2.4　原水混凝沉降除濁技術(shù)

2.4.1　混凝原理與過(guò)程

2.4.1.1　水中懸浮顆粒和膠體顆粒的穩(wěn)定性

海水的渾濁主要是海水中含有懸浮的泥砂微粒和膠體微粒等雜質(zhì)。水中直徑大于0.01mm的懸浮微粒，靜態(tài)重力沉降速度為0.15mm/s，下沉1m需2h，而直徑小于0.001mm的懸浮顆粒具有“分散顆粒穩(wěn)定性”，在動(dòng)態(tài)水中不下沉，長(zhǎng)期處于分散懸浮狀態(tài)。

水中的膠體微粒由膠核、吸附層和擴(kuò)散層三部分組成，具有雙電作用機(jī)理的膠體微粒結(jié)構(gòu)示意如圖2-1所示。

膠體微粒大小約10-6～10-4mm，由于靜電作用微粒表面圍著一層水化膜，同類(lèi)的膠體微粒帶有同性電荷。膠體微粒的分子熱運(yùn)動(dòng)，受同性電荷相斥和水化層的阻礙相互碰撞接觸的概率很小，其排斥勢(shì)能大于布朗運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能上千倍。因此膠體微粒能在動(dòng)態(tài)水體中長(zhǎng)期處于無(wú)規(guī)則的均勻分散的高速運(yùn)動(dòng)，保持膠體溶液的穩(wěn)定狀態(tài)。

膠體微粒的穩(wěn)定性可用吸附層和擴(kuò)散層之間的電位差ζ電位表示。ζ電位越大，則微粒帶電量越大，膠體微粒也越穩(wěn)定。相反，ζ電位越小或接近零，則微粒帶電量極小或不帶電，水化膜厚度變薄或消失，膠體微粒不穩(wěn)定，易下沉。

2.4.1.2　膠體微粒的脫穩(wěn)

（1）吸附和電荷中和　通常水中的膠體微粒帶負(fù)電荷，可應(yīng)用膠體的雙電層作用機(jī)理——通過(guò)投加電介質(zhì)壓縮擴(kuò)散層以致微粒間相互聚結(jié)，使膠體脫穩(wěn)。如投加混凝劑硫酸鋁Al2（SO4）3·18H2O，其水解形成帶正電荷微粒［Al（OH）（H2O）5］2+、［Al（OH）2（H2O）4］+，在水?dāng)噭?dòng)作用下與膠體微粒碰撞接觸，使膠體擴(kuò)散層和水化膜變薄或消失，ζ電位趨于零，膠體微粒失穩(wěn)，即發(fā)生相反電荷微粒的相互吸附和電荷中和反應(yīng)，微粒相互凝聚形成絮體。

（2）吸附架橋　投加的混凝劑是水溶性線型高分子化合物，如聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化鋁（PAC）或三氯化鐵等經(jīng)水解縮聚會(huì)形成帶高價(jià)正電荷的鏈狀大分子顆粒。

這些長(zhǎng)鏈大分子顆粒與膠體微粒之間除靜電引力作用外，還存在范德華力、氫鍵締合、羥基絡(luò)合和高價(jià)鍵等物理化學(xué)作用力。膠體微粒對(duì)這類(lèi)長(zhǎng)鏈大分子有強(qiáng)烈的吸附作用。由于線型分子鏈較長(zhǎng)，具有很大的吸附表面和多個(gè)活性功能基團(tuán)，可以在不同空間同時(shí)被多個(gè)膠體微粒吸附，形成三維立體的架橋結(jié)構(gòu)，最終形成粗大絮體（礬花）。

懸浮的泥砂微粒在絮體的形成和架橋增大的過(guò)程中相互碰撞接觸，同時(shí)發(fā)生吸附、卷掃和包裹，水中部分細(xì)菌、生物活體和溶解物質(zhì)也會(huì)被絮體吸附，因而絮體變得更結(jié)實(shí)，密度增大而易下沉。

