学习情境1.2　水的混凝处理

混凝法广泛用于自来水水质净化，也常用于各种工业废水（如造纸、钢铁、纺织、煤炭、选矿、化工、食品等工业废水）的预处理、中间处理或最终处理及城市污水的三级处理和污泥处理，除了用于去除水中悬浮物和胶体外，还用于除油脱色，它是水处理工艺中十分重要的一个环节。实践证明，混凝过程的完善程度对后续处理如沉淀、过滤影响很大，应予以充分重视。

1.2.1　水中胶体稳定性与水的混凝机理

混凝是指水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程，它是凝聚和絮凝的总称。所谓凝聚是指水中胶体失去稳定性的过程，它是瞬时的；而絮凝是指脱稳胶体相互聚结成大颗粒絮体的过程，它则需要一定的时间才能完成。在实际生产中，这两个过程很难截然分开。因此，把能起凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。

1.水中胶体稳定性

分散体系是指由两种以上的物质混合在一起而组成的体系，其中被分散的物质称分散相，在分散相周围连续的物质称分散介质。水处理工程所研究的分散体系中，颗粒尺寸为1nm至0.1μm的称为胶体溶液，颗粒大于0.1μm的称悬浮液。分散相是指那些微小悬浮物和胶体颗粒，它们可以使光散射造成水的浑浊，分散介质就是水。胶体稳定性，是指胶体颗粒在水中长期保持分散悬浮状态的特性。

如图1.6所示为一个想象中天然水的黏土胶团。天然水的浑浊大都由黏土颗粒造成。黏土的主要成分是SiO2，颗粒带有负电，其外围吸引了水中常见的许多带正电荷的离子。吸附层的厚度很薄。大约只有2～3埃。扩散层比吸附层厚得多，有时可能是吸附层的几百倍。在扩散层中，不仅有正离子及其周围的水分子，而且还可能有比胶核小的带正电的胶粒，也夹杂着一些水中常见的OH-、Cl-等负电荷和带负电荷的胶粒。

2.混凝机理

水处理中的混凝现象比较复杂，不同种类混凝剂以及不同的水质条件，混凝剂作用机理也有所不同。混凝的目的，是为了使胶体颗粒能够通过碰撞而彼此聚集。因此，就需要消除或降低胶体颗粒的稳定因素，使其失去稳定性。

胶体颗粒的脱稳可分为两种情况：一种是通过混凝剂的作用，使胶体颗粒本身的双电层结构发生变化，致使ζ电位降低或消失，达到胶体稳定性破坏的目的；再一种就是胶体颗粒的双电层结构未有多大变化，而主要是通过混凝剂的媒介作用，使颗粒彼此聚集。

对于混凝机理，水处理行业对目前的研究结果尚存在一定的争议，但认识比较一致的是，混凝剂对水中胶体粒子的混凝作用有4种，即压缩双电层作用机理、吸附-电性中和作用机理、吸附架桥作用机理和沉淀物网捕或卷扫作用机理。在水处理工程中，这4种作用有时可能会同时发挥作用，只是在特定情况下，以某种机理为主，究竟以哪一种为主，取决于混凝剂种类和投加量、水中胶体粒子性质和含量以及水的pH值等。目前，这4种作用机理尚限于定性描述，但定量描述的研究近年来已开始进行。

（1）压缩双电层作用机理。对于憎水胶体，要使胶粒通过布朗运动相互碰撞而结成大颗粒，必须降低或消除排斥能峰才能实现。降低排斥能峰的办法是降低或消除胶粒的ζ电位。在胶体系统中，加入电解质可降低ζ电位。

从胶体双电层结构可知，胶粒所吸附的反离子浓度与距颗粒表面的距离成反比，胶粒表面处反离子浓度最大，随着距颗粒表面的距离增大，反离子浓度逐渐降低，直至与溶液中离子浓度相等。

当向溶液中投加电解质时，溶液中反离子浓度增高，根据浓度扩散和异号电荷相吸的作用，这些离子可与胶粒吸附的反离子发生交换，挤入扩散层，使扩散层厚度缩小，如图1.7所示，进而更多地挤入滑动面与吸附层，使胶粒带电荷数减少，ζ电位降低，这种作用称为压缩双电层作用。此时两个胶粒相互间的排斥力减小，同时由于它们相撞时的距离减小，相互间的吸引力增大，胶粒得以迅速聚集。这个机理是借单纯静电现象来说明电解质对胶粒脱稳的作用。

压缩双电层作用机理不能解释其他一些复杂的胶体脱稳现象。如混凝剂投量过多时，凝聚效果反而下降，甚至重新稳定；与胶粒带同号电荷的聚合物或高分子有机物可能有好的凝聚效果；等电状态应有最好的凝聚效果，但在生产实践中，往往ζ电位大于零时，混凝效果最好。

（2）吸附-电性中和作用机理。吸附-电性中和作用指胶粒表面对异号离子、异号胶粒或链状分子带异号电荷的部位有强烈的吸附作用而中和了它的部分电荷，减少了静电斥力，因而容易与其他颗粒接近而相互吸附。这种吸附力，除静电引力外，一般认为还存在范德华力、氢键及共价键等。

