化學(xué)混凝法課件

第2章污水的化學(xué)處理法2.1化學(xué)混凝法2.2中和法2.3化學(xué)沉淀法2.4氧化-還原法7/27/202312.1化學(xué)混凝法(Coagulation)概述

混凝原理混凝劑和助凝劑

影響混凝的主要因素

混凝工藝過程與設(shè)備7/27/20232一、概述1、廢水分散體系

根據(jù)分散相粒度不同，廢水可分為三類：

粗分散體系（懸浮液）：分散相粒度>100nm。膠體分散體系（膠體溶液）：分散相粒度為1~100nm。分子-離子分散體系（真溶液）：分散相粒度為0.1~1nm。7/27/20233懸浮液膠體溶液真溶液吸附法等處理混凝法處理自然沉淀或過濾處理0.1nm1nm100nm粒度100m1nm0.1nm7/27/202343、混凝法的用途可以用來降低廢水的濁度和色度，去除多種高分子有機(jī)物、某些重金屬和放射性物質(zhì)。如造紙、鋼鐵、紡織、化工、食品等工業(yè)廢水及城市污水的三級(jí)處理能改善污泥的脫水性能。如污泥處理

2、去除對(duì)象：主要為廢水中細(xì)小的懸浮顆粒和膠體顆粒。4、優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單，維護(hù)操作易于掌握，處理效果好，間歇或連續(xù)運(yùn)行皆可。

缺點(diǎn)：運(yùn)行費(fèi)用較高，沉渣量大，且脫水較困難。7/27/20235二、混凝原理混凝是通過向廢水中投加化學(xué)藥劑——混凝劑(coagulant)，破壞膠體的穩(wěn)定性，使細(xì)小懸浮顆粒和膠體微粒聚集(aggregation)成較粗大的顆粒而沉淀，得以與水分離，使廢水得到凈化。7/27/202361、廢水中膠體顆粒的穩(wěn)定性（1）膠體特性光學(xué)性質(zhì)：在水溶液中能引起光的反射的性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)：主要是指膠體的布朗運(yùn)動(dòng)。表面性能：比表面積大，具有極大的表面自由能，使膠體顆粒具有強(qiáng)烈的吸附能力和水化作用。動(dòng)電現(xiàn)象：膠體的動(dòng)電現(xiàn)象包括電泳與電滲。電泳現(xiàn)象說明膠體微粒是帶電的。膠體的穩(wěn)定性正是上述特性的綜合表現(xiàn)，尤其是膠粒之間的靜電斥力的作用結(jié)果。如要了解膠體帶電現(xiàn)象和使膠體脫穩(wěn)的途徑，就必須研究膠體的結(jié)構(gòu)。7/27/20237膠體的雙電層結(jié)構(gòu)模型膠核電位離子束縛反離子膠團(tuán)邊界（2）膠體的結(jié)構(gòu)滑動(dòng)面吸附層擴(kuò)散層7/27/20238膠體粒子的結(jié)構(gòu)式：7/27/20239[Fe(OH)3]mnH＋(n－x)Cl－x+xCl－

膠核(nuclear)膠粒(colloidalparticle)吸附層stationarylayer擴(kuò)散層diffuselayer膠團(tuán)(colloidalmicelle)例：氫氧化鐵膠體由三氯化鐵水解形成。試寫出氫氧化鐵膠體粒子的結(jié)構(gòu)式。解：氫氧化鐵膠體粒子的結(jié)構(gòu)式如下所示：電位形成離子自由反離子束縛反離子其中，m為膠核中的分子數(shù)；n為被吸附的電位離子數(shù)；(n-x)為吸附層中反離子數(shù)；x為擴(kuò)散層中的反離子數(shù)。10(3)電位（總電位）與電位（電動(dòng)電位）膠粒與溶液主體之間的電位差，稱為電動(dòng)電位，常稱電位。膠核表面的電位離子與溶液主體之間的電位稱為總電位或稱電位

