化學(xué)工程學(xué)-水：水的混凝

1、水的混凝(Coagulation and Flocculation)第1節(jié) 混凝的去除對象第2節(jié) 膠體的性質(zhì)第3節(jié) 水的混凝機理與過程第4節(jié) 混凝劑與助凝劑第5節(jié) 混凝動力學(xué)第6節(jié) 混凝影響因素第7節(jié) 混凝設(shè)備第8節(jié) 混凝的應(yīng)用3絮凝在水處理中應(yīng)用水處理可分為用水、廢水處理以及污泥處理。水處理技術(shù)一般有沉淀處理等物理處理、絮凝處理等化學(xué)處理、活性污泥等生物處理。其中絮凝法是最常用、簡便的、最重要的方法之一絮凝法水處理效果的好壞很大程度上取決于絮凝劑的性能，因而，絮凝劑是絮凝法水處理技術(shù)的核心。絮凝劑在用水與廢水處理和生產(chǎn)過程的固液分離中占有重要的地位。 以水處理為例,絮凝能有效脫除80%95%

2、的懸浮物質(zhì)和65%95%的膠體物質(zhì)；可有效降低水中COD;絮凝對除去水中的細菌、病毒效果穩(wěn)定,通過絮凝凈化,一般能把水中90%以上的微生物與病毒一并轉(zhuǎn)入污泥,使處理水的進一步消毒、殺菌變得比較容易；有了性能優(yōu)越的絮凝劑，控制合適的加藥量及混合及反應(yīng)條件，再經(jīng)沉淀或過濾，便能獲得理想的處理效果。隨著水中污染物成分越來越復(fù)雜，對絮凝沉降過程提出了更高要求，如何進一步強化絮凝過程，達到擴展處理范圍，提高效能，降低藥耗，縮短反應(yīng)時間，降低投資和運行成本， 一直是水處理領(lǐng)域中研究開發(fā)熱點問題。 改善傳統(tǒng)絮凝技術(shù)的質(zhì)量，需要提高三個方面的技術(shù)，一是研究開發(fā)新型高效能的絮凝劑；二是研究開發(fā)適合高效能絮凝劑反

3、應(yīng)特征的新型絮凝，過濾反應(yīng)器；三是研制開發(fā)在線自控技術(shù)系統(tǒng)。因此，在絮凝沉降的過程中，選用合適的絮凝劑，是提高絮凝沉降的有效途徑之一。 第1節(jié) 混凝的去除對象混凝去除對象：膠體及部分細小的懸浮物尺寸范圍：1nm0.1m（有時認為在1m）水處理中主要雜質(zhì)：粘土（50nm-4 m） 細菌（0.2m-80m） 病毒 (10nm-300nm) 蛋白質(zhì)（1nm-50nm） 腐殖酸 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,以便在后續(xù)沉淀工藝中去除。 以地面水為水源的給水處理工藝：原水 混凝 沉淀 過濾 消毒 飲用水 混凝沉淀二級生物處理出水過濾廢水深度處理：1637年 我國開始使用明礬凈水1

4、884年 西方才開始使用 1.膠體性質(zhì)2.混凝劑在水中溶解與形態(tài)混凝過程： 3.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 動力學(xué)穩(wěn)定性：布朗運動對抗重力聚集穩(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） 1 微米的顆粒沉淀10 厘米需要20小時。憎水膠體 ：吸附層中離子直接與膠核接觸，水分子不直接接觸膠核的膠體。 親水膠體 ：膠體微粒直接吸附水分子。 極性集團：OH，COOH，NH2 二、膠體雙電層結(jié)構(gòu) 動電位粘土=-15-40mV細菌=-30-70mV 電位形成離子 異號電荷吸附層擴散層三、DLVO理論 靜電斥力：ER1/x2 EAER布朗運動能量 Eb1

5、.5kToc 二次凝聚xoa 穩(wěn)定E范德華引力：EA1/x6（有些認為是1/x2或1/x3）蘇聯(lián)（1938年）：德加根（Derjaguin） 蘭道（Landon）荷蘭（1941年）：伏維（Verwey） 奧貝克（Overbeek）DLVO理論 只適用于憎水性膠體膠體的凝聚： 降低靜電斥力 電位 勢壘 脫穩(wěn) 凝聚 加入電解質(zhì) 只適用于憎水性膠體第3節(jié) 水的混凝機理與過程 一、硫酸鋁在水中的化學(xué)反應(yīng) 硫酸鋁Al2(SO4)318H2O Al(H2O)63+ 水解過程 （配位水分子）： Al(H2O)63+Al(OH)(H2O)52+ H+ 價數(shù)，pH ，最終產(chǎn)生Al(OH)3沉淀。6個配位水分子(