当采用铝盐或铁盐作为混凝剂时，随着溶液pH值的不同可以产生各种不同的水解产物。当pH值较低时，水解产物带有正电荷。给水处理时原水中胶体颗粒一般带有负电荷，因此带正电荷的铝盐或铁盐水解产物可以对原水中的胶体颗粒起中和作用。二者所带电荷相反，在接近时，将导致相互吸引和聚集。

（3）吸附架桥作用机理。吸附架桥作用是指高分子物质与胶体颗粒的吸附与桥连。当高分子链的一端吸附了某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，形成“胶粒-高分子-胶粒”的絮凝体，如图1.8所示。高分子物质在这里起了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用。

当高分子物质投量过多时，胶粒的吸附面均被高分子覆盖，两胶粒接近时，就受到高分子之间的相互排斥而不能聚集。这种排斥力可能源于“胶粒-胶粒”之间高分子受到压缩变形而具有排斥势能，也可能由于高分子之间的电性斥力或水化膜。因此，高分子物质投量过少，不足以将胶粒架桥连接起来；投量过多，又会产生“胶体保护”作用，如图1.9所示，使凝聚效果下降，甚至重新稳定，即所谓的再稳。

（4）沉淀物网捕或卷扫作用机理。沉淀物网捕或卷扫作用是指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。这种作用，基本上是一种机械作用，混凝剂需量与原水杂质含量成反比。

网捕卷扫所需混凝剂的量较大，不经济，在生产中较少应用，但对低温低浊水，网捕卷扫不失为一种有效的方法。

1.2.2　混凝的影响因素

影响混凝效果的主要因素有水温、pH值、碱度、悬浮物浓度和水力条件等。

1.水温

水温对混凝效果有明显影响。低温水絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，沉淀效果差。其原因主要有以下3点：

（1）水温低会影响无机盐类水解。无机盐混凝剂水解是吸热反应，低温时水解困难，造成水解反应慢。

（2）低温水的黏度大，使水中杂质颗粒的布朗运动强度减弱，碰撞机会减少，不利于胶粒凝聚，混凝效果下降，同时，水流剪力增大，影响絮凝体的成长。

（3）低温水中胶体颗粒水化作用增强，妨碍胶体凝聚，而且水化膜内的水由于黏度和重度增大，影响了颗粒之间的黏附强度。

虽然水温高，有利于混凝，但在实际的水处理过程中，提高水温比较困难，要提高低温水混凝效果，常用的办法是增加混凝剂投加量和投加高分子助凝剂。

2.pH值

混凝过程中要求有一个最佳pH值，使混凝反应速度达到最快，絮凝体的溶解度最小。这个pH值可以通过试验测定。混凝剂种类不同，水的pH值对混凝效果的影响程度也不同。

对于铝盐与铁盐混凝剂，不同的pH值，其水解产物的形态不同，混凝效果也各不相同。

对硫酸铝来说，用于去除浊度时，最佳的pH值在6.5～7.5之间；用于去除色度时，pH值一般在4.5～5.5之间。对于三氯化铝来说，适用的pH值范围较硫酸铝要宽，用于去除浊度时，最佳pH值在6.0～8.4之间；用于去除色度时，pH值一般在3.5～5.0之间。

高分子混凝剂的混凝效果受水的pH值影响较小，故对水的pH值变化适应性较强。

3.碱度

水中碱度对混凝的影响很大，有时会超过原水pH值的影响程度。由于水解过程中不断产生H＋，导致水的pH值下降。要使pH值保持在最佳范围以内，常需要加入碱使中和反应充分进行。

天然水中均含有一定碱度（通常是），对pH值有缓冲作用：

当原水碱度不足或混凝剂投量很高时，天然水中的碱度不足以中和水解反应产生的H＋，水的pH值将大幅度下降，不仅超出了混凝剂的最佳范围，甚至会影响到混凝剂的继续水解，此时应投加碱剂（如石灰）以中和混凝剂水解过程中产生的H＋。

4.悬浮物浓度

浊度高低直接影响混凝效果，过高或过低都不利于混凝。浊度不同，混凝剂用量也不同。对于去除以浑浊度为主的地表水，主要的影响因素是水中的悬浮物浓度。

水中悬浮物浓度过高时，所需铝盐或铁盐混凝剂投加量将相应增加。为了减少混凝剂用量，通常投加高分子助凝剂，如聚丙烯酰胺及活化硅酸等。对于高浊度原水处理，采用聚合氯化铝具有较好的混凝效果。

水中悬浮物浓度很小时，颗粒碰撞几率大大减小，混凝效果差。为提高混凝效果，可以投加高分子助凝剂，如活化硅酸或聚丙烯酰胺等，通过吸附架桥作用，使絮凝体的尺寸和密度增大；可以投加黏土类矿物颗粒，增加混凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞几率并增加絮凝体密度；也可以在原水投加混凝剂后，经过混合直接进入滤池过滤。

