常規(guī)給水處理工藝 混凝

第15章混凝（coagulation）

15.1混凝機理15.2混凝劑與助凝劑15.3混凝動力學(xué)15.4影響混凝效果的主要因素15.5混凝劑的配制與投加15.6混合與絮凝設(shè)備在上一章,我們已經(jīng)講過,水中的雜質(zhì)分為懸浮物、膠體和溶解物，而我們給水處理的主要對象是細小的懸浮物和膠體微粒。我們下面以不同粒徑的微粒所需要的沉淀時間來看，混凝處理的必要性。15.1混凝機理

粒徑沉降1m所需的時間

10mm礫砂1s1mm粗砂10s懸浮物0.1mm細砂2.1min0.01mm泥1.83h1m

細菌183h0.1m765d膠體0.01m20a1nm200a由以上計算看出，水中細小懸浮物及膠體雜質(zhì)靠自然沉淀是無法去除的的，或者說需要很長的時間，這在工程上是很不經(jīng)濟的。對于這類物質(zhì)的去除要用到我們下面講的混凝沉淀來解決?；炷幚淼膶ο螅核谐３２荒苡米匀怀恋矸ǔサ募毿〉膽腋∥锖湍z體物質(zhì)?；炷霓k法：1、首先投加化學(xué)藥劑來破壞膠體和懸浮微粒在水中形成的穩(wěn)定分散系，使其聚集為具有明顯沉降性能的絮凝體。2、再用重力沉降法予以分離?！炷亩x：通過投加化學(xué)藥劑使水中膠體顆粒和細小的懸浮顆粒相互聚集，這一過程稱為混凝，包括凝聚(aggregation)和絮凝（flocculation）兩個步驟。凝聚是指使膠體脫穩(wěn)并聚集為微絮粒的過程，而絮凝則指微絮粒通過吸附、卷帶和橋連而成長為更大的絮體的過程?；炷^程涉及到三個方面的問題：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

1、膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：系指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。15.1.1膠體的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性分“動力學(xué)穩(wěn)定”和“聚集穩(wěn)定”兩種。動力學(xué)穩(wěn)定性:由于膠體顆粒很小，受到來自各個方向水分子熱運動的撞擊不均衡，做無規(guī)則的高速運動，可以克服重力不下沉，能夠均勻地分散在水溶液中。系指顆粒布朗運動對抗重力影響的能力。聚集穩(wěn)定性：系指膠體粒子之間不能相互聚集的特性。憎水性膠體：膠體帶電相斥親水性膠體：水化膜的阻礙其中聚集穩(wěn)定性對膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。電位離子層：在膠體粒子的中心是膠核，它由數(shù)百乃至數(shù)千個分散相固體物質(zhì)分子組成，在膠核表面，吸附了一層帶同號電荷的離子。反離子層：為維持膠體離子的電中性。在電位離子層外吸附了電量與電位離子層總電量相同，而電性相反的離子。雙電層結(jié)構(gòu)：電位離子層與反離子層構(gòu)成了膠體粒子的雙電層結(jié)構(gòu)。2、膠體的雙電層結(jié)構(gòu)膠體結(jié)構(gòu)示意圖電位離子層構(gòu)成了雙電層的內(nèi)層，其所帶電荷稱為膠體粒子的表面電荷，其電性和電荷量決定了雙電層總電位的符號和大小。反離子層構(gòu)成了雙電層的外層。按其與膠核的緊密程度，反離子層又分為吸附層和擴散層。反離子吸附層：緊靠電位離子，并隨膠核一起運動，和電位離子層一起構(gòu)成了膠體粒子的固定層。反離子擴散層：固定層以外的那部分反離子。它由于受電位離子的引力較小，因而不隨膠核一起運動，并趨于向溶液主體擴散，直至與溶液中的平均濃度相等。滑動面：吸附層與擴散層的交界面在膠體化學(xué)上稱為滑動面。膠粒：通常將膠核與吸附層合在一起稱為膠粒。膠團：膠粒與擴散層組成的電中性膠團，稱為膠團。由于膠粒內(nèi)反離子電荷數(shù)少于表面電荷數(shù)，故膠粒總是帶電的，其電量等于表面電荷數(shù)與吸附層反離子電荷數(shù)之差。其電性與電位離子電性相同。膠體的電動電位（ζ電位）：當膠體粒子運動時，擴散層中的大部分反離子就會脫離膠團，向溶液主體擴散。其結(jié)果必然使膠粒產(chǎn)生剩余電荷（其量等于脫離膠團的反離子所帶電荷數(shù)值，符號與電位離子相同），使膠粒與擴散層之間形成一個電位差，此電位稱為膠體的電動電位，常稱為ζ電位?？傠娢换颚纂娢唬耗z核表面的電位離子與溶液主體之間的電位差則稱為總電位或ψ電位。在總電位一定時，擴散層愈厚，ζ電位愈高，反之，擴散層愈薄，ζ電位愈低。電位引起的靜電斥力，阻止膠?；ハ鄿惤徒佑|碰撞，并在水分子的無規(guī)則撞擊下做布朗運動，使膠粒長期穩(wěn)定地分散于水中。ζ電位的大小反映膠粒帶電的多少，可以用來衡量膠體穩(wěn)定性的大小。ζ電位愈高，膠體的穩(wěn)定性就愈高。電位離子層反離子層雙電層結(jié)構(gòu)吸附層和擴散層滑動面膠粒膠團（膠體粒子）膠體的電動電位（ζ電位）總電位或ψ電位{[膠核]電位形成離子，束縛反離子}，自由反離子吸附層擴散層膠粒膠團電位決定了憎水膠體的聚集穩(wěn)定性一般粘土電位＝-15~-40mV細菌電位＝-30~-70mV3、膠體之間的相互作用（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價。膠體顆粒之間的相互作用決定于排斥能與吸引能大小，分別由靜電斥力與范德華引力產(chǎn)生。靜電斥力：ER－1/d2范德華引力：EA－1/d6（有些認為是1/d2或1/d3）由此可畫出兩者的綜合作用圖。當膠體距離x<oa或x>oc時，吸引勢能占優(yōu)勢；當oa<x<oc時，排斥勢能占優(yōu)勢；當x=ob時，排斥勢能最大，稱為排斥能峰。另一方面，膠體的布朗運動能量Eb＝1.5kT，當其大于排斥能峰時，膠體顆粒能發(fā)生凝聚。其中：k：波茲曼常數(shù)，T：溫度在常溫條件下：

