自来水水处理技术2ppt课件.ppt
2. 水的混凝,水处理中主要杂质： 粘土（50nm-4 m） 细菌（0.2m-80m） 病毒（10nm-300nm） 蛋白质、腐殖酸（1nm-50nm）,混凝去除的物质颗粒范围在：1nm-1m，是一种化学方法。 混凝目的：投加混凝剂使胶体脱稳，相互凝聚生长成大矾花。 1637年 我国开始使用明矾净水 1884年 西方才开始使用,水的混凝处理涉及到四个方面的问题： 2.1 水中胶体的性质 2.2 混凝理论 2.3 混凝剂与助凝剂 2.4 混凝构筑物与设备,2.1胶体颗粒的基本性质,一、胶体的结构 由胶核、吸附层与扩散层组成的双电层结构。 以Fe（OH）3 胶体为例， 1)胶核: Fe（OH）3的聚集体. 2)吸附层: 正电离子如FeO+, 以及一定量的带负电的反离子. 3)扩散层:反离子的扩散层,这样，形成了胶体粒子的双电层结构。 电位决定离子:决定了胶体的带电性能，如FeO+ 反离子：与电位决定离子电性相反,在这样的一个电场中， 胶核表面有一个电位-总电位，0 吸附层表面有一个电位-动电位， d 电位 扩散层表面有一个电位-动电位， 电位 通常， 电位表示胶粒的带电量大小， 电位越高，微粒间的静电排斥越强，胶粒的稳定性越高，反之，胶粒的稳定性越差。 天然水中，粘土胶体： 电位-15-40mV 细菌胶体： 电位-30-70mV 藻 类： 电位-10-15mV,二、胶体颗粒的稳定性 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。 胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。 动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。 聚集稳定性包括：胶体带电相斥（憎水性胶体）；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。,三、胶体稳定性的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。 当胶体距离xoc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。,只有当xoa时，胶体才能相互凝聚。但这时需要克服排斥能峰Emax。 布朗运动无法克服排斥能峰Emax，须外界注入能量。 因此，混凝是有能耗的，但同时应注意降低电位，以降低排斥能峰Emax 。,四、胶体的脱稳方法 1）投加电解质 天然水体中的胶体一般带负电，投加高价反离子后，反离子浓度增大， 电位降低，排斥势能降低到一定程度，吸引势能占优势，胶体开始脱稳。 投加电解质价数越高，脱稳效果越好，一价:二价:三价离子电解质的投加量之比=1:10-2:10-3,称为叔采-哈代法则。,2)投加电荷相反的胶体 两种胶体起到电性中和作用， 电位均降低，从而进行脱稳作用。 3）投加高分子絮凝剂 链状结构，将胶体进行联接,2.2混凝处理理论,一、混凝机理 根据颗粒脱稳机理：目前的水的混凝处理机理可以分以下四种： 1）压缩双电层作用 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 电解质加入与反离子同电荷离子压缩双电层电位稳定性凝聚,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。这一点与第1条机理不同。 3）吸附架桥 指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥 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。,4）网捕或卷扫 金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕 小胶粒与大矾花发生接触凝聚 以上四条即为混凝的机理。,二、混凝剂化学-以AI2（SO4）3为例 AI3+ AI（H2O）6 3+ 1）水解反应： AI（H2O）6 3+ AI（OH）（H2O）6 2+,2）缩聚反应,当pH值较低时，AI离子在水中高电荷，低聚合度的络合物为主，其混凝机理在于压缩双电层。 在pH值较高时， AI离子以低电荷，高聚合度的络合物为主。吸附架桥。 AI盐在水中的水解产物与pH的关系如图2-4,p61,根据以上机理，可以解释在不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理。 pH4 简单的水合铝离子起压缩双电层作用 pH=45 多核羟基络合物起吸附电性中和 pH=6.5-7.5 多核羟基络合物起吸附电性中和；氢氧化铝起吸附架桥、网捕 天然水体一般pH=6.5-7.8,三、混凝剂投加的经验数据 明矾：3580mg/L 三价铁：2560mg/L PAC : 510mg/L 聚铁： 58mg/L,四、混凝动力学 颗粒间的碰撞是混凝的首要条件，研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。 颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：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。 异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。 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称同向絮凝,1、异向絮凝 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(1/cm3.s) n：颗粒数量浓度 ：运动粘度 ：水的密度 凝聚速度决定于颗粒碰撞速率。Np只与颗粒数量T有关，而与颗粒粒径无关。 但当颗粒的粒径大于1m，布朗运动消失。,2、异向絮凝 由水力或机械搅拌产生。其理论仍在发展之中。最初的理论基于层流的假定。 