第三章_混凝動力學

1、第三章 混凝動力學 3.1 混凝動力學 推動水中顆粒相互碰撞的動力來自兩個方面： 一方面顆粒在水中的布朗運動，由布朗運動所造成的顆粒碰撞聚集稱“異向絮凝”。 另一方面在水力或機械攪拌下所造成的流體運動，由流體運動所造成的顆粒碰撞聚集稱“同向絮凝”。 一、異向絮凝 假定顆粒為均勻球體，根據費克定律，可導出顆粒的碰撞速率： Np=8dDBn2.(1) Np_單位體積中的顆粒在異向絮凝中碰撞速率；（l/cm3.s） n顆粒數量濃度；（個/ cm3 ） d顆粒直徑；（cm) DB_布朗運動擴散系數;(cm2/s)擴散系數DB可用斯篤克斯曼因斯坦公式表示： .(2) K波茲曼常數,(1.3810-16g

2、.cm2/s2.k) T水的絕對溫度,(K) 水的運動黏度, (cm2/s) 水的密度,(g/cm3)將(2)式代入(1)式 . (3)故故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于1 m，布朗運動消失。，布朗運動消失。 二、同向絮凝同向絮凝簡稱絮凝,它在整個混凝過程中占有十分重要的地位.dKTDB3238KTnNP 如圖所示,當水流處于層流狀態(tài)下的 流速分布, i和j顆粒均跟隨水流前進.由 于I顆粒當前進速度大于j顆粒，則在某 一時刻，i與j必將碰撞。設水中顆粒為 均勻球體，di=dj=d ,則再以j顆粒中心

3、為圓心，Rij為半徑的范圍內的所有i和 j顆粒均會發(fā)生碰撞。碰撞速率N0為： . (4). .(5)G速度梯度(S-1)u和u分別為流速和相鄰兩流層的流速增量(cm/s)z垂直與水流方向的兩流層之間距離(cm)n和d為原水雜質特性，而G是控制混凝效果的水力條件。故在混凝設備中， 往往以速度梯度G值作為重要的控制參數之一。 ZUNGGdn34320： 所謂的速度梯度，就是指兩相鄰水層的水流速度差和它們之間的距離之比，以G表示。 ZuGGP單位體積水流所耗功率P為.(6)根據牛頓內摩擦定律：=G代入(6)式 .(7) 水的動力黏度 （pas) p單位體積流體所耗功率 （w/m3) G速度梯度 （S

4、-1） 當用機械攪拌時，式中的P由機械攪拌器提供，當采用水力絮凝池時，P應為水流本身能量消耗； PV=gQh(8) V=QT (9)將和(11)代入得： .（10）g重力加速度（9.8m/s2)h混凝設備中的水頭損失（m)水的運動黏度（m2/s）T水流在混凝設備中的停留時間（s)pGTghG 三、混凝控制指標 在混合階段，水中雜質顆粒微小，異向凝聚占主導地位，混合速度快速劇烈，通常在1010- -30 30 S S，最多不超過2分鐘既告完成。攪拌強度按速度梯度計，一般G=700G=700-1000 -1000 S S-1-1之內。在此階段形成的顆粒較小。 在絮凝階段，屬同向絮凝，不僅與G值有關

5、，還與絮凝時間T有關。通常以G值和GT作為控制指標。G=20-70G=20-70 S S-1-1 范圍內，GT=1GT=110104 4 -1-110105 5 范圍內。 有人將顆粒濃度及脫穩(wěn)程度等因素考慮進去，提出以 C CV VGT GT 或 a aC CV VGTGT值作為控制指標。 CV水中顆粒體積濃度。 a顆粒有效碰撞系數。 如果脫穩(wěn)顆粒每次碰撞都可導致凝聚，則：a=1a=1 ,而實際 a a1 1 。從理論上而言，采用 C CV VGT GT 或 a aC CV VGT GT 值控制絮凝體效果自然更合理，但具體數值至盡還無法確定，因而目前也只能從概念上加以理解或作為繼續(xù)研究的目標。

