云南絮凝沉淀一體化設備優質生產廠家

云南絮凝沉淀一體化設備優質生產廠家

混凝原理及其在一體化凈水設備中的應用

     水體中存在膠體態污染物包含黏土、腐殖質、細菌、病毒及其他大分子物質，這些雜質均勻的分散在水體內，對于膠體粒子，其重力沉降速度已經微乎其微，但擴散速度非常快，擴散力成為膠體粒子在水體運動中的主要動力，這些膠體粒子難以沉淀分離，要想將水體凈化就必須去除這些膠體粒子，這就要用到混凝，這也是水處理單元重要的技術。

        我們通常把水中的膠體脫穩，以及后續形成可沉淀分離的絮凝體的整個過程稱為混凝。混凝應分為凝聚（coagulation）和絮凝（flocculation）兩個階段，可以分別定義如下：

       （1）凝聚是指膠體粒子的化學脫穩，以及當膠體粒子間的作用力（如范德華引力）與外力（如流體攪拌動力）相比不能忽略時的聚集過程，其聚集體可稱為微絮體（microflocs）。當微絮體繼續成長，與外力相比，膠體粒子間的作用力已可忽略時，就將進入下一階段。在實際的混凝操作中，混凝劑投加和快速攪拌階段可認為屬于凝聚階段。

       （2）絮凝是指微絮體已經成長到足夠大的粒徑，范德華引力的作用已可忽略，且顆粒相互間已不存在排斥勢能的條件下，通過流體攪拌等外力促使顆粒相互碰撞結合，成長為大粒徑（flocs）的過程。在實際的混凝操作中，慢速攪拌階段屬于絮凝階段。

        通過向水中投加混凝劑（常用化學藥劑為鋁鹽和鐵鹽），Fe³⁺和Al³⁺

 在水體中發生水解，與OH^- 結合生成各種水合物，與水體種帶有負電荷的膠體產生混凝反應。目前認為混凝劑對水體中的膠體有三種混凝作用：吸附電中和（adsorption and charge neutralization）、高分子架橋（polymer bridging）和網捕混凝（sweep coagulation）。

         混凝是水體凈化工藝重要的環節，尤其對于體積較小、處理規模較小的一體化凈水設備（Integrated water purification equipment）更加重要，一旦混凝效果不好，將嚴重影響凈水設備的處理效果，主要影響混凝效果的因素有以下幾點：

        1、水體內膠體的主要組成成分；

        水體內的膠體主要有無機懸濁質、有機質。

        無機懸濁質是天然水體主要組成部分，主要由礦物和礦物風化后的黏土組成，代表性黏土物質由高嶺土（kaolin）和蒙拓土（montmorillonite）。

        有機質有天然有機物（natural organic matters，NOM）和人工合成有機物（syntactic organic carbons，SOC）。天然有機物是指動植物在自然循環過程中經腐爛分解所產生的物質，包括腐殖質、微生物分泌物等，是造成水體色度、異臭味的主要物質，也是目前常規消毒副產物（disinfection by-products，DBP）的前體物質。人工合成有機物多與人類的生產、生活活動有關，其中不乏有毒有害的有機污染物，包括“三致”有機污染物。

        水體內污染物主要組成不同時，需要不同的藥劑、投加量、反應環境，例如，水體內的無機質高嶺土為主要膠體組成時，投加藥劑硫酸鋁，pH在7-8時，可對水體濁度去除率達90%左右，而以有機質腐殖酸為主要膠體時，投加藥劑硫酸鋁，pH在5-6時有去除效果，同時有機質污染高時需要采用強化絮凝，提高有機質去除率，以減少DBP。

       2、水體的pH值

       我們采用的混凝劑常用為鋁鹽、鐵鹽，在水體pH值不同時，水解產生的陽離子水合物不同，而不同的陽離子水合物有著不同特性和混凝效果，例在PH5-7時，鋁鹽水解生產Al₁₃O₄（OH）₂₄⁷⁺等聚合度高、電荷高的陽離子水解物，這時陽離子聚合物對膠體粒子的主要作用已經不是雙電層壓縮，而是通過靜電作用力吸附于膠體粒子表面，以其高正電荷實現膠體電中和。在PH7-8，鋁鹽濃度較低時，膠體溶液混凝則是吸附電中和與網捕混凝的共同作用。在pH大于9時，AL（OH）₄^-會成為主要的鋁鹽水解產物，帶走正電荷，此時溶液中的膠體粒子難以脫穩，甚至會發生脫穩膠體的再穩定。

