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混凝的机理与影响混凝剂强化混凝机理及因素

泉源：四川PAM作者：59博论坛网化工宣布时间：2020-11-17 11:31:09点击：752次

[导语]：混凝是指加入混凝剂聚合氯化铝使水中的疏散颗粒由于相互作用团结成聚整体而增大的历程。它既是最古老的水质化学净化处置惩罚手艺，又是当今众多水处置惩罚工艺手艺中应用最为普遍、最普遍的单位操作手艺，混凝处置惩罚效果的优劣往往决议后续工艺流程的运行状态、最终出水质量和处置惩罚本钱。

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一、混凝在水处置惩罚中的要害作用

　　混凝是指加入混凝剂聚合氯化铝使水中的疏散颗粒由于相互作用团结成聚整体而增大的历程。它既是最古老的水质化学净化处置惩罚手艺，又是当今众多水处置惩罚工艺手艺中应用最为普遍、最普遍的单位操作手艺，混凝处置惩罚效果的优劣往往决议后续工艺流程的运行状态、最终出水质量和处置惩罚本钱。

　　人们在研究中通常把混凝分为两个历程：凝聚和絮凝。由于混凝剂聚氯化铝的加入使得困绕在胶体颗粒周围的双电层受到压锁而引起脱稳，并通过胶粒碰撞群集而形成尺寸较小的“微絮体”的历程称为凝聚;絮凝则指由于微絮体通过机械或水力搅拌进一步群集成肉眼可见的大絮体的历程。凝聚与絮凝这两个阶段仅是人们在研究混凝机理时为诠释胶体颗粒脱稳沉降的征象，为便于定量定性形貌剖析而提出的。在现实水处置惩罚操作运行中，这两个阶段险些是同步爆发的。

　　混凝处置惩罚的目的就是通过投加混凝剂聚合氯化铝，使用电性中和、吸附架桥、网捕沉淀等作用将污染物凝聚成高质量的矾花，这些矾花可通事后续的沉淀和过滤工序得以去除。沉淀和过滤的目的仅仅是将在混凝处置惩罚中形成的矾花充分、完全地从所处置惩罚的水中疏散出去;消毒处置惩罚的效果与混凝处置惩罚也有亲近的关系�；炷魑虐骞ひ盏牡谝坏郎ば�，制约着后续工艺的处置惩罚效果，成为水处置惩罚的要害，但古板混凝工艺所面临的工具基本上是未受到有机污染的水体。因此古板的混凝是以除浊为主要目的的水处置惩罚工艺。

　　自然水体中有机物，按其在水中保存的形态可分为悬浮态、胶态和消融态三种，悬浮态、胶态通常是些相对分子质量较大、消融度较小的有机物组分，它们的性子与水体中保存的微粒很相似，因此在混凝处置惩罚历程中，它们的去除机理与古板的混凝机理是相似的，即通过电荷中和、吸附架桥得以去除，并且去除率较高(可达80%-90%)。而水中相对分子质量小、消融度较大的有机物，在一样平常混凝条件下去除率很低，主要缘故原由是由于其具有优异的亲水性而不易被混凝剂的水解产品-金属氢氧化物所吸附。

　　据以上所述，古板的提高混凝效果的要领和古板的混凝机理并不包括水中消融性有机污染物的去除，随着水污染的加重，水中消融性有机物的增添使水中的胶体系统平衡爆发改变，有机物的增添使水中无机胶体颗粒稳固性朝增添的偏向转化。消融性NOM对水中无机胶体的稳固性平衡的影响主要缘故原由是其高带电性和强亲水性，由于其包裹和吸附在无机胶体颗粒外貌，使无机胶体的负电性增强，亲水性增添，导致通例的混凝处置惩罚难度增大，水处置惩罚的本钱大幅度上升。

二、强化混凝机理

　　强化混凝的看法由来已久，早在1965年美国AWWA会刊的一篇论文中对此就已有叙述。美国水工业协会在20世纪90年月提出的强化混凝是指水处置惩罚通例混凝处置惩罚历程中，在包管浊度去除效果的条件下，通过提高混凝剂的投加量来实现提高有机物，即消毒副产品(Disinfection By-products/DBPs)的前驱物去除率的工艺历程。

