第4章混凝教學(xué)

第4章混凝Coagulation1本章要講的問(wèn)題一、混凝原理二、脫穩(wěn)機(jī)理三、混凝劑與助凝劑四、投藥方法及設(shè)備五、混合與反應(yīng)六、影響混凝的因素七、混凝方法的優(yōu)缺點(diǎn)L八、沉降與澄清2思考題什么是凝聚、絮凝和混凝？化學(xué)混凝處理的對(duì)象主要是水中的什么雜質(zhì)？城市污水處理是否可用化學(xué)混凝法，為什么？試述膠體顆?；炷饔玫臋C(jī)理有哪幾種？試述影響混凝處理的主要因素。3水與混凝劑的混合方式有哪幾種？混凝與絮凝反應(yīng)時(shí)對(duì)攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間的要求有何不同，為什么？聚合氯化鋁是目前水處理中常用的一種無(wú)機(jī)高分子混凝劑，它的化學(xué)式是什么，簡(jiǎn)寫(xiě)為什么，它的混凝效果與什么有密切關(guān)系，一般要求其值為多少？4一、混凝原理混凝的主要對(duì)象是廢水中的細(xì)小懸浮顆粒和膠體微粒（colloidalmatters)，這些顆粒用自然沉降法很難從水中分離出去?；炷峭ㄟ^(guò)向廢水中投加混凝劑(coagulant)，破壞膠體的穩(wěn)定性，使細(xì)小懸浮顆粒和膠體微粒聚集(aggregation)成較粗大的顆粒而沉降與水分離，使廢水得到凈化。混凝法是廢水處理中常采用的方法?？梢杂脕?lái)降低廢水的濁度和色度，去除多種高分子有機(jī)物、某些重金屬和放射性物質(zhì)?；炷ㄟ€能改善污泥的脫水性能。 51.膠體的特點(diǎn)：粒徑小，一般直徑為1－100nm；布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒在廢水中受水分子熱運(yùn)動(dòng)的碰撞而作無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)；帶電，同類膠體微粒帶有同性電荷。水化膜，許多水分子被吸引在膠體微粒周圍，形成水化膜。62、水中膠體的穩(wěn)定性膠體穩(wěn)定性：指膠體粒子在水中長(zhǎng)期保持分散懸浮狀態(tài)的特性。膠體穩(wěn)定性的主要原因：膠體微粒的布朗運(yùn)動(dòng)構(gòu)成“動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性”膠體顆粒間的靜電斥力構(gòu)成“聚集穩(wěn)定性”膠體顆粒表面的水化作用7膠體的穩(wěn)定性關(guān)鍵在于“聚集穩(wěn)定性”，對(duì)于憎水膠體，主要決定于靜電斥力；對(duì)于親水膠體，主要決定于水化作用。穩(wěn)定性一旦破壞，膠體微?？山Y(jié)大而下沉。8膠體的雙電層結(jié)構(gòu)模型膠核定位離子束縛反離子，滑動(dòng)面膠團(tuán)邊界3.膠體的結(jié)構(gòu)9

[膠核]電位形成離子，束縛反離子

自由反離子

[Fe(OH)3]m

nH＋

(n－x)Cl－

x+

xCl－

膠核(nuclear)膠粒(colloidalparticle)吸附層stationarylayer擴(kuò)散層diffuselayer膠團(tuán)(colloidalmicelle)10雙電層結(jié)構(gòu)：帶負(fù)（正）電荷的膠核表面與擴(kuò)散于溶液中的正（負(fù)）電荷離子正好電性中和，構(gòu)成雙電層結(jié)構(gòu)。φ電位：膠核表面上的電位離子和溶液之間形成的電位差稱為總電位，即φ電位。膠體滑動(dòng)面：膠體微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散層中的反離子脫開(kāi)微粒的界面。ζ電位：膠體滑動(dòng)面上的電位稱為電動(dòng)電位，即ζ電位。ζ電位越高，擴(kuò)散層越厚，膠體顆粒越具穩(wěn)定性。11水化作用親水膠粒表面的極性基團(tuán)對(duì)水分子的強(qiáng)烈吸附，使離子周圍包裹一層較厚的水化膜阻礙膠粒相互靠近。水化膜越厚，膠體穩(wěn)定性越好。12二、脫穩(wěn)機(jī)理膠體顆粒保持分散的懸浮狀態(tài)的特性稱為膠體的穩(wěn)定性（stabilization)。膠體因

