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第一部分 给 水 处 理
第1章 混 凝
1.1 混凝机理
简而言之，混凝就是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三方面的问题：水中胶体粒子（包括微小悬浮物）的性质；混凝剂在水中的水解物种；胶体粒子与混凝剂之间的相互作用。 1.1.1 水中胶体稳定性
所谓“胶体稳定性”，系指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性，分“动力学稳定”和“聚集稳定”两种。
动力学稳定系指颗粒布朗运动对抗重力影响的能力。粒子愈小，动力学稳定性愈高。
聚集稳定系指胶体粒子之间不能相互聚集的特性。胶体粒子很小，比表面积大从而表面能很大，在布朗运动作用下，有自发地相互聚集的倾向，但是由于粒子表面同性电荷的斥力作用或者水化膜的阻碍使这种自发聚集不能发生。不言而喻，如果胶体粒子表面电荷或者水化膜消除，便失去聚集稳定性，小颗粒便可相互聚集成大的颗粒，从而动力学稳定性也随之破坏，沉淀就会发生。因此，胶体稳定性，关键在于聚集稳定性。 1.1.2 混凝机理
水处理中的混凝现象比较复杂。不同种类的混凝剂以及不同的水质条件，混凝剂作用机理都有所不同。混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有3种：电性中和、吸附架桥和卷扫作用。这3种作用究竟以何者为主，取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质、含量以及水的PH值等。这三种作用有时会同时发生，有时仅其中1-2种机理起作用。
1.2 混凝剂和助凝剂
1.2.1 混凝剂
应用于饮用水处理的混凝剂应符合以下基本要求：混凝效果好；对人体健康无害；使用方便；货源充足，价格低廉。
混凝剂种类很多，按化学成分可以分为无机和有机两大类。无机混凝剂品种较少，目前主要是铁盐和铝盐及其聚合物，在水处理中用的最多。有机混凝剂种类很多，主要是高分子物质，但在水处理中的应用比无机少。
（1） 无机混凝剂
常用的无机混凝剂列于表1-1。
聚合铝 聚合铝包括聚合氯化铝和聚合硫酸铝等，目前使用最多的是聚合氯化铝。
聚合氯化铝又名碱式氯化铝或羟基氯化铝。它是以铝灰或者含铝矿物作为原料，采用酸溶或碱溶法加
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工制成。由于原料和生产工艺不同，产品规格也不一致。分子式体为铝的羟基配合物
?Al?OH?Cl?中的m为聚合度，单
2n6?nm?Al?OH?Cl?。例如Al2n6?n16(OH)40Cl8为m=8,n=5的聚合物或多核配合物，溶于
水后，即形成聚合阳离子，对水中胶粒起电性中和及架桥作用。聚合氯化铝对水的Ph值变化适应性比较强，效果较好。
常用的无机混凝剂 表1-1
名称 化学式 Al2?SO4?3?18H2O 硫酸铝 Al2?SO4?3?14H2O KAl?SO4?2?12H2O (钾矾) 铝 系 聚合氯化铝（PAC） 明矾 NH4?Al?SO4?2?12H2O （胺矾） ?Al?OH?Cl?2n6?nm 聚合硫酸铝（PAS） 铁 系
（2） 有机高分子混凝剂
聚合氯化铁（PFC） 硫酸亚铁 ?Al?OH??SO?n? 243??n?2?m?三氯化铁 FeCl3?6H2O FeSO4?7H2O ?Fe?OH??SO?n? 243??n?2?m?聚合硫酸铁（PFS） ?Fe?OH?Cl?2n6?nm 有机高分子混凝剂分为天然和人工合成两类。使用最为广泛的人工合成有机高分子混凝剂（其中包括水解产品）为聚丙烯酰胺（PAM）。 1.2.2 助凝剂
当单独使用混凝剂不能取得预期效果时，需投加某种辅助药剂以提高混凝效果，这种药剂称为助凝剂。
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助凝剂通常为高分子物质。其作用往往是为了改善絮凝体结构，促使细小而松散的絮粒变得粗大而密实，作用机理是高分子物质的吸附架桥。
水厂常用的助凝剂有：骨胶、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。
聚丙烯酰胺及其水解产物是高浊度水处理中使用最多的助凝剂。投加这类助凝剂可大大减少铝盐或者铁盐混凝剂用量。
上述各种高分子助凝剂往往也可单独作混凝剂用，但是阴离子型高分子物质作混凝剂效果欠佳，作助凝剂配合铝盐或铁盐使用效果更显著。
从广义来说，凡能够提高或者改善混凝剂作用效果的化学药剂都可以称为助凝剂。
1.3 影响混凝效果的主要因素
要使杂质颗粒之间或杂质与混凝剂之间发生絮凝，一个必要条件是使颗粒之间相互碰撞。推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌下造成的流体运动。由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称“异向絮凝”；由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
在混合阶段，药剂快速、均匀分散于水中有利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳。由于上述过程很快（特别对铝盐和铁盐混凝剂而言），故混合要快速剧烈，通常在10～30s至多不超过2min即告完成。在絮凝过程中，絮凝体尺寸逐渐增大，由于大的絮凝体容易破碎，故自絮凝开始到絮凝结束，速度梯度（G值）应该逐渐减小。采用水力絮凝池时，水流速度应逐渐减小；采用机械絮搅拌时，搅拌强度应逐渐减小。
