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1、4.8 高效沉淀池混凝剂筛选试验 4.8.1混凝机理 溢流污水中的细小悬浮物，特别是胶体微粒，它们难以用自然沉淀的方法加以去 除，是导致污水浑浊的主要原因，因此，可采用加入混凝剂进行混凝沉淀的办法去除这 些悬浮物。混凝机理很复杂，不同混凝剂的作用机理有所不同。即使是同一种混凝剂， 在不同的水质条件下，作用机理也不完全一样。采用化学混凝沉淀法处理雨天溢流污水 时，不仅要了解混凝机理，还需通过实验找出最佳的混凝条件。 在混凝过程中，混凝剂在水中首先发生水解、聚合等化学反应，生成的水解、聚合 产物再与水中的胶体发生静电中和、粒间架桥、粘附卷扫等作用生成粗大絮凝体，经沉 淀除去。以上几种作用有可能同时
2、发生，有可能在某种条件下其中某种作用是主导因素。 混凝过程可分为三个阶段：混合阶段、絮凝阶段、沉淀阶段。 第一阶段为混合阶段，亦称凝聚阶段。混合实质是混凝剂水解产物在水中的扩散 问题。使水中胶体颗粒同时脱稳产生凝聚，是取得好的絮凝效果的先决条件，也是节省 投药量的关键。混凝剂水解产物在混合设备中的扩散。 加入无机混凝剂的目的是破坏水中悬浮胶粒的双电层，使粒子相互凝聚。要使胶 体脱稳与凝聚，必须降低zeta电位和水化膜，并提供胶粒碰撞的动能。造成胶粒碰撞 的主要原因是布朗运动，流速梯度和涡流紊动。对于直径小的胶粒，布朗运动基本不起 作用。整个过程是瞬时发生的，因此混凝剂必须以尽快的速度(0.1s
3、)在水解反应完成 之前就分散到水中，以便在0.011s生成的水解和聚合形态能吸附在粒子上引起脱稳。 为此，工程上采用投药后快速搅拌，以保证较高的碰撞次数。碰撞产生的速度梯度 G与 搅拌时间T的乘积可以间接表示整个反应时间内颗粒碰撞的总次数，用来控制反应的效 果。烧杯试验中的混合阶段就是要能尽可能迅速地将混凝剂分散到水体中，使混凝剂立 即水解，其水解产物与水中胶粒接触，并使带负电的粘土胶粒等脱稳，开始形成微小矾 花。因此这阶段要求水流能产生激烈的湍流，使混凝剂迅速分散，分散均匀，充分地与 水中胶粒接触。快搅时间一般不超过2min。这是以胶体表面的物理化学状况发生变化 为主的过程，形成的矾花小而密
4、实。 第二阶段是絮凝阶段，相应烧杯试验里是慢搅阶段。絮凝长大过程是微小颗粒接- 2 - 触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个因素；一是混凝剂水解后产生的高分 子络合物形成吸附架桥的联结能力，二是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理 的有效碰撞，这是由设备的动力学条件所决定的。速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力 学致因。要增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须增加絮凝池的流速。 但是絮凝过程是速度受限过程，随着矾花的长大，水流速度应不断减少。高分子絮凝剂 的投入，对悬浮粒子有吸附架桥作用以及对矾花的网捕作用，有利于矾花的增大。矾花 的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素：其一是
5、混凝水解产物形成的吸附架桥的联结能 力；其二是湍流剪切力。因此湍流程度不能太大，否则不利于吸附进行，还可能使已形 成的大矾花破碎，并且高分子絮凝剂的长链也可能被水流剪切断而影响其絮凝效率。在 絮凝阶段，要求控制好适当范围的水流湍流程度和足够的停留时间，使矾花完成其长大 的过程。 第三阶段为沉降阶段也是静置阶段。混合和絮凝阶段结束后，絮体处于悬浮态， 悬浮态的絮体依靠重力作用而沉降，是差沉的絮凝过程。开始时水中矾花浓度高，在重 力的作用下下沉。在沉降过程中会出现一个清水和浑水的交界面，沉降过程是交界面的 下沉过程。该过程称为分层沉降。分层沉降阶段是矾花去除的主要阶段。此时的悬浮物 已大部分沉降，
