第三章污水的化学处理 §31化学混凝法 §31.1混凝原理 (1)胶体结构(双电层结构) 图3-1是胶体结构示意图。在粒子的中心是胶核,它由数百乃至数千个分散 相固体物质分子组成。在胶核表面,吸附了一层带同号电荷的离子,称为电 位离子层。为维持胶体离子的点中性,在电位离子层外吸附了电量与电位离 子层总电量相同,而电性相反的离子,称为反离子层。电位离子层与反离子 层就构成了胶体粒子的双申层结构。其中电位离子层构成了双电层的内层 其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷,其电性和电荷量决定了双电层电位的 符号和大小。反离子层构成构成了双电层的外层,按其与胶核的紧密程度, 反离子层又分为吸附层和扩散层。 吸附层:指紧靠电位离子,并随胶核一起运动,它与电位离子层一起构成胶 体粒子的固定层。 反离子扩散层:指固定层以外的那部分反离子,它由受电位离子的引力较小, 因而不随胶核一起运动,并趋于向溶液主体扩散,直至与溶液中的平均浓度 相等。 吸附层与扩散层的交界面称为滑动面 胶体的电动电位:指胶粒与扩散层之间的电位差; 总电位:胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差 电位离子 反离子 滑动 胶团边界 吸附孱 扩散层 离于浓度 阴离于浓度 电动电位引起的静电斥力,阻止胶粒互相接近和接触碰撞,并在水分子的无 规则碰击下做布朗运动,使胶粒长期稳定地分散于水中。电动电位愈高,胶 体的稳定性就愈高。 图3-1胶体结构及其电位 胶体粒子的结构式
第三章 污水的化学处理 §3 1 化学混凝法 §3 1.1 混凝原理 （1）胶体结构（双电层结构） 图 3-1 是胶体结构示意图。在粒子的中心是胶核，它由数百乃至数千个分散 相固体物质分子组成。在胶核表面，吸附了一层带同号电荷的离子，称为电 位离子层。为维持胶体离子的点中性，在电位离子层外吸附了电量与电位离 子层总电量相同，而电性相反的离子，称为反离子层。电位离子层与反离子 层就构成了胶体粒子的双电层结构。其中电位离子层构成了双电层的内层， 其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层电位的 符号和大小。反离子层构成构成了双电层的外层，按其与胶核的紧密程度， 反离子层又分为吸附层和扩散层。 吸附层：指紧靠电位离子，并随胶核一起运动，它与电位离子层一起构成胶 体粒子的固定层。 反离子扩散层：指固定层以外的那部分反离子，它由受电位离子的引力较小， 因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度 相等。 吸附层与扩散层的交界面称为滑动面。 胶体的电动电位：指胶粒与扩散层之间的电位差； 总电位：胶核表面的电位离子与溶液主体之间的电位差； 电动电位引起的静电斥力，阻止胶粒互相接近和接触碰撞，并在水分子的无 规则碰击下做布朗运动，使胶粒长期稳定地分散于水中。电动电位愈高，胶 体的稳定性就愈高。 图 3-1 胶体结构及其电位 胶体粒子的结构式：
{胶核]电位形成离子,束缚反离子}自由反离子 吸附层 扩散层 胶粒 胶团 (2)胶体的稳定性 定义:胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性; 天然水中胶体如粘土、细菌、病毒、藻类、腐殖质等通常是负电荷胶体; 分类 动力学稳定性:颗粒布朗运动对抗重力影响的能力 粒子越小,动力学稳定性越强 聚集稳定性:胶体粒子之间不能相互聚集的特性 静电作用和水化膜的作用阻碍胶体粒子的聚合, -胶体的稳定性关键在于聚集稳定性 胶体的电动电位越高,胶体的稳定性越髙 (3)混凝机理 压缩双电层:电解质加入与反离子同电荷离子与胶粒吸 附的反离子发生交换或挤入吸附层胶粒带电荷数减 少降低电动电位使扩散层厚度降低;凝聚能力离子价数6 斥力与吸力的合力 吸附电中 带异号电荷的聚合离子、高分子物质, 胶粒等来 吸电中和 吸附架材 粒,以及胶粒与胶粒之间的架桥 92 b吸附架舞 网捕作用:金属氢氧化物形成过程中对胶粒的网捕 G,氲氧化物政体 粘士杂质
