第16章 物理化学处理(混凝)

污水的化学处理是利用化学反应的作用以去除水中的杂质。

处理对象主要是污水中无机的或有机的(难于生物降解的)溶解物质或胶体物质。

常用的化学处理方法有化学混凝、中和法、化学沉淀法和氧化还原法。物理化学法有吸附法、离子交换法、萃取法和膜析法等。

一、混凝机理

混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。

凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。

混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。

（一）水中胶体的稳定性

胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”两种。动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定性对胶体稳定性的影响起关键作用。

1. 胶体颗粒的双电层结构

胶核（胶体分子聚合而成的胶体微粒），表面吸附了某种离子（电位形成离子）而带电，由于静电引力，势必吸引溶液中异号离子到微粒周围（反离子），这些反离子同时受到静电引力和热运动扩散力。吸附层随胶核一起运动）――靠近胶核表面处，异号离子浓度大，结合紧密扩散层（大部分运动时被甩掉，甩掉后剩下的面，叫滑动面）――离胶核远，反离子浓度小，结合松散。

2.胶体之间的相互作用:胶体颗粒之间的相互作用决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥力与范德华引力产生。

胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系。当胶体距离xoc时，吸引势能占优势；当oa

胶体的布朗运动能量大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。

（二）混凝机理

1．电性中和作用机理

（1）压缩双电层.加入电解质，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。该机理认为 电位最多可降至0。因而不能解释以下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。

（2）吸附－电性中和.这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低 电位。其特点是：当药剂投加量过多时， 电位可反号。

2．吸附架桥.吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥。高分子絮凝剂投加后，可能出现以下两个现象：①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；②投加过多，会出现“胶体保护”现象，见下图。

3．网捕或卷扫。金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。

4、硫酸铝的混凝机理。不同pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量、pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。pH＜3简单的水合铝离子起压缩双电层作用；pH＝4-5 多核羟基络合物起吸附电性中和；pH=6.5-7.5氢氧化铝起吸附架桥；如果分子量不同的两种高分子物质同时投入水中，分子量大者优先被胶粒吸

附；如果先让分子量较低者吸附然后再投入分子量高的物质，会发现分子量高者将慢慢置换分于量低的物质。在给水处理中，因天然水的pH值通常总是大于3，故压缩双电层作用甚微。

5、影响水混凝的主要因素：①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；

②投加的凝聚剂种类与数量；③使用的絮凝设备及其相关水力参数。

（1）水温影响水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：①无机盐水解吸热；②温度降低，粘度升高――布朗运动减弱；③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；④水温与水的pH值有关。

（2）水的pH和碱度影响。水的pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。混凝时最佳pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。当投加金属盐（铝盐、铁盐）类混凝剂时，其水解会生成H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。

（3）水中悬浮物浓度的影响。杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效果差。可采取的对策有：①加高分子助凝剂；②加粘土③投加混凝剂后直接过滤。如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。

二、混凝剂和助凝剂

（一）混凝剂应符合以下要求：①混凝效果好；②对人体无危害；③使用方便；④货源充足，价格低廉。与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；④但三氯化铁腐蚀性较强。

硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。

聚合氯化铝：又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度B，按下式计算：

聚合铁：包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。

（二）助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加混凝，也可不参加混凝。广义上可分为以下几类：①酸碱类：调整水的pH，如石灰、硫酸等；②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸（SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加Cl2、O3等。

三、混凝动力学

（一）基本概念

混凝动力学：研究颗粒碰撞速率。

颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。异向絮凝——由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。同向絮凝——由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝。

（二）异向絮凝

絮凝速率决定于碰撞速率。假定颗粒为均匀球体，由费克(Fick)定律，可导出颗粒碰撞速率。由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒的数量浓度平方成正比，而与颗粒尺寸无关。实际上，只有小颗粒才具有布朗运动。随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱。当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本消失。因此，要使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还要靠流体运动的推动来保使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。

（三）混凝控制指标

从药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。