污水处理工艺流程第03章 混凝 14页

'第三章混凝各种废水都是以水为分散介质的分散体系。根据分散相粒度不同，废水可分为三类：分散相粒度为0.1～1nm间的称为真溶液；分散相粒度在1～100nm间的称为胶体溶液；分散相粒度大于100nm称为悬浮液。其中粒度在100nm以上的悬浮液可采用沉淀或过滤处理，而粒度在1nm～100μm间的部分悬浮液和胶体溶液可采用混凝处理。混凝就是在废水中预先投加化学药剂来破坏胶体的稳定性,使废水中的胶体和细小悬浮物聚集成具有可分离性的絮凝体，再加以分离除去的过程。第一节胶体的特性与结构一、胶体特性胶体的特性包括光学性质、力学性质、表面性能、动电现象四个方面。1．光学性质胶体的光学性质是指胶体在水溶液中能引起光的反射的性质。2．力学性质胶体的力学性质主要是指胶体的布朗运动，即胶体颗粒所作的一刻不停的不规则运动。这也是胶体颗粒不能自然沉淀的原因之一。它可用水分子的热运动来解释，胶体颗粒总是处于周围水分子的包围中，而水分子由于热运动总在不停地撞击胶体颗粒，其瞬间合力不能完全抵消，就使得胶体颗粒不断改变位置。3．表面性能胶体颗粒微小．故其比表面积大，具有极大的表面自由能,从而使胶体颗粒具有强烈的吸附能力和水化作用。4．动电现象胶体的动电现象包括电泳与电渗，二者都是由于外加电位差的作用而引起的胶体溶液系统内固相与液相间产生的相对移动。电泳现象是指在电场作用下，胶体微粒能向一个电极方向移动的现象。与此同时，也可认为有一部分液体渗透过了胶体微粒间的孔隙而移向相反的电极，这种液体在电场中透过多孔性固体的现象称为电渗。电泳现象说明胶体微粒是带电的。当在外加电场作用下，胶体微粒向阴极运动，说明该类胶体微粒带正电，如氢氧化铁、氢氧化铝等；相反，如向阳极运动，则说明该类胶体微粒带负电，像碱性条件下的氢氧化铝和蛋白质等。粘土胶体一般也带负电。由于胶体微粒的带电性,当它们互相靠近时,就产生排斥力，因此不能聚合。 二、胶体的结构图3-1是胶体结构示意图。在粒子的中心是胶核，它由数百乃至数千个分散相固体物质分子组成。在胶核表面，吸附了一层带同号电荷的离子，称为电位离子层。为维持胶体离子的电中性，在电位离子层外吸附了电量与电位离子层总电量相同而电性相反的离子，这称为反离子层。电位离子层与反离子层就构成了胶体粒子的双电层结构。其中电位离子层构成了双电层的内层，其所带电荷称为胶体粒子的表面电荷，其电性和电荷量决定了双电层总电位的符号和大小。反离子层构成了双电层的外层，按其与胶核的紧密程度，反离子层又分为吸附层和扩散层，前者指紧靠电位离子，并随胶核一起运动，它和电位离子层一起构成了胶体粒子的固定层。而反离子扩散层是指固定层以外的那部分反离子。它由于受电位离子的引力较小，因而不随胶核一起运动，并趋于向溶液主体扩散，直至与溶液中的平均浓度相等。吸附层与扩散层的交界面在胶体化学上称为滑动面。通常将胶核与吸附层合在一起称为胶粒，胶粒再与扩散层组成电中性胶团(即液体粒子)。由于胶粒内反离子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总是带电的，其电量等于表面电荷数与吸附层反离子电荷数之差，其电性与电位离子电性相同。胶核与溶液主体间由于表面电荷的存在所产生的电位称为ψ电位，而胶粒与溶液主体间由于胶粒剩余电荷的存在所产生的电位称为ξ电位。图3-1描述了两种电位随距离的变化情况。ψ电位对于某类胶体而言，是固定不变的，它无法测出，也不具备实用意义，而ξ电位可通过电泳或电渗计算得出，它随着温度、pH值及溶液中反离子浓度等外部条件而变化，在水处理中具有重要的意义。ξ电位可通过下式计算：ξ＝4πμu/DE(3-1)式中μ——液体的粘滞系数，Pa；u——液体的翕动速度，cm/s；D——液体的介电常数；E——两电极间单位距离外加电位差，绝对静电单位/厘米。按以上叙述，胶体粒子的结构式可写为 以氢氧化铁为例，因氢氧化铁是由三氯化铁水解形成，故水中的主要电解质为H+和Cl-。