第二章混凝

第二章混凝

2.1 基本概念 • 混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，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。影响混凝过程的因素 • 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

2.2 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。 • 胶体稳定性的分类：动力学稳定性：聚集稳定性： • 无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强 • 胶体带电相斥（憎水性胶体） • 水化膜的阻碍（亲水性胶体）

2.2.1 胶体颗粒的双电层结构(见图1) ●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。 ●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ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。

2.2.2 DLVO理论 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。胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图2。 ● 当胶体距离x<oa或x>oc时，吸引势能占优势；当oa <x< oc时，排斥势能占优势；当x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。 ● 胶体的布朗运动能量Eb＝1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。以上称为DLVO理论，只适用于憎水性胶体，

与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。 1 混凝剂投加过多，混凝效果反而下降； 2 2.3 混凝机理 1. 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3。（2）吸附－电性中和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。当药剂投加量过多时，电位可反号。（1）压缩双电层加入电解质，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。压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝聚能力离子价数6。该机理认为电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：特点：

Φ 滑动面（-）负离子 Φ 滑动面滑动面（-）原有正离子投加的正离子电位Φ 电位Φ Ⅰ Ⅱ δ Ⅰ δ δ Ⅱ Ⅲ 距离 δ δ Ⅲ 距离距离（1）（2）（3）图 3 压缩双电层和吸附-电中和作用

2．吸附架桥 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4。高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象： • 高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 • 但投加过多，会出现“胶体保护”现象(见图5)

3. 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。

2.4 混凝剂和助凝剂 1.混凝剂混凝剂应符合以下要求：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。 • 混凝效果好; • 对人体无危害； • 使用方便； • 货源充足，价格低廉。

表1 常用的混凝剂

与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点： 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。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。 • 适用的pH值范围较宽； • 形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实； • 处理低温低浊水的效果优于硫酸铝； • 但三氯化铁腐蚀性较强。

2.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：酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸、骨胶、高分子絮凝剂；氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加 Cl2、O3等。

2.5 凝聚动力学 1. 基本概念 ●混凝动力学：研究颗粒碰撞速率。颗粒相互碰撞的动力： ●异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集。 ●同向絮凝：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。 • 颗粒在水中的布朗运动； • 在水力和机械搅拌所造成的流体运动

（1）异向絮凝 颗粒的碰撞速率可按下式计算： (1) 式中：DB 为布朗运动扩散系数，T为温度，υ为水的运动粘度，ρ为水的密度。那么： (2) 故Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。

（2）同向絮凝 ● 层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图6。颗粒的碰撞速率按下式计算： (3) 在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体 ∆x.∆y.∆z（见图6）。设在时间 ∆t内，隔离体扭转了 θ角度，于是角速度 ∆ω为： (4)

转矩 ∆J为： (5) 于是单位体积水所耗功率p为： (6) 由于 τ=μG，故 (7)

●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不涡旋 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

2.6 混凝控制指标 混凝过程：自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止。 ● 混合过程：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＝700~1000s-1，时间通常在10～30s，一般<2min。 ● 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。通常以G值和GT值作为控制指标。平均G＝20－70s-1， GT＝1～104－105。

2.7 影响水混凝的主要因素 主要影响因素原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等投加的凝聚剂种类与数量使用的絮凝设备及其相关水力参数

2.8 混凝剂的配制与投加 1.混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积W1：（8）式中W2为溶液池容积。（9）式中：W2- 溶液池容积，m3 ； Q - 处理的水量 m3/ h ； a - 混凝剂最大投加量，mg/L ； c - 溶液浓度，一般取5%~20% ； n - 每日调制次数，一般不超过3次。

投加方式： 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，(见图11)。安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者(见图8)。设备简单，使用方便，溶液池高度不会受太大限制，但效率低，易磨损(见图10)。适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高(见图9)。 2. 混凝剂投加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。泵投加：计量设备：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。泵前投加：水射器投加：高位溶液池重力投加：

泵前投加

水射器投加 重力投加

泵投加

2.9 混凝设备的工艺结构及设计计算 1 .混合设备 ● 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。 ● 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：混合效果好，不受水质影响。缺点：增加机械设备，增加维修工作。 ●管式混合管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.3~0.4m，简单易行(见图12)。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。节管长度不小于500mm。水头损失约0.3~0.4，直径在DN200~DN1200(见图13)。

管式混合

2. 絮凝设备 (1)隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式，见图14与图15。 ●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。 ●设计参数： • 流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s段数：4~6 段； • 转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.2~1.5倍； • 絮凝时间：20~30min；

隔板间距：不大于0.5m，池底应有0.02~0.03坡度直径 • 不小于150mm的排泥管； • 廊道的最小宽度不小于0.5m； • 各段的水头损失 • 总水头损失

往复式隔板絮凝池回转式隔板絮凝池

( 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（见图15与图16）。 ● 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”。 ● 特点：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。

折板絮凝池

(3）机械絮凝池 机械絮凝池的剖面示意图见图17。 ●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.

●设计计算 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（11）阻力dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：（12）式中：v为水流旋转线速度，ω为桨板旋转角速度，r为旋转半径。因此：（13）

第i 块桨板克服水的阻力所耗功率： （14）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：（15）每根旋转轴所需电动机功率：（16）

絮凝时间10~15分; • 池内一般设3～4挡搅拌机; • 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; • 桨板总面积宜为水流截面积的10～20％，不宜超过75％， • 桨板长度不大于叶轮半径的75％，宽度宜取10～30cm。 ● 设计参数 ● 特点机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、中、小水厂均可，但维修是问题。

第二章 混 凝