工艺技术混凝澄清处理工艺的机理、药剂、试验及影响因素

查看全部 · 发表于 2021-5-18 10:48:51

投加化学药剂（混凝剂）使得胶体分散体系脱稳和凝聚的过程称为化学混凝。在混凝过程中，含有微小悬浮微粒和胶体杂质被聚集成较大的固体颗粒，使颗粒性的杂质与水分离的过程，称为混凝澄清处理。

1.混凝澄清处理的机理

1.1 胶体的稳定性和ξ电位

胶体在水溶液中能持久地保持其悬浮的分散状态的特性叫做稳定性。水中的胶体物质的自然沉降速度十分缓慢，不易沉降的原因是由于同类胶体带有相同的电荷（天然水和废水中胶体带负电），彼此之间存在着电性斥力，使之不能聚合，保持其原有颗粒的分散状态。

胶体颗粒保持其稳定性的另一个原因是，表面有一层水分子紧紧地包围着，称为水化层，它阻碍了胶体颗粒间的接触，使得胶体颗粒在热运动时不能彼此碰撞而粘合，从而使其颗粒保持悬浮状态。

使胶体失去稳定性的过程就称为脱稳。胶体所带的电荷影响胶体的凝聚。当胶体颗粒和流体之间呈相对运动时，剪切面（滑动面）上的电位，称之为ζ电位，见图。

若ζ电位愈大，则胶体就愈稳定；若ζ电位等于零，胶体不带电荷，这时胶体极不稳定，易于彼此聚合成大块而沉降。

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双电层模型及ζ电位

水中的胶体物质的自然沉降速度十分缓慢，不易沉降的原因是由于同类胶体带有相同的电荷（天然水和废水中胶体带负电），彼此之间存在着电性斥力。另外，胶体表面总是有一层水分子包围着，它妨碍了胶体颗粒之间的接触粘合。溶液主体与双电层滑动界面的电位差称为ξ电位。

1.2 胶体的脱稳、凝聚和絮凝

改变胶体颗粒的某些特性，使之失去稳定性称之为胶体的脱稳。在布朗运动的作用下，相互凝聚成细小絮凝物的反应过程称为凝聚。

细小絮凝物在范德华引力的作用下或在絮凝剂的吸附架桥作用下，相互粘合成较大絮状物的过程称为絮凝。

向水中投加混凝剂后，经过混合、凝聚、絮凝等综合作用，可使胶体颗粒和其它微小颗粒聚合成较大的絮状物。细小絮凝物在速度梯度？？的作用下或在絮凝剂的吸附架桥作用下，相互粘合成较大絮状物的过程称为絮凝。

凝聚和絮凝的全过程称为混凝。

a.胶体的脱稳凝聚

向水中投加电解质，可起到压缩双电层使胶体脱稳的作用。其主要机理是向水中加入铝盐或铁盐混凝剂后，水中胶体颗粒的双电层被压缩或电性中和而失去稳定性。

将混凝剂与原水快速均匀混合并产生一系列化学反应而脱稳，这一过程所需时间很短，一般在1min左右。一些阳离子型的高分子聚合物也能对水中胶体起到脱稳凝聚作用，这类高分子聚合物在水中呈长链结构，带有正电荷，它们对水中胶体的脱稳凝聚是由于范德华力吸附和静电引力共同作用的。

b.絮凝和絮凝物（矾花）的形成

水中胶体经脱稳凝聚形成的初始絮凝物的粒径一般在1µm以上，这时布朗运动已不能推动它们碰撞而形成更大的颗粒。为了使初始絮凝物互相碰撞而粘合成大颗粒的絮凝体，需要另外向水中输入能量，产生速度梯度。

有时需向水中加入有机高分子絮凝剂，利用絮凝剂长链分子的吸附架桥作用提高碰撞产生粘合的几率。絮凝效率通常随絮凝物浓度和絮凝时间的增加而提高。

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常用的混凝药剂简介

为了提高混凝处理的效果，必须选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力学条件。常用的混凝剂主要分为铝盐和铁盐两类，铝盐中以硫酸铝和聚合铝为主，铁盐中以三氯化铁和聚合硫酸铁居多。

