各種廢水都是以水為分散介質(zhì)的分散體系根據(jù)分散相粒度

1、第三章 混 凝 各種廢水都是以水為分散介質(zhì)的分散體系。根據(jù)分散相粒度不同，廢水可分為三類：分散相粒度為0.11nm間的稱為真溶液；分散相粒度在1100nm間的稱為膠體溶液；分散相粒度大于100nm稱為懸浮液。其中粒度在100nm以上的懸浮液可采用沉淀或過濾處理，而粒度在1nm100m間的部分懸浮液和膠體溶液可采用混凝處理。 混凝就是在廢水中預(yù)先投加化學(xué)藥劑來破壞膠體的穩(wěn)定性,使廢水中的膠體和細(xì)小懸浮物聚集成具有可分離性的絮凝體，再加以分離除去的過程。第一節(jié) 膠體的特性與結(jié)構(gòu) 一、膠體特性 膠體的特性包括光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、表面性能、動(dòng)電現(xiàn)象四個(gè)方面。 1光學(xué)性質(zhì) 膠體的光學(xué)性質(zhì)是指膠體在水溶液

2、中能引起光的反射的性質(zhì)。 2力學(xué)性質(zhì) 膠體的力學(xué)性質(zhì)主要是指膠體的布朗運(yùn)動(dòng)，即膠體顆粒所作的一刻不停的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這也是膠體顆粒不能自然沉淀的原因之一。它可用水分子的熱運(yùn)動(dòng)來解釋，膠體顆粒總是處于周圍水分子的包圍中，而水分子由于熱運(yùn)動(dòng)總在不停地撞擊膠體顆粒，其瞬間合力不能完全抵消，就使得膠體顆粒不斷改變位置。 3表面性能 膠體顆粒微小故其比表面積大，具有極大的表面自由能,從而使膠體顆粒具有強(qiáng)烈的吸附能力和水化作用。 4動(dòng)電現(xiàn)象 膠體的動(dòng)電現(xiàn)象包括電泳與電滲，二者都是由于外加電位差的作用而引起的膠體溶液系統(tǒng)內(nèi)固相與液相間產(chǎn)生的相對移動(dòng)。電泳現(xiàn)象是指在電場作用下，膠體微粒能向一個(gè)電極方向移動(dòng)的現(xiàn)象

3、。與此同時(shí)，也可認(rèn)為有一部分液體滲透過了膠體微粒間的孔隙而移向相反的電極，這種液體在電場中透過多孔性固體的現(xiàn)象稱為電滲。 電泳現(xiàn)象說明膠體微粒是帶電的。當(dāng)在外加電場作用下，膠體微粒向陰極運(yùn)動(dòng)，說明該類膠體微粒帶正電，如氫氧化鐵、氫氧化鋁等；相反，如向陽極運(yùn)動(dòng)，則說明該類膠體微粒帶負(fù)電，像堿性條件下的氫氧化鋁和蛋白質(zhì)等。粘土膠體一般也帶負(fù)電。由于膠體微粒的帶電性,當(dāng)它們互相靠近時(shí),就產(chǎn)生排斥力，因此不能聚合。 二、膠體的結(jié)構(gòu) 圖3-1是膠體結(jié)構(gòu)示意圖。在粒子的中心是膠核，它由數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)分散相固體物質(zhì)分子組成。在膠核表面，吸附了一層帶同號電荷的離子，稱為電位離子層。為維持膠體離子的電中性，在電

4、位離子層外吸附了電量與電位離子層總電量相同而電性相反的離子，這稱為反離子層。 電位離子層與反離子層就構(gòu)成了膠體粒子的雙電層結(jié)構(gòu)。其中電位離子層構(gòu)成了雙電層的內(nèi)層，其所帶電荷稱為膠體粒子的表面電荷，其電性和電荷量決定了雙電層總電位的符號和大小。反離子層構(gòu)成了雙電層的外層，按其與膠核的緊密程度，反離子層又分為吸附層和擴(kuò)散層，前者指緊靠電位離子，并隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，它和電位離子層一起構(gòu)成了膠體粒子的固定層。而反離子擴(kuò)散層是指固定層以外的那部分反離子。它由于受電位離子的引力較小，因而不隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，并趨于向溶液主體擴(kuò)散，直至與溶液中的平均濃度相等。吸附層與擴(kuò)散層的交界面在膠體化學(xué)上稱為滑動(dòng)面。通常將膠

5、核與吸附層合在一起稱為膠粒，膠粒再與擴(kuò)散層組成電中性膠團(tuán)(即液體粒子)。由于膠粒內(nèi)反離子電荷數(shù)少于表面電荷數(shù)，故膠?？偸菐щ姷模潆娏康扔诒砻骐姾蓴?shù)與吸附層反離子電荷數(shù)之差，其電性與電位離子電性相同。 膠核與溶液主體間由于表面電荷的存在所產(chǎn)生的電位稱為電位，而膠粒與溶液主體間由于膠粒剩余電荷的存在所產(chǎn)生的電位稱為電位。圖3-1描述了兩種電位隨距離的變化情況。電位對于某類膠體而言，是固定不變的，它無法測出，也不具備實(shí)用意義，而電位可通過電泳或電滲計(jì)算得出，它隨著溫度、 pH值及溶液中反離子濃度等外部條件而變化，在水處理中具有重要的意義。 電位可通過下式計(jì)算： 4u/DE (3-1)式中液體的粘滯