5.水力条件

要使杂质颗粒之间或杂质与混凝剂之间发生絮凝，一个必要条件是使颗粒相互碰撞。推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面，一是颗粒在水中的布朗运动，一是在水力或机械搅拌作用下所造成的流体运动。由布朗运动造成的颗粒碰撞聚集体称“异向絮凝”，由流体运动造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。

颗粒在水分子热运动的撞击下所做的布朗运动是无规则的，当颗粒完全脱稳后，一经碰撞就发生絮凝，从而使小颗粒聚集成大颗粒。由布朗运动造成的颗粒碰撞几率与水温及颗粒的数量浓度平方成正比，而与颗粒尺寸无关。实际上，只有小颗粒才具有布朗运动。随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱。当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本消失。因此，要使较大的颗粒进一步碰撞聚集，还要靠流体运动的推动来促使颗粒相互碰撞，即进行同向絮凝。

同向絮凝要求有良好的水力条件。适当的紊流程度，可为细小颗粒创造相互碰撞接触机会和吸附条件，并防止较大的颗粒下沉。紊流程度太强烈，虽然相碰接触机会更多，但相碰太猛，也不能互相吸附，并容易使逐渐长大的絮凝体破碎。因此，在絮凝体逐渐成长的过程中，应逐渐降低水的紊流程度。

控制混凝效果的水力条件，往往以速度梯度G值和GT值作为重要的控制参数。

速度梯度是指相邻两水层中两个颗粒的速度差与垂直于水流方向的两流层之间距离的比值，用来表示搅拌强度。流速增量越大，间距越小，颗粒越容易相互碰撞。可以认为速度梯度G值实质上反映了颗粒碰撞的机会或次数。

GT值是速度梯度G值与水流在混凝设备中的停留时间t之乘积，可间接地表示在整个停留时间内颗粒碰撞的总次数。

在混合阶段，异向絮凝占主导地位。药剂水解、聚合及颗粒脱稳进程很快，故要求混合快速剧烈，通常搅拌时间在10～30s，一般G值在500～1000s-1之内。在絮凝阶段，同向絮凝占主导地位。絮凝效果不仅与G值有关，还与絮凝时间t有关。在此阶段，既要创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件，让絮体有足够的成长机会，又要防止生成的小絮体被打碎，因此搅拌强度要逐渐减小，反应时间相对加长，一般在15～30min，平均G值为20～30s-1，平均GT值为1×104～1×105。

1.2.3　混凝剂

为了达到混凝作用所投加的各种药剂统称为混凝剂，混凝剂具有破坏胶体稳定性和促进胶体絮凝的功能。习惯上把低分子电解质称为凝聚剂，把主要通过吸附架桥机理起作用的高分子药剂称为絮凝剂。在混凝过程中如果单独采用混凝剂不能取得较好的效果时，可以投加某类辅助药剂用来提高混凝效果，这类辅助药剂统称为助凝剂。

混凝剂的基本要求是：混凝效果好，对人体健康无害，适应性强，使用方便，货源可靠，价格低廉。

1.凝聚剂

凝聚剂通常指在混凝过程中主要起脱稳作用而投加的药剂，这类药剂主要通过压缩双电层和电性中和机理起作用。水处理中常用的凝聚剂有硫酸铝、硫酸亚铁、三氯化铁和碱式氯化铝等。

（1）硫酸铝。硫酸铝使用方便，混凝效果较好，是使用历史最久、目前应用仍较广泛的一种无机盐类混凝剂。净水用的明矾就是硫酸铝和硫酸钾的复盐Al2（SO4）3·K2SO4· 24H2O，其作用与硫酸铝相同。硫酸铝的分子式为Al2（SO4）3·18H2O，其产品有精制和粗制两种。精制硫酸铝是白色结晶体。粗制硫酸铝质量不稳定，价格较低，其中Al2O3含量为10.5%～16.5%，不溶杂质含量约20%～30%，腐蚀性较小，但增加了药液配制和排除废渣等方面的困难。硫酸铝易溶于水，pH值在5.5～6.5范围，水溶液呈酸性反应，室温时溶解度约50%。

硫酸铝的混凝作用与投药后水的pH值和凝聚剂加注量有关。当pH值较低时，形成的络合物以带正电荷居多，可通过吸附和电中和使胶体脱稳；当pH值较高时，则形成物带负电荷较多，主要起架桥联结的作用；当药剂投加量充分、pH值适中时，则可通过网捕达到凝聚。

硫酸铝在一般情况下都可使用，投加量大时，原水须有一定碱度。它在处理低温低浊水时，絮体松散效果差，投加量大时，有剩余Al3＋或离子，影响水质。其适宜水温为20～40℃，当pH＝4～7时，主要去除水中有机物；当pH＝5.7～7.8时，主要去除水中悬浮物；当pH＝6.4～7.8时，处理浊度高、色度低（小于30度）的水。

除了固体硫酸铝外，还有液体硫酸铝。液体硫酸铝制造工艺简单，含Al2O3量约为6%，一般用坛装或灌装，通过车、船运输。液体硫酸铝使用范围与固体硫酸铝相同，但配制和使用均比固体硫酸铝方便得多，近年来在南方地区使用较为广泛，其缺点是易受温度及晶核存在影响形成结晶析出。

