給水工程教案-第5課

《給水工程Ⅱ》教案第5課PAGE-§15.2混凝劑和助凝劑一、混凝劑基本要求：混凝效果好，對人體無害，使用方便，貨源充足，價格低廉?；炷齽┓N類很多，據(jù)目前所知，不少于200~300種。無機混凝劑：品種較少，主要是鐵鹽、鋁鹽及其水解聚合物。在水處理中應(yīng)用最多。無機混凝劑：品種較少，主要是鐵鹽、鋁鹽及其水解聚合物。在水處理中應(yīng)用最多。有機混凝劑：品種很多。主要是高分子物質(zhì)，應(yīng)用比無機的少。按化學成份1．無機混凝劑P257表15-2列出常用無機混劑。（1）硫酸鋁液態(tài)（一定濃度）液態(tài)（一定濃度）精制：白色結(jié)晶體，比重約為1.62，硫酸鋁含量≮15%，雜質(zhì)≯0.5%，雜質(zhì)少，價格貴。粗制：硫酸鋁含量≮14%，不溶雜質(zhì)≯24%，價格低，質(zhì)量不穩(wěn)定。Al2(SO4)3·18H2O固態(tài)粗制硫酸鋁因含雜質(zhì)多，給藥液配制、排渣操作帶來麻煩。粗制硫酸鋁使用方便，但水溫低時，水解困難，形成的絮凝體較松散，效果不及鐵鹽。（2）聚合鋁聚合氧化鋁（PAC）——聚合氧化鋁（PAC）——目前多用，我國研制較早，20世紀70年代廣泛應(yīng)用。聚合硫酸鋁（PAS）聚合鋁聚合氧化鋁以鋁灰或含鋁礦物作為作原料，采用酸溶或堿溶法制成。聚合氧化鋁以鋁灰或含鋁礦物作為作原料，采用酸溶或堿溶法制成。聚合硫酸鋁羥基氧化鋁由于原料和生產(chǎn)工藝不同，產(chǎn)品規(guī)格也不一致。PAC名稱AlAln(OH)mCl3n-m——堿式氯化鋁通式[Al2(OH)nCl6-n]m——聚合氯化鋁通式m—聚合度分子式單體為鋁的羥基配合物：Al2(OH)nCl6-n通常n=1~5；m≤10例如：聚合氯化鋁Al16(OH)40Cl8即m=8；n=5的聚合物，也稱多核聚合物，溶于水，即形成聚合陽離子。如：Al2(OH)3Cl3→Al2(OH)33++3Cl-最終起作用用于除濁：對水中膠粒起電中和及吸附作用，作用機理現(xiàn)硫酸鋁（比其好）；用于除色：由于構(gòu)成色度的有機物有很厚的水化膜，要求高電荷?？筛鶕?jù)不同的水質(zhì)要求，人為的制備成高聚物，以最優(yōu)形態(tài)投入水中，以發(fā)揮其優(yōu)異的混凝作用。聚合氯化鋁可看作AlCl3在一定條件下經(jīng)水解，聚合逐步轉(zhuǎn)化成Al(OH)3沉淀物過程的中間產(chǎn)物。一般鋁鹽（如Al2(SO4)3或AlCl3）在投入水中后，才進行水解聚合反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物的物種受水的pH值及鋁鹽的濃度影響。而聚合鋁在投入水中前的制備階段即已經(jīng)發(fā)生水解聚合，投入水中后也可能發(fā)生新的變化。但聚合物的成分基本確定，其成分主要決定于OH和Al的摩爾數(shù)之比，通常稱為堿化度，B：B增大，羥基比例大，易吸附B過高，易生成沉淀物。B增大，羥基比例大，易吸附B過高，易生成沉淀物。例如：Al2(OH)5Cl的堿化度制備過程中，控制適當?shù)膲A化度，即可獲得所需要的優(yōu)質(zhì)聚合氯化鋁，一般控制在50%~80%之間。（3）三氯化鐵有金屬光澤的褐色晶體，含雜質(zhì)少，易溶解。