第六章混凝

6．1混凝機理.

6.1.1基本概念混凝：水中膠體粒子以及微小懸浮物的聚集過程稱為混凝，是凝聚和絮凝的總稱。凝聚：膠體失去穩定性的過程稱為凝聚。絮凝：脫穩膠體相互聚集稱為絮凝。混凝過程涉及：①水中膠體的性質；②混凝劑在水中的水解；③膠體與混凝劑的相互作用。

6.1.2水中膠體的穩定性膠體穩定性：是指膠體粒子在水中長期保持分散懸浮狀態的特性。膠體穩定性分“動力學穩定性”和“聚集穩定”兩種。動力學穩定性：無規則的布朗運動強，對抗重力影響的能力強。聚集穩定性包括：①膠體帶電相斥（憎水性膠體）；②水化膜的阻礙（親水性膠體）在動力學穩定性和聚集穩定兩者之中，聚集穩定性對膠體穩定性的影響起關鍵作用。膠體顆粒的雙電層結構見圖6-1。滑動面上的電位：稱為電位，決定了憎水膠體的聚集穩定性。也決定親水膠體的水化膜的阻礙，當ξ電位降低，水化膜減薄及至消失。

6.1.3DLVO理論膠體顆粒之間的相互作用決定于排斥能與吸引能，分別由靜電斥力與范德華引力產生。排斥勢能：ER－1/d2吸引勢能：EA－1/d6（有些認為是1/d2或1/d3）由此可畫出膠體顆粒的相互作用勢能與距離之間的關系，見圖6-2。當膠體距離x<oa或x>oc時，吸引勢能占優勢；當oa<x<oc時，排斥勢能占優勢；當x=ob時，排斥勢能最大，稱為排斥能峰。膠體的布朗運動能量Eb＝1.5kT，當其大于排斥能峰時，膠體顆粒能發生凝聚。以上稱為DLVO理論，只適用于憎水性膠體，由德加根（derjaguin）、蘭道（Landon）(蘇聯，1938年獨立提出〕，伏維（Verwey）、奧貝克（Overbeek）（荷蘭，1941年獨立提出）。

6.1.4硫酸鋁在水中的化學反應硫酸鋁Al2（SO4）·18H2O溶于水后，立即離解出鋁離子，通常是以[Al(H2O)6]3+存在，但接著會發生水解與縮聚反應，形成不同的產物。產物包括：未水解的水合鋁離子、單核羥基絡合物、多核羥基絡合物、氫氧化鋁沉淀等。各種產物的比例多少與水解條件（水溫、pH、鋁鹽投加量）有關，見圖6-3

6.1.5混凝機理

1．電性中和作用機理電性中和作用機理包括壓縮雙電層與吸附電中和作用機理，見圖6-4。（1）壓縮雙電層加入電解質加入，形成與反離子同電荷離子，產生壓縮雙電層作用，使ξ電位降低，從而膠體顆粒失去穩定性，產生凝聚作用。壓縮雙電層機理適用于叔采－哈代法則，即：凝聚能力離子價數6。該機理認為電位最多可降至0。因而不能解釋以下兩種現象：①混凝劑投加過多，混凝效果反而下降；②與膠粒帶同樣電號的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。

（2）吸附－電性中和這種現象在水處理中出現的較多。指膠核表面直接吸附帶異號電荷的聚合離子、高分子物質、膠粒等，來降低電位。其特點是：當藥劑投加量過多時，電位可反號。

2．吸附架橋吸附架橋作用是指高分子物質和膠粒，以及膠粒與膠粒之間的架橋，架橋模型示意見圖6-5。高分子絮凝劑投加后，通常可能出現以下兩個現象：①高分子投量過少，不足以形成吸附架橋；②但投加過多，會出現“膠體保護”現象，見圖6-6；

3．網捕或卷掃金屬氫氧化物在形成過程中對膠粒的網捕與卷掃。所需混凝劑量與原水雜質含量成反比，即當原水膠體含量少時，所需混凝劑多，反之亦然。

6.1.6硫酸鋁的混凝機理

不同pH條件下，鋁鹽可能產生的混凝機理不同。何種作用機理為主，決定于鋁鹽的投加量、pH、溫度等。實際上，幾種可能同時存在。pH<3簡單的水合鋁離子起壓縮雙電層作用；pH=4~5多核羥基絡合物起吸附電性中和；pH=6.5-7.5氫氧化鋁起吸附架橋；6．2混凝劑和助凝劑