6、 影響混凝效果的因素較多也很復雜，但總體上可以分為兩類，一類是客觀因素，主要是指所處理對象即原水所具有的一些特性因素如水溫、水的pH值、水中各種化學成分的含量及性質等，另一類是主觀因素，即可以通過人為改變的一些混凝條件如混凝劑的種類及投加方式、水利條件等。3.2影響混凝的因素 一、水溫 水溫低時 1. 混凝劑的水解速度慢，生成的絮凝體細而松，強度小，不易沉淀。 2.水的粘度大，顆粒沉淀速度降低，而且顆粒之間碰撞機會減少，影響了混凝效果。 3.水溫低時，水中膠體顆粒的布朗運動減弱。 克服水溫低效果差的措施： 1.增加混凝劑的投量，以改善顆粒之間的碰撞條件。 2.投加助凝劑（如活化硅酸）或粘土以增

7、加絨體重量和強度，提高沉速。二、水的pH值和堿度 1.水的pH值直接與水中膠體顆粒的表面電荷和電位有關，不同的pH值下膠體顆粒的表面電荷和點位不同，所需的混凝劑量也不同。 2.水的pH值對混凝劑的水解反應有顯著影響，不同的混凝劑的最佳水解反應所需的pH值范圍不同，因此，水的pH值對混凝效果的影響也因混凝劑的種類而異。 對一般的渾濁水，投硫酸鋁的最佳pH范圍為6.5-7.5。 三價鐵鹽混凝劑適應的pH值范圍較寬，最優(yōu)pH值大約在6.0-8.4之間。 從鋁鹽和鐵鹽水解反應式可以看出，水解過程中不斷產生的H+必然導致水的 PH 值的下降，天然水中含有一定的堿度。 HCOHCO3 3- - + H+

8、H+ + CO CO2 2 + H+ H2 2O O 當投藥量較少，原水的堿度又較大時，由于水中的碳酸化合物的緩沖作用，水的 PH 值略有降低，對混凝效果不會有大的影響。 當投藥量較大，原水的堿度小時，水中的堿度已不足以中和水解產生的酸時，水的PH將大幅度下降，以至將至最優(yōu)混凝條件以下。這時便不能獲得良好的混凝效果，為了保持水的 PH 值在混凝過程中始終處于最優(yōu)范圍內須向水中投加堿劑，既對水進行堿化。一般投加 CaO. AL2(SO4)3 + 3H2O + 3CaO = 2AL(OH)3 + 3CaSO4 2F Fe eCLCL3 3 + 3H+ 3H2 2O + 3CO + 3Ca aO =

9、 2FO = 2Fe e(OH)(OH)3 3 + 3C+ 3Ca aCLCL2 2 三、水中懸浮物濃度的影響 因電解質能使膠體凝聚，所以水中溶解鹽類能對混凝發(fā)生影響，由于 AL2(SO4)3 的水解產物都帶正電核，所以天然水中 Ca2+ 、Mg2+ 對混凝有利，而水中某些陰離子如 Cl-，對混凝產生不利影響，不過，這些方面還有許多問題有待研究。 粘土雜質，不同的水源粒經大小和級配、化學組成、帶電性能和吸附性能等，各不相同，因而即使?jié)岫认嗤?，混凝性能也未必一樣。一般而言，粒經細小而均一者，混凝效果較差，粒經不同者于混凝有利。顆粒濃度過低往往不利于混凝，人工投加粘土或其它混凝劑可提高混凝效果。

10、水中有機物對膠體有保護穩(wěn)定作用，即水中溶解性的有機物分子吸附在膠體顆粒表面好像形成一有機涂層一樣，將膠體顆粒保護起來，阻礙膠體顆粒之間的碰撞，阻礙混凝劑與膠體顆粒之間的脫穩(wěn)凝集作用，因此，在有機物存在條件下膠體顆粒比沒有有機物時難以脫穩(wěn)，需要增加混凝劑投加量才能獲得較好的混凝效果。四、水中有機污染物的影響四、水中有機污染物的影響 由于不同種類的混凝劑其水解特性和適用的水質情況不完全相同，因此應根據原水水質情況優(yōu)化選用適當的混凝劑種類。對于無機鹽類混凝劑，要求形成能有效壓縮雙電層或產生強烈點中和作用的形態(tài)，對于有機高分子絮凝劑，則要求有適量的官能團和聚合結構，較大的分子量。五、混凝劑種類與投加量

