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1、1,第5章 混凝Coagulation,2,本章要讲的问题,5.1、混凝定义和用途连5.2、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理5.3、混凝剂与助凝剂5.4、混凝的工艺过程5.5、投药方法及设备连5.6、混合与反应连5.7、影响混凝的因素连5.8、混凝方法的优缺点连,3,5.1、混凝定义和用途,1）混凝是通过向废水中投加混凝剂，破坏胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集成较粗大的颗粒而沉降与水分离，使废水得到净化。混凝的主要对象是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分离出去。2）用途：混凝法是废水处理中常采用的方法。（1）可以用来降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有
2、机物、某些重金属和放射性物质。（2）混凝法还能改善污泥的脱水性能。,返回目录,4,5.2、废水中胶体颗粒的稳定性及脱稳机理,1）胶体的特点：粒径小，一般直径为10-310-8mm；布朗运动，颗粒在废水中受水分子热运动的碰撞而作无规则的布朗运动；带电，同类胶体微粒带有同性电荷。水化膜，许多水分子被吸引在胶体微粒周围，形成水化膜。,返回工艺,5,胶体的双电层结构模型,胶核,电位离子层,反离子层,胶团边界,2）胶体的结构,吸附层,扩散层,滑动面,电位,电位,6,胶核电位形成离子，束缚反离子自由反离子Fe(OH)3m nH(nx)ClX+XCl,胶核,胶粒,吸附层,扩散层,胶团,电位离子层,反离子层,
3、7,3）胶体的脱稳机理,胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性。胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳，脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚。混凝的机理：混凝可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种机理。,8,（1）压缩双电层机理,双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高时，则扩散层的厚度将减小。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。,9,溶液中离子浓度与扩散层厚度的关系,溶液中离子浓度低,溶液中离
4、子浓度高,B,A,溶液中离子浓度低时，扩散层厚度为OA,溶液中离子浓度高时，扩散层厚度减小为OB,10,（2）吸附电中和机理,胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位等有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。,11,（3）吸附架桥（桥连）机理,一些呈线型结构的高分子混凝剂，以及金属盐类混凝剂在水中形成线型高聚物后，均能强烈吸附胶体微粒。当吸附的微粒增多时，上述线型分子会弯曲变形和成网，从而起到桥的作用，使微粒间的距离缩短而相互粘结，逐渐形成粗大的絮凝体。本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象。因为废
5、水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后，另一端因粘连不着第二个胶粒，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。,12,高分子聚合物对胶体或微粒的吸附架桥作用示意图,13,（4）沉淀物网捕机理,沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或带金属的碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。,返回目录,14,上述四种作用所引起的凝聚和絮凝，总称混凝。现以硫酸铝为例，说明这些作用的意义。Al2(SO4)318H20溶于水后，即离解出
6、Al(H2O)63+。后者通过水解形成单核羟基络合物，最终生成水合氢氧化铝沉淀。为使上述反应进行，水中应有足够的碱度，以中和H+。如水的pH4，水解受抑制；pH85，水合氢氧化铝会进一步水解成Al(OH)4(H2O)2-而溶解。因此，用硫酸铝作混凝剂时，水的有效pH约在5-8之间。上述水解产物能缩聚成多核羟基组合物,同时，多核羟基络合物又会水解。因此，水解和缩聚反应交错进行，产物相当复杂，且随水的pH变化而变化。但一般地说，pH较低时，以高电荷低聚合度的产物为主，因而侧重于电中和和压缩双电层作用。研究表明，此时有利于消除水膜，但所需混凝剂量大，因此，为去除腐殖质等有机物及其色度，应控制水的pH