6、余下的粒径小，密度小的矾花一边缓慢下沉，一边继续相互碰撞结大。 到这阶段的后期，余浊基本不变，说明此时水体中矾花已基本上不再沉降。 4.8.2影响溢流污水混凝效果的因素 1.水温 水温对混凝效果有着明显的影响。有资料表明：在使用硫酸铝混凝剂时，混凝速度 随温度降低而降低，基本上，水温每降低10混凝速度要降低12倍，而且尽管增加 投药量，形成的絮凝体也是结构松散、颗粒细小、沉淀效果不佳。水温对混凝效果的影 响主要由于以下几个原因： 水温低时，混凝剂的水解受到影响。由于金属盐类混凝剂水解过程均为吸热反应， 水温低时水解较为困难，如水温O时，混凝剂基本上不发生水解，不易生成高聚合 度的分子。当水温降
7、低时，硫酸铝的水解速度变得极其缓慢，相对停留时间不变，则形 成的羟基减少，使聚合度变差，混凝体疏松，混凝效果自然就减弱了。 水的粘度随水温的降低而加大，从而使水流的剪切作用加大，颗粒也容易破碎；- 3 - 同时，由于水温降低，布朗运动减弱，使碰撞的机率也随之减少。 水温的降低，还会导致水的离子积常数减小，pH值升高，使混凝剂的最佳pH值 也相应升高，增加了混凝的难度。低温水粘度大，布朗运动强度较弱，从而颗粒彼此之 间的碰撞机会变小，不利于脱稳颗粒互相凝聚。由于水的粘度大，水流剪切力大，故而 影响絮体成长。 2.pH值的影响 对不同的混凝剂，pH值对混凝效果的影响程度也不一样。一般来说，pH值对
8、金属 盐混凝剂的影响较大，对高分子混凝剂的影响较小些，这是由于它们在投放前分子结构 已经固定形成。例如当把混凝剂Al 2 （SO 4 ） 3 18H 2 O对投加到水中，当水溶液的pH4 时，水中主要存在Al（H 2 O） 6 3+ ；pH=45时，水中主要存在Al（OH） （H 2 O）5 2+ 、Al（OH) 2 （H 2 O） 4 + 以及少量的AI（OH） 3 （H 2 O） 3 ；pH78时，水中主要为中 性的Al（OH） 3 (H 2 O） 3 。显然，随着水溶液中的pH值不同，Al（SO 4 ） 3 18H 2 O既可 以发挥高电荷低聚合度物质电性中和脱稳作用又可以发挥高聚物吸附
9、架桥作用。同样， 对于其他无机混凝剂亦有同样性质。另外，水中的pH值是影响去除色度的主要因素， 一般pH6.08.0左右，宜于除浊。 3.污水水质条件 实验时取西干线2号泵站集水井处的水样作为本次实验原水水质。进水水质情况： 表一 西干线2号水质情况表 水样 CODmg/L BODmg/L SSmg/L TPmg/L 备注 旱流污水 小雨时水质 235 75 250 中雨时水质 184 68 380 大雨时水质 580-180 实验时水质 范围 130-620 170-700 1.8-62 待处理水的水质（尤指浊度）不同，其混凝效果显然不同。水中的粘土杂质，粒径 细小而均匀者，混凝效果较差，粒
10、径参差者对混凝有利。颗粒浓度过低往往对混凝不利， 回流沉淀物和投加助凝剂可提高混凝效果。 4.混凝剂种类和投量- 4 - 按药剂在混凝过程中所起的作用可以分为凝聚剂和絮凝剂两类，分别起脱稳和结成 絮体的作用，总称为混凝剂。混凝剂可分为金属盐类混凝剂及高分子混凝剂两大类。使 用不同的混凝剂处理同一水源，其处理效果不同。 絮凝剂被广泛应用于化工、矿业、环保等领域，在固液分离和水处理过程中，用 以提高微细固体物的沉降和过滤效果等。由于水污染的情况日益严重，水的净化处理就 显得越来越重要。尽管水处理的方法有多种，但“絮凝沉淀法”已被普遍认为是一种较 为有效的预处理方法，且成本较低。随着科学技术的发展，
11、絮凝剂的种类也日益增多， 根据化学成分的不同，可分为无机、有机和微生物絮凝剂。 无机絮凝剂主要有铁系和铝系两大类，按分子量大小又可分为低分子体系和高分 子体系两类。主要包括FeCl 3 、A1C1 3 、Fe 2 (S0 4 ) 3 、Al 2 (SO 4 ) 3 及其多聚物。无机絮凝剂的 应用历史悠久，广泛用于水的净化处理和污水处理等。但无机低分子絮凝剂成本较高， 腐蚀性较大，在有些场合净水效果不理想。无机高分子絮凝剂是20世纪60年代在传统 的铁盐、铝盐基础上发展起来的一类新型絮凝剂。主要包括聚合硫酸铝、聚合氯化铝、 聚合硫酸铁、聚合氯化铁等。这些絮凝剂中含有多经基络离子，以OH作为架桥形