（2）硫酸亚铁。硫酸亚铁又称绿矾，分子式为FeSO4·7H2O，半透明绿色晶体，易溶于水，水温20℃时的溶解度为21%。

硫酸亚铁在水中溶解时，将分解成Fe2＋和。Fe2＋与水中碱度反应生成氢氧化亚铁Fe（OH）2，而二价铁化合物是一种可溶性物质，凝絮速度很慢，且受pH值的严格限制，因此一般需使其氧化成氢氧化铁Fe（OH）3。理论上当pH＞7时，二价铁可氧化为三价铁，但实际上却很难被完全氧化，只有当pH＞8.5时，且原水具有足够碱度和氧存在时应用硫酸亚铁絮凝才有较好效果。当水中溶解氧不足时，硫酸亚铁水解形成氢氧化铁胶体的过程很缓慢，此时可投加强氧化剂氯，直接将亚铁变为高铁。

硫酸亚铁的腐蚀性较高，絮体形成较快，比较稳定，沉淀时间短。它适用于碱度高、浊度高，pH＝8.1～9.6的水，不论在冬季或夏季使用都很稳定，混凝作用良好，但原水的色度较高时不宜采用。当pH值较低时，常使用氯来氧化，使二价铁氧化成三价铁。

处理饮用水时，硫酸亚铁的重金属含量应极低，要考虑在最高投药量处理后，水中的重金属含量控制在国家饮用水水质标准的限度内。

（3）三氯化铁。三氯化铁的分子式为FeCl3·6H2O，黑褐色晶体，有强烈吸水性，极易溶于水，其溶解度随着温度的上升而增加，形成的矾花沉淀性能好，絮体结得大，沉淀速度快，效果较好。

三氯化铁的混凝效果受温度影响小，絮粒较密实，适用原水的pH值约在6.0～8.4之间，当原水碱度不足时，应加一定量的石灰。在处理高浊度水时，三氯化铁用量一般要比硫酸铝少；在处理低浊度水时，效果不显著。三氯化铁的腐蚀性强，不仅对金属有腐蚀，对混凝土也有较强腐蚀，使用中要有防腐措施。

（4）碱式氯化铝。碱式氯化铝也称聚合氯化铝（PAC），化学通式为Aln（OH）mCl3n-m。产品有液体和固体两种，固体中Al2O3含量为43%～46%，液体中为8%～10%，腐蚀性小，是目前生产和应用技术成熟、市场销售量最大的无机高分子混凝剂。

碱式氯化铝的混凝机理与硫酸铝相同，但Al2O3含量比硫酸铝高，絮凝体较硫酸铝致密且大，形成快，易于沉降，混凝效果好。碱式氯化铝在混凝过程中消耗碱度少，耗药量少，净化效率高，适应的pH值范围较硫酸铝宽（可在pH＝5～9的范围内）且稳定，因而可不投加碱剂。其出水浊度低，色度小，过滤性能好，原水高浊度时尤为显著。

碱式氯化铝的温度适应性高，水温低时，仍可保持稳定的混凝效果，因此，在我国北方地区更为适用。它在使用时，设备简单，操作方便，劳动条件好，成本较三氯化铁低，处理水的碱度降低少，对低温低浊、高浊和污染原水的处理效果好。

碱式氯化铝产品本身是无毒的，净化后的生活用水一般均符合国家饮用水水质卫生标准。但目前许多自来水厂自行生产碱式氯化铝，由于原料复杂，生产工艺各异，有些常带有有害重金属元素。因此，在采用碱式氯化铝时，应严格符合生活饮用水净化的混凝剂卫生要求。

2.絮凝剂

絮凝剂主要指通过架桥作用把颗粒连接起来所投加的药剂。絮凝剂分无机絮凝剂与有机絮凝剂。某些无机絮凝剂常被归入凝聚剂，如聚合氯化铝、聚合硫酸铁等。有时也有将有机絮凝剂归入助凝剂的，如活化硅酸等。在水处理中常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺（PAM）、活化硅酸、丙烯酰胺与二甲基二烯丙基季铵盐共聚絮凝剂（HCB）、骨胶和海藻酸钠（SA）等。下面分别介绍广泛使用的聚丙烯酰胺和活化硅酸。

（1）聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺俗称三号絮凝剂，是由丙烯酰胺聚合而成的有机高分子聚合物，无色、无味、无臭，能溶于水，无腐蚀性。聚丙烯酰胺在常温下比较稳定，高温、冰冻时易降解，并降低絮凝效果，故在贮存和配制投加时，注意温度控制在2～55℃。

聚丙烯酰胺絮凝剂有很长的分子链，对水中的泥沙颗粒有高效的吸附与架桥作用。它是处理高浊度水最有效的高分子絮凝剂之一，可单独使用，也可与其他混凝剂同时使用。当含砂量为10～150kg/m3时，效果显著，即可保证水质，又可减少混凝剂用量和一级沉淀池的容积。它在与其他混凝剂混合使用时，应先加聚丙烯酰胺，经充分混合后，再投加其他混凝剂。