11、的影響五、混凝劑種類與投加量的影響 混凝劑的投加方式有干投和濕透兩種。硫酸鋁以稀溶液形式投加更好，而三氯化鐵則以干投或濃溶液形式投加更好。如果除投加混凝劑之外還投加助凝劑，則各種藥劑之間的投加先后順序對混凝效果也有很大影響。六、混凝劑投加方式的影響六、混凝劑投加方式的影響 水力條件對混凝效果的影響是顯著的，此處所指的水利條件包括水力強度和作用時間兩方面的因素?；旌想A段要使投入的混凝劑迅速均勻地分散到原水中，這樣混凝劑能均勻地在水中水解聚合并使膠體顆粒托文凝聚，快速混合要求有快速而劇烈的水力或機械攪拌作用，而且短時間內完成，一般在幾秒或一分鐘內完成，一般不超過2分鐘。 絮凝反應階段，要求已脫穩(wěn)的

12、膠體顆粒通過異向絮凝和同向絮凝的方式逐漸增大成具有良好沉降性能的絮凝體，因此絮凝反應階段攪拌強度和水流速度應隨著絮凝體的增大而逐漸降低，避免已聚集的絮凝體被打碎而影響混凝沉淀效果。同時，由于絮凝反應是一個絮凝體逐漸增大的慢速過程，如果混凝反應后需要絮凝體增長到足夠大的顆粒尺寸通過沉淀去除，需要保證一定的絮凝作用時間，如果混凝反應后是采用氣浮或直接過濾的工藝，則反應時間可以大大縮短。七、水力條件的影響七、水力條件的影響3.3混凝劑的配制和投加 3.3.13.3.1混凝劑的配制混凝劑的配制 混凝劑的溶解 和溶液的配制 大中型水廠通常建造 混凝土溶解池并配置攪拌 裝置，攪拌的目的在于加 速藥劑溶解。

13、攪拌裝置有： 、 、等。 中小型水廠，常用自然 浸溶，壓力水經穿孔管淋溶或沖溶。 3.3.2 混凝劑投加 混凝劑投加設備包括計量設備、藥液提升設備、投藥箱、必要的水封箱以及注入設備等。 1.計量設備 計量設備有：轉子流量計；電磁流量計；苗嘴；計量泵等。 2.投加方式 按混凝劑的狀態(tài)分固體投加（干投）和溶液投加（濕投）； 按混凝劑投加到原水中的位置有泵前投加和泵后投加； 在溶液投加中按藥液加注到原水中的動力來源有重力投加和壓力投加之分。（1）泵前投加 ：安全可靠，一般適用取水泵房距水廠較近者，圖中水封箱是為防止空氣進入，見圖6-9。 （2）高位溶液池重力投加：適用取水泵房距水廠較遠者，安全可靠，

14、但溶液池位置較高，見圖6-10。 （3）水射器投加：設備簡單，使用方便，溶液池高度不會受太大限制，但效率低，易磨損，見圖6-11。 （4）泵投加：不必另設計量設備，適合混凝劑自動控制系統(tǒng)，有利于藥劑與水混合，見圖6-12。123456h578910圖 6-9 泵前投加1-溶解池；2-提升泵；3-溶液池；4-恒位箱；5-浮球閥；6-投藥苗嘴；7-水封箱；8-吸水管；9-水泵；10-壓水管；325687圖 6-10 高位水箱溶液重力投加1-溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；5-浮球閥；6-流量計；7-調節(jié)閥；8-壓力水；14123645高壓水圖 6-11 水射器投加1-溶液池；2-投藥箱

15、；3-漏斗；4-水射器；5-壓水管；6-高壓水管1-溶液池；2-計量泵；3-壓水管圖 6-12 計量泵投加3213.3.3 混凝劑投加量自動控制混凝劑投加量自動控制 1.數學模擬法數學模擬法 對于某一特定水源，可根據水質、水量建立對于某一特定水源，可根據水質、水量建立數學模型，寫出程序交計算機執(zhí)行調控。采用數數學模型，寫出程序交計算機執(zhí)行調控。采用數學模型實行加藥自動控制的關鍵是：必須要有前學模型實行加藥自動控制的關鍵是：必須要有前期大量而又可靠的生產數據，才可運用數理統(tǒng)計期大量而又可靠的生產數據，才可運用數理統(tǒng)計方法建立符合實際生產的數學模型。適用特定原方法建立符合實際生產的數學模型。適用特

