废水的化学处理及深度处理.docx

第四章 废水的化学处理及深度处理
知识目标：
● 了解废水化学处理的基本原理
● 掌握中和药剂、混凝剂的性能和选用方法
● 掌握中和设备与混凝设备的基本结构
● 了解膜分离技术的基本方法
能力目标：
● 掌握废水中和和混凝处理技术在工业废水处理中的应用
● 掌握吸附、消毒等废水深度处理的技术方法

废水的化学处理法是利用化学反应的作用以去除离水中的溶解性或胶体性的污染物质。它既可使污染性物质与水分离, 也能改变污染物质的性质 , 如降低废水中的酸碱度,去除金属离子, 氧化还原某些有毒有害物质以及有机污染物等 , 因此可达到比物理方法更高的净化程度。特别是要从废水中回收有用物质时或当废水中含有某种有毒、有害且又不易被微生物降解的物质时, 采用化学治理方法更加适宜。由于城市污水与工业废水中的污染物种类日趋增多 , 其中许多污染物通过常规的处理已不能去除或去除甚少。例如：氮、磷的化合物、难生物降解的有机物、重金属离子、病毒与细菌等还需要进一步采用废水的深度处理技术。
第一节 中和法
一、概述
用化学法去除废水中的酸或碱，使其pH值达到中性左右的过程称为中和。处理酸、碱废水的碱、酸材料称为中和剂。利用中和原理处理污水的方法称为中和处理法。
酸性废水和碱性废水是工业生产中不可避免的生产废水之一。通常酸性废水含有有机酸和无机酸两类，主要来源于化工、化纤、电镀、金属酸洗车间等。酸性废水中常见的有机酸包括醋酸、甲酸、柠檬酸等；而常见的无机酸包括硫酸、硝酸、氢氟酸、氢氰酸、磷酸。碱性废水中常见的碱性物质有苛性钠、碳酸钠、硫化钠及胺等，主要来源于印染、炼油、造纸等行业。
对于酸碱废水的处理，首先要考虑的是能否综合利用。酸性废水浓度在3%～5%以上，碱性废水浓度在1%～3%以上，必须考虑酸碱的回收。这样不仅使有用成份得到回收利用，同时节省了废水处理的费用。例如采用扩散渗析法回收钢铁酸洗废液中的硫酸，采用蒸发浓缩法回收苛性钠等。
当酸碱废液浓度低于上述值时，回收和综合利用的意义不大，方考虑中和处理，使废水的pH值恢复到中性附近的一定范围，一般pH在6～9。
中和处理的目的主要是避免对排水管道造成腐蚀，减少对受纳水体水生生物的危害，以及对后续废水采用生物处理时能够保证微生物处于最佳生长环境。
酸性废水的中和方法有利用碱性废水或碱性废渣进行中和、投加碱性药剂及通过有中和性能的滤料过滤3种方法。碱性废水的中和方法有利用酸性废水或酸性废渣进行中和、投加酸性药剂等。
二、酸性废水的中和处理
1．酸碱废水互相中和法
酸碱废水互相中和是一种最常用的方法，既简单又经济。在中和过程中应控制碱性废水的投加量，使处理后的废水呈中性或弱碱性。酸碱完全中和的条件为：
（式4-1）
式中 Qb——碱性废水流量，m3/h；
Bb——碱性废水浓度， g/L；
Qa——酸性废水流量，m3/h；
Ba——酸性废水浓度， g/L；
——碱性中和剂对酸的比耗量，指中和1kg酸所需碱的量，见表4-1；
k——反应不均匀系数，一般取1.5～2。
表4-1 碱性中和剂对酸的比耗量
酸
中和1kg酸所需碱的量/（kg）
CaO
Ca(OH)2
CaCO3
MgCO3
CaCO3 ·MgCO3
H2SO4
HNO3
HCl
CH3COOH
0.571
0.455
0.770
0.466
0.755
0.590
1.010
0.616
1.020
0.795
1.370
0.830
0.860
0.688
1.150
0.695
0.940
0.732
1.290
－

当酸碱废水排出的水质水量比较稳定且酸碱含量接近平衡，可直接进行中和；当水质水量变化较大时，可采用调节池调节后进入中和池进行中和处理；当废水本身的酸碱含量不能平衡时，需要补加中和剂。
2．投加碱性药剂中和法
投药中和方法应用广泛，适合任何浓度、任何性质的酸性废水，对水质水量的波动适应能力强，中和药剂利用率高。
中和酸性废水常用的碱性药剂有石灰、石灰石、苏打、苛性钠等，由于药剂中常含有不参与中和反应的惰性杂质(如砂土、粘土)，药剂的实际耗量比理论耗量要大。
药剂的选用，应考虑其溶解性、反应速率、成本和可能造成的二次污染。其投加量可以按化学方程式进行估算。
3.过滤中和法
使废水通过具有中和能力的碱性固体颗粒物滤料时发生的中和反应，称为过滤中和。这种方法适用于含酸浓度不大于2～3g/L并生成易溶盐的酸性废水。如果废水中含有大量悬浮物、油脂类、重金属盐时，则不便采用。
具有中和能力的碱性滤料有石灰石、大理石或白云石等，最常用的是石灰石。其反应式如下：
