淺談水處理的混凝方法與混凝劑
摘要：在諸多的水處理方法中,混凝法是一種最常用的水處理物化方法。這種方法是通過向水中加入混凝劑而使膠體脫穩產生絮凝,從而去除污染物的方法。影響混凝的因素有很多,比如溫度、PH值、水力條件、絮凝劑投加量和性質等,調節好這些因素能達到很高的去除效果。
關鍵字：水處理；混凝；硫酸鋁； 聚合氯化鋁；聚合硫酸鐵；聚丙烯酰胺
0 引言
在工業廢水和生活廢水處理中,有一種很重要的物化處理方法:混凝法。這種水處理方法應用廣泛,各種污染指標去除率高。下面對這一方法進行簡單介紹。
1 混凝法
1.1 混凝法的概念 在天然水中和各種廢水中,物質在水中存在的形式有三種:離子狀態、膠體狀態和懸浮狀態。一般認為,顆粒粒徑小于1nm的為溶解物質,顆粒粒徑在1~100nm的為膠體物質,顆粒粒徑在100nm~1mm為懸浮物質。其中的懸浮物質是肉眼可見物,可以通過自然沉淀法進行去除;溶解物質在水中是離子狀態存在的,可以向水中加入一種藥劑使之反應生成不溶于水的物質,然后用自然沉淀法去除掉;而膠體物質由于膠粒具有雙電層結構而具有穩定性,不能用自然沉淀法去除,需要向水中投加一些藥劑,使水中難以沉淀的膠體顆粒脫穩而互相聚合,增加至能自然沉淀的程度而去除。這種通過向水中加入藥劑而使膠體脫穩形成沉淀的方法叫混凝法,所投加的藥劑叫混凝劑。
1.2 混凝的基本原理 廢水中的膠體物質具有巨大的比表面積,可以吸附液體介質中的正離子或負離子或極性分子等,使固液兩相界面上的電荷呈不平衡分布,在界面兩邊產生電位差,這就是膠體微粒的雙電層結構。形成雙電層結構的微粒的整個膠體結構就稱為膠團,整個膠團是電中性的。膠團中心是帶有電荷的固體微粒本身,稱為膠核。膠核所帶電荷的符號就是膠體所帶電荷的符號。膠體微粒之所以能在水中保持穩定性,原因在于膠體粒子之間的靜電斥力(膠體常常帶有同種電荷而具有斥力)、膠體表面的水化作用及膠粒之間相互吸引的范德華力共同作用。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生水化作用越大,水化殼也越厚,越具有穩定性。向水中投加藥劑,使膠體失去穩定性而形成微小顆粒,而后這些均勻分散的微小顆粒再進一步形成較大的顆粒,從液體中沉淀下來,這個過程稱為凝聚。凝聚有以下幾方面的作用:
1.2.1 壓縮雙電層與電荷的中和作用。加入電解質,使固體微粒表面形成的雙電層有效厚度減小,從而范德華力占優勢而達到彼此吸引形成凝聚;或者加入電不同電荷的固體微粒,使不同電荷的粒子由于靜電吸引而彼此吸引,最后達到凝聚。
1.2.2 高分子絮凝劑的吸附架橋作用。高分子絮凝劑的碳碳單鍵一般情況下是可以旋轉的,再加上聚合度較大,即主鏈較長,在水介質中主鏈是彎曲的。在主鏈的各個部位吸附了很多固體顆粒,就象是為固體顆粒架了許多橋梁,讓這些固體顆粒相對地聚集起來形成大的顆粒。
1.2.3 絮體的網捕作用。有些混凝劑(如鋁鹽或鐵鹽)有水中形成高聚合度的多羥基化合物的絮體,在沉淀過程中可以吸附卷帶水中膠體顆粒共同沉淀,此過程稱為絮凝劑的網捕作用。
2 幾種常見的混凝劑
常用的混凝劑有無機絮凝劑、有機高分子絮凝劑、生物絮凝劑等。無機絮凝劑主要產品有硫酸鋁、聚合氯化鋁、三氯化鐵、硫酸亞鐵和聚合硫酸鐵、聚合硅酸鋁、聚合硅酸鐵、聚合氯化鋁鐵、聚合硅酸鋁鐵和聚合硫酸氯化鋁等。有機高分子絮凝劑以聚丙烯酰胺類產品為代表,生物絮凝劑是一類由微生物產生的具有絮凝能力的高分子有機物,主要有蛋白質、黏多糖、纖維素和核酸。下面簡單介紹幾種常用的混凝劑。
2.1 硫酸鋁(AS) 無水硫酸鋁是無色結晶,易溶于水,常溫下硫酸鋁以含十八水合物最為穩定。Al2(SO4)3·18H2O是具有光澤的無色顆粒或粉末晶體,極易溶于水,水溶液呈酸性(PH<=2.5)。工業品為白色或微帶灰色的粉末或塊狀結晶,因可能存在少量的硫酸亞鐵而使產品表面發黃。硫酸鋁是使用最早的絮凝劑之一。硫酸鋁對水中膠體微粒的絮凝過程分為吸附脫穩、沉淀絮凝、吸附沉淀混合區和再穩定四個區域。加入過量的硫酸鋁,會形成膠體再穩定而影響絮凝效果。硫酸鋁價格便宜,應用較廣泛。