影响混凝效果的因素表较复杂，其中包括水温、水化学特性、水中杂质性质和浓度以及水力条件等。 1.3.1 水温影响
水温对混凝效果有明显影响，其原因主要有：1、无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温水混凝剂水解困难。2、低温水的粘度大，使水中杂质颗粒布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶粒脱稳凝聚。同时，水的粘度大时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。3、水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚，而且水化膜内的水由于粘度和重度增大，影响了颗粒之间的粘附强度。4、水温和pH值有关。水温低时，水的pH值提高，相应的混凝最佳pH值也将提高。
为了提高低温水混凝效果，常用方法是增加混凝剂投加量和投加高分子助凝剂。 1.3.2 水的pH值和碱度影响
水的pH值对混凝效果的影响程度，视混凝剂品种而异。 1.3.3 水中悬浮物浓度的影响
从混凝动力学可知，水中悬浮物浓度很低时，颗粒碰撞速率大大减少，混凝效果差。为提高低浊度原水的混凝效果，常采取以下措施：1.在投加铝盐或铁盐的同时，投加高分子助凝剂，如活化硅酸或者聚丙烯酰胺等。2.投加矿物颗粒（如粘土等）以增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮
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凝体密实度。3.采用直接过滤法。即原水投加混凝剂后经过混合直接进入过滤。
如果原水悬浮物含量过高，为使悬浮物达到吸附电中和脱稳作用，所需要的铝盐或铁盐混凝剂量将相应的大大增加。为减少混凝剂用量，通常投加高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺及活化硅酸等。
1.4 混凝剂的配置和投加
1.4.1 混凝剂溶解和溶液配置
混凝剂投加分为固体投加和液体投加两种方式，固体投加方式在我国较少采用。 1.4.2 混凝剂投加 （1） 计量设备 电磁流量计；计量泵等 （2） 投加方式 常用投加方式有：
1） 泵前投加 药液投加在水泵吸水管或者吸水喇叭口处，这种方式一般适用于取水泵房距离水厂处理设施距离较近者。 2） 3） 4）
位溶液池重力投加 水射器投加
泵投加 泵投加有两种方式：一是采用计量泵（柱塞泵或隔膜泵），一是采用离心泵配上流量计。
1.5 混合和絮凝设备
1.5.1 混合设备
混合设备的基本要求是：药剂与水的混合必须快速均匀。常用的混合设备有三类：水泵混合；管式混合；机械混合。
（1） 水泵混合
水泵混合是我国常用的混合方式。药液投加在取水泵吸水管或者吸水喇叭口处，利用水泵叶轮的高速 旋转以达到快速混合目的。这种方式一般适用于取水泵房距离水厂处理设施较近者，因为当距离较远时，经水泵混合后的原水在长距离管道输送过程中，可能过早地在管道中形成絮凝体。已形成的絮凝体在管道中一经破碎，往往难于重新聚集，不利于后续絮凝，并且当管道流速低时，絮凝体还可能沉积管中。所以，水泵混合通常用于取水泵房与水处理设施距离不大于150m的情况。
（2） 管式混合
最简单的方式为：将药剂直接投入水泵压水管中以借助管中流速进行混合。管中流速不宜低于1m/s， 投药点后的管内水头损失不小于0.3-0.4m。投药点至末端出口距离以不小于50倍管道直径为宜。为了提高
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混合效果，可在管道内增设孔板或者文丘利管。此种混合效果不稳定。
目前广泛采用的管式混合器为“管式静态混合器”。另一种管式混合器为“扩散混合器”。 （3） 机械混合池
机械混合池是在池内安装搅拌装置，以电动机驱动搅拌器使水和药剂混合。这种方式的优点是混合效 果好，不受水量变化影响，适用于各种规模的水厂，缺点是增加机械设备并相应增加维修工作。
1.5.2 絮凝设备
絮凝设备的基本要求是：原水与药剂经过混合后，通过絮凝设备应形成肉眼可见的大的密实絮凝体。絮凝池形式较多，概括分为：水力搅拌式和机械搅拌式。各种絮凝池的特点见表格1-2：絮凝池的形式和特点。
絮凝池的形式和特点 表2
类型 特点 优点：絮凝效果好，构造简单，施工方便； 往复式 隔板式絮 使用条件 水量大于30000m/d的水3缺点：溶剂较大，水头损失较大，转折处矾花易破碎。 厂；水量变动小者。 水量大于30000m/d的水3凝池 回转式 优点：絮凝效果好，水头损失小，构造简单，管理方便 厂；水量变动小者；改建和扩建旧池更适用。 缺点：出水流量不易分配均匀，出口处易积泥 优点：絮凝效果好，絮凝时间短，容积较小； 折板式絮凝池 缺点：构造较隔板絮凝池复杂，造价较高。 优点：絮凝时间短，容积小，造价较低； 涡流式絮凝池 缺点：池子较深，池底施工较困难，絮凝效果较差。 水量变动较小的中小型水厂 水量小于30000m/d的水厂 优点：絮凝效果好，水头损失小，可适应水质、水量的网格、栅条絮凝变化； 池 缺点：末端池底易积泥 优点：絮凝效果好，水头损失小，可适应水质、水量的机械絮凝池 变化； 缺点：需机械设备和经常维修 优点：絮凝效果好，水头损失小，造价较低； 悬浮絮凝池加缺点：斜挡板在结构上处理较困难，重颗粒泥砂易堵塞隔板絮凝池 在斜挡板底部
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3 大小水量均适用，能适应水量变动较大者 中小型水厂