6、系數(shù)， Pa； u液體的翕動(dòng)速度， cm/s； D液體的介電常數(shù)； E兩電極間單位距離外加電位差，絕對靜電單位/厘米。按以上敘述，膠體粒子的結(jié)構(gòu)式可寫為 以氫氧化鐵為例，因氫氧化鐵是由三氯化鐵水解形成，故水中的主要電解質(zhì)為 H+和 Cl-。氫氧化鐵聚集成膠核，并吸附了溶液中的一些電位離子(H+離子)，為達(dá)到電中性， H+離子又吸附了具有相同數(shù)目的反離子Cl-，構(gòu)成了吸附層與擴(kuò)散層。由此可寫出氫氧化鐵膠體粒子的結(jié)構(gòu)式： 其中，m為膠核中的分子數(shù)；n為被吸附的電位離子數(shù)；(n-x)為吸附層中反離子數(shù)；x為擴(kuò)散層中的反離子數(shù)。第二節(jié) 膠體的脫穩(wěn)與凝聚 膠體顆粒保持分散的懸浮狀態(tài)的特性稱為膠體的穩(wěn)定性

7、。 膠體能保持穩(wěn)定主要有兩個(gè)原因：首先，由于同類的膠體微粒電性相同，它們之間的靜電斥力阻止微粒間彼此接近而聚合成較大的顆粒；其次，帶電荷的膠粒和反離子都能與周圍的水分子發(fā)生水化作用，形成一層水化殼，也阻礙各膠粒的聚合。一種膠體的膠粒帶電越多，其電位就越大；擴(kuò)散層中反離子越多，水化作用也越大，水化層也越厚，因此擴(kuò)散層也越厚，穩(wěn)定性越強(qiáng)。膠體因電位降低或消除，從而失去穩(wěn)定性的過程稱為脫穩(wěn)。脫穩(wěn)的膠粒相互聚集為較大顆粒的過程稱為凝聚。未經(jīng)脫穩(wěn)的膠體也可形成大的顆粒，這種現(xiàn)象稱為絮凝。不同的化學(xué)藥劑能使膠體以不同的方式脫穩(wěn)、凝聚或絮凝。按機(jī)理，混凝可分為壓縮雙電層、吸附電中和、吸附架橋、沉淀物網(wǎng)捕四種

8、。 一、壓縮雙電層機(jī)理 由膠體粒子的雙電層結(jié)構(gòu)可知，反離子的濃度在膠粒表面處最大，并沿著膠粒表面向外的距離呈遞減分布,最終與溶液中離子濃度相等，見圖3-2。當(dāng)向溶液中投加電解質(zhì)，使溶液中離子濃度增高，則擴(kuò)散層的厚度將從圖上的oa減小至ob。該過程的實(shí)質(zhì)是加入的反離子與擴(kuò)散層原有反離子之間的靜電斥力把原有部分反離子擠壓到吸附層中，從而使擴(kuò)散層厚度減小。 由于擴(kuò)散層厚度的減小，電位相應(yīng)降低，因此膠粒間的相互排斥力也減少。另一方面，由于擴(kuò)散層減薄，它們相撞時(shí)的距離也減少，因此相互間的吸引力相應(yīng)變大。從而其排斥力與吸引力的合力由斥力為主變成以引力為主(排斥勢能消失了)，膠粒得以迅速凝聚。 港灣處泥沙沉

9、積現(xiàn)象可用該機(jī)理較好地解釋。因淡水進(jìn)入海水時(shí)，海水中鹽類濃度較大，使淡水中膠粒的穩(wěn)定性降低，易于凝聚，所以在港灣處泥沙易沉積。 根據(jù)這個(gè)機(jī)理，當(dāng)溶液中外加電解質(zhì)濃度無論多高，也不會有更多超額的反離子進(jìn)入擴(kuò)散層，不可能出現(xiàn)膠粒改變符號而使膠粒重新穩(wěn)定的情況。這與實(shí)際情況不符。例如，以三價(jià)鋁鹽或鐵鹽作混凝劑，當(dāng)其投量過多時(shí)，凝聚效果反而下降，甚至重新穩(wěn)定。實(shí)際上在水溶液中投加混凝劑使膠粒脫穩(wěn)現(xiàn)象涉及到膠粒與混凝劑、膠粒與水溶液、混凝劑與水溶液幾個(gè)方面的相互作用,是一個(gè)綜合的現(xiàn)象。而壓縮雙電層機(jī)理只是通過單純靜電現(xiàn)象來說明電解質(zhì)對脫穩(wěn)的作用，如僅用它來解釋水中的混凝現(xiàn)象,會產(chǎn)生一些矛盾。為此，又提出

