混凝沉淀技术全解析
混凝澄清处理
投加化学药剂（混凝剂）使得胶体分散体系脱稳和凝聚的过程称为化学混凝。在混凝过程中，含有微小悬浮微粒和胶体杂质被聚集成较大的固体颗粒，使颗粒性的杂质与水分离的过程，称为混凝澄清处理。
1.混凝澄清处理的机理
（1）胶体的稳定性和ξ电位
胶体在水溶液中能持久地保持其悬浮的分散状态的特性叫做稳定性。水中的胶体物质的自然沉降速度十分缓慢，不易沉降的原因是由于同类胶体带有相同的电荷（天然水和废水中胶体带负电），彼此之间存在着电性斥力，使之不能聚合，保持其原有颗粒的分散状态。
胶体颗粒保持其稳定性的另一个原因是，表面有一层水分子紧紧地包围着，称为水化层，它阻碍了胶体颗粒间的接触，使得胶体颗粒在热运动时不能彼此碰撞而粘合，从而使其颗粒保持悬浮状态。
使胶体失去稳定性的过程就称为脱稳。胶体所带的电荷影响胶体的凝聚。当胶体颗粒和流体之间呈相对运动时，剪切面（滑动面）上的电位，称之为ζ电位，见图1-1。
若ζ电位愈大，则胶体就愈稳定；若ζ电位等于零，胶体不带电荷，这时胶体极不稳定，易于彼此聚合成大块而沉降。
图1-1双电层模型及ζ电位
水中的胶体物质的自然沉降速度十分缓慢，不易沉降的原因是由于同类胶体带有相同的电荷（天然水和废水中胶体带负电），彼此之间存在着电性斥力。另外，胶体表面总是有一层水分子包围着，它妨碍了胶体颗粒之间的接触粘合。溶液主体与双电层滑动界面的电位差称为ξ电位。
（2）胶体的脱稳、凝聚和絮凝
改变胶体颗粒的某些特性，使之失去稳定性称之为胶体的脱稳。在布朗运动的作用下，相互凝聚成细小絮凝物的反应过程称为凝聚。
细小絮凝物在范德华引力的作用下或在絮凝剂的吸附架桥作用下，相互粘合成较大絮状物的过程称为絮凝。
向水中投加混凝剂后，经过混合、凝聚、絮凝等综合作用，可使胶体颗粒和其它微小颗粒聚合成较大的絮状物。细小絮凝物在速度梯度？？的作用下或在絮凝剂的吸附架桥作用下，相互粘合成较大絮状物的过程称为絮凝。
凝聚和絮凝的全过程称为混凝。
a.胶体的脱稳凝聚
向水中投加电解质，可起到压缩双电层使胶体脱稳的作用。其主要机理是向水中加入铝盐或铁盐混凝剂后，水中胶体颗粒的双电层被压缩或电性中和而失去稳定性。
将混凝剂与原水快速均匀混合并产生一系列化学反应而脱稳，这一过程所需时间很短，一般在1min左右。一些阳离子型的高分子聚合物也能对水中胶体起到脱稳凝聚作用，这类高分子聚合物在水中呈长链结构，带有正电荷，它们对水中胶体的脱稳凝聚是由于范德华力吸附和静电引力共同作用的。
b.絮凝和絮凝物（矾花）的形成
水中胶体经脱稳凝聚形成的初始絮凝物的粒径一般在1µm以上，这时布朗运动已不能推动它们碰撞而形成更大的颗粒。为了使初始絮凝物互相碰撞而粘合成大颗粒的絮凝体，需要另外向水中输入能量，产生速度梯度。
有时需向水中加入有机高分子絮凝剂，利用絮凝剂长链分子的吸附架桥作用提高碰撞产生粘合的几率。絮凝效率通常随絮凝物浓度和絮凝时间的增加而提高。
2.常用的混凝药剂简介
为了提高混凝处理的效果，必须选用性能良好的药剂，创造适宜的化学和水力学条件。常用的混凝剂主要分为铝盐和铁盐两类，铝盐中以硫酸铝和聚合铝为主，铁盐中以三氯化铁和聚合硫酸铁居多。
铁盐与铝盐相比，铁盐生成的絮凝物密度大，沉降速度快， pH适应范围宽；混凝效果受温度的影响比铝盐小；但投加铁盐时要注意，设备运行不正常时，带出的铁离子会使出水带色，并可能污染后续水处理除盐设备，如阴离子交换树脂。（常用混凝剂名称及性质见表1-1）。
表1-1 常用混凝剂名称及性质
