云南絮凝沉淀一体化设备优质生产厂家

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混凝原理及其在一体化净水设备中的应用

     水体中存在胶体态污染物包含黏土、腐殖质、细菌、病毒及其他大分子物质，这些杂质均匀的分散在水体内，对于胶体粒子，其重力沉降速度已经微乎其微，但扩散速度非常快，扩散力成为胶体粒子在水体运动中的主要动力，这些胶体粒子难以沉淀分离，要想将水体净化就必须去除这些胶体粒子，这就要用到混凝，这也是水处理单元重要的技术。

        我们通常把水中的胶体脱稳，以及后续形成可沉淀分离的絮凝体的整个过程称为混凝。混凝应分为凝聚（coagulation）和絮凝（flocculation）两个阶段，可以分别定义如下：

       （1）凝聚是指胶体粒子的化学脱稳，以及当胶体粒子间的作用力（如范德华引力）与外力（如流体搅拌动力）相比不能忽略时的聚集过程，其聚集体可称为微絮体（microflocs）。当微絮体继续成长，与外力相比，胶体粒子间的作用力已可忽略时，就将进入下一阶段。在实际的混凝操作中，混凝剂投加和快速搅拌阶段可认为属于凝聚阶段。

       （2）絮凝是指微絮体已经成长到足够大的粒径，范德华引力的作用已可忽略，且颗粒相互间已不存在排斥势能的条件下，通过流体搅拌等外力促使颗粒相互碰撞结合，成长为大粒径（flocs）的过程。在实际的混凝操作中，慢速搅拌阶段属于絮凝阶段。

        通过向水中投加混凝剂（常用化学药剂为铝盐和铁盐），Fe³⁺和Al³⁺

 在水体中发生水解，与OH^- 结合生成各种水合物，与水体种带有负电荷的胶体产生混凝反应。目前认为混凝剂对水体中的胶体有三种混凝作用：吸附电中和（adsorption and charge neutralization）、高分子架桥（polymer bridging）和网捕混凝（sweep coagulation）。

         混凝是水体净化工艺重要的环节，尤其对于体积较小、处理规模较小的一体化净水设备（Integrated water purification equipment）更加重要，一旦混凝效果不好，将严重影响净水设备的处理效果，主要影响混凝效果的因素有以下几点：

        1、水体内胶体的主要组成成分；

        水体内的胶体主要有无机悬浊质、有机质。

        无机悬浊质是天然水体主要组成部分，主要由矿物和矿物风化后的黏土组成，代表性黏土物质由高岭土（kaolin）和蒙拓土（montmorillonite）。

        有机质有天然有机物（natural organic matters，NOM）和人工合成有机物（syntactic organic carbons，SOC）。天然有机物是指动植物在自然循环过程中经腐烂分解所产生的物质，包括腐殖质、微生物分泌物等，是造成水体色度、异臭味的主要物质，也是目前常规消毒副产物（disinfection by-products，DBP）的前体物质。人工合成有机物多与人类的生产、生活活动有关，其中不乏有毒有害的有机污染物，包括“三致”有机污染物。

        水体内污染物主要组成不同时，需要不同的药剂、投加量、反应环境，例如，水体内的无机质高岭土为主要胶体组成时，投加药剂硫酸铝，pH在7-8时，可对水体浊度去除率达90%左右，而以有机质腐殖酸为主要胶体时，投加药剂硫酸铝，pH在5-6时有去除效果，同时有机质污染高时需要采用强化絮凝，提高有机质去除率，以减少DBP。

       2、水体的pH值

       我们采用的混凝剂常用为铝盐、铁盐，在水体pH值不同时，水解产生的阳离子水合物不同，而不同的阳离子水合物有着不同特性和混凝效果，例在PH5-7时，铝盐水解生产Al₁₃O₄（OH）₂₄⁷⁺等聚合度高、电荷高的阳离子水解物，这时阳离子聚合物对胶体粒子的主要作用已经不是双电层压缩，而是通过静电作用力吸附于胶体粒子表面，以其高正电荷实现胶体电中和。在PH7-8，铝盐浓度较低时，胶体溶液混凝则是吸附电中和与网捕混凝的共同作用。在pH大于9时，AL（OH）₄^-会成为主要的铝盐水解产物，带走正电荷，此时溶液中的胶体粒子难以脱稳，甚至会发生脱稳胶体的再稳定。