10、了其他幾種機(jī)理。 二、吸附電中和機(jī)理 膠粒表面對異號離子、異號膠粒、鏈狀離子或分子帶異號電荷的部位有強(qiáng)烈的吸附作用，由于這種吸附作用中和了電位離子所帶電荷，減少了靜電斥力，降低了電位，使膠體的脫穩(wěn)和凝聚易于發(fā)生。此時(shí)靜電引力常是這些作用的主要方面。上面提到的三價(jià)鋁鹽或鐵鹽混凝劑投量過多，凝聚效果反而下降的現(xiàn)象，可以用本機(jī)理解釋。因?yàn)槟z粒吸附了過多的反離子，使原來的電荷變號，排斥力變大，從而發(fā)生了再穩(wěn)現(xiàn)象。 三、吸附架橋機(jī)理 吸附架橋作用主要是指鏈狀高分子聚合物在靜電引力、范德華力和氫鍵力等作用下，通過活性部位與膠粒和細(xì)微懸浮物等發(fā)生吸附橋聯(lián)的過程。當(dāng)三價(jià)鋁鹽或鐵鹽及其他高分子混凝劑溶于水后，經(jīng)

11、水解、縮聚反應(yīng)形成高分子聚合物，具有線形結(jié)構(gòu)。這類高分子物質(zhì)可被膠粒所強(qiáng)烈吸附。聚合物在膠粒表面的吸附來源于各種物理化學(xué)作用，如范德華引力、靜電引力、氫鍵、配位鍵等，取決于聚合物同膠粒表面二者化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因其線形長度較大，當(dāng)它的一端吸附某一膠粒后，另一端又吸附另一膠粒，在相距較遠(yuǎn)的兩膠粒間進(jìn)行吸附架橋，使顆粒逐漸變大，形成粗大絮凝體。 本機(jī)理能解釋當(dāng)廢水濁度很低時(shí)有些混凝劑效果不好的現(xiàn)象，因?yàn)閺U水中膠粒少，當(dāng)聚合物伸展部分一端吸附一個(gè)膠粒后，另一端因粘連不著第二個(gè)膠粒，只能與原先的膠粒粘連，就不能起架橋作用，從而達(dá)不到混凝的效果。 在廢水處理中，對高分子絮凝劑投加量及攪拌時(shí)間和強(qiáng)度都應(yīng)嚴(yán)格

12、控制，如投加量過大時(shí)，一開始微粒就被若干高分子鏈包圍，而無空白部位去吸附其他的高分子鏈，結(jié)果造成膠粒表面飽和產(chǎn)生再穩(wěn)現(xiàn)象。已經(jīng)架橋絮凝的膠粒，如受到劇烈的長時(shí)間的攪拌，架橋聚合物可能從另一膠粒表面脫開，重又卷回原所在膠粒表面，造成再穩(wěn)定狀態(tài)。 顯然，在吸附橋聯(lián)過程中，膠粒并不一定要脫穩(wěn)，也無需直接接觸。這個(gè)機(jī)理可解釋非離子型或帶同號電荷的離子型高分子絮凝劑得到好的絮凝效果的現(xiàn)象。 四、沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理 當(dāng)采用硫酸鋁、石灰或氯化鐵等高價(jià)金屬鹽類作凝聚劑時(shí)，當(dāng)投加量大得足以迅速沉淀金屬氫氧化物如Al(OH)3，F(xiàn)e(OH)3)或帶金屬碳酸鹽(如CaCO3)時(shí),水中的膠粒和細(xì)微懸浮物可被這些沉淀物在形

13、成時(shí)作為晶核或吸附質(zhì)所網(wǎng)捕。水中膠粒本身可作為這些沉淀所形成的核心時(shí)，凝聚劑最佳投加量與被除去物質(zhì)的濃度成反比，即膠粒越多，金屬凝聚劑投加量越少。 以上介紹的混凝的四種機(jī)理，在水處理中往往可能是同時(shí)或交叉發(fā)揮作用的，只是在一定情況下以某種機(jī)理為主而已。前面分析了膠體的脫穩(wěn)與凝聚，但膠體的混凝速度不但取決于膠體的脫穩(wěn)速度，而且取決于膠粒間的接觸碰撞率。造成膠粒相撞的主要原因是布朗運(yùn)動(dòng)、水流速度及水流紊動(dòng)性。由布朗運(yùn)動(dòng)引起的碰撞凝聚稱異向絮凝；由水流速度差及水流紊動(dòng)性引起的碰撞凝聚稱同向絮凝。由異向絮凝造成的顆?？倽舛入S時(shí)間的變化率JpK，可用下式表示： (3-2) 式中 N時(shí)間t時(shí)懸浮液的顆?？?/p>

14、濃度，粒子數(shù)/毫升； 碰撞效率系數(shù)、為有效碰撞次數(shù)與總碰撞次數(shù)的比值； K波爾茲曼常數(shù)； T絕對溫度； 液體粘度。 對式(3-2)積分后得 (3-3)式(33)是根據(jù)t=0時(shí)，N=N0的邊界條件求得的。N0為原始顆粒濃度。令t1/2代表(3/4KTN0)，則上式可寫成 (3-4)由此可見，t1/2代表使顆粒濃度減半所需的時(shí)間。當(dāng)水溫為25，式(3-4)可改寫為 (3-5)由上式可知，t1/2是起始顆粒濃度N0和碰撞效率的函數(shù)。當(dāng)起始顆粒濃度很低或脫穩(wěn)很差時(shí)(即很小)，t1/2就可能很大。 例如，含10000個(gè)病毒/毫升而不含其他膠粒的廢水，即使這些病毒膠粒已經(jīng)完全脫穩(wěn)(=1)，也要200天左右

