“混凝”新释义及混凝技术

李伟英
（同济大学环境科学与工程学院，上海 22092）

　　摘　要：从混凝的工艺特点入手对混凝概念作出一个新定义。对水处理中混凝工艺的两个阶段——凝聚和絮凝的特点及其影响因素进行论述。通过理论分析，结合实际运行，指出实际生产中混凝阶段应注意的问题和适合的技术指标。
　　关键词：混凝；絮凝；凝聚
　　中图分类号：TU991.22
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455（2001）02-0037-03

A New Construction of Coagulation-Flocculation and Coagulation-Flocculation Technology
LI Wei-ying
(School of Environ.Sci.＆Eng, Tongji Univ., Shanghai 200092, China）

　　Abstract: Based on the process features of coagulation-flocculation, a new definition is given to the concept of coagulation-flocculation, with discussions made on the characteristics of the two stages of coagulation-flocculation process, coagulation stage and flocculation stage, as well as on the influencing factors, Issues to be noted during the coagulation-flocculation process in actual production and suitable technical indexes are pointed out through theoretical analyses and taking into consideration the practical operation.
　　Key words: coagulation-flocculation; coagulation; flocculation

概述

　　经过多年的实践与研究，给水排水处理工艺日臻成熟。在原水和废水中都存在着数量不等的胶体粒子，如粘土、矿物质、二氧化硅或工业生产中产生的碎屑等，它们悬浮在水中造成水体浑浊。混凝工艺是针对水中的这些物质处理的过程。混凝、沉淀。过滤等传统工艺是大部分水处理过程的关键工艺。
　　本文仅就混凝（coagulation－flocculation）工艺综述其凝聚（coogulation）和絮凝（flocculation）两个阶段 特点及其影响混凝效果的主要因素。

1“混凝”的概念及其工艺

　　在一些国外有关文献中，“混凝”与“凝聚”采用同一个词“coagulation”，絮凝采用“flocculation”。显然，对絮凝来说，人们没有异议。但是，就“混凝”与“凝聚”而言，其说法不一。本文参考有关文献[1]及外语工具书，通过对这两者实质的分析，提出混凝采用 coagulation－flocculation一词，凝聚采用。coagulation一词，以示区别，原因如下：
1.1 混凝（coagulation－flocculation）
　　是通过投加某些电解质使水中的细小颗粒相互聚集形成絮状大颗粒的过程。其主要目的是为了改变水中粘土和细菌等悬浮固体的存在性质和状态，以利于后续工序的去除过程^[1]。简言之，混凝是指从加药开始，直至最终形成絮凝体（俗称“矾花”）的过 程。混凝阶段主要是去除水中的悬浮物体和胶体，此过程由凝聚和絮凝两个阶段构成，它决定了水中悬浮杂质颗粒聚结程度、颗粒成长的质量及其降解特性，是水处理工艺中至关重要的环节。水处理中的凝聚和絮凝过程与混凝之关系可用图1表示。

