混凝原理,對(duì)于混凝劑而言，在廢水處理時(shí)：（帶負(fù)電膠體）（1）普通電解質(zhì)只有壓縮雙電層和吸附電中和作用；（2）高分子物質(zhì)A、陽離子型（帶正電荷）聚合電解質(zhì)，具有電中和作用和吸附架橋功能。B、非離子型（不帶電荷）或陰離子型（帶負(fù)電荷）聚合電解質(zhì)，只能起吸附架橋作用。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,第四節(jié)混凝劑與助凝劑(一)混凝劑的分類,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,(二)無機(jī)混凝劑傳統(tǒng)無機(jī)混凝劑和無機(jī)高分子混凝劑。鋁鹽硫酸鋁（Al2(SO4)318H2O）明礬（K2SO4Al2(SO4)324H2O）由于鋁的比重小，在水溫低的情況下，絮粒較輕而疏松，處理效果較差。pH有效范圍較窄，在5.5-8之間。投加量大。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,(二)無機(jī)混凝劑以鋁鹽為例，介紹混凝的過程：在水中，Al3+以Al(OH)63+的形態(tài)存在，發(fā)生水解：Al(H2O)63+=Al(OH)(H2O)52+H+Al(OH)(H2O)52+=Al(OH)2(H2O)4+H+Al(OH)2(H2O)4+=Al(OH)3(H2O)3+H+（1）pH4時(shí)，水中以Al(H2O)63+為主；（2）pH45時(shí)，以Al(OH)(H2O)52+、Al(OH)2(H2O)4+及少量的Al(OH)3(H2O)3；（3）pH78時(shí)，水中以Al(OH)3(H2O)3為主。（4）pH9時(shí)，水中產(chǎn)生Al(OH)3沉淀。,水解過程,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,單核絡(luò)合物通OH-橋鍵縮聚成單核羥基絡(luò)合物：Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+Al2(OH)(H2O)105+H2O兩個(gè)單羥基絡(luò)合物可縮合成雙羥基雙核絡(luò)合物：OH2Al(OH)(H2O)52+=(H2O)4AlAl(H2O)44+2H2OOH生成物Al2(OH)2(H2O)84+還可進(jìn)一步縮合成Al3(OH)4(H2O)105+縮合產(chǎn)物同時(shí)也會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)：Al3(OH)4(H2O)105+Al3(OH)5(H2O)94+H+水解與縮聚兩種反應(yīng)交替進(jìn)行，最終生成聚合度極大的中性氫氧化鋁，濃度超過其溶解度時(shí)析出氫氧化鋁沉淀。,鋁離子在水中化學(xué)反應(yīng)的全過程,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,Al3+在水中的存在狀態(tài)和pH有關(guān)：在pH較低時(shí)，高電荷低聚合度的絡(luò)合物占多數(shù)；在pH較高時(shí)，低電荷高聚合度的絡(luò)合物占多數(shù)。其中：對(duì)于高電荷低聚合度的水解聚合物，主要起到壓縮雙電層和吸附架橋作用；對(duì)于低電荷高聚合度的水解聚合物，主要起到吸附架橋作用和沉淀網(wǎng)捕作用；對(duì)于高聚合度的水解沉淀物，以吸附、網(wǎng)捕、卷帶作用為主。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,鐵鹽三氯化鐵（FeCl36H2O）硫酸亞鐵（FeSO47H2O）生成的絮粒在水中的沉淀速度較快；處理濁度高、水溫較低的廢水，效果比較顯著；FeCl3容易吸水潮解，故不易保管；腐蝕性強(qiáng)，對(duì)混凝土也產(chǎn)生腐蝕作用；生成Fe(OH)2它的溶解度很大，殘留水中的Fe2+會(huì)使處理后的水帶色，,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,無機(jī)高分子混凝劑聚合氯化鋁(堿式氯化鋁，簡(jiǎn)稱PAC)化學(xué)通式為Al2(OH)nCl6-nm,式中n5，m10。制備：以鋁灰或含鋁礦物作原料，采用酸溶法或堿溶法加工制成的。參考書：堿式氯化鋁李潤(rùn)生A對(duì)水質(zhì)適應(yīng)性較強(qiáng)，適用pH范圍廣，5-9之間；B絮凝體形成快，比重大，沉降性好；C投藥量低。D堿化度較高，對(duì)設(shè)備的腐蝕性小，處理后的水pH和堿度下降較小。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,聚合硫酸鐵(堿式硫酸鐵)(簡(jiǎn)寫PFS)化學(xué)通式為Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m式中n10。A適用范圍廣：pH4-11；低水溫，混凝效果穩(wěn)定；B用量小，絮凝體沉降性能好；CCOD去除率和脫色效果好；D處理后水中鐵殘留量低，腐蝕性較小。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,(三)有機(jī)混凝劑天然高分子混凝劑人工合成高分子混凝劑，水處理中常用陰離子型、陽離子型、非離子型3種高分子混凝劑。(1)天然高分子混凝劑主要有動(dòng)物膠、淀粉、甲殼素等。特點(diǎn)：電荷密度小，分子量較低，且易發(fā)生降解而失去活性。,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,(2)人工合成高分子混凝劑陰離子型：主要含-COOM(M為H+或金屬離子)或-SO3H的聚合物，如陰離子聚丙烯酰胺(CPAM)和聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）等。陽離子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如陽離子聚丙烯酰胺（APAM）等。非離子型：所含基團(tuán)未發(fā)生反應(yīng)的聚合物。如非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）和聚氧化乙烯(PEO)等。,聚丙烯酰胺簡(jiǎn)稱PAM，又稱三號(hào)混凝劑，PAM的分子結(jié)構(gòu)通式為：PAM是線狀水溶性高分子，其分子量在300-1800萬。陰離子聚丙烯酰胺(CPAM)陽離子聚丙烯酰胺（APAM）非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）兩性離子型聚丙烯酰胺（NPAM）,第四節(jié)混凝劑與助凝劑,（3）高分子混凝劑的作用：靠氫鍵、靜電、范德華力的作用對(duì)膠粒強(qiáng)烈的吸附作用。高聚合度的線型