。在總電位一定時(shí)，擴(kuò)散層愈厚，

電位愈高；反之?dāng)U散層愈薄，

電位也愈低。

電位引起的靜電斥力，阻止膠?；ハ嘟咏徒佑|碰撞。11

電位對(duì)于某類膠體而言，是固定不變的，它無法測(cè)出，也不具備實(shí)用意義。電位可通過電泳或電滲計(jì)算得出，測(cè)定電位可確定電荷大小以及穩(wěn)定程度。它隨著溫度、PH值及溶液中反離子濃度等外部條件而變化，在水處理中具有重要的意義。q—電動(dòng)電荷密度δ—擴(kuò)散層厚度ε—水的介電常數(shù)7/27/202312(4)膠體保持穩(wěn)定的原因

1）膠體微粒的帶電性。同類的膠體微粒間的靜電斥力阻止微粒間彼此接近而聚合成較大的顆粒。2）水化作用。帶電荷的膠粒和反離子都能與周圍的水分子發(fā)生水化作用，形成一層水化殼，阻礙各膠粒的聚合。上述分析說明，水中膠體物質(zhì)是相當(dāng)穩(wěn)定的，要想去除它，首先要使它們脫穩(wěn)，然后凝聚和絮凝。132.膠體的脫穩(wěn)機(jī)理膠體顆粒保持分散的懸浮狀態(tài)的特性稱為膠體的穩(wěn)定性（stabilization)。膠體因電位降低或消除，從而失去穩(wěn)定性的過程稱為脫穩(wěn)(destabilization)。凝聚：指脫穩(wěn)的膠粒相互聚集為較大顆粒的過程。絮凝：指未經(jīng)脫穩(wěn)的膠體形成大顆粒絮體的過程?；炷喊酆托跄齼蓚€(gè)過程。混凝機(jī)理：可分為壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕四種。7/27/202314（1）壓縮雙電層機(jī)理

(modificationoftheelectricaldoublelayer)雙電層的厚度與溶液中的反離子的濃度有關(guān)。當(dāng)向溶液中投加電解質(zhì)，使溶液中離子濃度增高時(shí)，則擴(kuò)散層的厚度將減小。該過程的實(shí)質(zhì)是加入的反離子與擴(kuò)散層原有反離子之間的靜電斥力把原有部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴(kuò)散層厚度減小。由于擴(kuò)散層厚度的減小，膠粒得以迅速凝聚。7/27/202315溶液中離子濃度與擴(kuò)散層厚度的關(guān)系

溶液中離子濃度低溶液中離子濃度高BA到顆粒表面的距離反離子濃度O溶液中離子濃度低時(shí)，擴(kuò)散層厚度為OA溶液中離子濃度高時(shí)，擴(kuò)散層厚度減小為OB7/27/202316港灣處泥沙沉積現(xiàn)象可用該機(jī)理較好地解釋。因?yàn)榈M(jìn)入海水時(shí)，海水中鹽類濃度較大，使淡水中膠粒的穩(wěn)定性降低，易于凝聚，所以在港灣處泥砂易沉積。該機(jī)理無法解釋的現(xiàn)象：如以三價(jià)鋁鹽或鐵鹽作混凝劑，當(dāng)其投量過多時(shí)，凝聚效果反而下降，其至重新穩(wěn)定。壓縮雙電層機(jī)理只是通過單純靜電現(xiàn)象來說明電解質(zhì)對(duì)脫穩(wěn)的作用，如僅用它來解釋水中的混凝現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生一些矛盾。為此，又提出了其他幾種機(jī)理。7/27/202317（2）吸附電中和機(jī)理

(electricalneutralization)膠粒表面對(duì)異號(hào)離子、異號(hào)膠粒、鏈狀離子或分子帶異號(hào)電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了電位離子所帶電荷，減少了靜電斥力，降低了電位，使膠體的脫穩(wěn)和凝聚易于發(fā)生。顯然，其結(jié)果與壓縮雙電層相同，但作用機(jī)理是不同的。鋁鹽和鐵鹽混凝劑投加量過多，凝聚效果反而下降的現(xiàn)象，可以用本機(jī)理解釋。因?yàn)槟z粒吸附了過多的反離子，使原來的電荷變號(hào)，排斥力變大，從而發(fā)生了再穩(wěn)現(xiàn)象。7/27/202318（3）吸附架橋（橋連）機(jī)理