Eb<<Emax（勢壘）膠體距離x<oa,凝聚

x>oa，穩(wěn)定以上稱為DLVO理論。只適用于憎水性膠體。德加根（Derjaguin）、蘭道（Landon）(蘇聯(lián)，1938年獨立提出〕;伏維（Verwey）、奧貝克（Overbeek）（荷蘭，1941年獨立提出）15.1.2硫酸鋁鹽在水中的化學(xué)反應(yīng)

最常用的混凝劑是鋁鹽和鐵鹽。將硫酸鋁Al2（SO4）3·18H2O溶于水后，立即離解出Al3+，實際上，由于H2O是極性分子，在pH≤4的條件下，通常水溶液中的Al3＋以六水合鋁離子[Al(H2O)6]3+形式存在，如pH值升高，[A1(H2O)6]3＋就會發(fā)生水解，生成各種羥基絡(luò)合鋁離子。隨著pH值的升高，水解逐級進行，最終將形成氫氧化鋁沉淀。水解過程配位水分子發(fā)生水解：結(jié)果：價數(shù)降低，pH降低，最終產(chǎn)生―Al(OH)3沉淀。由于氫氧化鋁是一個典型的兩性氫氧化物，當pH繼續(xù)增高時，可以繼續(xù)水解，生成可溶性的陽離子?？s聚反應(yīng)當然，實際反應(yīng)要復(fù)雜得多。當pH>4時，羥基絡(luò)合鋁離子增加，各離子的羥基之間還可發(fā)生架橋連接(－OH－)，產(chǎn)生多核羥基配合物(這是一種高分子縮聚反應(yīng))，它們還會繼續(xù)水解。發(fā)生架橋，產(chǎn)生高價聚合離子（多核羥基配合物）。結(jié)果：電荷升高，聚合度增大，同時多核羥基絡(luò)合物還會繼續(xù)水解。

水解反應(yīng)與縮聚反應(yīng)交錯進行，形成不同的產(chǎn)物。產(chǎn)物包括：未水解的水合鋁離子、單核羥基配合物、多核羥基配合物、氫氧化鋁沉淀等。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)。當pH＜3時，水中的鋁以形態(tài)存在；當pH=4~5時，水中以多核羥基配合物為主；當pH=6.5~7.5時，水解產(chǎn)物將以氫氧化鋁沉淀為主；當pH＞8.5時，存在。水的混凝現(xiàn)象比較復(fù)雜。至今尚未有統(tǒng)一認識。不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)。使膠體脫穩(wěn)的機理可歸結(jié)為以下四種。(1)壓縮雙電層(2)吸附電性中和作用(3)吸附架橋作用(4)網(wǎng)捕卷掃作用15.1.3混凝機理(1)壓縮雙電層根據(jù)DLVO理論，加入電解質(zhì)對膠體進行脫穩(wěn)。電解質(zhì)加入―與反離子同電荷離子―壓縮雙電層―電位―穩(wěn)定性―凝聚

