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混凝是中水處理中通常用的方法。處理的對(duì)象是廢水中利用自然沉淀難以去除的細(xì)小懸浮物及膠體微粒，可降低廢水中的濁度和色度，去除某些重金屬和放射性物質(zhì)及高分子有機(jī)物。在處理過程中還可以改善污泥的脫水性能，減輕了后續(xù)處理的負(fù)荷。可以作為單獨(dú)的處理手段，也可與其他的水處理方法結(jié)合使用，作為預(yù)處理、中間處理和最終處理。
一、混凝原理
混凝是向水中投加藥劑，通過快速混合，使藥劑均勻分散在廢水中，然后慢速混合形成大的可沉絮體。膠體顆粒脫穩(wěn)碰撞形成微粒的過程稱為“絮凝”。“絮凝”過程過去稱為“反應(yīng)”。將混合、凝聚、絮凝合起來稱為混凝，它是水處理的重要環(huán)節(jié)。混凝產(chǎn)生的較大絮體通過后續(xù)的沉淀或澄清、氣浮等從水中分離出來。混凝基本去除或降低的物質(zhì)如下幾種。
（1）懸浮的有機(jī)物和無機(jī)物主要是由生物處理流失出的生物絮體碎片、游離細(xì)菌等形成。
（2）溶解性磷酸鹽可通常降至1mg/L以下。
（3）某些重金屬石灰對(duì)沉淀鉻、銅、鎳、鉛和銀特別有效。
（4）細(xì)菌和病毒混凝可降低水中細(xì)菌和病毒含量。
中水回用中混凝處理對(duì)象是二級(jí)出水，二級(jí)出水中所含物質(zhì)與天然水所含物質(zhì)不同。中水混凝的處理對(duì)象的處理對(duì)象主要是膠體和菌膠團(tuán)微粒，其混凝特點(diǎn)表現(xiàn)為微粒與藥劑及微粒間親和力強(qiáng)，絮凝過程可在短時(shí)間內(nèi)完成。
概述
混凝就是水中膠體以及微小懸浮物的聚集過程。這一過程涉及三方面的問題：水中粒子的性質(zhì)，混凝劑在水中的水解物種及二者間的相互作用。混凝的目的在于向水中投加一些藥劑，產(chǎn)生兩種效應(yīng)，一是混凝劑在水中進(jìn)行紊流擴(kuò)散與混合；二是混凝劑水解。水解產(chǎn)物與膠體作用使其脫穩(wěn)，使水中難以沉淀的膠體顆粒脫穩(wěn)而互相聚合，增大至能發(fā)生自然沉淀的程度，這種方法稱為混凝，是中水處理的重要環(huán)節(jié)。
根據(jù)膠體化學(xué)的理論，膠體物質(zhì)的核心是一個(gè)由多原子或者分子構(gòu)成的粒子，稱為膠核。膠核表面擁有一層離子，稱為電離子。某種離子帶有電荷，在微粒周圍吸引異號(hào)離子，一部分反應(yīng)離子緊附在固體表面隨微粒移動(dòng)，稱為束縛反離子，組成吸附層；另一部分反離子不隨微粒移動(dòng)形成擴(kuò)散層，稱為自由反離子。由于膠核表面所吸附的離子比吸附層里的反離子多，所以膠粒是帶負(fù)電的，而膠團(tuán)是電中性的。電位離子的靜電作用將污泥水溶液中帶有相反電荷的離子吸引到膠核的周圍，知道吸引的電荷總量與電位離子的電荷相等為止。這樣，在膠核與污泥水溶液的界面區(qū)域就形成了雙電層。這一層厚度也就是污泥顆粒吸附的水層厚度。雙電層的穩(wěn)定性是由點(diǎn)位來衡量的，點(diǎn)位愈高，兩膠體顆粒之間的靜電斥力愈大。城市污水活性污泥的電勢(shì)一般在-30~-20m之間。雙電層的電勢(shì)分布受溶液的離子強(qiáng)度影響很大，隨著周圍溶液的離子強(qiáng)度增加，顆粒表面相反離子的濃度隨之增加，雙電層的厚度隨之減少。惰性膠體顆粒發(fā)生凝聚，必須中和顆粒表面的電荷，可采取消除或者壓縮雙電層厚度的方法。膠體顆粒間除了靜電斥力之外，還存在原子或分子間的范德華引力。膠體顆粒能否相互接近乃至結(jié)合，取決于布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力、靜電斥力和范德華引力的綜合表現(xiàn)。靜電斥力的排斥勢(shì)能與膠體顆粒間距的指數(shù)關(guān)系成反比例變化，范德華引力所具有的吸引勢(shì)能則近似認(rèn)為與膠體顆粒間距的平方成反比，當(dāng)膠體顆粒間距在一定距離時(shí)，良好總勢(shì)能重疊。如果布朗運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能足以越過合成勢(shì)能的峰值，則膠體顆粒間的作用力便進(jìn)入引力范圍，使膠體顆粒互相接近，最終導(dǎo)致結(jié)合。
投加混合藥劑后，污泥顆粒周圍溶液的離子濃度增加，雙電層厚度被壓縮。藥劑中帶正電荷的離子與膠體顆粒間的負(fù)荷互相吸引并中和，使雙電層的電勢(shì)減少，從而降低了靜電斥力，使其在范德華引力的作用下克服污泥顆粒表面的電荷斥力而聚集。
污泥膠體顆粒的聚集是通過凝聚、絮凝（通過投加混凝藥劑，使非溶液解性或者膠體物質(zhì)變成絮狀物質(zhì)的過程）和沉析（溶解性的物質(zhì)在化學(xué)藥劑的作用下生成非溶解性物質(zhì)的過程）完成的。凝聚、絮凝過程分為脫穩(wěn)過程（污泥顆粒表面和周圍的溶液層化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，使原來相斥的顆粒相吸并形成具有絮凝性的微小絮體）和遷移過程（通過顆粒互相接觸形成較大的絮體）。脫穩(wěn)過程是由膠體和固體顆粒界化學(xué)性質(zhì)決定的，影響著顆粒或絮體之間的黏附性概率；而遷移過程是由顆粒的大小、濃度、水流條件決定的，影響著碰撞概率。
