第三章+混凝
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第三章 混凝
同向紊流理论-说明 • 说明 • 1. p 和
沿用习惯，也称为G.
• 2.G能反映所给功率，其值越大，颗粒碰撞 速率越大，混凝效果越好。若太大，由于 过大的水流剪力力，会破坏形成的絮凝体 （处于研究阶段）。 • 3.实际中最佳G值及药物投加量，要通过混 凝条件实验来确定。
3.6混凝动力学—混凝控制指标
混凝剂的种类有不少于200-300种，分为无机与有 机两大系列
3.4混凝剂和助凝剂—混凝剂
铝系
无机 铁系 硫酸铝（在我国使用方便） 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合 物 人工 合成
适宜pH：5.5~8
3.3混凝机理
凝聚机理
压缩双电层 吸附——电中和作用 吸附架桥作用 网捕——卷扫作用
絮凝机理
异向絮凝 同向絮凝
一、凝聚机理—压缩双电层
• 根据DLVO理论，加入电解质对胶体进行脱稳。 • 电解质加入――与反离子同电荷离子――压缩双 电层――电位――稳定性――凝聚
电位＝0，等电状态，实际上混凝不需要电 位＝0，只要使Emax=0即可，此时的电位称为 临界电位
3.4混凝剂和助凝剂—助凝剂
凡是不能在某一特定的水处理工艺中单独用作混 凝剂但可以与混凝剂配合使用而提高或改善混凝 效果的化学药剂可称为助凝剂。助凝剂可以参加 混凝，也可不参加混凝。 按投加目的可分为几类：
1.以吸附架桥改善已形成的絮体结构：如骨胶、活化硅酸、 聚丙烯酰胺（PAM）及其水解产物 2.以调节原水酸碱度来促进混凝剂水解：调整水的pH，如 石灰、硫酸等 3.以破坏水中有机污染物对胶体颗粒的稳定作用来改善混 凝效果：如投加高锰酸盐、臭氧等 4.以改变混凝剂化学形态促进混凝效果：主要指硫酸亚铁 作为混凝剂时，投加Cl2促使亚铁离子氧化成三价铁
第三章-混凝的原理与应用
PAC 用铝灰，酸溶、碱溶法制成，多核配合物。 混凝效果好。适用：废水处理，给水高浊、低浊水效果好、价格高。
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
改善絮体结构－增加颗粒重量
PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物 ，骨胶等
3.影响混凝效果的主要影响因素
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒 间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
同向絮凝
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
助凝剂
调节或改善混凝条件
调节pH, 包括碱和氧化剂，石灰（乳）, O3
改善絮体结构－增加颗粒重量
PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物 ，骨胶等
3.影响混凝效果的主要影响因素
(1) 压缩双电层作用
混凝剂提供大量正离子会涌入胶体扩散层甚至 吸附层, 使ξ电位降低。当ξ电位为零时, 称为等电状 态。此时胶体间斥力消失, 胶粒最易发生聚结。
实际上，ξ电位电位只要降至某一程度而使胶粒 间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就 开始产生明显的聚结，这时的ξ电位称为临界电位。
Typical colloidal characteristics for water and wastewater
Size range: 10-3- 1 micron. •50 – 70 % of the organic matter in domestic wastewater is composed of colloidal matter. •In water treatment color, turbidity, viruses, bacteria, algae and organic matter are primarily either in the colloidal form or behave as colloids.
同向絮凝
2.混凝剂与助凝剂
混凝前提是投药，按药剂作用分：
混凝剂 助凝剂
混凝剂
硫酸铝 室温溶解度50％，水温过低，硫酸铝水解困难，絮凝体松散。不宜低温低 浊水。
氯化铁 腐蚀性强，在溶解过程中会释放大量热量，产生热腐蚀。絮凝速度快，絮 凝体密实，沉淀性能好。对低温低浊水比铝盐好，除色效果不好。
第三章 混凝剂的种类
第三章混凝剂的种类1.混凝剂的分类若要取得好的混凝效果，应选择适宜的混凝剂与助凝剂。
混凝剂、助凝剂应具有使用方便、价格低廉、货源充足等优点。
