当前课程知识点：水处理工程-物化技术 > 第1章 混凝 > 1-5 混凝动力学 > 1-5 混凝动力学
同学们好，接下来我们介绍混凝的第5节混凝动力学
前面我们介绍过，在混凝过程中投加混凝剂
通过压缩胶体颗粒的双电层等作用，就可以降低胶体的ζ电势，这是实现胶体脱稳的必要条件
但要使脱稳胶体进一步生长成大的絮凝体，关键在于保持颗粒间的相互碰撞
因此，颗粒间的相互碰撞是使胶体发生凝聚和絮凝的必要条件
而颗粒间的碰撞速度直接影响胶体的混凝速度
以下我们就介绍一些与颗粒碰撞速率有关的混凝动力学的基本概念
以助于大家更深刻地理解混凝过程
根据水中颗粒相互碰撞的动力来源，颗粒的碰撞聚集分为异向絮凝和同向絮凝
异向絮凝是由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集，主要发生在混凝的凝聚阶段
我们假设颗粒为均匀球体，根据菲克定律，我们就可以得到这么一个关于颗粒碰撞速率的计算式
这里D_B代表了布朗运动的扩散系数
如果我们把布朗运动的扩散系数带入到这个式子里面
我们就可以进一步得到颗粒的碰撞速率的计算式，如这个式子所示
从这个式子我们可以看到
异向絮凝速度只与颗粒的数量浓度n的平方和水温有关，而与颗粒尺寸无关
而颗粒的布朗运动只有在颗粒很小时才表现显著
而随着颗粒粒径的增长，布朗运动就会逐渐减弱
如果当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本上就消失了
因此由布朗运动造成的这种异向絮凝只有在脱稳胶体很小时才起作用
要使较大的颗粒进一步碰撞絮凝
还要靠流体湍动来促使颗粒相互碰撞，即要进行同向絮凝
同向絮凝是由水流湍动造成的，在整个混凝过程中起重要作用
水流的湍动可以由水力或机械搅拌产生
虽然水流是湍流，但描述同向絮凝的理论公式还是最初基于层流状态导出的
我们来看看水中颗粒是如何发生异向絮凝的呢？
假设水中只有两种颗粒，其粒径分别为d1和d2，初始浓度分别为n1和n2
左边的这个图表示两个颗粒的移动速度一样
如果在dy方向没有速度增量时，两个颗粒一直会保持并行前进，不会发生碰撞
而右边这个图表示，两个颗粒的移动速度不一样
在dy方向上，速度存在一个增量du
d2颗粒的速度为u，而d1颗粒的速度为u+du
当两个颗粒并行移动时，d1颗粒最终会追上d2颗粒，然后发生碰撞
但前提是两个颗粒之间的中心距离应小于其半径之和
根据甘布和斯泰因的研究，两颗粒间的碰撞速度可以用这个公式进行计算
这里G表示速度梯度，是指两相邻水层的水流速度差和它们之间的距离之比
这个G表示了水流中存在的速度梯度，它是造成颗粒间碰撞的前提
在水处理的混凝工艺中具有十分重要的意义
那么如何来计算这个速度梯度G呢？
该速度梯度可由外加功率或水流本身势能的消耗所提供
根据牛顿内摩擦定律，相邻两水层由于速度梯度而产生的剪切力，我们可以由这个式子来计算
我们来看看这个图
上层界面相对于速度梯度而产生的内摩擦力，也称为总剪切力，等于τdxdz
该剪切力单位时间所做的功P等于剪切力与相对速度的乘积，可以用这个式子来进行计算
因此单位体积水流所耗功率p＝τG
由此可以导出速度梯度G的计算方程，可以由这个公式，等于根号下的p除以μ
这就是著名的甘布公式
如果我们假设混凝设备的有效容积为V
就可以计算出混凝设备中的平均速度梯度G，由这个式子可以进行计算
这里呢，P代表了混凝设备中水流所耗功率，V是混凝设备的有效容积
在混凝设备中水流所耗功率P与水流搅动的方式有关
当采用机械搅拌时，水流所耗的功率P由机械搅拌器提供
当采用水力搅拌时，水流所耗功率P由水流本身能量消耗所提供
如果我们把P进一步写成ρgQh，这里的h是指混凝设备中的水头损失
而把混凝设备的有效体积V进一步写成流量Q乘上水头在混凝设备中的停留时间T的话
这个式子就可以进一步简化成这么一个式子
这个式子也称为甘布公式
在介绍颗粒的异向和同向絮凝基础上，我们进一步介绍混凝的控制指标
前面我们已经介绍过，混凝过程包括混凝剂投加到水中与水均匀混合
使胶体脱稳、凝聚并进一步絮凝成大的絮凝体的整个过程
这个过程需要在相应的混凝设备中完成
根据混凝两阶段过程特征，混凝设备包括混合设备和絮凝反应设备
在混合阶段，由于水中杂质颗粒微小
因此颗粒间的碰撞聚集主要以异向絮凝为主
在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的主要目的
是使投加的混凝剂能够快速均匀分散、快速水解和聚合
并使胶体颗粒快速脱稳
由于这些过程进行得很快，因此要求混合快速剧烈
通常混合时间控制在10-30s，一般不超过2min
搅拌强度按速度梯度来计算的话，一般控制在500-1000
