混凝沉淀技术在污水处理中的应用

混凝沉淀技术在污水处理中的应用

摘要：水是生命之源，它孕育和滋养了地球上的一切生命．并从各个方面为人类社会服务。水资源的短缺和水环境污染已经严重威胁着人类的健康和安全，制约着经济的进一步发展。水资源保护和水污染防治已成为人类能否实施可持续发展战略的关键问题，引起全世界的普遍关注。

关键词: 水环境污染 混凝沉降 混凝剂 资源利用

1前言

随着我国经济的迅速发展,人口的增加,人民生活水平的逐步提高,工业化和城市化步伐的加快,用水量急剧增加,污水排放量也相应增加,加剧了淡水资源的短缺和水环境的污染,使地表水,尤其是城市河流水水质逐年变差,水质恶化失去了水源水的利用价值。为保证水资源的可持续利用,解决水环境污染问题,国内外在水处理方面做了大量工作,开发了多种水处理工艺,如生化法、离子交换法、吸附法、化学氧化法、电渗析法和污水生态处理技术等。与这些方法相比,混凝沉淀法以其处理效率高、经济、简便的特点成为世界各国普遍使用的一种水质处理技术。

2混凝沉淀的应用

2.1混凝沉淀的基本原理

废水中的胶体物质具有巨大的比表面积，可以吸附液体介质中的正离子或负离子或极性分子等，使固液两相界面上的电荷呈不平衡分布，在界面两边产生电位差，这就是胶体微粒的双电层结构。形成双电层结构的微粒的整个胶体结构就称为胶团，整个胶团是电中性的。胶团中心是带有电荷的固体微粒本

身，称为胶核。胶核所带电荷的符号就是胶体所带电荷的符号。胶体微粒之所

以能在水中保持稳定性，原因在于

胶体粒子之间的静电斥力（胶体常

常带有同种电荷而具有斥力）、胶

体表面的水化作用及胶粒之间相互

吸引的范德华力共同作用。胶体微

粒带电越多，其电位就越大，带电

荷的胶粒和反离子与周围水分子发

生水化作用越大，水化壳也越厚，越具有稳定性。向水中投加药剂，使胶体失

去稳定性而形成微小颗粒，而后这些均匀分散的微小颗粒再进一步形成较大的

颗粒，从液体中沉淀下来，这个过程称为凝聚。这种过程一般分为3种作用形式：压缩双电层作用、吸附电性中和、吸附架桥作用和沉析物网捕作用

2.1.1压缩双电层作用

水中粘土胶团含有吸附层和扩散层，合称双电层。双电层中正离子浓度由

内向外逐渐降低，最后与水中的正离子浓度大致相等。因此双电层有一定的厚度。如向水中加入大量电解质，则其正离子就会挤入扩散层而使之变薄；进而

挤入吸附层，使胶核表面的负电性 降低。这种作用称压缩双电层。 （胶体双电层结构）

也就是说通过加入电解质压缩扩散层而导致胶粒脱稳凝聚的作用机理。脱

稳：胶粒因ζ电位降低而失去稳定性的过程；凝聚：脱稳胶体相互凝结形成微小絮凝体的过程。【1】

2.1.2 吸附-电中和作用：

对于混凝剂投量过多而使胶体重新稳定的现象，可以用电中和作用机理解释：若混凝剂投加量过多，会使水中原来带负电荷的胶体变化为正电荷的胶体，这是因为胶核表面吸附了过多正离子的结果，从而使胶体又重新稳定。

若混凝剂投加量适中，带有正电荷的高分子物质或高聚合离子吸附了带负电荷的胶体离子以后，就产生电性中和作用，从而导致胶粒ζ电位的降低，并达到临界电位，再通过吸附作用，使胶体达到脱稳凝聚的目的。

2.1.3吸附架桥作用：

对高分子絮凝剂，有的表面不带电，为非离子型，有的表面带负电荷，仍然能对负电荷的胶体杂质起混凝作用，这个现象可用吸附架桥作用机理来解释。

高分子絮凝剂为线性分子、网状结构， 其中碳碳单键一般情况下是可以旋转的，聚合度较大，即主链较长，在水介质中主链是弯曲的，其表面积较大，吸附能力强。在主链的各个部位吸附了很多固体颗粒，就象是为固体颗粒架了许多桥梁，让这些固体颗粒相对地聚集起来形成大的颗粒。【2】

（高分子物质或高聚合物在不同情况下对胶粒的吸附架桥作用）

2.1.4 絮体的网捕作用：

无机混凝剂（如铝盐或铁盐）投量很多时，会在水中形成高聚合度的多羟基化合物的絮体或大量氢氧化物沉淀，形成一张絮凝网状结构，在沉淀过程中可以吸附、卷带水中胶体颗粒共同沉淀，此过程称为絮凝剂的网捕作用机理，是一种机械作用。

