【混凝原理】

混凝是向水中投加药剂，通过快速混合，使药剂均匀分散在废水中，然后慢速混合形成大的可沉絮体。胶体颗粒脱稳碰撞形成微粒的过程称为“絮凝”。“絮凝”过程过去称为“反应”。将混合、凝聚、絮凝合起来称为混凝，它是水处理的重要环节。混凝产生的较大絮体通过后续的沉淀或澄清、气浮等从水中分离出来。混凝基本去除或降低的物质如下几种。

（1）悬浮的有机物和无机物 主要是由生物处理流失出的生物絮体碎片、游离细菌等形成。

（2）溶解性磷酸盐 可通常降至1mg/L以下。

（3）某些重金属 石灰对沉淀铬、铜、镍、铅和银特别有效。

（4）细菌和病毒 混凝可降低水中细菌和病毒含量。

中水回用中混凝处理对象是二级出水，二级出水中所含物质与天然水所含物质不同。中水混凝的处理对象的处理对象主要是胶体和菌胶团微粒，其混凝特点表现为微粒与药剂及微粒间亲和力强，絮凝过程可在短时间内完成。

1. 【概述】

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混凝就是水中胶体以及微小悬浮物的聚集过程。这一过程涉及三方面的问题：水中粒子的性质，混凝剂在水中的水解物种及二者间的相互作用。混凝的目的在于向水中投加一些药剂，产生两种效应，一是混凝剂在水中进行紊流扩散与混合；二是混凝剂水解。水解产物与胶体作用使其脱稳，使水中难以沉淀的胶体颗粒脱稳而互相聚合，增大至能发生自然沉淀的程度，这种方法称为混凝，是中水处理的重要环节。

根据胶体化学的理论，胶体物质的核心是一个由多原子或者分子构成的粒子，称为胶核。胶核表面拥有一层离子，称为电离子。某种离子带有电荷，在微粒周围吸引异号离子，一部分反应离子紧附在固体表面随微粒移动，称为束缚反离子，组成吸附层；另一部分反离子不随微粒移动形成扩散层，称为自由反离子。由于胶核表面所吸附的离子比吸附层里的反离子多，所以胶粒是带负电的，而胶团是电中性的。电位离子的静电作用将污泥水溶液中带有相反电荷的离子吸引到胶核的周围，知道吸引的电荷总量与电位离子的电荷相等为止。这样，在胶核与污泥水溶液的界面区域就形成了双电层。这一层厚度也就是污泥颗粒吸附的水层厚度。双电层的稳定性是由点位来衡量的，点位愈高，两胶体颗粒之间的静电斥力愈大。城市污水活性污泥的电势一般在-30~-20m之间。双电层的电势分布受溶液的离子强度影响很大，随着周围溶液的离子强度增加，颗粒表面相反离子的浓度随之增加，双电层的厚度随之减少。惰性胶体颗粒发生凝聚，必须中和颗粒表面的电荷，可采取消除或者压缩双电层厚度的方法。胶体颗粒间除了静电斥力之外，还存在原子或分子间的范德华引力。胶体颗粒能否相互接近乃至结合，取决于布朗运动的动力、静电斥力和范德华引力的综合表现。静电斥力的排斥势能与胶体颗粒间距的指数关系成反比例变化，范德华引力所具有的吸引势能则近似认为与胶体颗粒间距的平方成反比，当胶体颗粒间距在一定距离时，良好总势能重叠。如果布朗运动的动能足以越过合成势能的峰值，则胶体颗粒间的作用力便进入引力范围，使胶体颗粒互相接近，最终导致结合。

投加混合药剂后，污泥颗粒周围溶液的离子浓度增加，双电层厚度被压缩。药剂中带正电荷的离子与胶体颗粒间的负荷互相吸引并中和，使双电层的电势减少，从而降低了静电斥力，使其在范德华引力的作用下克服污泥颗粒表面的电荷斥力而聚集。

污泥胶体颗粒的聚集是通过凝聚、絮凝（通过投加混凝药剂，使非溶液解性或者胶体物质变成絮状物质的过程）和沉析（溶解性的物质在化学药剂的作用下生成非溶解性物质的过程）完成的。凝聚、絮凝过程分为脱稳过程（污泥颗粒表面和周围的溶液层化学性质发生变化，使原来相斥的颗粒相吸并形成具有絮凝性的微小絮体）和迁移过程（通过颗粒互相接触形成较大的絮体）。脱稳过程是由胶体和固体颗粒界化学性质决定的，影响着颗粒或絮体之间的黏附性概率；而迁移过程是由颗粒的大小、浓度、水流条件决定的，影响着碰撞概率。