聚丙烯酰胺本体是无害的，而聚丙烯酰胺产品有极微弱的毒性，主要由于产品中含未聚合的丙烯酰胺单体和游离丙烯腈所致。经十余年毒理试验表明，如采用丙烯酰胺单体含量以干重计小于1%（相当于以商品重量计，小于0.08%）的产品，并控制投加量，对人体是无害的。降低聚丙烯酰胺产品中丙烯酰胺单体含量，有可能提高投加量。聚丙烯酰胺絮凝剂在处理不同浊度时的投加量，一般以原水混凝试验或相似水厂的生产运行经验确定。投加浓度越稀越好，但浓度太稀会造成庞大的投加设备，一般投加浓度以0.5%～2%为宜。

（2）活化硅酸。活化硅酸又称活化水玻璃，其分子式为Na2O·x SiO2·y H2O，为粒状高分子物质，在天然水的pH值下带负电。其作用机理是靠分子链上的阴离子活性基团与胶体微粒表面间的范德华力、氢键作用而引起的吸附架桥作用。

活化硅酸一般在水处理现场制备，无商品出售。因为活化硅酸在储存时易析出硅胶而失去絮凝功能。实质上活化硅酸是硅酸钠在加酸条件下的水解聚合反应进行到一定程度的中间产物，其电荷、大小、结构等组分特征，主要取决于水解反应起始的硅浓度、反应时间和反应时的pH值。活化硅酸适用于硫酸亚铁与铝盐混凝剂，可缩短混凝沉淀时间，节省混凝剂用量，在使用时宜先投入活化硅酸。在原水浑浊度低、悬浮物含量少及水温较低（14℃以下）时使用，效果更为显著。在使用时要注意加注点，要有适宜的酸化度和活化时间。

3.助凝剂

助凝剂是指为了改善混凝效果而投加的各种辅助药剂。助凝剂按所起作用又可分为三类：用于调整水的pH值和碱度的酸碱类；为了破坏水中有机物，改善混凝效果的氧化剂；为改善某些特殊水质的絮凝性能而投加的助凝剂。常用助凝剂见表1.6。

1.2.4　水的混凝处理

1.2.4.1　混凝剂的配制与投加

混凝剂投加分干法投加和湿法投加两种方式。干法投加是把药剂直接投放到被处理的水中。干法投加劳动强度大，投配量较难掌握和控制，对搅拌设备要求高，目前国内已很少使用。湿法投加是目前普遍采用的投加方式，是将混凝剂配成一定浓度的溶液，直接定量投加到原水中。用以投加混凝剂溶液的投药系统，包括溶解池、溶液池、计量设备、提升设备和投加设备等，药剂的溶解和投加过程如图1.10所示。

1.混凝剂溶解和溶液配制

溶解池是把块状或粒状的混凝剂溶解成浓溶液，对难溶的药剂或在冬天水温较低时，可用蒸汽或热水加热，一般情况下只要适当搅拌即可溶解。药剂溶解后流入溶液池，配成一定浓度，在溶液池中配制时同样要进行适当搅拌，搅拌时可采用水力、机械或压缩空气等方式，一般药量小时采用水力搅拌，药量大时采用机械搅拌。凡和混凝剂溶液接触的池壁、设备和管道等，应根据药剂的腐蚀性采取相应的防腐措施。

大中型水厂通常建造混凝土溶解池，一般设计两格，交替使用。溶解池通常设在加药间的底层，为地下式。溶解池池顶高出地面0.2m，底坡应大于2%，池底设排渣管，超高为0.2～0.3m。

溶解池容积可按溶液池容积的20%～30%计算。根据经验，小型水厂溶解池容积为0.5～0.9m3/（104m3·d），中型水厂为1m3/（104m3·d）。

溶液池是配制一定浓度溶液的设施。溶解池内的浓药液送入溶液池后，用自来水稀释到所需浓度以备投加。溶液池容积按式（1.3）计算：

式中：W为处理的水量，m3；Q为处理水量，m3/h；a为混凝剂最大投加量，mg/L；b为溶液浓度，一般取5%～20%（按商品固体重量计）；n为每日配制次数，一般不超过3次。

2.混凝剂投加

（1）计量设备。药液投入原水中时必须有计量或定量设备，并能够随时调节。计量设备种类较多，应根据具体情况选用。一般中小型水厂可采用孔口计量，常用的有苗嘴和孔板，如图1.11所示。在一定液位下，一定孔径的苗嘴出流量为定值。当需要调整投药量时，只要更换苗嘴即可。标准图中苗嘴的孔径为0.6～6.5mm不等，共有18种规格。为保持孔口上的水头恒定，还需设置恒位水箱，如图1.12所示。为实现自动控制，可采用计量泵、转子流量计或电磁流量仪等。