定義:向水中投加電解質(zhì)后，水中與膠粒上反離子具有相同電荷的離子濃度增加了。這些離子可與膠粒吸附的反離子發(fā)生交換或擠入吸附層，使膠粒帶電荷數(shù)減少，降低ζ電位，并使擴散層厚度縮小。這種作用稱為壓縮雙電層。電位＝0，等電狀態(tài)，實際上混凝不需要電位＝0，只要使Emax=0即可，此時的電位稱為臨界電位。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。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，還來源于范德華力、氫鍵及共價鍵力（多出現(xiàn)在有聚合離子或高分子物質(zhì)存在時）。3）各種電解質(zhì)離子壓縮雙電層的能力是不同的。在濃度相等的條件下，電解質(zhì)離子破壞膠體穩(wěn)定的能力隨離子價的增高而加大。這種能力大致與離子價數(shù)的2～6方成比例。實驗表明，對同一膠體體系，要獲得相同的壓縮雙電層效果時，用一價離子，濃度需25～150mmol／L，用二價離子濃度只要0.5~2mmol／L，而用三價離子則濃度可小到0.01~0.1mmol／L。(2)吸附電性中和作用定義：吸附電中和作用是指膠粒表面對異號離子，異號膠粒或鏈狀高分子帶異號電荷的部位有強烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了它的部分或全部電荷，降低電位,減少了靜電斥力，因而容易與其它顆粒接近而互相吸附。這一點與第1條機理不同。在鋁鹽混凝的過程中，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)生的單純壓縮雙電層作用。其特點是：當藥劑投加量過多時，電位可反號。引起膠體的重新穩(wěn)定.吸附電中和圖為吸附電中和的示意圖左圖表示高分子物質(zhì)的帶電部位與膠粒表面所帶異號電荷的中和作用右圖則表示小的帶正號膠粒被帶異號電荷的大膠粒表面所吸附。(3)吸附架橋作用定義：向水中投加高分子化學(xué)藥劑，分散體系中的膠體顆粒通過吸附有機或無機高分子物質(zhì)架橋連接，凝聚為大的聚集體而脫穩(wěn)聚沉，此時膠體顆粒之間并不直接接觸，高分子物質(zhì)在兩個膠體顆粒之間像一座橋一樣將他們連接起來。這就是吸附架橋作用。高分子投量過少，不足以形成吸附架橋，但投加過多，會出現(xiàn)“膠體保護”現(xiàn)象。如下圖所示。膠體保護可理解為：當全部膠粒的吸附面均被高分子覆蓋以后，兩膠粒接近時，就受到高分子的阻礙而不能聚集。吸附架橋(4)網(wǎng)捕與卷掃作用定義：向水中投加含金屬離子的化學(xué)藥劑后，由于金屬離子的水解和聚合，會以水中的膠粒為晶核形成膠體狀沉淀物，或者在這種沉淀物從水中析出的過程中，會吸附和網(wǎng)捕膠粒而共同沉降下來，這稱為網(wǎng)捕作用。當鋁鹽或鐵鹽混凝劑投量很大而形成大量氫氧化物沉淀時，可以網(wǎng)捕、卷掃水中膠粒以致產(chǎn)生沉淀分離。如下圖所示。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)以上機理，可以解釋在不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機理。pH<3簡單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用pH=4－5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陽離子型高分子混凝劑對負電荷的膠粒電性中和與吸附架橋雙重作用，非離子型和陰離子型高分子混凝劑只能起吸附架橋作用?；炷^程凝聚（coagulation）帶電荷的水解離子或高價離子壓縮雙電層或吸附電中和――電位――脫穩(wěn)――凝聚，生長成約d=10特點：劇烈攪拌，瞬間完成

在混合設(shè)備中完成2．絮凝（flocculation）通過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）的過程。

特點：需要一定時間，攪拌強度從強弱在絮凝設(shè)備(反應(yīng)池)中完成15.2混凝劑與助凝劑一、混凝劑1、混凝劑的要求：混凝效果好；對人體健康無害；使用方便；貸源充足，價格低廉。2、分類：

種類有不少于200－300種，按化學(xué)成分可分為無機混凝劑和有機混凝劑兩大類。常用的混凝劑硫酸鋁為白色有光澤結(jié)晶體，分子式Al2(SO4)

18H2O，分為精制（雜質(zhì)含量不大于0.5%，Al2O3

含量不小于15%）和粗制(雜質(zhì)含量不大于2.4%，Al2O3

含量不小于14%)兩種。特點：混凝效果好，使用方便，對處理后的水質(zhì)無不良影響，但處理低溫、低濁水效果差。主要是由于硫酸鋁水解反應(yīng)是一個吸熱反應(yīng)，在低溫條件下，絮凝體松散。天然礦物明礬也是一種鋁鹽（Al2(SO4)3K2SO424H2O）1）無機鹽類混凝劑（1）硫酸鋁（一）混凝劑（2）三氯化鐵三氯化鐵為黑褐色有金屬光澤結(jié)晶體，分子式FeCl36H2O，極易溶于水。其中FeCl3含量達92%，不溶雜質(zhì)小于4%。與硫酸鋁相比，三氯化鐵具有以下優(yōu)點：①適用的pH值范圍較寬；②絮凝速度快，絮凝體密實，沉淀性能好；③處理低溫低濁水的效果好；④但三氯化鐵腐蝕性較強，在溶解過程中會釋放大量熱量，產(chǎn)生熱腐蝕；⑤除色效果不好；⑥易潮解，不易保管。（3）硫酸亞鐵硫酸鹽鐵為半透明綠色結(jié)晶體，俗稱綠礬。分子式為FeSO47H2O，易溶于水。特點：①只能離解出Fe2+生成簡單的單核絡(luò)合物，混凝效果比Fe3+差；②水中殘留的二價鐵離子使處理后的水帶色；③Fe2+與腐植酸反應(yīng)生成顏色更深的物質(zhì)，色度更難去除。為了提高硫酸亞鐵的混凝效果，若將投入水中的二價鐵離子氧化成三價鐵離子，則可以克服以上的缺點。一般采用調(diào)節(jié)pH值、加入氯、曝氣等方法。2）高分子混凝劑（1）聚合鋁聚合鋁包括聚合氯化鋁（PAC）和聚合硫酸鋁（PAS）.

