李偉英
（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 22092）

　　摘　要：從混凝的工藝特點(diǎn)入手對混凝概念作出一個新定義。對水處理中混凝工藝的兩個階段——凝聚和絮凝的特點(diǎn)及其影響因素進(jìn)行論述。通過理論分析，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行，指出實(shí)際生產(chǎn)中混凝階段應(yīng)注意的問題和適合的技術(shù)指標(biāo)。
　　關(guān)鍵詞：混凝；絮凝；凝聚
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　文章編號：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

　　經(jīng)過多年的實(shí)踐與研究，給水排水處理工藝日臻成熟。在原水和廢水中都存在著數(shù)量不等的膠體粒子，如粘土、礦物質(zhì)、二氧化硅或工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的碎屑等，它們懸浮在水中造成水體渾濁。混凝工藝是針對水中的這些物質(zhì)處理的過程。混凝、沉淀。過濾等傳統(tǒng)工藝是大部分水處理過程的關(guān)鍵工藝。
　　本文僅就混凝（coagulation－flocculation）工藝綜述其凝聚（coogulation）和絮凝（flocculation）兩個階段 特點(diǎn)及其影響混凝效果的主要因素。

1“混凝”的概念及其工藝

　　在一些國外有關(guān)文獻(xiàn)中，“混凝”與“凝聚”采用同一個詞“coagulation”，絮凝采用“flocculation”。顯然，對絮凝來說，人們沒有異議。但是，就“混凝”與“凝聚”而言，其說法不一。本文參考有關(guān)文獻(xiàn)[1]及外語工具書，通過對這兩者實(shí)質(zhì)的分析，提出混凝采用 coagulation－flocculation一詞，凝聚采用。coagulation一詞，以示區(qū)別，原因如下：
1.1 混凝（coagulation－flocculation）
　　是通過投加某些電解質(zhì)使水中的細(xì)小顆粒相互聚集形成絮狀大顆粒的過程。其主要目的是為了改變水中粘土和細(xì)菌等懸浮固體的存在性質(zhì)和狀態(tài)，以利于后續(xù)工序的去除過程^[1]。簡言之，混凝是指從加藥開始，直至最終形成絮凝體（俗稱“礬花”）的過 程。混凝階段主要是去除水中的懸浮物體和膠體，此過程由凝聚和絮凝兩個階段構(gòu)成，它決定了水中懸浮雜質(zhì)顆粒聚結(jié)程度、顆粒成長的質(zhì)量及其降解特性，是水處理工藝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。水處理中的凝聚和絮凝過程與混凝之關(guān)系可用圖1表示。