（2）投加方式。根据水厂高程布置和溶液池位置的高低，投加方式可采用重力投加或压力投加。

重力投加是利用重力将药剂投加在水泵吸水管内（图1.13）或吸水井中的吸水喇叭口处（图1.14），利用水泵叶轮混合。这种办法一般用在取水泵房离水厂加药间较近的中小型水厂。图中水封箱是为防止空气进入吸水管而设的。如果取水泵房离水厂较远，可建造高位溶液池，利用重力将药剂投入水泵压水管上，如图1.15所示。

压力投加是利用水射器或水泵将药剂投加到原水管中，适用于将药剂投加到压力水管中，或标高较高、距离较远的净水构筑物内。水射器投加是利用高压水（压力大于0.25MPa）通过喷嘴和喉管时的负压抽吸作用，吸入药液到压力水管中，如图1.16所示，水射器投加应设有计量设备，一般水厂内的给水管都有较高压力，故使用方便，但水射器效率较低，且易磨损。水泵投加是从溶液池抽提药液送到压力水管中，有直接采用计量泵（图1.17）和采用耐酸泵配以转子流量计两种方式。

（3）混凝剂投加量自动控制。混凝剂最优投加量（简称最优剂量）是指达到既定水质目标的最小混凝剂投量。由于影响混凝效果的因素较复杂，且在水厂运行过程中水质、水量不断变化，故要达到最优剂量且能即时调节、准确投加是比较困难的。目前，我国大多数水厂还是根据实验室混凝搅拌试验确定混凝剂最优剂量，然后进行人工调节。混凝试验的目的是根据原水水质、水量变化和既定的出水水质目标，确定出混凝剂的最优投加量。为了提高混凝效果，节省耗药量，混凝工艺的自动控制和优化控制技术正逐步推广应用，主要方法如下：

1）数学模拟法：将原水有关的水质参数，例如浊度、水温、pH值、碱度、溶解氧、氨氮和原水流量等影响混凝效果的主要参数作为前馈值，以沉淀后出水的浊度等参数作为后馈值，建立数学模型来自动调节加药量的多少。早期仅采用原水的参数建立的数学模型称为前馈模型。目前，一般采用前、后馈参数共同参与控制的数学模型，又称为闭环控制法。采用数学模型的关键，是必须要有大量可靠的生产数据，才能运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。同时，由于各地水源的条件及所采用混凝剂品种的不同，因此建立的数学模型也各不相同。

2）现场小型装置模拟法：是在生产现场建造一套小型装置，模拟水厂净水构筑物的生产条件，找出模拟装置出水与生产构筑物出水之间的水质和加药量关系，从而得出最优混凝剂投加量的方法。此种方法有模拟沉淀法和模拟滤池法两种。

3）流动电流检测法（SCD法）：流动电流系指胶体扩散层中反离子在外力作用下随液体流动（胶体固定不动）而产生的电流。SCD法由在线SCD检测仪连续检测加药后水的流动电流，通过控制器将测得值与基准值比较，给出调节信号，从而控制加注设备自动调节混凝剂投加量。

4）显示式絮凝控制法（FCD法）：显示式絮凝控制系统主要由絮体图像采集传感器和微机两部分组成。图像采集传感器安装在絮凝池出口水流较稳定处，水样经取样窗（可定时自动清洗）由高分辨率CCD摄像头摄像，由LED发光管照明以提高絮体图像清晰度，经视频电缆传输进计算机，对数据进行图像预处理，以排除噪声的干扰，改善图像的成像质量，絮体图像放大6倍可在显示器上显示，将图像经过计算机处理后得出图像中每一个絮体的大小和其他参数。FCD控制的原理是将实测的非球状絮体换算成“等效直径”的絮体，以代表其沉淀性能，然后与沉淀池出水浊度进行比较，来确定“等效直径”的目标值，通过设定的目标值来自动控制加注量。FCD是国内自行研制、开发的自动加药控制系统，已在一些水厂得到应用，取得较好效果。

1.2.4.2　混凝设施及混凝处理

1.混合设施

为了创造良好的混凝条件，要求混合设施能够将投入的药剂快速均匀地扩散于被处理的水中。

（1）混合的基本要求。混合是取得良好混凝效果的重要前提。药剂的品种、浓度、原水的温度、水中颗粒的性质、大小等，都会影响到混凝效果，而混合方式的选择是最主要的影响因素。

混合设施应使药剂投加后水流产生剧烈紊动，在很短时间内使药剂均匀地扩散到整个水体，也即采用快速混合方式，混合时间一般为10～60s。混合设施与后续处理构筑物的距离越近越好，尽可能采用直接连接方式，最长距离不宜超过120m，它与后续处理构筑物连接管道内的流速可采用0.8～1.0m/s。当采用高分子絮凝剂时，因其作用机理主要是絮凝，所以只要求药剂能够均匀地分散到水体，混合不宜过分急剧。

（2）混合方式。混合方式基本分两大类：水力混合和机械混合。前者简单，但不能适应流量的变化；后者（图1.18）可进行调节，能适应各种流量的变化，但需有一定的机械维修量。具体采用何种形式应根据净水工艺布置、水质、水量、投加药剂品种及数量以及维修条件等因素确定。

