排水工程课件 15 混凝.ppt

第15章混凝,,常规的净水处理工艺,混凝,,沉淀,,过滤,,消毒,,药剂,,原水,15．1混凝机理,基本概念,混凝水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。混凝是凝聚和絮凝的总称。凝聚胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝脱稳胶体相互聚集称为絮凝。,混凝过程涉及三问题,,,水中胶体的性质,混凝剂在水中的水解,,,,胶体与混凝剂的相互作用,15.1.1水中胶体的稳定性,胶体稳定性是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。（相对性，并非真正稳定）胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。,指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力，（大颗粒泥砂与胶体颗粒）无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。,指胶体颗粒之间不能聚集的特性。（比表面积大，表面能大，相互聚集的倾向）聚集稳定性包括①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）,在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。,动力学稳定性粒子愈小，动力学稳定性愈高。因此可以使胶粒失去聚集稳定性，小颗粒便可以相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性破坏聚集稳定性对于憎水性胶体而言，聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的动电位ζ电位。ζ电位愈高，同性电荷斥力愈大。下图表示粘土胶体结构及双电层示意图。,电位离子,反离子,扩散层,胶团边界,滑动面,,,胶粒,,,,,,吸附层,胶核,,,,,,,,,ξ电位,Ψ电位,,,,,,,胶体的双电层结构,滑动面上的电位称为电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，当电位降低，水化膜减薄及至消失。,DLVO理论,DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（Derjaguin）兰道（Landon）苏联，1938年独立提出〕，伏维（Verwey）、奥贝克（Overbeek）（荷兰，1941年独立提出）。胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥力与范德华引力产生。排斥势能随颗粒间距x的增大而按指数关系减小；吸引势能与x成反比。由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见下图。,,,,当胶体距离xoc时，吸引势能占优势；当oaxoc时，排斥势能占优势；当xob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。只有xoa时，凝聚才会发生。胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。,b,15.1.2硫酸铝在水中的化学反应,硫酸铝Al2（SO4）18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以[AlH2O6]3存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括未水解的水合铝离子、单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件（水温、pH、铝盐投加量）有关，见图15-3,,,,pH8以负离子的形式存在。,15.1.3混凝机理,水处理混凝现象比较复杂。不同种类混凝剂以及不同的水质条件，混凝剂作用机理都有所不同。混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有3中电性中和、吸附架桥和网捕卷扫作用。,电性中和作用机理,电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电中和作用机理，见图4。（1）压缩双电层电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。,,,,,图4电中和作用机理,（2）吸附－电性中和这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低电位。其特点是当药剂投加量过多时，电位可反号。,压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则凝聚能力离子价数6，该机理认为ξ电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带同样电荷的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。,吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图5。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图6；,吸附架桥,图5架桥模型示意,图6胶体保护示意,,,网捕或卷扫,金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。,硫酸铝的混凝机理为例判断混凝机理,不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。pH3简单的水合铝离子起压缩双电层作用；pH45多核羟基络合物起吸附电性中和；pH6.5-7.5氢氧化铝起吸附架桥；,天然水中的pH一般在6.57.8之间，铝盐投加量超过一定限度时，会产生“胶体保护”，重新稳定；当铝盐投加量再次增大、超过氢氧化铝溶解度而产生大量氢氧化铝沉淀，则起网捕和卷扫作用。实际有时几种同时作用只是程度不同，与铝盐投加量和水中胶粒含量有关。,15.2混凝剂和助凝剂,混凝剂应符合,,,混凝效果好,对人体无危害,,,,使用方便,,货源充足，价格低廉,混凝剂,目前混凝剂的种类有不少于200－300种，分为无机与有机两大系列，见表1。,与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点①适用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④但三氯化铁腐蚀性较强。硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。,,表1常用的混凝剂,,聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。