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这3种作用究竟以何者为主,取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质、含量以及水的PH值等。
这三种作用有时会同时发生,有时仅其中1-2种机理起作用。
1.2混凝剂和助凝剂
1.2.1混凝剂
应用于饮用水处理的混凝剂应符合以下基本要求:
混凝效果好;
对人体健康无害;
使用方便;
货源充足,价格低廉。
混凝剂种类很多,按化学成分可以分为无机和有机两大类。
无机混凝剂品种较少,目前主要是铁盐和铝盐及其聚合物,在水处理中用的最多。
有机混凝剂种类很多,主要是高分子物质,但在水处理中的应用比无机少。
(1)无机混凝剂
常用的无机混凝剂列于表1-1。
聚合铝聚合铝包括聚合氯化铝和聚合硫酸铝等,目前使用最多的是聚合氯化铝。
聚合氯化铝又名碱式氯化铝或羟基氯化铝。
它是以铝灰或者含铝矿物作为原料,采用酸溶或碱溶法加工制成。
由于原料和生产工艺不同,产品规格也不一致。
分子式中的m为聚合度,单体为铝的羟基配合物。
例如为m=8,n=5的聚合物或多核配合物,溶于水后,即形成聚合阳离子,对水中胶粒起电性中和及架桥作用。
聚合氯化铝对水的Ph值变化适应性比较强,效果较好。
常用的无机混凝剂表1-1
名称
化学式
铝
系
硫酸铝
明矾
(钾矾)
(胺矾)
聚合氯化铝(PAC)
聚合硫酸铝(PAS)
铁
三氯化铁
硫酸亚铁
聚合硫酸铁(PFS)
聚合氯化铁(PFC)
(2)有机高分子混凝剂
有机高分子混凝剂分为天然和人工合成两类。
使用最为广泛的人工合成有机高分子混凝剂(其中包括水解产品)为聚丙烯酰胺(PAM)。
1.2.2助凝剂
当单独使用混凝剂不能取得预期效果时,需投加某种辅助药剂以提高混凝效果,这种药剂称为助凝剂。
助凝剂通常为高分子物质。
其作用往往是为了改善絮凝体结构,促使细小而松散的絮粒变得粗大而密实,作用机理是高分子物质的吸附架桥。
水厂常用的助凝剂有:
骨胶、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。
聚丙烯酰胺及其水解产物是高浊度水处理中使用最多的助凝剂。
投加这类助凝剂可大大减少铝盐或者铁盐混凝剂用量。
上述各种高分子助凝剂往往也可单独作混凝剂用,但是阴离子型高分子物质作混凝剂效果欠佳,作助凝剂配合铝盐或铁盐使用效果更显著。
从广义来说,凡能够提高或者改善混凝剂作用效果的化学药剂都可以称为助凝剂。
1.3影响混凝效果的主要因素
要使杂质颗粒之间或杂质与混凝剂之间发生絮凝,一个必要条件是使颗粒之间相互碰撞。
推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两方面:
颗粒在水中的布朗运动;
在水力或机械搅拌下造成的流体运动。
由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称“异向絮凝”;
由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
在混合阶段,药剂快速、均匀分散于水中有利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。
由于上述过程很快(特别对铝盐和铁盐混凝剂而言),故混合要快速剧烈,通常在10~30s至多不超过2min即告完成。
在絮凝过程中,絮凝体尺寸逐渐增大,由于大的絮凝体容易破碎,故自絮凝开始到絮凝结束,速度梯度(G值)应该逐渐减小。
采用水力絮凝池时,水流速度应逐渐减小;