聚合氯化鋁（PAC）又稱為堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，性能優(yōu)于硫酸鋁。化學(xué)式子是[Al2(OH)nCl6-n]m,其中，

m為聚合度，通常小于10，n=1～5

，分子量在1000左右。

B=[OH]/3[Al]=n/3*2此值行業(yè)標準要求達到：50—80%，用鋁灰，酸溶、堿溶法制成的多核配合物。與無機鹽類混凝劑比較，具有以下特點：形成絮凝體的速度快，絮凝體大而密實，沉降性能好；投藥量小(1/2_1/3)；對原水的適應(yīng)性好，混凝效果好且穩(wěn)定；適用的pH范圍寬；腐蝕性小。式中，OH和Al數(shù)目之比代表了水解和聚合反應(yīng)的程度，此值與混凝效果密切相關(guān)。羥基與鋁的摩爾數(shù)之比，通常稱之為堿化度（鹽基度）B，按下式計算：

(2)聚合硫酸鐵（PFS）

聚合鐵包括聚合硫酸鐵與聚合氯化鐵，目前常用的是聚合硫酸鐵，它是一種紅褐色的粘稠液體。它的混凝效果優(yōu)于三氯化鐵，它的腐蝕性遠比三氯化鐵小，處理后水的色度和鐵離子含量均較低。(3)聚丙烯酰胺(PAM）

非離子型聚合物。聚合度一般為20000—90000，分子量達到150—600萬。對膠體具有強烈的吸附作用。適用：廢水處理，給水高濁、低濁水效果好、價格高。(4)陰離子型聚丙烯酰胺（HPAM）

由于聚丙烯酰胺的酰胺基之間的氫鍵作用，線性分子往往不能完全展開，因此，在堿性條件下，部分水（5）陽離子型聚合物

一般帶氨基、亞氨基或季氨基的水溶性聚合物。由于天然膠體帶負電，混凝效果優(yōu)良，但價格較貴。目前，有機高分子混凝劑單體的毒性沒有解決，不能用于給水處理，大多作為助凝劑使用。解變成羧基，帶負電，在靜電斥力的作用下，使分子伸展，充分發(fā)揮吸附架橋作用，但負電過強，對絮凝產(chǎn)生阻礙，因此，控制水解度30%—40%?；炷齽┑陌l(fā)展方向無機復(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－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有機高分子絮凝劑：陽離子有機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

（1）pH調(diào)整劑

在原水pH值不符合工藝要求，或在投加混凝劑后pH值發(fā)生較大變化時，就需要投加酸性或堿性物質(zhì)予以調(diào)整。常用的pH調(diào)整劑有H2SO4、CO2和Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3等。（2）絮體結(jié)構(gòu)改良劑

為了加大絮體的粒徑、密度和機械強度。這類物質(zhì)有水玻璃、活化硅酸（SiO2.nH2O）、骨膠、海藻酸鈉、粉煤灰、粘土、高分子絮凝劑等。

當單獨使用混凝劑不能取得良好效果時，需投加某些輔助藥劑以增強混凝效果，這種能提高或改善混凝劑作用效果的化學(xué)藥劑我們稱為助凝劑。助凝劑可以參加混凝，也可不參加混凝。1、作用（3）氧化劑

當原水中的有機物含量較高時，容易形成泡沫，不僅使感觀性狀惡化，絮凝體也不易沉降。此時，應(yīng)投加Cl2、Ca(ClO)2和NaClO等氧化劑來破壞有機物。2、常用的助凝劑

骨膠、聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物、活性硅膠、海藻酸鈉等。15.3混凝動力學(xué)混凝動力學(xué)：研究顆粒碰撞速率和混凝速率問題的科學(xué)。應(yīng)包括混合過程和絮凝過程中的動力學(xué)，即凝聚動力學(xué)和絮凝動力學(xué)，但由于混合過程時間很短，絮凝時間長，因此，主要討論絮凝動力學(xué)。

顆粒相互碰撞的動力來自兩個方面：顆粒在水中的布朗運動；在水力或機械攪拌所造成的流體運動。

顆粒間的碰撞是混凝的首要條件―混凝動力學(xué)一、異向絮凝二、同向絮凝三、混凝控制指標一、異向絮凝動力學(xué)定義：脫穩(wěn)的膠體顆粒由于布朗運動造成的碰撞，主要發(fā)生在凝聚階段。在這一過程中，單位體積水中顆粒數(shù)減少，而顆粒的總質(zhì)量不變，顆粒的絮凝速率取決于顆粒的碰撞速率。

單一分散相顆粒濃度n，由于布朗運動相碰而減少的速率可以表示為n的二級反應(yīng)動力學(xué)。

式中，kp為速率常數(shù)，

則，因此，布朗運動造成的顆粒碰撞速率與溫度成正比，與顆粒密度的平方成正比，與顆粒尺寸無關(guān)。將上式積分得：則半衰期為顆粒的碰撞速率：n：顆粒數(shù)量濃度；：運動粘度；K:波茲曼常數(shù)，