15、才能通過凝聚使?jié)舛认陆狄话?。所以，要在合理的停留時(shí)間內(nèi)絮凝去除水中病毒，就必須使系統(tǒng)內(nèi)存在大量的其他膠?；蛴么罅康某恋砦锶ゾW(wǎng)捕。 對均勻顆粒組成的膠體懸浮液，它的顆粒總濃度隨時(shí)間變化率Jok可用下式表示： (3-6)式中d膠粒直徑； G速度梯度，有關(guān)速度梯度的概念請參閱本章第五節(jié)。 另外，設(shè)為膠體顆粒的體積比，即單位體積懸浮液中膠體顆粒所占的體積，它可用下式計(jì)算： (3-7)式中，d0為時(shí)間等于0時(shí)的顆粒直徑。將式(3-7)代入式(3-6)得 (3-8)對式(3-8)積分(邊界條件為t0，NN0)，得 (3-9)由式(3-8)可看出，同向絮凝的速度與顆粒濃度N、速度梯度G和膠粒的體積比成一次關(guān)

16、系。 為加深理解，將式(3-2)和式（3-6）相除得： (3-10) 由上式可見，膠粒的碰撞是以異向絮凝為主還是以同向絮凝為主，主要取決于膠粒粒徑和速度梯度，但粒徑的影響要大得多。例如當(dāng)水溫25，膠粒直徑為1m時(shí)，為使同向絮凝與異向絮凝的效果樣，所需的速度梯度G為10s-1；而當(dāng)膠粒的直徑為0.1m時(shí)則需要10000s-1的速度梯度。同樣道理，直徑為10m的膠粒只需0.01s-1的G值就能使二者效果相當(dāng)。由此可知，水體的攪拌強(qiáng)度越大，越有利于膠粒的同向凝聚，但只有當(dāng)膠粒的直徑在1m以上時(shí)，這種作用才明顯的超過異向絮凝，從而比較有效。一般當(dāng)粒徑大于5m時(shí)，異向絮凝相對于同向絮凝就可忽略。 就整個(gè)

17、混凝過程而言，微小顆粒一般總是先進(jìn)行異向絮凝(通常在混合階段)，待粒徑增大后，隨即進(jìn)行同向絮凝(反應(yīng)階段)?；旌蠒r(shí)盡管攪拌強(qiáng)度大，但由于粒徑小，同向絮凝速度仍遠(yuǎn)小于異向絮凝速度?；旌蠒r(shí)的劇烈攪拌主要是為了使混凝劑與廢水達(dá)到快速、均勻的混合，同向絮凝在混凝中往往起決定作用。第三節(jié) 混凝劑與助凝劑凝聚、絮凝和混凝這三個(gè)詞常引起混淆。本書中，凝聚是指膠體被壓縮雙電層而脫穩(wěn)的過程；絮凝則指膠體由于高分子聚合物的吸附架橋作用聚結(jié)成大顆粒絮體的過程；混凝則包括凝聚與絮凝兩種過程。 凝聚是瞬時(shí)的，只需將化學(xué)藥劑擴(kuò)散到全部水中的時(shí)間即可。絮凝則與凝聚作用不同，它需要一定的時(shí)間讓絮體長大，但在一般情況下兩者難以

18、截然分開。習(xí)慣上將低分子電解質(zhì)稱為凝聚劑，而將高分子藥劑稱為絮凝劑。本書把能起凝聚與絮凝作用的藥劑統(tǒng)稱為混凝劑。當(dāng)單用混凝劑不能取得良好效果時(shí)，可投加某類輔助藥劑以提高混凝效果,這種輔助藥劑稱為助凝劑。 一、混凝劑 用于水處理的混凝劑要求混凝效果好，對人類健康無害，價(jià)廉易得，使用方便。目前常用的混凝劑按化學(xué)組成有無機(jī)鹽類和有機(jī)高分子類。下面介紹主要的幾種。 (一)無機(jī)鹽類 目前應(yīng)用最廣的是鐵系和鋁系金屬鹽,可分為普通鐵、鋁鹽和堿化聚合鹽。其他還有碳酸鎂、活性硅酸、高嶺土、膨潤土等。 1三氯化鐵 三氯化鐵有無水物、結(jié)晶水物和液體，其中常用的是三氯化鐵(FeCl3·6H2O)，它是黑褐色

19、的結(jié)晶體，有強(qiáng)烈吸水性，極易溶于水，其溶解度隨溫度上升而增加，形成的礬花，沉淀性好，處理低溫水或低濁水效果比鋁鹽的好。三氯化鐵液體、晶體物或受潮的無水物腐蝕性極大，調(diào)制和加藥設(shè)備必須考慮用耐腐蝕材料。 2硫酸亞鐵 硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O)是半透明綠色晶體，易溶于水，在水溫20時(shí)溶解度為21。硫酸亞鐵離解出的 Fe2+只能生成最簡單的單核絡(luò)合物，因此，不如三價(jià)鐵鹽那樣有良好的混凝效果。殘留在水中的 Fe2+會使處理后的水帶色 Fe2+與水中的某些有色物質(zhì)作用后，會生成顏色更深的溶解物。因此，使用硫酸亞鐵時(shí)應(yīng)將二價(jià)鐵先氧化為三價(jià)鐵，然后再起混凝作用。 3.硫酸鋁 硫酸鋁是世界上水