2.4.1.3　混凝過(guò)程

混凝是海水預(yù)處理中一個(gè)重要的單元工藝，能有效地降低或去除海水的濁度、色度、臭味等。混凝處理的主要對(duì)象是海水中不溶于水的膠體微粒、有機(jī)物質(zhì)和難以重力沉降的懸浮泥砂顆粒。

海水混凝處理是在水流攪動(dòng)的條件下，將混凝劑均勻地分散到海水中，海水中的膠體與混凝劑發(fā)生凝聚和絮凝反應(yīng)的過(guò)程。混凝過(guò)程大致可分為兩個(gè)階段：第一階段是在水流快速攪動(dòng)條件下，正電荷混凝劑和膠體微粒相互接觸碰撞，壓縮擴(kuò)散層，降低ζ電位，發(fā)生電性中和使膠體失穩(wěn)，并相互集聚的過(guò)程，這一過(guò)程稱為凝聚過(guò)程，所需時(shí)間約0.5～2min；第二階段是在水流攪動(dòng)速度減緩的條件下，通過(guò)由線型鏈大分子吸附架橋和脫穩(wěn)膠體微粒相互集聚，使細(xì)小絮體顆粒聚合成粗大塊狀絮凝體（俗稱礬花）的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程通常稱為絮凝，所需時(shí)間為15～20min。

2.4.2　影響混凝效果的主要因素

水中雜質(zhì)含量和性能、藥劑性能、流體流動(dòng)狀態(tài)、環(huán)境條件等諸多因素都會(huì)影響混凝效果，混凝過(guò)程復(fù)雜，混凝反應(yīng)機(jī)理還有待深入研究。表2-4僅列出幾個(gè)主要影響因素與相關(guān)情況以供參考。

2.4.3　混凝劑和助凝劑的適用條件和投加量［3，4］

混凝機(jī)理復(fù)雜，影響因素繁多，目前通常采用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)確定混凝劑、助凝劑品種的選用和最佳投加藥量。表2-5和表2-6列出一些常用混凝劑、助凝劑的適用條件和加藥量供參考。

2.4.4　混凝劑和助凝劑的配制、投加和混合

2.4.4.1　工藝流程

根據(jù)處理水量、藥劑品種和性質(zhì)設(shè)置藥劑溶解和計(jì)量的設(shè)備?；炷齽┖椭齽┮话悴捎脻穹ㄍ都?，如用固體混凝劑時(shí)，則不用儲(chǔ)糟，應(yīng)配置溶藥箱（池）。藥劑配制、投加和混合的工藝流程如圖2-2所示。

2.4.4.2　配制

（1）溶藥箱和計(jì)量箱　溶藥箱容積一般為計(jì)量箱的2～4倍。計(jì)量箱有效容積計(jì)算公式為：

式中，V為計(jì)量箱有效容積，m3；P為藥劑最大投加濃度，mg/L；Q為設(shè)計(jì)海水處理量，m3/h；b為藥劑濃度，混凝劑一般為5％～20％，助凝劑一般為0.2％～1.0％；n為每晝夜溶液配制次數(shù)，不宜大于3次。

計(jì)量箱應(yīng)設(shè)置2個(gè)（一開(kāi)一備），溶藥箱和計(jì)量箱應(yīng)設(shè)置攪拌溶解、清洗排污等設(shè)施，配置液位聯(lián)鎖控制和報(bào)警裝置。箱體和攪拌器的材質(zhì)要求防腐。

（2）藥劑溶解　藥劑溶解有機(jī)械攪拌法、水力循環(huán)法和鼓吹壓縮空氣法等。通常采用機(jī)械攪拌法，具有溶解速度快、效率高、易控制、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)械攪拌裝置由耐腐葉式或槳式攪拌器、轉(zhuǎn)速為100～200r/min的減速器和電動(dòng)機(jī)組成。