—顆粒碰撞后產(chǎn)生聚集的分數(shù)。如果溫度為20度，水中顆粒濃度為105個/mL，則計算出半衰期為23d,因此，靠布朗運動進行絮凝是不現(xiàn)實的，只有剛脫穩(wěn)的小顆粒才有布朗運動，當顆粒的粒徑大于1m，布朗運動消失。二、同向絮凝動力學(xué)定義：由水力或機械攪拌所造成的流體運動引起的顆粒碰撞聚集。其理論仍在發(fā)展之中。最初的同向絮凝理論基于層流的假定推導(dǎo)的。1、層流同向絮凝設(shè)水中顆粒為均勻球體，則：碰撞速率d：顆粒粒徑(速度梯度)（相鄰兩流層的速度增量）

從上式看出，同向絮凝與水中雜質(zhì)的性質(zhì)和水力特性有關(guān)。其中，G是控制混凝效果的水力條件。G可由水流所耗功率p來計算。在被攪動的水流中，考慮一個瞬間受剪切而扭轉(zhuǎn)的隔離體，。設(shè)在時間內(nèi)，隔離體扭轉(zhuǎn)了角度，于是角速度為：轉(zhuǎn)矩為：于是單位體積水所耗功率p為：由于，故

這就是1943年發(fā)明的理論，甘布公式：動力粘度，Pa/sp：水流所耗功率，W/m3水力攪拌時pV＝gQh（由水流本身能量消耗提供）水流體積V＝QT

：運動粘度，m2/sh：水頭損失，mT：水流在混凝設(shè)備中的停留時間，s。2.同向紊流理論同向紊流理論：①外部施加的能量形成大渦旋；②大渦旋將能量輸送給小渦旋；③小渦旋將能量輸送給更小的渦旋；④只有尺度與顆粒尺寸相近的渦旋才會引起顆粒碰撞。各向同性紊流條件下的顆粒碰撞速度：式中，紊流擴散系數(shù)，，為相應(yīng)于尺度的脈動速度。

故，式中，我們可以看出，上式與甘布公式很相似，只是系數(shù)不同。由于，大漩渦傳遞能量而不消耗能量，消耗能量的主要是受粘性影響的小漩渦，因此，仍然可以用甘布公式。所需的絮凝時間：PF型反應(yīng)器：

CSTR型反應(yīng)器：m個絮凝池串聯(lián)：

書中p268計算表明：要達到相同的混凝效果，推流式反應(yīng)器所需的時間最短，完全混合式所需時間最長，一般采用幾個CSTR串聯(lián)，串聯(lián)的級數(shù)為3—4級。三、混凝控制指標自藥劑與水均勻混合起直至大顆粒絮凝體形成為止，工藝上總稱混凝過程。相應(yīng)設(shè)備有混合設(shè)備和絮凝設(shè)備。用G可以來判斷混合和絮凝的程度?；旌希郏┻^程：在混合階段，對水流進行劇烈攪拌的目的主要是使藥劑快速均勻分散以利于混凝劑快速水解、聚合、及顆粒脫穩(wěn)。平均G＝700~1000s-1，時間通常在10～30s，一般<2min此階段，雜質(zhì)顆粒微小，同時存在顆粒間異向絮凝。絮凝過程：主要靠機械或水力攪拌促使顆粒碰撞凝聚，故以同向絮凝為主。同向絮凝效果不僅與G有關(guān)，還與時間有關(guān)。在絮凝階段，通常以G值和GT值作為控制指標。平均G＝20－70s-1，GT＝1～（104－105）隨著絮凝的進行，G值應(yīng)逐漸減小

實際設(shè)計，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

15.4影響混凝效果的主要因素影響混凝效果的因素比較復(fù)雜，主要包括：①原水性質(zhì)，包括水溫、水化學(xué)特性、雜質(zhì)性質(zhì)和濃度等；②投加的凝聚劑種類與數(shù)量；③使用的絮凝設(shè)備及其相關(guān)水力參數(shù)。1、水溫的影響水溫低時，通常絮凝體形成緩慢，絮凝顆粒細小、松散，凝聚效果較差。原因：無機鹽混凝劑水解是吸熱反應(yīng)，低溫水混凝劑水解困難。低溫水的粘度大，使水中雜質(zhì)顆粒布朗運動強度減弱，碰撞機會減少，不利于膠粒脫穩(wěn)凝聚。同時，水的粘度大時，水流剪力增大，影響絮凝體的成長。水溫低時，膠體顆粒水化作用增強，妨礙膠體凝聚。而且水化膜內(nèi)的水由于粘度和重度增大，影響了顆粒之間粘附強度。水溫與水的pH值有關(guān)。水溫低時，水的pH值提高，相應(yīng)地混凝最佳pH值也將提高。2、pH值水的pH值對混凝效果的影響程度很大，主要從兩個方面來影響混凝效果。