16、定原水條件，水質儀表多，投資大。水條件，水質儀表多，投資大。 2.現場模擬試驗法現場模擬試驗法 采用現場模擬裝置來確定和控制投藥量是采用現場模擬裝置來確定和控制投藥量是較簡單的一種方法，常用的模擬裝置是斜管較簡單的一種方法，常用的模擬裝置是斜管沉淀器，過濾器或兩者并用。原水濁度低時，沉淀器，過濾器或兩者并用。原水濁度低時，常用模擬過濾器，原水濁度高時可用斜管沉常用模擬過濾器，原水濁度高時可用斜管沉淀器或過濾器串聯使用。此法存在反饋滯后淀器或過濾器串聯使用。此法存在反饋滯后現象，模擬裝置與生產設備存在一定的差別，現象，模擬裝置與生產設備存在一定的差別，但與實驗室相比，更接近實際情況。但與實驗室相

17、比，更接近實際情況。 3.特性參數法特性參數法 影響混凝效果的因素復雜，在某種情況下、影響混凝效果的因素復雜，在某種情況下、某一特性參數是影響混凝效果的主要因素，某一特性參數是影響混凝效果的主要因素，這一因素的變化反映了混凝程度的變化。流這一因素的變化反映了混凝程度的變化。流動電流檢測器法和透光率脈動法屬于特性參動電流檢測器法和透光率脈動法屬于特性參數法。數法。 流動電流是指膠體擴散層中反離子在外力流動電流是指膠體擴散層中反離子在外力作用下隨著流體流動而產生的電流。此電流作用下隨著流體流動而產生的電流。此電流與膠體與膠體電位有正相關關系?；炷竽z體電位有正相關關系?；炷竽z體電電位變化反映了膠

18、體脫穩(wěn)程度。優(yōu)點是控制因位變化反映了膠體脫穩(wěn)程度。優(yōu)點是控制因子單一；投資低，操作簡單；控制精度較高。子單一；投資低，操作簡單；控制精度較高。缺點是投藥量與流動電流很少相關。缺點是投藥量與流動電流很少相關。 透光率脈動法是利用光電原理檢測絮凝聚透光率脈動法是利用光電原理檢測絮凝聚顆粒的變化，達到混凝在線連續(xù)控制的新技顆粒的變化，達到混凝在線連續(xù)控制的新技術。優(yōu)點是因子單一，不受混凝機理或品種術。優(yōu)點是因子單一，不受混凝機理或品種的限制，不受水質限制。的限制，不受水質限制。3.4 混凝設備混凝設備 3.4.1 混合設備混合設備 1.水泵混合水泵混合 投藥投加在水泵吸水口或管上?；旌闲Ч茫端幫?/p>

19、加在水泵吸水口或管上?；旌闲Ч?，節(jié)省動力，各種水廠均可用，常用于取水泵房節(jié)省動力，各種水廠均可用，常用于取水泵房靠近水廠處理構筑物的場合，兩者間距不大于靠近水廠處理構筑物的場合，兩者間距不大于150m。 2.管式混合管式混合 管式靜態(tài)混合器：流速不宜小于管式靜態(tài)混合器：流速不宜小于1m/s，水頭損，水頭損失不小于失不小于0.30.4m，投藥點至末端出口距離應不，投藥點至末端出口距離應不小于小于50倍管道直徑。見圖倍管道直徑。見圖6-13。 擴散混合器，是在管式孔板混合器前加一個錐擴散混合器，是在管式孔板混合器前加一個錐形帽，錐形帽夾角形帽，錐形帽夾角90。順流方向投影面積為進。順流方向投影面