電位降低或消除，從而失去穩(wěn)定性的過(guò)程稱為脫穩(wěn)(destabilization)，脫穩(wěn)的膠粒相互聚集為較大顆粒的過(guò)程稱為凝聚(coagulation)?；炷臋C(jī)理：混凝可分為壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕四種機(jī)理。13（1）壓縮雙電層機(jī)理

(modificationoftheelectricaldoublelayer)雙電層的厚度與溶液中的反離子的濃度有關(guān)。當(dāng)向溶液中投加電解質(zhì)，使溶液中離子濃度增高時(shí)，則擴(kuò)散層的厚度將減小。該過(guò)程的實(shí)質(zhì)是加入的反離子與擴(kuò)散層原有反離子之間的靜電斥力把原有部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴(kuò)散層厚度減小。由于擴(kuò)散層厚度的減小，膠粒得以迅速凝聚。14溶液中離子濃度與擴(kuò)散層厚度的關(guān)系

溶液中離子濃度低溶液中離子濃度高15（2）吸附電中和機(jī)理

(electricalneutralization)膠粒表面對(duì)異號(hào)離子、異號(hào)膠粒、鏈狀離子或分子帶異號(hào)電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了電位離子所帶電荷，減少了靜電斥力，降低了

電位，使膠體的脫穩(wěn)和凝聚易于發(fā)生。16（3）吸附架橋（橋連）機(jī)理

(polymerbridgingofcolloids)吸附架橋作用主要是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過(guò)活性部位與膠粒和細(xì)微懸浮物等發(fā)生吸附橋連的過(guò)程。本機(jī)理能解釋當(dāng)廢水濁度很低時(shí)有些混凝劑效果不好的現(xiàn)象。因?yàn)閺U水中膠粒少，當(dāng)聚合物伸展部分一端吸附一個(gè)膠粒后，另一端因粘連不著第二個(gè)膠粒，只能與原先的膠粒粘連，就不能起架橋作用，從而達(dá)不到混凝的效果。17高分子聚合物對(duì)膠體或微粒的吸附架橋作用示意圖

＋＋＋18（4）沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理

(entrapmentintheflocstructure)沉淀金屬氫氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或帶金屬的碳酸鹽(如CaCO3)時(shí)，水中的膠粒和細(xì)微懸浮物可被這些沉淀物在形成時(shí)作為晶核或吸附質(zhì)所網(wǎng)捕。以上介紹的混凝的四種機(jī)理，在水處理中往往可能是同時(shí)或交叉發(fā)揮作用的，只是在一定情況下以某種機(jī)理為主而已。19三、混凝劑與助凝劑凝聚、絮凝和混凝這三個(gè)詞常引起混淆。凝聚(coagulation)是指膠體被壓縮雙電層而脫穩(wěn)的過(guò)程；絮凝(flocculation)則指膠體由于高分子聚合物的吸附架橋作用聚結(jié)成大粒絮體的過(guò)程；混凝（coagulation-flocculation）則包括凝聚與絮凝兩種過(guò)程。20凝聚是瞬時(shí)的，所需的時(shí)間是將化學(xué)藥劑擴(kuò)散到全部水中的時(shí)間。絮凝則與凝聚作用不同，它需要一定的時(shí)間讓絮體長(zhǎng)大，但在一般情況下兩者難以截然分開(kāi)。混凝劑(coagulant)：一般把能起凝聚與絮凝作用的藥劑統(tǒng)稱為混凝劑。助凝劑(coagulantaids)：當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時(shí)，可投加某類輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。211.混凝劑22水處理對(duì)混凝劑的要求：混凝效果好；對(duì)人類健康無(wú)害；價(jià)廉易得；使用方便。目前常用的混凝劑按化學(xué)組成可分為無(wú)機(jī)鹽類和有機(jī)高分子類。23(1)無(wú)機(jī)鹽類1）三氯化鐵(ferricchloride)無(wú)水物、結(jié)晶水物和液體，其中常用的是FeCl3·6H2O，極易溶于水。優(yōu)點(diǎn)：形成的礬花沉降性好，處理低溫水或低濁度水效果比鋁鹽好，適宜的pH值范圍較寬；缺點(diǎn)：處理后的水的色度比鋁鹽的高，腐蝕性大。242）硫酸亞鐵(ferroussulfate)FeSO4·7H2O是半透明綠色晶體，易溶于水，在水溫2O℃時(shí)溶解度為21％。硫酸亞鐵離解出的Fe2＋只能生成最簡(jiǎn)單的單核絡(luò)合物，因此，不如三價(jià)鐵鹽混凝效果好。殘留在水中的Fe2＋會(huì)使處理后的水帶色，F(xiàn)e2＋與水中的某些有色物質(zhì)作用后，會(huì)生成顏色更深的溶解物。因此，使用硫酸亞鐵時(shí)應(yīng)將二價(jià)鐵先氧化為三價(jià)鐵，然后再起混凝作用。253）硫酸鋁(aluminumsulfate,alum)工業(yè)產(chǎn)品有精制和粗制兩種。精制硫酸鋁是白色結(jié)晶體。粗制硫酸鋁的Al203含量不少于14.5％－16.5％，不溶雜質(zhì)含量不大于24％－30％。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格較低，使用方便，混凝效果好。缺點(diǎn)：當(dāng)水溫低時(shí)硫酸鋁水解困難，形成的絮體較松散。由于雜質(zhì)含量高，所以渣量大。264）聚合氯化鋁(poly-aluminumchloride,PAC)聚合氯化鋁是一種高分子混凝劑，簡(jiǎn)稱PAC(poly-aluminiumchloride)其化學(xué)式可寫(xiě)為[Al2(OH)nCl6-n]m，式中n可取1到5中間的任何整數(shù)，m為