氢氧化铁聚集成胶核，并吸附了溶液中的一些电位离子(H+离子)，为达到电中性，H+离子又吸附了具有相同数目的反离子Cl-，构成了吸附层与扩散层。由此可写出氢氧化铁胶体粒子的结构式：其中，m为胶核中的分子数；n为被吸附的电位离子数；(n-x)为吸附层中反离子数；x为扩散层中的反离子数。第二节胶体的脱稳与凝聚胶体颗粒保持分散的悬浮状态的特性称为胶体的稳定性。胶体能保持稳定主要有两个原因：首先，由于同类的胶体微粒电性相同，它们之间的静电斥力阻止微粒间彼此接近而聚合成较大的颗粒；其次，带电荷的胶粒和反离子都能与周围的水分子发生水化作用，形成一层水化壳，也阻碍各胶粒的聚合。一种胶体的胶粒带电越多，其ξ电位就越大；扩散层中反离子越多，水化作用也越大，水化层也越厚，因此扩散层也越厚，稳定性越强。胶体因ξ电位降低或消除，从而失去稳定性的过程称为脱稳。脱稳的胶粒相互聚集为较大颗粒的过程称为凝聚。未经脱稳的胶体也可形成大的颗粒，这种现象称为絮凝。不同的化学药剂能使胶体以不同的方式脱稳、凝聚或絮凝。按机理，混凝可分为压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕四种。一、压缩双电层机理由胶体粒子的双电层结构可知，反离子的浓度在胶粒表面处最大，并沿着胶粒表面向外的距离呈递减分布,最终与溶液中离子浓度相等，见图3-2。当向溶液中投加电解质，使溶液中离子浓度增高，则扩散层的厚度将从图上的oa减小至ob。该过程的实质是加入的反离子与扩散层原有反离子之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，从而使扩散层厚度减小。由于扩散层厚度的减小，电位相应降低，因此胶粒间的相互排斥力也减少。另一方面，由于扩散层减薄，它们相撞时的距离也减少，因此相互间的吸引力相应变大。从而其排斥力与吸引力的合力由斥力为主变成以引力为主(排斥势能消失了)，胶粒得以迅速凝聚。港湾处泥沙沉积现象可用该机理较好地解释。因淡水进入海水时，海水中盐类浓度较大，使淡水中胶粒的稳定性降低，易于凝聚，所以在港湾处泥沙易沉积。 根据这个机理，当溶液中外加电解质浓度无论多高，也不会有更多超额的反离子进入扩散层，不可能出现胶粒改变符号而使胶粒重新稳定的情况。这与实际情况不符。例如，以三价铝盐或铁盐作混凝剂，当其投量过多时，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定。实际上在水溶液中投加混凝剂使胶粒脱稳现象涉及到胶粒与混凝剂、胶粒与水溶液、混凝剂与水溶液几个方面的相互作用,是一个综合的现象。而压缩双电层机理只是通过单纯静电现象来说明电解质对脱稳的作用，如仅用它来解释水中的混凝现象,会产生一些矛盾。为此，又提出了其他几种机理。二、吸附电中和机理胶粒表面对异号离子、异号胶粒、链状离子或分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用，由于这种吸附作用中和了电位离子所带电荷，减少了静电斥力，降低了ξ电位，使胶体的脱稳和凝聚易于发生。此时静电引力常是这些作用的主要方面。上面提到的三价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可以用本机理解释。因为胶粒吸附了过多的反离子，使原来的电荷变号，排斥力变大，从而发生了再稳现象。三、吸附架桥机理吸附架桥作用主要是指链状高分子聚合物在静电引力、范德华力和氢键力等作用下，通过活性部位与胶粒和细微悬浮物等发生吸附桥联的过程。当三价铝盐或铁盐及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解、缩聚反应形成高分子聚合物，具有线形结构。这类高分子物质可被胶粒所强烈吸附。