FeCl3·6H2O是鐵鹽混凝劑中最常用的一種。三氯化鐵溶于水后，和鋁鹽相似，水合離子Fe(H2O)63+也進行水解、聚合反應(yīng)，F(xiàn)e3+通過水解聚合可形成多種成分的配合物或聚合物，如：單核組分：Fe(OH)2+、Fe(OH)2+多核組分：Fe2(OH)24+、Fe3(OH)45+等以至Fe(OH)3↓三氯化鐵的混凝機理也與硫酸鋁相似，所不同的是：三價鐵適用的pH范圍較寬；形成的絮凝體密實、重、沉速大；用于處理低溫低濁水時比鋁鹽好。缺點：腐蝕性強，易潮解，不易保管，南方多使用。（4）硫酸亞鐵Fe(SO4)2·7H2O，俗稱綠礬，固體產(chǎn)品為半透明淺綠色晶體，溶解度大，在水中離解出的是Fe2+，水解產(chǎn)物只是單核配合物，混凝效果不如Fe3+，易隨水流失而使水帶色，特別是當Fe2+與水中有色膠體作用后，會生成顏色更深的溶解物，通常使用時把。方法：①利用氧（曝氣法）反應(yīng)速度慢，當pH>8.5時，反應(yīng)速度快，但需投加大量CaO，一般少用。②1mg/l溶液加0.234mg/l氯和三氯化鐵比較：腐蝕性小，吸潮性小，易保管。聚合鐵聚合硫酸鐵（PFS）已有應(yīng)用聚合鐵聚合硫酸鐵（PFS）已有應(yīng)用聚合氯化鐵（PFC）目前尚在研究中聚合硫酸鐵n≤2；m>10是一種紅褐色的粘性液體?；局苽浞椒ǎ阂粤蛩醽嗚F為原料，采用不同氧化方法，將硫酸亞鐵氧化為硫酸鐵[Fe2(SO4)3]，同時控制總硫酸根SO42-和總鐵Fe3+的摩爾數(shù)之比，使氧化過程中部分羥基OH-取代部分SO42-而形成堿式硫酸鐵：。堿式硫酸鐵易于聚合而產(chǎn)生聚合硫酸鐵：。實際上，F(xiàn)e3+在使用前已經(jīng)發(fā)生水解、聚合反應(yīng)的產(chǎn)物，故具有良好的混凝效果。它的腐蝕性遠比FeCl3小。（注意毒性檢驗）天然聚合物：如海藻酸鈉、骨膠、明膠等。有待于研究開發(fā)且具有很大的潛力。天然聚合物：如海藻酸鈉、骨膠、明膠等。有待于研究開發(fā)且具有很大的潛力。人工合成聚合物：被大量應(yīng)用，日益增多，居主要地位。聚合氯化鐵（PFC）目前尚在研究中有機高分子混凝劑分為特點：線性結(jié)構(gòu)，長度、分子量大，由許多鏈節(jié)組成，鏈節(jié)數(shù)即聚合度。（鏈節(jié)之間的共價鍵結(jié)合）且常含有帶電基團，故又被稱為聚合電解質(zhì)。按基團帶電情況，可分為四種，即：非離子型非離子型陰離子型陽離子型兩性型水處理中常用前三種，高分子混凝劑、兩性型使用較少。（1）非離子型聚合物聚丙烯酰胺（PAM），俗稱3#絮凝劑[CH[CH2CHCONH2]nCHCH2CHCONH2CH2CHCH2CHCONH2CONH2酰胺基為一鏈節(jié)分子結(jié)構(gòu)：……n—聚合度，可高達20000~90000，相應(yīng)分子量高達150萬~600萬。它的混凝效果在于對固體表面具有強烈的吸附作用，在膠粒之間形成橋聯(lián)。（2）陰離子型因為聚丙烯酰胺每一個鏈節(jié)均有一個酰胺基（—CONH2），由于酰胺基之間的氫鍵作用，線性分子往往不能充分伸展開來，致使架橋作用削弱。為此，通常將PAM在堿條件下（pH>10）進行部分水解，生成陰離子型聚合物（HPAM）：CH]CH]yCOO-[CH2CH]xCONH2[CH2PAM經(jīng)部分水解后，部分酰胺基轉(zhuǎn)化為羧基并帶負電，在靜電斥力下得以充分伸展開來，從而吸附架橋作用得以充分發(fā)揮。