2HCl+CaCO3══CaCl2+H2O+CO2 ↑
2HNO3+CaCO3══Ca(NO3)2+H2O+CO2 ↑
H2SO4+CaCO3══CaSO4↓+H2O+CO2 ↑
以石灰石作滤料处理硫酸废水时，因中和过程中生成的硫酸钙在水中溶解度很小，易在滤料表面形成覆盖层，会阻碍滤料和酸的接触反应。因此废水的硫酸浓度一般不超过1～2g／L。如果硫酸浓度过高，可以通过回流出水进行稀释。
过滤中和所使用的中和滤池有普通中和滤池、升流式膨胀中和滤池。
普通中和滤池为固定床，水的流向有平流式和竖流式两种。目前多采用竖流式。竖流式又分为升流式和降流式两种。如图4-1所示。普通中和滤池的滤床厚度一般为1~1.5m，滤料粒径一般为30~50mm，过滤速度一般不大于5m/h，接角时间不小于10min。注意滤料中不得混有粉料。废水中如含有可能堵塞滤料的物质时，应进行预处理。

图4-1 中和滤池
（a）升流式；（b）降流式
升流式膨胀中和滤池，可以分为恒速升流式和变速分流式两种类型。废水通过滤料层时滤速不发生变化，则为恒速升流式膨胀中和滤池，如图4-2所示。滤池分为四部分：底部为进水设备，采用大阻力穿孔管布水，孔径9~12mm，进水设备上面是卵石垫层，厚度为0.15~0.2m，卵石粒径为20~40mm，垫层上面为石灰石滤料，粒径0.5~3mm，滤床膨胀率保持在50%左右，膨胀后的滤层高度为1.5~1.8m，滤层上部清水区高度为0.5m，水流速度逐渐缓慢，出水由出水槽均匀汇集出流。滤床总高度为3m左右，直径大于2m。废水从滤池的底部进入，水流自下向上流动，从池顶流出。废水上升滤速高达有50～70m/h，粒料间相互碰撞磨擦，加上生成的CO2气体作用，有助于防止结壳，滤料表面不断更新，具有较好的中和效果。

图4-2 升流式膨胀中和滤池
1-环形集水槽；2-清水区；3-石灰石滤料；4-卵石垫层；
5-大阻力配水系统；6-放空管
变速升流式膨胀中和筒体为倒圆锥体，滤料层的截面积是变化的，其底部滤速较大，可使大颗粒滤料处于悬浮状态；上部滤速较小，可保持上部微小滤料不致流失，以防止滤料表面形成CaSO4覆盖层，同时提高滤料的利用率。
三、碱性废水的中和处理
1.药剂中和法
碱性废水的中和剂有硫酸、盐酸等。由于采用工业硫酸价格较低，故应用较为广泛。使用盐酸时反应产物的溶解度高，泥渣量少，但出水溶解固体浓度高，其价格较硫酸要高。无机酸中和碱性废水的工艺、设备和酸性废水的加药中和设备基本相同。
2.烟道气中和法
用含有CO2和少量SO2、H2S的烟道气作中和剂处理碱性废水，采用的设备是喷淋塔。塔中的滤料是一种惰性填料，本身不参与中和反应。运行时碱性废水从塔顶用布液器喷出，流向填料床，烟道气则自塔底进入填料床。水、气在填料床接触过程中，废水和烟道气都得到了净化，使废水中和、烟尘消除。
另外，用压缩CO2中和碱性废水，采用的设备与烟道气类似，采用逆流接触反应塔。由于成本较高，实际工程采用较少。
第二节 混凝法
混凝法是工业污水经常采用的一种处理方法。通过混凝法可以去除废水中细分散固体颗粒 , 乳状油及胶体物质等。例如可以降低污水的浊度和色度，除去多种高分子物质、有机物、某些重金属 毒物 ( 汞、镉、铅〉和放射性物质等。也可以去除能够导致富营养化物质 , 如磷等可溶性无机物。此外 , 还能够改善污泥的脱水性能。因此 , 混凝法在工业污水处理中使用得非常广泛。既可以作为独立的处理法 , 也可以和其它处理法配合 , 作为予处理、中间处理或最终处理。
一、胶体的特性
（一）胶体的双电层结构
水污染最明显的部分是水中的各种悬浮杂质，它们大都可以通过自然沉淀的方法去除，如大颗粒悬浮物可在重力作用下沉降；而细微颗粒的悬浮物特别是胶体颗粒的自然沉降则是极其缓慢的，在停留时间有限的水处理构筑物内不可能沉降下来。它们是造成水质不能达标的根本原因。这类污染物的去除，有赖于破坏其胶体的稳定性，如加入混凝剂使胶体脱稳，使颗粒相互聚结形成容易去除的大絮凝体而去除。
水处理工程所研究的分散体系中，颗粒尺寸为1nm至0.1µm的称为胶体溶液，颗粒大于0.1µm的称为悬浮液。胶体分子聚合而成的胶体颗粒称为胶核，胶核表面吸附了某种离子而带电。由于静电引力的作用，溶液中的异号离子（反离子）就会被吸引互到胶体颗粒周围形成吸附层，而其它异号离子，离核较远，不随胶核运动并有向水中扩散的趋势形成扩散层。
通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒，胶粒与扩散层组成称为胶团。胶团的结构式如图4-3所示。