12、成多 核络离子，从而生成巨大的无机高分子化合物。因此，无机高分子聚合物絮凝剂絮凝能 力强、絮凝效果好，而且价格较低，因而逐步成为主流絮凝药剂。新型无机高分子絮凝 剂的研制主要向引入其他离子制备复合型絮凝剂的方向发展。80年代末，研制出碱式 硅酸硫酸铝(PASS)一种碱式多核羟基硫酸铝复合物，有较多的活性铝，因此能生成高密 度的絮状物，沉降迅速。近年来，研制和应用聚合铝、铁、硅及各种复合型无机絮凝剂 成为热点，无机高分子絮凝剂的品种已逐步形成系列。 无机高分子絮凝剂对处理各种复杂成分的水适用性强，可有效除去细微悬浮颗粒， 但生成的絮体不如有机高分子絮凝剂生成的絮体大，单独使用无机絮凝剂投药量大，
13、目 前已较少采用。与无机絮凝剂相比，有机高分子絮凝剂用量小，絮凝速度快，受共存盐 类、介质PH值及环境温度的影响小，生成污泥量少，脱色性也好。但有些有机高分子 絮凝剂的水解、降解产物有毒，生产成本较高。所以，现多以有机高分子絮凝剂与无机 高分子絮凝剂配合使用，或者借无机盐的存在与污染物电荷中和，来促进有机高分子絮 凝剂的作用。 （1）聚合氯化铝(PAC)聚合氯化铝(PAC)又称碱式氯化铝、羟基氯化铝，简称聚合铝，是介于A1C1 3 ；和- 5 - A1(OH) 3 之间的水解产物，其化学通式为A1 2 (OH)mCl 6n ，(m=1.0，n1-5)，盐基度 对混凝效果有很大的影响。PAC是通
14、过A1()盐水解一聚合产物对处理废水进行电性中 和、脱稳和吸附架桥等作用，并生成粗颗粒絮凝体来去除水中胶体颗粒或胶体污染物的。 PAC与其他絮凝剂相比具有沉降速度快、絮凝性能好、适应性好、成本低、pH值适用范 围广、高效无毒性等优点。 （2）聚合硫酸铁(PFS) 聚合硫酸铁(PFS)简称聚铁，20世纪70年代中期在日本首先研制成功，是一种 无毒、高效的无机高分子絮凝剂。1983年我国化工部天津化工研究院研制成功，并在 发电厂的水处理厂投入应用。酸铁是一种碱式的，其组成可表示为Fe 2 (0H) n (SO 4)3-n/2 m(n2，m=f(n)。因为聚合硫酸铁絮凝能力高，生成的絮凝体质量大，沉
15、淀物紧密， 适用水体pH值范围广，重金属的去除率高，费用低，对设备的腐蚀性小，并具有脱色、 除臭、脱水、脱油等功效，所以近年来广泛应用于处理制革废水和有机废水等。 （3）硫酸铝 硫酸铝分子式为Al 2 (SO 4 ) 3 ，固体产品为白色或微带灰色粉末或块状结晶，在空气 中长期存放易吸潮结块。由于有少量硫酸亚铁存在，使产品表面发黄。易溶于水，室温 下在水中的质量分数为50，水溶液呈酸性，难溶于醇。溶液产品为微绿或微灰黄色。 过饱和溶液在常温下结晶为无色单斜晶体的18水合物，8.8结晶为27水合物。19世 纪60年代美国科学家发现了硫酸铝的净水作用，100年来由于来源丰富，合成简便， 价格低廉，
16、一直得到广泛的应用。但由于酸性强，水解速度慢，以及铝对人体带来的危 害，目前已很少单独作为絮凝剂使用。 （4）聚合氯化铝铁 聚合氯化铝铁为黄色或贫褐色粉状固体，易溶于水，有较强的架桥、吸附性能。聚 合氯化铝铁是80年代初，针对聚铝和聚铁絮凝剂在使用中存在的不足而开发的新型无 机高分子絮凝剂。集铝盐与铁盐混凝剂的优点于体，是聚铝和聚铁的良好替代品。 （5）聚丙烯酰胺 现阶段的合成有机高分子絮凝剂主要是聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物。聚丙烯酰胺 能溶于水且无腐蚀性，相对分子质量从几十万到一千万以上。它主要是通过两方面进行 絮凝：由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对胶粒有较强的吸附结合力；因- 6 - 为高聚合度的线型高分子在溶液中保持适当的伸展状态，从而发挥吸附架桥作用，把许 多细小颗粒吸附后，缠结在一起。聚丙烯酰胺在处理浊水、污泥脱水和废水等方面有显 著的效果。 混凝剂投加量的控制是絮凝的关键，它不仅决定了水中胶体的脱稳作用、影响滤后 水质，而且还与产生的絮体数量的多少直接有关。若投量不足，絮