由酰胺基轉(zhuǎn)化為羧基的百分數(shù)稱為水解度，即x/y值。水解度過高，負電性過強，對絮凝產(chǎn)生阻礙作用；水解度過低，分子鍵卷曲，對絮凝也產(chǎn)生阻礙作用。一般控制在x/y=30%~40%較好。通常以HPAM作為助凝劑配合鋁鹽或鐵作用，效果顯著。我國多用于高濁度水的處理。（3）陽離子型陽離子型聚合物通常帶有氨基（—NH3+），亞氨基（—CH2—NH2+—CH2—）等正電基團。由于水中膠體帶負電荷，故具有優(yōu)良的混凝效果。在國外使用日益增多的趨勢。由于價格較昂貴，我國尚很少使用。CH2CHCONHCH2CHCONH2有毒，故對產(chǎn)品中單體殘留量控制，有的國家規(guī)定丙烯酰胺含量不大于0.2%，有的不大于0.05%。二、助凝劑幫助、促進凝聚過程，提高礬花質(zhì)量的物質(zhì)，稱助凝劑。助凝劑起輔助作用。作用機理是高分子物質(zhì)的吸附架橋。常用助凝劑有：堿劑、氧化劑、骨膠、聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物、活化硅酸、海藻酸鈉等等。1．堿劑：CaONaHCO3CaO+H2O→Ca(OH)2調(diào)節(jié)pH值2．氧化劑當水中有機物含量高時，膠體顆粒被包圍，對膠粒起保護作用。用氯作氧化劑，可有效阻止有機物對混凝的干擾。當采用硫酸亞鐵作為混凝劑時，可將Fe2+→Fe3+。增加效果。3．骨膠（動物膠）粒狀或片狀有機高分子物質(zhì)，分子量3000~80000之間，易溶于水，無毒，無腐蝕性，與鐵、鋁鹽配合使用，效果顯著，投量經(jīng)實驗確定。價格較高，使用較麻煩，需現(xiàn)場配制，即日使用，時長成凍膠。4．活化硅酸粒狀高分子物質(zhì)，是硅酸鈉（水玻璃）在加酸條件下水解、聚合反應(yīng)進行到一定程度的中間產(chǎn)物，故它的形態(tài)和特征與反應(yīng)時間、pH值、硅的濃度有關(guān)。Na2O·xSiO2·yH2O+H2SO4→xH2SiO3+(y-x+1)H2O+Na2SO4硅酸鈉（水玻璃）硅酸鈉（水玻璃）加酸量：SiO2的1.0~1.5%，反應(yīng)時間0~8小時。常用75~100%要求：現(xiàn)場調(diào)制，即日使用，18小時成為膠凍。（日本提出了新的制備方法，可存1月左右）主要用于處理低溫低濁水。5．海藻酸鈉多糖類高分子物質(zhì)，以海生植物用堿處理制得，分子量達數(shù)萬以上，用以處理較高濁度水效果好，但價格貴，生產(chǎn)上少用。6．聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物是高濁度水處理中使用最多的助凝劑。投加這類助凝劑，大大減少鋁、鐵鹽混凝劑用量，我國有成熟經(jīng)驗。高分子助凝劑也可單獨作混凝劑用，陰離子型單獨使用效果欠佳，作為助凝劑配合無機鹽類使用效果顯著?！?5.3混凝動力學顆粒間的相互碰撞是水中膠粒發(fā)生絮凝的必要條件，碰撞速率和混凝速率問題屬于混凝動力學范疇。這里介紹一些基本概念。推動水中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。