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投加化學(xué)藥劑（混凝劑）使得膠體分散體系脫穩(wěn)和凝聚的過程稱為化學(xué)混凝。在混凝過程中，含有微小懸浮微粒和膠體雜質(zhì)被聚集成較大的固體顆粒，使顆粒性的雜質(zhì)與水分離的過程，稱為混凝澄清處理。

 

1.混凝澄清處理的機(jī)理

（1）膠體的穩(wěn)定性和ξ電位

膠體在水溶液中能持久地保持其懸浮的分散狀態(tài)的特性叫做穩(wěn)定性。水中的膠體物質(zhì)的自然沉降速度十分緩慢，不易沉降的原因是由于同類膠體帶有相同的電荷（天然水和廢水中膠體帶負(fù)電），彼此之間存在著電性斥力，使之不能聚合，保持其原有顆粒的分散狀態(tài)。

 

膠體顆粒保持其穩(wěn)定性的另一個原因是，表面有一層水分子緊緊地包圍著，稱為水化層，它阻礙了膠體顆粒間的接觸，使得膠體顆粒在熱運動時不能彼此碰撞而粘合，從而使其顆粒保持懸浮狀態(tài)。

 

使膠體失去穩(wěn)定性的過程就稱為脫穩(wěn)。膠體所帶的電荷影響膠體的凝聚。當(dāng)膠體顆粒和流體之間呈相對運動時，剪切面（滑動面）上的電位，稱之為ζ電位，見若ζ電位愈大，則膠體就愈穩(wěn)定；若ζ電位等于零，膠體不帶電荷，這時膠體極不穩(wěn)定，易于彼此聚合成大塊而沉降。水中的膠體物質(zhì)的自然沉降速度十分緩慢，不易沉降的原因是由于同類膠體帶有相同的電荷（天然水和廢水中膠體帶負(fù)電），彼此之間存在著電性斥力。另外，膠體表面總是有一層水分子包圍著，它妨礙了膠體顆粒之間的接觸粘合。溶液主體與雙電層滑動界面的電位差稱為ξ電位。

（2）膠體的脫穩(wěn)、凝聚和絮凝

改變膠體顆粒的某些特性，使之失去穩(wěn)定性稱之為膠體的脫穩(wěn)。在布朗運動的作用下，相互凝聚成細(xì)小絮凝物的反應(yīng)過程稱為凝聚。

 

細(xì)小絮凝物在范德華引力的作用下或在絮凝劑的吸附架橋作用下，相互粘合成較大絮狀物的過程稱為絮凝。

 

向水中投加混凝劑后，經(jīng)過混合、凝聚、絮凝等綜合作用，可使膠體顆粒和其它微小顆粒聚合成較大的絮狀物。細(xì)小絮凝物在速度梯度？？的作用下或在絮凝劑的吸附架橋作用下，相互粘合成較大絮狀物的過程稱為絮凝。

 

（3）凝聚和絮凝的全過程稱為混凝。

 

a.膠體的脫穩(wěn)凝聚

 

向水中投加電解質(zhì)，可起到壓縮雙電層使膠體脫穩(wěn)的作用。其主要機(jī)理是向水中加入鋁鹽或鐵鹽混凝劑后，水中膠體顆粒的雙電層被壓縮或電性中和而失去穩(wěn)定性。

 

將混凝劑與原水快速均勻混合并產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)而脫穩(wěn)，這一過程所需時間很短，一般在1min左右。一些陽離子型的高分子聚合物也能對水中膠體起到脫穩(wěn)凝聚作用，這類高分子聚合物在水中呈長鏈結(jié)構(gòu)，帶有正電荷，它們對水中膠體的脫穩(wěn)凝聚是由于范德華力吸附和靜電引力共同作用的。

 

b.絮凝和絮凝物（礬花）的形成

 

水中膠體經(jīng)脫穩(wěn)凝聚形成的初始絮凝物的粒徑一般在1μm以上，這時布朗運動已不能推動它們碰撞而形成更大的顆粒。為了使初始絮凝物互相碰撞而粘合成大顆粒的絮凝體，需要另外向水中輸入能量，產(chǎn)生速度梯度。

 

有時需向水中加入有機(jī)高分子絮凝劑，利用絮凝劑長鏈分子的吸附架橋作用提高碰撞產(chǎn)生粘合的幾率。絮凝效率通常隨絮凝物濃度和絮凝時間的增加而提高。

 

2.常用的混凝藥劑簡介

 

 

為了提高混凝處理的效果，必須選用性能良好的藥劑，創(chuàng)造適宜的化學(xué)和水力學(xué)條件。常用的混凝劑主要分為鋁鹽和鐵鹽兩類，鋁鹽中以硫酸鋁和聚合鋁為主，鐵鹽中以三氯化鐵和聚合硫酸鐵居多。