水力混合还可采用多种形式，目前较常采用的水力混合有：水泵混合、管式静态混合器（图1.19）混合、扩散混合器（图1.20）混合、跌水混合和水跃混合等。

几种不同混合方式的主要优缺点和适用条件见表1.7。

2.絮凝设施及处理

投加混凝剂并经充分混合后的原水，在水流作用下使微絮粒（俗称矾花）相互接触碰撞，以形成更大絮粒的过程称为絮凝。在原水处理构筑物中完成絮凝过程的设施称为絮凝池，习惯上也称为反应池。

（1）絮凝过程的基本要求。为了达到较为满意的絮凝效果，絮凝过程要求：一是颗粒具有充分的絮凝能力；二是具备保证颗粒获得适当的碰撞接触又不致破碎的水力条件；三是具备足够的絮凝反应时间；四是颗粒浓度增加，接触效果增加，即接触碰撞机会增多。

（2）絮凝形式及选用。絮凝设备与混合设备一样，可分为两类：水力搅拌式和机械搅拌式。水力搅拌式是利用水流自身能量，通过流动过程中的阻力给水流输入能量，反映为在絮凝过程中产生一定的水头损失，这种方式简单，但不能适应流量的变化；机械搅拌式是利用电机或其他动力带动叶片进行搅动，使水流产生一定的速度梯度，这种形式的絮凝不消耗水流自身的能量，絮凝所需要的能量由外部提供，还能进行调节，适应流量的变化，但机械维修工作量较大。

絮凝形式的选择，应根据水质、水量、沉淀池形式、水厂高程布置以及维修要求等因素确定。

（3）几种常用的絮凝池。

1）隔板絮凝池：水流以一定流速在隔板之间通过从而完成絮凝过程的絮凝设施，称为隔板絮凝池。水流方向是水平运动的称为水平隔板絮凝池，水流方向为上下竖向运动的称为垂直隔板絮凝池。水平隔板絮凝池应用较早，隔板布置采用来回往复的形式，如图1.21所示。水流沿隔板间通道往复流动，流动速度逐渐减小，这种形式称为往复式隔板絮凝池。往复式隔板絮凝池可以提供较多的颗粒碰撞机会，但在转折处消耗能量较大，容易引起已形成的矾花破碎。为了减小能量的损失，出现了回转式隔板絮凝池，如图1.22所示。这种絮凝池将往复式隔板180°的急剧转折改为90°，水流由池中间进入，逐渐回转至外侧，其最高水位出现在池的中间，出口处的水位基本与沉淀池水位持平。回转式隔板絮凝池避免了絮凝体的破碎，同时也减少了颗粒碰撞机会，影响了絮凝速度。为保证絮凝初期颗粒的有效碰撞和后期的矾花顺利形成免遭破碎，出现了往复-回转组合式隔板絮凝池。

2）折板絮凝池：折板絮凝池是1976年在我国镇江市首次试验研究并取得成功。它是在隔板絮凝池基础上发展起来的，是目前应用较为普遍的形式之一。折板絮凝池是利用在池中加设一些扰流单元（平折板或波纹板）以达到絮凝所要求的紊流状态，使能量损失得到充分利用，停留时间缩短，折板絮凝池的布置方式按水流方向可分为平流式和竖流式，以竖流式应用较为普遍；按折板安装相对位置不同，可分为同波折板和异波折板，如图1.23所示，同波折板是将折板的波峰与波谷对应平行布置，使水流不变，水在流过转角处产生紊动，异波折板将折板波峰相对、波谷相对，形成交错布置，使水的流速时而收缩成最小，时而扩张成最大，从而产生絮凝所需要的紊动；按水流通过折板间隙数，又可分为单通道和多通道，如图1.23和图1.24所示，单通道是指水流沿二折板间不断循序流动，多通道则是将絮凝池分隔成若干格，各格内设一定数量的折板，水流按各格逐格通过。无论哪一种方式都可以组合使用，有时絮凝池末端还可采用平板，同波和异波折板絮凝效果差别不大，但平板效果较差，只能放置在池末起补充作用。

3）网格（栅条）絮凝池：网格（栅条）絮凝池是应用紊流理论的絮凝池，由于池高适当，故可与平流沉淀池或斜管沉淀池合建。网格（栅条）絮凝池是在沿流程一定距离的过水断面上设置网格或栅条，距离一般控制在0.6～0.7m，通过网格或栅条的能量消耗完成絮凝过程。这种形式的絮凝池形成的能量消耗均匀，水体各部分的絮体可获得较为一致的碰撞机会，所以絮凝时间相对较少。其平面布置由多格竖井串联而成，絮凝池分成许多面积相等的方格，进水水流顺序从一格流向下一格，上下交错流动，直至出口，在全池2/3的分格内，水平放置网格或栅条（图1.25），通过网格或栅条的孔隙时，水流收缩，过网孔后水流扩大，形成良好的絮凝条件。