(polymerbridgingofcolloids)吸附架橋作用主要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)生吸附橋連的過程。L本機(jī)理能解釋當(dāng)廢水濁度很低時(shí)有些混凝劑效果不好的現(xiàn)象。因?yàn)閺U水中膠粒少，當(dāng)聚合物伸展部分一端吸附一個(gè)膠粒后，另一端因粘連不著第二個(gè)膠粒，只能與原先的膠粒粘連，就不能起架橋作用，從而達(dá)不到混凝的效果。19高分子絮凝劑對(duì)膠體或微粒的吸附架橋作用示意圖

＋在吸附橋聯(lián)過程中，膠粒并不一定要脫穩(wěn)，也無需直接接觸。該機(jī)理可解釋非離子型或帶同號(hào)電荷離子型高分子絮凝劑得到好的絮凝效果的現(xiàn)象。初期吸附絮體形成7/27/202320（4）沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理

(entrapmentintheflocstructure)沉淀金屬氫氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或帶金屬的碳酸鹽(如CaCO3)時(shí)，水中的膠粒和細(xì)微懸浮物可被這些沉淀物在形成時(shí)作為晶核或吸附質(zhì)所網(wǎng)捕。以上介紹的混凝的四種機(jī)理，在水處理中往往可能是同時(shí)或交叉發(fā)揮作用的，只是在一定情況下以某種機(jī)理為主而已。返回目錄7/27/202321三、混凝劑與助凝劑凝聚(coagulation)是瞬時(shí)的，所需的時(shí)間是將化學(xué)藥劑擴(kuò)散到全部水中的時(shí)間。絮凝(flocculation)則與凝聚作用不同，它需要一定的時(shí)間讓絮體長大，但在一般情況下兩者難以截然分開。混凝（coagulation-flocculation）習(xí)慣上將低分子電解質(zhì)稱為凝聚劑，而將高分子藥劑稱為絮凝劑?；炷齽?coagulant)：一般把能起凝聚與絮凝作用的藥劑統(tǒng)稱為混凝劑。助凝劑(coagulantaids)：當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時(shí)，可投加某類輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。7/27/2023221.混凝劑類型無機(jī)鹽類（鐵鹽和鋁鹽）有機(jī)高分子類普通鋁、鐵鹽聚合鋁、鐵鹽7/27/202323(1)無機(jī)鹽類1）普通鋁、鐵鹽普通鋁鹽：硫酸鋁、明礬等普通鐵鹽：三氯化鐵、硫酸亞鐵、硫酸鐵等2）聚合鋁、鐵鹽聚合氯化鋁聚合硫酸鐵7/27/202324(2)有機(jī)高分子類(polyelectrolytes)分類：天然和人工兩種，其中天然高分子混凝劑的應(yīng)用遠(yuǎn)不如人工的廣泛，主要原因是其電荷密度小，分子量較低，且容易發(fā)生降解而失去活性。根據(jù)高分子聚合物所帶基團(tuán)能否離解及離解后所帶離子的電性，可分為陰離子型(anionic)、陽離子型(cationic)和非離子型(nonionic)7/27/202325特點(diǎn)：高分子混凝劑一般為鏈狀結(jié)構(gòu)，各單體間以共價(jià)鍵結(jié)合。高分子混凝劑溶于水中，將生成大量的線形高分子。作用機(jī)理：（a）由于氫鍵結(jié)合、靜電結(jié)合、范德華力等作用對(duì)膠粒的吸附結(jié)合；（b）線型高分子在溶液中的吸附架橋作用。在一般情況下，不論混凝劑為何種離子型，對(duì)不同電性的膠體和細(xì)微懸浮物都是有效的。但如為離子型，且電性與膠粒電性相反，就能起降低電位和吸附架橋雙重作用，可明顯提高絮凝效果。7/27/2023262.助凝劑（1）pH調(diào)整劑常用石灰、硫酸、氫氧化鈉、碳酸鈉等。（2）絮體結(jié)構(gòu)改良劑如活性硅酸、粘土等。（3）氧化劑可投加氯氣、次氯酸鈉、臭氧等氧化劑來破壞有機(jī)物，以提高混凝效果。返回目錄7/27/202327四、影響混凝的因素廢水水質(zhì)混凝劑水利條件7/27/2023281.廢水水質(zhì)的影響（1）濁度(turbidity)濁度過高或過低都不利于混凝，濁度不同，所需的混凝劑用量也不同。（2）pH值在混凝過程中，都有一個(gè)相對(duì)最佳pH值存在，使混凝反應(yīng)速度最快，絮體溶解度最小。不同混凝劑最佳pH值要通過試驗(yàn)確定。7/27/2023291.廢水水質(zhì)的影響（3）水溫(temperature)水溫會(huì)影響無機(jī)鹽類的水解水溫低，水的粘度增大，布朗運(yùn)動(dòng)減弱，混凝效果下降。（4）共存雜質(zhì)(impurities)有些雜質(zhì)的存在能促進(jìn)混凝過程。而有些物質(zhì)則不利于混凝的進(jìn)行。7/27/2023302.混凝劑的影響（1）混凝劑種類(kindsofcoagulants)混凝劑的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、濃度。如水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，且電位較高，則應(yīng)先投加無機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如絮體細(xì)小，還需投加高分子混凝劑或配合使用活性硅酸等助凝劑。很多情況下，將無機(jī)混凝劑與高分子混凝劑并用，可明顯提高混凝效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。7/27/202331（2）混凝劑投加量(dosage)與水中微粒種類、性質(zhì)、濃度有關(guān)；與混凝劑品種、投加方式及介質(zhì)條件有關(guān)。最佳混凝劑和最佳投藥量，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。一般的投加量范圍：普通鐵鹽、鋁鹽為10~30mg/L；聚合鹽為普通鹽的1/2~1/3;有機(jī)高分子混凝劑通常只需1~5mg/L。