20、積為進水管總截面面積的水管總截面面積的1/4，開孔面積為進水管總截面，開孔面積為進水管總截面面積的面積的3/4，流速為，流速為1.01.5m/s，混合時間，混合時間23s。節(jié)管長度不小于節(jié)管長度不小于500mm。水頭損失約。水頭損失約0.30.4，直，直徑在徑在DN200DN1200，見圖，見圖6-14。 圖 6-13 管式靜態(tài)混合器圖 6-14 擴散混合器藥劑原水管道 管道 單元混合體靜態(tài)混合器原水原水管投藥套管塑料管孔板錐帽擋板支架 3 機械混合機械混合 在池內安裝攪拌裝置，攪拌器可以是在池內安裝攪拌裝置，攪拌器可以是槳板式、螺旋槳式或透平式，速度梯度槳板式、螺旋槳式或透平式，速度梯度70

21、01000s-1，時間，時間1030s以內，優(yōu)點是混以內，優(yōu)點是混合效果好，不受水質影響，缺點是增加機合效果好，不受水質影響，缺點是增加機械設備，增加維修工作。械設備，增加維修工作。 3.4.2 絮凝設備絮凝設備 1.隔板絮凝池隔板絮凝池 隔板絮凝池分往復式和回轉式，見圖隔板絮凝池分往復式和回轉式，見圖6-15與圖與圖6-16。 隔板絮凝池的水頭損失由局部水頭和沿程水頭隔板絮凝池的水頭損失由局部水頭和沿程水頭損失組成。往復式總水頭損失一般在損失組成。往復式總水頭損失一般在0.30.5m，回，回轉式的水頭損失比往復式的小轉式的水頭損失比往復式的小40左右。左右。 隔板絮凝池特點：構造簡單、管理方

22、便，但絮隔板絮凝池特點：構造簡單、管理方便，但絮凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應大水廠。凝效果不穩(wěn)定，池子大。適應大水廠。 隔板絮凝池的設計參數：隔板絮凝池的設計參數： 流速：起端流速：起端0.5-0.6m/s，末端，末端0.2-0.3m/s段數：段數：46段；段； 轉彎處過水斷面積為廊道過水斷面積的轉彎處過水斷面積為廊道過水斷面積的1.21.5倍；倍； 絮凝時間：絮凝時間：2030min； 隔板間距：不大于隔板間距：不大于0.5m，池底應有，池底應有0.020.03坡度直徑不小于坡度直徑不小于150mm的排泥管；的排泥管； 廊道的最小寬度不小于廊道的最小寬度不小于0.5m； 各段的水頭損失各段的水

23、頭損失 ，總水頭，總水頭損失損失iiiiiilRCvgvmhit2222 ihh圖 6-15 往復式隔板絮凝池19.7m22.0m進水接沉淀池2.8m接沉淀池進水管進水管圖 6-16 回轉式隔板絮凝池 2.折板絮凝池折板絮凝池 通常采用豎流式，它將隔板絮凝池通常采用豎流式，它將隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰對波谷平行安裝稱波峰對波谷平行安裝稱“同波折板同波折板”，波峰相對安裝稱波峰相對安裝稱“異波折板異波折板”。與隔板。與隔板式相比，水流條件大大改善，有效能量式相比，水流條件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安裝維修較困難，折消耗比例提高，但

24、安裝維修較困難，折板費用較高。其示意圖見圖板費用較高。其示意圖見圖6-17與圖與圖6-18。圖 6-17 單通道折板絮凝池剖面示意進水出水進水出水（ ）（ ）（a）同波折板 （b）異波折板圖 6-18 多通道折板絮凝池示意AA水流向上水流向下出水進水平面圖進水A-A剖面折板 3 機械絮凝池機械絮凝池 機械絮凝池的剖面示意見圖機械絮凝池的剖面示意見圖6-19。 攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安攪拌器有漿板式和葉輪式，按攪拌軸的安裝位置分水平軸式和垂直軸式。裝位置分水平軸式和垂直軸式。 第一格攪拌強度最大，而后逐步減小，第一格攪拌強度最大，而后逐步減小，G值也相應減小，攪拌強度決定于攪拌器轉速