{[胶核] 电位形成离子，束缚反离子} 自由反离子 吸附层 扩散层 胶粒 胶团 （2）胶体的稳定性 定义：胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性; 天然水中胶体如粘土、细菌、病毒、藻类、腐 殖质等通常是负电荷胶体； 分类： 动力学稳定性：颗粒布朗运动对抗重力影响的能力； ——粒子越小，动力学稳定性越强； 聚集稳定性：胶体粒子之间不能相互聚集的特性； —静电作用和水化膜的作用阻碍胶体粒子的聚合， —胶体的稳定性关键在于聚集稳定性； —胶体的电动电位越高，胶体的稳定性越高； （3）混凝机理 压缩双电层：电解质加入与反离子同电荷离子与胶粒吸 附的反离子发生交换或挤入吸附层胶粒带电荷数减 少降低电动电位使扩散层厚度降低；凝聚能力离子价数 6 吸附电中和：—胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质， 胶粒等来降低电动电位，使胶体脱稳； 吸附架桥作用：—高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥； 网捕作用：—金属氢氧化物形成过程中对胶粒的网捕；
(4)混凝过程:凝聚和絮凝( Cogulation and Flocculation) 凝聚:指使胶体脱稳并聚集为微絮粒(10mm)的过程 特点:剧烈搅拌,瞬间完成 絮凝:指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大 的絮体(06-1.2mm)的过程 特点:需要一定时间,搅拌从强到弱; (5)混凝剂和助凝剂 I、混凝剂 基本要求: 1)混凝效果好; 2)对人体健康无害 3)使用方便 4)货源充足,价格低廉 分类 II、助凝剂 酸碱类:调整水的pH值,如石灰、硫酸; 加大矾花的粒度和结实性:如活化硅酸、骨胶等 氧化剂类:破坏干扰混凝的物质(有机物);如投加Ch2和O3等;(6) 混凝影响因素 1)水温; ◆无机盐混凝剂水解是吸热反应,低温水混凝剂水解困难 低温水的粘度大,水中杂质颗粒的布朗运动减弱,碰撞机 会减少,不利胶体脱稳凝聚 ◆水温低时,胶体颗粒水化作用增强,妨碍胶体凝聚 2)水的pH ◆无机盐水解造成pH的下降,影响水解产物形态 ◆最佳pH处的混凝效果最好、反应速度最快 3)水中杂质 ◆水中杂质浓度低,颗粒间碰撞机会减少,混凝效果差: 对策 1)加高分子助凝剂 2)加粘土 4)水力条件 搅拌强度 ◆搅拌时间 (6)混凝动力学
（4）混凝过程：凝聚和絮凝（Cogulation and Flocculation） 凝聚：指使胶体脱稳并聚集为微絮粒（10mm）的过程； 特点：剧烈搅拌，瞬间完成； 絮凝：指微絮粒通过吸附、卷带和桥连而成长为更大 的絮体（0.6-1.2mm）的过程。 特点：需要一定时间，搅拌从强到弱； （5）混凝剂和助凝剂 I、混凝剂 基本要求： 1)混凝效果好； 2)对人体健康无害； 3)使用方便； 4)货源充足，价格低廉； 分类 II、助凝剂 酸碱类：调整水的 pH 值，如石灰、硫酸； 加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸、骨胶等； 氧化剂类：破坏干扰混凝的物质（有机物）；如投加 Cl2 和 O3 等；（6） 混凝影响因素 1）水温； ◆无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难； ◆ 低温水的粘度大，水中杂质颗粒的布朗运动减弱，碰撞机 会减少，不利胶体脱稳凝聚； ◆ 水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚； 2）水的 pH； ◆无机盐水解造成 pH 的下降，影响水解产物形态； ◆最佳 pH 处的混凝效果最好、反应速度最快； 3）水中杂质； ◆水中杂质浓度低，颗粒间碰撞机会减少，混凝效果差； 对策： 1）加高分子助凝剂； 2）加粘土； 4）水力条件 ◆ 搅拌强度 ◆ 搅拌时间 （6）混凝动力学
