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2017年12月14日 星期四

丁酉(鸡)年十月廿七

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废水的混凝处理法 - 正文 [回目录]

  废水中的某些污染物常以胶体颗粒形式存在,不易沉淀。向废水中投加混凝剂,消除或降低水中胶体颗粒间的相互排斥力,使水中胶体颗粒易于相互碰撞和附聚搭接而成为较大颗粒或絮体,进而从水中分离出来的处理方法。
  在水处理过程中,粗颗粒如泥砂等悬浮物通过重力沉淀去除,称为自然沉淀。较小的颗粒,特别是胶体颗粒,不能靠自然沉淀去除,必须使之形成易于沉淀的颗粒。
  原理 水中的胶体颗粒受水分子热运动的撞击而作无规则的高速运动,称为布朗运动。布朗运动是水中胶体颗粒稳定性的因素之一,但更主要的因素是胶体颗粒本身带有电荷。在胶体溶液中整个胶团由胶核、异电离子吸附层和异电离子扩散层组成。与胶核表面牢固结合的电势离子层甚至进入胶核内部,在溶液中形成电场,决定胶粒带电的性质。由于静电引力作用,异号电荷的离子被吸附在胶核的周围,构成异电离子层,电势离子层和异电离子层构成了双电层,电势离子层被胶核牢固吸附,可以视为固定层(见图)。异电离子层一方面受静电吸引力作用和胶核相联系,另一方面因本身的热运动而向外界扩散,所以这一层的离子不稳定。在胶体颗粒作不规则运动时,有一部分异电离子随胶粒运动,这部分离子构成异电离子吸附层(图中δ),距胶核较远吸引较弱的离子构成异电离子扩散层(图中d),胶核(包括电势离子层)和异电离子吸附层共构成一个整体,称为胶粒,把扩散层包括在内,称为胶团。