20、和廢水處理中使用最多的混凝劑。常用的硫酸鋁含18個(gè)結(jié)晶水，其產(chǎn)品有精制和粗制兩種。精制硫酸鋁是白色結(jié)晶體。粗制硫酸鋁的Al2O3含量不少于14.516.5，不溶雜質(zhì)含量不大于2430，價(jià)格較低，但質(zhì)量不穩(wěn)定，因含不溶雜質(zhì)較多，增加了藥液配制和排除廢渣等方面的困難。硫酸鋁易溶于水，水溶液呈酸性。室溫時(shí)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。 硫酸鋁使用便利，混凝效果較好，不會給處理后的水質(zhì)帶來不良影響。當(dāng)水溫低時(shí)硫酸鋁水解困難，形成的絮體較松散。 硫酸鋁可分干式或濕式投加。濕式投加時(shí)一般采用1020的濃度(按商品固體重量計(jì)算)。硫酸鋁使用時(shí)水的有效pH值范圍較窄，跟原

21、水硬度有關(guān)，對于軟水，pH值在5.76.6；中等硬度的水為6.67.2；硬度較高的水則為7.27.8。因此在投加硫酸鋁時(shí)應(yīng)考慮上述特性，以免加入過量硫酸鋁，會使水的pH值降至其適宜的pH值以下，既浪費(fèi)廠藥劑，又使處理后的水發(fā)渾。 明礬是硫酸鋁和硫酸鉀的復(fù)鹽Al2(SO4)3·K2SO4·24H2O，其中 Al2O3含量約10.6，是天然物，其作用機(jī)理與硫酸鹽相同。 4聚合氯化鋁 聚合氯化鋁作為一種高分子混凝劑于60年代在日本首先進(jìn)入使用階段。其化學(xué)式可寫為Al2(OH)nCl6-nm式中n可取1到5中間的任何整數(shù)，m為 10的整數(shù)。這個(gè)化學(xué)式實(shí)際指m個(gè)Al2(OH)nCl6

22、-n(稱羥基氯化鋁)單體的聚合物。 聚合氯化鋁中OH與Al的比值對混凝效果有很大關(guān)系,一般可用堿化度B表示：,例如n=4時(shí)，堿化度。一般要求B為40%60% 聚合氯化鋁與其他混凝劑相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：(l)應(yīng)用范圍廣。對各種廢水都可以達(dá)到好的混凝效果。(2)易快速形成大的礬花，沉淀性能好，投藥量一般比硫酸鋁低，過量投加時(shí)也不會像硫酸鋁那樣造成水渾濁。(3)適宜的PH值范圍較寬(在59間)，且處理后水的pH值和堿度下降較小。(4)水溫低時(shí)，仍可保持穩(wěn)定的混凝效果。(5)其堿化度比其他鋁鹽、鐵鹽為高，因此藥液對設(shè)備的侵蝕作用小。 繼聚合氯化鋁之后，日本還研制了聚合硫酸鋁及聚合氯化鋁與聚合硫酸鋁的混

23、合物，正在推廣使用中。 5活化硅酸 活化硅酸是在30年代后期作為混凝劑開始在水處理中得到應(yīng)用的。由于呈真溶液狀態(tài)的活化硅酸在通常pH條件下組分帶有負(fù)電荷，對液體的混凝是通過吸附架橋使粒子粘連而完成的，因而常被稱為絮凝劑或助凝劑?；罨杷嵋话銦o商品出售，需在水處理現(xiàn)場制備，其原因是活化硅酸在儲存時(shí)易析出硅膠而失去絮凝功能?；罨杷釋?shí)質(zhì)上是硅酸鈉在加酸條件下水解聚合反應(yīng)進(jìn)行到一定程度的中間產(chǎn)物，其組分特征，如電荷、大小、結(jié)構(gòu)，取決于水解反應(yīng)起始的硅濃度、反應(yīng)時(shí)間(從酸化到稀釋)和反應(yīng)時(shí)的PH值。 6. 聚合硫酸鐵 聚合硫酸鐵的化學(xué)式為Fe2(OH)n(SO4)3-n/2m。它與聚合鋁鹽都是具有一定

24、堿化度的無機(jī)高分子聚合物，且作用機(jī)理也頗為相似。適宜水溫105O，pH5.08.5，但在pH4.011范圍內(nèi)仍可使用。與普通鐵鋁鹽相比，它具有投加劑量少，絮體生成快,對水質(zhì)的適應(yīng)范圍廣以及水解時(shí)消耗水中堿度少等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在廢水處理中的應(yīng)用越來越廣泛。 (二)有機(jī)高分子類混凝劑 高分子混凝劑分為天然和人工兩種，其中天然高分子混凝劑的應(yīng)用遠(yuǎn)不如人工的廣泛,主要原因是電荷密度小，分子量較低，且容易發(fā)生降解而失去活性。高分子混凝劑一般為鏈狀結(jié)構(gòu)，各單體間以共價(jià)鍵結(jié)合。單體的總數(shù)稱為聚合度，高分子混凝劑的聚合度約從1O005000，甚至更高。高分子混凝劑溶于水中，將生成大量的線型高分子。 根據(jù)高分