1.2 凝聚(coagulation）^[2]
　　是顆粒脫穩(wěn)及其聚結(jié)的前步，此時膠體顆粒間的斥力由于物理的或化學(xué)的某種效應(yīng)而部分地去掉，其擴(kuò)散層被壓縮，ζ電位降低，從而使得膠體顆粒可能粘結(jié)在一起的現(xiàn)象或過程。簡言之，凝聚是指加藥后膠體失去了聚集穩(wěn)定性（簡稱“脫穩(wěn)”）并通過膠粒本身的布朗運(yùn)動進(jìn)行碰撞聚集而形成尺寸較小的“微絮凝體”（microfloc）的過程。
1.3 絮凝（locculation）^[1]
　　顧名思義，是水中投加大量或過量的混凝劑之后，脫穩(wěn)顆粒直接或間接地相互聚結(jié)生成呈“絮狀”的大顆粒而進(jìn)行卷掃、沉淀分離的過程，該過程緊接著凝聚過程進(jìn)行。簡言之，絮凝是指“微絮凝體”（microfloc）再通過機(jī)械或水力攪拌進(jìn)一步聚集成肉眼可見的大“絮凝體”（floc）。在水處理工藝上與之相對應(yīng)的兩個階段分別為快速混合和絮凝。
　　凝聚與絮凝這兩個階段僅是人們在研究混凝機(jī)理時，為了方便解釋膠體顆粒脫穩(wěn)沉降的現(xiàn)象、原因，便于定量定性描述、分析而提出的。這兩個名詞在概念上可以劃分得很清楚，但在實(shí)際的水處理操作運(yùn)行中，在混凝時凝聚與絮凝這兩個階段的間隔是瞬間，幾乎是同步發(fā)生的。
　　綜上所述，待處理水溶液中投加混凝劑之后，為克服膠體微粒的穩(wěn)定性（微粒布朗運(yùn)動、膠體顆粒間的靜電斥力、膠體顆粒表面的水化作用）而需將藥液迅速均勻地分布于整個溶液之中，以便使其極大可能地充分發(fā)揮混凝劑本身的“活性”。換句話說，應(yīng)最大可能地發(fā)揮混凝劑的“潛能”，使其最大程度地降低ζ電位，使水中的肢體顆粒迅速處于脫穩(wěn)狀態(tài)，此過程即所謂的凝聚過程。隨后，由于這些脫穩(wěn)顆粒的ζ電位被降低，兩膠體顆粒相距到一定范圍時亦即膠體顆粒擴(kuò)散層發(fā)生重疊時，同時存在產(chǎn)生排斥力（采用排斥勢能ER表示）和范德華引力（采用吸引勢能見表示）^[3]，詳見圖1。這兩種力與兩膠粒表面間距X有關(guān)，排斥勢能見隨著顆粒之間距離X的增大而按指數(shù)關(guān)系減少，吸引勢能EA與顆粒之間距離X的平方成反比，詳見圖2。若總勢能用E=ER+EA表示，則兩顆粒能否凝聚，取決于總勢能。從圖中不難看出，當(dāng)兩膠粒表面間距X＝oa+oc時，ER占優(yōu)勢；只有當(dāng)X＜o(jì)a時，隨著膠體顆粒之間的距離減少，吸引勢能凡急劇增大，凝聚才會發(fā)生，膠粒相互吸引，互相聚結(jié)成為大顆粒。此時便完成了絮凝階段，而混凝過程也就告一段落。
　　相應(yīng)地，在實(shí)際操作時，藥液投加的初期即凝聚階段應(yīng)快速攪拌，以使藥液水解并迅速地分布在溶液中以便充分發(fā)揮壓縮雙電層、電性中和作用。隨后，當(dāng)絮體形成之后，為防止其破碎，攪拌強(qiáng)度越來越緩，便于絮體顆粒穩(wěn)定并增大，從而順利完成絮凝階段。該工藝從水力條件上要求：在水力或機(jī)械攪動下，已聚結(jié)的顆粒既不沉淀又不破碎；從動力條件方面看，則更直觀，即要求反應(yīng)液運(yùn)動先快后慢；從能量分布上分析，整個混凝過程為分段紊流過程，其間改變了水流的結(jié)構(gòu)、特性，使得水流在攪拌設(shè)備附近產(chǎn)生壓力差、形成渦旋，從而使顆粒得以發(fā)生多次接觸、變化、聚結(jié)。

2 混凝效果影響因素

2.1 水溫
　　水溫對混凝效果具有明顯的影響。首先由于金屬鹽類混凝劑水解過程均為吸熱反應(yīng)，水溫低時水解較為困難（如水溫≤O℃時，混凝劑基本上不發(fā)生水解），不能生成高聚合度物質(zhì)。其次低溫水粘度大，布朗運(yùn)動強(qiáng)度較弱，從而顆粒彼此之間的碰撞機(jī)會變小，不利于脫穩(wěn)顆粒互相凝聚。第三，由于水的粘度大，水流剪切力大，故而影響絮體成長。雖然經(jīng)過許多年的研究，低溫水至今仍為需進(jìn)一步研究之課題。
2.2 水的pH與堿度
　　處理水中的pH值的不同對混凝有不同的影響[4]。例如當(dāng)把混凝劑Al₂（SO₄）₃.18H₂O對投加到水中，當(dāng)水溶液的pH＜4時，水中主要存在[Al（H₂O）₆]³⁺；pH=4～5時，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時，水中主要為中性的[Al（OH）₃(H₂O）₃]。顯然，隨著水溶液中的pH值不同，Al（SO₄）₃·18H₂O既可以發(fā)揮高電荷低聚合度物質(zhì)電性中和脫穩(wěn)作用又可以發(fā)揮高聚物吸附架橋作用。同樣，對于其他無機(jī)混凝劑亦有同樣性質(zhì)。另外，水中的pH值是影響去除色度的主要因素，一般pH=3.5～5.0左右，適合于除色，pH＝6.0～8.0左右，宜于除濁。但對有機(jī)混凝劑而言，水溶液的pH與堿度大小對混凝效果影響較小。
2.3 水的濁度
　　待處理水的水質(zhì)（尤指濁度）不同，其混凝效果顯然不同。我國地域遼闊，水源各具特色。例如，我國西北地區(qū)的河流（黃河）屬高濁度水，因此便需要投加高聚合混凝劑以發(fā)揮吸附架橋與沉淀卷掃作用；而南方河流主要含有細(xì)小顆粒，色度較重，因此混凝劑應(yīng)為高電荷物質(zhì)，以發(fā)揮壓縮雙電層作用。
2.4 混凝劑的性質(zhì)與投加量
　　按藥劑在混凝過程中所起的作用可以分為凝聚劑和絮凝劑兩類，分別起脫穩(wěn)和結(jié)成絮體的作用，總稱為混凝劑。混凝劑可分為金屬鹽類混凝劑及高分子混凝劑兩大類。使用不同的混凝劑處理同一水源，其處理效果不同。除此之外，還有為了改善混凝過程所投加的藥劑一助凝劑。 混凝劑投加量的控制是絮凝的關(guān)鍵，它不僅決定了水中膠體的脫穩(wěn)作用、影響濾后水質(zhì)，而且還與產(chǎn)生的絮體數(shù)量的多少直接有關(guān)。若投量不足，絮體過小，容易過早穿透濾池濾層、縮短過濾周期、影響濾后水水質(zhì)；若投量過多，一來會發(fā)生膠體“再穩(wěn)”現(xiàn)象，二來可能形成過大的絮體造成濾層表面大量截污，不能充分發(fā)揮濾床過濾深度的截污能力，使濾床水頭損失增長過快，而縮短過濾周期。
　　對于不同的水處理工藝，混凝劑的投加量也不相同。例如，對常規(guī)水處理工藝，混凝劑的投加量直接由燒杯攪拌試驗(yàn)（jar test）來確定；而對非常規(guī)水處理工藝，如原水采用接觸過濾方式進(jìn)行處理，其混凝劑的投加量則是燒杯攪拌試驗(yàn)（jar test）確定量的（3/5～2/3）^[5]。

