第11章混凝(環(huán)境工程原理中北)

第十一章混凝

水中的雜質(zhì)分為懸浮物、膠體和溶解物。我們下面以不同粒徑的微粒所需要的沉淀時(shí)間來(lái)看，混凝處理的必要性。

混凝的意義第一節(jié)混凝的概念

粒徑沉降1m所需的時(shí)間

10mm礫砂1s

1mm粗砂10s懸浮物0.1mm細(xì)砂2.1min

0.01mm泥1.83h

1m

細(xì)菌183h

0.1m765d膠體0.01m20a1nm200a第一節(jié)混凝的概念混凝的對(duì)象/作用

廢水中的大顆?？梢酝ㄟ^(guò)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)。（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(lèi)、腐殖質(zhì)等。）

微小懸浮物：沉速極慢膠體顆粒：不能自然沉淀第一節(jié)混凝的概念凝聚、絮凝和混凝

混凝：是凝聚、絮凝兩各過(guò)程的總稱。是水中膠體粒子及微小懸浮物的聚集過(guò)程。

凝聚：投加混凝劑后水中的膠體失去穩(wěn)定性，膠體顆?；ハ嗄?，結(jié)果形成眾多的“小礬花”。

絮凝：凝聚過(guò)程中形成的“小礬花”通過(guò)吸附、卷帶、架橋等作用，形成顆粒較大絮凝體的過(guò)程。

混凝法：向水中投加藥劑（混凝劑），使水中的微小懸浮物和膠體聚集成沉速較大的顆粒而去除的方法。第一節(jié)混凝的概念

1、膠體穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：系指膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。膠體的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性分“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定”和“聚集穩(wěn)定”兩種。動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性:由于膠體顆粒很小，受到來(lái)自各個(gè)方向水分子熱運(yùn)動(dòng)的撞擊不均衡，做無(wú)規(guī)則的高速運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)對(duì)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(duì)膠體穩(wěn)定性的影響起關(guān)鍵作用。第二節(jié)膠體的性質(zhì)電位離子反離子擴(kuò)散層膠團(tuán)邊界滑動(dòng)面膠粒吸附層膠核ξ電位Ψ電位2、膠體的雙電層結(jié)構(gòu)電位離子層反離子層雙電層結(jié)構(gòu)吸附層和擴(kuò)散層滑動(dòng)面膠粒膠團(tuán)（膠體粒子）膠體的電動(dòng)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(kuò)散層膠粒膠團(tuán)第二節(jié)膠體的性質(zhì)3、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(lái)評(píng)價(jià)。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(rèn)為是1/d2或1/d3）由此可畫(huà)出兩者的綜合作用圖。第二節(jié)膠體的性質(zhì)第二節(jié)膠體的性質(zhì)當(dāng)膠體距離x<oa或x>oc時(shí)，吸引勢(shì)能占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)oa<x<oc時(shí)，排斥勢(shì)能占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)x=ob時(shí)，排斥勢(shì)能最大，稱為排斥能峰。另一方面，膠體的布朗運(yùn)動(dòng)能量Eb＝1.5kT，當(dāng)其大于排斥能峰時(shí)，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(shì)壘）膠體距離x<oa,凝聚

x>oa，穩(wěn)定第二節(jié)膠體的性質(zhì)以上稱為DLVO理論。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）第二節(jié)膠體的性質(zhì)膠體穩(wěn)定的原因：

A：膠體的粒徑很小，布朗運(yùn)動(dòng)劇烈，布朗運(yùn)動(dòng)抵抗重力作用影響而使膠體長(zhǎng)期懸浮于水中。B：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ξ電位越高，膠體間的靜電斥力越大。只有當(dāng)x<oa時(shí)膠粒才會(huì)發(fā)生凝聚。C：由于膠粒帶電，將極性水分子吸引到它的周?chē)纬梢粚铀ぁＫつ茏柚鼓z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)膠體的性質(zhì)

