云南絮凝沉淀一體化設(shè)備優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)廠家

云南絮凝沉淀一體化設(shè)備優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)廠家

混凝原理及其在一體化凈水設(shè)備中的應(yīng)用

     水體中存在膠體態(tài)污染物包含黏土、腐殖質(zhì)、細(xì)菌、病毒及其他大分子物質(zhì)，這些雜質(zhì)均勻的分散在水體內(nèi)，對于膠體粒子，其重力沉降速度已經(jīng)微乎其微，但擴(kuò)散速度非常快，擴(kuò)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(shù)。

        我們通常把水中的膠體脫穩(wěn)，以及后續(xù)形成可沉淀分離的絮凝體的整個過程稱為混凝。混凝應(yīng)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(xué)脫穩(wěn)，以及當(dāng)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(dāng)微絮體繼續(xù)成長，與外力相比，膠體粒子間的作用力已可忽略時，就將進(jìn)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(rèn)為屬于凝聚階段。

       （2）絮凝是指微絮體已經(jīng)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(jié)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(xué)藥劑為鋁鹽和鐵鹽），F(xiàn)e³⁺和Al³⁺

 在水體中發(fā)生水解，與OH^- 結(jié)合生成各種水合物，與水體種帶有負(fù)電荷的膠體產(chǎn)生混凝反應(yīng)。目前認(rèn)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(wǎng)捕混凝（sweep coagulation）。

         混凝是水體凈化工藝重要的環(huán)節(jié)，尤其對于體積較小、處理規(guī)模較小的一體化凈水設(shè)備（Integrated water purification equipment）更加重要，一旦混凝效果不好，將嚴(yán)重影響凈水設(shè)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(nèi)膠體的主要組成成分；

        水體內(nèi)的膠體主要有無機(jī)懸濁質(zhì)、有機(jī)質(zhì)。

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

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

        水體內(nèi)污染物主要組成不同時，需要不同的藥劑、投加量、反應(yīng)環(huán)境，例如，水體內(nèi)的無機(jī)質(zhì)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(dá)90%左右，而以有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)污染高時需要采用強(qiáng)化絮凝，提高有機(jī)質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(xiàn)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(wǎng)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(chǎn)物，帶走正電荷，此時溶液中的膠體粒子難以脫穩(wěn)，甚至?xí)l(fā)生脫穩(wěn)膠體的再穩(wěn)定。

       3、水體內(nèi)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(fēng)化和結(jié)構(gòu)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(shù)。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(qiáng)度和時間）時重要因素之一，適宜的水力攪拌條件對于強(qiáng)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(guān)鍵因素，向水體中投加混凝劑后，藥劑需要快速混合與擴(kuò)散，快速攪拌的強(qiáng)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(zhuǎn)為慢速攪拌階段。如果快速攪拌的時間過長、強(qiáng)度過大，會導(dǎo)致已形成的絮凝體發(fā)生破碎。適宜的攪拌強(qiáng)度可以促進(jìn)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(qiáng)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(guān)系到水體內(nèi)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(lián)結(jié)能力低。水溫低時，膠體的布朗運動減弱，溶劑化作用增強(qiáng)，顆粒周邊水化膜加厚，粘附強(qiáng)度降低，妨礙顆粒凝聚。   

       一體化凈水設(shè)備在設(shè)計過程中，需要根據(jù)影響混凝效果的因素進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)、反應(yīng)時間、藥劑及助凝劑的投加、輔助混凝反應(yīng)材料的設(shè)計，具體結(jié)合項目實施經(jīng)驗和工程案例總結(jié)要點如下：

       1、投加藥劑后，采用管道混合器進(jìn)行劇烈攪拌混合；

       2、混凝反應(yīng)時間，建議20-30min；

       3、工藝結(jié)構(gòu)，一體化凈水設(shè)備常用的工藝結(jié)構(gòu)為折板絮凝池、網(wǎng)格絮凝池；為提高一體化凈水設(shè)備利用率以及混凝效果，一般可在原有工藝進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，例如可采用小孔眼網(wǎng)格絮凝池、微渦旋網(wǎng)格絮凝池、渦流折板反應(yīng)池等新型池體結(jié)構(gòu)；

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

       5、輔助混凝反應(yīng)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(shè)備一般采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，在項目實施前設(shè)備已經(jīng)定型定產(chǎn)，但建議在項目實施前進(jìn)行混凝沉淀燒杯實驗。雖然混凝劑投加已進(jìn)入自動控制時代，但燒杯實驗仍是質(zhì)量預(yù)控的手段，可以通過混凝沉淀燒杯實驗確定原水實驗狀態(tài)下絮凝劑種類、助凝劑種類、投加量、反應(yīng)時間等一系列的參數(shù)，對凈水設(shè)備的調(diào)試和運行也具有一定的指導(dǎo)意義。

       凈水設(shè)備一般采用碳鋼或者不銹鋼進(jìn)行加工制作，尤其碳鋼加工的設(shè)備后期需要防腐維護(hù)，因此反應(yīng)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(rèn)混凝效果。部分安裝了填料、隔板、穿孔板的反應(yīng)池都要預(yù)留檢修孔或者檢修通道，方便檢修和更換。

       凈水設(shè)備目前單臺日處理量為40-5000方，適合村鎮(zhèn)供水安全項目選用，是目前國家農(nóng)村飲水安全工程或鞏固提升工程的凈化核心設(shè)備，而混凝工藝又是凈水設(shè)備的核心工藝，希望筆者整理的資料以及結(jié)合工程實踐總結(jié)的經(jīng)驗對一體化凈水設(shè)備理論體系的建立以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)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(yīng)用；科學(xué)出版社，2015；

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

[3]郄燕秋、張金松，凈水廠改擴(kuò)建設(shè)計；中國建筑工業(yè)出版社，2017；

[4]洪覺民，現(xiàn)代化凈水廠技術(shù)手冊；中國建筑工業(yè)出版社，2017；