2.4.4.3　計(jì)量投加

藥劑的濕法投加可分為重力投加和壓力投加，重力投加有泵前投加和高液位投加；壓力投加有水射器投加和計(jì)量泵投加。通常采用隔膜式或柱塞式計(jì)量泵為藥劑計(jì)量投加，也可采用離心泵配流量計(jì)和計(jì)量控制閥進(jìn)行計(jì)量投加，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量誤差小，調(diào)節(jié)操作方便，易于自控，運(yùn)行安全可靠。

隔膜式計(jì)量泵可分為電磁驅(qū)動(dòng)隔膜計(jì)量泵和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓隔膜計(jì)量泵。前者適用于小流量，最大流量約100L/h；后者適用于大流量。計(jì)量泵可通過(guò)其沖程和頻率手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量，也可接受外部脈沖信號(hào)或4～20mA信號(hào)調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制藥劑的計(jì)量投加。

計(jì)量泵計(jì)量投加系統(tǒng)配置如圖2-3所示。

2.4.4.4　混合

混合是藥劑和海水通過(guò)混合設(shè)備的作用，在短時(shí)間內(nèi)，能形成一個(gè)具有相互高分散度的均一體系?；旌蠒r(shí)間和強(qiáng)度的控制，在海水混凝處理過(guò)程中十分重要。無(wú)機(jī)混凝劑要求在短時(shí)間（約30s）內(nèi)均勻混合，因?yàn)殇X鹽和鐵鹽混凝劑的水解速度快，形成單氫氧絡(luò)合物的時(shí)間約為10-10s，形成聚合物時(shí)間也只有10-1～1s。高分子混凝劑投加時(shí)，不強(qiáng)調(diào)短時(shí)間的混合，只要求均勻混合。一般混合時(shí)間控制在1～2min內(nèi)完成。長(zhǎng)時(shí)間和過(guò)度強(qiáng)烈的攪拌不利于凝聚，會(huì)造成細(xì)小絮粒形成不可逆的破壞，將嚴(yán)重影響下階段的絮凝反應(yīng)，形不成沉淀性能好的大絮體（礬花）。在海水預(yù)處理中混合設(shè)備有管道混合器混合、槳板式機(jī)械攪拌混合、水泵混合和水射器流混合等?；旌显O(shè)備都應(yīng)靠近混凝反應(yīng)池，連接管道內(nèi)的流速為0.8～1.0m/s。常用的槳板式機(jī)械攪拌混合器和管道混合器的有關(guān)特性和相關(guān)計(jì)算參見(jiàn)表2-7。

2.4.5　絮凝

混凝劑和海水混合后進(jìn)入絮凝反應(yīng)池，應(yīng)控制水流的平均速度梯度G為20～80s-1和反應(yīng)時(shí)間t為15～30min，使Gt值達(dá)到104～105范圍內(nèi)的水力學(xué)條件下進(jìn)行，才能使顆粒集聚，減少破碎，生成具有良好物化性能、大而結(jié)實(shí)的絮體（礬花）。

2.4.5.1　絮凝效果G值計(jì)算

式中，G為水流的速度梯度，s-1；ρ為海水的密度，1022kg/m3；h為絮凝池總水頭損失，m；μ為水的動(dòng)力黏度，Pa·s，水溫25℃，μ=0.894×10-3Pa·s；t為反應(yīng)時(shí)間，min。

2.4.5.2　絮凝池設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）絮凝池一般與沉淀池合建，池?cái)?shù)可分為2格，以便清洗和檢修。

（2）不同形式的絮凝池，因其結(jié)構(gòu)不同，其G值不一樣。絮凝反應(yīng)過(guò)程中一般水的流速由快逐漸減慢，G值在反應(yīng)池進(jìn)口應(yīng)與混合池出口相接近，然后逐漸遞減，直至反應(yīng)池出口，G值可降到5～10s-1。G值由大變小有利于大塊絮體形成。