7、在5左右。pH较高时，以低电荷高聚合度的产物为主，因而侧重于吸附架桥作用，此时有利于去除负电荷不高的粘土胶体。,15,5.3、混凝剂与助凝剂,凝聚、絮凝和混凝这三个词常引起混淆。凝聚是指胶体双电层被压缩，而脱稳的过程；絮凝则指胶体由于高分子聚合物的吸附架桥作用聚结成大粒絮体的过程；混凝则包括凝聚与絮凝两种过程。,返回工艺,16,凝聚是瞬时的，所需的时间是将化学药剂扩散到全部水中的时间。絮凝则与凝聚作用不同，它需要一定的时间让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分开。混凝剂：一般把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。助凝剂：当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果，这种
8、辅助药剂称为助凝剂。,17,1）.混凝剂,18,水处理对混凝剂的要求：,混凝效果好，用量少，效率高；生成的絮体密实，沉淀快，容易与水分离；价廉易得，使用方便；对人类健康无害；目前常用的混凝剂按化学组成可分为无机盐类和有机高分子类。,19,(1)无机盐类,i）三氯化铁无水物、结晶水物和液体，其中常用的是FeCl36H2O，极易溶于水，黑褐色结晶体。操作液浓度宜高，可达45。优点：形成的矾花沉降性好，处理低温水或低浊度水效果比铝盐好，适宜的pH值范围较宽（59）；缺点：处理后的水的色度比铝盐的高，腐蚀性大。,20,ii）硫酸亚铁,FeSO47H2O是半透明绿色晶体，易溶于水，在水温2O时溶解度为2
9、1。硫酸亚铁离解出的Fe2只能生成最简单的单核络合物，因此，不如三价铁盐混凝效果好。残留在水中的Fe2会使处理后的水带色，Fe2与水中的某些有色物质作用后，会生成颜色更深的溶解物。因此，使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧化为三价铁，然后再起混凝作用。,21,iii）硫酸铝,18个结晶水，工业产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的Al203含量不少于14.516.5，不溶杂质含量不大于2430。操作液常用10-20的浓度。优点：价格较低，使用方便，混凝效果好。缺点：当水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散。由于杂质含量高，所以渣量大。,22,iv）聚合氯化铝（PAC）,聚合氯化铝
10、是一种高分子混凝剂，简称其化学式可写为Al2(OH)nCl6-nm，式中n可取1到5中间的任何整数，m为10的整数。这个化学式实际是指 m个 Al2(OH)nCl6-n（碱式氯化铝）单体的聚合物。聚合氯化铝中OH与Al的比值对混凝效果有很大关系，一般可用碱化度B表示：B=0H100/3Al，例如n4时，碱化度B=4/（32）100=66.7。一般要求B为4060。,23,聚合氯化铝优点：,(a)应用范围广，对各种废水都可以获得较好的混凝效果。(b)易快速形成大的矾花，沉降性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投加时也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。(c)适宜的pH值范围较宽(在59间)，且处理后水的p
11、H值和碱度下降较小。(d)受水温影响小；水温低时，仍可保持稳定的混凝效果。(e)其碱化度比其它铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的侵蚀作用小。,24,v）活化硅酸,活化硅酸实质上是硅酸钠（水玻璃）用酸（硫酸）中和并熟化，使硅酸钠转化成硅酸单体，聚合成高分子物质。对胶体的混凝是通过吸附架桥使粒子粘连而完成的。优点：絮凝体形成快且粗大、密实，在低水温、低碱度条件下也能良好絮凝，适用pH值范围宽。与其它的混凝剂配合使用，特别是与铝盐和铁盐混合使用，可缩短沉降时间，节省混凝剂用量。,25,vi）聚合硫酸铁(PFS),化学式为Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m优点：投加剂量小，絮体生成快，对水质的适应范
12、围广以及水解时消耗水中碱度少。它与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。,26,(2)有机高分子类混凝剂,i）分类：高分子混凝剂分为天然和人工两种，其中天然高分子混凝剂的应用远不如人工的广泛，主要原因是电荷密度小，分子量较低，且容易发生降解而失去活性。根据高分子聚合物所带基团能否离解及离解后所带离子的电性，有机高分子混凝剂可分为阴离子型、阳离子型和非离子型,27,ii）特点：高分子混凝剂一般为链状结构，各单体间以共价键结合。单体的总数称为聚合度，高分子混凝剂的聚合度约从10005000，甚至更高。高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线形高分子。iii）作用机理：（a
13、）由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对胶粒的吸附结合；（b）线型高分子在溶液中的吸附架桥作用。,28,聚丙烯酰胺简介(PAM),分子式：示意处理时凝聚速度快，用量少。产量占高分子混凝剂总产量的80，按性状，聚丙烯酰胺产品有胶状(含量510)、片状(含量2030)和粉状(含量9095)三种。其聚合度可达21049104。相应的相对分子质量高达1.51066.0106。聚丙烯酰胺也常作为助凝剂与其他混凝剂一起使用，可产生较好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序与废水水质有关。,29,CH2CH CONH2 n,其中 n 称为聚合度,30,当废水浊度低时，宜先投加其他混凝剂，再投加聚丙烯酰胺，使胶体