       3、水體內其他共存離子

      天然水體中常見的離子包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、NO₃^-、Cl^-、SO₄^2-等，此外鋁硅酸鹽的風化和結構受到破壞，在釋放出大量陽離子的同時，也釋放出硅酸。這些離子本身難以通過混凝去除，但對混凝過程有著不同程度的影響，尤其高價金屬陽離子本身就是參與膠粒表面雙電層研所的重要離子，向水體中加入Ca²⁺時也可顯著提高混凝指數。混凝劑在水解過程中會造成水體H^-增加，需要水中有一定HCO₃ ^- 等陰離子中和，這樣水體pH值就不會降低影響絮凝效果。

        4、水力攪拌條件

       在眾多影響混凝效果的因素中，水力攪拌條件（攪拌強度和時間）時重要因素之一，適宜的水力攪拌條件對于強化混凝效果，縮短工藝運行時間，降低能耗和處理成本有著重要意義。在混凝工程中，混凝劑的水解效率以及顆粒與顆粒或顆粒與絮凝體之間的有效碰撞和相互滲透是決定混凝效果的兩個關鍵因素，向水體中投加混凝劑后，藥劑需要快速混合與擴散，快速攪拌的強度直接決定絮凝體的形成速率，直至絮凝體形成后，快速攪拌必須轉為慢速攪拌階段。如果快速攪拌的時間過長、強度過大，會導致已形成的絮凝體發生破碎。適宜的攪拌強度可以促進顆粒與顆粒或顆粒與絮凝體之間的有效碰撞和相互滲透，提高絮凝體的粒徑、強度和密實度。

      5、混凝劑的投加種類、投加量

      混凝劑的投加種類和投加量也關系到水體內的膠體去除效果，以及絮凝體顆粒的形成情況。

      6、水體的溫度

      水體的溫度也會影響混凝效果，尤其低溫低濁情況，低溫時混凝劑水解緩慢，水解效果差，藥劑聯結能力低。水溫低時，膠體的布朗運動減弱，溶劑化作用增強，顆粒周邊水化膜加厚，粘附強度降低，妨礙顆粒凝聚。   

       一體化凈水設備在設計過程中，需要根據影響混凝效果的因素進行工藝結構、反應時間、藥劑及助凝劑的投加、輔助混凝反應材料的設計，具體結合項目實施經驗和工程案例總結要點如下：

       1、投加藥劑后，采用管道混合器進行劇烈攪拌混合；

       2、混凝反應時間，建議20-30min；

       3、工藝結構，一體化凈水設備常用的工藝結構為折板絮凝池、網格絮凝池；為提高一體化凈水設備利用率以及混凝效果，一般可在原有工藝進行改進設計，例如可采用小孔眼網格絮凝池、微渦旋網格絮凝池、渦流折板反應池等新型池體結構；

       4、藥劑及輔助藥劑的投加必須選擇有計量設施的儀器或者設備，以方便調整藥劑投加量；

       5、輔助混凝反應材料包含小孔眼隔板、渦旋隔板、空心球等盡量采用不銹鋼、PP、PVC等耐腐蝕、易加工的材料。

       凈水設備一般采用標準設計、標準生產，在項目實施前設備已經定型定產，但建議在項目實施前進行混凝沉淀燒杯實驗。雖然混凝劑投加已進入自動控制時代，但燒杯實驗仍是質量預控的手段，可以通過混凝沉淀燒杯實驗確定原水實驗狀態下絮凝劑種類、助凝劑種類、投加量、反應時間等一系列的參數，對凈水設備的調試和運行也具有一定的指導意義。

       凈水設備一般采用碳鋼或者不銹鋼進行加工制作，尤其碳鋼加工的設備后期需要防腐維護，因此反應池建議采用敞口式，方便維修和觀察混凝情況和絮凝體顆粒形成情況，以便確認混凝效果。部分安裝了填料、隔板、穿孔板的反應池都要預留檢修孔或者檢修通道，方便檢修和更換。

       凈水設備目前單臺日處理量為40-5000方，適合村鎮供水安全項目選用，是目前國家農村飲水安全工程或鞏固提升工程的凈化核心設備，而混凝工藝又是凈水設備的核心工藝，希望筆者整理的資料以及結合工程實踐總結的經驗對一體化凈水設備理論體系的建立以及行業標準、規范編輯及更新所有幫助。

參考資料：

[1]王曉昌、金鵬康，水中膠體物的混凝原理和應用；科學出版社，2015；

[2]王淼、艾恒雨，渦旋絮凝低脈動沉淀理論及應用；中國建筑工業出版社，2018；

[3]郄燕秋、張金松，凈水廠改擴建設計；中國建筑工業出版社，2017；

[4]洪覺民，現代化凈水廠技術手冊；中國建筑工業出版社，2017；