混凝的原理与应用PPT幻灯片课件
第七节混凝 环境学院田晴 1 本节提示 课程主要内容掌握混凝处理的对象 混凝的机理 影响混凝效果的主要因素 熟悉产生胶体稳定性的原因 胶体的双电子层结构 电位常用的混凝剂 2 本节提示 课程主要内容难点讲解胶体的双电子层过程中 重点介绍结构胶体的动电电位 电位产生原因 帮助学生理解降低该电位的主要方法的机理 结合混凝试验 掌握影响混凝效果的因素 如何提高混凝反应的处理效果 3 Manyofthecontaminantsinwaterandwastewatercontainmatterinthecolloidalform Thesecolloidsresultinastable suspension Ingeneralthesuspensionisstableenoughsothatgravityforceswillnotcauseprecipitationofthesecolloidalparticles Sotheyneedspecialtreatmenttoremovethemfromtheaqueousphase Thisdestabilizationofcolloidsiscalled coagulation Coagulation 4 Sizerange 10 3 1micron 50 70 oftheorganicmatterindomesticwastewateriscomposedofcolloidalmatter Inwatertreatmentcolor turbidity viruses bacteria algaeandorganicmatterareprimarilyeitherinthecolloidalformorbehaveascolloids Typicalcolloidalcharacteristicsforwaterandwastewater 5 一 概述 颗粒沉速与粒径 颗粒比重 2 65kg dm3 6 水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除 而胶体及微小悬浮物 沉速缓慢 须经混凝沉淀方可去除 混凝用途 生活饮用水处理 工业废水处理 城市污水三级处理 污泥处理等 混凝处理对象 胶体细小悬浮物溶解性大分子有机物 疏水性 7 二 混凝的原理 1 胶体常见胶体 粘土颗粒 对于d 4 m 大部分细菌 0 2 80nm 病毒 10 300nm 蛋白质 2 胶体的分类憎水性胶体亲水性胶体 8 3 胶体的双电子层结构 扩散层 胶团边界 滑动面 胶粒 吸附层 胶核 电位 电位 9 吸附层Sternlayer 随胶核一起运动 靠近胶核表面处 异号离子浓度大 结合紧密扩散层Diffuselayer 大部分运动时被甩掉 甩掉后剩下的面 叫滑动面 离胶核远 反离子浓度小 结合松散 结构式 胶核 吸附层 扩散层胶粒胶团 10 电位Potential 胶核表面上的离子和反离子之间形成的总电位 电位 胶体滑动面上的电位 称作动电位带负 正 电荷charge的胶核表面与扩散于溶液中的正 负 电荷离子正好电性中和 越大 扩散层越厚 胶体颗粒斥力大 稳定性强 11 4 胶体的稳定性 憎水性胶体 静电作用 同性相斥亲水性胶体 稳定性主要由于它所吸附的大量水分子所构成的水壳分子运动 布朗运动 胶体颗粒在水中保持分散状态的性质 产生原因 12 5 胶体的脱稳及凝聚 混凝机理 重点掌握 压缩双电层电性中和Adsorption chargeneutralization吸附桥联Polymerbridgeformation沉淀网捕Sedimentation entrapping 13 1 压缩双电层作用 混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层 使 电位降低 当 电位为零时 称为等电状态 此时胶体间斥力消失 胶粒最易发生聚结 实际上 电位电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时 胶粒就开始产生明显的聚结 这时的 电位称为临界电位 胶粒因 电位电位降低或消除以至失去稳定性的过程 称为胶体脱稳 脱稳的胶粒相互聚结 称为凝聚 14 15 上述反应中 降低水中H 或H3O 浓度或提高pH 使反应趋向右方 水合羟基络合物的电荷逐渐降低 最终生成中性氢氧化铝难溶沉淀物 16 当pH 4时 水解受到抑制 水中存在的主要是 Al H2O 3 3 当pH 4 5时 水中有 Al OH H2O 5 2 Al OH 2 H2O 4 及少量 Al OH 3 H2O 3 当pH 7 8时 水中主要是 Al OH 3 H2O 3 沉淀物 但在某一特定pH时 水解产物还有许多复杂的高聚物和络合物同时共存 因为初步水解产物中的羟基OH 具有桥键性质 17 在由 Al H2O 6 3 转向 Al OH 3 H2O 3 的中间过程中 羟基可将单核络合物通过桥键缩聚成多核络合物 或 两个单羟基络合物通过羟基桥联可缩合成双羟基双核络合物 18 19 从上述反应可以看出 三价铝盐发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物 带有正电的水解聚合物 同时起到压缩双电层的脱稳和吸附架桥的作用 为使硫酸铝达到优异的混凝效果 