1.水的pH直接與水中膠體顆粒的表面電荷核電位有關(guān)，不同pH下膠體顆粒的表面電荷和電位不同，所需的混凝劑數(shù)量也不同。

2.水的pH值對混凝劑的水解反應(yīng)有顯著影響，不同的混凝劑的最佳水解反應(yīng)所需的pH值范圍不同。

3.混凝時的最佳pH范圍還與原水水質(zhì)、去除對象等密切相關(guān)。

式中，[CaO]：純石灰CaO投量，mmol/L；

[a]：混凝劑投量，mmol/L；

[x]：原水堿度，按mmol/L，CaO計；

[δ]：保證反應(yīng)順利進行的剩余堿度，一般取

0.25—0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通過試驗決定。當混凝劑加入原水中，發(fā)生水解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的H+會消耗水中堿度。特別是投加無機鹽類凝聚劑或混凝劑投量比較大時，消耗的堿度過多，造成水的pH值下降，如果水的pH超過混凝劑的最佳混凝pH值范圍，混凝效果將受到影響。當原水堿度不夠或混凝劑投量大時，需要投加石灰。石灰投量按下式估算：

[CaO]=3[a]－[x]＋[δ]3、堿度3、水中雜質(zhì)成分、性質(zhì)、濃度粒徑級配、化學(xué)組成、帶電性能、吸附性能粒徑細小而均一不好有機物的影響吸附在膠體表面，使其高度穩(wěn)定溶解鹽類的影響鈣鎂離子有利，氯離子無利雜質(zhì)濃度低，顆粒間碰撞機率下降，混凝效果差。

對策：1）加高分子助凝劑

2）加粘土，增加混凝劑水解產(chǎn)物的凝結(jié)中心，提高絮凝體的密實性

3）投加混凝劑后直接過濾4、混凝劑種類與投加量的影響不同的混凝劑其水解特性和適用的水質(zhì)情況不完全相同，因此應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)情況選擇合適的混凝劑。5、混凝劑的投加方式的影響混凝劑的投加方式有干投和濕投兩種。由于固體混凝劑和液體混凝劑甚至不同濃度的液體混凝劑之間，其中能壓縮雙電層或具有吸附電性中和能力的混凝劑的水解形態(tài)不完全相同，因此，投加到水中產(chǎn)生的混凝效果也不完全一樣。硫酸鋁以稀溶液投加較好，而三氯化鐵以干投或濃溶液形式投加較好。6.水力條件的影響15.5混凝劑的配制與投加一、混凝劑的溶解和溶液的配制

混凝劑的投配方法分干投法與濕投法兩種。實踐中多用濕投法。濕投法也就是將固體混凝劑溶解后，配制成一定濃度的溶液投入到水中。對于液體混凝劑，加水稀釋到一定的濃度后投加。1、投配流程下圖為溶藥、配藥及投藥過程和設(shè)備的示意圖。藥劑的溶解和投加過程2、溶解池固體轉(zhuǎn)化為液體的裝置。溶解池的形狀可以是圓的、方形和矩形。溶解池的結(jié)構(gòu)：鋼制小型水廠混凝土大中型水廠溶解池的大小與水廠的規(guī)模和藥劑種類有關(guān)。溶解池容積W1：

W1=（0.2~0.3）W2

式中W2為溶液池容積。3、溶液池將經(jīng)過溶解的混凝劑稀釋到可以投加的濃度。式中：W2——溶液池容積，m3；

Q——處理的水量m3/h；

a——混凝劑最大投加量，mg/L；

c——溶液濃度，一般取5%~20%；

n——每日調(diào)制次數(shù)，一般不超過3次。4、攪拌方式攪拌目的：加速藥劑溶解。攪拌裝置：機械攪拌、壓縮空氣攪拌及水力攪拌。機械攪拌：以電動機驅(qū)動漿板或渦輪攪動溶液。特點：溶藥效果好，但投資及設(shè)備維修工作量大。壓縮空氣攪拌：向池內(nèi)通入壓縮空氣進行攪拌。特點：與機械攪拌相比溶解速度慢，動力消耗大，但因為沒有與溶液直接接觸的設(shè)備，維修工作量小。適用于適用于各種規(guī)模的水廠和各種混凝劑的溶解。水力攪拌：利用水廠的高壓水直接對藥劑進行沖溶和淋溶或水泵循環(huán)的方式。前一種方式的特點：節(jié)省機電設(shè)備，溶藥效率低、不充分，適用于中小水廠和極易溶解的藥劑。后一種方式的特點：與前一種方式相比，溶藥效率高，但是仍然不夠快。溶解池溶液池二、混凝劑的投加1．計量設(shè)備

要求：投量準確且能隨時調(diào)節(jié)，設(shè)備簡單，工作可靠，使用方便。常用計量設(shè)備：1）轉(zhuǎn)子流量計不準確2）電磁流量計3）孔口和苗嘴在一定液位下，一定孔徑的孔口或苗嘴，出流量一定準確簡單4）計量泵準確但貴2、投加方式混凝劑的投加方式有多種分類。按混凝劑的狀態(tài)分為干投和濕投。按投加的位置分泵前投加和泵后投加。按投加的動力源分重力投加和壓力投加。常用的濕投加方式（1）泵前投加