 

鐵鹽與鋁鹽相比，鐵鹽生成的絮凝物密度大，沉降速度快， pH適應(yīng)范圍寬；混凝效果受溫度的影響比鋁鹽?。坏都予F鹽時要注意，設(shè)備運行不正常時，帶出的鐵離子會使出水帶色，并可能污染后續(xù)水處理設(shè)備，如陰離子交換樹脂。（常用混凝劑名稱及性質(zhì)見表1-1）。

 

表1-1 常用混凝劑名稱及性質(zhì)

 

名稱

	分子式	一般性質(zhì)
硫酸鋁	Al2(SO4)3·18H2O	① 含無水硫酸鋁52%～57% ② pH=6～8的原水 ③ 投加量較大時，處理后水中強(qiáng)酸陰離子含量明顯增加 ④ 不適用于低溫、低濁度的原水
堿式氯化鋁（PAC）	Aln(OH)mCl3n-m (通式)	① 是無機(jī)高分子化合物 ② 適用原水濁度范圍較寬，可用于低溫、低濁水的處理，pH適用范圍為5～9 ③ 凈化效率高，投藥量少，出水水質(zhì)好 ④ 使用時操作方便，腐蝕性小，勞動條件好 ⑤ 有固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品之分
硫酸亞鐵	FeSO4·7H2O	① 適用堿度高、濁度高、pH=8.1～9.6的原水，或與石灰處理配合使用 ② 原水pH值較低時，常采用加氯氧化方法，使二價鐵變成三價鐵 ③ 原水色度較深或有機(jī)物含量較高時，不宜采用 ④ 對加藥設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)
三氯化鐵	FeCl3·6H2O	① 適用于高濁度、pH=6.0～8.4的原水 ② 易溶解、易混合、殘渣少，但對金屬腐蝕性大，對混凝土也有腐蝕性。因發(fā)熱容易使塑料容器和設(shè)備變形 ③ 形成礬花大而致密，沉降速度快，適用于低溫水 ④ 不宜用于低濁度原水
聚合硫酸鐵（PFS）	[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m （通式）	① 是無機(jī)高分子化合物 ② 適用于有機(jī)物含量較高的原水或有機(jī)廢水的處理，pH適用范圍4.5～10 ③ 凈化效率高，形成的礬花大而致密，沉降速度快 ④ 缺點是投加量較大時處理后水的pH值低于6，如過濾效果不好則水中鐵含量有所升高

 

當(dāng)由于原水水質(zhì)等方面的問題，單獨采用混凝劑不能取得良好的效果時，需要投加一些輔助藥劑來提高混凝處理效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。助凝劑分無機(jī)類和有機(jī)類。

 

在無機(jī)類的助凝劑中，有的用來調(diào)整混凝過程中的pH值，有的用來增加絮凝物的密度和牢固性。

 

典型的無機(jī)助凝劑有氧化鈣、水玻璃、膨潤土；有機(jī)類的助凝劑大都是水溶性的聚合物，分子程呈鏈狀或樹枝狀，其主要作用有：

 

①離子性作用，即利用離子性基團(tuán)進(jìn)行電性中和，起絮凝作用；

②利用高分子聚合物的鏈狀結(jié)構(gòu)，借助吸附架橋起凝聚作用。典型的有機(jī)助凝劑有聚甲基丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺（PAM）等。

 

3.混凝澄清處理的主要影響因素

 

 

因為混凝處理的目的是除去水中的懸浮物，同時使水中膠體、硅化合物及有機(jī)物的含量有所降低，所以通常以出水的濁度來評價混凝處理的效果。

 

因為混凝澄清處理包括了藥劑與水的混合，混凝劑的水解、羥基橋聯(lián)、吸附、電性中和、架橋、凝聚及絮凝物的沉降分離等一系列過程，因此混凝處理的效果受到許多因素的影響，其中影響較大的有水溫、pH值、堿度、混凝劑劑量、接觸介質(zhì)和水的濁度等。

（1）水溫

水溫對混凝處理效果有明顯影響。因高價金屬鹽類的混凝劑，其水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，水溫低時，混凝劑水解比較困難，不利于膠體的脫穩(wěn)，所形成的絮凝物結(jié)構(gòu)疏松，含水量多，顆粒細(xì)小。另外水溫低時，水的黏度大，水流剪切力大，絮凝物不易長大，沉降速度慢。

 