可見(jiàn)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)鍵在于消除膠體的ξ電位。

混凝處理即是要破壞膠體的穩(wěn)定性，使膠體脫穩(wěn)、聚集、沉淀析出。膠體的脫穩(wěn)：膠粒因ξ電位的降低或消除，以致失去穩(wěn)定性的過(guò)程。第二節(jié)膠體的性質(zhì)

水的混凝現(xiàn)象比較復(fù)雜。至今尚未有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。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(jī)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)捕與卷掃作用混凝機(jī)理第三節(jié)混凝機(jī)理（1）壓縮雙電層

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(kuò)散層厚度縮小。這種作用稱為壓縮雙電層。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

第三節(jié)混凝機(jī)理對(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。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。

第三節(jié)混凝機(jī)理

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(guò)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)混凝機(jī)理

帶有正電荷的高分子物質(zhì)或高聚合離子吸附了帶負(fù)電荷的膠體離子以后，就產(chǎn)生電性中和作用，從而導(dǎo)致膠粒ζ電位的降低。

在水處理中，一般均投加高分子物質(zhì)或聚合離子。

再穩(wěn)現(xiàn)象：若混凝劑投量過(guò)多，會(huì)使水中原來(lái)帶負(fù)電荷的膠體變號(hào)為帶正電荷的膠體，這是因?yàn)槟z核表面吸附了過(guò)多正離子的結(jié)果，從而使膠體又重新穩(wěn)定。

（2）吸附電中和第三節(jié)混凝機(jī)理（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(guò)吸附有機(jī)或無(wú)機(jī)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(shí)膠體顆粒之間并不直接接觸，高分子物質(zhì)在兩個(gè)膠體顆粒之間像一座橋一樣將他們連接起來(lái)。這就是吸附架橋作用。第三節(jié)混凝機(jī)理

吸附架橋中膠體再穩(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）長(zhǎng)時(shí)間的劇烈攪拌。第三節(jié)混凝機(jī)理（4）網(wǎng)捕與卷掃作用

定義：無(wú)機(jī)鹽混凝劑投量很多時(shí)（例如鋁鹽、鐵鹽），會(huì)在水中產(chǎn)生大量氫氧化物沉淀，形成一張絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在下沉過(guò)程中網(wǎng)捕、卷掃水中膠體顆粒，以致產(chǎn)生沉淀分離。沉淀物的網(wǎng)捕、卷掃作用是一種機(jī)械作用。第三節(jié)混凝機(jī)理

在混凝過(guò)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。在不同pH條件下，鋁鹽可能產(chǎn)生的混凝機(jī)理。pH<3簡(jiǎn)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第三節(jié)混凝機(jī)理

說(shuō)明：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(yáng)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。第三節(jié)混凝機(jī)理混凝過(guò)程凝聚（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――電位――脫穩(wěn)――凝聚，生長(zhǎng)成約d=10m特點(diǎn)：劇烈攪拌，瞬間完成

在混合設(shè)備中完成第三節(jié)混凝機(jī)理2．絮凝（flocculation）通過(guò)高聚合物的吸附架橋。

脫穩(wěn)膠粒――生長(zhǎng)成大礬花（d=0.6-1.2mm）的過(guò)程。

特點(diǎn)：需要一定時(shí)間，攪拌強(qiáng)度從強(qiáng)弱在絮凝設(shè)備(反應(yīng)池)中完成第三節(jié)混凝機(jī)理影響混凝的因素

絮凝作用是復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，影響混凝效果因素主要包括：1.濁度濁度過(guò)高或過(guò)低都不利于絮凝，濁度不同，所需的絮凝劑用量也不同。低濁水缺少凝聚核心，加入粘土或者可將部分沉渣連續(xù)回流到混合池入口，以促進(jìn)反應(yīng)過(guò)程。2.水溫水溫會(huì)影響無(wú)機(jī)鹽類(lèi)的水解。水溫低，水解反應(yīng)慢；水的粘度增大，布朗運(yùn)動(dòng)減弱，混凝效果下降，水的剪切力增大，絮體破碎。另外，水溫也影響反應(yīng)后的沉降過(guò)程。第三節(jié)混凝機(jī)理3pH值—影響混凝效果的重要因素