14、颗粒先脱稳到一定程度，为聚丙烯酰胺的絮凝作用创造有利条件；当废水浊度高时，应先投加聚丙烯酰胺，再投加其它混凝剂，以让聚丙烯酰胺先在高浊度水中充分发挥作用，吸附部分胶粒，使浊度下降，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可以降低其它絮凝剂的用量。,31,2）助凝剂,在废水混凝处理中，有时使用单一的混凝剂不能取得良好的效果，往往需要投加辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂的作用只是提高絮凝体的强度，促进沉降，本身并不起凝聚作用。,32,（1）pH调整剂常用的pH调整剂包括石灰、硫酸、氢氧化钠、碳酸钠等。（2）絮体结构改良剂如铝盐产生的絮凝体细小而松散时，可用聚丙烯酰胺
15、或活性硅酸等助凝。（3）氧化剂可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物或将亚铁氧化成高铁，以提高混凝效果。,返回目录,33,废水,混凝剂L L,混合L,反应L,沉降分离,出水,污泥,5.4、混凝的工艺过程,快速而均匀，需要短时间高强度搅拌,反应阶段的目的是使药剂与水中的细小颗粒或胶体物质作用生成尽可能大的絮体，为沉降分离创造条件，需要低强度长时间搅拌。,澄清的目的是使所生成的絮体与水分离，完成净化过程,返回目录,34,5.5、投药方法及设备,1）投药方法有干投法和湿投法。（1）干投法是把经过破碎易于溶解的药剂直接投入废水中。干投法占地面积小，但对药剂的粒度要求较严，投加量较难控制，对机械
16、设备的要求较高，同时劳动条件也较差。目前应用的较少。（2）湿投法是将混凝剂和助凝剂配成一定浓度的溶液，然后按处理水量大小定量添加。混凝剂的湿法投加包括药剂的配制、药剂的计量和药剂的投加三个过程。,返回工艺,35,2）混凝剂的水力调制设备,36,混凝剂的压缩空气调制,37,混凝剂的机械调制设备,返回目录,轴承,轴承,出管,浆叶,浆叶,立轴,底板,38,5.6、混合与反应,1）混合废水与混凝剂和助凝剂进行充分混合，是进行反应和混凝沉淀的前提。对混合要求是速度快。一般有两种混合型式：一种是借水泵的吸水管或压水管混合。另一种是在混合槽内进行混合。混合槽混合常用的有机械混合槽，分流隔板式混合槽，多孔隔板
17、式混合槽。,返回工艺,39,（1）分流隔板式混合槽,溢流管,溢流堰,40,2）反应,水与药剂混合后进入反应池进行反应，其作用是使凝聚颗粒凝结成沉淀性能良好的絮凝体。反应池内水流特点是流速由大到小。在较大的反应流速时，使水中的胶体颗粒发生碰撞吸附，在较小的反应流速时，使碰撞吸附后的颗粒结成更大的矾花。反应池的型式有机械搅拌、隔板反应池，涡流式反应池等。,41,（1）机械搅拌反应池,42,（2）隔板反应池,平流式,回转式,43,（3）带回转式隔板反应池的平流式沉淀池,隔板反应池,穿孔配水墙,吸泥机,导流墙,上部穿孔出水墙,44,（4）涡流式反应池,进水,出水,返回目录,圆周出水槽,出水管,放水阀,
18、45,2.7、影响混凝的因素,1）废水水质的影响（1）浊度浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。（2）pH值在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。,46,（3）水温水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。（4）共存杂质有些杂质的存在能促进混凝过程。如：除硫磷以外的其他各种无机金属盐，均能压缩胶体粒子的扩散层厚度；而有些物质则不利于混凝的进行。如磷酸根、亚硫酸根、表面活性剂等会阻碍高分子絮凝作用。,47,2）混凝剂的影响,（1）混凝剂种类
19、混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。,48,（2）混凝剂投加量投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂种类、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。（3）混凝剂投加顺序当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当
20、处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。,49,3）水力条件的影响,水力条件对混凝效果有重要影响。（1）两个主要控制指标是搅拌强度和搅拌时间。（2）混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合，为此要求速度梯度G在5001000s1，搅拌时间t应在1030s。（3）反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在2070s-1和1530min。,返回目录,50,2.9、混凝方法的优缺点,优点：设备简单，维护操作易于掌握，处理效果好，间歇或连续运行均可以。缺点：由于不断向废水中投药，经常性运行费用较高，沉渣量大，且脱水较困难。,返回目录,