名称 | 分子式 | 一般性质 |
硫酸铝 | Al2(SO4)3·18H2O | ① 含无水硫酸铝52%～57% ② pH=6～8的原水 ③ 投加量较大时，处理后水中强酸阴离子含量明显增加 ④ 不适用于低温、低浊度的原水 |
碱式氯化铝（PAC） | Aln(OH)mCl3n-m (通式) | ① 是无机高分子化合物 ② 适用原水浊度范围较宽，可用于低温、低浊水的处理，pH适用范围为5～9 ③ 净化效率高，投药量少，出水水质好 ④ 使用时操作方便，腐蚀性小，劳动条件好 ⑤ 有固体产品和液体产品之分 |
硫酸亚铁 | FeSO4·7H2O | ① 适用碱度高、浊度高、pH=8.1～9.6的原水，或与石灰处理配合使用 ② 原水pH值较低时，常采用加氯氧化方法，使二价铁变成三价铁 ③ 原水色度较深或有机物含量较高时，不宜采用 ④ 对加药设备的腐蚀性较强 |
三氯化铁 | FeCl3·6H2O | ① 适用于高浊度、pH=6.0～8.4的原水 ② 易溶解、易混合、残渣少，但对金属腐蚀性大，对混凝土也有腐蚀性。因发热容易使塑料容器和设备变形 ③ 形成矾花大而致密，沉降速度快，适用于低温水 ④ 不宜用于低浊度原水 |
聚合硫酸铁（PFS） | [Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m （通式） | ① 是无机高分子化合物 ② 适用于有机物含量较高的原水或有机废水的处理，pH适用范围4.5～10 ③ 净化效率高，形成的矾花大而致密，沉降速度快 ④ 缺点是投加量较大时处理后水的pH值低于6，如过滤效果不好则水中铁含量有所升高 |
当由于原水水质等方面的问题，单独采用混凝剂不能取得良好的效果时，需要投加一些辅助药剂来提高混凝处理效果，这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂分无机类和有机类。
在无机类的助凝剂中，有的用来调整混凝过程中的pH值，有的用来增加絮凝物的密度和牢固性。
典型的无机助凝剂有氧化钙、水玻璃、膨润土；有机类的助凝剂大都是水溶性的聚合物，分子程呈链状或树枝状，其主要作用有：
①离子性作用，即利用离子性基团进行电性中和，起絮凝作用；
②利用高分子聚合物的链状结构，借助吸附架桥起凝聚作用。典型的有机助凝剂有聚甲基丙烯酸钠、聚丙烯酰胺（PAM）等。
3.混凝澄清处理的主要影响因素
因为混凝处理的目的是除去水中的悬浮物，同时使水中胶体、硅化合物及有机物的含量有所降低，所以通常以出水的浊度来评价混凝处理的效果。
因为混凝澄清处理包括了药剂与水的混合，混凝剂的水解、羟基桥联、吸附、电性中和、架桥、凝聚及絮凝物的沉降分离等一系列过程，因此混凝处理的效果受到许多因素的影响，其中影响较大的有水温、pH值、碱度、混凝剂剂量、接触介质和水的浊度等。
（1）水温
水温对混凝处理效果有明显影响。因高价金属盐类的混凝剂，其水解反应是吸热反应，水温低时，混凝剂水解比较困难，不利于胶体的脱稳，所形成的絮凝物结构疏松，含水量多，颗粒细小。另外水温低时，水的黏度大，水流剪切力大，絮凝物不易长大，沉降速度慢。
在电厂水处理中，为了提高混凝处理效果，常常采用生水加热器对来水进行加热，也可增加投药量来改善混凝处理效果。采用铝盐混凝剂时，水温20～30℃比较适宜。相比之下，铁盐混凝剂受温度的影响较小，针对低温水处理效果较好。
（2）水的pH值和碱度