胶体微利能在水中长期保持分散状态而不下沉，此特性就是胶体的稳定性。它分为动力学稳定和聚集稳定两种。动力学稳定是指颗粒布朗运动对抗重力的能力。颗粒越小，动力学稳定越高。聚集稳定性是指颗粒之间因表面同行电荷的斥力作用或水化膜的阻碍作用大而相互聚集的倾向，但由于粒子表面同性电荷的斥力作用或水化膜的阻碍使自发的聚集作用不嫩发生。该稳定该稳定性并非都是由于静电斥力引起的，其表面的水化作用往往也是很重要的因素。其原因在于胶体粒子间的静电斥力和胶体表面的水化作用。但胶粒之间还存在着互相吸引的范德华引力，这是一种有利于凝聚的作用力。

胶体微粒可以相互接近或凝聚，取决于布朗运动、胶粒间的静电斥力和范德华引力综合作用的结果。胶体微粒带电越多，其点位就越大。带电荷的胶粒和反离子与周围水分子发生水化作用大，水化壳也越后，因此双电层也越厚，越具有稳定性。

为了 从理论上解释混凝作用，应用较多的是双电层理论、吸附电中和、吸附桥架理论和卷扫作用。

2.压缩双电层

有胶体粒子的双电层结构可知，反离子浓度在胶体表面最大，并沿胶体表面外的距离呈递减分布，最终同溶液中离子浓度相等。加入混凝剂相当于投加了反离子，它们之间的静电斥力把原有部分反离子挤压到吸附层中，扩散层厚度减小。

与此同时，电位降低，胶体间的排斥力减弱，由于扩散层的变薄，相撞的距离也减少，相互间的引力变大，其合力由斥力为主变成以引力为主，胶体得以凝聚。

3.电性中和

根据DLVO理论，要使颗粒通过布朗运动相撞聚集，必须降低或消除能峰。吸引势能与胶体电荷无关，主要决定与构成胶体的物质种类、 尺寸和密度。对一定的水质，这些特征是不变的，因此，降低排斥能峰的方法就是降低或消除电位，在水中投加电解质即可。

向胶体溶液中投加电解质后，溶液中与胶体反离子相同电荷的离子浓度增加了，这些离子可挤进扩散层，乃至吸附层，使胶粒带电数减少，也就降低了电位。当胶粒间的排斥力减少到一定值，而分力以引力为主时，胶粒就互相聚合与凝聚。这就是双电层压缩理论。

也有人认为，向溶液中投加电解质作混凝剂，混凝剂水解会在水中形成胶体微粒，其所带正电荷与水中原有胶体物所带电荷相反，由于异性电荷相互吸引，产生电中和，使水中原有胶体物失去稳定而凝聚成絮状颗粒。在水处理中，该理论不能解释混凝剂投量过多时胶体重新稳定的现象。投量过多时，水中原来的负电荷变成正电荷，则存在斥力作用。

4.吸附架桥理论

它主要是指高分子物质与胶粒的吸附、桥连作用。高分子絮凝剂具有线型结构，含有某些化学基因及长键分子，能与胶粒表面产生特殊反应而产生强烈的吸附，可以使污泥颗粒、胶体颗粒之间产生“桥架”作用，破坏了胶体系统的稳定性，从而形成具有网状结构的较大的絮凝体。当高分子物质投量过多时，将产生胶体系统的稳定性从而形成具有网状结构的较大絮凝体。当高分子物质投量过多时，将产生胶体保护作用。当过分子物质投量过少时则不足以将胶粒桥架连接。最佳投量应使既能把胶粒快速絮凝起来又可以絮凝起来的最大颗粒不易脱落。根据吸附理论，胶粒表面高分子覆盖率为1/2时絮凝效果最好。但在实际中此覆盖率无法测定，故高分子混凝剂投加量常由试验确定。起桥架作用的高分子都是线型分子且需要一定 长度。长度不够不能起桥架作用，只能被单个分子吸附。所需最小长度取决于水中胶粒尺寸、高分子基团性质、分子的分支程度。