聚合物在胶粒表面的吸附来源于各种物理化学作用，如范德华引力、静电引力、氢键、配位键等，取决于聚合物同胶粒表面二者化学结构的特点。因其线形长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐变大，形成粗大絮凝体。本机理能解释当废水浊度很低时有些混凝剂效果不好的现象，因为废水中胶粒少，当聚合物伸展部分一端吸附一个胶粒后，另一端因粘连不着第二个胶粒，只能与原先的胶粒粘连，就不能起架桥作用，从而达不到混凝的效果。在废水处理中，对高分子絮凝剂投加量及搅拌时间和强度都应严格控制，如投加量过大时，一开始微粒就被若干高分子链包围，而无空白部位去吸附其他的高分子链，结果造成胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。显然，在吸附桥联过程中，胶粒并不一定要脱稳，也无需直接接触。这个机理可解释非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂得到好的絮凝效果的现象。四、沉淀物网捕机理当采用硫酸铝、石灰或氯化铁等高价金属盐类作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物〔如Al(OH)3，Fe(OH)3)或带金属碳酸盐(如CaCO3 )时,水中的胶粒和细微悬浮物可被这些沉淀物在形成时作为晶核或吸附质所网捕。水中胶粒本身可作为这些沉淀所形成的核心时，凝聚剂最佳投加量与被除去物质的浓度成反比，即胶粒越多，金属凝聚剂投加量越少。以上介绍的混凝的四种机理，在水处理中往往可能是同时或交叉发挥作用的，只是在一定情况下以某种机理为主而已。前面分析了胶体的脱稳与凝聚，但胶体的混凝速度不但取决于胶体的脱稳速度，而且取决于胶粒间的接触碰撞率。造成胶粒相撞的主要原因是布朗运动、水流速度及水流紊动性。由布朗运动引起的碰撞凝聚称异向絮凝；由水流速度差及水流紊动性引起的碰撞凝聚称同向絮凝。由异向絮凝造成的颗粒总浓度随时间的变化率JpK，可用下式表示：＝(3-2)式中N——时间t时悬浮液的颗粒总浓度，粒子数/毫升；η——碰撞效率系数、为有效碰撞次数与总碰撞次数的比值；K——波尔兹曼常数；T——绝对温度；μ——液体粘度。对式(3-2)积分后得(3-3)式(3—3)是根据t=0时，N=N0的边界条件求得的。N0为原始颗粒浓度。令t1/2代表(3μ/4ηKTN0)，则上式可写成(3-4)由此可见，t1/2代表使颗粒浓度减半所需的时间。当水温为25℃，式(3-4)可改写为(3-5)由上式可知，t1/2是起始颗粒浓度N0和碰撞效率η的函数。当起始颗粒浓度很低或脱稳很差时(即η很小)，t1/2就可能很大。例如，含10000个病毒/毫升而不含其他胶粒的废水，即使这些病毒胶粒已经完全脱稳(η=1)，也要200天左右才能通过凝聚使浓度下降一半。所以，要在合理的停留时间内絮凝去除水中病毒，就必须使系统内存在大量的其他胶粒或用大量的沉淀物去网捕。对均匀颗粒组成的胶体悬浮液，它的颗粒总浓度随时间变化率Jok可用下式表示：(3-6) 式中d——胶粒直径；G——速度梯度，有关速度梯度的概念请参阅本章第五节。另外，设Ω为胶体颗粒的体积比，即单位体积悬浮液中胶体颗粒所占的体积，它可用下式计算：(3-7)式中，d0为时间等于0时的颗粒直径。将式(3-7)代入式(3-6)得(3-8)对式(3-8)积分(边界条件为t＝0，N＝N0)，得(3-9)由式(3-8)可看出，同向絮凝的速度与颗粒浓度N、速度梯度G和胶粒的体积比Ω成一次关系。为加深理解，将式(3-2)和式（3-6）相除得：(3-10)由上式可见，胶粒的碰撞是以异向絮凝为主还是以同向絮凝为主，主要取决于胶粒粒径和速度梯度，但粒径的影响要大得多。例如当水温25℃，胶粒直径为1μm时，为使同向絮凝与异向絮凝的效果—样，所需的速度梯度G为10s-1；而当胶粒的直径为0.1μm时．则需要10000s-1的速度梯度。