由此造成的顆粒碰撞聚集稱“異向絮凝”在水力機械作用下所造成的流體運動。由此造成的顆粒碰撞聚集稱“同向絮凝”一、異向絮凝脫穩(wěn)后的顆粒，一經(jīng)碰撞就發(fā)生凝聚，從小顆粒→大顆粒，而水中固體顆粒總質(zhì)量不變，只是顆粒數(shù)量濃度的減少。凝聚速率決定于碰撞速率。假定顆粒為均勻球體，根據(jù)Fick定律，可導出顆粒碰撞速率：Np=8πdDBn2（1/cm3·s）（3）Np—單位體積中顆粒在異向絮凝中碰撞速率，1/cm3·sn—顆粒數(shù)量濃度，個/cm3d—顆粒直徑，cmDB—布朗運動擴散系數(shù)，cm2/s。擴散系數(shù)DB可用斯篤克斯—愛因斯坦公式表示：Stakes—Einstein（4）K—波茲曼常數(shù)，1.38×10-16g·cm2/s2·K；T—水的絕對溫度，K；γ—水的運動粘度，cm2/s；常數(shù)ρ—水的密度，g/cm3。常數(shù)將式（4）代入（3）：（5）由（5）知：由布朗運動造成的顆粒碰撞與水溫度成正比，與顆粒數(shù)量濃度的平方成正比，而與顆粒尺寸無關(guān)。實際上，顆粒小才具有布朗運動。隨著顆粒粒徑增大，布朗運動減弱。當粒徑d>1μm時，布朗運動基本消失。因此，要使較大顆粒進一步碰撞聚集，還要靠流體運動的推動來促使顆粒相互碰撞，即進行同向凝聚。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。有關(guān)同向絮凝的理論，仍處于發(fā)展中，雖然還尚無統(tǒng)一的認識，但根據(jù)層流狀態(tài)下導出的顆粒碰撞絮凝公式的某些概念仍在沿用，因此，有必要簡單介紹一下。圖示水流處于層流狀態(tài)下的流速分布，i和j顆粒均跟隨水流前進。由于i速度>j顆粒，則在某時刻，i與j必將碰撞。設(shè)顆粒為球體，di=dj=d，則以j顆粒中心為圓心，Rij為半徑的范圍內(nèi)的所有i和j顆粒均會發(fā)生碰撞，碰撞速率N0為：（6）G—速度梯度，S-1（7）u和Δu—分別為流速和相鄰流層的流速增量，cm/s；Δz—垂直于水流方向的兩流層之間的距離，cm。式中：n和d均屬原水水質(zhì)特性，而G是控制混凝效果的水力條件，所以絮凝設(shè)備中以G值作為重要參數(shù)之一。在實際絮凝池中，水流總是處于紊流狀態(tài)，而不是層流。流體內(nèi)部存在大小不等的渦流，除前進速度外，還存在橫向和縱向脈動速度。公式（6）（7）是在理想的層流狀態(tài)推導出來。顯然不能表達促使顆粒碰撞的動因。為此，甘布和斯泰因通過一個瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的單位體積水流所消耗的功率來推算G值以代替G=Δu/Δz。推導如下：在被攪動的水流中，取一個瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的隔離體：Δx·Δy·Δz。在隔離體受剪而扭轉(zhuǎn)的過程中，剪力做了扭轉(zhuǎn)功。