混凝剂的水解过程是一个不断放出H＋离子的过程，会改变水的pH值和碱度。反过来，原水的pH值和碱度直接影响到混凝剂不同形态的水解中间产物，从而影响絮凝反应的效果。各种混凝剂都有一定的pH适应范围，见表1-1。
尽管水的pH值和碱度对混凝效果影响较大，但在天然水体的混凝处理中，却很少有投加碱性或酸性药剂调节pH值。这主要是因为大多数天然水体都接近于中性，投加酸、碱性物质会给后续处理增加负担。
（3）接触介质
在在进行混凝处理或混凝+石灰沉淀处理时，如果在水中保持一定数量的泥渣层，可明显提高混凝处理的效果。
在这里泥渣起接触介质的作用，即在其表面上起着吸附、催化以及泥渣颗粒作为结晶核心等作用。
进行混凝处理或混凝+石灰沉淀处理时，如果在水中保持一定数量的泥渣层，可明显提高混凝处理的效果。泥渣层就是混凝澄清处理过程中生成的絮凝物，它可提供巨大的表面积，通过吸附、催化及结晶核心？？等作用，提高混凝处理的效果。
（4）水的浊度
原水浊度小于50FTU时，浊度越低越难处理。当原水浊度小于20FTU时，为了保证混凝效果，通常采用加入粘土增浊、泥渣循环、加入絮凝剂助凝等方法；当原水浊度过高（如大于3000FTU），则因为需要频繁排渣而影响澄清池的出力和稳定性。我国所用地表水大多属于中低浊度水，少数高浊度原水经预沉淀后亦属于中等浊度水。
（5）混凝剂剂量
混凝剂剂量是影响混凝效果的重要因素。当加药量不足，尚未起到使胶体脱稳、凝聚的作用，出水浊度较高；当加药量过大，会生成大量难溶的氢氧化物絮状沉淀，通过吸附、网捕等作用，会使出水浊度大大降低，但经济性不好。对于不同的原水水质，需通过烧杯试验确定最佳混凝剂剂量。
4.混凝试验
混凝过程是一个比较复杂的物理化学过程，影响混凝效果的因素很多。对某一具体水质或水处理工艺流程，通常根据混凝剂的特性及具体情况，先决定采用哪一种混凝剂，然后通过模拟试验来确定最优混凝条件。
模拟试验的内容一般只需确定最优加药量和pH值。在电厂补给水预处理中，往往用出水残留浊度和有机物的去除率判断混凝效果。
混凝试验的设备主要采用定时变速搅拌机，搅拌机设4～6组叶片，确定最优加药量的方法如下：
（1）测定原水的浊度、pH值、温度。
（2）在每一个1000mL的烧杯中，分别加入代表性水样1000mL，将搅拌机的叶片放入烧杯中。
（3）在各个烧杯中，同时加入不同的混凝剂量：开动搅拌机，待旋转速度160r/min稳定后，转动加药柄，同时向各烧杯注入混凝剂溶液，搅拌混合1min后，搅拌机转速降至40r/min，持续5 min后停止。
（4）在搅拌过程中，注意观察各个烧杯产生絮凝物（矾花）的时间、大小及密疏程度。
（5）搅拌结束后，轻轻提起搅拌机叶片，使水样静止10min，观察矾花沉降情况。
（6）取沉淀后的上层清液，测定各水样的残留浊度、有机物等项目，计算去除率，通过分析确定最优加药量。
在实际工业设备投运时，还需根据出水水质对最优加药量进行调整，同时确定其他最优混凝条件，如污泥沉降比、水力负荷变化速率、最优设备出力等。
1.混合设备
混合设备的作用是，使药剂迅速、均匀地分散到水流中，并形成的带电粒子并与原水中的胶体颗粒及其它悬浮颗粒充分接触，形成许多微小的絮凝物（又称小矾花）。
为了增加颗粒间的碰撞，通常要求水处于湍流状态，并在2min以内形成絮凝物。为使水流产生湍流可利用水力或机械设备来完成。混合设备的作用是让药剂迅速、均匀地扩散到水流中，使之形成的带电粒子并与原水中的胶体颗粒及其它悬浮颗粒充分接触，形成许多微小的絮凝物（又称小矾花）。