铁盐与铝盐相比，铁盐生成的絮凝物密度大，沉降速度快， pH适应范围宽；混凝效果受温度的影响比铝盐小；但投加铁盐时要注意，设备运行不正常时，带出的铁离子会使出水带色，并可能污染后续水处理除盐设备，如阴离子交换树脂。（常用混凝剂名称及性质见表）。

名称	分子式	一般性质
硫酸铝	Al2(SO4)3·18H2O	① 含无水硫酸铝52%～57% ② pH=6～8的原水 ③ 投加量较大时，处理后水中强酸阴离子含量明显增加 ④ 不适用于低温、低浊度的原水
碱式氯化铝（PAC）	Aln(OH)mCl3n-m (通式)	① 是无机高分子化合物 ② 适用原水浊度范围较宽，可用于低温、低浊水的处理，pH适用范围为5～9 ③ 净化效率高，投药量少，出水水质好 ④ 使用时操作方便，腐蚀性小，劳动条件好 ⑤ 有固体产品和液体产品之分
硫酸亚铁	FeSO4·7H2O	① 适用碱度高、浊度高、pH=8.1～9.6的原水，或与石灰处理配合使用 ② 原水pH值较低时，常采用加氯氧化方法，使二价铁变成三价铁 ③ 原水色度较深或有机物含量较高时，不宜采用 ④ 对加药设备的腐蚀性较强
三氯化铁	FeCl3·6H2O	① 适用于高浊度、pH=6.0～8.4的原水 ② 易溶解、易混合、残渣少，但对金属腐蚀性大，对混凝土也有腐蚀性。因发热容易使塑料容器和设备变形 ③ 形成矾花大而致密，沉降速度快，适用于低温水 ④ 不宜用于低浊度原水
聚合硫酸铁（PFS）	[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m （通式）	① 是无机高分子化合物 ② 适用于有机物含量较高的原水或有机废水的处理，pH适用范围4.5～10 ③ 净化效率高，形成的矾花大而致密，沉降速度快 ④ 缺点是投加量较大时处理后水的pH值低于6，如过滤效果不好则水中铁含量有所升高

当由于原水水质等方面的问题，单独采用混凝剂不能取得良好的效果时，需要投加一些辅助药剂来提高混凝处理效果，这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂分无机类和有机类。

在无机类的助凝剂中，有的用来调整混凝过程中的pH值，有的用来增加絮凝物的密度和牢固性。

典型的无机助凝剂有氧化钙、水玻璃、膨润土；有机类的助凝剂大都是水溶性的聚合物，分子程呈链状或树枝状，其主要作用有：

①离子性作用，即利用离子性基团进行电性中和，起絮凝作用；

②利用高分子聚合物的链状结构，借助吸附架桥起凝聚作用。典型的有机助凝剂有聚甲基丙烯酸钠、聚丙烯酰胺（PAM）等。

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混凝试验

混凝过程是一个比较复杂的物理化学过程，影响混凝效果的因素很多。对某一具体水质或水处理工艺流程，通常根据混凝剂的特性及具体情况，先决定采用哪一种混凝剂，然后通过模拟试验来确定最优混凝条件。

模拟试验的内容一般只需确定最优加药量和pH值。在电厂补给水预处理中，往往用出水残留浊度和有机物的去除率判断混凝效果。

混凝试验的设备主要采用定时变速搅拌机，搅拌机设4～6组叶片，确定最优加药量的方法如下：

（1）测定原水的浊度、pH值、温度。

（2）在每一个1000mL的烧杯中，分别加入代表性水样1000mL，将搅拌机的叶片放入烧杯中。

（3）在各个烧杯中，同时加入不同的混凝剂量：开动搅拌机，待旋转速度160r/min稳定后，转动加药柄，同时向各烧杯注入混凝剂溶液，搅拌混合1min后，搅拌机转速降至40r/min，持续5 min后停止。

