常用混凝劑名稱(chēng)及性質(zhì)
高效除磷劑聚合硫酸鐵PFS混凝澄清處理
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(guò)程稱(chēng)為化學(xué)混凝。在混凝過(guò)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(guò)程，稱(chēng)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(lèi)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(gè)原因是，表面有一層水分子緊緊地包圍著，稱(chēng)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(guò)程就稱(chēng)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，剪切面（滑動(dòng)面）上的電位，稱(chēng)之為ζ電位，見(jiàn)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(shí)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(lèi)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(dòng)界面的電位差稱(chēng)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(chēng)之為膠體的脫穩(wěn)。在布朗運(yùn)動(dòng)的作用下，相互凝聚成細(xì)小絮凝物的反應(yīng)過(guò)程稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為絮凝。
向水中投加混凝劑后，經(jīng)過(guò)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(guò)程稱(chēng)為絮凝。
（3）凝聚和絮凝的全過(guò)程稱(chēng)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(guò)程所需時(shí)間很短，一般在1min左右。一些陽(yáng)離子型的高分子聚合物也能對(duì)水中膠體起到脫穩(wěn)凝聚作用，這類(lèi)高分子聚合物在水中呈長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，帶有正電荷，它們對(duì)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(shí)布朗運(yùn)動(dòng)已不能推動(dòng)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(shí)需向水中加入有機(jī)高分子絮凝劑，利用絮凝劑長(zhǎng)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(shí)間的增加而提高。
2.常用的混凝藥劑簡(jiǎn)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(lèi)，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(shí)要注意，設(shè)備運(yùn)行不正常時(shí)，帶出的鐵離子會(huì)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(shù)脂。（常用混凝劑名稱(chēng)及性質(zhì)見(jiàn)表1-1）。
表1-1 常用混凝劑名稱(chēng)及性質(zhì)
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名稱(chēng) |
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分子式 |
一般性質(zhì) |
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硫酸鋁 |
Al2(SO4)3·18H2O |
① 含無(wú)水硫酸鋁52%～57% ② pH=6～8的原水 ③ 投加量較大時(shí)，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 |
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堿式氯化鋁（PAC） |
Aln(OH)mCl3n-m (通式) |
① 是無(wú)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(shí)操作方便，腐蝕性小，勞動(dòng)條件好 ⑤ 有固體產(chǎn)品和液體產(chǎn)品之分 |
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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(shí)，常采用加氯氧化方法，使二價(jià)鐵變成三價(jià)鐵 ③ 原水色度較深或有機(jī)物含量較高時(shí)，不宜采用 ④ 對(duì)加藥設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng) |
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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?jiān)伲珜?duì)金屬腐蝕性大，對(duì)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 |
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聚合硫酸鐵（PFS） |
[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m （通式） |
① 是無(wú)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(diǎn)是投加量較大時(shí)處理后水的pH值低于6，如過(guò)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(wèn)題，單獨(dú)采用混凝劑不能取得良好的效果時(shí)，需要投加一些輔助藥劑來(lái)提高混凝處理效果，這種輔助藥劑稱(chēng)為助凝劑。助凝劑分無(wú)機(jī)類(lèi)和有機(jī)類(lèi)。
在無(wú)機(jī)類(lèi)的助凝劑中，有的用來(lái)調(diào)整混凝過(guò)程中的pH值，有的用來(lái)增加絮凝物的密度和牢固性。
典型的無(wú)機(jī)助凝劑有氧化鈣、水玻璃、膨潤(rùn)土；有機(jī)類(lèi)的助凝劑大都是水溶性的聚合物，分子程呈鏈狀或樹(shù)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?yàn)榛炷幚淼哪康氖浅ニ械膽腋∥?，同時(shí)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(lái)評(píng)價(jià)混凝處理的效果。
因?yàn)榛炷吻逄幚戆怂巹┡c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(guò)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(duì)混凝處理效果有明顯影響。因高價(jià)金屬鹽類(lèi)的混凝劑，其水解反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，水溫低時(shí)，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(shí)，水的黏度大，水流剪切力大，絮凝物不易長(zhǎng)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(duì)來(lái)水進(jìn)行加熱，也可增加投藥量來(lái)改善混凝處理效果。采用鋁鹽混凝劑時(shí)，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(duì)低溫水處理效果較好。
（2）水的pH值和堿度
混凝劑的水解過(guò)程是一個(gè)不斷放出H＋離子的過(guò)程，會(huì)改變水的pH值和堿度。反過(guò)來(lái)，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(jiàn)表1-1。
盡管水的pH值和堿度對(duì)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?yàn)榇蠖鄶?shù)天然水體都接近于中性，投加酸、堿性物質(zhì)會(huì)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(shí)，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(shí)，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(guò)程中生成的絮凝物，它可提供巨大的表面積，通過(guò)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(shí)，濁度越低越難處理。當(dāng)原水濁度小于20FTU時(shí)，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(guò)高（如大于3000FTU），則因?yàn)樾枰l繁排渣而影響澄清池的出力和穩(wěn)定性。我國(guó)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(guò)大，會(huì)生成大量難溶的氫氧化物絮狀沉淀，通過(guò)吸附、網(wǎng)捕等作用，會(huì)使出水濁度大大降低，但經(jīng)濟(jì)性不好。對(duì)于不同的原水水質(zhì)，需通過(guò)燒杯試驗(yàn)確定最佳混凝劑劑量。
4.混凝試驗(yàn)
混凝過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，影響混凝效果的因素很多。對(duì)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(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)混凝條件。
模擬試驗(yàn)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(yàn)的設(shè)備主要采用定時(shí)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(cè)定原水的濁度、pH值、溫度。
（2）在每一個(gè)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(gè)燒杯中，同時(shí)加入不同的混凝劑量：開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，待旋轉(zhuǎn)速度160r/min穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)動(dòng)加藥柄，同時(shí)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(guò)程中，注意觀察各個(gè)燒杯產(chǎn)生絮凝物（礬花）的時(shí)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(cè)定各水樣的殘留濁度、有機(jī)物等項(xiàng)目，計(jì)算去除率，通過(guò)分析確定最優(yōu)加藥量。
在實(shí)際工業(yè)設(shè)備投運(yùn)時(shí)，還需根據(jù)出水水質(zhì)對(duì)最優(yōu)加藥量進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)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。
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