采用机械絮搅拌时,搅拌强度应逐渐减小。
影响混凝效果的因素表较复杂,其中包括水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度以及水力条件等。
1.3.1水温影响
水温对混凝效果有明显影响,其原因主要有:
1、无机盐混凝剂水解是吸热反应,低温水混凝剂水解困难。
2、低温水的粘度大,使水中杂质颗粒布朗运动强度减弱,碰撞机会减少,不利于胶粒脱稳凝聚。
同时,水的粘度大时,水流剪力增大,影响絮凝体的成长。
3、水温低时,胶体颗粒水化作用增强,妨碍胶体凝聚,而且水化膜内的水由于粘度和重度增大,影响了颗粒之间的粘附强度。
4、水温和pH值有关。
水温低时,水的pH值提高,相应的混凝最佳pH值也将提高。
为了提高低温水混凝效果,常用方法是增加混凝剂投加量和投加高分子助凝剂。
1.3.2水的pH值和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度,视混凝剂品种而异。
1.3.3水中悬浮物浓度的影响
从混凝动力学可知,水中悬浮物浓度很低时,颗粒碰撞速率大大减少,混凝效果差。
为提高低浊度原水的混凝效果,常采取以下措施:
1.在投加铝盐或铁盐的同时,投加高分子助凝剂,如活化硅酸或者聚丙烯酰胺等。
2.投加矿物颗粒(如粘土等)以增加混凝剂水解产物的凝结中心,提高颗粒碰撞速率并增加絮凝体密实度。
3.采用直接过滤法。
即原水投加混凝剂后经过混合直接进入过滤。
如果原水悬浮物含量过高,为使悬浮物达到吸附电中和脱稳作用,所需要的铝盐或铁盐混凝剂量将相应的大大增加。
为减少混凝剂用量,通常投加高分子助凝剂,如聚丙烯酰胺及活化硅酸等。
1.4混凝剂的配置和投加
1.4.1混凝剂溶解和溶液配置
混凝剂投加分为固体投加和液体投加两种方式,固体投加方式在我国较少采用。
1.4.2混凝剂投加
(1)计量设备
电磁流量计;
计量泵等
(2)投加方式
常用投加方式有:
1)泵前投加药液投加在水泵吸水管或者吸水喇叭口处,这种方式一般适用于取水泵房距离水厂处理设施距离较近者。
2)位溶液池重力投加
3)水射器投加
4)泵投加泵投加有两种方式:
一是采用计量泵(柱塞泵或隔膜泵),一是采用离心泵配上流量计。
1.5混合和絮凝设备
1.5.1混合设备
混合设备的基本要求是:
药剂与水的混合必须快速均匀。
常用的混合设备有三类:
水泵混合;
管式混合;
机械混合。
(1)水泵混合
水泵混合是我国常用的混合方式。
药液投加在取水泵吸水管或者吸水喇叭口处,利用水泵叶轮的高速
旋转以达到快速混合目的。
这种方式一般适用于取水泵房距离水厂处理设施较近者,因为当距离较远时,经水泵混合后的原水在长距离管道输送过程中,可能过早地在管道中形成絮凝体。
已形成的絮凝体在管道中一经破碎,往往难于重新聚集,不利于后续絮凝,并且当管道流速低时,絮凝体还可能沉积管中。
所以,水泵混合通常用于取水泵房与水处理设施距离不大于150m的情况。
(2)管式混合
最简单的方式为:
将药剂直接投入水泵压水管中以借助管中流速进行混合。
管中流速不宜低于1m/s,
投药点后的管内水头损失不小于0.3-0.4m。
投药点至末端出口距离以不小于50倍管道直径为宜。
为了提高混合效果,可在管道内增设孔板或者文丘利管。
此种混合效果不稳定。
目前广泛采用的管式混合器为“管式静态混合器”。
另一种管式混合器为“扩散混合器”。
(3)机械混合池
机械混合池是在池内安装搅拌装置,以电动机驱动搅拌器使水和药剂混合。
这种方式的优点是混合效
果好,不受水量变化影响,适用于各种规模的水厂,缺点是增加机械设备并相应增加维修工作。