为了增加颗粒间的碰撞，通常要求水处于湍流状态，并在2min以内形成絮凝物。为使水流产生湍流可利用水力或机械设备来完成。采用水力混合设备时，通常使用产生的水头？？？？控制搅拌强度，一般为0.4～1.0m。采用机械设备时，是按输入水流中的功率控制搅拌强度，一般按速度梯度为700～1000s-1（单位）计算确定。
混合设备种类很多，分管道混合，水泵混合，水力混合和机械混合等，其中管道混合，水泵混合常用于直流凝聚。
直流凝聚是在过滤设备之前投加混凝剂，原水和混凝剂经混合设备充分混合后直接进入过滤设备，经过滤层的接触混凝作用就能较彻底地去除悬浮物。直流凝聚处理通常用于低浊水的处理。
（1）管道式混合
管道式混合是将配制好的药液直接加到混凝沉降设备或絮凝池的管道中。因为它具有不需另设混合设备和布置简单等优点，所以应用较多。
为使药剂能与水迅速混合，加药管应伸入水管中部，伸入距离一般为水管直径的1/3～1/4。另外，为了混合均匀，通常规定管道式混合投药点至水管末端出口的距离不小于50倍的水管直径，而且管道内的水速宜维持在1.5～2.0m/s，加药后水在沿途水头损失不应小于0.3～0.4m，否则应在管道上装设节流孔板。
（2）水泵式混合
水泵式混合是一种机械混合，它是将药剂加至水泵吸水管中或吸水喇叭口处，利用水泵叶轮高速旋转产生的局部涡流，使水和药剂快速混合，它不仅混合效果好，而且不需另外的机械设备，也是目前经常采用的一种混合方式。
管道式混合与水泵式混合都常用于靠近沉降澄清设备的场合，如果距离太长，容易在管道内形成絮凝物，导致在管道内沉积而堵塞管路。
（3）涡流式混合
涡流式混合主要原理是将药剂加至水流的漩涡区，利用激烈旋转的水流达到药剂与水的均匀快速混合。
水力式混合
水力式混合形式很多，在早期的水处理中曾采用过水跃（不容易懂）合和跌水混合，它们都是将药剂加至水流的漩涡区，利用激烈旋转的水流达到快速混合。
近些年来，人们研究了各种型式的“静态混合器”，并得到广泛的应用。这种混合装置呈管状，接在进水的管路上。
管内按设计要求装设若干个固定混合单元，每一个单元由2～3块挡板按一定角度交叉组合而成，形式多种多样，图1-2给出了一种单元的示意结构。当水流通过这些混合单元时被多次分割和转向，达到快速混合的目的。它有结构简单、安装方便等优点。
图1-2静态混合器示意图
（4）机械混合
机械混合是利用电动机驱动螺旋器或浆板进行强烈混合，通常在10s～30s以内完成。一般认为螺旋器的效果比浆板好，因为浆板容易使整个水流随浆板一起转动，混和效果较差。
2.泥渣循环型澄清池
（1）机械搅拌澄清池
机械搅拌澄清池是一种泥渣循环型澄清池，池体由第一反应室、第二反应室和分离室三部分组成，见图1-3。
这种澄清池的工作特点是利用机械搅拌叶轮的提升作用来完成泥渣的回流和接触絮凝。
原水由进水管进入环形三角配水槽内混合均匀，然后由槽底配水孔流入第一反应室，在此与分离室回流泥渣混合，混合后的水再经叶轮提升至第二反应室继续反应以形成较大的絮粒，第二反应室设有导流板，以消除因叶轮提升作用所造成的水流旋转，使水流平稳地经导流室流入分离室沉降分离，分离区的上部为清水区，清水向上流入集水槽和出水管。
分离室的下部为悬浮泥渣层，少部分排入泥渣浓缩器，浓缩至一定浓度后排出池外。混凝剂一般加在进水管中，絮凝剂加在第一反应室。
图1-3机械搅拌澄清池示意图
1—进水管；2—环形进水槽； 3—第一反应室； 4—第二反应室； 5—导流室； 6—分离室；