  由于溶液中异电离子的中和屏蔽作用,从胶核向外,电势ζ逐渐下降,到胶团最外缘处,异电离子电荷总量和电势离子的电荷总量相等,电势值降低为零。在吸附层中,异电离子浓度较大,使电势值急剧降落,故图中曲线Ⅱ较为陡直;在扩散层中,异电离子浓度渐低,图中曲线Ⅰ较为平缓地下降。由于胶体颗粒在溶液中运动时异电离子吸附层随胶核一起运动,而扩散层则留在原处,因此吸附层和扩散层之间的界面即核粒的外表面,也可看作是胶体颗粒运动时在溶液中滑动的分界面,因而称为滑动表面。滑动表面的电势称为电动电势ζ或电势,ζ电势的存在使带同号电荷的胶粒相互排斥,ζ电势愈高,两胶粒间静电斥力愈大,胶体也就愈稳定。胶体颗粒稳定的另一个因素是水化作用,由于胶粒带电,周围极性水分子因定向作用而被吸引到它的周围以形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。
  胶体颗粒也存在不稳定的因素,如果水中不存在妨碍颗粒相互接触的因素,则布朗运动又提供了胶粒在无规则运动中相互碰撞接触的机会。颗粒愈小,表面吸附能愈大,一旦碰撞接触,各胶粒彼此吸附聚结,颗粒就逐渐变大,最终使布朗运动消失而导致重力沉淀,这时布朗运动又成为胶粒的不稳定因素。
  胶体颗粒间还存在着相互引力──范德瓦耳斯力,两个单分子间的范德瓦耳斯力与其间距的 6次方成反比。间距增大,作用力便急剧减弱。两胶粒间相互引力是一微粒的所有分子同另一微粒的所有分子相互作用的综合表现。这种多分子的范德瓦耳斯力可近似认为与其间距的 2次方成反比。水中胶体颗粒能否接近乃至结合,取决于布朗运动的速度、静电斥力和范德瓦耳斯力的综合作用。胶体颗粒的距离加大时,静电斥力占优势,胶体颗粒便长期保持悬浮状态。另外,胶体颗粒周围形成的水化膜,同样能阻止胶体颗粒间相互接触。不过水化膜是伴随胶体颗粒带电而产生的,一旦胶粒ζ电势消除或减弱,水化膜也将随之消失或减弱。
  根据水中胶体颗粒稳定性理论,若使胶体颗粒碰撞结合,必须消除或降低颗粒间的排斥力,亦即消除或降低胶体颗粒的ζ电势。为此,必须向水中投加电解质(即混凝剂)。
  废水中的胶体颗粒多数属于负电胶体,投入的混凝剂应能提供大量正离子。由于离子扩散作用,大量正离子涌入胶体扩散层乃至吸附层,中和胶核表面的负电荷,使扩散层减薄,ζ电势降低。ζ电势降到某一程度,使胶体颗粒间排斥力小于因颗粒布朗运动而产生的相互接近的力时,胶体颗粒便开始产生明显的聚结,这时的ζ电势称为临界电势。这种通过投加电解质压缩扩散层,以导致胶体颗粒间相互聚结的作用机理称为双电层作用。胶体颗粒因此电势降低或消除以致失去稳定性的过程称为胶粒脱稳。脱稳胶粒相互聚结,称为凝聚。双电层作用尤其适用于水中投加低价电解质或电解质所提供的仅是简单离子的情况。
  对于高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂来说,是吸附架桥起决定性作用。这些高分子物质经水解和缩聚反应所形成的高聚物,具有线型结构,而胶体颗粒对这类高分子物质具有强烈的吸附作用,因而高分子物质可以在相距较远的两胶粒之间进行吸附架桥,使颗粒逐渐变大,最终形成肉眼可见的絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥而使胶体颗粒相互聚结的过程,一般称为絮凝。
  凝聚作用和絮凝作用合称为混凝。
  混凝剂和混凝设备 水处理工艺使用的混凝剂种类很多,可归纳为两类:一类为无机盐类混凝剂,应用最广的是铝盐,其中有硫酸铝、硫酸铝钾(明矾)和铝酸钠等;其次是铁盐如三氯化铁、硫酸亚铁和硫酸铁等;还有可以循环使用的混凝剂──碳酸镁。另一类为高分子混凝剂,又可分为无机和有机两类。无机类中聚合氯化铝目前使用比较广泛。中国目前使用较多的有机高分子混凝剂是聚丙烯酰胺。当单用混凝剂不能取得良好效果时,须投加助凝剂。助凝剂种类很多,大体也可分两类:一类用于调节或改善混凝条件的药剂,如石灰、氯气等;另一类用于改善絮凝体结构的高分子助凝剂,有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、海藻酸钠等。
  混凝效果受许多因素影响,其中水温的影响最为明显。水温低时,絮凝体形成缓慢而且结构松散,颗粒细小。为提高低温水的混凝效果,常增加混凝剂投量并投加助凝剂。原水中pH值对混凝剂的影响程度,视混凝剂品种而异,如用硫酸铝混凝剂,最佳pH值为6.5~7.5;而三价铁盐混凝剂,最适宜的pH值约为6.8~8.4,如水中碱性较弱,需投加石灰。在混凝处理中,为了选择适当的混凝剂,决定混凝剂最佳投量,必须进行混凝试验;并可根据长期积累的资料,以水温、浊度、pH值、硬度等几个主要参数与投药量之间的关系建立数学模型,用电子计算机自动控制投药量。
  混凝处理的常用设备为混合反应池。混合反应池应具有适当的水力状态,以满足凝聚和絮凝的不同要求。混合时要急剧搅动,在10~30秒钟内完成,至多不超过2分钟。反应阶段是使凝聚微粒形成絮凝体,随着絮凝体的增大,搅拌强度或水流速度应逐渐降低,以免絮凝体破碎。
  混合反应设备型式很多,如多孔隔板式混合槽、桨板式机械混合池、平流式与竖流式隔板反应池、旋流反应池、涡流式反应池、机械反应池等。进行废水的混凝处理时,应根据水质、水量等具体情况选用。

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更新时间 : 2009-05-14

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