10的整數(shù)。這個(gè)化學(xué)式實(shí)際是指m個(gè)Al2(OH)nCl6-n單體的聚合物。聚合氯化鋁中OH與Al的比值對(duì)混凝效果有很大關(guān)系，一般可用堿化度B表示：B=[0H]×100％/3[Al]，例如n＝4時(shí)，堿化度B=[4/（3×2）]×100％=66.7％。一般要求B為40％－60％。27聚合氯化鋁優(yōu)點(diǎn)：(a)應(yīng)用范圍廣，對(duì)各種廢水都可以獲得較好的混凝效果。(b)易快速形成大的礬花，沉降性能好，投藥量一般比硫酸鋁低，過(guò)量投加時(shí)也不會(huì)象硫酸鋁那樣造成水渾濁。(c)適宜的pH值范圍較寬(在5－9間)，且處理后水的pH值和堿度下降較小。(d)水溫低時(shí)，仍可保持穩(wěn)定的混凝效果。(e)其堿化度比其它鋁鹽、鐵鹽為高，因此藥液對(duì)設(shè)備的侵蝕作用小。285）活化硅酸(activatedsilicate)活化硅酸實(shí)質(zhì)上是硅酸鈉在加酸條件下水解聚合反應(yīng)進(jìn)行到一定程度的中間產(chǎn)物。對(duì)膠體的混凝是通過(guò)吸附架橋使粒子粘連而完成的。優(yōu)點(diǎn)：絮凝體形成快且粗大、密實(shí)，在低水溫、低堿度條件下也能良好絮凝，適用pH值范圍寬。與其它的混凝劑配合使用，特別是與鋁鹽和鐵鹽混合使用，可縮短沉降時(shí)間，節(jié)省混凝劑用量。296）聚合硫酸鐵