膠體微粒能在水中長期保持分散狀態(tài)而不下沉，此特性就是膠體的穩(wěn)定性。它分為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定和聚集穩(wěn)定兩種。動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定是指顆粒布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)抗重力的能力。顆粒越小，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定越高。聚集穩(wěn)定性是指顆粒之間因表面同行電荷的斥力作用或水化膜的阻礙作用大而相互聚集的傾向，但由于粒子表面同性電荷的斥力作用或水化膜的阻礙使自發(fā)的聚集作用不嫩發(fā)生。該穩(wěn)定該穩(wěn)定性并非都是由于靜電斥力引起的，其表面的水化作用往往也是很重要的因素。其原因在于膠體粒子間的靜電斥力和膠體表面的水化作用。但膠粒之間還存在著互相吸引的范德華引力，這是一種有利于凝聚的作用力。
膠體微粒可以相互接近或凝聚，取決于布朗運(yùn)動(dòng)、膠粒間的靜電斥力和范德華引力綜合作用的結(jié)果。膠體微粒帶電越多，其電位就越大。帶電荷的膠粒和反離子與周圍水分子發(fā)生水化作用大，水化殼也越厚，因此雙電層也越厚，越具有穩(wěn)定性。
為了從理論上解釋混凝作用，應(yīng)用較多的是雙電層理論、吸附電中和、吸附橋架理論和卷掃作用。
2.壓縮雙電層
有膠體粒子的雙電層結(jié)構(gòu)可知，反離子濃度在膠體表面最大，并沿膠體表面外的距離呈遞減分布，最終同溶液中離子濃度相等。加入混凝劑相當(dāng)于投加了反離子，它們之間的靜電斥力把原有部分反離子擠壓到吸附層中，擴(kuò)散層厚度減小。
與此同時(shí)，電位降低，膠體間的排斥力減弱，由于擴(kuò)散層的變薄，相撞的距離也減少，相互間的引力變大，其合力由斥力為主變成以引力為主，膠體得以凝聚。
3.電性中和
根據(jù)DLVO理論，要使顆粒通過布朗運(yùn)動(dòng)相撞聚集，必須降低或消除能峰。吸引勢(shì)能與膠體電荷無關(guān)，主要決定與構(gòu)成膠體的物質(zhì)種類、尺寸和密度。對(duì)一定的水質(zhì)，這些特征是不變的，因此，降低排斥能峰的方法就是降低或消除電位，在水中投加電解質(zhì)即可。
向膠體溶液中投加電解質(zhì)后，溶液中與膠體反離子相同電荷的離子濃度增加了，這些離子可擠進(jìn)擴(kuò)散層，乃至吸附層，使膠粒帶電數(shù)減少，也就降低了電位。當(dāng)膠粒間的排斥力減少到一定值，而分力以引力為主時(shí)，膠粒就互相聚合與凝聚。這就是雙電層壓縮理論。
也有人認(rèn)為，向溶液中投加電解質(zhì)作混凝劑，混凝劑水解會(huì)在水中形成膠體微粒，其所帶正電荷與水中原有膠體物所帶電荷相反，由于異性電荷相互吸引，產(chǎn)生電中和，使水中原有膠體物失去穩(wěn)定而凝聚成絮狀顆粒。在水處理中，該理論不能解釋混凝劑投量過多時(shí)膠體重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。投量過多時(shí)，水中原來的負(fù)電荷變成正電荷，則存在斥力作用。
4.吸附架橋理論
它主要是指高分子物質(zhì)與膠粒的吸附、橋連作用。高分子絮凝劑具有線型結(jié)構(gòu)，含有某些化學(xué)基因及長鍵分子，能與膠粒表面產(chǎn)生特殊反應(yīng)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附，可以使污泥顆粒、膠體顆粒之間產(chǎn)生“橋架”作用，破壞了膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的較大的絮凝體。當(dāng)高分子物質(zhì)投量過多時(shí)，將產(chǎn)生膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性從而形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的較大絮凝體。當(dāng)高分子物質(zhì)投量過多時(shí)，將產(chǎn)生膠體保護(hù)作用。當(dāng)過分子物質(zhì)投量過少時(shí)則不足以將膠粒橋架連接。最佳投量應(yīng)使既能把膠粒快速絮凝起來又可以絮凝起來的最大顆粒不易脫落。根據(jù)吸附理論，膠粒表面高分子覆蓋率為1/2時(shí)絮凝效果最好。但在實(shí)際中此覆蓋率無法測定，故高分子混凝劑投加量常由試驗(yàn)確定。起橋架作用的高分子都是線型分子且需要一定長度。長度不夠不能起橋架作用，只能被單個(gè)分子吸附。所需最小長度取決于水中膠粒尺寸、高分子基團(tuán)性質(zhì)、分子的分支程度。
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