混凝剂的种类很多，按其化学成分可分为无机混凝剂、有机混凝剂两大类。
（1）无机混凝剂①铝盐混凝剂如硫酸铝、明矾、聚合氯化铝等。
铝盐混凝剂具有腐蚀性小、净化效果、使用方法等优点。
但水温低时，硫酸铝水解困难，形成的絮凝体较松散。
效果不如铁盐。
值得注意的是聚合氯化铝为一种无机高分子混凝剂，又称碱式氯化铝，简称为PAC，这种聚合铝的优点是矾花形成块，粒重易沉淀，投量比硫酸铝低。
②铁盐混凝剂如三氧化铁、硫酸亚铁、聚合铁等。
铁盐混凝剂所形成的矾花较重，易沉淀，处理低温浊水的效果比铝盐好。
但三氧化铁的腐蚀性较大，出水含铁量较高。
硫酸亚铁又称绿矾，价廉，货源充分，但混凝效果不如三价铁盐。
因此，在使用硫酸亚铁是把二价铁氧化为三价铁，以增强混凝效果。
聚合铁是一种无机高分子混凝剂，其净化效果比三氧化铁、硫酸亚铁的效果好。
铁盐混凝剂的PH使用范围较宽，在5~11之间。
③镁盐混凝剂如硫酸镁、碳酸镁等。
镁盐等混凝剂的特点是形成的絮凝体比铝盐的还重，容易沉淀，而且可以重复利用。
但因镁盐的价格较贵，国内很少采用。
目前应用最广的是铝盐混凝剂和铁盐混凝剂。
（2）有机混凝剂可分为有机合成高分子混凝剂和天然高分子絮凝剂两大类。
①有机合成高分子混凝剂一般都是水溶性的线型高分子聚合物，它呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化和单体，各单体以共价键结合。
聚合体的分子量是各单体的分子量的总和，单体的总数称聚合度。
高分子混凝剂的聚合度即指链节数，高聚合物的相对分子质量高达150万~160万。
按照高分子聚合物在水中离解的情况，可分为阳离子型、阴离子型、非离子型。
在我国使用最多的高分子混凝剂是聚丙烯酰胺（PAM），它是非离子型聚合物，相对分子量在15万以上。
商品浓度一般为8%，使用时，一般控制水浓度在30%~40%较好。
第3章混凝
胶粒：通常将胶核与吸附层合在一起 称为胶粒
胶团：胶粒与扩散层组成的电中性胶 团，称为胶团。 由于胶粒内反离 子电荷数少于表面电荷数，故胶粒总 是带电的 ，其电量等于表面电荷数与 吸附层反离子电荷数之差 ，其电性与 电位离子电性相同。
2 胶体的电位
胶体的电动电位（ζ电位）：当胶体粒子运动 时，扩散层中的大部分反离子就会脱离胶团， 向溶液主体扩散。其结果必然使胶粒产生剩 余电荷（其量等于脱离胶团的反离子所带电 荷数值，符号与电位离子相同），使胶粒与 扩散层之间形成一个电位差，此电位称为胶 体的电动电位，常称为ζ电位。
式中[CaO]：纯石灰CaO投量，mmol/L；
[a]：混凝剂投量，mmol/L；
[x]：原水碱度，按mmol/L，CaO计；[δ]： 保证反应顺利进行的剩余碱度，一般取 0.25~0.5mmol/L（CaO）。一般石灰投量通 过试验决定。
3.水中悬浮物浓度的影响
杂质浓度低，颗粒间碰撞机率下降，混凝效 果差。可采取的对策有： ①加高分子助凝剂； ②加粘土 ③投加混凝剂后直接过滤
3.1.3 DLVO理论
DLVO理论：胶体颗粒之间的相互作用 决定于排斥能与吸引能，分别由静电斥 力与范德华引力产生。
排斥势能：ER－1/d2 吸引势能：EA－1/d6
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能 与距离之间的关系，
排
斥
势
Er
能
ER E
Emax 0a
吸
Ea
引
势
能
EA
r c
r (a)
图 6-6 胶体保护示意
4 网捕卷扫作用
向水中投加含金属离子的化学药剂后， 由于金属离子的水解和聚合，会以水中 的胶粒为晶核形成胶体状沉淀物，或者 在这种沉淀物从水中析出的过程中，会 吸附和网捕胶粒而共同沉降下来这称为 网捕卷扫作用。
水质工程学——第3章 混凝
稳定性原因 双电层结构与电位
•Φ电位：胶核表面的点位，总电位。
扩散层
•电位：滑动面上的电位，动电位。
在数值上等于总电位中和
吸附层
胶 胶粒 核
胶
団
天然水中胶体杂质通常是负电胶 体，如粘土，细菌，病毒，藻类， 腐殖物等。 粘土电位＝-15~-40 mV 细菌电位＝-30~-70 mV 藻类电位＝-10~-15 mV
の
阳离子浓度 阴离子浓度
憎水胶体稳定性的原因：DLVO理论
胶体颗粒之间的相互作用：
排斥势能——静电斥力 排斥势能：ER－1/d2 吸引势能——范德华引力 吸引势能：EA－1/d6（或1/d2，1/d3） 胶体颗粒能否聚集取决于总势能
排 斥 势 能 ER
r
Er E Emax
r
(a)
0
a b
高分子投量过少，不足以形成吸附架桥 投加过多，会出现“胶体保护”现象。 •铝盐的多核水解产物： 长度不足，电性中和 •中性氢氧化铝聚合物： 架桥作用 •高分子物质： 吸附架桥 +（电中和）
线性、长度
弹性势能、电性 斥力、水化膜
架桥模型示意图
胶体保护示意图
3.网捕或卷扫 网捕或卷扫 机械作用
金属氢氧化物在形成过
天然水体一般pH=6.5-7.8 ，主要吸附 架桥和电性中和。