（3）處理低溫、低濁水宜采用較大G值；處理高濁度、粗分散雜質(zhì)量大的水宜在初階段采用較大G值。

（4）反應(yīng)池的轉(zhuǎn)彎過(guò)水?dāng)嗝娣e應(yīng)為直道過(guò)水面積的1.2～1.5倍。

（5）池底部應(yīng)設(shè)計(jì)成0.02～0.03坡度，鋪設(shè)長(zhǎng)度<5m，直徑不小于ф150mm排泥管。

（6）對(duì)難形成凝聚核心的低溫、低濁水處理，可采用部分沉淀泥渣回流，促進(jìn)絮凝反應(yīng)和絮體成形。

2.4.5.3　絮凝反應(yīng)設(shè)備

在海水預(yù)處理中，考慮海水腐蝕性和海水絮凝效果，常用的絮凝反應(yīng)設(shè)備為折板絮凝池和網(wǎng)格絮凝池。

（1）折板絮凝池　折板絮凝池的折板形式有平板、折板和波紋板。折板安裝有峰-峰相對(duì)和峰-峰相齊形式。按水流方向分，有“單通道”和“多通道”形式。折板絮凝池折板排布組合如圖2-4和圖2-5所示。

一般絮凝時(shí)間約12min，按折板排布和流速不同可分為三段，每段池的分格數(shù)和折板數(shù)由流量大小確定。

單通道豎流式的折板絮凝池主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)計(jì)算公式參見(jiàn)表2-8和表2-9。

（2）網(wǎng)格（柵條）絮凝池　絮凝池中的網(wǎng)格（柵條）對(duì)流過(guò)的水流具有縮放作用，有利于顆粒碰撞，形成絮凝，因此網(wǎng)格（柵條）絮凝池具有藥耗量少、反應(yīng)時(shí)間短、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，工程項(xiàng)目實(shí)例較多，其對(duì)低溫低濁水的處理也能取得良好的絮凝效果。

網(wǎng)格（柵條）絮凝池是由面積相等的多格豎井串聯(lián)組成。按處理水量和絮凝時(shí)間計(jì)算，大致絮凝池分格數(shù)為8～18格。各格之間的隔墻上下交錯(cuò)開(kāi)孔，按水過(guò)孔流速要求確定開(kāi)孔尺寸，要求上孔不露出水面。豎井通常按過(guò)柵網(wǎng)流速可分為前段、中段和末段三個(gè)段。前段和中段的豎井內(nèi)按垂直水流方分別填裝3～1層的網(wǎng)格或柵條，填裝層數(shù)自進(jìn)水豎井至出水豎井逐漸減少，末段豎井一般為空井。網(wǎng)格（柵條）絮凝池的布置如圖2-6所示，圖中數(shù)字表示水流依次流過(guò)豎井的編號(hào)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示豎井內(nèi)填裝網(wǎng)格或柵條的層數(shù)。

網(wǎng)格（柵條）的材質(zhì)可采用木料、塑料、鋼材、鋼筋混凝土構(gòu)件等。網(wǎng)格（柵條）的構(gòu)件尺寸參見(jiàn)圖2-7。

網(wǎng)格（柵條）絮凝池的主要工藝參數(shù)和計(jì)算公式分別參見(jiàn)表2-10和表2-11。

2.4.6　混凝沉淀

原海水的懸浮顆粒物質(zhì)經(jīng)混凝處理后，形成較大的絮凝體，這些絮體在重力作用下而下沉與水分離，通常采用平流沉淀池和斜管沉淀池進(jìn)行沉淀的工藝處理。沉淀池通常應(yīng)與混凝反應(yīng)池合建，有利于含絮體水流平穩(wěn)過(guò)渡，節(jié)省投資和占地面積。平流沉淀池和斜管沉淀池的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件參見(jiàn)表2-12。