,助凝剂,助凝剂凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类①酸碱类调整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大矾花的粒度和结实性如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；③氧化剂类破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。,相互碰撞的动力来自两方面,,,颗粒在水中的布朗运动,,,在水力或机械搅拌所造成的流体运动。,由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称为“异向絮凝”,由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”,15.3混凝动力学,混凝动力学研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。,颗粒的碰撞速率可按下式计算式中DB布朗运动扩散系数，T为温度，υ为水的运动粘度，ρ为水的密度；因此故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,异向絮凝,1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图6-7。颗粒的碰撞速率按下式计算在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受剪而扭转的隔离体，设在时间内，隔离体扭转了角度，于是角速度为,同向絮凝,转矩为于是单位体积水所耗功率p为由于，故,,当采用机械搅拌时，p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时，p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定则采用水力絮凝池时，,2.同向紊流理论,同向紊流理论①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给小涡旋；③小涡旋将能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；式中，紊流扩散系数，为相应于尺度的脉动速度，为故,混凝控制指标,自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。混合（凝聚）过程在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均G＝7001000s-1，时间通常在10～30s，一般2min，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。絮凝过程在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主。同向絮凝效果不仅与G有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以G值和GT值作为控制指标。平均G＝20－70s-1，GT＝1～104－105随着絮凝的进行，G值应逐渐减小。,15.4影响水混凝的主要因素,影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；②投加的凝聚剂种类与数量；③使用的絮凝设备及其相关水力参数。,水温影响,水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有①无机盐水解吸热；②温度降低，粘度升高布朗运动减弱；③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；④水温与水的pH值有关,水的pH和碱度影响,水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成H，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。石灰投量按下式估算[CaO]3[a]–[x][δ]式中[CaO]纯石灰CaO投量，mmol/L；[a]混凝剂投量，mmol/L；[x]原水碱度，按mmol/L，CaO计；[δ]保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取0.250.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通过试验决定。,,水中悬浮物浓度的影响,杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有①加高分子助凝剂；②加粘土③投加混凝剂后直接过滤如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂,15.5混凝剂的配制与投加,混凝剂的投加分固体投加和液体投加两种方式。通常将固体溶解后配成一定浓度的溶液投入水中。大中型水厂通常建造混凝土溶解池并配以搅拌装置。搅拌是为了加速药剂溶解。搅拌装置有机械搅拌、压缩空气搅拌和水力搅拌。,混凝剂的溶解和溶液配制,溶解池一般建于地面以下以便操作，池顶一般高出地面0.2m左右。溶解池容积W1按下式计算W1（0.20.3）W2式中W2为溶液池容积。,式中W2溶液池容积，m3Q处理的水量m3/ha混凝剂最大投加量，mg/Lc溶液浓度，一般取520n每日调制次数，一般不超过3次,混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。1.计量设备计量设备有转子流量计；电磁流量计；计量泵等。,混凝剂投加,2.投加方式（1）泵前投加安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者。（2）高位溶液池重力投加适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高。,（3）水射器投加设备简单，使用方便，溶液池高度限制小，但效率低，易磨损。（4）泵投加不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，有利于药剂与水混合。,,,3.混凝剂投加量自动控制1）数学模拟法对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型实行加药自动控制的关键是必须要有前期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原水条件，水质仪表多，投资大。,2）现场模拟试验法采用现场模拟装置来确定和控制投药量是较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。,3）特性参数法影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。,流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体ξ电位有正相关关系。