6.2.1混凝劑混凝劑應符合以下要求：①混凝效果好；②對人體無危害；③使用方便；④貨源充足，價格低廉。目前混凝劑的種類有不少于200－300種，分為無機與有機兩大系列，見表6-1。與硫酸鋁相比，三氯化鐵具有以下優點：①適用的pH值范圍較寬；②形成的絮凝體比鋁鹽絮凝體密實；③處理低溫低濁水的效果優于硫酸鋁；④但三氯化鐵腐蝕性較強。硫酸亞鐵一般與氧化劑如氯氣同時使用，以便將二價鐵氧化成三價鐵。

聚合氯化鋁又稱為堿式氯化鋁或羥基氯化鋁，性能優于硫酸鋁。其成分取決于羥基與鋁的摩爾數之比，通常稱之為堿化度B，按下式計算：聚合鐵包括聚合硫酸鐵與聚合氯化鐵，目前常用的是聚合硫酸鐵，它的混凝效果優于三氯化鐵，它的腐蝕性遠比三氯化鐵小。

表6-1常用的混凝劑無機鋁系硫酸鋁明礬聚合氯化鋁（PAC）聚合硫酸鋁（PAS）適宜pH：5.5~8鐵系三氯化鐵硫酸亞鐵硫酸鐵（國內生產少）聚合硫酸鐵聚合氯化鐵適宜pH：5~11，但腐蝕性強有機人工合成陽離子型：含氨基、亞氨基的聚合物國外開始增多，國內尚少陰離子型：水解聚丙烯酰胺（HPAM）非離子型：聚丙烯酰胺（PAM），聚氧化乙烯（PEO）兩性型：使用極少天然淀粉、動物膠、樹膠、甲殼素等微生物絮凝劑

6.2.2助凝劑助凝劑：凡能提高或改善混凝劑作用效果的化學藥劑可稱為助凝劑。助凝劑可以參加混凝，也可不參加混凝。廣義上可分為以下幾類：①酸堿類：調整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大礬花的粒度和結實性：如活化硅酸（SiO2nH2O）、骨膠、高分子絮凝劑；③氧化劑類：破壞干擾混凝的物質，如有機物。如投加Cl2、O3等。6．3凝聚動力學6.3.1基本概念

混凝動力學：研究顆粒碰撞速率屬于混凝動力學范疇。顆粒相互碰撞的動力來自兩個方面：顆粒在水中的布朗運動；在水力或機械攪拌所造成的流體運動。異向絮凝：由布朗運動引起的顆粒碰撞聚集稱為異向絮凝。同向絮凝：由水力或機械攪拌所造成的流體運動引起的顆粒碰撞聚集稱同向絮凝

6.3.2異向絮凝顆粒的碰撞速率可按下式計算：(6-1)式中：DB：布朗運動擴散系數，T為溫度，為水的運動粘度，為水的密度；因此：(6-2)故Np只與顆粒數量和水溫有關，而與顆粒粒徑無關。但當顆粒的粒徑大于1m，布朗運動消失。

6.3.3同向絮凝1.層流理論

層流條件下顆粒的碰撞示意見圖6-7。顆粒的碰撞速率按下式計算：(6-3)在被攪動的水流中，考慮一個瞬間受煎而扭轉的隔離體，見圖6-8。設在時間內，隔離體扭轉了角度，于是角速度為：

(6-4)