作业一
1.什么是胶体稳定性？水中胶体为什么
处于稳定状态（稳定状态的分类）？ 2.用DLVO理论解释胶体稳定性的原因 3.混凝机理有哪些？
3.2 混凝剂和助凝剂
一、混凝剂
混凝剂符合的要求
混凝效果好 对人体无危害
使用方便 货源充足，价格低廉
在动力学稳定性和聚集稳定两者之中，聚集稳定 性对胶体稳定性的影响起关键作用。布朗运动既 是胶体稳定性原因，也是引起碰撞聚结的不稳定 因素。
水质工程学练习题(4)
水质工程学练习题(4)第三章混凝一、填空：1、水处理过程中,混凝过程主要的去除对象为胶体和微小悬浮物。
2、胶体在水中之所以稳定,主要原因为胶体的动力稳定、带电稳定和胶体的溶剂化作用。
3、常用的混凝剂有硫酸铝、三氯化铁和聚合氯化铝。
4、目前公认的四个混凝机理分别是：压缩双电层、吸附-电中和、吸附架桥、网捕-卷扫。
5、根据快速混合的原理，混合设施主要有如下四类：水利混合、水泵混合、管式混合、机械混合。
6、混凝剂与水的混合絮凝中控制水利条件的重要参数是速度梯度G值和絮凝时间T 值。
混合阶段要求的水利条件是G值为700~1000S-1，T值为10~20s，絮凝阶段要求的水利条件是平均G值为20~70S-1，GT值为1×104 ~1×105。
二、名词解释：混凝的定义总电位ζ电位压缩双电层速度梯度G--指两相邻水层的水流速度差与它们之间的距离的比值。
复合混凝剂同向絮凝异向絮凝混凝剂助凝剂三、问答题：1．试述混凝机理，及影响混凝效果的主要因素。
答：胶粒的混凝机理①压缩双电层作②吸附电中和作用③吸附架桥作用④网捕卷扫作用（4分）絮凝机理：①异向絮凝②同向絮凝（3分）影响因素：（3分）①水温的因素②PH的影响③水的碱度的影响④浊质颗粒的影响⑤水中有机污染物的影响⑥混凝剂的种类及投加量的影响⑦混凝剂的投加方式的影响2、铝盐和铁盐作为混凝剂在水处理过程中发挥哪三种作用？（1）Al3+或Fe3+和低聚合度高电荷的多核羟基配合物的脱稳凝聚作用。
（2）高聚合度羟基配合物的桥连絮凝作用。
（3）以氢氧化物沉淀形式存在时的网捕絮凝作用。
3. 混凝药剂的选择遵循哪些原则？P72第四章沉淀一、填空：1、在水处理领域中,颗粒在水中的沉降属于_层流___状态，颗粒的下沉速度可用_斯托克斯___公式计算。
2、澄清池内_泥渣__的体积浓度是提高原水中悬浮颗粒絮凝速率的决定性因素。
3、自由沉淀颗粒在水中所受的力有自身重力、水的浮力、粘滞阻力、惯性力。
第三章混凝剂的种类
聚合氯化铝做混凝剂时，与无机盐类混凝剂相比， 具有很多优点： 1.形成絮凝体速度快，絮凝体大而密实，沉降性能 好。 2.投加量相对与无机盐类混凝剂低； 3.对原水水质适应性好，无论是低温、低浊、高浊、 高色度、有机污染等原水，均保持较稳定的处理效 果； 4.最佳混凝pH值范围宽，最佳投加量范围宽，一定 范围内过量投加不会造成水的pH值的大幅下降，不 会突然出现混凝效果很差的现象； 5.由于聚合氯化铝的盐基度比无机盐高，因此在配 置和投加过程中药剂对设备的腐蚀程度小，处理后 水的pH值和碱度变化也较小。
3.2.3聚电解质的性质
聚电解质的物理性状是其重要商品特征。高分子 量聚电解质一般为固体，其原因是高分子量聚电解 质很粘，只要浓度高于1％，就不能用泵来输送。 目前高分子量聚电解质有颗粒状，片状和珠状等。 固态高分子高聚电解质使用中的问题是溶解性、溶 解速率(过慢)、液体过粘不易操作，等等。低分子 量的聚电解质一般是液体，浓度不超过50％。液态 聚电解质的主要问题是易水解、菌类生长、及聚合 物分子交联，等等。
3.5 混凝剂选择原则
混凝剂应符合以下要求： ①混凝效果好； ②对人体无危害； ③使用方便； ④货源充足，价格低廉。 ⑤借鉴已有经验。
第三章 混凝剂的种类
混凝剂的品种目前不下二三百种，按其 化学成分可分为无机及有机两大类；按其作 用分可分为凝聚剂、絮凝剂、助凝剂；按其 分子量大小可分为低分子混凝剂、高分子混 凝剂；按其来源分为天然混凝剂、合成混凝 剂。
表 常用的混凝剂
硫酸铝 明矾 聚合氯化铝（PAC） 聚合硫酸铝（PAS） 三氯化铁 硫酸亚铁 硫酸铁（国内生产少） 聚合硫酸铁 聚合氯化铁 阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物
3.1.2 铁盐混凝剂 a 三氯化铁 三氯化铁其优点是易溶解， 形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实，沉降速 度快，处理低温、低浊度水时优于硫酸铝， 使用的pH值范围较宽，投加量比硫酸铝小。 三氯化铁的主要缺点是对金属有腐蚀作用， 处理后水色度比铝盐色度处理水大，最佳 投药量范围宽，不易控制。
第三章_混凝动力学
•第三章 混凝动力学
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：
•