同样道理，直径为10μm的胶粒只需0.01s-1的G值就能使二者效果相当。由此可知，水体的搅拌强度越大，越有利于胶粒的同向凝聚，但只有当胶粒的直径在1μm以上时，这种作用才明显的超过异向絮凝，从而比较有效。一般当粒径大于5μm时，异向絮凝相对于同向絮凝就可忽略。就整个混凝过程而言，微小颗粒一般总是先进行异向絮凝(通常在混合阶段)，待粒径增大后，随即进行同向絮凝(反应阶段)。混合时尽管搅拌强度大，但由于粒径小，同向絮凝速度仍远小于异向絮凝速度。混合时的剧烈搅拌主要是为了使混凝剂与废水达到快速、均匀的混合，同向絮凝在混凝中往往起决定作用。第三节混凝剂与助凝剂凝聚、絮凝和混凝这三个词常引起混淆。本书中，凝聚是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程；絮凝则指胶体由于高分子聚合物的吸附架桥作用聚结成大颗粒絮体的过程；混凝则包括凝聚与絮凝两种过程。 凝聚是瞬时的，只需将化学药剂扩散到全部水中的时间即可。絮凝则与凝聚作用不同，它需要一定的时间让絮体长大，但在一般情况下两者难以截然分开。习惯上将低分子电解质称为凝聚剂，而将高分子药剂称为絮凝剂。本书把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某类辅助药剂以提高混凝效果,这种辅助药剂称为助凝剂。一、混凝剂用于水处理的混凝剂要求混凝效果好，对人类健康无害，价廉易得，使用方便。目前常用的混凝剂按化学组成有无机盐类和有机高分子类。下面介绍主要的几种。(一)无机盐类目前应用最广的是铁系和铝系金属盐,可分为普通铁、铝盐和碱化聚合盐。其他还有碳酸镁、活性硅酸、高岭土、膨润土等。1．三氯化铁三氯化铁有无水物、结晶水物和液体，其中常用的是三氯化铁(FeCl3·6H2O)，它是黑褐色的结晶体，有强烈吸水性，极易溶于水，其溶解度随温度上升而增加，形成的矾花，沉淀性好，处理低温水或低浊水效果比铝盐的好。三氯化铁液体、晶体物或受潮的无水物腐蚀性极大，调制和加药设备必须考虑用耐腐蚀材料。2．硫酸亚铁硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)是半透明绿色晶体，易溶于水，在水温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，因此，不如三价铁盐那样有良好的混凝效果。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，使用硫酸亚铁时应将二价铁先氧化为三价铁，然后再起混凝作用。3.硫酸铝硫酸铝是世界上水和废水处理中使用最多的混凝剂。常用的硫酸铝含18个结晶水，其产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝的Al2O3含量不少于14.5％～16.5％，不溶杂质含量不大于24％～30％，价格较低，但质量不稳定，因含不溶杂质较多，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，水溶液呈酸性。室温时溶解度大致是50％,pH值在2.5以下。沸水中溶解度提高至90％以上。硫酸铝使用便利，混凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响。当水温低时硫酸铝水解困难，形成的絮体较松散。硫酸铝可分干式或湿式投加。湿式投加时一般采用10％～20％的浓度(按商品固体重量计算)。硫酸铝使用时水的有效pH值范围较窄，跟原水硬度有关，对于软水，pH值在5.7～6.6；中等硬度的水为6.6～7.2；硬度较高的水则为7.2～7.8。因此在投加硫酸铝时应考虑上述特性，以免加入过量硫酸铝，会使水的pH值降至其适宜的pH值以下，既浪费厂药剂，又使处理后的水发浑。