(poly-ferricsulfate,PFS)化學(xué)式為[Fe2(OH)n(SO4)3-（n/2）]m優(yōu)點(diǎn)：投加劑量小，絮體生成快，對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)范圍廣以及水解時(shí)消耗水中堿度少。它與聚合鋁鹽都是具有一定堿化度的無(wú)機(jī)高分子聚合物，且作用機(jī)理也頗為相似。30(2)有機(jī)高分子類混凝劑(polyelectrolytes)分類：高分子混凝劑分為天然和人工兩種，其中天然高分子混凝劑的應(yīng)用遠(yuǎn)不如人工的廣泛，主要原因是電荷密度小，分子量較低，且容易發(fā)生降解而失去活性。根據(jù)高分子聚合物所帶基團(tuán)能否離解及離解后所帶離子的電性，有機(jī)高分子混凝劑可分為陰離子型(anionic)、陽(yáng)離子型(cationic)和非離子型(nonionic)31(2)有機(jī)高分子類混凝劑特點(diǎn)：高分子混凝劑一般為鏈狀結(jié)構(gòu)，各單體間以共價(jià)鍵結(jié)合。單體的總數(shù)稱為聚合度，高分子混凝劑的聚合度約從1000－5000，甚至更高。高分子混凝劑溶于水中，將生成大量的線型高分子。作用機(jī)理：（a）由于氫鍵結(jié)合、靜電結(jié)合、范德華力等作用對(duì)膠粒的吸附結(jié)合；（b）線型高分子在溶液中的吸附架橋作用。在一般情況下，不論混凝劑為何種離子型，對(duì)不同電性的膠體和細(xì)微懸浮物都是有效的。但如為離子型，且電性與膠粒電性相反，就能起降低電位和吸附架橋雙重作用，可明顯提高絮凝效果。32聚丙烯酰胺簡(jiǎn)介

(polyacrylamides,PAM)分子式：示意產(chǎn)量占高分子混凝劑總產(chǎn)量的80％，按性狀，聚丙烯酰胺產(chǎn)品有膠狀(含量5％－10％)、片狀(含量20％－30％)和粉狀(含量90％－95％)三種。其聚合度可達(dá)2×104－9×104。相應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)1.5×106－6.0×106。聚丙烯酰胺也常作為助凝劑與其他混凝劑一起使用，可產(chǎn)生較好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序與廢水水質(zhì)有關(guān)。33—CH2—CH—CONH2n其中n稱為聚合度34當(dāng)廢水濁度低時(shí)，宜先投加其他混凝劑，再投加聚丙烯酰胺，使膠體顆粒先脫穩(wěn)到一定程度，為聚丙烯酰胺的絮凝作用創(chuàng)造有利條件；當(dāng)廢水濁度高時(shí)，應(yīng)先投加聚丙烯酰胺，再投加其它混凝劑，以讓聚丙烯酰胺先在高濁度水中充分發(fā)揮作用，吸附部分膠粒，使?jié)岫认陆?，其余膠粒由其它混凝劑脫穩(wěn)，再由聚丙烯酰胺吸附，這樣可以降低其它絮凝劑的用量。352.助凝劑（1）pH調(diào)整劑常用的pH調(diào)整劑包括石灰、硫酸、氫氧化鈉、碳酸鈉等。（2）絮體結(jié)構(gòu)改良劑如活性硅酸、粘土等。（3）氧化劑可投加氯氣、次氯酸鈉、臭氧等氧化劑來(lái)破壞有機(jī)物，以提高混凝效果。36四、投藥方法及設(shè)備1、混凝的工藝過(guò)程37廢水混凝劑L