1.2 凝聚(coagulation）^[2]
　　是颗粒脱稳及其聚结的前步，此时胶体颗粒间的斥力由于物理的或化学的某种效应而部分地去掉，其扩散层被压缩，ζ电位降低，从而使得胶体颗粒可能粘结在一起的现象或过程。简言之，凝聚是指加药后胶体失去了聚集稳定性（简称“脱稳”）并通过胶粒本身的布朗运动进行碰撞聚集而形成尺寸较小的“微絮凝体”（microfloc）的过程。
1.3 絮凝（locculation）^[1]
　　顾名思义，是水中投加大量或过量的混凝剂之后，脱稳颗粒直接或间接地相互聚结生成呈“絮状”的大颗粒而进行卷扫、沉淀分离的过程，该过程紧接着凝聚过程进行。简言之，絮凝是指“微絮凝体”（microfloc）再通过机械或水力搅拌进一步聚集成肉眼可见的大“絮凝体”（floc）。在水处理工艺上与之相对应的两个阶段分别为快速混合和絮凝。
　　凝聚与絮凝这两个阶段仅是人们在研究混凝机理时，为了方便解释胶体颗粒脱稳沉降的现象、原因，便于定量定性描述、分析而提出的。这两个名词在概念上可以划分得很清楚，但在实际的水处理操作运行中，在混凝时凝聚与絮凝这两个阶段的间隔是瞬间，几乎是同步发生的。
　　综上所述，待处理水溶液中投加混凝剂之后，为克服胶体微粒的稳定性（微粒布朗运动、胶体颗粒间的静电斥力、胶体颗粒表面的水化作用）而需将药液迅速均匀地分布于整个溶液之中，以便使其极大可能地充分发挥混凝剂本身的“活性”。换句话说，应最大可能地发挥混凝剂的“潜能”，使其最大程度地降低ζ电位，使水中的肢体颗粒迅速处于脱稳状态，此过程即所谓的凝聚过程。随后，由于这些脱稳颗粒的ζ电位被降低，两胶体颗粒相距到一定范围时亦即胶体颗粒扩散层发生重叠时，同时存在产生排斥力（采用排斥势能ER表示）和范德华引力（采用吸引势能见表示）^[3]，详见图1。这两种力与两胶粒表面间距X有关，排斥势能见随着颗粒之间距离X的增大而按指数关系减少，吸引势能EA与颗粒之间距离X的平方成反比，详见图2。若总势能用E=ER+EA表示，则两颗粒能否凝聚，取决于总势能。从图中不难看出，当两胶粒表面间距X＝oa+oc时，ER占优势；只有当X＜oa时，随着胶体颗粒之间的距离减少，吸引势能凡急剧增大，凝聚才会发生，胶粒相互吸引，互相聚结成为大颗粒。此时便完成了絮凝阶段，而混凝过程也就告一段落。
　　相应地，在实际操作时，药液投加的初期即凝聚阶段应快速搅拌，以使药液水解并迅速地分布在溶液中以便充分发挥压缩双电层、电性中和作用。随后，当絮体形成之后，为防止其破碎，搅拌强度越来越缓，便于絮体颗粒稳定并增大，从而顺利完成絮凝阶段。该工艺从水力条件上要求：在水力或机械搅动下，已聚结的颗粒既不沉淀又不破碎；从动力条件方面看，则更直观，即要求反应液运动先快后慢；从能量分布上分析，整个混凝过程为分段紊流过程，其间改变了水流的结构、特性，使得水流在搅拌设备附近产生压力差、形成涡旋，从而使颗粒得以发生多次接触、变化、聚结。

2 混凝效果影响因素

2.1 水温
　　水温对混凝效果具有明显的影响。首先由于金属盐类混凝剂水解过程均为吸热反应，水温低时水解较为困难（如水温≤O℃时，混凝剂基本上不发生水解），不能生成高聚合度物质。其次低温水粘度大，布朗运动强度较弱，从而颗粒彼此之间的碰撞机会变小，不利于脱稳颗粒互相凝聚。第三，由于水的粘度大，水流剪切力大，故而影响絮体成长。虽然经过许多年的研究，低温水至今仍为需进一步研究之课题。
2.2 水的pH与碱度
　　处理水中的pH值的不同对混凝有不同的影响[4]。例如当把混凝剂Al₂（SO₄）₃.18H₂O对投加到水中，当水溶液的pH＜4时，水中主要存在[Al（H₂O）₆]³⁺；pH=4～5时，水中主要存在[Al（OH）（H₂O）₅]²⁺、[Al（OH)₂（H₂O）₄]⁺以及少量的[AI（OH）₃（H₂O）₃]；pH＝7～8时，水中主要为中性的[Al（OH）₃(H₂O）₃]。显然，随着水溶液中的pH值不同，Al（SO₄）₃·18H₂O既可以发挥高电荷低聚合度物质电性中和脱稳作用又可以发挥高聚物吸附架桥作用。同样，对于其他无机混凝剂亦有同样性质。另外，水中的pH值是影响去除色度的主要因素，一般pH=3.5～5.0左右，适合于除色，pH＝6.0～8.0左右，宜于除浊。但对有机混凝剂而言，水溶液的pH与碱度大小对混凝效果影响较小。
2.3 水的浊度
　　待处理水的水质（尤指浊度）不同，其混凝效果显然不同。我国地域辽阔，水源各具特色。例如，我国西北地区的河流（黄河）属高浊度水，因此便需要投加高聚合混凝剂以发挥吸附架桥与沉淀卷扫作用；而南方河流主要含有细小颗粒，色度较重，因此混凝剂应为高电荷物质，以发挥压缩双电层作用。
2.4 混凝剂的性质与投加量
　　按药剂在混凝过程中所起的作用可以分为凝聚剂和絮凝剂两类，分别起脱稳和结成絮体的作用，总称为混凝剂。混凝剂可分为金属盐类混凝剂及高分子混凝剂两大类。使用不同的混凝剂处理同一水源，其处理效果不同。除此之外，还有为了改善混凝过程所投加的药剂一助凝剂。 混凝剂投加量的控制是絮凝的关键，它不仅决定了水中胶体的脱稳作用、影响滤后水质，而且还与产生的絮体数量的多少直接有关。若投量不足，絮体过小，容易过早穿透滤池滤层、缩短过滤周期、影响滤后水水质；若投量过多，一来会发生胶体“再稳”现象，二来可能形成过大的絮体造成滤层表面大量截污，不能充分发挥滤床过滤深度的截污能力，使滤床水头损失增长过快，而缩短过滤周期。
　　对于不同的水处理工艺，混凝剂的投加量也不相同。例如，对常规水处理工艺，混凝剂的投加量直接由烧杯搅拌试验（jar test）来确定；而对非常规水处理工艺，如原水采用接触过滤方式进行处理，其混凝剂的投加量则是烧杯搅拌试验（jar test）确定量的（3/5～2/3）^[5]。