3 設(shè)備與操作管理

3.1 混合設(shè)備
　　其主要功能就是使藥劑能夠迅速擴(kuò)散到所處理的水中。因此要求運(yùn)行中攪捍強(qiáng)度要大、攪拌時間短（尤對鐵鹽和鋁鹽混凝劑而言）。混合設(shè)備可以通過水力和機(jī)械手段完成，其設(shè)計與選型的好壞，不但直接影響凝聚效果而且還直接影響后續(xù)絮凝工序。當(dāng)代凝聚機(jī)理研究表明^[6]，混凝劑投加到水中以后會立即生成多種帶高正電荷的水解產(chǎn)物，膠體雜質(zhì)顆粒吸附這些水解產(chǎn)物進(jìn)一步形成微凝聚體，這一過程約在1秒至幾秒鐘時間內(nèi)便告完成。因此要求混合設(shè)備在同一較短時間內(nèi)將混凝劑迅速擴(kuò)散至整個水體，這一過程常被人們稱為“快速混合”。只有這樣，才不會錯過凝聚反應(yīng)的最佳條件，不會影響后續(xù)絮凝沉淀的效果。此階段控制速度梯度G＝700～1000s-1，混合時間T＝10～30S，一般不超過2dmin[3]。
3.2 絮凝設(shè)備
　　絮凝設(shè)備是混凝完成過程的最終設(shè)備，該設(shè)備攪拌強(qiáng)度相應(yīng)要小、要溫和，攪拌時間需長些。此階段速度梯度G值應(yīng)漸次減小。目前，國內(nèi)的各大中型水處理廠所采用的控制指標(biāo) G＝20～70s-1，GT＝1×10⁴～1×10⁵。這樣，才能使混合階段順利完成顆粒凝聚、締結(jié)成大顆粒，便于后續(xù)構(gòu)筑物功能的高效發(fā)揮。
　　因此，水處理廠在實(shí)際運(yùn)行中一定要遵循各個階段特點(diǎn)進(jìn)行合理化、科學(xué)化管理操作，否則將影響水處理效果乃至水處理經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)語

　　總之，混凝過程是一個綜合作用過程，該過程涉及到物理、化學(xué)、物理化學(xué)、膠體化學(xué)、水力學(xué)等各方面理論，其中的影響因素有許許多多。針對其特點(diǎn)，人們在這方面的研究（包括理論的、實(shí)際的）也越來越多，使得混凝在水處理中發(fā)揮其最大效用，為后續(xù)各種工藝創(chuàng)造越來越好的條件。

參考文獻(xiàn)：

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　　[3]嚴(yán)煦世，范瑾初.給水工程[M]]北京：中國建筑工業(yè)出版社出版，1999.
　　[4]涂方祥，蔣展鵬，無機(jī)混凝劑的形態(tài)對混凝的影響[J].中國給水排水，1996，（1）：4－6
　　[5]李偉英.寶山鋼鐵（集團(tuán)）公司生活水制水系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)化研究一流動電流檢測儀（SCD）自動控制加藥系統(tǒng)改進(jìn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1998.
　　[6]范躍華，劉滿.應(yīng)用管道混合元件改善混凝效果[J].給水排水，1996，（4）：47－49.

　　作者簡介： 李偉英（1968－），女，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院博士生。