       3、水体内其他共存离子

      天然水体中常见的离子包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-等，此外铝硅酸盐的风化和结构受到破坏，在释放出大量阳离子的同时，也释放出硅酸。这些离子本身难以通过混凝去除，但对混凝过程有着不同程度的影响，尤其高价金属阳离子本身就是参与胶粒表面双电层研所的重要离子，向水体中加入Ca²⁺时也可显著提高混凝指数。混凝剂在水解过程中会造成水体H^-增加，需要水中有一定HCO₃ ^- 等阴离子中和，这样水体pH值就不会降低影响絮凝效果。

        4、水力搅拌条件

       在众多影响混凝效果的因素中，水力搅拌条件（搅拌强度和时间）时重要因素之一，适宜的水力搅拌条件对于强化混凝效果，缩短工艺运行时间，降低能耗和处理成本有着重要意义。在混凝工程中，混凝剂的水解效率以及颗粒与颗粒或颗粒与絮凝体之间的有效碰撞和相互渗透是决定混凝效果的两个关键因素，向水体中投加混凝剂后，药剂需要快速混合与扩散，快速搅拌的强度直接决定絮凝体的形成速率，直至絮凝体形成后，快速搅拌必须转为慢速搅拌阶段。如果快速搅拌的时间过长、强度过大，会导致已形成的絮凝体发生破碎。适宜的搅拌强度可以促进颗粒与颗粒或颗粒与絮凝体之间的有效碰撞和相互渗透，提高絮凝体的粒径、强度和密实度。

      5、混凝剂的投加种类、投加量

      混凝剂的投加种类和投加量也关系到水体内的胶体去除效果，以及絮凝体颗粒的形成情况。

      6、水体的温度

      水体的温度也会影响混凝效果，尤其低温低浊情况，低温时混凝剂水解缓慢，水解效果差，药剂联结能力低。水温低时，胶体的布朗运动减弱，溶剂化作用增强，颗粒周边水化膜加厚，粘附强度降低，妨碍颗粒凝聚。   

       一体化净水设备在设计过程中，需要根据影响混凝效果的因素进行工艺结构、反应时间、药剂及助凝剂的投加、辅助混凝反应材料的设计，具体结合项目实施经验和工程案例总结要点如下：

       1、投加药剂后，采用管道混合器进行剧烈搅拌混合；

       2、混凝反应时间，建议20-30min；

       3、工艺结构，一体化净水设备常用的工艺结构为折板絮凝池、网格絮凝池；为提高一体化净水设备利用率以及混凝效果，一般可在原有工艺进行改进设计，例如可采用小孔眼网格絮凝池、微涡旋网格絮凝池、涡流折板反应池等新型池体结构；

       4、药剂及辅助药剂的投加必须选择有计量设施的仪器或者设备，以方便调整药剂投加量；

       5、辅助混凝反应材料包含小孔眼隔板、涡旋隔板、空心球等尽量采用不锈钢、PP、PVC等耐腐蚀、易加工的材料。

       净水设备一般采用标准设计、标准生产，在项目实施前设备已经定型定产，但建议在项目实施前进行混凝沉淀烧杯实验。虽然混凝剂投加已进入自动控制时代，但烧杯实验仍是质量预控的手段，可以通过混凝沉淀烧杯实验确定原水实验状态下絮凝剂种类、助凝剂种类、投加量、反应时间等一系列的参数，对净水设备的调试和运行也具有一定的指导意义。

       净水设备一般采用碳钢或者不锈钢进行加工制作，尤其碳钢加工的设备后期需要防腐维护，因此反应池建议采用敞口式，方便维修和观察混凝情况和絮凝体颗粒形成情况，以便确认混凝效果。部分安装了填料、隔板、穿孔板的反应池都要预留检修孔或者检修通道，方便检修和更换。

       净水设备目前单台日处理量为40-5000方，适合村镇供水安全项目选用，是目前国家农村饮水安全工程或巩固提升工程的净化核心设备，而混凝工艺又是净水设备的核心工艺，希望笔者整理的资料以及结合工程实践总结的经验对一体化净水设备理论体系的建立以及行业标准、规范编辑及更新所有帮助。

参考资料：

[1]王晓昌、金鹏康，水中胶体物的混凝原理和应用；科学出版社，2015；

[2]王淼、艾恒雨，涡旋絮凝低脉动沉淀理论及应用；中国建筑工业出版社，2018；

[3]郄燕秋、张金松，净水厂改扩建设计；中国建筑工业出版社，2017；

[4]洪觉民，现代化净水厂技术手册；中国建筑工业出版社，2017；