明矾是硫酸铝和硫酸钾的复盐Al2(SO4)3·K2SO4·24H2O，其中Al2O3含量约10.6％，是天然物，其作用机理与硫酸盐相同。 4．聚合氯化铝聚合氯化铝作为一种高分子混凝剂于60年代在日本首先进入使用阶段。其化学式可写为[Al2(OH)nCl6-n]m式中n可取1到5中间的任何整数，m为10的整数。这个化学式实际指m个Al2(OH)nCl6-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,一般可用碱化度B表示：,例如n=4时，碱化度。一般要求B为40%～60%聚合氯化铝与其他混凝剂相比，具有下列优点：(l)应用范围广。对各种废水都可以达到好的混凝效果。(2)易快速形成大的矾花，沉淀性能好，投药量一般比硫酸铝低，过量投加时也不会像硫酸铝那样造成水浑浊。(3)适宜的PH值范围较宽(在5～9间)，且处理后水的pH值和碱度下降较小。(4)水温低时，仍可保持稳定的混凝效果。(5)其碱化度比其他铝盐、铁盐为高，因此药液对设备的侵蚀作用小。继聚合氯化铝之后，日本还研制了聚合硫酸铝及聚合氯化铝与聚合硫酸铝的混合物，正在推广使用中。5．活化硅酸活化硅酸是在30年代后期作为混凝剂开始在水处理中得到应用的。由于呈真溶液状态的活化硅酸在通常pH条件下组分带有负电荷，对液体的混凝是通过吸附架桥使粒子粘连而完成的，因而常被称为絮凝剂或助凝剂。活化硅酸一般无商品出售，需在水处理现场制备，其原因是活化硅酸在储存时易析出硅胶而失去絮凝功能。活化硅酸实质上是硅酸钠在加酸条件下水解聚合反应进行到一定程度的中间产物，其组分特征，如电荷、大小、结构，取决于水解反应起始的硅浓度、反应时间(从酸化到稀释)和反应时的PH值。6.聚合硫酸铁聚合硫酸铁的化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m。它与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。适宜水温10～5O℃，pH5.0—8.5，但在pH4.0～11范围内仍可使用。与普通铁铝盐相比，它具有投加剂量少，絮体生成快,对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少等一系列优点，因而在废水处理中的应用越来越广泛。(二)有机高分子类混凝剂高分子混凝剂分为天然和人工两种，其中天然高分子混凝剂的应用远不如人工的广泛,主要原因是电荷密度小，分子量较低，且容易发生降解而失去活性。高分子混凝剂一般为链状结构，各单体间以共价键结合。单体的总数称为聚合度，高分子混凝剂的聚合度约从1O00～5000，甚至更高。高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线型高分子。根据高分子聚合物所带基团能否离解及离解后所带离子的电性，有机高分子混凝剂可分为阴离子型、阳离子型和非离子型。阴离子型主要是含有—COOM或-SO3H的聚合物，阳离子型主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4 的聚合物，非离子型是所含基团不发生离解的聚合物。高分子混凝剂中，以聚丙烯酰胺应用最为普遍，其产量占高分子混凝剂总产量的80%。按性状，聚丙烯酰胺产品有胶状、片状和粉状，其聚合度可多达2×10-4～9×10-4,相应的分子量高达1．5×10-6～6×10-6。聚丙烯酰胺常作为助凝剂与其他混凝剂一起使用，可产生较好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序与废水水质有关。当废水浊度低时，宜先投加其他混凝剂，再投加聚丙烯酰胺,使胶体颗粒先脱稳到一定程度为聚丙烯酰胺的絮凝作用创造有利条件；当废水浊度高时，应先投加聚丙烯酰胺，再投加其他混凝剂,以让聚丙烯酰胺先在高浊度水中充分发挥作用，吸附部分胶粒，使浊度下降，其余胶粒由其他混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可降低其他混凝剂的用量。