　　强化混凝的界说:通过增添混凝剂聚合氯化铝的投加量或调解pH值，来提高通例处置惩罚中NOM的去除效果，最大限度地去除消毒副产品的前驱物，使饮用水消毒副产品切合饮用水标准的要领。

　　强化混凝主要是通过改善混凝条件使污染物去除规模和去除率进一步扩大和提高，其作用机理叙述如下：胶体稳固性的增添是由于大分子NOM在无机胶体颗粒外貌形成有机�；げ�，造成水中悬浮颗粒和胶体微粒。一样平常以为混凝历程是絮凝剂水解产品对水中胶体举行电中和、使其脱稳，从而形成细小的颗粒继而絮凝为大而密实的矾花，并通过吸附架桥或网捕作用使脱稳的胶体天生粒度较大的絮凝体，再通过沉淀与过滤举行疏散去除。而水中相对分子质量较小、消融度较大的有机物(主要是腐殖酸类中的富里酸等)在一样平常混凝条件下去除率很低。主要缘故原由是由于其具有优异的亲水性而不易被絮凝剂的水解产品--金属氢氧化物所吸附，有机物不但增添了胶体表而电荷，并且造成空间位阻效应。可是，若是通过改善混凝处置惩罚条件，即在低pH值，高絮凝剂用量的强化混凝条件下形成大宗金属氢氧化物，改善絮凝剂水解产品的形态且使其正电荷密度上升，同时低pH值条件会影响有机物离解度和改变水中有机物保存形态。有机物质子化水平提高，电荷密度降低，进而降低其消融度及亲水性。成为较易被吸附的形态。Randtlte以为强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状NOM的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物外貌上的共沉淀作用。对水中消融性的有机物而言，依赖后一种作用即吸附于絮凝剂的金属沉淀物上而去除。例如北京第九水厂的生产实践批注，在相同加药量下，机械搅拌澄清池对有机物和消毒副产品前体物的去除效果要优于反应池沉淀池工艺，其缘故原由就是在机械搅拌澄清池中大宗坚持的矾花可以充分验展其吸附作用，而反应沉淀工艺中矾花形成后即被沉淀去除，其吸附潜力尚未完全施展。

　　一样平常以为，常用的强化混凝要领去除有机物的机理主要包括如下一些：a.加大混凝剂聚合氯化铝投加量，使有机物的水化壳压缩，水解的阳离子与有机物阴离子电中和，消除由于有机物对无机胶体的影响，从而使无机胶体脱稳;b.投加有机(聚丙烯酰胺)或无机絮凝剂(聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、碱式氯化铝)，接纳具有絮凝作用的新型混凝药剂，增添吸附、架桥作用，使有机物易被絮体黏附而下沉;c.由于水的pH值

　　对有机物去除影响显着，当原水pH值较高时可通过加酸来降低pH值，一样平常有机物较多时pH值为5-6的条件下有利于形成腐殖酸、富里酸的聚合物，一样平常在投加混凝剂之前加酸，以促使混凝剂水解形成高价正电荷;d.投加氧化剂，使有机物被氧化，如投加高锰酸钾、次氯酸钠等;e.刷新混淆、絮凝等反应设施，改善混凝水力条件，如从优化混凝搅拌强度等方面加以完善，从而提高混凝反应效果。

三、影响强化混凝的主要因素

　　强化混凝去除NOM，其去除率巨细受混凝剂种类和性子、混凝剂的投加量以及pH值等因素的影响。

四、混凝剂类型的影响

　　混凝剂种类许多，据现在所知，不少于200种。按化学因素可分为有机和无机混凝剂两大类。无机混凝剂主要是铁盐和铝盐及其聚合物;有机混凝剂主要是高分子物质，按基团带电情形分为阳离子型、阴离子型、两性型和非离子型。

　　对强化混凝而言，无机混凝剂要比有机混凝剂效果好。通常以为，在合成有机物的吸附位，只能爆发电中和作用加入NOM(如腐殖酸)的沉淀，以是混凝效果很不睬想。相比之下，无机混凝剂(如铝盐、铁盐等)既具有电性中和、形成难溶络合物，其氢氧化物又能提供外貌，使有机物爆发吸附等优势，以是效果较好。

