给水处理导学_[第3章] 凝聚和絮凝.pdf

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1、东南大学东南大学土木工程学院土木工程学院市政工程系市政工程系给给 水水 处处 理理 导导 学学土木工程学院市政工程系2 了解：混凝动力学、混凝剂的投加和配制，助凝剂及强化混凝的概念。 熟悉：水中胶体稳定性，常用混凝剂的特点与使用方法，提高混凝效果的方法，混合设备的选择及计算方法，絮凝设备的水力特点与结构形式。 掌握：混凝机理，影响混凝效果的主要因素，硫酸铝在水中的化学反应。本章要求3胶体（复习）分散系统分散相粒子 半径/m分散相性质举例低分子 分散系统10-7粗分散系多相，热力学不稳定物系，扩散慢或不 扩散，不能透过半透膜及滤纸，形成悬 浮液或乳状液混浊泥水， 牛奶，豆浆 定义：若分散在分散介

2、质中的物质粒子，在某个方向上的线度在1-100nm（即10-9m10-7m）之间，则这种分散系统称为胶体分散系统土木工程学院市政工程系 电泳现象 扩散双电层理论 电泳：在外电场的作用下，胶体粒子在分散介质中定向移动的现象 电渗：若在多孔膜(或毛细管)的两端施加一定电压，液体将通过多孔膜而定向流动 流动电势：在外力的作用下，迫使液体通过多孔隔膜(或毛细管)定向流动，多孔隔膜两端所产生的电势差4 胶体性质：高度分散的多相性和热力学不稳定性既是胶体分散系统的主要特点，又是产生其它现象的依据。土木工程学院市政工程系胶体（复习）动力性质电学性质 布朗运动：线度小于410-6m的粒子，在分散介质中皆呈现这

3、种运动 扩散现象：有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移 沉降和沉降平衡：多向分散系统中的物质粒子，因受重力作用而下沉的过程d5土木工程学院市政工程系胶体（复习）扩散双电层理论双电层示意图 双电层结构：电位离子层与反离子层构成了胶体粒子的双电层结构 电动电位(电位)：吸附层的外界面与本体溶液之间的电位差，决定着胶体粒子在电场中的运动速度。 总电位(电位)：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差成为总电位 滑动面：吸附层与扩散层的交界面6土木工程学院市政工程系胶体（复习）胶体粒子结构 Al(OH)3mn(OH)- (n-x)H+x-xK+ Al(OH)3mnH+ (n-x)(

4、OH)-x-xK+胶核胶粒胶团胶团胶 核反离子层吸 附 层扩 散 层胶粒 (带电)滑动面7土木工程学院市政工程系胶体（复习）胶体的经典稳定理论DLVO理论 1.胶团之间存在斥力势能和引力势能 2.胶体系统的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能或吸引势能的大小 3.斥力势能、引力势能以及总势能都随着粒子间距的变化而变化 当两胶团距离非常小(xc)的时候，引力势能占优势。 4.加入电解质，对引力势能影响不大，但对斥力势能印象十分明显间距X排斥势能ER吸引势能EAEARE EEmaxabxrr（a）（b） 凝聚投加混凝剂后使胶体失去稳定性的过程，属于化学反应；凝聚过程需要的时间较短（2分钟以内）。 絮凝脱

5、稳胶体相互碰撞聚合长大的过程，属于物理过程；絮凝过程所需的时间较长（1030分钟）。土木工程学院市政工程系8定义：在混凝剂的离解和水解产物作用下，使水中的胶体粒子和细微悬浮物脱稳并聚集为具有可分离性的絮凝体的过程。 水中胶体(colloids)粒子的性质 混凝剂在水中的水解物种 胶体粒子与混凝剂之间的相互作用混凝(coagulation)混凝 过程土木工程学院市政工程系9凝聚机理絮凝机理 压缩双电层(compress double electrical layer)外加高价正离子置换低价正离子，正离子的数量减少、双电层的厚度变薄，胶体颗粒滑动面上的电位降低 吸附-电中和(electrical

6、property neutralization)胶核表面对异性的离子、胶粒或链状高分子的某部位的吸附作用导致斥力减小 吸附架桥(adsorption bridging)不带电甚至带有与胶粒同性电荷的高分子物质与胶粒也有吸附作用，高分子物质起了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用。 网捕或卷扫投加到水中的铝盐、铁盐等混凝剂水解后形成大量的具有三维立体结构的水合金属氧化物沉淀，当这些沉淀物体积收缩沉降时会像多孔的网一样迫使水中胶体颗粒和悬浮颗粒一起下沉，实现与水的有效分离。混凝机理土木工程学院市政工程系10 异向絮凝(perikinetic flocculation) 由布朗运动所引起的胶体颗粒碰撞聚