25、值也相應減小，攪拌強度決定于攪拌器轉速和槳板面積。和槳板面積。 圖 6-19 機械絮凝池剖面示意進水進水接沉淀池接沉淀池（ ）（ ）（ ）水平軸式； （ ）垂直軸式漿板；2-葉輪；3-旋轉軸；4-隔墻 （1）功率計算）功率計算 水流對槳板的阻力就是槳板施于水的推力，在水流對槳板的阻力就是槳板施于水的推力，在dA微面微面積上水流阻力積上水流阻力 （6-15） 阻力阻力dFi所耗功率，即槳板施于水的功率：所耗功率，即槳板施于水的功率： （6-16） 式中：，為水流旋轉線速度，為槳板旋轉角速式中：，為水流旋轉線速度，為槳板旋轉角速 度，為旋度，為旋轉半徑轉半徑 因此因此 （6-17） dAvCdFD

26、i22 ldrvCdAvCvdFdPDDii3322 ldrrCdPDi332 第塊槳板克服水的阻力所耗功率：第塊槳板克服水的阻力所耗功率：（6-18） 設每根旋轉軸在不同旋轉半徑上裝相同數量的槳板，設每根旋轉軸在不同旋轉半徑上裝相同數量的槳板，則每根旋轉軸全部槳板所耗功率：則每根旋轉軸全部槳板所耗功率： （6-19）每根旋轉軸所需電動機功率：每根旋轉軸所需電動機功率： （6-20） )12(824433321rrlCdrrlCPDrrDi )12(84431rrlCPnD211000 PN （2）設計參數）設計參數 絮凝時間絮凝時間1015分。分。 池內一般設池內一般設34擋攪拌機。擋攪拌機

27、。 攪拌機轉速按葉輪半徑中心點線速度計算確攪拌機轉速按葉輪半徑中心點線速度計算確定，線速度第一擋定，線速度第一擋0.5m/s逐漸減小至末擋的逐漸減小至末擋的0.2m/s。 槳板總面積宜為水流截面積的槳板總面積宜為水流截面積的1020，不，不宜超過宜超過75，槳板長度不大于葉輪半徑的，槳板長度不大于葉輪半徑的75，寬度宜取寬度宜取1030cm。 （3）優(yōu)缺點）優(yōu)缺點 機械絮凝池的優(yōu)點是調節(jié)容易，效果好，大、機械絮凝池的優(yōu)點是調節(jié)容易，效果好，大、中、小水廠均可，但維修是問題。中、小水廠均可，但維修是問題。 4.穿孔旋流絮凝池穿孔旋流絮凝池 由若干方格組成。分格數一般不少于由若干方格組成。分格數一

28、般不少于6格。流格。流速逐漸減小，速逐漸減小，G也相應減小以適應絮凝體形成，也相應減小以適應絮凝體形成，孔口流速宜取孔口流速宜取0.61.0m/s，末端流速宜取，末端流速宜取0.20.3m/s。絮凝時間。絮凝時間1525min。穿孔旋流絮凝池。穿孔旋流絮凝池的平面示意圖見圖的平面示意圖見圖6-20。 穿孔旋流絮凝池的優(yōu)點是構造簡單，施工方穿孔旋流絮凝池的優(yōu)點是構造簡單，施工方便，造價低，可用于中、小型水廠或與其他形式便，造價低，可用于中、小型水廠或與其他形式的絮凝池組合應用。的絮凝池組合應用。 圖 6-20 穿孔旋流絮凝池平面示意圖上面進水下面進水 5.網格、柵條絮凝池網格、柵條絮凝池 網格、柵條絮凝池設計成多格豎井回流網格、柵條絮凝池設計成多格豎井回流式。每個豎井安裝若干層網格或柵條，各豎式。每個豎井安裝若干層網格或柵條，各豎井間的隔墻上、下交錯開孔，進水端至出水井間的隔墻上、下交錯開孔，進水端至出水端逐漸減少，一般分端逐漸減少，一般分3段控制。前段為密網或段控制。前段為密網或密柵，中段為疏網或疏柵，末段不安裝網、密柵，中段為疏網或疏柵，末段不安裝網、柵。網格（柵條）絮凝池的示意圖見圖柵。網格（柵條）絮凝池的示意圖見圖6-21。圖 6-21 網格（或柵條）絮凝池平面示意圖 （圖中數