而在絮凝阶段，脱稳胶体相互碰撞形成大的絮凝体
在此阶段主要以同向絮凝为主，主要由机械或水力搅拌提供颗粒碰撞聚集的动力
同向絮凝效果不仅与速度梯度G有关，还与絮凝时间T有关
因此通常以G值和GT值作为控制指标
在絮凝过程中，由于大的絮凝体容易破碎，G值应随絮凝体的逐渐长大而逐渐降低
当采用机械搅拌时，搅拌强度应逐渐减少
采用水力絮凝池时，水流速度应该逐渐降低
在絮凝阶段，一般我们把G控制在20到70，而平均GT值控制在10的4次方到10的5次方
为考虑颗粒浓度C对混凝效果的影响
有研究人员还提出以GTC作为混凝的控制指标
从理论上讲，利用这一指标来控制混凝效果应该更为合理
但具体的数值难以准确确定，因此目前只能从概念上加以理解
近年来不少研究者为了提出更合理的混凝过程控制指标，进行了不少努力
有关混凝动力学及控制指标的研究还在不断完善
我们期望随着研究的不断深入，能够出现更为合理的混凝控制指标
以指导混凝过程，获得更好的混凝效果
今天有关混凝动力学的介绍就到这儿，谢谢
-0-1 课程定位
--讨论题
-0-2 给水处理工艺
--讨论题
-0-3 废水处理工艺
--讨论题
-第0章 绪论 测试题
-1-1 概述
--1-1 概述
--讨论题
-1-2 胶体的主要性质
-- 1-2 胶体的主要性质
--讨论题
-1-3 水的混凝机理与过程
--讨论题
-1-4 混凝剂与絮凝剂
-- 1-4 混凝剂与絮凝剂
--讨论题
-1-5 混凝动力学
--讨论题
-1-6 混凝效果的主要影响因素
--讨论题
-1-7 混凝设备
--1-7 混凝设备
--讨论题
-第1章 混凝 测试题
-2-1 概述
--2-1 概述
--讨论题
-2-2 自由沉淀
--2-2 自由沉淀
--讨论题
-2-3 絮凝沉淀
--2-3 絮凝沉淀
--讨论题
-2-4 拥挤沉淀
--2-4 拥挤沉淀
--讨论题
-2-5 平流沉淀池
--讨论题
-2-6 平流沉淀池工艺计算
--讨论题
-2-7 竖流式与幅流式沉淀池
--讨论题
-2-8 斜板沉淀池
--讨论题
-2-9 澄清池
--2-9 澄清池
--讨论题
-三维交互式演示区
--竖流沉淀池
--浏览器设置方法
--机械搅拌澄清池
--辐流沉淀池
-第2章 沉淀 测试题
-第2章 沉淀 测试题2
-3-1 概述
--3-1 概述
--讨论题
-3-2 气浮理论基础
--讨论题
-3-3 加压溶气气浮
--讨论题
-第3章 气浮 测试题
-4-1 概述
--4-1 概述
--讨论题
-4-2 普通快滤池构成与工作过程
--讨论题
-4-3 滤池的水头损失
--讨论题
-4-4 滤池的过滤方式
--讨论题
-4-5 滤料
--4-5 滤料
--讨论题
-4-6 配水系统
--4-6 配水系统
--讨论题
-4-7 滤池冲洗
--4-7 滤池冲洗
--讨论题
-4-8 虹吸滤池
--4-8 虹吸滤池
--讨论题
-4-9 重力无阀滤池
--讨论题
-4-10 移动罩滤池
--讨论题
-三维交互式演示区
--普通快滤池
--浏览器设置说明
--虹吸滤池
--浏览器设置说明
-第4章 过滤 测试题
-5-1 概述
--5-1 概述
--讨论题
-5-2 消毒的影响因素
--讨论题
-5-3 氯消毒
--5-3 氯消毒
--勘误
--讨论题
-5-4 二氧化氯消毒
--讨论题
-5-5 紫外线消毒
--讨论题
-第5章 消毒 测试题
-6-1 离子交换树脂
--讨论题
-6-2 离子交换反应特性
--讨论题
-6-3 阳离子交换树脂特性
--讨论题
-6-4 阴离子交换树脂特性
--讨论题
-6-5 离子交换软化系统
--讨论题
-6-6 离子交换除盐系统
--讨论题
-6-7 离子交换设备
--讨论题
-6-8 离子交换法处理工业废水
--讨论题
-第6章 离子交换 测试题
-第1节 概述
--第1节 概述
--讨论题
-第2节 电渗析原理与过程
--讨论题
-第3节 电渗析器构造与组装
--讨论题
-第4节 电渗析工艺计算
--讨论题
-第5节 反渗透工艺原理与工作特征
--讨论题
-第6节 反渗透工艺计算
--讨论题
-第7节 超滤和微滤分离原理与过程
--讨论题
-第8节 超滤和微滤工艺计算
--讨论题
-第7章 膜分离 测试题
-8-1 氧化还原基础与分类
--讨论题
-8-2 臭氧氧化
--8-2 臭氧氧化
--讨论题
-8-3 光催化氧化
--讨论题
-8-4 超临界水氧化
--讨论题
-8-5 电解
--8-5 电解
--讨论题
-第8章 氧化还原 测试题
-9-1 概述
--9-1 概述
--讨论题
-9-2 吸附平衡与吸附等温线
--讨论题
-9-3 吸附穿透曲线
--讨论题
-第9章 吸附 测试题