7、集。凝聚机理絮凝机理混凝机理 同向絮凝(orthokinetic flocculation) 由外力推动所引起的胶体颗粒碰撞聚集。2 38KTnNp=tghG=Np单位体积中的颗粒在异相絮凝中的碰撞速率，1/cm3s水的运动粘度，cm2/SK波茨曼常数，1.38 10-16gcm2/s2KT水的绝对温度，KpG = 机械搅拌 水力搅拌甘布公式G速度梯度，s-1P单位体积流体所耗功率，W/m3水的动力粘度，PasH混凝设备中的水头损失，mt水流在混凝设备中的停留时间，s土木工程学院市政工程系11混凝剂无机混凝剂名称化学式铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝(PAC) 聚合硫酸铝(PAS)Al2(SO4)31

8、8H2O Al2(SO4)314H2O KAl(SO4)212H2O (钾矾) NH4Al(SO4)212H2O (铵矾) Al2(OH)nCl6-nm Al2(OH)n(SO4)3-n/2m铁系三氯化铁 硫酸亚铁 聚合硫酸铁(PFS) 聚合氯化铁(PFC)FeCl36H2O FeSO47H2O Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m Fe2(OH)nCl6-nm有机混凝剂土木工程学院市政工程系12混凝剂 Al2(SO4)3的水解与pH值紧密相关pH值存在形式备注pH8.5（碱性）以负离子形态Al(OH)4-土木工程学院市政工程系13混凝剂 FeCl3的水解与pH值紧密相关pH值存在形式pH8

9、.5Fe(OH)63-土木工程学院市政工程系14混凝剂铁盐与铝盐的区别 1）三价铁适用的pH值范围较宽，形成的絮体比较密实，处理低温或低浊水的效果优于硫酸铝。但腐蚀性较强，且固体产品容易吸水潮解不易保管； 2）与铝盐相比，铁盐水解速度比铝盐快，较难控制，而铝盐比铁盐比铁盐容易形成聚合物。土木工程学院市政工程系15混凝剂 碱化度100%nmOHBxR=B碱化度%；n单体分子中的OH个数；Rm单体分子中Fe或A1的原子个数；xFe和A1的化合价 定义：指产品分子中羟基OH与金属原子的摩尔数之比 意义：是反映聚合物成分的重要参数，碱化度越高，聚合度越高，架桥作用越明显。例：Al2(OH)5Cl的碱化

10、度B=5/(32)=83.3% 聚合铝、聚合铁 与单体相比，聚合物以各种聚合物种和Al(OH)3(s)或Fe(OH)3(s)形式直接存在于水中，不再出现Al3+或Fe3+的水解，受pH值影响较小，适应各种水质状况； 当在水中按铝或铁的同样剂量投加混凝剂时，聚合物所产生的产物及其所占的比例与单体的情况不同，因而对某些水质和处理条件来说，可能获得比单体处理更佳的效果。土木工程学院市政工程系16混凝剂无机混凝剂有机混凝剂分类适用分子量/万分子式聚丙烯酰胺PAM化学工业废水、废液的处理，市政污水处理1501000阴离子型聚丙烯酰胺HPAM生活、生产用水，工业和城市污水处理6002500阳离子型聚丙烯酰

11、胺CPAM(丙烯酰胺与二烯丙基二甲基氯化铵的共聚物)主要用于水悬浊液和悬浊物的絮凝，酸性和偏酸性溶液含有有机悬浊物时的絮凝3001500CH3CH2C=ONH2nCH2CHC = OONanCH2OCHCH2CHCHCH2CH2CH2CNH2N ClCH3CH3 n土木工程学院市政工程系17混凝剂聚合度：是衡量聚合物分子大小的指标。聚合度指聚合物分子链中连续出现的重复单元(或称链节)的次数，用n表示。水解度：酰胺基转化为羧基的百分数。水解度过高，电负性过强，阻碍絮凝。CH3CH2C=ONH2n如：聚丙烯酰胺聚合度为nCH3CH2C=ONH2n如：聚丙烯酰胺水解成CH2OCHCNH2 xCH2O

12、CHCO- y水解度即为y/x土木工程学院市政工程系18混凝剂的配置和投加药剂溶药池溶液池甲溶液池乙定量控 制设备投药设备混合设备水搅拌搅拌水药剂的配置和投加过程水搅拌土木工程学院市政工程系19混凝剂的配置和投加混合设备 管式混合 混合池混合 水泵混合 管道混合 管式混合器 多孔隔板混合槽 分流隔板混合槽 桨板式机械混合槽 G值和t决定了管道混合器的规格 G决定面积A t决定体积土木工程学院市政工程系20混凝剂的配置和投加絮凝设备 隔板絮凝池 折板絮凝池 网格、栅条絮凝池 往复式隔板絮凝池 回转式隔板絮凝池 单通道折板絮凝池 多通道折板絮凝池土木工程学院市政工程系21混凝剂的配置和投加主要设计

