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混凝实验及影响混凝效果的五种因素
发布时间：2010-02-09 点击：121
    安徽赛科科技环保有限公司水处理药剂部门在做混凝实验中流程分析目的、原理、方法记录分析和总结出影响混凝效果的五种因素。

    目的：观察混凝现象，加深对混凝机理的理解，了解混凝效果的影响因素；掌握混凝烧杯搅拌实验的方法和一般步骤；通过烧杯实验，学会确定一般水体最佳混凝条件的基本方法，包括投药量，pH和速度梯度。 

    原理：混凝是通过向水中投加药剂使胶体物质脱稳并聚集成较大的颗粒，以使其在后续的沉淀过程中分离或在过滤过程中能被截除。混凝是给水处理中的一个重要工艺过程。天然水中由于含有各种悬浮物、胶体和溶解物等杂质，呈现出浊度、色度、臭和味等水质特征。其中胶体物质是形成水中浊度的主要因素。由于胶体物质本身的布朗运动特性以及所具有的电荷特性(ξ电位)在水中可以长期保持分散悬浮状态，即具有稳定性，很难靠重力自然沉降而去除。通过向水中投加混凝剂可使胶体的稳定状态破坏，脱稳之后的胶体颗粒则可借助一定的水力条件通过碰撞而彼此聚集絮凝，形成足以靠重力沉淀的较大的絮体，从而易于从水中分离，所以，混凝是去除水中浊度的主要方法。 在给水处理工艺中，向原水投加混凝剂，以破坏水中胶体颗粒的稳定状态，使颗粒易于相互接触而吸附的过程称为凝聚。其对应的工艺过程及设备在工程上称为混合(设备)；在一定水力条件下，通过胶粒间以及和其他微粒间的相互碰撞和聚集，从而形成易于从水中分离的物质，称为絮凝。其对应的工艺设备及过程在工程上称为絮凝(设备)。这两个阶段共同构成了水的混凝过程。 

    混凝机理：水的混凝现象及过程比较复杂，混凝的机理随着所采用的混凝剂品种、水质条件、投加 量、胶体颗粒的性质以及介质环境等因素的不同，一般可分为以下几种。 

    1．电性中和：
    电性中和又分为压缩双电层和吸附电中和两种。通过投加电解质压缩扩散层以导致胶粒间相互凝聚的作用机理称为压缩双电层作用机理。这种机理主要以静电原理(现象)为基础 解释游离态离子(简单离子)对胶体产生的脱稳作用。吸附电中和是指当采用铝盐或铁盐作 为混凝剂时，高价金属离子在水中以水解聚合离子状态存在，随溶液pH的不同可以产生各 种不同的水解产物。这些产物由于氢键、共价键或范德华力的作用而对胶体颗粒产生一种特 异的吸附能力。利用这种吸附能力，这些离子可直接进入滑动面内与胶核上的电位离子发生 吸附中和作用，这种吸附不受电性中和的约束，只要有吸附空位就会发生。这种由于异号离子、异号胶粒或高分子带异号电荷部位与胶核表面的直接吸附作用而产生的电性中和，从而降低了静电斥力(ξ电位)使胶体脱稳的机理，称为吸附电中和作用机理。 

    2．吸附架桥作用机理：
    吸附架桥作用机理主要用来解释高分子混凝剂的作用过程。高分子混凝剂多为一种松散的网状长链式结构，分子量高，分子大，具有能与胶粒表面某些部位作用的化学基团，对水中胶粒产生强烈的吸附作用和粘结桥连作用。当向溶液投加高分子物质时，胶体微粒与高分子物质之间产生强烈的吸附作用，这种吸附主要由于各种物化过程，如氢键、共价键，范德华力等以及静电作用(异号集团，异号部位)共同产生，与高分子物质本身结构和胶体表面的化学性质特点有关；某一高分子基团与胶粒表面某一部位产生特殊的反应而互相吸附后，该高分子的其余部位则伸展在溶液中，可以与另一表面有空位的胶粒吸附，这样就形成了一个“胶粒一高分子一胶粒”的絮凝体，高分子起到了对胶粒进行架桥连接的作用。通过高分子链状结构吸附胶体，微粒可以构成一定形式的聚集物，从而破坏胶体系统的稳定性。 

    3．沉淀物的卷扫(网捕)作用：当金属盐作混凝剂时，如果投加量非常大，足以达到沉析金属氢氧化物或金属碳酸盐时，水中的胶体颗粒可被这些沉析物在形成时所卷扫(网捕)，从而随之一起沉淀。此时胶体颗粒的结构并没有大的改变，基本上是一种机械作用，只是成为金属氢氧化物沉淀形成的核心。 

    上述这三种混凝机理在水处理过程中不是各自孤立的现象，而往往是同时存在的，只不过随不同的药剂种类、投加量和水质条件而发挥作用程度不同，以某一种作用机理为主。对于水处理中常用的高分子混凝剂来说，主要以吸附架桥机理为主；而无机的金属盐混凝剂则电性中和和粘结架桥作用同时存在；当投量很多时，还会有卷扫作用。 