（4）在搅拌过程中，注意观察各个烧杯产生絮凝物（矾花）的时间、大小及密疏程度。

（5）搅拌结束后，轻轻提起搅拌机叶片，使水样静止10min，观察矾花沉降情况。

（6）取沉淀后的上层清液，测定各水样的残留浊度、有机物等项目，计算去除率，通过分析确定最优加药量。

在实际工业设备投运时，还需根据出水水质对最优加药量进行调整，同时确定其他最优混凝条件，如污泥沉降比、水力负荷变化速率、最优设备出力等。

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混凝澄清处理的主要影响因素

因为混凝处理的目的是除去水中的悬浮物，同时使水中胶体、硅化合物及有机物的含量有所降低，所以通常以出水的浊度来评价混凝处理的效果。

因为混凝澄清处理包括了药剂与水的混合，混凝剂的水解、羟基桥联、吸附、电性中和、架桥、凝聚及絮凝物的沉降分离等一系列过程，因此混凝处理的效果受到许多因素的影响，其中影响较大的有水温、pH值、碱度、混凝剂剂量、接触介质和水的浊度等。

4.1 水温

水温对混凝处理效果有明显影响。因高价金属盐类的混凝剂，其水解反应是吸热反应，水温低时，混凝剂水解比较困难，不利于胶体的脱稳，所形成的絮凝物结构疏松，含水量多，颗粒细小。另外水温低时，水的黏度大，水流剪切力大，絮凝物不易长大，沉降速度慢。

在电厂水处理中，为了提高混凝处理效果，常常采用生水加热器对来水进行加热，也可增加投药量来改善混凝处理效果。采用铝盐混凝剂时，水温20～30℃比较适宜。相比之下，铁盐混凝剂受温度的影响较小，针对低温水处理效果较好。

4.2 水的pH值和碱度

混凝剂的水解过程是一个不断放出H＋离子的过程，会改变水的pH值和碱度。反过来，原水的pH值和碱度直接影响到混凝剂不同形态的水解中间产物，从而影响絮凝反应的效果。各种混凝剂都有一定的pH适应范围，见表1-1。

尽管水的pH值和碱度对混凝效果影响较大，但在天然水体的混凝处理中，却很少有投加碱性或酸性药剂调节pH值。这主要是因为大多数天然水体都接近于中性，投加酸、碱性物质会给后续处理增加负担。

43 接触介质
在在进行混凝处理或混凝+石灰沉淀处理时，如果在水中保持一定数量的泥渣层，可明显提高混凝处理的效果。

在这里泥渣起接触介质的作用，即在其表面上起着吸附、催化以及泥渣颗粒作为结晶核心等作用。

进行混凝处理或混凝+石灰沉淀处理时，如果在水中保持一定数量的泥渣层，可明显提高混凝处理的效果。泥渣层就是混凝澄清处理过程中生成的絮凝物，它可提供巨大的表面积，通过吸附、催化及结晶核心？？等作用，提高混凝处理的效果。

4.4 水的浊度
原水浊度小于50FTU时，浊度越低越难处理。当原水浊度小于20FTU时，为了保证混凝效果，通常采用加入粘土增浊、泥渣循环、加入絮凝剂助凝等方法；当原水浊度过高（如大于3000FTU），则因为需要频繁排渣而影响澄清池的出力和稳定性。我国所用地表水大多属于中低浊度水，少数高浊度原水经预沉淀后亦属于中等浊度水。

4.5 混凝剂剂量
混凝剂剂量是影响混凝效果的重要因素。当加药量不足，尚未起到使胶体脱稳、凝聚的作用，出水浊度较高；当加药量过大，会生成大量难溶的氢氧化物絮状沉淀，通过吸附、网捕等作用，会使出水浊度大大降低，但经济性不好。对于不同的原水水质，需通过烧杯试验确定最佳混凝剂剂量。