對(duì)不同的混凝劑，水的pH值影響不同。（1）硫酸鋁硫酸鋁作為混凝劑時(shí)，水的最佳pH值為：去除濁度時(shí)pH＝6.5～7.5（2）三氯化鐵三氯化鐵適用的pH值范圍比硫酸鋁寬，最佳范圍為：去除濁度時(shí)pH＝6.0～8.4高分子混凝劑對(duì)水的pH值變化適應(yīng)性較強(qiáng)，故可不考慮。

第三節(jié)混凝機(jī)理

４共存雜質(zhì)(1)有利成分:

可促進(jìn)混凝過(guò)程。除硫、磷化合物以外的其他各種無(wú)機(jī)金屬鹽，均能壓縮膠體粒子的擴(kuò)散層厚度，促進(jìn)膠體凝聚，且濃度越高，促進(jìn)能力越強(qiáng)。

(2)不利成分:

不利于混凝過(guò)程的進(jìn)行。磷酸離子、亞硫酸離子、高級(jí)有機(jī)酸離子影響高分子絮凝作用。氯、螯合物、水溶性高分子物質(zhì)和表面活性物質(zhì)不利于混凝。第三節(jié)混凝機(jī)理5.混凝劑（重要因素）①混凝劑種類(lèi)

混凝劑的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、及濃度。

膠體ξ電位高，應(yīng)投加無(wú)機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚；絮體細(xì)小，須投加高分子混凝劑或配合使用助凝劑。②混凝劑投加量

投加量與水中微粒種類(lèi)、性質(zhì)、濃度有關(guān)。

廢水的混凝處理，最佳混凝劑和最佳投藥量的選擇應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。③混凝劑的投加順序

當(dāng)使用多種混凝劑時(shí)，其最佳投藥順序可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。一般而言，當(dāng)無(wú)機(jī)混凝劑與有機(jī)混凝劑混用時(shí)，先投加無(wú)機(jī)混凝劑，再投加有機(jī)混凝劑。但當(dāng)處理的膠粒在50um以上時(shí)，常先投加有機(jī)混凝劑吸附架橋，再加無(wú)機(jī)混凝劑壓縮擴(kuò)散層使膠體脫穩(wěn)。

第三節(jié)混凝機(jī)理6、水力條件

水力條件對(duì)混凝劑效果有重要影響。主要的控制指標(biāo)為攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間。

混合階段，要求混凝劑于廢水迅速均勻混合，為此要求G在500-1000s?1，攪拌時(shí)間t應(yīng)在10-30s。

反應(yīng)階段，相應(yīng)G和t值分別應(yīng)在20-70s-1和15-30min.

為確定最佳的工藝條件，一般情況下，可以用燒杯攪拌進(jìn)行混凝的模擬實(shí)驗(yàn)。第三節(jié)混凝機(jī)理混凝劑1、混凝劑的要求：混凝效果好；對(duì)人體健康無(wú)害；使用方便；貸源充足，價(jià)格低廉。2、分類(lèi)：

種類(lèi)有不少于200－300種，按化學(xué)成分可分為無(wú)機(jī)混凝劑和有機(jī)混凝劑兩大類(lèi)。第四節(jié)混凝劑和助凝劑無(wú)機(jī)混凝劑傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑和無(wú)機(jī)高分子混凝劑。①鋁鹽

硫酸鋁（Al2(SO4)3?18H2O）

明礬（K2SO4?Al2(SO4)3?24H2O）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6.5-7.5之間。投加量大。第四節(jié)混凝劑和助凝劑②鐵鹽三氯化鐵（FeCl3?6H2O）硫酸亞鐵（FeSO4?7H2O）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)混凝劑和助凝劑③無(wú)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-n]m,式中n≤5，m≤10。

