天然水体中含有大量细小的粘土颗粒,粒径很小属于胶体物质,不能自由沉淀。水中含有的许多细小的悬浮物质,如藻类、细菌、细小的颗粒物等。也难于沉淀。混凝处理是向水中投加混凝剂,使水中的胶体颗粒和细小的悬浮物相互凝聚变大,形成具有沉淀性能良好、尺寸较大的絮状颗粒(矾花),使之在后续的沉淀工艺中能够有效地从水中重力沉淀下来。此法适用于含有胶体颗粒与悬浮物水源的处理、含有胶体颗粒的工业废水的处理。混凝处理对水中某些溶解状的无机和有机污染物、色 度、臭等也有一定的去除效果。

投药是混凝工艺的必要前提。混合和反应是混凝工艺的两个阶段。为了提高凝效果,结合原水水质选用性能良好的药剂,创造适宜的化学和水力条件,是混凝工艺上的技术关键。

一、混凝机理

(一)水中胶体的稳定性

粒度微小的胶体颗粒具有十分巨大的比表面值,因此相交界面自由能也很大。根据这一界面特性理应使胶体颗粒能彼此聚集以形成较大的颗粒,并从溶液中分离出来。但是,实际上的胶体系统却可长期保持稳定,而不产生微粒的彼此凝聚颗粒具有特殊的结构和电荷特性。

根据胶体化学的理论,胶体颗粒的中心是胶核,胶核是一个由许多个原子或分子构成的微粒。胶核表面拥有一层离子,称为电位离子。胶核由于电位离子的存在而带有电荷。电位离子的静电作用把溶液中带相反电荷的离子(称为反离子〉吸引到胶核的周围,直到吸引离子的电荷总量与电位离子的电荷量相等为止。这样,在胶核与溶液的界面区域就形成了双电层,如图6-3所示。

图6-3 胶体双电层结构和电动电位示意图

内层为胶核固相的电位离子层,外层为液相中的反离子层。电位离子同胶核结合紧密;而反离子则由于通过静电引力的作用相互联系,因而结合较松散。胶体微粒在溶液中不断运动时,除了电位离子随胶核一起运动外,紧靠胶核的一部分反离子也与胶核一起运动,这部分反离子层称为吸附层,另一部分反离子并不随胶核一起运动,而不断由溶液中的其他反离子所取代,这一部分反离子层称为扩散层。在吸附层与扩散层界面处的电位称为电动电位或£电位。

胶体颗粒的这一电荷特性,使两个带有同号电荷的颗粒彼此接近到扩散层交联时,将产生静电斥力。斥力的大小随着颗粒间距的减小而增加。这一斥力的存在,成了同号胶体颗粒不能彼此聚集的主要原因。

造成胶体颗粒稳定的另一个因素是水化作用。由于胶体颗粒带有电荷,可在颗粒表面形成一定的水化膜,阻碍颗粒间的相互聚集。

胶体系统除了由静电斥力和水化作用而具有稳定性外,同时还存在着使胶体颗粒能彼此聚集的不稳定作用。这就是颗粒间的范德华引力和颗粒的布朗运动。

范德华引力随颗粒间距离的减小而增大。胶体系统中的分散微粒不停地进行布朗运动。布朗运动使胶体颗粒具有一定的动能。当微粒的动能足以克服阻碍颗粒接近的能峰时,颗粒就会聚集起来。

天然水体中胶体颗粒究竟是否稳定将取决于其稳定因素和不稳定因素的相互作用程度。在大多数情况下,供水水源的胶体系统都已处于平衡状态,因而是相对稳定的。为了去除这些物质就需要破坏这些胶体的稳定状态。

(二)胶体脱稳

为使胶体颗粒能通过碰撞而彼此聚集,就需要消除或降低胶体颗粒的稳定因素,这一过程称为脱稳,给水处理中,胶体颗粒的脱稳可分为两种情况:一种是通过凝集剂的作用,使胶体颗粒本身的双电层结构起了变化,£电位降低或消失,胶体稳定性破坏;另一种是胶体颗粒的双电层结构未起多大变化,主要是通过凝聚剂的媒介作用,使颗粒彼此聚集。严格地说来,后一种情况不能称为脱稳,但从水处理的实际效果而言,两者都达到了使颗粒彼此聚集的能力,因此习惯上都称之为脱稳。

胶体的脱稳方式因采用聚集剂品种和投加量、胶体颗粒的性质及介质环境等多种因素而变化,一般可分为以下几种:

1.压缩双电层

水处理所去除的胶体主要为带负电荷的胶体〔粘土和细菌等〉,当向水中投加电解质盐类时,水中的离子浓度将增加,这就使胶体颗粒能较多的吸引水中反离子,其结果使扩散层的厚度减小,£电位降低,可以起到压缩双电层的作用。扩散层减小或£电位将使颗粒之间作用的斥力大为减小,这就有可能使颗粒聚集。按照这一机理,高价电解质离子将优于低价电解质离子。这种机理以前曾被认为是水处理混凝的主要原理,但就目前的认识水平来看,在大多数情况下,这种机理并不重要。

2.吸附电中和

胶体表面通过与带异号电荷的离子、带异号电荷的胶粒或大分子中带异号电荷部分的静电吸附,中和了原来胶粒所带的电荷。当采用铝盐或铁盐作为凝聚剂时,随溶性PH值的不同可以产生各种不同的水解产物。当PH值较低,水解产物带有正电荷,给水处理中的原水的胶体颗粒多为带负电荷的,因而带正电荷的铝或铁盐的水解产物可以对原水胶体颗粒的电荷起中和作用。由于水解产物形成的胶体与原水胶体带有不同的电荷,因而当它们接近时,总是相互吸引的,这就导致颗粒的相互聚集,如图6-4 (a)所示。这种凝聚机理在水处理中很重要。铝盐、铁盐及阳离子型聚合物都可通过这一机理而到达凝聚。

3.沉淀物的卷扫或网捕

铝盐、铁盐产生的大量氢氧化铝、氢氧化铁沉淀物能够直接网捕、卷扫水中的胶体颗粒,即水中胶体颗粒直接吸附在已形成的大絮体上,而不是从胶体小颗粒相互聚集长大。如图6-4 (b)所示。欲去除的胶粒越多,沉淀的速度越快,因而当水中的胶体物质较多时,凝聚剂的投加量反而减少。这一机理在给水处理中很重要。

4.吸附架桥

不仅正负电荷胶体间可以相互吸附架桥,一些不带电荷设置带有与胶粒同性电荷的高分子物质,通过氢键、范德华力等与胶粒也有吸附作用,当向溶液投加高分子物质时,一个高分子聚合物的分子可以吸附多个胶粒,从而破坏了胶体系统的稳定性,如图6-2 (c)所示。高分子物质的过量投加或强烈搅拌都可能破坏吸附架桥作用,反而使溶液产生再稳。