混凝后胶体ξ电位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。缺点是投药量与流动电流很少相关。透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。,15.6.1混合设备1水泵混合投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于150m。,混合和絮凝设备,基本要求是药剂与水必须快速均匀混合，有三种水泵混合、管式混合、机械混合,（2）管式混合A.管式静态混合器流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.3-0.4m，简单易行。,分为管式静态混合器和扩散混合器,,,,B.扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角90。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的1/4，开孔面积为进水管总截面面积的3/4，流速为1.0-1.5m/s，混合时间2-3s。,（3）机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度700-1000s-1，时间10-30s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。,15.6.2絮凝设备基本要求原水与药剂混合后，通过絮凝设备应形成肉眼可见的大的密实絮凝体。絮凝池水利搅拌式和机械搅拌式,,,,1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式。,隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在0.30.5m，回转式的水头损失比往复式的小40％左右。隔板絮凝池特点构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。隔板絮凝池的设计参数,,①流速起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段数46段；②转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍；③絮凝时间2030min；④隔板间距不大于0.5m，池底应有0.020.03坡度直径不小于150mm的排泥管；⑤廊道的最小宽度不小于0.5m；⑥各段的水头损失，总水头损失,2.折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。,,,,,,,第I排采用同波折板、II采用异波折板、III采用平波。,折板絮凝池与隔板絮凝池相同，其间距应根据水流速度的大小而改变，隔板之间的流速通常也分段设计，分段数一般不少于3段。各段流速分别为第一段0.250.35m/s；第二段0.150.25m/s；第三段0.100.15m/s。折板的夹角采用90120，折板可采用钢丝网水泥或塑料板等拼装而成，波高一般采用0.250.4m。,优点1.无论是同波还是异波折板间水流流动连续不断，可行成众多小旋涡，提高了颗粒碰撞絮凝效果。2.在折板的每个转角处，两折板之间的空间可视为CSTR完全混合连续反应器，众多连续反应器串联起来就接近或相当于推流型（PF型）反应器。所以折板絮凝池接近推流型。3.与隔板絮凝池相比，水流条件大大地改善，在总的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高。所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小。缺点1.因板距小，安装维修较困难；2.折板费用较高，一般常用于中小型水厂。采用波纹板缺点就更突出。,,3.机械絮凝池搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。第一格搅拌强度最大，而后逐步减小，G值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。,,,,,（1）功率计算水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在dA微面积上水流阻力阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率式中v为水流旋转线速度，CD阻力系数w为桨板旋转角速度，r为旋转半径因此,第i块桨板克服水的阻力所耗功率设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，则每根旋转轴全部桨板所耗功率式中P浆板所耗总功率，W;n同一旋转半径上浆板数；r2浆板外缘旋转半径，m;r1浆板内缘旋转半径，m;CD阻力系数，水的密度，相对于水的旋转角速度；,每根旋转轴所需电动机功率,式中N电动机功率1搅拌设备总机械效率一般取0.75）;2传动效率，可采用0.60.95。注意浆板线速度是以池子为固定参照物，相对线速度为浆板相对水流运动线速度，其值为旋转线速度0.50.75倍。只有浆板刚启动时，两者才相等，因此浆板受的阻力最大，所以在选用电机时，应考虑启动功率这一因素。但计算运转功率获速度梯度G值，应按全部浆板所耗功率（P公式），或以旋转线速度乘以0.50.75倍代入。,,设计参数①絮凝时间15-20分。②池内一般设3～4挡搅拌机。③搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡0.5m/s逐渐减小至末挡的0.2m/s。④桨板总面积宜为水流截面积的10～20％，不宜超过25％，桨板长度不大于叶轮半径的75％，宽度宜取10～30cm。优缺点机械絮凝池的优点是调节容易水质、水量变化适应性强，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。,,4.穿孔旋流絮凝池由若干方格组成。分格数一般不少于6格。流速逐渐减小，G也相应减小以适应絮凝体形成，孔口流速宜取0.6～1.0m/s，末端流速宜取0.2～0.3m/s。絮凝时间15～25min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图。穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。,,,,,5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图。,,,,,网格絮凝池效果好，水头损失小，絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、堵塞网眼现象。其设计参数见表6-2,表15-2栅条、网格絮凝池主要设计参数,,网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为1.0～2.5万m3/d之间。,,6.不同形式絮凝池组合应用每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。,