25、子聚合物所帶基團(tuán)能否離解及離解后所帶離子的電性，有機(jī)高分子混凝劑可分為陰離子型、陽離子型和非離子型。陰離子型主要是含有COOM或-SO3H的聚合物，陽離子型主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，非離子型是所含基團(tuán)不發(fā)生離解的聚合物。高分子混凝劑中，以聚丙烯酰胺應(yīng)用最為普遍，其產(chǎn)量占高分子混凝劑總產(chǎn)量的80%。按性狀，聚丙烯酰胺產(chǎn)品有膠狀、片狀和粉狀，其聚合度可多達(dá)2×10-49×10-4,相應(yīng)的分子量高達(dá)15×10-66×10-6。聚丙烯酰胺常作為助凝劑與其他混凝劑一起使用，可產(chǎn)生較好的混凝效果。聚丙烯酰胺的投加次序與廢水水質(zhì)有關(guān)。當(dāng)廢水

26、濁度低時(shí)，宜先投加其他混凝劑，再投加聚丙烯酰胺,使膠體顆粒先脫穩(wěn)到一定程度為聚丙烯酰胺的絮凝作用創(chuàng)造有利條件；當(dāng)廢水濁度高時(shí)，應(yīng)先投加聚丙烯酰胺，再投加其他混凝劑,以讓聚丙烯酰胺先在高濁度水中充分發(fā)揮作用，吸附部分膠粒，使?jié)岫认陆?，其余膠粒由其他混凝劑脫穩(wěn)，再由聚丙烯酰胺吸附，這樣可降低其他混凝劑的用量。 高分子混凝劑的作用機(jī)理主要是兩個(gè)方面： 由于氫鍵結(jié)合、靜電結(jié)合、范德華力等作用對膠粒的吸附結(jié)合。 線型高分子在溶液中的吸附架橋作用。 在一般情況下，不論混凝劑為何種離子型，對不同電性的膠體和細(xì)微懸浮物都是有效的。但如為離子型且電性與膠粒電性相反，就能起降低電位和吸附架橋雙重作用，可明顯提高聚

27、凝效果。而且，離子型高分子混凝劑由于帶同號電荷，產(chǎn)生的靜電斥力會使線型分子延伸開來，增大捕捉范圍，活性基團(tuán)也得到充分暴露，有利于更好地發(fā)揮架橋作用。因此，離子型高分子混凝劑是今后的發(fā)展重點(diǎn)。 二、助凝劑 助凝劑是指與混凝劑一起使用，以促進(jìn)水的混凝過程的輔助藥劑。助凝劑本身可以起混凝作用，也可不起混凝作用。按其功能，助凝劑可分為三種。 pH調(diào)整劑 在廢水pH值不符合工藝要求或在投加混凝劑后PH值有較大變化時(shí),需投加pH調(diào)整劑。常用的pH調(diào)整劑包括石灰、硫酸、氫氧化鈉等。 絮體結(jié)構(gòu)改良劑 當(dāng)生成絮體小、松散且易碎時(shí)，可投加絮體結(jié)構(gòu)改良劑以改善絮體的結(jié)構(gòu)，增加其粒徑、密度和強(qiáng)度。如活性硅酸、粘土等。

28、 氧化劑 當(dāng)廢水中有機(jī)物含量高時(shí)，易起泡沫，使絮凝體不易沉降，此時(shí)可投加氯氣、次氯酸鈉、臭氧等氧化劑來破壞有機(jī)物，以提高混凝效果。第四節(jié) 影響混凝的因素 一、廢水水質(zhì)的影響 廢水中濁度、PH值、水溫及共存雜質(zhì)等都會影響混凝效果。 1濁度濁度過高或過低都不利于混凝，濁度不同，所需的混凝劑用量也不同。 2pH值 在混凝過程中，都有一個(gè)相對最佳PH值存在，使混凝反應(yīng)速度最快，絮體溶解度最小。此pH值可通過試驗(yàn)確定。以鐵鹽和鋁鹽混凝劑為例，pH不同，生成水解產(chǎn)物不同，混凝效果亦不同。且由于水解過程中不斷產(chǎn)生H+，因此，常常需要添加堿來使中和反應(yīng)充分進(jìn)行。 3水溫 水溫會影響無機(jī)鹽類的水解，水溫低，水解