碰撞速率 速度梯度：GU/Z（相邻两流层的速度增量）,对于机械絮凝： pG (参照) ：剪切应力 p：单位体积流体所耗功率，W/m3 按照牛顿定律 G (1/s) (1943年发明的理论，甘布公式) ：动力粘度，Pa s p：水流所耗功率，W/m3,对于水力絮凝：,3.混凝的分段与控制指标 混凝需要两个过程：即凝聚与絮凝 1)凝聚（coagulation） 凝聚的目的：使混凝剂快速溶解与水并充分混合 (使混凝剂快速水解,聚合,颗粒脱稳) 带电荷的水解离子或高价离子压缩双电层或吸附电中和电位脱稳凝聚，生长成约d=10颗粒,凝聚阶段时间短,一般在10-30S内完成,不超过2min 凝聚阶段: G, 700-1000s-1 特点：剧烈搅拌，瞬间完成 在混合设备中完成,2)絮凝（flocculation） 絮凝：混凝剂与水中的脱稳颗粒相互作用，并逐渐结大。 一般情况下:颗粒越大,越易破碎,故所需能量越小,因此G值应越来越小. 脱稳胶粒生长成大矾花d=0.6-1.2mm 特点：需要一定时间，搅拌从强弱 絮凝时间:一般15min-30min 絮凝阶段:G=20-70s-1,GT一般为104-105 在絮凝中设备完成,2.3混凝剂与助凝剂 一 混凝剂,二)助凝剂 可以参加混凝，也可不参加混凝。 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PAM，活化硅酸（SiO2 .nH2O），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,(三) 混凝的影响因素 1）水温 低温，混凝效果差，原因是： 无机盐水解吸热 温度降低，粘度升高布朗运动减弱 胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚,2）pH及碱度 视混凝剂品种而异。 无机盐水解，造成pH下降，影响水解产物形态。 根据水质、去除对象，最佳pH范围也不同。 需碱度来调整pH，碱度不够时需要投加石灰。 3） 杂质 颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。 对策：1）加高分子助凝剂 2）加粘土 3）投加混凝剂后直接过滤,一、混凝剂的配制设备 混凝剂投加分固体投加与液体投加两种方式.常用液体投加. 液体投加 溶解池(搅拌机) 溶液池,2.4(混凝设备与构筑物),1)溶解池W1=（0.20.3）W2 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,1.投药设备 溶药设备 贮药设备 药液提升设备 计量设备 与投加方式有关,方式不同,设备也不一样,二、混凝剂的投加设备与方式,计量设备 转子流量计 电磁流量计 苗嘴 计量泵,2、混凝剂的投加与方式 1)泵前投加,2)水射器投加,3)计量泵投加,4)药剂的注入方式,三、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。,2) 管式静态混合器：流速不宜小于1m/s，水头损失不小于0.30.4m，简单易行，见下图。,3)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1.01.5m/s，混合时间23s。节管长度不小于500mm。水头损失约0.30.4m，直径在DN200DN1200.,4)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7001000s-1，时间1030s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。,四、絮凝设备,絮凝设备的基本要求: 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的絮凝体. 水力絮凝 机械絮凝,1)隔板絮凝池,有往复式与回转式 (1)往复式：,（2）回转式,隔板絮凝池特点: 1)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。 2)适用大中型水厂(水量大,水量稳) 3)构造简构造简单、管理方便. 4)往复式与回转式组合使用,往复式在前,回转式在后.,主要设计参数：速度递减, 流速：起端0.5-0.6m/s，末端0.2-0.3m/s, 有两种措施: 廊道渐宽 廊道渐深. 段数：越多越好, 46段； 转弯处过水断面积为廊道过水断面积的1.21.5倍； 絮凝时间：2030min；,隔板间距：宜大于0.5m，池底应有0.020.03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,2）折板絮凝池 是在隔板絮凝池的基础上发展而来的。通常采用竖流式的。 波峰对波谷：同波折板 波峰对波峰：异波折板,设计参数： 折板间流速要分段设计，一般不少于三段：1)0.25-0.35m/s 2)0.15-0.25m/s 3)0.10-0.15m/s 折板夹角：一般90-120°每波的波高通常0.25-0.40m. 絮凝时间：10-15min。,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。 设计参数： 絮凝时间1015分。 池内一般设34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1020，不宜超过75，桨板长度不大于叶轮半径的75，宽度宜取1030cm。 优缺点： 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。,4）穿孔旋流絮凝 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0.61.0m/s，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝时间1525min。 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）网格与栅条絮凝池,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。,