图4-3 胶团结构式
图4-4为一个想象中天然水的粘土胶团。天然水的浑浊大都由粘土颗粒形成。粘土的主要成分是SiO2，颗粒带有负电，其外围吸引了水中常见的许多带正电荷的离子。吸附层的厚度很薄，大约只有2～3Å。扩散层比吸附层厚得多，有时可能是吸附层的几百倍。在扩散层中，不仅有正离子及其周围的水分子，而且还可能有比胶核小的带正电的胶粒，也夹杂着一些水中常见的HCO3-、OH-、Cl-等负离子和带负电荷的胶粒。

图4-4 天然水中粘土胶团示意图
由于胶核表面所吸附的离子总比吸附层里的反离子多，所以胶粒带电。而胶团具有电中性，因为带电胶核表面与扩散于溶液中的反离子电性中和，构成双电层结构如图4-5所示。

图4-5 胶体双电层结构示意图
扩散层中的反离子由于与胶体颗粒所吸附的离子间吸附力很弱，当胶体颗粒运动时，大部分离子脱离胶体颗粒，这个脱开的界面称滑动面。胶核表面上的电位离子和溶液主体之间形成的电位称总电位，即ψ电位。胶核在滑动时所具有的电位称动电位，即ξ电位，它是在胶体运动中表现出来的，也就是在滑动面上的电位。在水处理研究中，ξ电位具有重要意义，可以用激光多普勒电泳法或传统电泳法测得。天然水中胶体杂质通常带负电。地面水中的石英和粘土颗粒，根据组成成分的酸碱比例不同，其ξ电位大致在-15～-40mV。一般在河流和湖泊水中，颗粒的ξ电位大致在-15～-25mV左右，当被含有机污染时，ξ电位可达-50～-60mV。
（二）胶体稳定性
胶体稳定性，是指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。致使胶体颗粒稳定性的主要原因是颗粒的布朗运动、胶体颗粒间同性电荷的静电斥力和颗粒表面的水化作用。
胶体颗粒的布朗运动，构成了动力学稳定性，反映为颗粒的布朗运动对抗重力影响的能力。水中粒度较微小的胶体颗粒，布朗运动足以抵抗重力的影响，因此能长期悬浮于水中而不发生沉降，称为动力学稳定性。
胶体间的静电斥力和颗粒表面的水化作用，构成了聚集稳定性。反映了水中胶体颗粒之间因其表面同性电荷相斥或者由于水化膜的阻碍作用而不能相互凝聚的特性。
布朗运动一方面使胶体具有动力学稳定性，另一方面也为碰撞接触吸附絮凝创造了条件。但由于有静电斥力和水化作用，使之无法接触。
因此，胶体稳定性，关键在于聚集稳定性，如果聚集稳定性一旦破坏，则胶体颗粒就会结大而下沉。
二、混凝原理
混凝是指水中胶体颗粒及微小悬浮物的聚集过程，它是凝聚和絮凝的总称。凝聚是指水中胶体被压缩双电层而失去稳定性的过程；絮凝是指脱稳胶体相互聚结成大颗粒絮体的过程。凝聚是瞬时的，而絮凝则需要一定的时间才能完成，二者在一般情况下不好截然分开。因此，把能起凝聚和絮凝作用的药剂统称为混凝剂。
胶体颗粒的脱稳可分为两种情况：一种是通过混凝剂的作用，使胶体颗粒本身的双电层结构发生变化，致使ξ电位降低或消失，达到胶体稳定性破坏的目的；再一种就是胶体颗粒的双电层结构未有多大变化，而主要是通过混凝剂的媒介作用，使颗粒彼此聚集。
（一）混凝机理
目前普遍用四种机理来定性描述水的混凝现象。
1.压缩双电层作用机理
根据胶体双电层结构，决定了颗粒表面处反离子浓度最大。胶体颗粒所吸附的反离子浓度与距颗粒表面的距离成反比，随着与颗粒表面的距离增大，反离子浓度逐渐降低，直至与溶液中离子浓度相等。
当向溶液中投加电解质盐类时，溶液中反离子浓度增高，胶体颗粒能较多地吸引溶液中的反离子，使扩散层的厚度减小。根据浓度扩散和异号电荷相吸的作用，这些离子可与颗粒吸附的反离子发生交换，挤入扩散层，使扩散层厚度缩小，进而更多地挤入滑动面与吸附层，使胶粒带电荷数减少，ξ电位降低。这种作用称为压缩双电层作用。此时两个颗粒相互间的排斥力减小，同时由于它们相撞时的距离减小，相互间的吸引力增大，胶粒得以迅速聚集。这个机理是藉单纯静电现象来说明电解质对胶体颗粒脱稳的作用。
压缩双电层作用机理不能解释其它一些复杂的胶体脱稳现象。如混凝剂投量过多时，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定；可能与胶粒带同号电荷的聚合物或高分子有机物有好的凝聚效果；等电状态应有最好的凝聚效果，但在生产实践中，ξ电位往往大于零时，混凝效果最好。
2.吸附和电荷中和作用机理
吸附和电荷中和作用指胶粒表面对异号离子、异号胶粒或链状分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用而中和了它的部分电荷，减少了静电斥力，因而容易与其它颗粒接近而互相吸附。这种吸附力，除静电引力外，一般认为还存在范德华力、氢键及共价键等。