一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗
粒碰撞聚集称“异向絮凝”。
•
另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流
体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。 • 3.水温低时，水中胶体颗粒的布朗运动减弱。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重
量和强度，提高沉速。
• 二、水的pH值和碱度
值作为控制指标。
•
CV——水中颗粒体积浓度。
a——颗粒有效碰撞系数。
•
如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。从
理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但具 体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继续
研究的目标。
3.2影响混凝的因素
•
p——单位体积流体所耗功率 （w/m3)
•
G——速度梯度 （S-1）
• 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗；
•
PV=gQh…………………………(8)
•
• 3.1 混凝动力学
• 推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：
•
一方面颗粒在水中的布朗运动，由布朗运动所造成的颗
粒碰撞聚集称“异向絮凝”。
•
另一方面在水力或机械搅拌下所造成的流体运动，由流
体运动所造成的颗粒碰撞聚集称“同向絮凝”。
• 一、异向絮凝
•
假定颗粒为均匀球体，根据费克定律，可导出颗粒的碰撞速率：
•
2FeCL3 + 3H2O + 3CaO = 2Fe(OH)3 + 3CaCL2
强度小，不易沉淀。
• 2.水的粘度大，颗粒沉淀速度降低，而且颗粒之间
碰撞机会减少，影响了混凝效果。 • 3.水温低时，水中胶体颗粒的布朗运动减弱。
• 克服水温低效果差的措施：
• 1.增加混凝剂的投量，以改善颗粒之间的碰撞条件。 • 2.投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重
量和强度，提高沉速。
• 二、水的pH值和碱度
值作为控制指标。
•
CV——水中颗粒体积浓度。
a——颗粒有效碰撞系数。
•
如果脱稳颗粒每次碰撞都可导致凝聚，则：a=1 ,而实际 a1 。从
理论上而言，采用 CVGT 或 aCVGT 值控制絮凝体效果自然更合理，但具 体数值至尽还无法确定，因而目前也只能从概念上加以理解或作为继续
研究的目标。
3.2影响混凝的因素
•
p——单位体积流体所耗功率 （w/m3)
•
G——速度梯度 （S-1）
• 当用机械搅拌时，式中的P由机械搅拌器提供，当采用水力絮凝池 时，P应为水流本身能量消耗；
•
PV=gQh…………………………(8)
•
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关。 ④ 范德华引力：分子间的作用力，与分子间距离的 6 次方成反比。 水中胶体颗粒的稳定性，取决于上述因素的综合作用。 稳定的胶体溶液中: 碰撞时两个滑动面内的离子层厚度较大，范德华引力较弱，同时由于
布朗运动的动能不足以克服能垒，使双电层结构不易遭破坏，从而胶体保持稳定。对于亲水 胶体其水壳厚度使之不能相互接近。 3、胶体颗粒的脱稳与絮凝
3.3.3 水中杂质性质，成分和浓度
水中存在二价及其以上的正离子，利于双电层压缩； 水中存在较多粘土，可降低混凝剂用量； 水中存在较多有机物时，将增加混凝剂用量； 水中杂质越单一、尺寸越均匀、颗粒越细小，越不利于混凝效果； 杂质浓度过低，不利于颗粒间接触而影响混凝效而果； 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。
电中和
小胶粒被异号大胶粒吸附
巨大颗粒一般指矾花、滤料。
3-2 混凝的过程与机理
3.2.1 水处理中混凝的特点
天然水中的颗粒是一个很复杂的体系──大小不一，组分多样，性质各异。废水中存在的 颗粒有：
粘土、细菌、腐植酸、蛋白质等； 无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒；
比胶体化学中研究的单一胶体更为复杂。 水的混凝过程要考虑：颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构。
3.1.4 胶体的稳定性与凝聚
1、稳定性 胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性。