对于低浊度水，可以利用这个作用机理，在水中投加大量混凝剂，以达到去除胶体杂质的目的。

2.2混凝剂的种类

常用的混凝剂有无机絮凝剂、有机高分子絮凝剂、生物絮凝剂等。无机絮凝剂主要产品有硫酸铝、聚合氯化铝、三氯化铁、硫酸亚铁和聚合硫酸铁、聚合硅酸铝、聚合硅酸铁、聚合氯化铝铁、聚合硅酸铝铁和聚合硫酸氯化铝等。有机高分子絮凝剂以聚丙烯酰胺类产品为代表，生物絮凝剂是一类由微生物产生的具有絮凝能力的高分子有机物，主要有蛋白质、黏多糖、纤维素和核酸。下面简单介绍部分常用的混凝剂。

2.2.1聚合氯化铝（又称碱式氯化铝PAC）

聚合氯化铝是应用最广泛的一种絮凝剂，它在常温下化学性能稳定，久储不变质，固体裸露易吸潮，但不变质，无毒无害，溶液为无色至黄褐色透明状液体，聚合氯化铝易溶于水并易发生水解，水解过程中伴随有电化学、凝聚、吸附、沉淀等物理化学现象。相对于硫酸铝而言，聚合氯化铝混凝效果随温度变化较小，形成絮体的速度较快，絮体颗粒和相对密度都较大，沉淀性能好，投加量较小。

聚合氯化铝适宜的PH值范围在5-9之间，最佳处理范围在6-8之间。PAC处理水体适应力强，反应快、耗药少、制水成本低，矾花大，沉降快，滤性好，可提高设备利用率。但是PAC过量投加一般不会出现胶体的再稳定现象。聚合氯化铝水溶液呈弱酸性，PH值在5.5-6.0，对设备的腐蚀性很小。

【3】

2.2.2 聚合硫酸铁（PFS）

聚合硫酸铁简称固体（聚铁），形态淡黄色无定型粉状固体，极易溶于水，水溶液随时间有浅黄色变成红棕色透明溶液。在产品的储存的使用过程中，聚合硫酸铁对设备基本无腐蚀作用。聚合硫酸铁投药量低，而且基本不用控制液体的PH值。与铝盐相比，聚合硫酸铁絮凝速度更快，形成的矾花大，沉降速度更快；另外，它还具有脱色、除重金属离子、降低水中COD、BOD浓度的作用；但是其出水容易显黄色。

2.2.3 聚丙烯酰胺（PAM）

聚丙烯酰胺按离子特殊性分类，可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性酰胺四种。阳离子酰胺主要用于水处理，阴离子酰胺主要用于造纸、水处理，两性酰胺主要用于污泥脱水处理。聚丙烯酰胺易溶于冷水，分子量对溶解度影响不大，但高分子量的酰胺浓度超过质量分数10%以后，会形成凝胶状态。溶解温度超过50度，PAM发生分子降解而失去助凝作用。因此溶解聚丙烯酰胺时要用45-50度的温水最为适宜。配制聚丙烯酰胺溶液一般配成质量浓度为0.05-2%，阳离子酰胺粘度较小，可配制成浓度较大的溶液，阴离子酰胺粘度较大，可适当配制成浓度较小的溶液。配制溶液时不可浓度过大，否则不容易控制加药量，容易造成加药过量。聚丙烯酰胺的加入量很小，一般加药量

在0.1-2ppm。聚丙烯酰胺溶液用于处理废水时，加药后的絮凝效果与搅拌时间与搅拌有关。当已经形成大块絮凝时，就不要再继续搅拌，否则会使已经形成的较大矾花被打碎，变成细小的絮凝体，影响沉降效果。

3影响混凝效果的因素

影响混凝效果的因素比较复杂，其中主要由水质本身的复杂变化引起，其次还要受到混凝剂以及混凝过程中水力条件等因素的影响。

3.1水质的影响：

工业废水中的污染物成分及含量随行业、工厂的不同而千变万化，而且通常情况下同一废水中往往含有多种污染物。废水中的污染物在化学组成、带电性能、亲水性能、吸咐性能等方面都可能不同，因此某一种混凝剂对不同废水的混凝效果可能相关很大。另外有机物对于水中的憎水胶体具有保护作用，因此对于高浓度有机废水采用混凝沉淀方法处理效果往往不好。有些废水中含有表面活性剂或活性染料一类污染物质，通常使用的混凝剂对它们的去除效果也大多不理想。

3.1.1水体碱度的影响：

碱度（HCO-）指水中含碱物质的多少

铝盐的水解反应：Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+

可以看出，水解过程不断产生H+，会导致水的pH值不断下降，要使水的pH值保持在最佳范围，则水中应有足够碱性物质与H+中和。当原水的碱度不足或混凝剂投量较多，水中产生大量H+时，必须投加石灰等碱性物质来中和水解过程中产生的H+。【3】