在電廠水處理中，為了提高混凝處理效果，常常采用生水加熱器對來水進(jìn)行加熱，也可增加投藥量來改善混凝處理效果。采用鋁鹽混凝劑時，水溫20～30℃比較適宜。相比之下，鐵鹽混凝劑受溫度的影響較小，針對低溫水處理效果較好。

（2）水的pH值和堿度

混凝劑的水解過程是一個不斷放出H^＋離子的過程，會改變水的pH值和堿度。反過來，原水的pH值和堿度直接影響到混凝劑不同形態(tài)的水解中間產(chǎn)物，從而影響絮凝反應(yīng)的效果。各種混凝劑都有一定的pH適應(yīng)范圍，見表1-1。

 

盡管水的pH值和堿度對混凝效果影響較大，但在天然水體的混凝處理中，卻很少有投加堿性或酸性藥劑調(diào)節(jié)pH值。這主要是因為大多數(shù)天然水體都接近于中性，投加酸、堿性物質(zhì)會給后續(xù)處理增加負(fù)擔(dān)。

（3）接觸介質(zhì)

在在進(jìn)行混凝處理或混凝+石灰沉淀處理時，如果在水中保持一定數(shù)量的泥渣層，可明顯提高混凝處理的效果。

 

在這里泥渣起接觸介質(zhì)的作用，即在其表面上起著吸附、催化以及泥渣顆粒作為結(jié)晶核心等作用。

 

進(jìn)行混凝處理或混凝+石灰沉淀處理時，如果在水中保持一定數(shù)量的泥渣層，可明顯提高混凝處理的效果。泥渣層就是混凝澄清處理過程中生成的絮凝物，它可提供巨大的表面積，通過吸附、催化及結(jié)晶核心？？等作用，提高混凝處理的效果。

（4）水的濁度

原水濁度小于50FTU時，濁度越低越難處理。當(dāng)原水濁度小于20FTU時，為了保證混凝效果，通常采用加入粘土增濁、泥渣循環(huán)、加入絮凝劑助凝等方法；當(dāng)原水濁度過高（如大于3000FTU），則因為需要頻繁排渣而影響澄清池的出力和穩(wěn)定性。我國所用地表水大多屬于中低濁度水，少數(shù)高濁度原水經(jīng)預(yù)沉淀后亦屬于中等濁度水。

（5）混凝劑劑量

混凝劑劑量是影響混凝效果的重要因素。當(dāng)加藥量不足，尚未起到使膠體脫穩(wěn)、凝聚的作用，出水濁度較高；當(dāng)加藥量過大，會生成大量難溶的氫氧化物絮狀沉淀，通過吸附、網(wǎng)捕等作用，會使出水濁度大大降低，但經(jīng)濟(jì)性不好。對于不同的原水水質(zhì)，需通過燒杯試驗確定最佳混凝劑劑量。

 

4.混凝試驗

 

混凝過程是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程，影響混凝效果的因素很多。對某一具體水質(zhì)或水處理工藝流程，通常根據(jù)混凝劑的特性及具體情況，先決定采用哪一種混凝劑，然后通過模擬試驗來確定最優(yōu)混凝條件。

 

模擬試驗的內(nèi)容一般只需確定最優(yōu)加藥量和pH值。在電廠補(bǔ)給水預(yù)處理中，往往用出水殘留濁度和有機(jī)物的去除率判斷混凝效果。

 

混凝試驗的設(shè)備主要采用定時變速攪拌機(jī)，攪拌機(jī)設(shè)4～6組葉片，確定最優(yōu)加藥量的方法如下：

 

（1）測定原水的濁度、pH值、溫度。

 

（2）在每一個1000mL的燒杯中，分別加入代表性水樣1000mL，將攪拌機(jī)的葉片放入燒杯中。

 

（3）在各個燒杯中，同時加入不同的混凝劑量：開動攪拌機(jī)，待旋轉(zhuǎn)速度160r/min穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動加藥柄，同時向各燒杯注入混凝劑溶液，攪拌混合1min后，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速降至40r/min，持續(xù)5 min后停止。

 

（4）在攪拌過程中，注意觀察各個燒杯產(chǎn)生絮凝物（礬花）的時間、大小及密疏程度。

 

（5）攪拌結(jié)束后，輕輕提起攪拌機(jī)葉片，使水樣靜止10min，觀察礬花沉降情況。

 

（6）取沉淀后的上層清液，測定各水樣的殘留濁度、有機(jī)物等項目，計算去除率，通過分析確定最優(yōu)加藥量。

 

在實際工業(yè)設(shè)備投運時，還需根據(jù)出水水質(zhì)對最優(yōu)加藥量進(jìn)行調(diào)整，同時確定其他最優(yōu)混凝條件，如污泥沉降比、水力負(fù)荷變化速率、最優(yōu)設(shè)備出力等。