轉矩每為睜：(6-5霧)于是單借位體積濃水所耗咸功率p為：(6-6習)由于嘩，故(6-童7)當采用機幅械攪拌時之，p由機械洲攪拌器謊提供。卵當采用黨水力絮爛凝池時替，p應為水強流本身派所消耗脊的能量趁，由下奶式決定酬：(6-8絮)則采用水悅力絮凝池帖時，(6-逢9)2.同痛向紊流橋理論同向紊流嬸理論：勉①外部施時加的能量斥形成大渦礦旋；②大散渦旋將能德量輸送給呼不渦旋；白③小渦旋佩將能量輸及送給更小秒的渦旋；后④只有尺眾度與顆粒旱尺寸相近鑰的渦旋才鄉豐會引起顆槍粒碰撞；（6-1殲0）式中，碗紊流擴陪散系數間，躬為相應蒸于尺度閱的脈動齊速度，汪為（6-1各1）故（6-仰12）3．混凝囑控制指標自藥劑測與水均怠勻混合漠起直至墊大顆粒蘿絮凝體駕形成為所止，工帆藝上總額稱混凝砌過程。普相應設猾備有混狹合設備腳和絮凝量設備。混合（凝虎聚）過程耽：在混合段階段，對炊水流進行轎劇烈攪拌址的目的主箱要是使藥黎劑快速均估勻分散以界利于混凝嗎劑快速水菠解、聚合端、及顆粒懇脫穩。平翅均G＝7猴00~1詞000s-1，時間通雞常在10仁～30s范，一般<罰2min腸散藥劑，抓此階段，玩雜質顆粒主微小，同垃時存在顆閣粒間異向我絮凝。絮凝過程采：在絮睛凝階段，驚主要靠機肢械或水力陣攪拌促使楚顆粒碰撞安凝聚，故梅以同向絮吩凝為主。幅同向絮凝辛效果不僅膨與G有關煤，還與時頓間有關。球在絮凝階均段，通常現以G值和袖GT值作聽為控制指蜜標。平均G卷＝20京－70喇s-1，GT屢＝1～1質04－1捏05隨著絮廟凝的進窯行，G割值應逐員漸減小邊。6.4遵影響水混矩凝的主要蛛因素6.4.瓦1概楚述影響混凝遷效果的因輝素比較復奶雜，主要破包括：①原水性數質，包括刻水溫、水候化學特性華、雜質性脈質和濃度計等；②投加棗的凝聚淚劑種類泥與數量芹；③使用拳的絮凝竟設備及漲其相關匠水力參方數。6.4.徐2水溫影廣響水溫低尚時，通心常絮凝虎體形成包緩慢，倆絮凝顆勤粒細小思、松散撐，凝聚加效果較岸差。其密原因有汁：①無機鹽腥水解吸熱搞；②溫度降血低，粘度宵升高――洗布朗運動斜減弱；③水溫低矮時，膠體拋顆粒水化堪作用增強渴，妨礙凝謠聚；④水溫丟與水的辯pH值租有關6.4軌.3水匠的pH叛和堿度妖影響水的p卵H值對術混凝效咱果的影婦響程度攤，與混良凝劑種石類有關貸。混凝時最卡佳pH范昌圍與原水四水質、去弊除對象等嫩密切有關仇。當投加回金屬鹽喇類凝聚鉗劑時，巷其水解短會生成灣H+，但水氧中堿度陪有緩沖腎作用，窯當堿度雜不夠時克需要投伶加石灰叼。石灰投鐘量按下博式估算松：[CaO犧]=3[猜a]–干[x]載+[損δ]碰（6-搞13）式中[C巷aO]：養純石灰C嗽aO投量宇，mmo圈l/L；[a]：闊混凝劑投孕量，mm留ol/L悅；[x]：濤原水堿度理，按mm吐ol/L巾，CaO靠計；[δ脖]：保證口反應順利言進行的剩擴余堿度，查一般取0嫩.25~孝0.5m每mol/怨L（Ca腹O）。一憶般石灰投扔量通過試用驗決定。6.4戶.4水竿中懸浮挎物濃度島的影響雜質濃度捕低，顆粒排間碰撞機報率下降，購混凝效果軍差。可采咱取的對策直有：①加高晨分子助由凝劑；②加粘牧土③投加帥混凝劑耕后直接生過濾如果原水閘懸浮物含蓬量過高，丑為減少混羊凝劑的用滅量，通常漫投加高分序子助凝劑橫。如黃河帝高濁度水摘常需投加感有機高分霸子絮凝劑嚇作為助凝粘劑。6．5掉混凝劑的郵配制與投哀加6.5擺.1著混凝劑淘的溶解層和溶液既配制溶解池容鳳積W1：W1=（0.萬2~0.開3）W2（6-1厲4）式中W2為溶液池吉容積。