29、反應(yīng)慢。另外水溫低，水的粘度增大，布朗運(yùn)動(dòng)減弱，混凝效果下降。這也是冬天混凝劑用量比夏天多的緣故。但溫度也不是越高越好，當(dāng)溫度超過9O時(shí)，易使高分子絮凝劑老化或分解生成不溶性物質(zhì)，反而降低混凝效果。 4共存雜質(zhì) 有些雜質(zhì)的存在能促進(jìn)混凝過程，比如除硫、磷化合物以外的其他各種無機(jī)金屬鹽，均能壓縮膠體粒子的擴(kuò)散層厚度，促進(jìn)膠體凝聚，且濃度越高，促進(jìn)能力越強(qiáng)，并可使混凝范圍擴(kuò)大。而有些物質(zhì)剛則不利于混凝的進(jìn)行。如磷酸離子、亞硫酸離子、高級有機(jī)酸離子會阻礙高分子絮凝作用。另外，氯、螯合物、水溶性高分子物質(zhì)和表面活性物質(zhì)都不利于混凝。 二、混凝劑的影響 混凝劑種類、投加量和投加順序都對混凝效果產(chǎn)生影響。

30、 1混凝劑種類 混凝劑的選擇主要取決于膠體和細(xì)微懸浮物的性質(zhì)、濃度。如水中污染物主要呈膠體狀態(tài)，且電位較高，則應(yīng)先投加無機(jī)混凝劑使其脫穩(wěn)凝聚，如絮體細(xì)小，還需投加高分子混凝劑或配合使用活性硅酸等助凝劑。很多情況下，將無機(jī)混凝劑與高分子混凝劑并用，可明顯提高混凝效果，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。對于高分子混凝劑而言，鏈狀分子上所帶電荷量越大，電荷密度超高，鏈狀分子越能充分延伸，吸附架橋的空間范圍也就越大，絮凝作用就越好。 2混凝劑投加量 投加量除與水中微粒種類、性質(zhì)、濃度有關(guān)外，還與混凝劑品種、投加方式及介質(zhì)條件有關(guān)。對任何廢水的混凝處理，都存在最佳混凝劑和最佳投藥量的問題，應(yīng)通過試驗(yàn)確定。一般的投加量范圍是

31、：普通鐵鹽、鋁鹽為1030mgL；聚合鹽為普通鹽的1/31/2；有機(jī)高分子混凝劑通常只需15mg/L，且投加量過量，很容易造成膠體的再穩(wěn)。 3混凝劑投加順序 當(dāng)使用多種混凝劑時(shí)，其最佳投加順序可通過試驗(yàn)來確定。一般而言，當(dāng)無機(jī)混凝劑與有機(jī)混凝劑并用時(shí)，先投加無機(jī)混凝劑，再投加有機(jī)混凝劑。但當(dāng)處理膠粒粒徑在50m以上時(shí),常先投加有機(jī)混凝劑吸附架橋，再加無機(jī)混凝劑壓縮擴(kuò)散層而使膠體脫穩(wěn)。 三、水力條件的影響 水力條件對混凝效果有重要影響。兩個(gè)主要的控制指標(biāo)是攪拌強(qiáng)度和攪拌時(shí)間。攪拌強(qiáng)度常用速度梯度G來表示。在混合階段，要求混凝劑與廢水迅速均勻的混合，為此要求G在5001000s-1，攪拌時(shí)間t應(yīng)在

32、1030s。而到了反應(yīng)階段，既要?jiǎng)?chuàng)造足夠的碰撞機(jī)會和良好的吸附條件讓絮體有足夠的成長機(jī)會，又要防止生成的小絮體被打碎，因此攪拌強(qiáng)度要逐漸減小，而反應(yīng)時(shí)間要長，相應(yīng)G和t值分別應(yīng)在2070s-1和1530min。為確定最佳的工藝條件，一般情況下，可以用燒杯攪拌法進(jìn)行混凝的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方法分為單因素試驗(yàn)和多因素試驗(yàn)。一般應(yīng)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用正交設(shè)計(jì)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行多因素重復(fù)試驗(yàn)。第五節(jié) 混凝設(shè)備 整個(gè)混凝工藝過程包括混凝劑的配制與投加、混合、反應(yīng)、澄清幾個(gè)步驟，下面分別敘述各步驟的設(shè)備。 一、混凝劑的配制與投加混凝劑的投配分干法和濕法。干法即把藥劑直接投放到被處理的水中。其優(yōu)點(diǎn)是占地少，缺

33、點(diǎn)是對藥劑的粒度要求較高，投配量較難控制，對機(jī)械設(shè)備要求較高，同時(shí)勞動(dòng)條件也差。用得較多的是濕法，即先把藥劑配制成一定濃度的溶液，再投入被處理水中，整個(gè)投加過程見圖3-3。溶藥池是把固體藥劑溶解成濃溶液。其攪拌可采用水力、機(jī)械或壓縮空氣等方式，視用藥量大小和藥劑的性質(zhì)而定，一般藥量小時(shí)用水力攪拌，藥量大時(shí)用機(jī)械攪拌。溶藥池體積一般為溶液池的0.20.3倍。 溶液池應(yīng)采用兩個(gè)交替使用。其體積可按下式計(jì)算；W(24×100aQ)/(1000×1000×bn) = aQ/417bn(m3) (3-12) 式中 a混凝劑最大用量，mgL； Q處理的水量，m3h； b溶液濃