当采用铝盐或铁盐作为混凝剂时，随着溶液pH值的不同可以产生各种不同的水解产物。当pH较低时，水解产物带有正电荷。给水处理时原水中胶体颗粒一般带有负电荷，因此带正电荷的铝盐或铁盐水解产物可以对原水中的胶体颗粒起中和作用。
3.吸附架桥作用机理
吸附架桥作用是指高分子物质与胶体颗粒的吸附与桥连。当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子-胶粒”的絮凝体,高分子物质在这里起了胶体颗粒之间相互结合的桥梁作用。高分子物质投量过少，不足以将胶粒架桥连接起来；投量过多，胶粒的吸附面均被高分子覆盖,又会产生“胶体保护”作用,使凝聚效果下降，甚至重新稳定，即所谓的再稳。
除了长链状有机高分子物质外，无机高分子物质及其胶体颗粒，如铝盐、铁盐的水解产物等，也都可以产生吸附架桥作用。
4.沉淀物网捕作用机理
沉淀物网捕，又称为卷扫。是指向水中投加含金属离子的混凝剂（如硫酸铝、石灰、氯化铁等高价金属盐类），当药剂投加量和溶液介质的条件足以使金属离子迅速金属氢氧化物沉淀时，所生成的难溶分子就会以胶体颗粒或细微悬浮物作为晶核形成沉淀物，即所谓的网捕、卷扫水中胶粒，以致产生沉淀分离。这种作用基本上是一种机械作用，混凝剂需量与原水杂质含量成反比。
在水处理工程中，以上所述的四种机理有时可能会同时发挥作用，只是在特定情况下以某种机理为主。
（二）影响混凝效果的主要因素
1.水温
水温对混凝效果有明显影响。低温水絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，沉淀效果差。水温低时，即使过量投加混凝剂也难以取得良好的混凝效果。一般冬天混凝剂用量比夏天多。
无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温时水解困难，造成水解反应慢。如硫酸铝，水温降低10℃，水解速度常数降低约2～4倍。水温在5℃时，硫酸铝水解速度极其缓慢。
为提高低温水混凝效果，常用的办法是投加高分子助凝剂，如投加活化硅酸后，可对水中负电荷胶体起到桥连作用。如果与硫酸铝或三氯化铁同时使用，可降低混凝剂的用量，提高絮凝体的密度和强度。
2.pH值
混凝过程中要求有一个最佳pH值，使混凝反应速度达到最快，絮凝体的溶解度最小。这个pH值可以通过试验测定。混凝剂种类不同，水的pH值对混凝效果的影响程度也不同。
对于铝盐与铁盐混凝剂，不同的pH值，其水解产物的形态不同，混凝效果也各不相同。
对硫酸铝来说，用于去除浊度时，最佳pH值在6.5～7.5之间， 用于去除色度时，pH值一般在4.5～5.5之间。对于三氯化铝来说，适用的pH值范围较硫酸铝要宽。用于去除浊度时，最佳pH值在6.0～8.4之间， 用于去除色度时，pH值一般在3.5～5.0之间。
高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小，故对水的pH值变化适应性较强。
3. 悬浮物含量
浊度高低直接影响混凝效果，过高或过低都不利于混凝。浊度不同，混凝剂用量也不同。对于去除以浑浊度为主的地表水，主要的影响因素是水中的悬浮物含量。
水中悬浮物含量过高时，所需铝盐或铁盐混凝剂投加量将相应增加。为了减少混凝剂用量，通常投加高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺及活化硅酸等。对于高浊度原水处理，采用聚合氯化铝具有较好的混凝效果。
水中悬浮物浓度很低时，颗粒碰撞速率大大减小，混凝效果差。为提高混凝效果，可以投加高分子助凝剂，如活化硅酸或聚丙烯酰胺等，通过吸附架桥作用，使絮凝体的尺寸和密度增大；投加粘土类矿物颗粒，可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凝体密度；也可以在原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。
4.水力条件
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相互碰撞。推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面，一是颗粒在水中的布朗运动，一是在水力或机械搅拌作用下所造成的流体运动。由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集称“异向絮凝”，由流体运动造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
