水污染治理技术——混凝原理及应用

混凝的主要对象:是废水中的细小悬浮颗粒和胶体微粒，这些颗粒用自然沉降法很难从水中分离出去。

混凝:是通过向废水中投加混凝剂，破坏胶体的稳定性，使细小悬浮颗粒和胶体微粒聚集成较粗大的颗粒而沉降与水分离，使废水得到净化。

混凝法是废水处理中常采用的方法。

可以用来降低废水的浊度和色度，去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质。

混凝法还能改善污泥的脱水性能。

1. 胶体的特征：

粒径小，一般直径为10-3－10-8mm；

布朗运动，颗粒在废水中受水分子热运动的碰撞而作无规则的布朗运动；

带电，同类胶体微粒带有同性电荷。

水化膜，许多水分子被吸引在胶体微粒周围，形成水化膜。

2.胶体的脱稳机理

胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性（stabilization)。

胶体因电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳(destabilization)，脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚(coagulation)。

混凝的机理：混凝可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种机理。

①压缩双电层机理

双电层的厚度与溶液中的反离子的浓度有关。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高时，则扩散层的厚度将减小。

该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。

由于扩散层厚度的减小，胶粒得以迅速凝聚。

溶液中离子浓度与扩散层厚度的关系

②吸附电中和机理

胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。

③吸附架桥（桥连）机理

链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥连的过程。

④沉淀物网捕机理

沉淀金属氢氧化物(如Al(OH)3、Fe(OH)3)或带金属的碳酸盐(如CaCO3)时，水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。

以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。

3.影响混凝的因素

（1）废水水质的影响

①浊度(turbidity)

浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。

②pH值

在混凝过程中，都有一个相对最佳pH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。不同混凝剂最佳pH值要通过试验确定。
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③水温(temperature)

水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。

④共存杂质(impurities)

有些杂质的存在能促进混凝过程。而有些物质则不利于混凝的进行。

（2）混凝剂的影响

①混凝剂种类(kinds of coagulants)

混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。

如水中污染物主要呈胶体状态，且电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。

很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。

②混凝剂投加量(dosage)

水中微粒种类、性质、浓度、混凝剂品种、投加方式及介质条件有关

对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。

③混凝剂投加顺序(sequence)

当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。

经验:无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。

但当处理的胶粒在50m以上时，常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。

(3)水力条件的影响

水力条件对混凝效果有重要影响。

两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。

混合阶段：要求混凝剂与废水迅速均匀混合，为此要求速度梯度G在500–1000s－1，搅拌时间t应在10–30s。

反应阶段：既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，而反应时间要长，相应G和t值分别应在20－70s-1和15－30min。