4）机械絮凝池：机械絮凝池通过电动机经减速装置驱动搅拌器对水进行搅拌，使水中颗粒相互碰撞，发生絮凝。搅拌器可以旋转运动，也可以上下往复运动，国内目前都是采用旋转式，常见的搅拌器有桨板式和叶轮式，桨板式较为常用。根据搅拌轴的安装位置，又分为水平轴式和垂直轴式（图1.26），前者通常用于大型水厂，后者一般用于中小型水厂，机械絮凝池宜分格串联使用，以提高絮凝效果。机械絮凝的主要优点是可以适应水量变化以及水头损失小，如配上无级变速传动装置，则更易使絮凝达到最佳状态，国外应用较为普遍，但由于机械絮凝池需要机械装置，加工较困难，维修量大，故国内目前采用尚少。

几种不同形式絮凝池的主要优缺点和适用条件见表1.8。

3.絮凝池设计

絮凝池设计的目的在于创造一个最佳的水力条件，以较短的絮凝时间，达到最好的絮凝效果。理想的水力条件，不仅与原水的性质有关，而且絮凝池的形式不同也有所不同。由于水质影响较为复杂，还不能作为工程设计的依据。

（1）设计要点：

1）絮凝池型式的选择和设计参数的采用，应根据原水水质情况和相似条件下的运行经验或通过试验确定。

2）絮凝池设计应使颗粒有充分接触碰撞的几率，又不致使已形成的较大絮粒破碎，因此在絮凝过程中速度梯度G值或絮凝流速应逐渐由大到小。

3）絮凝池要有足够的絮凝时间。根据絮凝形式的不同，絮凝时间也有区别，一般宜在10～30min之间，低浊、低温水宜采用较大值。

4）絮凝池的平均速度梯度G值一般在30～60s-1之间，GT值达104～105，以保证絮凝过程的充分与完善。

5）絮凝池应尽量与沉淀池合并建造，避免用管渠连接。如确需用管渠连接时，管渠中的流速应小于0.15m/s，并避免流速突然升高或水头跌落。

6）为避免已形成絮粒的破碎，絮凝池出水穿孔墙的过孔流速宜小于0.10m/s。

7）应避免絮粒在絮凝池中沉淀。如难以避免时，应采取相应的排泥措施。

（2）隔板絮凝池的设计计算：

1）隔板絮凝池主要设计参数：

a.池数一般不少于2个，絮凝时间20～30min，平均G值30～60s-1，GT值104～105，色度高、难于沉淀的细颗粒较多时宜采用高值。

b.廊道流速，应沿程递减，从起端0.5～0.6m/s，逐步递减到末端0.2～0.3m/s，一般宜分成4～6段。

c.隔板净间距不小于0.5m，转角处过水断面积应为相邻廊道过水断面积的1.2～1.5倍。尽量做成圆弧形，以减少水流在转弯处的水头损失。

d.为便于排泥，底坡2%～3%，排泥管直径大于150mm。

e.总水头损失，往复式0.3～0.5m，回转式0.2～0.35m左右。

2）计算公式：

a.絮凝池容积

式中：V为絮凝池容积，m3；Q为设计流量，m3/h；T为絮凝时间，min。

b.池长

式中：L为池长，m；B为池宽，应和沉淀池等宽，m；H为有效水深，m。

c.隔板间距

式中：b为隔板间距，m；v为隔板间流速，m/s。

d.水头损失

式中：hi为第i段廊道水头损失，m；mi为第i段廊道内水流转弯次数；vi、vit分别为第i段廊道内水流速度和转弯处水流速度，m/s；ξ为隔板转弯处局部阻力系数，往复式ξ＝3，回转式ξ＝1；Ci为流速系数，通常按曼宁公式Gi＝（1/n）计算或直接查水力计算表；li为第i段廊道总长度，m；Ri为第i段廊道过水断面水力半径，m。

e.平均速度梯度

式中：G为平均速度梯度，s-1；γ为水的容重，9.81×103N/m3；μ为水的动力黏度，Pa·s。

（3）折板絮凝池主要设计参数：

1）絮凝时间6～15min，平均G值30～50s-1，GT值大于2×104。

2）分段数不宜小于3，前段流速0.25～0.35m/s，中段0.15～0.25m/s，末段0.10～0.15m/s。

3）平折板夹角有90°和120°两种。折板长0.8～2.0m，宽0.5～0.6m，峰高0.3～0.4m，板间距（或峰距）0.3～0.6m左右。折板上下转弯和过水孔洞流速，前段0.3m/s，中段0.2m/s，末段0.1m/s。

折板絮凝池设计计算公式参见有关设计手册。

（4）机械絮凝池主要设计参数：

1）絮凝时间15～20min，平均G值20～70s-1，GT值介于104～105之间。

2）池内一般设3～4挡搅拌机，每挡可用隔墙或穿孔墙分隔，以免短流。

3）搅拌机桨板中心处线速度从第一挡的0.5m/s逐渐减小到末挡的0.2m/s。

4）每台搅拌器上桨板总面积宜为水流截面积的10%～20%，不宜超过25%。

5）桨板长度不大于叶轮直径75%，宽度宜取100～300mm。

机械絮凝池设计计算公式参见有关设计手册。