同向絮凝要求有良好的水力条件，控制混凝效果的水力条件，往往以速度梯度G值和GT值作为重要的控制参数。
GT值是速度梯度G与水流在混凝设备中的停留时间T之乘积，可间接地表示在整个停留时间内颗粒碰撞的总次数。
在混合阶段，异向絮凝占主导地位。药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，故要求混合快速剧烈，通常搅拌时间在10～30s，一般G值为500～1000s—l之内。在絮凝阶段，同向絮凝占主导地位。絮凝效果不仅与G值有关，还与絮凝时间T有关。在此阶段，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，反应时间相对加长，一般在15～30min，平均G值为20～70s—l，平均GT值为l×104～1×105。
三、混凝剂
为了使胶体颗粒脱稳而聚集所投加的药剂，统称混凝剂，混凝剂具有破坏胶体稳定性和促进胶体絮凝的功能。习惯上把低分子电解质称为凝聚剂,这类药剂主要通过压缩双电层和电性中和机理起作用；把主要通过吸附架桥机理起作用的高分子药剂称为絮凝剂。
混凝剂的基本要求是：混凝效果好，对人体健康无害，适应性强，使用方便，货源可靠，价格低廉。
混凝剂种类很多，按化学成分可分为无机和有机两大类，如表4-2所示。
无机混凝剂应用历史悠久，广泛用于饮用水、工业水的净化处理以及地下水、废水淤泥的脱水处理等。无机混凝剂按金属盐种类可分为铝盐系和铁盐系两类；按阴离子成分又可分为盐酸系和硫酸系；按分子量可分为低分子体系和高分子体系两大类。
有机混凝剂虽然价格低廉，但效果较差，特别是在某些冶炼过程中，实质上是加入了杂质，故应用较少。近20年来有机混凝剂的使用发展迅速。这类混凝剂可分为天然高分子混凝剂(褐藻酸、淀粉、牛胶)和人工合成高分子混凝剂(聚丙烯酰胺、磺化聚乙烯苯、聚乙烯醚等)两大类。由于天然聚合物易受酶的作用而降解，已逐步被不断降低成本的合成聚合物所取代。
表4-2 混凝剂的类型及名称
类型
名称
无机型
无机盐类
硫酸铝，硫酸钾铝，硫酸铁，氯化铁，氯化铝，碳酸镁
碱类
碳酸钠，氢氧化钠，石灰
金属氢氧化物类
氢氧化铝，氢氧化铁
固体细粉
高岭土，膨润土，酸性白土，炭黑，飘尘
高分子类
阴离子型
活化硅酸（AS），聚合硅酸（PS）
阳离子型
聚合氯化铝（PAC），聚合硫酸铝（PAS），聚合氯化铁（PFC），聚合硫酸铁（PFS），聚合磷酸铝（PAP），聚合磷酸铁（PFP）
无机复合型
聚合氯化铝铁（PAFC），聚合硫酸铝铁（PAFS），聚合硅酸铝（PASI），聚合硅酸铁（PFSI），聚合硅酸铝铁（PAFSI），聚合磷酸铝（PAFP）
无机有机
复合型
聚合铝—聚丙烯酰胺，聚合铁—聚丙烯酰 胺，聚合铝—甲壳素，聚合铁—甲壳素，聚合铝—阳离子有机高分子，聚合铁—阳离子有机高分子
有机型
天然类
淀粉，动物胶，纤维素的衍生物，腐植酸钠
人工合成类
阴离子型
聚丙烯酸，海藻酸钠（SA），羧酸乙烯共聚物，聚乙烯苯磺酸
阳离子型
聚乙烯吡啶，胺与环氧氯丙烷缩聚物，聚丙烯酞胺阳离子化衍生物
非离子型
聚丙烯酰胺（PAM），尿素甲醛聚合物，水溶性淀粉，聚氧化乙烯（PEO）
两性型
明胶,蛋白素,干乳酪等蛋白质,改性聚丙烯酰胺
（一）无机类混凝剂
1．无机盐类
无机低分子混凝剂即普通无机盐，包括硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁等。在水处理混凝过程中，投加铝盐或铁盐后，发生金属离子水解和聚合反应过程，其产物兼有凝聚和絮凝作用的特性。无机电解质在水中发生电离水解生成带电离子，其电性与水中颗粒所带电性相反，水解离子的价态越高，凝聚作用越强。但用于水处理时，无机低分子混凝剂成本高，腐蚀性大，在某些场合净水效果还不理想。
（1）硫酸铝
硫酸铝使用方便，混凝效果较好，是使用历史最久、目前应用仍较广泛的一种无机盐混凝剂。净水用的明矾就是硫酸铝和硫酸钾的复盐Al2(SO4)3·K2SO4·24H20，其作用与硫酸铝相同。硫酸铝的分子式是Al2(SO4)3·18H20，其产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝质量不稳定，价格较低，其中Al2O3量为10.5～16.5%，不溶杂质含量约20～30%，增加了药液配制和排除废渣等方面的困难。硫酸铝易溶于水，pH值在5.5～6.5范围，水溶液呈酸性反应，室温时溶解度约50%。