（6-1異5）式中：W2——溶容液池容免積，m3Q——縫處理的彩水量亞m3/ha——炮混凝劑過最大投襯加量，薄mg/估Lc——削溶液濃混度，一飾般取5沿%~2仔0%n——每茫日調制次沉數，一般怕不超過3止次6.5知.2叔混脅凝劑投雞加混凝劑投援加設備包綁括計量設污備、藥液絡提升設備刷、投藥箱戒、必要的詳水封箱以梅及注入設咽備等。。1.計件量設備計量設材備有：植轉子流渣量計；燙電磁流現量計；恭苗嘴；尋計量泵齡等。2.投腔加方式（1）泵姿前投加動：安全可腥靠，一般絮適用取水決泵房距水藥廠較近者孫，圖中水拾封箱是為冊防止空氣殿進入，見陪圖6-9諸。。（2）閣高位溶江液池重根力投加年：適用墊取水泵浸房距水沾廠較遠壩者，安便全可靠石，但溶淘液池位剛置較高殺，見圖重6-1婦0。（3）事水射器昏投加：著設備簡當單，使蔬用方便眨，溶液捕池高度轉不會受怒太大限僻制，但架效率低架，易磨夫損，見羊圖6-她11。（4）泵姓投加：不哭必另設計瞧量設備，撿適合混凝招劑自動控嚴制系統，過有利于藥磚劑與水混咬合，見圖麗6-12。6.5.飯3楚混凝劑投絡加量自動劉控制1.數學幫模擬法對于某一趙特定水源甩，可根據輕水質、水擴量建立數棟學模型，敘寫出程序館交計算機孔執行調控度。采用數濫學模型實倉行加藥自源動控制的哀關鍵是：翠必須要有環前期大量蛇而又可靠甩的生產數扯據，才可桐運用數理段統計方法鑒建立符合馬實際生產由的數學模惰型。適用勸特定原水聞條件，水沃質儀表多傭，投資大筆。2.現場件模擬試驗霸法采用現場瞞模擬裝置字來確定和本控制投藥漿量是較簡抹單的一種款方法，常樹用的模擬曉裝置是斜比管沉淀器括，過濾器閃或兩者并胸用。原水遍濁度低時斯，常用模滴擬過濾器牲，原水濁瓣度高時可穩用斜管沉陶淀器或過紛濾器串聯沖使用。此溜法存在反腐饋滯后現蜂象，模擬敘裝置與生群產設備存轉在一定的薯差別，但青與實驗室報相比，更掩接近實際爺情況。3.特技性參數全法影響混凝晴效果的因妖素復雜，庸在某種情連況下、某夠一特性參懂數是影響第混凝效果注的主要因畫素，這一紙因素的變私化反映了轟混凝程度床的變化。跳流動電流墾檢測器法黎和透光率陰脈動法屬故于特性參迷數法。流動電流曠是指膠體恨擴散層中愧反離子在皇外力作用吃下隨著流都體流動而鐘產生的電輩流。此電殊流與膠體闖ξ電位有察正相關關索系。混凝魯后膠體ξ啟電位變化拒反映了膠總體脫穩程劫度。優點搶是控制因洽子單一；事投資低，功操作簡單理；控制精靜度較高。甚缺點是投物藥量與流殖動電流很愛少相關。透光率脈岡動法是利偽用光電原搬理檢測絮挎凝聚顆粒研的變化，暴達到混凝寶在線連續腐控制的新寄技術。優過點是因子母單一，不扯受混凝機萍理或品種炊的限制，醫不受水質譜限制。6．6她混違凝設備6.6絞.1寺混合設閉備1.水泵凱混合投藥投加獎在水泵吸幅水口或管顯上。混合池效果好，蔥節省動力肢，各種水松廠均可用造，常用于點取水泵房敞靠近水廠圖處理構筑魄物的場合克，兩者間創距不大于虧150m襪。2.管音式混合管式靜爺態混合似器：流靠速不宜饒小于1總m/s畜，水頭怖損失不乏小于0謙.3~弟0.4塘m，簡宴單易行別，見圖柄6-1陪3。擴散混膛合器，梢是在管險式孔板病混合器梢前加一請個錐形確帽，錐想形帽夾譯角90耳°。順椅流方向錯投影面子積為進鎖水管總搜截面面召積的1尤/4，騾開孔面怨積為進困水管總于截面面仆積的3囑/4，嘩流速為肅1.0留~1.垃5m/踐s，混套合時間牙2~3富s。節痛管長度旦不小于撞500翻mm。談水頭損腔失約0追.3~美0.4森，直徑貴在DN案200妨~DN擇120葵0，見竊圖6-衰14。3梳機械混索合在池內蛾安裝攪蠻拌裝置金，攪拌縮慧器可以凈是槳板虛式、螺約旋槳式合或透平河式，速鏟度梯度汪700守~10存00s-1，時間1丟0~30社s以內，繞優點是混桂合效果好葉，不受水欺質影響，完缺點是增鄙加機械設根備，增加播維修工作詞。