2、稳定的原因： ① 布朗运动：保持分散状态；提供碰撞机会 ② 静电斥力：疏水胶体外的同号电荷形成静电斥力，又叫 ζ 电位库仑力，与颗粒间距离
的平方成反比，与电位成正比。 ③ 水（溶剂）化作用：亲水胶体由于具有水壳，具有水化作用。其大小与水壳的厚度有
3-3 影响混凝的主要因素
3.3.1 水温
混凝剂的水解为吸热过程， 低温不利于混凝剂水解（水温每降 10℃，水解速度将降低 2~4 倍）；
水温低→水粘滞度高→不利于脱稳颗粒的絮凝。 水温低→胶体颗粒布朗运动减弱→不利于“异向絮凝” 水温过高→絮体水合作用增强、松散不易沉降 适宜温度在 15~25 ℃之间！
-3-
Fe（OH)3胶体分散系胶团结构 5、胶体的 ζ 电位
胶体在滑动时所显示的电位，滑动界面上可通过电流速度计算距离。
胶体颗粒移动时其滑动面上相对于溶液内部的电位差。决定胶体颗粒稳定性的重要指标。计 算公式为：
-4-
粘土胶体颗粒一般为-15 ~ -40 mV；细菌一般为-30~ -70 mV；藻类一般为-10~ -15mV； Fe(OH)3溶液一般为+56mV。 6、胶体颗粒间的相互作用
为同号胶体。 （4）亲水胶体凝聚 ① 稳定的原因：水化壳的存在 ② 脱稳与凝聚：投加电解质：压缩去除水合层，中和电荷，脱水
与压缩双电层的区别: 离子价数无重要影响，主要是阴离子作用。 （5）接触凝聚 胶体颗粒由于吸附在巨大颗粒表面上产生的凝聚现象称为接触凝聚，可能包括几种不同
的现象。 压缩双电层
小胶粒被同号大胶粒吸附
→ + 粘土、细菌、蛋白质
负电
→ - Al(OH)3颗粒，Fe(OH)3颗粒 正电 b．电渗现象：液体在电场中透过多孔性固体的现象（与电泳相反）。
c．动电现象：胶体溶液系统内固相与液相之间产生的相对移动。
3、胶体颗粒带电原因
（1）胶体颗粒表面对溶液中离子的吸附
选择性—有共同成分的离子。
FeCl3+3H2O→Fe(OH)3+3HCl Fe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2O FeOCl→FeO++ ClFe(OH)3胶体吸附FeO+而带正电。 （2）胶体颗粒表面的溶解 胶体表面与水反应，生成的化合物离解出正、负离子，微粒吸附了其中的一种离子而带 电。如粘土颗粒：
3.3.2 pH 值和碱度
pH 影响铝、铁盐水解产物的形态，是影响混凝效果的主要原因。最佳 pH 值的确定：
- 11 -
碱度：起缓冲作用，以使 pH 保持在适宜范围 水解反应产生H+，故在混凝投量大，原水碱度不足时，需加助凝剂。 水的 pH 不同→胶体颗粒表面电荷电位不同→所需混凝剂投量不同 不同混凝剂水解反应对最佳 pH 要求不同 去除浊度：硫酸铝 6.5~7.5；三氯化铁 6.0~8.5；硫酸亚铁≥ 8.5；高分子混凝剂 5~9； 去除色度：硫酸铝 4.5~5.5；三氯化铁 3.5~5.0；硫酸亚铁≥ 8.5； 混凝剂的水解将降低 pH； 需根据处理要求、混凝剂类型预先调节 pH，提供足够的碱度； 水解所需碱度[CaO，mg/L]：
水中胶粒被混凝剂形成的絮状沉淀物所网捕，胶粒本身也可作为沉淀物形成的核心。
以上四种机理往往可能同时存在，只是在一定条件下以某种现象为主。 上述四种凝聚机理，在水和废水处理工程中并非独立存在，而往往可能是同时存在，只 是在一定条件下以某种机理为主。 混凝剂类型不同，所发生的混凝机理有所不同。高分子混凝剂，尤其是有机高分子混凝 剂，以吸附架桥作用为主；无机混凝剂（如硫酸铝等）以上机理可能同时具有。
3、吸附架桥作用机理 与不带电荷高分子吸附架桥； 与带异号电荷的高分子吸附架桥；
-9-
与带同号电荷的高分子物质的吸附架桥； 适用:非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂的混凝。
聚合物对脱稳胶体的吸附架桥作用 4、沉淀物网捕作用机理
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）作混凝剂时，当投 量大得足以迅速沉淀技术氢氧化物或金属碳酸盐（CaCO3）时，对水中胶体颗粒的网捕作用。
第三章 混 凝
3-1 混凝的基本理论
3.1.1 混凝及其处理对象
1、混凝的概念
向被处理水或废水中投加一定种类、一定数量的化学药剂（混凝剂），并创造一定的水力
等条件，以使水中污染物相互凝聚、颗粒增大并与水分离而达到处理目标。
2、处理对象
去除水和废水大部分以胶体形式存在于水中的物质，尺度一般在 10-6～10-9m 之间。包括
（1）定义 使胶体失去稳定性过程。 （2）同号胶体的凝聚
① 稳定的原因：由于两胶粒间隔着两个滑动面内的离子层厚度而保持相斥状态，范德 华引力不起作用。
② 脱稳与凝聚：压缩双电层 投加电解质，增大反离子浓度，这些反离子与扩散层中的反离子发生交换，进而挤入滑
-6-