    影响混凝效果的因素：由于胶体的混凝过程比较复杂，原水水质又各异，因此混凝效果的好坏受许多因素的影响，主要有水温、水的pH和碱度、原水水质、水力条件及混凝剂种类及投加量等。分述如下。 

    影响混凝效果的因素一、水温的影响： 水温对混凝效果有明显影响。水温低时，即使增加混凝剂的投加量往往也难以取得良好的混凝效果，生产实践中表现为絮体细小、松散，沉淀效果差。温度对混凝效果产生影响的主要原因为水温影响药剂溶解速度：无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温时混凝剂水解困难；水温影响水的黏滞性：低温水的黏度大，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，水的黏度大，水流剪力也增大，影响絮体的成长；水温还对胶体颗粒的水化膜形成有影响：水温低时，胶体颗粒水化作用增强，水化膜增厚，妨碍胶体凝聚，而且水化膜内的水由于黏度和重度增大，影响了颗粒之间粘附强度。 

    影响混凝效果的因素二、pH的影响：对于不同的混凝剂，水的pH的影响程度也不相同。对于聚合形态的混凝剂，如聚合氯化铝和有机高分子混凝剂，其混凝效果受水体pH的影响程度较小。铝盐和铁盐混凝剂投入水中后的水解反应过程，其水解产物直接受到水体pH的影响，会不断产生H＋，从而导致水的pH降低。水的pH直接影响水解聚合反应，亦即影响水解产物的存在形态。因此，要使pH保持在合适的范围内，水中应有足够的碱性物质与H＋中和。天然水中都含有一定的碱度，对pH有一定缓冲作用。当水中碱度不足或混凝剂投量大，pH下降较多时，不仅超出了混凝剂的最佳作用范围，甚至影响混凝剂的继续水解，因此，水中碱度高低对混凝效果影响程度较大，有时甚至超过原水pH的影响程度。所以，为了保证正常混凝所需的碱度，有时就需考虑投加碱剂(石灰)以中和混凝剂水解过程中所产生的H＋。每一种混凝剂对不同的水质条件都有其最佳的pH作用范围，超出这个范围则混凝的效果下降或减弱。 

    影响混凝效果的因素三、原水水质的影响：对于处理以浊度为主的地表水，主要的水质影响因素是水中悬浮物含量和碱度，水中电解质和有机物的含量对混凝也有一定的影响。水中悬浮物含量很低时，颗粒碰撞机率大大减小，混凝效果差，通常采用投加高分子助凝剂或矾花核心类助凝剂等方法来提高混凝效果。如果原水悬浮物含量很高，如我国西北、西南等地区的高浊度水源，为了使悬浮物达到吸附电荷中和脱稳，铝盐或铁盐混凝剂的投加量将需大大增加，为减少混凝剂投量，一般在水中先投加高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺等。 

    影响混凝效果的因素四、水力条件的影响：混合、絮凝阶段的G和GT值不同，是混凝工艺过程中的重要控制参数。甘布(T．R．Camp)和斯泰因(P．c．Stein)通过一个瞬间受剪力而扭转的单位体积水流所消耗的功率来计算G值。根据碰撞能量的来源的不同，可采用式(6．1)和(6—2)来计算G值。 

    机械搅拌： G= p/μ (6．1) 式中P——单位体积流体所耗功率(W／m3)； μ——水的动力黏滞系数，可查表。 

    水力搅拌： G= pgh/Tμ= gh/νT等． (6-2) 式中v——水的运动黏度(m2／s)； h——经混凝设备的水损(m)； T——水流在混凝设备中的停留时间(s)； g——重力加速度(m/s2)。式(6—1)、式(6—2)两个G值计算公式就是著名的甘布公式。 

    从药与水混合到絮体形成是整个混凝工艺的全过程。根据所发生的作用不同，混凝分为混合和絮凝两个阶段，分别在不同的构筑物或设备中完成。 

    在混合阶段，以胶体的异向凝聚为主，要使药剂迅速均匀地分散到水中以利于水解、聚合及脱稳。这个阶段进行得很快，特别是Al3+、Fe3+盐混凝剂，所以必须对水流进行剧烈、快速的搅拌。要求的控制指标为：混合时间10～30 s，≤2 min；搅拌强度以G值表示，控制在：700～1000(s-1)。 

    在絮凝阶段，主要以同向絮凝(以水力或机械搅拌促使颗粒碰撞絮凝)为主。同向絮凝效果与速度梯度G和絮凝时间丁有关。由于此时絮体已经长大，易破碎，所以G值比前一阶段减小，即搅拌强度或水流速度应逐步降低。主要控制指标为：平均值G：20～70s-1，平均GT值=l×104～1×105。 

    影响混凝效果的因素五、混凝剂投加量：投加量过少效果难以保证，而过多又会造成浪费，对某些混凝剂来说投量过大还会影响混凝效果。混凝剂的最佳投加量是指能达到水质目标的最小投加量。最佳投药量具有技术经济意义，最好通过烧杯试验确定。如何根据原水水质、水量变化和既定的出水水质目标，确定最优混凝剂投加量，是水厂生产管理中的重要内容。根据实验室混凝烧杯搅拌试验确定最优投加量，简单易行，是经常采用的方法之一。