L混合L反應(yīng)L沉降L（澄清）出水污泥混合目的是使混凝劑盡快與水混合，需要短時(shí)間高強(qiáng)度攪拌反應(yīng)階段的目的是使藥劑與水中的細(xì)小顆粒或膠體物質(zhì)作用生成盡可能大的絮體，為沉降分離創(chuàng)造條件，需要低強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間攪拌。許多因素影響反應(yīng)過(guò)程L澄清的目的是使所生成的絮體與水分離，完成凈化過(guò)程38投藥方法有干(dry)投法和濕(wetted)投法。干投法是把經(jīng)過(guò)破碎易于溶解的藥劑直接投入廢水中。干投法占地面積小，但對(duì)藥劑的粒度要求較嚴(yán)，投加量較難控制，對(duì)機(jī)械設(shè)備的要求較高，同時(shí)勞動(dòng)條件也較差。目前應(yīng)用的較少。濕投法是將混凝劑和助凝劑配成一定濃度的溶液，然后按處理水量大小定量添加?；炷齽┑臐穹ㄍ都影ㄋ巹┑呐渲啤⑺巹┑挠?jì)量和藥劑的投加三個(gè)過(guò)程。39混凝劑的水力調(diào)制設(shè)備404142混凝劑的壓縮空氣調(diào)制4344混凝劑的機(jī)械調(diào)制設(shè)備45浮杯浮在溶液箱的液面上，它的作用是隨著液面的升降而升降，使杯底連接的短管位置始終與液面保持一個(gè)固定的水頭，這樣在一定出流孔徑下，輸出藥液的流量也就固定不變了。如果變更流量只要變換出流孔徑就可以了。46孔口式計(jì)量設(shè)備的工作原理是將配制好的一定濃度的溶液通過(guò)浮球閥進(jìn)入恒位箱，恒位箱借浮球閥的作用維持箱中穩(wěn)定的水位，使苗嘴或孔板在穩(wěn)定的水頭下維持穩(wěn)定的投加量。改變加藥量是通過(guò)改變苗嘴和孔板斷面來(lái)調(diào)整。4748泵前重力投加法的藥液投加在水泵吸水管或吸水喇叭口處。49水射器投加就是利用高壓水通過(guò)水射器噴嘴和喉管之間真空抽吸作用將藥液吸入，同時(shí)隨水的余壓注入原水管中，這種投加方式設(shè)備簡(jiǎn)單，使用方便，溶液池高度不受太大限制，但水射器效率較低，且易磨損。50五、混合與反應(yīng)(mixingandreaction)1.混合廢水與混凝劑和助凝劑進(jìn)行充分混合，是進(jìn)行反應(yīng)和混凝沉淀的前提。對(duì)混合要求是速度快。一般有三種混合型式：水泵混合，借水泵的吸水管或壓水管混合；機(jī)械混合；隔板混合：分流隔板式混合槽，多孔隔板式混合槽。5152分流隔板式混合槽5354多孔隔板式混合槽552.反應(yīng)(reaction)水與藥劑混合后進(jìn)入反應(yīng)池進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)池內(nèi)水流特點(diǎn)是流速由大到小。在較大的反應(yīng)流速時(shí)，使水中的膠體顆粒發(fā)生碰撞吸附，在較小的反應(yīng)流速時(shí)，使碰撞吸附后的顆粒結(jié)成更大的礬花。反應(yīng)池的型式有機(jī)械攪拌、隔板反應(yīng)池，渦流式反應(yīng)池等。56（1）機(jī)械攪拌反應(yīng)池575859（2）隔板反應(yīng)池（平流式）6061回轉(zhuǎn)式6263隔板反應(yīng)池及平流式沉淀池隔板反應(yīng)池穿孔配水墻吸泥機(jī)導(dǎo)流墻上部穿孔出水墻64（3）渦流式反應(yīng)池進(jìn)水出水6566六、影響混凝的因素1.廢水水質(zhì)的影響（1）濁度(turbidity)濁度過(guò)高或過(guò)低都不利于混凝，濁度不同，所需的混凝劑用量也不同。（2）pH值在混凝過(guò)程中，都有一個(gè)相對(duì)最佳pH值存在，使混凝反應(yīng)速度最快，絮體溶解度最小。不同混凝劑最佳pH值要通過(guò)試驗(yàn)確定。67（3）水溫(temperature)水溫會(huì)影響無(wú)機(jī)鹽類的水解，水溫低，水解反應(yīng)慢。另外水溫低，水的粘度增大，布朗運(yùn)動(dòng)減弱，混凝效果下降。（4）共存雜質(zhì)(impurities)有些雜質(zhì)的存在能促進(jìn)混凝過(guò)程。而有些物質(zhì)則不利于混凝的進(jìn)行。682.混凝劑的影響（1）混凝劑種類(kindsofcoagulants)混凝劑的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、濃度。如水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，且

電位較高，則應(yīng)先投加無(wú)機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如絮體細(xì)小，還需投加高分子混凝劑或配合使用活性硅酸等助凝劑。很多情況下，將無(wú)機(jī)混凝劑與高分子混凝劑并用，可明顯提高混凝效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。69（2）混凝劑投加量(dosage)投加量除與水中微粒種類、性質(zhì)、濃度有關(guān)外，還與混凝劑品種、投加方式及介質(zhì)條件有關(guān)。對(duì)任何廢水的混凝處理，都存在最佳混凝劑和最佳投藥量的問(wèn)題，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。（3）混凝劑投加順序(sequence)當(dāng)使用多種混凝劑時(shí)，其最佳投加順序可