--颗粒间的碰撞是混凝的首要条件; Ⅰ、异向絮凝( Perikinetic Flocculation) 由布朗运动造成的碰撞,主要发生在凝聚阶段; 颗粒的碰撞速率 Nn-单位体积中的颗粒在异向絮凝中的碰撞速率1/cm3·s n-颗粒数量浓度个/cm2; K-波兹曼常数1.38×10-6gcm2/s2K; T-水的绝对温度,K; U-水的运动粘度,cm2/s; 水的密度,g/cm3; Il同向絮凝( Orthokinetic Flocculation) 由水力或机械搅拌产生; 颗粒的碰撞速率 N=indG G N0-单位体积中的颗粒在同向絮凝中的碰撞速率cm3s; n-颗粒数量浓度,个/cm G-速度梯度,s h-混凝设备中的水头损失,m, T-水流在混凝设备中的停留时间,s; U-水的运动粘度,cm2/s; g-重力加速度,98m/s2 I用G来判断混合和絮凝的程度; 混合(凝聚)过程: 平均G=700-1000s 时间T=10-30s; 絮凝过程 平均G=20-70s1; 平均GT=1-104-105;
-------颗粒间的碰撞是混凝的首要条件； I、异向絮凝（Perikinetic Flocculation） 由布朗运动造成的碰撞，主要发生在凝聚阶段； 颗粒的碰撞速率： II、同向絮凝 (Orthokinetic Flocculation) 由水力或机械搅拌产生； 颗粒的碰撞速率： III、混凝控制指标 III 用 G 来判断混合和絮凝的程度； 混合（凝聚）过程： 平均 G=700-1000s-1 时间 T=10-30s； 絮凝过程： 平均 G=20-70s-1； 平均 GT=1-104 -105 ； , / ; , / ; , ; ,1.38 10 . / . ; , / ; ,1/ ; 3 8 3 2 16 2 2 3 3 2 g cm cm s T K K g cm s K n cm N cm s N KTn p p 水的密度 水的运动粘度 水的绝对温度 波兹曼常数 颗粒数量浓度 个 单位体积中的颗粒在异向絮凝中的碰撞速率 − − − − − − = − ,9.8 / ; , / ; , ; , ; , ; , / ; ,1/ ; 3 4 2 2 1 3 3 0 2 2 0 g m s cm s T s h m G s n cm N cm s T gh N n d G G 重力加速度 水的运动粘度 水流在混凝设备中的停留时间 混凝设备中的水头损失 速度梯度 颗粒数量浓度 个 单位体积中的颗粒在同向絮凝中的碰撞速率 − − − − − − − = = −
混凝剂一配制}定量投加 原水 混合反应固液分离处理水 §312混凝工艺一般流程及设计要点 图3-2混凝工艺流程 工艺流程见图3-2,设计混凝工艺应着重考虑: ①根据混凝处理目的,通过试验选择混凝剂品种、用量和p值 ②选择合适的混凝剂投加位置和方式,调制、投加浓度和设备 ③选择合适的混合、反应方法和设备; ④考虑与上下构筑物的衔接。 §313化学混凝的设备 1、投配设备 (1)溶解池 A、作用:完成混凝剂的溶解 B、搅拌装置: 机械搅拌:用电动机带动桨板或涡轮 压缩空气搅拌:通过压缩空气进行搅拌; 水泵搅拌:直接用水泵从溶解池内抽取溶液再循环回到溶解池 (2)溶液池:用于贮备已溶解好的混凝剂溶液 W=24×1004 1000×1000cn417cn 溶液池的容积计算 式中:W1一溶液池的容积,m q一处理的水量,m3/h A一混凝剂的最大投加量,mg/L c一溶液浓度,%; 浮球阀 恒 n-每天配制次数,一般为26次。 (3)计量设备:主要用于定量控制药剂的投加量。可以用转子流量计、电磁流 量计。见图3-3 图3-3计量设备
§3 1 2 混凝工艺一般流程及设计要点 图 3-2 混凝工艺流程 工艺流程见图 3-2，设计混凝工艺应着重考虑： ①根据混凝处理目的，通过试验选择混凝剂品种、用量和 pH 值； ②选择合适的混凝剂投加位置和方式，调制、投加浓度和设备； ③选择合适的混合、反应方法和设备； ④考虑与上下构筑物的衔接。 §3 1 3 化学混凝的设备 1、投配设备 （1）溶解池： A、作用：完成混凝剂的溶解。 B、搅拌装置： 机械搅拌：用电动机带动桨板或涡轮； 压缩空气搅拌：通过压缩空气进行搅拌； 水泵搅拌：直接用水泵从溶解池内抽取溶液再循环回到溶解池； （2）溶液池：用于贮备已溶解好的混凝剂溶液 溶液池的容积计算： 式中：W1—溶液池的容积，m3； qv—处理的水量，m3 /h； A—混凝剂的最大投加量，mg/L； c—溶液浓度，%； n—每天配制次数，一般为 2-6 次。 （3）计量设备：主要用于定量控制药剂的投加量。可以用转子流量计、电磁流 量计。见图 3-3 图 3-3 计量设备 cn Aq cn Aq W v v 1000 1000 417 24 100 1 = = 混凝剂 配制 定量投加 原水 混合 反应 固液分离 处理水 泥渣