动面和吸附层，使胶粒所带电荷数减少，ζ 电位降低。这种作用叫压缩双电层。 ζ 电位等于 0 时称为等电点，此时胶团尺寸最小，最易脱稳。 各种电解质压缩双电层的能力不同，遵循叔而采法则：与离子价数 6 次方成正比。 （3）异号胶体的凝聚 异号电荷若大致相等，可依靠静电引力相互聚凝，ζ 电位降低。若电荷差异大，则可能变
适用：胶粒表面电性改变，再稳定。 （1）作用过程 胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒和异号（高）分子，由此中和其部分或全部 电荷，减小排斥力。 （2）作用驱动力 静电引力、氢键、配位键及范德华引力等。 （3）再稳定现象 胶体颗粒吸附高离子而使其电性反号，重新产生斥力而稳定。
压缩双电层和吸附电中和作用机理
绝大部分粘大颗粒（<4μm）、大部分细菌（0.2~80nm）、病毒及一些高分子量的有机物。
—溶解或不溶性胶体颗粒（1mμm~0.1 μ m）
—微小的 SS
—其他致浊物质
这类物质的去除不能依靠自身的沉淀性能，按 stokes 公式
d=10μm
下沉 1m 需 100 分钟
d= 1μm
下沉 1m 需 10,000 分钟
3.3.4 混凝剂种类、投放量、投加顺序、助凝剂
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一般通过混凝试验选择混凝剂、投量及工艺条件。 1、混凝剂种类
选用不同的混凝剂在其它条件（如温度、pH、投加量等）相同时对同类废水进行试验， 去除率高的为最佳混凝剂。 2、投加量
最佳混凝剂投量应根据试验确定。在其它条件相同时，采用不同的投加量对废水进行混 凝试验，可得如下曲线：
-5-
3.1.3 亲水胶体与憎水胶体
1、憎水胶体 (hydrophobic colloid) 吸附层中离子与胶核直接接触的胶体，具有双电层。常为无机胶体。
2、亲水胶体 (hydrophilic colloid) 胶体微粒直接吸附水分子，形成水合（水化）壳。多为分子量很大的高分子化合物或高
聚物。亲水胶体吸水分散成胶体，脱水回复到原物质，其稳定性高于憎水胶体（疏水）。 双电层理论适用于疏水胶体。
混凝—包括凝聚和絮凝两个过程。 1、压缩双电层机理
投加电解质，增大溶液中离子浓度，减小扩散层厚度(降低 ζ 电位)，使得最大排斥势能(能 垒)减小以及消失。
适用: 河口、海湾处的沉积现象； 无法解释: 胶粒反号与再稳定；
最佳混凝效果时 ζ 电位不为零； 高分子混凝剂作用。
（1）DLVO 理论
压缩双电层可降低胶体颗粒间的排斥势。胶体颗粒的双电层可通过提高溶液中反离子的数
3.2.2 凝聚机理
基本概念（术语的含意） 凝聚（Coagulation）—胶体颗粒被压缩双电层而失去稳定性的过程。所需时间短（10~30
秒），只需将扩散到全部水中即可。要求强烈而快速混合。
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絮凝（Flocculation）—脱稳后的胶体颗粒相互聚集成大颗粒絮体的过程。需要一定时间 （20~30 分钟），要求控制良好的水力条件。
SiO2 +H2O→H2SiO3 H2SiO3→2H++ SiO32其余的SiO2吸附SiO32-带负电 （3）胶体表面的电离 如蛋白质：
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等电点：使两性胶体呈中性时的 pH 值。 许多蛋白质的等电点在 pH4~5（弱酸性区），故天然水中细菌带负电。 4、胶体的双电层结构 （1）胶团的结构 胶核—胶体分子聚合而成的胶体微粒。 电位形成离子—胶核表面吸附的某种离子。 反离子—电位形成离子在静电作用下所吸附的溶液中的异号离子。 双电层—胶体微粒表面所吸附的阴、阳离子层。 束缚反离子—紧附在胶体微粒表面并随其运动的反离子。 吸附层—电位形成离子与束缚反离子所组成的电位层（几个离子或一个分子大小）。 自由反离子—胶体微粒运动时，与其表面脱离而与液体一起运动的反离子。与电位形成 离子具有相反电荷的离子，受到两种力的作用。①静电引力：靠近带电微粒；②热运动扩散 作用和溶剂化作用，均匀分散。 扩散层—自由反离子构成的离子层。 胶粒—由胶核与吸附层组成。 胶团—由胶粒与扩散层组成。
布朗运动的动能不足以克服能垒，使双电层结构不易遭破坏，从而胶体保持稳定。对于亲水 胶体其水壳厚度使之不能相互接近。 3、胶体颗粒的脱稳与絮凝
3.3.3 水中杂质性质，成分和浓度
水中存在二价及其以上的正离子，利于双电层压缩； 水中存在较多粘土，可降低混凝剂用量； 水中存在较多有机物时，将增加混凝剂用量； 水中杂质越单一、尺寸越均匀、颗粒越细小，越不利于混凝效果； 杂质浓度过低，不利于颗粒间接触而影响混凝效而果； 目前低温、低浊水的混凝是水处理的一个研究方向。
电中和
小胶粒被异号大胶粒吸附
巨大颗粒一般指矾花、滤料。
3-2 混凝的过程与机理
3.2.1 水处理中混凝的特点