五、混凝剂投加量的影响

　　强化混凝历程中混凝剂的投加量是提高有机物去除率的主要影响因素，它不但决议了水中胶体的脱稳作用、影响滤后水质，并且还与爆发的絮体数目的几多直接有关。若投量过多，一来会爆发胶体“再稳”征象，二来可能形成过大的絮体，造成滤层外貌大宗截污，不可充分验展滤床过滤深度的截污能力，使滤床水头损失增添过快，而缩短过滤周期。

　　迄今为止胶体脱稳理论还缺乏以允许欠亨过试验而确定混凝剂最佳投加剂量。在试验研究和水厂的生产实践中，一样平常需要通过举行烧杯实验确定差别水质条件下的最佳投加剂量。

六、pH值的影响

　　pH值对混凝效果的影响主要是由于它影响混凝剂的水解速率、产品的保存形态与性能。以铝盐为例，铝盐水解历程中所天生的Al(OH)3胶体物质是典范的两性化合物，当它离解时，既能天生带正电的阳离子，也能天生带负电的阴离子�；炷�，负电性土壤胶体的脱稳凝聚需要大宗正电荷混凝剂，当pH>8.5时，Al(OH)3离解天生铝酸盐，使Al(OH)3胶体带负电:Al(OH)3→AlO2- + H2O + H+

　　当pH<5时，铝在水中的保存状态主要是Al3+、Al(OH)2+，而Al(OH)3数目很低。

　　铁盐水解产品消融度极低，pH值对铁盐混凝剂的影响较小。只有pH<3时铁盐的水解才受到抑制，或在碱性很强的情形下，才有可能重新消融。

　　大宗研究批注，较低的pH值越发有利于混凝去除水中NOM。缘故原由可能是腐殖质的最大吸附爆发在pH值较低时。这时它的ζ电位靠近于零，更容易黏附到絮体颗粒上而获得去除。随着pH值的升高，吸附率逐渐降低。

七、温度的影响

　　低温关于通例混凝具有负面的影响作用，有研究显示，低温并不影响TOC的去除，可是关于相对分子质量小于1000的有机物和色度起负面影响。温度的影响是重大的，低温可能造成水的黏度上升，阻碍混凝剂的扩散和絮体沉降。并且可以影响水解动力学平衡，影响金属氢氧化物的形成。另外影响水的离子积常数，降低离子积常数，从而降低水中氢氧根的浓度。同时，低温可能造成形成的絮体密实度较低、絮体较小，导致疏散效果差。

八、水力条件的影响

　　水力条件对强化混凝效果有主要影响，在混淆阶段，要求药剂迅速而匀称地扩散到水中，为此被处置惩罚水应在短时间内举行强烈紊动;到了反应阶段，要求水的紊动水平逐渐削弱，停留时间延伸，以创立足够的碰撞时机和优异的吸附条件，使细小的絮体继续生长。

九、碱度及原水水质的影响

　　给水中的大宗总有机炭(TOC)通常源于水源中的腐殖质，一样平常只有小于10%的部分是合成有机化合物。这些有机物的含量与加氯后形成的氯化有机物之间呈正相关关系，即TOC含量高时，三卤甲烷总天生量也响应增多。因此，可用TOC去除率来权衡DBP前驱物质的去除效率。

　　D/DBP条例划定了原水差别TOC浓度和碱度情形下有机物的去除率，见表7-1。表7-1说明，若原水的TOC越高、碱度越低，所要求的TOC的去除率就越高，需要投加的混凝剂量就相对较大，反之则要求的TOC去除率越低，混凝剂投药量相对较小。

D/DBP规则中强化混凝需要抵达的TOC去除率表7-1
c(TOC)/(mg/L)	c(CaCO3)＜60mg/L	c(CaCO3)=60-120mg/L	c(CaCO3)＞120mg/L
2-4	40%	30%	20%
4-8	45%	35%	25%
＞8	50%	40%	30%