7—集水槽；8—泥渣浓缩室；9—加药管；10—搅拌叶轮； 11—导流板；12—伞形板
（2）水力循环澄清池
水力循环澄清池也是一种泥渣循环型澄清池，其基本原理和结构与机械搅拌澄清池相似，只是泥渣循环的动力不是采用专用的搅拌机，而是靠进水本身的动能，所以它的池内没有转动部件。
由于它结构简单，运行管理方便、成本低，适宜处理水量为50～400m3/h，进水悬浮物含量小于2000mg/L，高度上很适宜与无阀滤池相配套，因此在火电厂水处理中应用较多。
水力循环加速澄清池主要由进水混合室（喷嘴、喉管）、第一反应室、第二反应室、分离室、排泥系统、出水系统等部分组成，见图1-4。原水由池底进入，经喷嘴高速喷入喉管内，此时在喉管下部喇叭口处造成一个负压区，高速水流将数倍于进水量的泥渣吸入混合室。
水、混凝剂和回流的泥渣在混合室和喉管内快速、充分混合与反应。混合后的水的流程与机械加速澄清池相似，即由第一反应室→第二反应室→分离室→集水系统。从分离室沉下来的泥渣大部分回流再循环，少部分泥渣进入泥渣浓缩室浓缩后排出池外。
喷嘴是水力循环澄清池的关键部件，它关系到泥渣回流量的大小。泥渣回流量除与原水浊度、泥渣浓度有关外，还与进水压力、喷嘴内水的流速、喉管的管径等因素有关。运行中可调节喷嘴与喉管下部喇叭口的间距来调整回流量。调节的方法为：①利用池顶的升降机构使喉管和第一反应室一起上升或下降，②在检修期间更换喷嘴。
图1-4水力循环澄清池示意图
1—混合室；2—喷嘴； 3—喉管； 4—第一反应室； 5—第二反应室； 6—分离室；
7—环形集水槽；8—穿孔集水管；9—污泥斗；10—伞形罩； 11—进水管；12—排泥管
（3）澄清池的运行管理
a.运行前的准备工作
检查池内设备的空池运行情况。
进行原水的烧杯试验，取得最佳混凝剂和最佳投药量。
b.启动运行
尽快达到所需泥渣浓度：使进水量为设计出水量的1/2～2/3，适当加大投药量（约正常计量的1～2倍），减小第一反应室的提升水量。
在泥渣形成过程中，逐步提高泥渣回流量。
在形成泥渣过程中，应定期取样测定池内各部位的泥渣沉降比，若第一反应室和池底部泥渣沉降比逐步提高（此句不通！），则表明泥渣层在2～3h后即可形成，可逐步减少加药量。若发现泥渣比较松散、絮凝体较小或原水水温和浊度较低，可适当向池内投加粘土促使泥渣层尽快形成。
当泥渣层形成后，出水浊度应达到设计要求：将加药量减至正常值，然后逐渐加大进水量，每次增加水量不超过额定水量的20％，间隔不得低于1h。
当泥渣面达到规定高度时，应进行排泥，使泥渣层高度稳定。为使泥渣保持最佳活性，一般控制第二反应室泥渣沉降比在5min内控制10％～20％。
c.正常运行
澄清池应保持稳定的加药量和合格的出水质量，应每隔2～4h记录一次进水流量、压力，测定一次进、出水浊度，pH值及各部位泥渣沉降比。
澄清池的负荷应稳定，不宜大幅度波动。
进入澄清池的水应无空气，以避免由于空气的扰动而影响澄清池的出水质量。
当澄清池需要提高（或降低）负荷运行时，每次增加水量不超过额定水量的20％，间隔不得低于0.5h
澄清排泥一般每天排放1～2次，排泥时间不宜过长，以免活性泥渣排出太多，影响澄清池的正常运行。
当澄清池停运8～24h重新启动时，因泥渣处于压实状态，所以应先从底部排出少量泥渣，并控制较大的进水量和加药量，使底部泥渣松动、活化后，然后调整出力至设计值2/3左右运行，待出水水质稳定后，再逐渐降低加药量，加大进水负荷至正常进水量运行。
d.运行中的故障处理