將藥劑投加到水泵的吸水管或吸水喇叭口處。安全可靠，一般適用取水泵房距水廠較近者，圖中水封箱是為防止空氣進入。（2）高位溶液池重力投加

混凝劑溶液從較高的溶液池依靠重力自動流加到原水中（壓水管或混合池的入口）。安全可靠，適用取水泵房距水廠較遠者，但溶液池位置較高。（3）水射器投加

利用高壓水通過水射器噴嘴和喉管之間形成的真空抽吸作用將藥液吸入。設(shè)備簡單，使用方便，溶液池高度無特殊要求，但效率低，易磨損。（4）泵投加如果選擇計量泵投加，不必另設(shè)計量設(shè)備，適合混凝劑自動控制系統(tǒng)，有利于藥劑與水混合。如果選擇離心泵投加，需另配備計量設(shè)備。3．投加量的自動控制最佳投加量：既定水質(zhì)目標的最小混凝劑投加量。由于影響混凝的因素復(fù)雜、水廠運行中水質(zhì)、水量不斷變化，故為了達到混凝劑的最佳投量且能隨時調(diào)節(jié)、準確投加一直是水處理技術(shù)人員研究的目標。我國大多采用混凝攪拌試驗，確定最佳混凝劑投加量，然后進行人工調(diào)節(jié)。該方法簡單易行，但從試驗結(jié)果到生產(chǎn)應(yīng)用滯后，一般滯后1～3h，且實驗條件和生產(chǎn)條件也很難一致，為了提高混凝效果、節(jié)省投藥量發(fā)展了多種混凝自動控制技術(shù)。自動控制方法：1）數(shù)學(xué)模型法對于某一特定水源，可根據(jù)水質(zhì)、水量建立數(shù)學(xué)模型，寫出程序交計算機執(zhí)行調(diào)控。采用數(shù)學(xué)模型實行加藥自動控制的關(guān)鍵是：必須要有前期大量而又可靠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才可運用數(shù)理統(tǒng)計方法建立符合實際生產(chǎn)的數(shù)學(xué)模型。適用特定原水條件，水質(zhì)儀表多，投資大。2）現(xiàn)場模擬試驗法采用現(xiàn)場模擬裝置來確定和控制投藥量是較簡單的一種方法，常用的模擬裝置是斜管沉淀器，過濾器或兩者并用。原水濁度低時，常用模擬過濾器，原水濁度高時可用斜管沉淀器或過濾器串聯(lián)使用。此法存在反饋滯后現(xiàn)象，模擬裝置與生產(chǎn)設(shè)備存在一定的差別，但與實驗室相比，更接近實際情況。3）特性參數(shù)法影響混凝效果的因素復(fù)雜，在某種情況下、某一特性參數(shù)是影響混凝效果的主要因素，這一因素的變化反映了混凝程度的變化。流動電流檢測器法和透光率脈動法屬于特性參數(shù)法。流動電流是指膠體擴散層中反離子在外力作用下隨著流體流動而產(chǎn)生的電流。此電流與膠體ξ電位有正相關(guān)關(guān)系,而混凝后膠體ξ電位變化反映了膠體脫穩(wěn)程度。優(yōu)點是控制因子單一；投資低，操作簡單；控制精度較高。缺點是投藥量與流動電流很少相關(guān)。透光率脈動法是利用光電原理檢測水中絮凝體顆粒尺寸和數(shù)量的變化，達到混凝在線連續(xù)控制的新技術(shù)。優(yōu)點是因子單一，不受混凝機理或品種的限制，不受水質(zhì)限制。絮凝顆粒影像檢測控制法是由絮體圖像采集傳感器獲得絮凝體圖像數(shù)據(jù)，輸入計算機進行圖像處理，并根據(jù)絮凝體圖像判別混凝藥劑投量是否合適，然后反饋給投藥控制單元調(diào)節(jié)混凝劑投加量。15.7混合和絮凝設(shè)備

混合的目的：迅速均勻地將藥劑擴散到水中，以創(chuàng)造良好的水解凝聚條件，與此同時，膠體脫穩(wěn)隨即完成，并借助布朗運動和水流紊動進行凝聚。在此階段不要求形成大的絮凝體。這一過程要求攪拌強度要大，使水流產(chǎn)生激烈的湍流，但混合時間要短，一般不超過2分鐘。、混合設(shè)備1、水泵混合投藥投加在水泵吸水管上或吸水喇叭口處。利用水泵葉輪的高速旋轉(zhuǎn)達到快速混合目的。

特點：混合效果好，不需另建混合設(shè)備，節(jié)省動力，適用于各種類型水廠。不適用于取水泵站距離處理構(gòu)筑物較遠的場合，因為可能在管中過早形成絮凝體，流出時容易破碎，且管中流速小時，容易在管中沉積，一般要求小于150m。另外也不適用于混凝劑具有較強腐蝕性時，長期運行可能對水泵葉輪有腐蝕作用。2、管式混合