天然水中的颗粒是一个很复杂的体系──大小不一，组分多样，性质各异。废水中存在的 颗粒有：
粘土、细菌、腐植酸、蛋白质等； 无机混凝剂产生的颗粒，高分子混凝剂产生的颗粒；
比胶体化学中研究的单一胶体更为复杂。 水的混凝过程要考虑：颗粒增大至足以沉降的粒度，有较结实和比重大的结构。
3.1.4 胶体的稳定性与凝聚
1、稳定性 胶体溶液不断保持分散的悬浮状态的特性。
2、稳定的原因： ① 布朗运动：保持分散状态；提供碰撞机会 ② 静电斥力：疏水胶体外的同号电荷形成静电斥力，又叫 ζ 电位库仑力，与颗粒间距离
的平方成反比，与电位成正比。 ③ 水（溶剂）化作用：亲水胶体由于具有水壳，具有水化作用。其大小与水壳的厚度有
3-3 影响混凝的主要因素
3.3.1 水温
混凝剂的水解为吸热过程， 低温不利于混凝剂水解（水温每降 10℃，水解速度将降低 2~4 倍）；
水温低→水粘滞度高→不利于脱稳颗粒的絮凝。 水温低→胶体颗粒布朗运动减弱→不利于“异向絮凝” 水温过高→絮体水合作用增强、松散不易沉降 适宜温度在 15~25 ℃之间！
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Fe（OH)3胶体分散系胶团结构 5、胶体的 ζ 电位
胶体在滑动时所显示的电位，滑动界面上可通过电流速度计算距离。
胶体颗粒移动时其滑动面上相对于溶液内部的电位差。决定胶体颗粒稳定性的重要指标。计 算公式为：
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粘土胶体颗粒一般为-15 ~ -40 mV；细菌一般为-30~ -70 mV；藻类一般为-10~ -15mV； Fe(OH)3溶液一般为+56mV。 6、胶体颗粒间的相互作用
为同号胶体。 （4）亲水胶体凝聚 ① 稳定的原因：水化壳的存在 ② 脱稳与凝聚：投加电解质：压缩去除水合层，中和电荷，脱水
与压缩双电层的区别: 离子价数无重要影响，主要是阴离子作用。 （5）接触凝聚 胶体颗粒由于吸附在巨大颗粒表面上产生的凝聚现象称为接触凝聚，可能包括几种不同
的现象。 压缩双电层
小胶粒被同号大胶粒吸附
→ + 粘土、细菌、蛋白质
负电
→ - Al(OH)3颗粒，Fe(OH)3颗粒 正电 b．电渗现象：液体在电场中透过多孔性固体的现象（与电泳相反）。
c．动电现象：胶体溶液系统内固相与液相之间产生的相对移动。
3、胶体颗粒带电原因
（1）胶体颗粒表面对溶液中离子的吸附
选择性—有共同成分的离子。
FeCl3+3H2O→Fe(OH)3+3HCl Fe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2O FeOCl→FeO++ ClFe(OH)3胶体吸附FeO+而带正电。 （2）胶体颗粒表面的溶解 胶体表面与水反应，生成的化合物离解出正、负离子，微粒吸附了其中的一种离子而带 电。如粘土颗粒：
3.3.2 pH 值和碱度
pH 影响铝、铁盐水解产物的形态，是影响混凝效果的主要原因。最佳 pH 值的确定：
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碱度：起缓冲作用，以使 pH 保持在适宜范围 水解反应产生H+，故在混凝投量大，原水碱度不足时，需加助凝剂。 水的 pH 不同→胶体颗粒表面电荷电位不同→所需混凝剂投量不同 不同混凝剂水解反应对最佳 pH 要求不同 去除浊度：硫酸铝 6.5~7.5；三氯化铁 6.0~8.5；硫酸亚铁≥ 8.5；高分子混凝剂 5~9； 去除色度：硫酸铝 4.5~5.5；三氯化铁 3.5~5.0；硫酸亚铁≥ 8.5； 混凝剂的水解将降低 pH； 需根据处理要求、混凝剂类型预先调节 pH，提供足够的碱度； 水解所需碱度[CaO，mg/L]：
水中胶粒被混凝剂形成的絮状沉淀物所网捕，胶粒本身也可作为沉淀物形成的核心。
以上四种机理往往可能同时存在，只是在一定条件下以某种现象为主。 上述四种凝聚机理，在水和废水处理工程中并非独立存在，而往往可能是同时存在，只 是在一定条件下以某种机理为主。 混凝剂类型不同，所发生的混凝机理有所不同。高分子混凝剂，尤其是有机高分子混凝 剂，以吸附架桥作用为主；无机混凝剂（如硫酸铝等）以上机理可能同时具有。
3、吸附架桥作用机理 与不带电荷高分子吸附架桥； 与带异号电荷的高分子吸附架桥；
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与带同号电荷的高分子物质的吸附架桥； 适用:非离子型或带同号电荷的离子型高分子絮凝剂的混凝。
聚合物对脱稳胶体的吸附架桥作用 4、沉淀物网捕作用机理
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）作混凝剂时，当投 量大得足以迅速沉淀技术氢氧化物或金属碳酸盐（CaCO3）时，对水中胶体颗粒的网捕作用。
第三章 混 凝