13、参数：隔板间距、反应池尺寸土木工程学院市政工程系22混凝剂的配置和投加多通道折板絮凝池网格栅条絮凝池主要设计参数：折板间距、角度主要设计参数：栅条间距、网格大小土木工程学院市政工程系,23混凝剂的投加方式水温水的PH值和碱度水力条件浊度和悬浮物水中有机物混凝剂的种类及用量人为 可改 变条 件原水 特性影响混凝效果的主要因素 污染物呈胶体状态，采用无机混凝剂、高分子 絮凝剂 污染物是悬浮物或次生化沉淀物，可单独采用 高分子絮凝剂 阴离子型主要用于去除浓度较高的细微悬浮物， 适用于中性和碱性水质 非离子型主要用于去除浓度较高的细微悬浮物 阳离子型主要用于去除胶状有机物，pH值为酸、 碱性都可 “胶

14、体保护”：当混凝剂投加过量时，脱稳胶 体电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定的现象 水力强度 快速混合阶段 作用时间 絮凝反应阶段 混合阶段：G7001000s-1;t1030 s(2 min) 絮凝阶段：G2070 s-1；G t104105土木工程学院市政工程系24混凝剂的投加方式水温水的PH值和碱度水力条件浊度和悬浮物水中有机物混凝剂的种类及用量人为 可改 变条 件原水 特性影响混凝效果的主要因素 低温时，混凝剂水解缓慢 低温时，水的粘度增加，布朗运动减弱、碰撞 机会减小，同时水流剪力增大，难于形成较大 絮凝体 pH直接与水中胶体颗粒表面电荷和点位有关 pH对混凝剂水解反应有显著影响 混凝剂

15、水解过程中消耗水中的碱度混凝剂用量浊度总的混凝剂用量吸附电中和用量矾花骨架用量混凝剂用量与浊度关系的示意图土木工程学院市政工程系25混凝剂的投加方式水温水的PH值和碱度水力条件浊度和悬浮物水中有机物混凝剂的种类及用量人为 可改 变条 件原水 特性影响混凝效果的主要因素 对胶体有保护稳定作用，阻碍颗粒之间碰撞，阻碍混凝剂与胶体颗粒之间的脱稳凝集作用土木工程学院市政工程系26本章拓展1.混凝剂的卫生安全性 混凝剂本身毒性 混凝剂商品中所含杂质毒性（丙烯酰胺单体有一定刺激作用，长期累积影响神经系统） 混凝剂本身在臭氧化和氯化过程中的产物的毒性混凝剂安全性鉴定方法 当各杂质成分含量已知，可直接算出有毒

16、成分浓度 动物试验快速的Ames试验污染物致突变性检测土木工程学院市政工程系27本章拓展快速的快速的AmesAmes试验试验污染物致突变性检测污染物致突变性检测 应用应用：可检测水源水和饮用水的致突变性，探索较现行方法更加卫生安全的消毒措施；检测城市污水和工业废水的致突变性，结合化学分析，追踪污染源，为研究防治对策提供依据 原理原理：利用鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的组氨酸营养缺陷型(his)菌株，在含微量组氨酸的培养基中，加入哺乳动物微粒体酶进行培养，若发育成肉眼可见的菌落，说明水中具有致突变物质(如三致物质），若没有，就会形成在显微镜下才能见到的微菌落。土

17、木工程学院市政工程系28本章拓展2.无机高分子复合混凝剂第二代无机絮凝剂 无机高分子絮凝剂(IPF) 比传统无机混凝剂效能更优异，比有机高分子混凝剂（OPF）更便宜； 凝聚、絮凝效果仍处于传统无机混凝剂与有机混凝剂之间，而且还存在对进一步水解反应的不稳定性问题。 复合型无机高分子混凝剂 主要原料是铝盐、铁盐、硅酸盐 可先将各原料分别羟基化再混合，也可先混合再羟基化聚合，最终形成羟基化的更高聚合度的无机高分子形态土木工程学院市政工程系29本章拓展2.无机高分子复合混凝剂第二代无机絮凝剂类型名称简称Al + Fe + Cl聚合氯化铝铁PAFCSi +Al + SO42 -聚合硅酸硫酸铝PSiASA

18、l + Si + Cl聚合硅酸铝PASiCFe + Si + Cl聚合硅酸铁PFSiCSi + Fe + Cl聚合铁硅酸PSiFCAl + Fe + Si + Cl聚合硅酸铁铝PAFSiAl + PAM聚合铝聚丙烯酰胺PACMFe + PAM聚合铁聚丙烯酰胺PFCMAl + PCh聚合铝甲壳素PAPChAl + PCat聚合铝有机阳离子PCAT 直接利用微生物细菌 例：活性污泥中的细菌、霉菌、酵母菌、放线菌 利用微生物细胞液提取絮凝剂 例：酵母细胞壁的葡聚糖、甘露聚糖、蛋白质和N-乙酰葡萄糖胺等成分 用微生物细胞代谢产生的絮凝剂 例：细胞的荚膜和黏液质（主要成分为多糖及少量的多肽、蛋白质、脂类及其复合物，可做絮凝剂的主要是多糖）土木工程学院市政工程系30本章拓展3.微生物絮凝剂 利用生物技术，通过生物发酵、抽提、精制而得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、无毒的絮凝剂。具有产生菌易得、高效、无毒、无二次污染和絮凝范围广泛等特点。分 类