1.5.2絮凝设备
絮凝设备的基本要求是:
原水与药剂经过混合后,通过絮凝设备应形成肉眼可见的大的密实絮凝体。
絮凝池形式较多,概括分为:
水力搅拌式和机械搅拌式。
各种絮凝池的特点见表格1-2:
絮凝池的形式和特点。
絮凝池的形式和特点表2
类型
特点
使用条件
隔板式絮凝池
往复式
优点:
絮凝效果好,构造简单,施工方便;
缺点:
溶剂较大,水头损失较大,转折处矾花易破碎。
水量大于30000的水厂;
水量变动小者。
回转式
絮凝效果好,水头损失小,构造简单,管理方便
出水流量不易分配均匀,出口处易积泥
水量变动小者;
改建和扩建旧池更适用。
折板式絮凝池
絮凝效果好,絮凝时间短,容积较小;
构造较隔板絮凝池复杂,造价较高。
水量变动较小的中小型水厂
涡流式絮凝池
絮凝时间短,容积小,造价较低;
池子较深,池底施工较困难,絮凝效果较差。
水量小于30000的水厂
网格、栅条絮凝池
絮凝效果好,水头损失小,可适应水质、水量的变化;
末端池底易积泥
机械絮凝池
需机械设备和经常维修
大小水量均适用,能适应水量变动较大者
悬浮絮凝池加隔板絮凝池
絮凝效果好,水头损失小,造价较低;
斜挡板在结构上处理较困难,重颗粒泥砂易堵塞在斜挡板底部
中小型水厂
第2章沉淀和澄清
2.1悬浮颗粒在静水中的沉淀
水中悬浮颗粒依靠重力作用,从水中分离出来的过程称为沉淀。
给水处理中,常遇到两种沉淀,一种是颗粒沉淀过程中,彼此没有干扰,只受到颗粒本身重力和水流阻力的作用,称为自由沉淀;
另一种是颗粒在沉淀过程中,彼此相互干扰,或者受到容器壁的干扰,虽然其粒度和第一种相同,但沉淀速度却较小,称为拥挤沉淀。
2.1.1悬浮颗粒在静水中的自由沉淀
颗粒在静水中的沉淀速度取决于:
颗粒在水中的重力和颗粒下沉时所受水的阻力。
2.1.2悬浮颗粒在静水中的拥挤沉淀
当大量颗粒在有限的水体中下沉时,被排挤的水便有一定的速度,使颗粒所受到的水阻力有所增加,颗粒处于相互干扰状态,此过程称为拥挤沉淀,此时的沉速称为拥挤沉速。
悬浮颗粒在静水中的拥挤沉速一般用实验方法来测定。
2.2平流式沉淀池
2.2.1非凝聚性颗粒的沉淀过程分析
所谓理想沉淀池,应符合以下3个假定:
1.颗粒处于自由沉淀状态;
2.水流沿着水平方向流动;
3.颗粒沉到池底即认为已被去除,不再返回水中。
平流式沉淀池为矩形水池。
按照上述假定,理想沉淀池工作情况如图2-1。
原水进入沉
淀池,在进水区被均匀分配在截面A-B上,其水平流速为:
(2-1)
式中——水平流速,
——流量,
——水流截面A-B的高度,
B——水流截面A-B的宽度,
如图2-1,直线I代表从池顶A点开始下沉而能够在池底最远处点之前沉到池底的颗粒的运动轨迹;
直线II代表从池顶A开始而不能沉到池底的颗粒的运动轨迹;
直线III代表从池顶A点开始下沉而刚好沉到池底最远处点的运动轨迹。
设沉淀池的水平流速为,按直线III运动的颗粒的响应沉速为,于是,凡是沉速大于的一切颗粒都可以沿着类似直线I的方式沉到池底;
凡是沉速小于的颗粒,如果从池顶A点开始下沉,肯定不能沉到池底而沿着类似直线II的方式被带出池外;
可以看出,直线III所代表的颗粒沉速具有特殊意义,一般称为“截留沉速”。
实际上它反映了沉淀池所能全部去除的颗粒中的最小颗粒的沉速,因为凡是沉速等于或者大于沉速的颗粒能够全部被沉掉。
对于直线III所代表的一类颗粒而言,流速和都与沉淀时间有关:
(2-2)
(2-3)
式中——沉淀区的长度,
——沉淀区的水深,
——水在沉淀区中的停留时
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