1）管道混合將藥劑直接投到水泵壓水管，借助管中流速進行混合。特點：簡單易行，不需另建混合設(shè)備，但混合效果不穩(wěn)定，特別是流速低時混合效果不充分。要求：管中流速大于1m/s，一般采用1.5～2.0m/s，水頭損失0.3—0.4m，投藥點至末端出口的距離不小于50倍的管道直徑。G=200～500s-1。2）管式靜態(tài)混合器混合器內(nèi)安裝若干固定混合單元，每個混合單元由若干固定葉片按一定的角度交叉組成。使水流產(chǎn)生分流和旋流達到混合目的。特點：構(gòu)造簡單、無活動部件、安裝方便、混合快速而均勻，流量小時效果下降。3）擴散混合器在管式孔板混合器前加一個錐形帽，錐形帽夾角90°。順流方向投影面積為進水管總截面面積的1/4，開孔面積為進水管總截面面積的3/4，孔板處流速為1.0~1.5m/s，混合時間2~3s。節(jié)管長度不小于500mm。水頭損失約0.3~0.4m。直徑在DN200～DN1200。3．水力混合1）隔板混合池：利用水流受到局部阻流而產(chǎn)生的湍流來達到混合目的。設(shè)三塊隔板，最后一道隔板后的槽深不小于0.4～0.5m；槽內(nèi)流速0.6m/s；縫隙流速1m/s，縫隙下淹沒水深0.1～0.15m；總水頭損失0.4m。適用于流量變化不大的大中型水廠，池深較淺，占地大。2）跌水混合：利用水位的突然跌落所產(chǎn)生的水流急劇攪動達到混合目的。有水躍式和跌水混合池兩種。水躍式一般設(shè)在進水明渠上，水流自由跌落形成水躍，產(chǎn)生水流的急劇攪動，混凝劑加在水流最為湍急處，要求：上下游水位差大于0.5m，過堰流速大于3m/s。適用于大中型水廠，自流進水且又富余水頭。

水躍式混合池跌水混合池利用水流在跌落過程中產(chǎn)生的沖擊達到混合的效果。3）渦流式混合設(shè)備設(shè)計要點：底部錐角30-45°；反應(yīng)時間1-1.5min，≤2min；入口流速1-1.5m/s；圓柱部分上升流速25mm/s。4．機械混合池形方形或圓形，方形多，深寬比1：1～3：1。T=10～30s，不大于2min，G=500～1000-1。在池內(nèi)安裝攪拌裝置，攪拌器可以是漿板式(2m3小池)、螺旋式（2～30m3）、透平式。透平式：攪拌葉片直徑與混合池直徑比1：3～1：4，攪拌軸偏離中心，減少共同回流。特點：混合效果好，且不受水量變化影響，適用于各種規(guī)模的水廠，但維修工作量大。常用的混合設(shè)備二、絮凝（反應(yīng)）設(shè)備

反應(yīng)設(shè)備的任務(wù)：是使細小礬花逐漸絮凝成較大顆粒，以便于沉淀除去。反應(yīng)設(shè)備中要求水流有適宜的攪拌強度，既要為細小絮體的逐漸長大創(chuàng)造良好的碰撞機會和吸附條件，又要防止已形成的較大礬花被碰撞打碎。因此，攪拌強度比混合階段要小，但時間比較長。幾種典型的絮凝（反應(yīng)）池1、隔板絮凝池2、折板絮凝池3、機械絮凝池4、其他類型絮凝池由往復(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0.3－0.5m，回轉(zhuǎn)式的水頭損失比往復(fù)式的小40％左右。1、隔板絮凝池特點：構(gòu)造簡單；管理方便；效果較好，對原水的適應(yīng)能力強；反應(yīng)時間長，容積大；水頭損失大；不適應(yīng)水量變化大和水量小的水廠。（一般反應(yīng)池的深度與沉淀池一樣，取3.0m，起端流速控制0.5—0.6m/s，槽寬取0.5m，水量至少要6萬噸）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)：4－6段絮凝時間：20－30min隔板間距：大于0.5m，便于施工和檢修轉(zhuǎn)彎處過水段面的面積為廊道過水斷面面積的1.2～1.5倍池底坡度：0.02～0.03便于排泥，設(shè)直徑150mm的排泥管特點：與隔板式相比，水流條件大大改善，有效能量消耗比例提高，絮凝時間10－15min但安裝維修較困難，折板費用較高2、折板絮凝池折板絮凝池是在隔板絮凝池的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，將隔板反應(yīng)池中的水平隔板改為間距較小的、并有一定的角度的豎流式折板。折板可以是平板也可以是波紋板，有同波折板和異波折板，并且可以組合使用。按水流通過折板的間隙數(shù)，分為單通道和多通道兩種。設(shè)計參數(shù)：段數(shù)：不少于3段各段流速：第一段0.25～0.35m/s，第二段0.15～0.25m/s，第三段0.1～0.15m/s絮凝時間：10－15min折板的夾角90～120度，波高0.25～0.40m，材質(zhì)為塑料板、鋼絲網(wǎng)水泥板、不銹鋼板

是通過機械帶動葉片而使液體運動以完成絮凝的。攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水平軸式和垂直軸式（中、?。?。第一格攪拌強度最大，而后逐步減小，G值也相應(yīng)減小