高分子混凝剂的作用机理主要是两个方面：①由于氢键结合、静电结合、范德华力等作用对胶粒的吸附结合。②线型高分子在溶液中的吸附架桥作用。在一般情况下，不论混凝剂为何种离子型，对不同电性的胶体和细微悬浮物都是有效的。但如为离子型且电性与胶粒电性相反，就能起降低ξ电位和吸附架桥双重作用，可明显提高聚凝效果。而且，离子型高分子混凝剂由于带同号电荷，产生的静电斥力会使线型分子延伸开来，增大捕捉范围，活性基团也得到充分暴露，有利于更好地发挥架桥作用。因此，离子型高分子混凝剂是今后的发展重点。二、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。助凝剂本身可以起混凝作用，也可不起混凝作用。按其功能，助凝剂可分为三种。①pH调整剂在废水pH值不符合工艺要求或在投加混凝剂后PH值有较大变化时,需投加pH调整剂。常用的pH调整剂包括石灰、硫酸、氢氧化钠等。②絮体结构改良剂当生成絮体小、松散且易碎时，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。如活性硅酸、粘土等。③氧化剂当废水中有机物含量高时，易起泡沫，使絮凝体不易沉降，此时可投加氯气、次氯酸钠、臭氧等氧化剂来破坏有机物，以提高混凝效果。第四节影响混凝的因素一、废水水质的影响废水中浊度、PH值、水温及共存杂质等都会影响混凝效果。1．浊度浊度过高或过低都不利于混凝，浊度不同，所需的混凝剂用量也不同。2．pH值 在混凝过程中，都有一个相对最佳PH值存在，使混凝反应速度最快，絮体溶解度最小。此pH值可通过试验确定。以铁盐和铝盐混凝剂为例，pH不同，生成水解产物不同，混凝效果亦不同。且由于水解过程中不断产生H+，因此，常常需要添加碱来使中和反应充分进行。3．水温水温会影响无机盐类的水解，水温低，水解反应慢。另外水温低，水的粘度增大，布朗运动减弱，混凝效果下降。这也是冬天混凝剂用量比夏天多的缘故。但温度也不是越高越好，当温度超过9O℃时，易使高分子絮凝剂老化或分解生成不溶性物质，反而降低混凝效果。4．共存杂质有些杂质的存在能促进混凝过程，比如除硫、磷化合物以外的其他各种无机金属盐，均能压缩胶体粒子的扩散层厚度，促进胶体凝聚，且浓度越高，促进能力越强，并可使混凝范围扩大。而有些物质刚则不利于混凝的进行。如磷酸离子、亚硫酸离子、高级有机酸离子会阻碍高分子絮凝作用。另外，氯、螯合物、水溶性高分子物质和表面活性物质都不利于混凝。二、混凝剂的影响混凝剂种类、投加量和投加顺序都对混凝效果产生影响。1．混凝剂种类混凝剂的选择主要取决于胶体和细微悬浮物的性质、浓度。如水中污染物主要呈胶体状态，且ξ电位较高，则应先投加无机混凝剂使其脱稳凝聚，如絮体细小，还需投加高分子混凝剂或配合使用活性硅酸等助凝剂。很多情况下，将无机混凝剂与高分子混凝剂并用，可明显提高混凝效果，扩大应用范围。对于高分子混凝剂而言，链状分子上所带电荷量越大，电荷密度超高，链状分子越能充分延伸，吸附架桥的空间范围也就越大，絮凝作用就越好。2．混凝剂投加量投加量除与水中微粒种类、性质、浓度有关外，还与混凝剂品种、投加方式及介质条件有关。对任何废水的混凝处理，都存在最佳混凝剂和最佳投药量的问题，应通过试验确定。一般的投加量范围是：普通铁盐、铝盐为10～30mg／L；聚合盐为普通盐的1/3～1/2；有机高分子混凝剂通常只需1～5mg/L，且投加量过量，很容易造成胶体的再稳。3．混凝剂投加顺序当使用多种混凝剂时，其最佳投加顺序可通过试验来确定。一般而言，当无机混凝剂与有机混凝剂并用时，先投加无机混凝剂，再投加有机混凝剂。但当处理胶粒粒径在50μm以上时,常先投加有机混凝剂吸附架桥，再加无机混凝剂压缩扩散层而使胶体脱稳。三、水力条件的影响水力条件对混凝效果有重要影响。