十、强化混凝的主要要领

　　当单独使用某种混凝剂处置惩罚的水质不可抵达预期效果时，需投加一种或多种辅助药剂以用于提高混凝效果、包管出水效果，其作用主要包括调理pH值、破损亲水性有机杂质的稳固性、改善絮凝体结构、降低共存杂质的倒运影响等。

十一、增添混凝剂投加量

　　通过增添混凝剂投量，增添颗粒物加入吸附架桥与卷扫等作用的时机，使用于胶体群集稳固性破损，可提高混凝效果。差别水质对混凝剂用量的要求差别，混凝剂对水中大分子有机物和憎水性有机物有较好效果。通过增大药剂投量强化混凝，可使水中的NOM的去除率大于60%。且关于TOC>5mg/L的水，强化混凝的处置惩罚效果与臭氧、活性炭吸附等高级处置惩罚手艺相当，并且无机混凝剂的混凝效果好于有机高分子混凝剂。

十二、调解pH值

　　当原水pH值较高时，可通过加酸来降低pH值。pH值为5.0-6.0时有利于形成腐殖酸、富里酸的聚合物，有机物的去除效果较好。一样平常在混凝剂投加前加酸，以促使混凝剂水解形成高价正电荷。

十三、投加复合药剂

　　多种混凝剂复配使用，通过多种混凝剂的协同作用，有利于胶体稳固性的破损，从而提高对目的污染物的去除效率。现在可以用于强化混凝的药剂有许多种，包括一些新型的混凝剂及助凝剂，主要有以下几种类型。

(1)高锰酸钾及其复合盐类

　　高锰酸钾作为强氧化剂，可以降解有机物，抑制藻类生长。高锰酸钾复合药剂由高锰酸钾(主剂)和其他多种药剂(辅剂)组成。复合药剂的最佳配比与水质有关。主剂和辅剂在预处置惩罚中具有极好的协同作用，具有优异的助凝作用，能有用地去除有机污染物和降低致突变活性;投加利便、无邪，易于运行治理，使用较为清静可靠。高锰酸盐复合药剂是使用高锰酸钾氧化历程中爆发的中心价稳态物质，来提高除污染效率。高锰酸钾被还原后爆发的差别价态的中心产品，如Mn(VI)、Mn(V)、Mn(IV)、Mn(III)等可能是提高高锰酸钾除污效率的要害之一。有文献批注，其中Mn(V)是一种具有极强氧化能力的中心态因素，其氧化还原电位E㈠=Mn(V)/Mn(IV)高达4.27V，由于Mn(V)能够通过架桥与有机物形成五元环结构，有利于电子转移，因而易于将有机物剖析破损。但锰的中心价态因素Mn(V)极不稳固，保存时间通常在毫秒级以下，一样平常在与有机污染物作用之前即可能已经转化为低价态因素。怎样控制和使用中心产品，是提高除污染效能的要害环节。要使用中心价态产品，必需具备两方面的条件，首先必需使用某些要领增进中心价态产品的爆发，其次是中心价态爆发后要使其稳固并有一定的存活时间以包管其与水中有机物污染物爆发反应。

(2)高铁酸盐及其复合盐类

　　高铁酸盐是一种选择性十分优异的强氧化水处置惩罚药剂，是铁的六价保存形态，在水中具有极强的氧化性和高效混凝与助凝作用。其在标准状态下的氧化势高达2.20V，甚至高于臭氧(氧化势为2.07V)，可以有用地去除饮用水中的优先控制有机污染物，在水处置惩罚中可同时施展氧化、絮凝、吸附、共沉、杀菌、消毒等协同作用，几不爆发任何有毒、有害副产品，具有很大的应用潜力。

　　Murmann和Bobinson首先提倡使用Fe(VI)作为水的氧化、混凝和消毒的多功效水处置惩罚剂。随后，众多的Fe(VI)作为新的水处置惩罚药剂的应用被开发出来，FeO24-既可充当氧化剂又可充当絮凝剂的奇异能力在情形�；ぶ杏行矶嘤τ��；炷怯捎贔e(VI)还原天生Fe(III)，当pH值升高时，Fe(III)易于形成不溶的Fe(OH)3絮体，随后用Fe(OH)3网捕污染物，Fe(OH)3絮体可用过滤去除或沉淀到反应容器的底部，Fe(OH)3是FeO24-氧化的唯一副产品。