2.2 聚合氯化鋁(又稱堿式氯化鋁PAC) 聚合氯化鋁是應用最廣泛的一種絮凝劑,它的固體呈無色至黃色樹脂狀,易潮解,溶液為無色至黃褐色透明狀液體,聚合氯化鋁易溶于水并易發生水解,水解過程中伴隨有電化學、凝聚、吸附、沉淀等物理化學現象。聚合氯化鋁一般是由鋁礦土與酸經過酸溶、水解、縮聚等復雜的過程而制成的。相對于硫酸鋁而言,聚合氯化鋁混凝效果隨溫度變化較小,形成絮體的速度較快,絮體顆粒和相對密度都較大,沉淀性能好,投加量較小。聚合氯化鋁適宜的PH值范圍在5-9之間,過量投加一般不會出現膠體的再穩定現象。長期的實踐證明,作為絮凝劑,聚合氯化鋁優于硫酸鋁,很多凈水場的硫酸鋁已經逐步被聚合氯化鋁所替代。聚合氯化鋁水溶液呈弱酸性,PH值在5.5-6.0,對設備的腐蝕性很小。
2.3 聚合硫酸鐵(PFS) 聚全硫酸鐵有固體和液體兩種形式,液體為紅褐色粘稠液,固體為淡黃色或淺灰色的樹脂狀的顆粒。在產品的儲存的使用過程中,聚合硫酸鐵對設備基本無腐蝕作用。聚合硫酸鐵投藥量低,而且基本不用控制液體的PH值。與鋁鹽相比,聚合硫酸鐵絮凝速度更快,形成的礬花大,沉降速度更快;另外,它還具有脫色、除重金屬離子、降低水中COD、BOD濃度的作用;但是其出水容易顯黃色。
2.4 聚丙烯酰胺(PAM) 按離子特殊性分類,可分為陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性酰胺四種。陽離子酰胺主要用于水處理,陰離子酰胺主要用于造紙、水處理,兩性酰胺主要用于污泥脫水處理。聚丙烯酰胺易溶于冷水,分子量對溶解度影響不大,但高分子量的酰胺濃度超過質量分數10%以后,會形成凝膠狀態。溶解溫度超過50度,PAM發生分子降解而失去助凝作用。因此溶解聚丙烯酰胺時要用45-50度的溫水最為適宜。配制聚丙烯酰胺溶液一般配成質量濃度為0.05-2%,陽離子酰胺粘度較小,可配制成濃度較大的溶液,陰離子酰胺粘度較大,可適當配制成濃度較小的溶液。配制溶液時不可濃度過大,否則不容易控制加藥量,容易造成加藥過量。聚丙烯酰胺的加入量很小,一般加藥量在0.1-2ppm。聚丙烯酰胺溶液用于處理廢水時,加藥后的絮凝效果與攪拌時間與攪拌有關。當已經形成大塊絮凝時,就不要再繼續攪拌,否則會使已經形成的較大礬花被打碎,變成細小的絮凝體,影響沉降效果。
3 影響絮凝效果的因素
絮凝作用是復雜的物理和化學過程,絮凝處理效果是由多種因素綜合作用的結果。影響絮凝效果的因素主要有以下幾點:
3.1 溫度的影響:水溫升高絮凝效果則會提高,在低溫條件下,必須增加絮凝劑用量。另一方面,水溫過高,形成的絮凝體細小,污泥含水率增大,難以處理。所以,水溫過高或過低對絮凝均不利。一般水溫條件宜控制在20-30℃。
3.2 水體PH值的影響:每種絮凝劑都有它適合的PH值范圍,超出它的范圍就會影響絮凝效果。比如聚丙烯酰胺,陽離子型適用于酸性和中性的環境中使用,陰離子型適用于在中性和堿性的環境中使用,非離子型適用于從強酸性到堿性的環境中使用。
3.3 絮凝劑的性質和結構影響:對于高分子絮凝劑來說,其結構和性質對絮凝作用影響很大。無機高分子絮凝劑的聚合度越大,其電中和能力和吸附架橋功能越強。而對于有機絮凝劑來說,除了聚合度的影響外,線性結構的絮凝劑絮凝作用大,而環狀或支鏈結構的有機高分子絮凝劑絮凝效果就差。
3.4 絮凝劑投加量的影響:各種絮凝劑都有在相應條件下的最佳投加量,低于或者超過這個最佳量都會使絮凝效果變差。用量不足時,絮凝不徹底,用量過量則會造成膠體的再穩定,降低絮凝效果。所以,不同的絮凝劑要在使用之前做小試確定其最佳加入量。
3.5 水力條件的影響:為了使絮凝劑與水體充分接觸,增加顆粒碰撞速率,往往要進行機械攪拌,而攪拌的速度和時間必須適當。攪拌時間太短,絮凝不充分;攪拌速度太快,時間太長,會使已經形成的絮凝被打碎,降低高分子鏈的架橋吸附能力。
參考文獻:
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