硫酸铝使用时水的有效pH值范围较窄，与原水硬度有关。对于软水，pH在5.7～6.6；中等硬度的水，pH在6.6～7.2；较高硬度的水，pH在7.2～7.8。
除了固体硫酸铝外，还有液体硫酸铝。液体硫酸铝制造工艺简单，含Al2O3量约为6%，一般用坛装或灌装，通过车、船运输。液体硫酸铝使用范围与固体硫酸铝，但配制和使用均比固体硫酸铝方便的多，近年来在南方地区使用较为广泛。
（2）硫酸亚铁
硫酸亚铁分子式为Fe2SO4·7H20，半透明绿色晶体，又称为绿矾。易于溶水，水温20℃时溶解度为21%，硫酸亚铁离解出的Fe2+只能生成最简单的单核络合物，所以没有三价铁盐那样良好的混凝效果。残留在水中的Fe2+会使处理后的水带色，Fe2+与水中的某些有色物质作用后，会生成颜色更深的溶解物。因此在使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧化为三价铁，而后再混凝作用。
处理饮用水时，硫酸亚铁的重金属含量应极低，应考虑在最高投药量处理后，水中的重金属含量应在国家饮用水水质标准的限度内。
铁盐使用时，水的pH值的适用范围较宽，在5.0～11之间。
（3）三氯化铁
三氯化铁分子式为FeCl3·6H20, 是黑褐色晶体，也是—种常用的混凝剂，存强烈吸水性，极易溶于水，其溶解度随着温度的上升而增加，形成的矾花沉淀性能好，絮体结得大，沉淀速度快。处理低温水或低浊水时效果要比铝盐好。我国供应的三氯化铁有无水物、结晶水物和液体。液体、晶体物或受潮的无水物具有强腐蚀性，尤其是对铁的腐蚀性最强。对混凝土也有腐蚀，对塑料管也会因发热而引起变形。因此在调制和加药设备必须考虑用耐腐蚀器材，例如采用不锈钢的泵轴运转几星期就腐蚀，一般采用钛制泵轴有较好的耐腐性能。三氯化铁pH值的适用范围较宽，但处理后的水的色度比用铝盐高。
2．无机高分子类
无机高分子絮凝剂是20世纪60年代在传统的铝盐、铁盐的基础上发展起来的一类新型的水处理剂。药剂加入水中后，在一定时间内吸附在颗粒物表面，以其较高的电荷及较大的分子量发挥电中和及粘结架桥作用。它比原有低分子絮凝剂可成倍地提高效能，且价格相对较低，因而有逐步成为主流药剂的趋势。近年来，研制和应用聚合铝、铁、硅及各种复合型絮凝剂成为热点。
（1）聚合氯化铝
聚合氯化铝（PAC），是目前生产和应用技术成熟、市场销量最大的无机高分子絮凝剂。在实际应用中，聚合氯化铝具有比传统絮凝剂用量省、净化效能高、适应性宽等优点，比传统低分子絮凝剂用量少1/3～1/２，成本低40%以上，因此在国内外已得到迅速的发展。如日本聚合氯化铝产量在20世纪80年代为400kt以上，比60年代末增长了30倍，20世纪90年代产量已达600kt以上，占日本絮凝剂生产总量的80%，并有逐渐取代传统絮凝剂的趋势。
聚合氯化铝也称碱式氯化铝。聚合氯化铝化学式表示为[Al2(OH)n·Cl6-n]m，其中n为可取1到5之间的任何整数，m为≤10的整数。这个化学式实际指m个Al2(OH)n·Cl6-n（称羟基氯化铝）单体的聚合物。
聚合氯化铝中OH与Al的比值对混凝效果有很大关系。一般用碱化度B来表示。
（式4-2）
例如n=4时，碱化度B为：
（式4-3）
一般来说，碱化度越高，其粘结架桥性能越好，但是因接近[Al (OH)3]n而易生成沉淀，稳定性较差。目前聚合氯化铝产品的碱化度一般在50～80%。
聚合氯化铝的外观状态与盐基度、制造方法、原料、杂质成分及含量有关。盐基度<30%时为晶状固体；30～60%为胶状固体；40～60%为淡黄色透明液体；>60%时为无色透明液体，玻璃状或树脂状固体；>70%时的固体状不易潮解，易保存。
除了聚合氯化铝外，聚合硫酸铝在处理天然河水时，剩余浊度的质量分数低于4μg／g，CODCr低于6mg/L，脱色效果明显；在处理含氟废水时，F-含量低于104μg／g。聚合硫酸铝除浊效果显著，并且有较宽的温度和pH值适用范围。
2．聚合硫酸铁
聚合硫酸铁（PFS），它是一种红褐色的粘性液体，是碱式硫酸铁的聚合物。其化学式为[Fe2(OH)n·(SO4)3-n/2]m，其中n<2，m>10的整数。聚合硫酸铁具有絮凝体形成速度快、絮团密实、沉降速度快、对低温高浊度原水处理效果好、适用水体的pH值范围广等特性，同时还能去除水中的有机物、悬浮物、重金属、硫化物及致癌物，无铁离子的水相转移，脱色、脱油、除臭、除菌功能显著，它的腐蚀性远比三氯化铁小。与其他混凝剂相比，有着很强的市场竞争力，其经济效益也十分明显，值得大力推广应用。