　　另外，有研究批注，高铁酸盐复合药剂可显著地提高对低温低浊水的混凝效果，不但可有用地降降低后与滤后水浊度、色度等，并且还具有显着的消毒效果。由于高铁酸盐复合药剂具有高效、多功效的特点，且本钱不高，因而具有优异的生长与应用远景。

(3)预臭氧化

　　臭氧氧化的主要功效不在于降低以TOC为代表的水中有机物总量，而是改变了有机物的性子和结构。臭氧化使得一些NOM更不易腐殖化;使高分子NOM酿成低分子NOM，增添它们的极性，亲水性和酸性功效团浓度;形成更多的羟基，碳基和羧基，镌汰了双键和环状结构。

　　关于臭氧氧化对混凝的影响说法纷歧。一方面，预臭氧化通过矿化，挥发和/或解吸反应直接去除有机物，相关于无臭氧化的系统来说，提高了去除率;另一方面，预臭氧化降低了由可水解金属盐混凝后形成的絮体的外貌电荷，阻碍了絮体外貌对阴离子有机分子的吸附去除量和/或引起稳固絮体形成这种转变降低了有机物的去除率。外洋有些研究以为，臭氧作为混凝预处置惩罚，可以提高NOM的微絮凝作用，镌汰古板混凝剂聚合氯化铝用量。海内关于奥氧化后混凝的处置惩罚效果也有差别的效果，有人以为通过臭氧氧化不但可以提高腐殖酸的生物可降解性，并且臭氧不与水中有机物反应天生三卤甲烷，有助于提高絮凝效果，镌汰混凝剂的投加量。若先用臭氧氧化将一些亲水性有机物分子结构中引入氧，再与其他含氢有机物爆发缔合，形成缔合度较大的胶束，当聚合度足够大时，水溶性最先降低，疏水性增大，此时如加入少量混凝剂。则很容易爆发混凝沉淀析出而被除去。

　　NOM的臭氧化产品中包括不少醛类物质，一些醛类如甲醛、乙醛、乙二醛等的毒性问题现在也引起了人们的关注。Edwards和Benjamin研究预臭氧化对混凝剂和NOM的相互作用发明：增添臭氧的量导致铁盐和铝盐混凝剂的金属剩余量增添。在接纳奥氧法处置惩罚时，若是有溴离子保存，会天生三卤甲烷、卤代乙酸和溴酸根离子。以是当原水中溴离子浓度高时，不适合接纳顶预氧化的强化混凝法。

(4)粉末活性炭

　　粉末活性炭对水中的小分子有机物(相对分子质量<3000)有很好的吸附作用，有利于在清水历程中去色除味。

　　在强化混凝时加粉末活性炭有几个优点：a.粉未活性炭可以镌汰用来获得要求的TOC去除率所需的化学混凝剂剂量，这样也镌汰了化学药剂的用度。b.粉末活性炭可使混凝在较高的pH值下举行，这样镌汰了混凝中用来降低pH的酸的量，并且也镌汰了沉淀后用来把处置惩罚后水的pH值提高到一个可接受的位所需碱的量;c.只管粉末活性炭增添了污泥量，可是较低的Al2(SO4)3·18H2O剂量可镌汰所爆发的净污泥量，d.加粉未活性炭是一种用来处置惩罚不易用化学混凝去除但吸附可行的含有机物的水的经济有用要领。

　　别的，有研究发明，若是与高锰酸钾举行组合使用，则可以爆发协同作用，处置惩罚效果更为显著�；炷扇コ蠓肿恿康挠谢�，粉末活性炭可去除一部分小分子量的有机物，两者的配合使用可提高有机物的去除效果。先投加混凝剂，后投加粉未活性炭，由混凝剂先将大分子量的有机物去除，会提高粉末活性炭的去除效果。

(5)其他助凝剂

　　如石灰乳、氢氧化钠、碳酸氢钠等，可以用于调理pH值及碱度，有利于矾花的形成。石灰乳中的CaCO3沉淀自己可提供凝聚的焦点且有一定的吸附性能，其效果一样平常优于NaOH，弱点是析出泥量较多，后续处置惩罚负但加重。

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