李偉英
（同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 22092）

　　摘　要：從混凝的工藝特點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——凝聚和絮凝的特點及其影響因素進行論述。通過理論分析，結合實際運行，指出實際生產中混凝階段應注意的問題和適合的技術指標。
　　關鍵詞：混凝；絮凝；凝聚
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：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

　　經過多年的實踐與研究，給水排水處理工藝日臻成熟。在原水和廢水中都存在著數量不等的膠體粒子，如粘土、礦物質、二氧化硅或工業(yè)生產中產生的碎屑等，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

　　在一些國外有關文獻中，“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。本文參考有關文獻[1]及外語工具書，通過對這兩者實質的分析，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使水中的細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菌等懸浮固體的存在性質和狀態(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?；炷A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成，它決定了水中懸浮雜質顆粒聚結程度、顆粒成長的質量及其降解特性，是水處理工藝中至關重要的環(huán)節(jié)。水處理中的凝聚和絮凝過程與混凝之關系可用圖1表示。

1.2 凝聚(coagulation）^[2]
　　是顆粒脫穩(wěn)及其聚結的前步，此時膠體顆粒間的斥力由于物理的或化學的某種效應而部分地去掉，其擴散層被壓縮，ζ電位降低，從而使得膠體顆?？赡苷辰Y在一起的現象或過程。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動進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生成呈“絮狀”的大顆粒而進行卷掃、沉淀分離的過程，該過程緊接著凝聚過程進行。簡言之，絮凝是指“微絮凝體”（microfloc）再通過機械或水力攪拌進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理時，為了方便解釋膠體顆粒脫穩(wěn)沉降的現象、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，但在實際的水處理操作運行中，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散層發(fā)生重疊時，同時存在產生排斥力（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，排斥勢能見隨著顆粒之間距離X的增大而按指數關系減少，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，當兩膠粒表面間距X＝oa+oc時，ER占優(yōu)勢；只有當X＜oa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。
　　相應地，在實際操作時，藥液投加的初期即凝聚階段應快速攪拌，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，當絮體形成之后，為防止其破碎，攪拌強度越來越緩，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：在水力或機械攪動下，已聚結的顆粒既不沉淀又不破碎；從動力條件方面看，則更直觀，即要求反應液運動先快后慢；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構、特性，使得水流在攪拌設備附近產生壓力差、形成渦旋，從而使顆粒得以發(fā)生多次接觸、變化、聚結。

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，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。其次低溫水粘度大，布朗運動強度較弱，從而顆粒彼此之間的碰撞機會變小，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。雖然經過許多年的研究，低溫水至今仍為需進一步研究之課題。
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]。例如當把混凝劑Al₂（SO₄）₃.18H₂O對投加到水中，當水溶液的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，對于其他無機混凝劑亦有同樣性質。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（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小顆粒，色度較重，因此混凝劑應為高電荷物質，以發(fā)揮壓縮雙電層作用。
2.4 混凝劑的性質與投加量
　　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鍵，它不僅決定了水中膠體的脫穩(wěn)作用、影響濾后水質，而且還與產生的絮體數量的多少直接有關。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；若投量過多，一來會發(fā)生膠體“再穩(wěn)”現象，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（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行處理，其混凝劑的投加量則是燒杯攪拌試驗（jar test）確定量的（3/5～2/3）^[5]。

3 設備與操作管理

3.1 混合設備
　　其主要功能就是使藥劑能夠迅速擴散到所處理的水中。因此要求運行中攪捍強度要大、攪拌時間短（尤對鐵鹽和鋁鹽混凝劑而言）?；旌显O備可以通過水力和機械手段完成，其設計與選型的好壞，不但直接影響凝聚效果而且還直接影響后續(xù)絮凝工序。當代凝聚機理研究表明^[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物，膠體雜質顆粒吸附這些水解產物進一步形成微凝聚體，這一過程約在1秒至幾秒鐘時間內便告完成。因此要求混合設備在同一較短時間內將混凝劑迅速擴散至整個水體，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 絮凝設備
　　絮凝設備是混凝完成過程的最終設備，該設備攪拌強度相應要小、要溫和，攪拌時間需長些。此階段速度梯度G值應漸次減小。目前，國內的各大中型水處理廠所采用的控制指標 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、締結成大顆粒，便于后續(xù)構筑物功能的高效發(fā)揮。
　　因此，水處理廠在實際運行中一定要遵循各個階段特點進行合理化、科學化管理操作，否則將影響水處理效果乃至水處理經濟指標。

4 結語

　　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、物理化學、膠體化學、水力學等各方面理論，其中的影響因素有許許多多。針對其特點，人們在這方面的研究（包括理論的、實際的）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：

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　　[2]許保玖，安鼎年.給水處理理論與設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社出版，1992.
　　[3]嚴煦世，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）公司生活水制水系統(tǒng)技術優(yōu)化研究一流動電流檢測儀（SCD）自動控制加藥系統(tǒng)改進研究[D].上海：同濟大學，1998.
　　[6]范躍華，劉滿.應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，同濟大學環(huán)境工程學院博士生。