3-1 混凝的基本理论
3.1.1 混凝及其处理对象
1、混凝的概念
向被处理水或废水中投加一定种类、一定数量的化学药剂（混凝剂），并创造一定的水力
等条件，以使水中污染物相互凝聚、颗粒增大并与水分离而达到处理目标。
2、处理对象
去除水和废水大部分以胶体形式存在于水中的物质，尺度一般在 10-6～10-9m 之间。包括
（1）定义 使胶体失去稳定性过程。 （2）同号胶体的凝聚
① 稳定的原因：由于两胶粒间隔着两个滑动面内的离子层厚度而保持相斥状态，范德 华引力不起作用。
② 脱稳与凝聚：压缩双电层 投加电解质，增大反离子浓度，这些反离子与扩散层中的反离子发生交换，进而挤入滑
-6-
动面和吸附层，使胶粒所带电荷数减少，ζ 电位降低。这种作用叫压缩双电层。 ζ 电位等于 0 时称为等电点，此时胶团尺寸最小，最易脱稳。 各种电解质压缩双电层的能力不同，遵循叔而采法则：与离子价数 6 次方成正比。 （3）异号胶体的凝聚 异号电荷若大致相等，可依靠静电引力相互聚凝，ζ 电位降低。若电荷差异大，则可能变
适用：胶粒表面电性改变，再稳定。 （1）作用过程 胶体颗粒表面吸附异号离子、异号胶体颗粒和异号（高）分子，由此中和其部分或全部 电荷，减小排斥力。 （2）作用驱动力 静电引力、氢键、配位键及范德华引力等。 （3）再稳定现象 胶体颗粒吸附高离子而使其电性反号，重新产生斥力而稳定。
压缩双电层和吸附电中和作用机理
绝大部分粘大颗粒（<4μm）、大部分细菌（0.2~80nm）、病毒及一些高分子量的有机物。
—溶解或不溶性胶体颗粒（1mμm~0.1 μ m）
—微小的 SS
—其他致浊物质
这类物质的去除不能依靠自身的沉淀性能，按 stokes 公式
d=10μm
下沉 1m 需 100 分钟
d= 1μm
下沉 1m 需 10,000 分钟
3.3.4 混凝剂种类、投放量、投加顺序、助凝剂
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一般通过混凝试验选择混凝剂、投量及工艺条件。 1、混凝剂种类
选用不同的混凝剂在其它条件（如温度、pH、投加量等）相同时对同类废水进行试验， 去除率高的为最佳混凝剂。 2、投加量
最佳混凝剂投量应根据试验确定。在其它条件相同时，采用不同的投加量对废水进行混 凝试验，可得如下曲线：
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3.1.3 亲水胶体与憎水胶体
1、憎水胶体 (hydrophobic colloid) 吸附层中离子与胶核直接接触的胶体，具有双电层。常为无机胶体。
2、亲水胶体 (hydrophilic colloid) 胶体微粒直接吸附水分子，形成水合（水化）壳。多为分子量很大的高分子化合物或高
聚物。亲水胶体吸水分散成胶体，脱水回复到原物质，其稳定性高于憎水胶体（疏水）。 双电层理论适用于疏水胶体。
混凝—包括凝聚和絮凝两个过程。 1、压缩双电层机理
投加电解质，增大溶液中离子浓度，减小扩散层厚度(降低 ζ 电位)，使得最大排斥势能(能 垒)减小以及消失。
适用: 河口、海湾处的沉积现象； 无法解释: 胶粒反号与再稳定；
最佳混凝效果时 ζ 电位不为零； 高分子混凝剂作用。
（1）DLVO 理论
压缩双电层可降低胶体颗粒间的排斥势。胶体颗粒的双电层可通过提高溶液中反离子的数
3.2.2 凝聚机理
基本概念（术语的含意） 凝聚（Coagulation）—胶体颗粒被压缩双电层而失去稳定性的过程。所需时间短（10~30
秒），只需将扩散到全部水中即可。要求强烈而快速混合。
-7-
絮凝（Flocculation）—脱稳后的胶体颗粒相互聚集成大颗粒絮体的过程。需要一定时间 （20~30 分钟），要求控制良好的水力条件。
SiO2 +H2O→H2SiO3 H2SiO3→2H++ SiO32其余的SiO2吸附SiO32-带负电 （3）胶体表面的电离 如蛋白质：
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等电点：使两性胶体呈中性时的 pH 值。 许多蛋白质的等电点在 pH4~5（弱酸性区），故天然水中细菌带负电。 4、胶体的双电层结构 （1）胶团的结构 胶核—胶体分子聚合而成的胶体微粒。 电位形成离子—胶核表面吸附的某种离子。 反离子—电位形成离子在静电作用下所吸附的溶液中的异号离子。 双电层—胶体微粒表面所吸附的阴、阳离子层。 束缚反离子—紧附在胶体微粒表面并随其运动的反离子。 吸附层—电位形成离子与束缚反离子所组成的电位层（几个离子或一个分子大小）。 自由反离子—胶体微粒运动时，与其表面脱离而与液体一起运动的反离子。与电位形成 离子具有相反电荷的离子，受到两种力的作用。①静电引力：靠近带电微粒；②热运动扩散 作用和溶剂化作用，均匀分散。 扩散层—自由反离子构成的离子层。 胶粒—由胶核与吸附层组成。 胶团—由胶粒与扩散层组成。