2.4.6.1　平流沉淀池

平流沉淀池一般采用長(zhǎng)、狹、淺的矩形池型，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由機(jī)械排泥設(shè)備或排泥管、指形集水槽等設(shè)備組成。絮體水流通過(guò)穿孔墻沿水平方向推進(jìn)，保持流速不變，減少紊動(dòng)，有利于絮體沉于池底。泥沉淀集中于池前部的1/3～1/2池長(zhǎng)范圍，通常采用機(jī)械排泥設(shè)備清除。池后部的1/4～1/5池長(zhǎng)范圍為出水區(qū)，池水面安裝指形集水槽。出水區(qū)中間水層也可鋪設(shè)一層斜管設(shè)備，增加接觸面積，減少水力半徑，有利于絮體沉淀，提高出水水質(zhì)。平流沉淀池示意圖如圖2-8所示。平流沉淀池的沉淀時(shí)間、水平流速的設(shè)計(jì)計(jì)算公式和主要工藝參數(shù)參見(jiàn)表2-13。

2.4.6.2　斜管沉淀池

斜管沉淀池按斜管中水流方向可分為上向流（異向流）、側(cè)向流和同向流三種形式，其中上向流斜管沉淀池在海水預(yù)處理系統(tǒng)中應(yīng)用較多。上向流斜管沉淀池是在穿孔花墻以上，按進(jìn)水方向鋪設(shè)一層與池底成60°傾角、內(nèi)徑約25～35mm的相互平行的斜管。上向流斜管沉淀池結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖2-9。上向流斜管沉淀池因鋪設(shè)斜管，從而改善沉淀池的水力學(xué)條件，有效增加沉淀面積，減少水力半徑，降低雷諾數(shù)，上向水流基本上成層流狀態(tài)，清水向上，污泥下沉，因此使上向流斜管沉淀池具有停留時(shí)間短，沉淀效率高等優(yōu)點(diǎn)。有關(guān)計(jì)算公式與主要設(shè)計(jì)參數(shù)參見(jiàn)表2-14。

2.4.7　澄清

澄清池是將混凝和絮凝反應(yīng)沉淀過(guò)程合二為一的一種水質(zhì)預(yù)處理設(shè)施，部分沉淀污泥參與循環(huán)，增大了顆粒的多分散性，有利于絮凝沉淀，因此具有效率高、占地面積小、投資低等優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用較廣的有水力循環(huán)澄清池和機(jī)械攪拌澄清池，后者因要求設(shè)備防腐，很少用于海水。水力循環(huán)澄清池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理方便，高度上能與無(wú)閥濾池配套，能處理的進(jìn)水濁度小于2000mg/L，處理水量250～400m3/h，出水濁度5～10NTU，因此較適宜于海島中、小型海水預(yù)處理系統(tǒng)。

水力混凝澄清過(guò)程是由水泵將加過(guò)藥劑的原水從池底進(jìn)入澄清池，通過(guò)噴嘴使原水與污泥充分混合，第一、第二反應(yīng)室進(jìn)行絮凝反應(yīng)形成絮體，到分離室絮體下沉，清水上升進(jìn)入集水槽。其中下沉絮體部分參與循環(huán)，部分定時(shí)排放。水力循環(huán)澄清池示意見(jiàn)圖2-10。處理水量為40～320m3/h，8種型號(hào)的水力循環(huán)澄清池詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集（S771）。

為增大出水量，提高水質(zhì)的穩(wěn)定性，有多種對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型水力循環(huán)澄清池的改造形式［2］。其中，寧都縣水廠采用網(wǎng)格和斜管將80m3/h水力循環(huán)澄清池改造成如圖2-11所示的形式，改建后，水量提高2倍，出水水質(zhì)穩(wěn)定，可連續(xù)或間歇運(yùn)行，在超負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行中均效果良好。設(shè)計(jì)參數(shù)如表2-15所示。