第一节　混凝

一、混凝的基础理论

1.胶体的稳定性

天然水中的微小悬浮物及胶体杂质，经长期静置也不下沉，一直保持稳定的分散悬浮状态。这是由于微小悬浮物及胶体颗粒带有同性负电荷，它们相互排斥而不能相互凝聚，还有胶体颗粒表面水化膜也会阻碍颗粒凝聚。在水中，由于胶体颗粒受到水分子热运动的冲击而作无规则的布朗运动，呈现出胶体颗粒分散几乎不变的稳定性质。

天然水中的微小悬浮物及固体颗粒，主要是黏土微粒，构造如图2.1所示。它具有双电层结构：内层为胶核吸附紧密的固定层，外层为吸附松散的扩散层。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。

图2.1　胶体双电层结构

当胶粒在水中移动时，两层间由于吸附松散，发生滑动，形成滑动面，在滑动面上存在电位称为ζ电位（zeta电位）。ζ电位越高，两胶粒间静电斥力越大，胶粒越不易相互接触以至凝聚。电位大小与扩散层厚度有关，扩散层厚度越大，ζ电位越高。如果压缩扩散层，使扩散层厚度减小，则ζ电位将降低，胶粒间的静电斥力减小，胶体稳定性降低，并在胶粒间引力作用下，有可能发生凝聚。对于天然水，一般当ζ电位为20～40mV时，就可发生凝聚。当ζ电位降低到0时，在胶粒间的引力作用下，凝聚速度最快。

2.混凝的概念和机理

混凝就是水中胶体颗粒及微小悬浮物的聚集过程。该过程利用混凝剂水解产生的大量反离子（对于负电荷胶体，反离子即为正离子，反之亦然），压缩水中胶体扩散层，降低ζ电位，使之脱稳，并在吸附引力作用下，使胶体与胶体间、胶体与混凝剂的水解胶体间相互凝聚。此外，混凝剂的水解胶体是条形的，能像链条似的拉起来，好像架桥一样在水中形成颗粒较大的松散网状结构，如图2.2所示。这种网状结构的表面积很大，吸附力极强，能够吸附水中的悬浮物质、有机物、细菌甚至溶解物质，生成较大的絮体（俗称矾花），为随后在沉淀或澄清池中的固液分离创造良好条件，使水由浑变清。

图2.2　矾花的构造示意图

混凝过程的机理包含了以下几个方面的作用：

（1）压缩双电层作用　胶体可以具有双电层结构，使胶体在水中保持稳定性。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。简而言之，压缩双电层就是加入电解质压缩胶体扩散层而导致胶粒脱稳聚集。

（2）吸附-电中和作用　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。

对于混凝剂投量过多而使胶体重新稳定的现象，也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。

（3）吸附架桥作用　吸附架桥作用机理主要是指高分子物质与胶粒的吸附与桥连。高分子絮凝剂具有线性结构，它们具有能与胶粒表面某些部位起作用的化学基团，当高聚合物与胶粒接触时，基团能与胶粒表面产生特殊的反应而相互吸附，而高聚物分子的其余部分则伸展在溶液中，可以与另一个表面有空位的胶粒吸附，这样聚合物就起了架桥连接的作用。假如胶粒少，上述聚合物伸展部分粘连不着第二个胶粒，则这个伸展部分迟早还会被原先的胶粒吸附在其他部位上，这个聚合物就不能起架桥作用了，而胶粒又处于稳定状态。高分子絮凝剂投加量过大时，会使胶粒表面饱和产生再稳现象。已经架桥絮凝的胶粒，如受到剧烈的长时间的搅拌，架桥聚合物可能从另一胶粒表面脱开，重又卷回原所在胶粒表面，造成再稳定状态。

（4）网捕卷扫作用　当金属盐（如硫酸铝或氯化铁）或金属氧化物和氢氧化物（如石灰）作凝聚剂时，当投加量大得足以迅速沉淀金属氢氧化物[如Al（OH）₃、Fe（OH）₃、Mg（OH）₂]或金属碳酸盐（如CaCO₃）时，水中的胶体颗粒可被这种沉析物在形成时所网捕卷扫，尽管此时胶体颗粒的结构没有大的改变。胶体颗粒可以成为沉析物形成的核心。欲去除的胶粒越多，沉析的速率越快，因而当水中胶体物质较多时，絮凝剂的投加量反而减少。例如当铝盐或铁盐混凝剂投量很大而形成大量氢氧化物沉淀时，可以网捕、卷扫水中胶粒以致产生沉淀分离，称卷扫或网捕作用。这种作用，基本上是一种机械作用，所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即原水胶体杂质含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。