3．活化硅酸
活化硅酸（AS），又称活化水玻璃、泡化碱，其分子式为Na2O·xSiO2·yH2O。活化硅酸是粒状高分子物质，属阴离子型絮凝剂，其作用机理是靠分子链上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间的范得华力、氢键作用而引起的吸附架桥作用，而不具有电中和作用。活化硅酸是在20世纪30年代后期作为混凝剂开始在水处理中得到应用的。活化硅酸呈真溶液状态，在通常的pH条件下其组分带有负电荷，对胶体的混凝是通过吸附架桥机理使胶体颗粒粘连， 因此常常称之为絮凝剂或助凝剂。
活化硅酸一般在水处理现场制备，无商品出售。因为活化硅酸在储存时易析出硅胶而失去絮凝功能。实质上活化硅酸是硅酸钠在加酸条件下水解了聚合反应进行到一定程度的中间产物，其电荷、大小、结构等组分特征，主要取决于水解反应起始的硅浓度、反应时间和反应时的pH值。 活化硅酸适用于硫酸亚铁与铝盐混凝剂，可缩短混凝沉淀时间，节省混凝剂用量。在使用时宜先投入活化硅酸。在原水浑浊度低，悬浮物含量少及水温较低（14℃以下）时使用，效果更为显著。在使用时要注意加注点，要有适宜的酸化度和活化时间。
（二）有机类混凝剂
有机类混凝剂，指线型高分子有机聚合物，即我们通常所说的絮凝剂。其种类按来源可分为天然高分子絮凝剂和人工合成的高分子絮凝剂；按反应类型可分为缩合型和聚合型；按官能团的性质和所带电性可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。凡基团离解后带正电荷者称阳离子型，带负电荷者称阴离子型，分子中既含有正电荷基团又含有负电荷基团者称两性型，若分子中不含可离解基团者称非离子型。常用的有机类混凝剂，主要是人工合成的有机高分子混凝剂。
有机混凝剂品种很多，以聚丙烯酰胺为代表。其优点是投加量少，存放设施小，净化效果好。但对其毒性，各国学者看法不一，有待深入研究。聚丙烯酰胺（PAM）是非离子型聚合物的主要品种，另外还有聚氧化乙烯（PEO）。
聚丙烯酰胺，又称三号絮凝剂，是使用最为广泛的人工合成有机高分子絮凝剂。聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成的有机高分子聚合物，无色、无味、无臭、易溶于水，没有腐蚀性。聚丙烯酰胺在常温下稳定，高温、冰冻时易降解，并降低絮凝效果。故在贮存和配制投加时，注意温度控制在2～55℃之间。
聚丙烯酰胺的聚合度可高达20000～90000，相应的分子量高达150万～600万。它的混凝效果在于对胶体表面具有强烈的吸附作用，在胶粒之间形成桥联。聚丙烯酰胺每一链节中均含有一个酰胺基（-CONH2）。由于酰胺基之间的氢键作用，线性分子往往不能充分伸展开来，致使桥联作用削弱。
（三）复合类混凝剂
1．复合型无机高分子混凝剂
复合型无机高分子混凝剂是在普通无机高分子絮凝剂中引入其他活性离子，以提高药剂的电中和能力，诸如聚铝、聚铁、聚活性硅胶及其改性产品。王德英等研制的聚硅酸硫酸铝，其活性较好，聚合度适宜，不易形成凝胶，絮凝效果显著。用于处理低浊度水时，其效果优于PAC和PFS。此外，为了改善低温、低浊度水的净化效果，人们又研制开发出一种聚硅酸铁(PSF)，这种药剂处理低温低浊水，比硫酸铁的絮凝效果有明显的优越性：用量少，投料范围宽，絮团形成时间短且颗粒大而密实，可缩短水样在处理系统中的停留时间，对处理水的pH值基本无影响。东北电力学院的袁斌等以AlCl3和Na2SiO3为原料，采用向聚合硅酸溶液直接加入AlCl3的共聚工艺，制备了聚硅氯化铝絮凝剂(PASC)，PASC比PAC具有更好的除浊、脱色，残留铝含量低。
2．无机-有机高分子混凝剂复合使用
无机高分子混凝剂对含各种复杂成分的水处理适应性强，可有效除去细微悬浮颗粒。但生成的絮体不如有机高分子生成的絮体大。单独使用无机混凝剂投药量大，目前已很少这样使用。
与无机药剂相比，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，生成污泥量也少；而且有机高分子絮凝剂分子可带—COO-、—NH、—SO3、—OH等亲水基团，可具链状、环状等多种结构，有利于污染物进入絮体，脱色性好。许多无机絮凝剂只能除去60～70%的色度，而有些有机絮凝剂可除去90%的色度。
由于某些有机高分子絮凝剂因其水解、降解产物有毒，合成产物价格较高，现多以无机高分子絮凝剂与有机高分子絮凝剂复合使用，或以无机盐的存在与污染物电荷中和，促进有机高分子絮凝剂的作用。