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。

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)混凝劑和助凝劑

聚合硫酸鐵(堿式硫酸鐵)(簡(jiǎn)寫(xiě)PFS)

化學(xué)通式為[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m式中n<2,m>10。

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)混凝劑和助凝劑有機(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(yáng)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)混凝劑和助凝劑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(yáng)離子型：主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如陽(yáng)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。第四節(jié)混凝劑和助凝劑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。高聚合度的線型高分子在溶液中保持適當(dāng)?shù)纳煺剐螤睿瑥亩l(fā)揮吸附架橋作用，把許多細(xì)小顆粒吸附后，纏結(jié)在一起。

第四節(jié)混凝劑和助凝劑助凝劑

(1)定義

當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時(shí)，可投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。

(2)作用

（調(diào)節(jié)或改善混凝的條件）

改善絮粒結(jié)構(gòu)，增大顆粒粒度及比重。

調(diào)整廢水的pH值，使其達(dá)到最佳的混凝條件。

第四節(jié)混凝劑和助凝劑(3)助凝劑分類(lèi)

A、pH調(diào)整劑：調(diào)節(jié)廢水的pH符合混凝處理工藝要求。常用石灰、硫酸、氫氧化鈉等。B、絮凝結(jié)構(gòu)改良劑：投加絮體結(jié)構(gòu)改良劑以增大絮體的粒徑、密度。常用骨膠、活化硅酸、海藻酸鈉、粘土、水玻璃、PAM等。C、氧化劑：有機(jī)物含量高，易起泡沫，絮凝體不易沉降。投加氯氣、次氯酸、臭氧等分解有機(jī)物，使膠體脫穩(wěn)，還可將Fe2+轉(zhuǎn)化成Fe3+,以提高混凝效果。第四節(jié)混凝劑和助凝劑

混合的目的：迅速均勻地將藥劑擴(kuò)散到水中，以創(chuàng)造良好的水解凝聚條件，與此同時(shí)，膠體脫穩(wěn)隨即完成，并借助布朗運(yùn)動(dòng)和水流紊動(dòng)進(jìn)行凝聚。在此階段不要求形成大的絮凝體。這一過(guò)程要求攪拌強(qiáng)度要大，使水流產(chǎn)生激烈的湍流，但混合時(shí)間要短，一般不超過(guò)2分鐘?；旌显O(shè)備第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備

水力混合A、普通管道混合

把藥劑投入水泵壓水水管內(nèi)，借助水流進(jìn)行混合。藥劑加入方式：第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備

在管式孔板混合器前加一錐形帽，水流和藥劑對(duì)沖錐形帽而后擴(kuò)散形成劇烈湍流，使藥劑和水達(dá)到快速混合。凈化水的藥物可以從加藥管用設(shè)備直接加進(jìn)擴(kuò)散口，然后通過(guò)殼體內(nèi)的水流的作用在原水中擴(kuò)散，并與原水中的膠體微粒反應(yīng)，經(jīng)分散、湍流等作用，再經(jīng)孔板使藥劑與原水充分混合，完成膠體脫穩(wěn)工序達(dá)到凈化水的目的。B、擴(kuò)散混合器第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備

C、跌水混合池利用水流在跌落過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊達(dá)到混合的效果。第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備

D、水躍式混合池利用3m/s以上的流速迅速流下時(shí)所產(chǎn)生的水躍進(jìn)行混合。

第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備

E、廊道式格板混合池第五節(jié)混合和絮凝設(shè)備②機(jī)械混合A水泵混合

將藥劑投加在水泵的吸水管內(nèi)或喇叭口處，利用水泵葉輪高速旋轉(zhuǎn)達(dá)到快速混合的目的。特點(diǎn)：混合效果好，不需另建混合設(shè)施；節(jié)省動(dòng)力；各型水廠均可采用；要求：泵房距離處理設(shè)備不