34、度，以藥劑固體重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算； n每晝夜配制溶液的次數(shù)，一般為26次。 藥液的投配要求是計(jì)量準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)靈活，設(shè)備簡單。目前較常用的主要有計(jì)量泵、水射器、虹吸定量投藥設(shè)備和孔口計(jì)量設(shè)備。其中計(jì)量泵最簡單可靠，生產(chǎn)型號也較多。水射器(見圖3-4)主要用于向壓力管內(nèi)投加藥液，使用方便。虹吸定量投藥設(shè)備(見圖3-5)是利用空氣管末端與虹吸管出口間的水位差不變，因而投藥量恒定而設(shè)計(jì)的投配設(shè)備。而孔口計(jì)量設(shè)備主要用于重力投加系統(tǒng)(見圖3-6)，溶液液位由浮子保持恒定，溶液由孔口經(jīng)軟管流出，只要孔上的水頭不變，投藥量就恒定，可通過調(diào)節(jié)孔口大小來調(diào)節(jié)加藥量。三、混合設(shè)備 當(dāng)藥劑投入廢水后在水中發(fā)生水解反應(yīng)并產(chǎn)

35、生異電荷膠體，與水中膠體和懸浮物接觸，形成細(xì)小的礬花，這一過程就是混合，大約在10-30s內(nèi)完成，一般不應(yīng)超過2min。對混合的要求是快速而均勻?？焖偈且蚧炷齽┰趶U水中發(fā)生水解反應(yīng)的速度很快，需要盡量造成急速擾動(dòng)以生成大量細(xì)小膠體，并不要求生成大顆粒；均勻是為了使化學(xué)反應(yīng)能在廢水中各部分得到均衡發(fā)展。 混合的動(dòng)力來源有水力和機(jī)械攪拌兩類，因此混合設(shè)備也分為兩類，采用機(jī)械攪拌的有機(jī)械攪拌混合槽、水泵混合槽等；利用水力混合的有管道式、穿孔板式、渦流式混合糟等。機(jī)械攪拌混合槽通過攪拌槳的快速攪拌完成混合，其結(jié)構(gòu)見圖3-7。各部分比例尺寸見表3-l。三、反應(yīng)設(shè)備 混合完成后，水中已經(jīng)產(chǎn)生細(xì)小絮體，但還

36、未達(dá)到自然沉降的粒度，反應(yīng)設(shè)備的任務(wù)就是使小絮體逐漸絮凝成大絮體而便于沉淀。反應(yīng)設(shè)備應(yīng)有一定的停留時(shí)間和適當(dāng)?shù)臄嚢鑿?qiáng)度，以讓小絮體能相互碰撞，并防止生成的大絮體沉淀。但攪拌強(qiáng)度太大，則會使生成的絮體破碎，且絮體越大，越易破碎，因此在反應(yīng)設(shè)備中，沿著水流方向攪拌強(qiáng)度應(yīng)越來越小。 攪拌強(qiáng)度用速度梯度G來表示。速度梯度是指由于攪拌在垂直水流方向上引起的速度差d與垂直水流距離dy間的比值，即Gddy。速度梯度實(shí)質(zhì)上反映了顆粒的碰撞機(jī)會。速度差越大，顆粒間越易發(fā)生碰撞，間距越小，顆粒間也越易發(fā)生碰撞。速度梯度與攪拌時(shí)間的乘積Gt值可間接表示整個(gè)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)顆粒碰撞的總次數(shù)，可用來控制反應(yīng)效果，一般Gt值應(yīng)

37、控制在104-105之間。近年來，有人提出應(yīng)以GtC(C為膠體濃度)值作為反應(yīng)設(shè)備的控制參數(shù)，并建議GtC值控制在100左右較好。理由是反應(yīng)效果與水中顆粒濃度有關(guān)，例如當(dāng)?shù)蜐舛葧r(shí)反應(yīng)設(shè)備的效率就會降低，但如果人工投加粘土，效果就能提高?；炷磻?yīng)設(shè)備有機(jī)械攪拌和水力攪拌兩類。機(jī)械攪拌反應(yīng)池結(jié)構(gòu)見圖3-8。反應(yīng)池用隔板分為2-4格，每格裝一攪拌葉輪，葉輪有水平和垂直兩種。水力停留時(shí)間一般采用15-30min，葉輪半徑中點(diǎn)線速度由進(jìn)水格的0.5-0.6m/s依次減到出水格的0.1-0.2ms。水力攪拌反應(yīng)池在我國應(yīng)用廣泛，類型也較多，主要有隔板反應(yīng)池、旋流反應(yīng)池、渦流式反應(yīng)池等。其中在廢水處理中用的較多的是隔板反應(yīng)池。 當(dāng)用水力攪拌時(shí)，速度梯度計(jì)算公式中的P可按水頭損失計(jì)算： PQh/V (3-13) 式中Q廢水流量，m3s； 水的密度，kg/m3; h水頭損失, m，可通過水力學(xué)知識求得； v-池容積，m3。 將式(3-13)代人式(3-12)得速度梯度G的計(jì)算式 (3-l4) 設(shè)計(jì)完畢后應(yīng)校核Gt值，如不符合要求，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)。 四、澄清池 澄清池是能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)混凝劑與原水的混合、反應(yīng)和絮體沉降