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混凝处理*概念*机理*常用混凝剂*影响混凝处理效果的因素*混凝剂选择及投加*常用混凝处理流程及设备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：真溶液：粒度为0.1～100nm胶体溶液：粒度在1～100nm悬浮液：粒度大于100μm。其中粒度在100μm以上的悬浮液可采用沉淀或过滤处理，而粒度在lnm～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。混凝处理的概念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。混凝处理的概念胶体特性1．力学性质胶体的布朗运动：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。这也是胶体颗粒不能自然沉淀的原因之一。2．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。3.电泳现象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。它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，象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。胶体的结构在粒子的中心是胶核，它由数百乃至数干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。混凝机理1.压缩双电层2.吸附电中和3.吸附架桥4.沉淀物网捕一、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，见下图;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。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ζ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3价铝盐或铁盐混凝剂投量过多，凝聚效果反而下降的现象，可用本机理解释。因胶粒吸附了过多的反离子,使原电荷变号，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3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，可被胶粒所强烈吸附。聚合物在胶粒表面的吸附源于各种物化作用，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。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:A1(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。常用混凝剂混凝剂选择及投加混凝剂与助凝剂凝聚(Coagulation)是指胶体被压缩双电层而脱稳的过程；絮凝(Flocculation)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。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。无机混凝剂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(FeCl3·6H20)，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(适宜的pH值范围较宽，但处理后的水的色度比铝盐的高)。FeCl3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FeS04·7H20是半透明绿色晶体，易溶于水，20℃时溶解度为21％。硫酸亚铁离解出Fe2+只能生成最简单的单核络合物，因此，不如Fe3+盐那样有良好的混凝效果。残留在水中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Fe2+先氧化为Fe3+，然后再起混凝作用。3．硫酸铝含18个结晶水，有精制和粗制两种。精制的是白色结晶体。粗制的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。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。使用便利，混凝效果较好，不影响给处理水质。但当水温低时水解困难，形成的絮体较松散。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)。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，既浪费了药剂，又使处理后的水发浑。明矾是硫酸铝和硫酸钾的复盐Al2(S04)3·K2S04·24H2O，其中Al2O3含量约10.6％，是天然物，其作用机理与硫酸铝相同。不同pH条件下的3价Al盐的水解产物4．聚合氯化铝化学式为[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。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A1的比值对混凝效果有很大关系，一般可用碱化度B表示：B=[OH]/3[Al]×100%当n=4时，碱化度B＝4/(3×2)×100％＝66.7％。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：(1)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，过量投加时也不会象硫酸铝那样造成水浑浊。(3)适宜pH值范围较宽(5～9)，且处理水的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)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。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。有机高分子类混凝剂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。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，它的聚合度约从1000～5000至更高。高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线型高分子。阴离子型主要是含有-COOM(M为H+或金属离子)或-S03H的聚合物，如部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)和聚苯乙烯磺酸钠(PSS)等。阳离子主要是含有-NH3+、-NH2+和-N+R4的聚合物，如聚二甲基氨甲基丙烯酰胺(APAM)。非离子型是所含基团不发生离解的聚合物，如聚丙烯酰胺(PAM)和聚氧化乙烯（PEO)等。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ζ电位和吸附架桥双重作用，可明显提高混凝效果。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F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。聚丙烯酰胺高分子混凝剂中，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(含量5～10％)、片状(含量20～30％)和粉状含量90～95％)，其聚合度可多达2～9×104，相应的分子量高达1.5～6×104。投加方法：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，这样可降降低其他混凝剂用量。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。它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。1.pH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。影响混凝处理效果的因素废水水质的影响1.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。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90℃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。而有些物质则会不利于混凝的进行。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。混凝剂的影响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ζ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等助凝剂。通常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，电荷量越大，电荷密度越高，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