6、八面體)硫酸鋁：使用歷史最久的混凝劑，作用機理具有代表性。H+ + OH- H2OH+ + HCO3- CO2+ H2O水中堿度不足時，投加石灰。CaO + H2O Ca(OH)2石灰投加量：CaO=3a-x+CaO：純石灰投加量, mmol/La：混凝劑投量，mmol/L；x：原水堿度, mmol/L：保證反應(yīng)順利進行的剩余堿度， 一般取0.25-0.5mmol/L水解需要的堿度：縮聚反應(yīng) ：兩個相鄰OH發(fā)生架橋，產(chǎn)生高價聚合離子2Al(OH)(H2O)52+ (H2O)4Al Al(H2O)44+ 2H2O OHOH電荷升高，聚合度增大 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

7、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、水的混凝機理在水與廢水中體系復(fù)雜（大小、成份）膠體化學(xué)單一體系在水與廢水中體系復(fù)雜（大小、成份）膠體化學(xué)單一體系凝聚（Coagulation）：膠體脫穩(wěn)、凝聚絮凝（Flocculation）：脫穩(wěn)膠體變大混凝：包括兩者1壓縮雙電層理論 根據(jù)DLVO理論 電解質(zhì)（混凝劑）加入 與反離子同電荷離子 壓縮雙電層 電位 穩(wěn)定性 凝聚 很好地解釋港灣處的沉積現(xiàn)象。叔采哈代（Schulze-Hardy）法則: 凝聚能力離子價數(shù)6 理論上電位0，等電狀態(tài)效果最好實際只需電位 k Emax 0該理論不能解釋：1）混凝劑投

8、加過多，混凝效果反而下降；2）與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子混凝效果好。 臨界電位 2.吸附-電性中和作用機理范德華力、氫鍵及共價鍵力+異號聚合離子高分子膠粒3吸附架橋機理（鏈狀高分子聚合物） “膠體保護” 再穩(wěn)現(xiàn)象4.網(wǎng)捕或卷掃機理 金屬氫氧化物沉淀物在形成過程中對膠粒的網(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 使小膠體變大 （絮凝）在實際水處理過程中，往往是四種機理綜合作用。目前僅限于定性描述，有關(guān)定量研究近年也已開始。鋁鹽可能的混凝機理 pH10條件下水解COO陰離子型（HPAM）水解度：3040有機高分子單體的毒性問題。有些國家嚴(yán)格規(guī)定不得超過0.05%。發(fā)展方向： 聚

9、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） 無機復(fù)合聚合物混凝劑 傳統(tǒng)無機約占20%，無機聚合物占70%，有機約占10%。 無機有機復(fù)合： 聚合鋁/鐵-聚丙烯酰胺、聚合鋁/鐵-甲殼素、聚合鋁/鐵-天然有機高分子、聚合鋁/鐵-其它合成有機高分子 高分子絮凝劑： 陽離子有機化合物天然改性高分子：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 酸堿類：如石灰、硫酸等加大礬花粒度和結(jié)實性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨膠、高

10、分子絮凝劑氧化劑類：破壞干擾混凝的物質(zhì)，如有機物。如投加Cl2、O3等 第5節(jié) 混凝動力學(xué) 1.膠體性質(zhì)2.混凝劑在水中溶解與形態(tài)混凝過程： 3.膠體與混凝劑的相互作用 碰撞是混凝的首要條件 一、異向絮凝 (perikinetic flocculation)由布朗運動造成的碰撞，主要發(fā)生在凝聚階段。 顆粒的碰撞速率 Np8/(3) KTn2 n：顆粒數(shù)量濃度 ：運動粘度 T: 溫度凝聚速度 ：只與顆粒濃度有關(guān)，與顆粒尺寸無關(guān)。粒徑大于1m，布朗運動消失。 二、同向絮凝(orthokinetic flocculation) GU/Z (速度梯度，velocity gradient, 1/s)（相

11、鄰兩流層的速度增量） 碰撞速率N04/3 n2 d3 Gd：顆粒粒徑 ； n：顆粒數(shù)量濃度由水力或機械攪拌產(chǎn)生 最初的理論基于層流的假定。G可由單位體積水流所耗功率p來計算：pG p：單位體積流體所耗功率，W/m3 ：剪切應(yīng)力 按照牛頓定律 G (1943年發(fā)明的，甘布公式) ：動力粘度，Pa s ：運動粘度= / ，m2/s 也稱為甘布公式水力攪拌時 p由水流本身能量消耗提供pVgQhh：水頭損失（m）Q：流量V：水流體積QTT：水力停留時間（s）：密度, kg/m3g：重力加速度,9.8m/s2但存在問題： 1) 層流假設(shè)基于紊流理論的顆粒碰撞機率計算？ 能量傳遞微渦旋理論 外部施加能量大