設(shè)在時間Δt內(nèi)，隔離體扭轉(zhuǎn)了Δθ角度，于是角度Δω為：ΔΔxτ·Δx·ΔyΔyΔzΔlΔθ扭轉(zhuǎn)方向設(shè)τ為剪應(yīng)力，作用在隔離體上的剪力為τ·Δx·Δy，轉(zhuǎn)矩：ΔJ=（τ·Δx·Δy）·Δz（9）隔離體扭轉(zhuǎn)所耗功率等于轉(zhuǎn)矩與角速度的乘積：ΔJ·Δω于是單位體積水流所耗功率p為：根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律：τ=μG代入（10）式得：（11）p——單位體積水流所耗功率，W/m3；μ——水的動力粘度，Pa·s。當用機械攪拌時，式中p由機械攪拌器提供，當采用水力絮凝池時，工中p為水流本身能量消耗，即：pV=ρgθh（12）V=θT（13）將式（12）和（13）代入（11）得：（14）公式（11）和（14）就是著名的甘布公式。因為將甘布公式用于公式（6），仍求避開層流概念，即未從紊流的內(nèi)在規(guī)律上闡明顆粒碰撞速率。盡管可用于紊流條件下G值的計算，但理論依據(jù)顯然不足。科爾摩哥羅夫提出局部各向同性紊流理論：該理論認為，在各向同性的紊流中，存在各種尺度不等的渦旋，外部施加的能量（如攪拌）造成大渦旋的形成，一些大渦旋將能量輸送給小渦旋，小渦旋又將一部分能量輸送給更小的渦旋。隨著小渦旋的產(chǎn)生和逐漸的增多，水的粘性影響開始增強。從而產(chǎn)生能量消耗，在這些尺度不同的渦旋中，大尺度渦旋主要起兩個作用：一是使流體各部相互摻混，使顆粒均勻擴散于流體；二是將外界獲得的能量輸送給小渦旋。大渦旋往往使顆粒隨流體整體移動而不會相互碰撞，尺度過小的渦旋其強度又往往不足以推動顆粒碰撞，只有尺度與顆粒尺寸相近（碰撞半徑）的渦旋才會引起顆粒間相互碰撞。由眾多這樣的小渦旋造成顆粒碰撞，類似異向絮凝中布朗擴散造成的顆粒碰撞。因為眾多與顆粒尺度相近的小渦旋在流體中也是作無規(guī)則的脈動。列維奇等人根據(jù)這一理論，按公式（3）導出各向同性紊流條件下顆粒碰撞速率N0：N0=8πdDn2（15）d——粒徑；D——紊流擴散和布朗擴散系數(shù)之和；n——顆粒數(shù)濃度，個/cm3。在紊流中，布朗擴散遠小于紊流擴散，故D可近似作為紊流擴散系數(shù)。D=λuλ（16）λ——渦旋尺度（或脈動尺度）；u——相應(yīng)的脈動尺度。從流體力學可知，在各項同性紊流中，脈動速度用下式表示：（17）ε——單位時間單位體積的有效能耗；γ——水的運動粘度，m2/s；λ——渦流尺度。設(shè)λ=d，將式（16）（17）代入（15）得：（18）式（18）和（6）比較可知：如果令，則兩式僅是系數(shù)不同，此外，與公式（11）實質(zhì)內(nèi)容基本相同，不同在于p是單位體積流體所耗總功率，其中包括顆粒碰撞的有效和無效功率；而ε則表示顆粒碰撞有效的微渦體所耗功率。因為式（17）僅適用于受水流粘性影響大的小渦旋（λ=d），大渦旋僅傳遞能量而不消耗能量。由此可知，在紊流條件下，作為同性絮凝的控制指標，甘布公式（11）仍可應(yīng)用。因為（18）雖然理論上沒問題，但有效功耗ε很難確定。根據(jù)公式（6）或（18），在混凝過程中，所施功率P或G值越大，顆粒碰撞機率N0越大，絮凝效果越好。但G值增大時，水流剪切力隨之增大，已形成的絮凝體又有被破碎的可能。（關(guān)于絮體破碎，專家進行了許多研究，涉及絮體形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)及破碎機理等。問題復雜，至今尚無法完全用數(shù)學模型描述。最佳G值仍有待研究）在