若投加量過量，很容易造成膠體的再穩(wěn)。（3）混凝劑投加順序(sequence)最佳投加順序可通過試驗(yàn)來確定。一般而言，當(dāng)無機(jī)與有機(jī)并用時(shí)，先加無機(jī)混凝劑，再加有機(jī)混凝劑。但當(dāng)處理的膠粒在50m以上時(shí)，常先加有機(jī)混凝劑吸附架橋，再加無機(jī)混凝劑壓縮擴(kuò)散層而使膠體脫穩(wěn)。7/27/2023323.水力條件的影響水力條件對(duì)混凝效果有重要影響。兩個(gè)主要的控制指標(biāo)是攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間。混合階段：要求混凝劑與廢水迅速均勻混合，為此要求攪拌強(qiáng)度要大，但時(shí)間要短。速度梯度G應(yīng)在500–1000s－1，攪拌時(shí)間t應(yīng)在10–30s。反應(yīng)階段：既要?jiǎng)?chuàng)造足夠的碰撞機(jī)會(huì)和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長機(jī)會(huì)，又要防止生成的小絮體被打碎，因此攪拌強(qiáng)度要小，而時(shí)間要長，相應(yīng)G和t值分別應(yīng)在20－70s-1和15－30min。7/27/202333五、混凝工藝過程及設(shè)備混凝的工藝過程混凝設(shè)備7/27/202334廢水混凝劑混合反應(yīng)沉降（澄清）出水污泥1、混凝的工藝過程混合目的是使混凝劑盡快與水混合，需要短時(shí)間高強(qiáng)度攪拌反應(yīng)階段的目的是使藥劑與水中的細(xì)小顆?；蚰z體物質(zhì)作用生成盡可能大的絮體，為沉降分離創(chuàng)造條件，需要低強(qiáng)度長時(shí)間攪拌。澄清的目的是使所生成的絮體與水分離，完成凈化過程7/27/2023352、混凝的設(shè)備混凝劑的配置與投加設(shè)備混合設(shè)備反應(yīng)設(shè)備澄清設(shè)備7/27/202336（1）混凝劑的配制與投加設(shè)備投藥方法：有干(dry)投法和濕(wetted)投法。1）干投法：把經(jīng)過破碎易于溶解的藥劑直接投入廢水中。干投法占地面積小，但對(duì)藥劑的粒度要求較嚴(yán)，投加量較難控制，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求較高，同時(shí)勞動(dòng)條件也較差。目前應(yīng)用的較少。2）濕投法：將混凝劑和助凝劑配成一定濃度的溶液，然后按處理水量大小定量添加。包括藥劑的配制、藥劑的計(jì)量和藥劑的投加三個(gè)過程。整個(gè)投加過程見下圖。7/27/202337藥劑的溶解和投加過程7/27/202338混凝劑的溶解和配制