3 设备与操作管理

3.1 混合设备
　　其主要功能就是使药剂能够迅速扩散到所处理的水中。因此要求运行中搅捍强度要大、搅拌时间短（尤对铁盐和铝盐混凝剂而言）。混合设备可以通过水力和机械手段完成，其设计与选型的好坏，不但直接影响凝聚效果而且还直接影响后续絮凝工序。当代凝聚机理研究表明^[6]，混凝剂投加到水中以后会立即生成多种带高正电荷的水解产物，胶体杂质颗粒吸附这些水解产物进一步形成微凝聚体，这一过程约在1秒至几秒钟时间内便告完成。因此要求混合设备在同一较短时间内将混凝剂迅速扩散至整个水体，这一过程常被人们称为“快速混合”。只有这样，才不会错过凝聚反应的最佳条件，不会影响后续絮凝沉淀的效果。此阶段控制速度梯度G＝700～1000s-1，混合时间T＝10～30S，一般不超过2dmin[3]。
3.2 絮凝设备
　　絮凝设备是混凝完成过程的最终设备，该设备搅拌强度相应要小、要温和，搅拌时间需长些。此阶段速度梯度G值应渐次减小。目前，国内的各大中型水处理厂所采用的控制指标 G＝20～70s-1，GT＝1×10⁴～1×10⁵。这样，才能使混合阶段顺利完成颗粒凝聚、缔结成大颗粒，便于后续构筑物功能的高效发挥。
　　因此，水处理厂在实际运行中一定要遵循各个阶段特点进行合理化、科学化管理操作，否则将影响水处理效果乃至水处理经济指标。

4 结语

　　总之，混凝过程是一个综合作用过程，该过程涉及到物理、化学、物理化学、胶体化学、水力学等各方面理论，其中的影响因素有许许多多。针对其特点，人们在这方面的研究（包括理论的、实际的）也越来越多，使得混凝在水处理中发挥其最大效用，为后续各种工艺创造越来越好的条件。

参考文献：

　　[1]许保玖.关于混凝技术术语规范化的建议[J].给水排水，1992.（2）：36－39.
　　[2]许保玖，安鼎年.给水处理理论与设计[M].北京：中国建筑工业出版社出版，1992.
　　[3]严煦世，范瑾初.给水工程[M]]北京：中国建筑工业出版社出版，1999.
　　[4]涂方祥，蒋展鹏，无机混凝剂的形态对混凝的影响[J].中国给水排水，1996，（1）：4－6
　　[5]李伟英.宝山钢铁（集团）公司生活水制水系统技术优化研究一流动电流检测仪（SCD）自动控制加药系统改进研究[D].上海：同济大学，1998.
　　[6]范跃华，刘满.应用管道混合元件改善混凝效果[J].给水排水，1996，（4）：47－49.

　　作者简介： 李伟英（1968－），女，同济大学环境工程学院博士生。