3.1.2 水体pH值的影响：

每种絮凝剂都有它适合的PH值范围，超出它的范围就会影响絮凝效果。比如对于铝盐，由于不同pH值的铝盐水解以后产物的形态不同，混凝的效果也不一样。铝盐水解以后生成的是具有两性的氢氧化铝，在酸性条件下，pH<4时氢氧化铝易溶于水，其反应为：Al(OH)3+3H+=Al3++3H2O此时铝盐在水中以大量的铝离子Al3+形式存在，由于铝离子没有吸附架桥作用，不能使水中杂质粘结在一起，因此混凝效果不好。而在碱性条件下，当PH值大于8时，氢氧化铝也溶于水，其反应为：[Al(OH)2(H2O)3]-+H2O=[Al(OH)4(H2O)2]-+H3O+

所以，当选用铝盐如聚合氯化铝为混凝剂时，pH值应控制在6.5-7.5之间最为合适，这时才能形成稳定的氢氧化铝胶状沉淀。

3.1.3 水温对混凝效果也有影响：

无机盐混凝剂的水解反应是吸热反应，水温低时不利于混凝剂水解。水的粘度也与水温有关，水温低时水的粘度大，致使水分子的布朗运动减弱，不利于水中污染物质胶粒的脱稳和聚集，因而絮凝体形成不易。水温低时胶体水化作用增强，妨碍胶体凝聚，升高水温絮凝效果则会提高，在低温条件下，必须增加絮凝剂用量。但是水温过高，形成的絮凝体细小，污泥含水率增大,难以处理。所以水温过高或过低对絮凝均不利。一般水温条件宜控制在20-30℃。

3.2水力学条件及混凝反应的时间的影响：

把一定的混凝剂投加到废水中后，首先要使混凝剂迅速、均匀地扩散到水中。混凝剂充分溶解后，所产生的胶体与水中原有的胶体及悬浮物接触后，会形成许许多多微小的矾花，这个过程又称为混合。混合过程要求水流产生激烈的湍流，在较快的时间内使药剂与水充分混合，混合时间一般要求几十秒至2分钟。混合作用一般靠水力或机械方法来完成。

在完成混合后，水中胶体等微小颗粒已经产生初步凝聚现象，生成了细小的矾花，其尺寸可达5μm以上，但还不能达到靠重力可以下沉的尺寸（通常需要0.6～1.0mm以上）。因此还要靠絮凝过程使矾花逐渐长大。在絮凝阶段，要求水流有适当的紊流程度，为细小矾花提供相碰接触和互相吸附的机会，并且随着矾花的长大这种紊流应该逐渐减弱下来。

反应时间（T）一般控制在10～30mim。

另外絮凝剂的投加量、性质和结构、混凝剂的选择等也对混凝效果有很大的影响。

2.4混凝剂的应用现状

絮凝剂在给水与废水处理和生产过程的固液分离中占有重要的地位。以给水处理为例,首先,絮凝能有效脱除80%~95%的悬浮物质和65%~95%的胶体物质,对降低水中COD值有重要作用;再者,絮凝对除去水中的细菌、病毒效果稳定,通过絮凝净化,一般能把水中90%以上的微生物与病毒一并转入污泥,使处理水的进一步消毒、杀菌变得比较容易;此外,日益受到重视的水体富营养化、废水脱色等问题,采用无机絮凝剂比生物法除磷脱色效果好;最后,污泥脱水是当今废(污)水处理的主要问题,迄今最可行的办法是投加适当的阳离子高分子絮凝剂,改善污泥性状,以便下一步机械脱水处理。

3混凝剂的研究方向及发展前景

3混凝剂的研究方向及发展前景

混凝技术是目前国内外广泛使用的既经济又简单的水处理技术,在给水的净化处理和污水处理中都有着普遍的应用。混凝作用的基本原理是通过向混浊水中投加各种无机或有机混凝剂,使分散的胶体颗粒与溶解态的混凝剂之间产生固

相与液相之间的化学吸附、电中和脱稳以及粘结架桥的作用,经过脱稳颗粒间的碰撞结合,形成较大的絮凝体颗粒而迅速沉降,从而达到加速混浊水澄清的目的。

随着科学技术的发展,絮凝剂正从品种单一向多样化转变,尤其在可持续发展战略的要求下,高效、廉价、低毒、无公害、多功能、复合化的绿色絮凝剂必将成为今后科研工作者研究工作的重要方向。另外,无机与有机复合型高分子絮凝剂等多功能复合型絮凝剂的开发也因综合了无机与有机的优点将成为未来的一个重要发展方向;由于微生物絮凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂的固有缺陷,具有应用范围广、絮凝活性高、安全无毒、不污染环境等特点,可最终实现污染排放,其研究与开发已成为水处理剂研究领域的重要课题和发展方向,必将取代部分传统的无机高分子絮凝剂和合成有机高分子絮凝剂。 参考文献

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[2] 房秀福,李浩然.水处理中絮凝剂的研究进展[J].黑龙江水利科技,2005, 33(3):73-74.

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