（四）助凝剂的作用与原理
当单独使用某种絮凝剂不能取得良好效果时，还需要投加助凝剂。助凝剂是指与混凝剂一起使用，以促进水的混凝过程的辅助药剂。助凝剂通常是高分子物质。其作用往往得为了改善絮凝体结构，促使细小而松软的絮粒变得粗而密实，调节和改善混凝条件。
水处理常用助凝剂有骨胶、聚丙烯酰胺及其水解产物、活化硅酸、海藻酸钠等。
在水处理过程中还会用到其它的一些种类助凝剂，按助凝剂的功能不同，可以分为调整剂、絮体结构改良剂和氧化剂三种类型。
1．调整剂
在污水pH值不符合工艺要求时，或在投加混凝剂后pH值变化较大时，需要投加pH调整剂。常用的pH调整剂包括石灰、硫酸和氢氧化钠等。
2．絮体结构改良剂
当生成的絮体较小，且松散易碎时，可投加絮体结构改良剂以改善絮体的结构，增加其粒径、密度和强度，例如采用活化硅酸、粘土等。
3．氧化剂
当污水中有机物含量高时易起泡沫，使絮凝体不易沉降。这时可以投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物，从而提高混凝果。
（五）微生物絮凝剂
随着全球性人口老龄化的加剧，人们对使用安全性提出了质疑。有关研究表明，常饮用以铝盐为絮凝剂的水，能引起老年性痴呆症。目前广泛使用的聚丙烯酰胺，已被指出存在安全及环境方面的问题：完全聚合化的聚丙烯酰胺危险性不大，但聚合用的单体-丙烯酰胺对神经有强烈的毒性，是膀胱癌的致剂，且残留性极大。现有混凝剂存在的问题，使研究开发具有高絮凝活性、安全、无毒和不造成二次污染的絮凝剂成为迫切而有意义的课题，因此人们开始把研究目光转向微生物絮凝剂。
微生物絮凝剂是利用现代生物技术，经过微生物的发酵、提取、精制等工艺从微生物或其分泌物中制备具有凝聚性的代谢产物，例如DNA、蛋白质、糖蛋白、多糖、纤维素等。这些物质能使悬浮物微粒连接在一起，并使胶体失稳，形成絮凝物。微生物絮凝剂广泛应用于医药、食品、化学和环保等领域。微生物絮凝剂克服了无机混凝剂和合成有机高分子混凝剂的缺点。不仅不易产生二次污染，降解安全可靠，而且能快速絮凝各种颗粒物质，在废水处理中，与有机合成高分子絮凝剂和无机絮凝剂相比，微生物絮凝剂具有高效、安全、无毒和无二次污染等优点，但目前对其的研究还主要停留在高效微生物絮凝剂的产生菌种的分离、筛选和培养上，所以微生物絮凝剂还未能大规模应用于废水处理上。微生物絮凝剂是当今一种最具希望的絮凝剂，它有着广阔的研究和发展前景。

四、混凝过程
水处理过程中，向水中投加药剂，进行了水与药剂的混合，从而使水中的胶体物质产生凝聚或絮凝，这一综合过程称为混凝过程。
混合过程包括药剂的溶解、配制、计量、投加、混合和反应等几个部分。
（一）混凝剂的配制与投加
混凝剂投加分干法投加和湿法投加两种方式。
干法投加是把药剂直接投放到被处理的水中。干法投加劳动强度大，投配量较难掌握和控制，对搅拌设备要求高。目前国内已很少使用。
湿法投加是目前普遍采用的投加方式。将混凝剂配成一定浓度的溶液，直接定量投加到原水中。用以投加混凝剂溶液的投药系统，包括溶解池、溶液池、计量设备、提升设备和投加设备等。药剂的溶解和投加过程如图4-6所示。

图4-6 药剂的溶解和投加过程
1．混凝剂溶解和溶液配制
溶解池是把块状或粒状的混凝剂溶解成浓溶液，对难溶的药剂或在冬季水温较低时，可用蒸汽或热水加热。一般情况下只要适当搅拌即可溶解。药剂溶解后流入溶液池，配成一定浓度。在溶液池中配制时同样要进行适当搅拌。搅拌时可采用水力、机械或压缩空气等方式。一般药量小时采用水力搅拌，药量大时采用机械搅拌。凡和混凝剂溶液接触的池壁、设备、管道等，应根据药剂的腐蚀性采取相应的防腐措施。
大中型水厂通常建造混凝土溶解池，一般设计两格，交替使用。溶解池通常设在加药间的底层，为地下式。溶解池池顶高出地面0.2m，底坡应大于2%，池底设排渣管，超高为0.2～0.3m。
溶解池容积可按溶液池容积的20～30%计算。根据经验，中型水厂溶解池容积为0.5～0.9m3／(104m3·d)，小型水厂为1 m3／(104m3·d)。
溶液池是配制一定浓度溶液的设施。溶解池内的浓药液送入溶液池后，用自来水稀释到所需浓度以备投加。溶液池容积按式4-4计算：
（式4-4）
式中 W 处理的水量，m3；
Q 处理水量，m3／h；
a 混凝剂最大投加量，mg／L；
b 溶液浓度，一般取5～20%(按商品固体重量计)；
n 每日配制次数，一般不超过3次。
2．混凝剂投加
（1）计量设备
通过计量或定量设备将药液投入到原水中，并能够随时调节。一般中小水厂