两个主要的控制指标是搅拌强度和搅拌时间。搅拌强度常用速度梯度G来表示。在混合阶段，要求混凝剂与废水迅速均匀的混合，为此要求G在500～1000s-1，搅拌时间t应在10～30s。而到了反应阶段，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，而反应时间要长，相应G和t值分别应在20～70s-1 和15～30min。为确定最佳的工艺条件，一般情况下，可以用烧杯搅拌法进行混凝的模拟试验。试验方法分为单因素试验和多因素试验。一般应在单因素试验的基础上采用正交设计等数理统计法进行多因素重复试验。第五节混凝设备整个混凝工艺过程包括混凝剂的配制与投加、混合、反应、澄清几个步骤，下面分别叙述各步骤的设备。一、混凝剂的配制与投加混凝剂的投配分干法和湿法。干法即把药剂直接投放到被处理的水中。其优点是占地少，缺点是对药剂的粒度要求较高，投配量较难控制，对机械设备要求较高，同时劳动条件也差。用得较多的是湿法，即先把药剂配制成一定浓度的溶液，再投入被处理水中，整个投加过程见图3-3。溶药池是把固体药剂溶解成浓溶液。其搅拌可采用水力、机械或压缩空气等方式，视用药量大小和药剂的性质而定，一般药量小时用水力搅拌，药量大时用机械搅拌。溶药池体积一般为溶液池的0.2～0.3倍。溶液池应采用两个交替使用。其体积可按下式计算；W＝(24×100aQ)/(1000×1000×bn)=aQ/417bn(m3)(3-12)式中a——混凝剂最大用量，mg／L；Q——处理的水量，m3／h；b——溶液浓度，以药剂固体重量百分数计算；n——每昼夜配制溶液的次数，一般为2—6次。 药液的投配要求是计量准确，调节灵活，设备简单。目前较常用的主要有计量泵、水射器、虹吸定量投药设备和孔口计量设备。其中计量泵最简单可靠，生产型号也较多。水射器(见图3-4)主要用于向压力管内投加药液，使用方便。虹吸定量投药设备(见图3-5)是利用空气管末端与虹吸管出口间的水位差不变，因而投药量恒定而设计的投配设备。而孔口计量设备主要用于重力投加系统(见图3-6)，溶液液位由浮子保持恒定，溶液由孔口经软管流出，只要孔上的水头不变，投药量就恒定，可通过调节孔口大小来调节加药量。三、混合设备当药剂投入废水后在水中发生水解反应并产生异电荷胶体，与水中胶体和悬浮物接触，形成细小的矾花，这一过程就是混合，大约在10-30s内完成，一般不应超过2min。对混合的要求是快速而均匀。快速是因混凝剂在废水中发生水解反应的速度很快，需要尽量造成急速扰动以生成大量细小胶体，并不要求生成大颗粒；均匀是为了使化学反应能在废水中各部分得到均衡发展。混合的动力来源有水力和机械搅拌两类，因此混合设备也分为两类，采用机械搅拌的有机械搅拌混合槽、水泵混合槽等；利用水力混合的有管道式、穿孔板式、涡流式混合糟等。机械搅拌混合槽通过搅拌桨的快速搅拌完成混合，其结构见图3-7。各部分比例尺寸见表3-l。三、反应设备混合完成后，水中已经产生细小絮体，但还未达到自然沉降的粒度，反应设备的任务就是使小絮体逐渐絮凝成大絮体而便于沉淀。反应设备应有一定的停留时间和适当的搅拌强度，以让小絮体能相互碰撞，并防止生成的大絮体沉淀。但搅拌强度太大，则会使生成的絮体破碎，且絮体越大，越易破碎，因此在反应设备中，沿着水流方向搅拌强度应越来越小。搅拌强度用速度梯度G来表示。速度梯度是指由于搅拌在垂直水流方向上引起的速度差dμ与垂直水流距离dy间的比值，即G＝dμ／dy。速度梯度实质上反映了颗粒的碰撞机会。速度差越大，颗粒间越易发生碰撞，间距越小，颗粒间也越易发生碰撞。速度梯度与搅拌时间的乘积Gt值可间接表示整个反应时间内颗粒碰撞的总次数，可用来控制反应效果，一般Gt值应控制在104--105之间。近年来，有人提出应以GtC(C为胶体浓度)值作为反应设备的控制参数，并建议GtC值控制在100左右较好。理由是反应效果与水中颗粒浓度有关，例如当低浓度时反应设备的效率就会降低，但如果人工投加粘土，效果就能提高。