应尽量使胶体脱稳和吸附架桥作用都得到充分发挥 当混凝剂投放水中后 应立即进行剧烈搅拌 使带电聚合物迅速均匀地与全部胶体杂质接触 使胶体脱稳 随后 脱稳胶体在相互凝聚的同时 靠聚合度不断增大的高聚物的吸附架桥作用 形成大的絮凝体 使混凝过程很好完成 20 三 混凝的操作 1 分混合与絮凝二个阶段 1 混合阶段 快速混合 药剂水解 聚合及颗粒脱稳进程很快 故要求混合快速剧烈 10 30秒 不超过2分钟 2 絮凝阶段 慢速搅拌适当的紊流程度 G由大到小 既要保证碰撞吸附 又要防止絮体破碎 时间一般10 30分钟 矾花直径小大搅拌强度大小 t 10 30s t 15 30mins G t间接表示在时间t内颗粒碰撞的总次数 21 G速度梯度 Velocitygradient 相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向的两流层之间的距离的比值 T 1 1 S G 反应器内平均水力梯度 T 1 1 S P 需要的功率 W 动力学黏度系数 N S m2 V 絮凝池体积 m3适当的紊流程度 G由大到小 既要保证碰撞吸附 又要防止絮体破碎 时间一般10 30分钟 G t间接表示在时间t内颗粒碰撞的总次数 22 废水处理絮凝过程中典型的停留时间 与G值 23 1 异向絮凝 microfloculation perikineticfloculation 由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集 称为异向絮凝 2 同向絮凝 macrofloculation orthokineticfloculation 由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集 称为同向絮凝 异向絮凝 同向絮凝 24 2 混凝剂与助凝剂 混凝前提是投药 按药剂作用分 混凝剂助凝剂 25 硫酸铝室温溶解度50 水温过低 硫酸铝水解困难 絮凝体松散 不宜低温低浊水 氯化铁腐蚀性强 在溶解过程中会释放大量热量 产生热腐蚀 絮凝速度快 絮凝体密实 沉淀性能好 对低温低浊水比铝盐好 除色效果不好 硫酸亚铁绿色 易溶 只能离解出Fe2 生成简单的单核络合物 效果比Fe3 差 不能除色 Fe2 与腐植酸反应生成颜色更深的物质 色度更难去除 PAC用铝灰 酸溶 碱溶法制成 多核配合物 混凝效果好 适用 废水处理 给水高浊 低浊水效果好 价格高 混凝剂 26 助凝剂 调节或改善混凝条件调节pH 包括碱和氧化剂 石灰 乳 O3改善絮体结构 增加颗粒重量PAM 活性硅酸 粘土 SiO2水解物 天然高分子物 骨胶等 27 3 影响混凝效果的主要影响因素 水温低温水絮凝体形成慢 细小松散 原因 1 无机盐水解是吸热反应 水解困难 2 水温下降 水的粘度大 布朗运动强度减弱 碰撞机会减少 不利于胶体凝聚 同时 水流剪力增大 影响絮凝体成长 3 水温下降 胶体水化作用增强 妨碍胶体凝聚 常用方法 增加混凝剂投量 投加高分子助凝剂 28 水的pH值和碱度1 水的pH值影响无机盐类混凝剂水解产物的形态 混凝机理不同 对混凝影响较大 2 每一种混凝剂都有各自的pH值最优范围 碱度能保持水解反应顺利进行 对pH值起缓冲作用 29 Anactualgang stirrerapparatusisshowninthefigurebelow 30 水中悬浮物浓度1 浓度低颗粒碰撞几率减小 混凝效果差 为提高混凝效果 常用措施 1 投加铝 铁 盐同时 投加高分子助凝剂 通过吸附架桥作用 使絮体尺寸密度增大 2 投加矿物颗粒 3 采用直接过滤法原水投加混凝剂后 经过混合直接进入滤池过滤 2 高浓度铝盐和铁盐投加量增大 为减少混凝剂投加量 常加高分子助凝剂 聚合氯化铝对高浊水效果较好 31 药剂投量此外还有药剂投加量的问题 当药剂投加量过小会降低混凝效果 但投加量过大会引起胶体复稳 此时必须增加投加量才能使复稳后的胶体重新通过吸附架桥 沉淀网捕等作用去除 32 Typicalresultsfromajartestseriesmightlooklike Dose mg L 33 水力混合 水力条件跌水 搅拌 曝气等混合作用形成的水流紊动性要配合混凝的脱稳与絮凝过程 水力坡度在凝聚过程中不易过大 过大会造成颗粒破碎 34 水处理中 常规的混凝处理工艺过程为 混合 反应 分离 1 混 凝 沉淀2 混 凝 沉淀 过滤 35 四 化学混凝的设备 1 混凝剂的配制和投加设备 3 反应絮凝设备 2 混合反应设备 36 四 化学混凝的设备 1 混凝剂的配制和投加设备 1 混凝剂的溶液和配制 混凝剂在溶解池中进行溶解 搅拌 加速药剂溶解 37 药剂溶解完全后 将浓药液送入溶液池 用清水稀释到一定的浓度备用 溶液池的容积可按下式计算 溶解池的容积 式中 W1 溶液池容积 m3 qv 处理地水量 m3 h A 混凝剂地最大投加量 mg L c 溶液浓度 n 每天配置次数 一般为2 6次 38 2 混凝剂溶液的投加 39 混合设备 1 水泵 水力混合 2 管式混合 3 机械混合 目的 形成流速突变 快速混合 增加水流紊动程度 40 废水处理絮凝过程中典型的停留时间 与G值 41 水泵混合 42 2 管式在线混合 43 机械混合 44 3 反应与絮凝设备 1 隔板反应池 45 2 3 阶段絮凝池 RapidMixingChamber 46