混凝劑在溶解池中進(jìn)行溶解，溶解池設(shè)有攪拌裝置。攪拌方法常用機(jī)械攪拌、壓縮空氣攪拌和水泵攪拌等。藥劑溶解完全后，將濃藥液送入溶液池，用清水稀釋到一定的濃度備用。無機(jī)混凝劑溶液濃度一般用10%~20%。有機(jī)高分子混凝劑溶液的濃度一般用0.5~1.0%。7/27/202339混凝劑溶液的投加藥劑投入原水中必須有計(jì)量和定量設(shè)備，并能隨時(shí)調(diào)節(jié)投加量。投加要求：計(jì)量準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)靈活，設(shè)備簡單。常用計(jì)量設(shè)備：計(jì)量泵、水射器、虹吸定量投藥設(shè)備和孔口計(jì)量設(shè)備等。投加方式：泵前重力投加水射器投加計(jì)量泵直接投加7/27/2023402、混合（mixing）設(shè)備當(dāng)藥劑投入廢水后，在水中發(fā)生水解反應(yīng)并產(chǎn)生異電荷膠體，與水中膠體和懸浮物接觸，形成細(xì)小的礬花，這一過程就是混和。它是進(jìn)行反應(yīng)和混凝沉淀的前提。對(duì)混合的要求：快速而均勻?？焖偈且蚧炷齽┰趶U水中發(fā)生水解反應(yīng)的速度很快，需要盡量造成急速擾動(dòng)以生成大量細(xì)小膠體，并不要求生成大顆粒；均勻是為了使化學(xué)反應(yīng)能在廢水中各部分得到均衡發(fā)展?；旌系膭?dòng)力來源：有水力攪拌和機(jī)械攪拌兩類。7/27/202341混合方式：一般有兩種：水泵混合：借水泵的吸水管或壓水管混合。水泵混合利用提升水泵進(jìn)行混合是一種常用的方法。藥劑在水泵的吸水管上或吸水喇叭口處投入，利用水泵葉輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到快速而劇烈的混合目的?；旌喜刍旌希涸诨旌喜蹆?nèi)進(jìn)行混合。常用混合槽：機(jī)械混合槽分流隔板式混合槽多孔隔板式混合槽7/27/202342

機(jī)械混合用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)槳板或螺旋槳進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌的混合方法。優(yōu)點(diǎn)：攪拌強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，比較機(jī)動(dòng)。缺點(diǎn)：由于使用了機(jī)械設(shè)備，增加了維修保養(yǎng)工作和動(dòng)力消耗。槳板混合池43

分流隔板式混合槽在混合槽內(nèi)設(shè)有數(shù)塊隔板，水流通過隔板孔道時(shí)產(chǎn)生急劇的收縮和擴(kuò)散，形成渦流，使藥劑與原水充分混合。7/27/2023443、反應(yīng)（reaction）設(shè)備水與藥劑混合后進(jìn)入反應(yīng)池進(jìn)行反應(yīng)，使小絮體逐漸絮凝成大絮體而便于沉淀。反應(yīng)池應(yīng)有一定的停留時(shí)間和適當(dāng)?shù)臄嚢鑿?qiáng)度，且沿著水流方向攪拌強(qiáng)度應(yīng)越來越小。反應(yīng)池內(nèi)水流特點(diǎn)是流速由大到小。在較大的反應(yīng)流速時(shí)，使水中的膠體顆粒發(fā)生碰撞吸附，在較小的反應(yīng)流速時(shí)，使碰撞吸附后的顆粒結(jié)成更大的礬花。反應(yīng)池的型式有機(jī)械攪拌、隔板反應(yīng)池，渦流式反應(yīng)池等。45（1）機(jī)械攪拌反應(yīng)池

反應(yīng)池用隔板分為2~4格，每格裝一攪拌葉輪，葉輪有水平和垂直兩種。水力停留時(shí)間一般采用15~30min，葉輪半徑中點(diǎn)線速度由進(jìn)水格的0.5~0.6m/s依次減到出水格的0.1~0.2m/s。7/27/