混凝反应设备有机械搅拌和水力搅拌两类。机械搅拌反应池结构见图3-8。反应池用隔板分为2-4格，每格装一搅拌叶轮，叶轮有水平和垂直两种。水力停留时间一般采用15-30min，叶轮半径中点线速度由进水格的0.5-0.6m/s依次减到出水格的0.1-0.2m／s。 水力搅拌反应池在我国应用广泛，类型也较多，主要有隔板反应池、旋流反应池、涡流式反应池等。其中在废水处理中用的较多的是隔板反应池。当用水力搅拌时，速度梯度计算公式中的P可按水头损失计算：P＝γQh/V(3-13)式中Q——废水流量，m3／s；γ——水的密度，kg/m3;h——水头损失,m，可通过水力学知识求得；v----池容积，m3。将式(3-13)代人式(3-12)得速度梯度G的计算式(3-l4)设计完毕后应校核Gt值，如不符合要求，则应重新设计。四、澄清池澄清池是能够同时实现混凝剂与原水的混合、反应和絮体沉降三种功能的设备。它利用的是接触凝聚原理，即为了强化混凝过程，在池中让已经生成的絮凝体悬浮在水中成为悬浮泥渣层(接触凝聚区)，当投加混凝剂的水通过它时，废水中新生成的微絮粒被迅速吸附在悬浮泥渣上，从而能够达到良好的去除效果。所以澄清池的关键部分是接触凝聚区。保持泥渣处于悬浮、浓度均匀稳定的工作条件已成为所有澄清池共同特点。澄清池能在一个池内完成混合、反应、沉淀分离等过程，因此它占地面积少，同时它还具有处理效果好、生产效率高、药剂用量节约等优点。它的缺点是设备结构复杂，管理比较复杂，出水水质不够稳定，尤其是当进水水质水量或水温波动时，对处理效果有影响。根据泥渣与废水接触方式的不同，澄清池可分为两大类：一类是悬浮泥渣型，它的泥渣悬浮状态通过上升水流的能量在池内形成的，当水流从下往上通过泥渣层时，截留水中夹带的小絮体，主要形式有悬浮澄清池、脉冲澄清池等；另一类是泥渣循环型，即让泥渣在竖直方向上不断循环，通过该循环运动捕集水中的微小絮粒,并在分离区加以分离，主要形式有机械加速澄清池和水力循环加速澄清池。在废水处理中，应用最广泛的机械加速澄清池。 机械加速澄清池，多为圆形钢筋混凝土结构，小型的池子有时也采用钢板结构，主要组成部分有混合室、反应室、导流室和分离室，混合室周围被伞形罩包围，在混合室上部设有涡轮搅拌浆，由变速电机带动涡轮转动，如图3-9。-工作过程为：废水从进水管进入环形配水三角槽,混凝剂通过投药管加在配水三角槽中，再一起流入混合室。在此进行水与药剂和回流污泥的混合。由于涡轮的提升作用，混合后的泥不被提升到反应室，继续进行混凝反应,并溢流到导流室。导流室中有导流板，其作用在于消除反应室过来的环形运动，使废水平稳地沿伞形罩进入分离室，分离室中设有排气管，作用是将废水中带入的空气排出，减少对泥水分离的干扰。分离室面积较大，由于过水面积的突然增大，流速下降，泥渣便靠重力自然下沉，清液由集水槽和出水管流出池外。泥渣少部分进入泥渣浓缩室，定期由排泥管排出，大部分则在涡轮提升作用下通过回流缝回流到混合室。泥渣浓缩室可设一个或几个，根据水质和水量而定。为改善分离室的泥水分离条件，可在分离室内增设斜板或斜管来提高分离效果。另外，池底还有排泥放空管，以排除池底积聚的泥渣和作池子放空时用。澄清池处理效果除与池体各部分尺寸是否合理有关外，主要取决于以下两点。1．搅拌速度为使泥渣和水中小絮体充分混合．并防止搅拌不均引起部分泥渣沉积，要求加快搅拌速度。但速度若太快，会打碎已形成絮体，影响处理效果。搅拌速度根据污泥浓度决定，污泥浓度低，搅拌速度小，污泥浓度高，就要增大搅拌速度。2．泥渣回流量及浓度一般回流量大反应效果好，但因流量太大，会导致流速过大,从而影响分离室的稳定，一般控制回流量为水量的3-5倍。泥渣浓度越高越容易截留废水中悬浮颗粒，但泥渣浓度越高，澄清水分离越困难，以至于会使部分泥渣被带出，影响出水水质。因此,在不影响分离室工作的前提下，尽量提高泥渣浓度。泥渣浓度可通过排泥来控制。'