12、渦旋小渦旋水的粘性影響增強，從而產(chǎn)生能量耗散。與顆粒尺度相當(dāng)?shù)臏u旋才會引起碰撞 使顆粒整體移動強度不足以推動顆粒碰撞由于小渦旋也是做無規(guī)則的脈動，參考類似異向絮凝中布朗擴散造成的顆粒碰撞紊流條件下顆粒碰撞速率： N08dDn2D：紊流擴散系數(shù)和布朗擴散系數(shù)之和但在紊流中，布朗擴散紊流擴散故，D u ：渦旋尺度 u ：相應(yīng)的脈動速度設(shè)渦旋尺度顆粒直徑d根據(jù)流體力學(xué)，計算脈動速度u ，則：G(/)1/2：單位時間、單位體積流體的有效能耗G(p/)1/22) G增加碰撞機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) 凝聚絮凝混合設(shè)備絮凝設(shè)備用G可以來判斷混

13、合和絮凝的程度 混合（凝聚）過程 (Mixing): 劇烈攪拌分散藥劑 時間通常在1030s，一般2min G7001000s-1，絮凝過程 ：不僅與G有關(guān)，還與時間有關(guān) 平均G2070s-1， GT1104105 實際設(shè)計，采用v和T校核GT或者平均G 最近提出GTC指標(biāo)（建議值100），C：顆粒濃度 有關(guān)混凝動力學(xué)指標(biāo)還需進一步研究。第6節(jié) 混凝影響因素 水的特性：溫度、pH及堿度、 雜質(zhì)性質(zhì)與濃度混凝劑種類：前面已有敘述水力條件：前面已有敘述一、水溫 低溫，混凝效果差，原因是： 無機鹽水解吸熱 溫度降低，粘度升高布朗運動減弱膠體顆粒水化作用增強，妨礙凝聚 對策：提高投藥量、添加高分子助凝

14、劑 二、pH及堿度 視混凝劑品種而異。無機鹽水解，造成pH下降，影響水解產(chǎn)物形態(tài)。根據(jù)水質(zhì)、去除對象，最佳pH范圍也不同。需堿度來調(diào)整pH，堿度不夠時需投加石灰。 三、水中雜質(zhì)濃度 雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機率下降，混凝效果差。 對策： 加高分子助凝劑 加粘土等礦物顆粒投加混凝劑后直接過濾 “低溫低濁”- 混凝困難四、混凝效果的評價混凝燒杯試驗（Jar test） 6聯(lián)攪拌機混凝劑投加量濁度最佳混凝劑投加量不同混凝劑效能的比較不同水和廢水的混凝效果混凝影響因素（如pH值、水中雜質(zhì)等）助凝劑的效果 混凝實驗自行設(shè)計方案第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：

15、 藥劑 溶解池 溶液池 計量設(shè)備 投加設(shè)備 混合設(shè)備 2計量與投加方式 計量：流量計（轉(zhuǎn)子、電磁）、孔口計量、計量泵投加：泵前投加 虹吸定量投加 水射器投加 泵投加數(shù)學(xué)模型法：根據(jù)水質(zhì)水量建立模型，但需要大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、涉及儀表多現(xiàn)場模擬試驗法：根據(jù)試驗結(jié)果反饋到投藥，仍有一定滯后。 流動電流檢測器（SCD）：流動電流是指膠體擴散層中反離子在外來作用下隨流體流動而產(chǎn)生的電流。絮凝監(jiān)測器：利用光電原理檢測水中絮凝顆粒變化 3投加量自動控制 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、擴散混合器，混合時間23秒機械混合：攪拌 三、絮凝設(shè)備 1. 隔板絮凝池：由往復(fù)

16、式和回轉(zhuǎn)式兩種 水頭損失：局部水頭和沿程水頭損失 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。 各段水頭損失：局部阻力系數(shù)vit: 第i廊道轉(zhuǎn)彎處水流速度vi: 第i廊道內(nèi)水流速度mi:第i廊道水流轉(zhuǎn)彎次數(shù)hhiRi：第i廊道過水?dāng)嗝嫠Π霃紺i：流速系數(shù)特點：構(gòu)造簡單、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 絮凝時間：2030分 隔板間距：不小于0.5m 2. 折板絮凝池 與隔板式相比，水流條件大大改善。絮凝時間1015分 但安裝維修較困難，折板費用較高 。 3. 機械絮凝池

17、 速度梯度應(yīng)遞減。調(diào)節(jié)容易，效果好，大、中、小水廠均可 但維修是問題。 每根旋轉(zhuǎn)軸全部漿板所耗功率：4. 不同型式組合絮凝池 往復(fù)式回轉(zhuǎn)式隔板隔板機械第8節(jié) 混凝的應(yīng)用 一、給水處理 以地面水為水源時，去除濁度和細菌。 經(jīng)混凝沉淀后一般濁度小于10度 。以地面水為水源的給水處理工藝：原水 混凝 沉淀 過濾 消毒 飲用水 二、廢水處理 1工業(yè)廢水： 用于處理一些特殊廢水，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。 可以單獨用無機混凝劑，也可和有機高分子絮凝劑聯(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，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采用二級氣浮原水含油50-10