6.6.亂2絮構凝設備1.隔板反絮凝池隔板絮凝脈池分往復領式和回轉乖式，見圖并6-15扇與圖6-毅16。隔板絮凝錫池的水頭秀損失由局拒部水頭和草沿程水頭效損失組成遇。往復式列總水頭損府失一般在押0.3~助0.5m暖，回轉式膀的水頭損慨失比往復衡式的小4拒0％左右棵。隔板絮巨凝池特雄點：構竟造簡單鑰、管理盟方便，價但絮凝小效果不驗穩定，視池子大差。適應另大水廠鞭。隔板絮鏟凝池的或設計參岡數：①流速：土起端0.杯5-0.增6m/s狼，末端0龜.2-0熟.3m/似s段數：我4~6段采；②轉彎番處過水舊斷面積廁為廊道詠過水斷抽面積的照1.2碎~1.惑5倍；③絮凝克時間：蘆20~蝦30m崇in；④隔板間快距：不大刺于0.5亞m，池底起應有0.兆02~0夢.03坡堪度直徑不槍小于15覽0mm的揮排泥管；⑤廊道的獲最小寬度傍不小于0咽.5m；⑥各段棋的水頭擺損失晨，總浙水頭損非失2.折板襯絮凝池通常采用喉豎流式，細它將隔板蓮絮凝池的岸平板隔板扶改成一定道角度的折娘板。折板潛波峰對波宇谷平行安幟裝稱“同帽波折板”或，波峰相敬對安裝稱拐“異波折焦板”。與拆隔板式相爆比，水流今條件大大睬改善，有娛效能量消越耗比例提撫高，但安障裝維修較傲困難，折健板費用較栗高。其示緒意圖見圖兄6-17液與圖6-濕18。3機哈械絮凝萌池機械絮凝達池的剖面朗示意見圖悠6-19霸。攪拌器駁有漿板允式和葉宏輪式，匯按攪拌務軸的安狐裝位置南分水平基軸式和紐奉垂直軸芬式。第一格攪停拌強度最藍大，而后仰逐步減小前，G值也割相應減小帖，攪拌強蓄度決定于郵攪拌器轉撫速和槳板午面積。（1）救功率計翼算水流對兆槳板的獲阻力就屋是槳板軍施于水從的推力坊，在dA微面積救上水流梁阻力（6-騾15）阻力dFi所耗功率錘，即槳板蛛施于水的糊功率：（6-1寸6）式中：，鈴為水流旋堂轉線速度汪，為槳板春旋轉角速浙度，為皇旋轉半徑因此（6-墓17）第塊槳板肢克服水的答阻力所耗拉功率：（6-1拴8）設每根秧旋轉軸喉在不同暗旋轉半棵徑上裝碎相同數這量的槳川板，則陜每根旋貍轉軸全懲部槳板已所耗功助率：（6-1悔9）每根旋姐轉軸所酷需電動牙機功率諸：（6-問20）（2）設厘計參數①絮凝芽時間1敗0~1辯5分。②池內一藏般設3～昌4擋攪拌炸機。③攪拌機且轉速按葉跨輪半徑中玻心點線速鏈度計算確盞定，線速寒度第一擋掙0.5m稼/s逐漸愿減小至末移擋的0.白2m/s禾。④槳板總壩面積宜為坊水流截面汗積的10域～20％緩，不宜超識過75％稱，槳板長覺度不大于京葉輪半徑鐵的75％蹤蝶，寬度宜攜取10～剃30cm型。（3）驢優缺點機械絮銅凝池的鑄優點是謠調節容窩易，效活果好，觸大、中給、小水拼廠均可基，但維慰修是問鋼題。4.穿孔拆旋流絮凝逃池由若干獻方格組圾成。分致格數一臟般不少嚴于6格濫。流速摘逐漸減賊小，G掙也相應疲減小以襲適應絮齊凝體形們成，孔準口流速鎮宜取0方.6～歇1.0遞m/s銳，末端嫂流速宜呢取0.兄2～0煎.3m仗/s。木絮凝時麥間15穿～25懶min念。穿孔笑旋流絮筆凝池的艱平面示哲意圖見忍圖6-裙20。穿孔旋流拌絮凝池的憤優點是構幻玉造簡單，飽施工方便商，造價低真，可用于止中、小型盲水廠或與免其他形式糧的絮凝池扒組合應用門。5.網格墨、柵條絮俘凝池網格、柵舉條絮凝池碗設計成多摸格豎井回忽流式。每王個豎井安篇裝若干層始網格或柵風條，各豎膊井間的隔需墻上、下已交錯開孔饒，進水端首至出水端壁逐漸減少遲，一般分換3段控制義。前段為款密網或密麥柵，中段誕為疏網或利疏柵，末桌段不安裝巾網、柵。左網格（柵敗條）絮凝惜池的示意舍圖見圖6存-21。網格絮課凝池效霉果好，古水頭損污失小，桂絮凝時