当清水区出现细小絮凝体、出水水质浑浊、第一反应室絮凝体细小、反应室泥渣浓度变小时，都可能是由于加药量不足或原水浊度太低造成的，应随时调整加药量或投加助凝剂。
当分离室泥渣层逐渐上升、出水水质变坏、反应室泥渣浓度增高、泥渣沉降比达到25%以上、或泥渣斗的沉降比超过80%以上时，都可能是由于排泥量不足，应缩短排泥周期，加大排泥量。
清水区出现絮凝体明显上升，甚至出现翻池现象，可能有以下几种原因：日光强烈照晒，造成池水对流；进水量超过设计值或配水不均匀造成偏流；投药中断或排泥不适；进水温度突然上升。应需要根据不同原因进行调整。
3.气浮澄清池
（1）气浮澄清池机理及工艺过程
气浮澄清池的运行原理是以微小气泡作为载体，粘附水中的杂质颗粒，使其视密度小于水，然后颗粒被气泡携带浮升至水面并与水分离去除的方法。
常用的气浮澄清池采用的是部分回流加压溶气气浮法，设备结构紧凑，将接触室和分离室设计为一个整体水流衔接更为合理，设计回流比控制在20～30%之间。其附属设施包括气浮反应罐、压力溶气罐和溶气水泵。
气浮工艺过程是在气浮澄清池反应罐前加入混凝剂，在混凝剂的作用下水中的胶体和悬浮物脱稳形成细小的矾花颗粒；水流进入气浮池接触室后矾花颗粒与溶气水中大量的微细气泡发生吸附，形成密度小于水的絮体并且上浮，在水面形成浮渣层；清水则由气浮澄清池下部汇集进入出水槽。
在出水槽内设置水位调节管，调节气浮澄清池内水位，方便刮渣。气浮澄清池顶安装1台旋转式刮渣机，池底部设有接触室、分离室排污管，如图1-5。
图1-5气浮澄清池示意图
1—接触室；2—分离室； 3—进水管； 4—溶气释放器； 5—集水装置； 6—集水斗；
7—出水装置；8—排渣槽；9—刮泥机；10—电机及减速机； 11—接触室、分离室排污管
（2）气浮澄清池的运行管理
a.设备的正常运行
电气柜送电，混凝反应搅拌机、气浮刮渣机运行正常；
开启溶气水泵、压力溶气罐进水阀、空气罐进气阀，待空气罐压力达到设定压力时，缓开溶气罐进气阀，使气、水同时进入溶气罐。
调节进水阀，控制压力溶气罐内的水位距罐底60～100cm（既不能淹没填料，也不能过低）。
全开溶气罐出水阀，防止出水阀门因截流气泡提前释出，并从接触室观察溶气水的释气情况和效果。
待溶气和释气系统完全正常后，开启气浮混凝反应罐出口阀；
开启混凝剂加药计量泵，调整好加药量；
开启气浮反应罐混凝反应搅拌机进行试运；
通过池面观察气浮池带气絮粒的上浮情况及浮渣的积厚情况，如发现接触室浮渣面不平，局部冒出大气泡或水流不稳定，很可能是由于释放器被堵，应取下释放器排除堵塞；
如发现分离区浮渣面不平，池面常见大气泡破裂，则表明气泡与絮粒粘附不好，应验查压力溶气罐和释放器，并对混凝系统进行调整；应验查（什么？）并对混凝系统进行调整；
待水位稳定后，用进水阀门调节至设计流量为止；
待浮渣积至8-10cm厚时，启动刮渣机进行刮渣。观察刮渣和排渣能否正常进行，出水水质是否受到影响；
运行过程中，定时检查水泵、空压机温升和轴承温度，发现异常，立即停车检查。
b.刮渣步骤
关闭气浮池出口电动阀，将气浮池水位抬高到刮渣水位；
按下刮渣机启动开关，启动刮渣机；
当刮渣机刮板转过两到三圈回到刮渣槽内，停刮渣机。
c.溶气释放器冲洗步骤
在运行过程中，有时会出现释放器被堵的情况，可以采取以下的冲洗措施：
使空气罐压力达到设定值时（高于0.3MPa）；
打开冲洗进气阀门，此时溶气罐进出水阀都应处于开启状态；
15秒钟后关闭反冲进气阀门；
打开放气阀门，放净反冲管路中的高压空气。
