2.4　原水混凝沉降除浊技术

2.4.1　混凝原理与过程

2.4.1.1　水中悬浮颗粒和胶体颗粒的稳定性

海水的浑浊主要是海水中含有悬浮的泥砂微粒和胶体微粒等杂质。水中直径大于0.01mm的悬浮微粒，静态重力沉降速度为0.15mm/s，下沉1m需2h，而直径小于0.001mm的悬浮颗粒具有“分散颗粒稳定性”，在动态水中不下沉，长期处于分散悬浮状态。

水中的胶体微粒由胶核、吸附层和扩散层三部分组成，具有双电作用机理的胶体微粒结构示意如图2-1所示。

胶体微粒大小约10-6～10-4mm，由于静电作用微粒表面围着一层水化膜，同类的胶体微粒带有同性电荷。胶体微粒的分子热运动，受同性电荷相斥和水化层的阻碍相互碰撞接触的概率很小，其排斥势能大于布朗运动的平均动能上千倍。因此胶体微粒能在动态水体中长期处于无规则的均匀分散的高速运动，保持胶体溶液的稳定状态。

胶体微粒的稳定性可用吸附层和扩散层之间的电位差ζ电位表示。ζ电位越大，则微粒带电量越大，胶体微粒也越稳定。相反，ζ电位越小或接近零，则微粒带电量极小或不带电，水化膜厚度变薄或消失，胶体微粒不稳定，易下沉。

2.4.1.2　胶体微粒的脱稳

（1）吸附和电荷中和　通常水中的胶体微粒带负电荷，可应用胶体的双电层作用机理——通过投加电介质压缩扩散层以致微粒间相互聚结，使胶体脱稳。如投加混凝剂硫酸铝Al2（SO4）3·18H2O，其水解形成带正电荷微粒［Al（OH）（H2O）5］2+、［Al（OH）2（H2O）4］+，在水搅动作用下与胶体微粒碰撞接触，使胶体扩散层和水化膜变薄或消失，ζ电位趋于零，胶体微粒失稳，即发生相反电荷微粒的相互吸附和电荷中和反应，微粒相互凝聚形成絮体。

（2）吸附架桥　投加的混凝剂是水溶性线型高分子化合物，如聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）或三氯化铁等经水解缩聚会形成带高价正电荷的链状大分子颗粒。

这些长链大分子颗粒与胶体微粒之间除静电引力作用外，还存在范德华力、氢键缔合、羟基络合和高价键等物理化学作用力。胶体微粒对这类长链大分子有强烈的吸附作用。由于线型分子链较长，具有很大的吸附表面和多个活性功能基团，可以在不同空间同时被多个胶体微粒吸附，形成三维立体的架桥结构，最终形成粗大絮体（矾花）。

悬浮的泥砂微粒在絮体的形成和架桥增大的过程中相互碰撞接触，同时发生吸附、卷扫和包裹，水中部分细菌、生物活体和溶解物质也会被絮体吸附，因而絮体变得更结实，密度增大而易下沉。

2.4.1.3　混凝过程

混凝是海水预处理中一个重要的单元工艺，能有效地降低或去除海水的浊度、色度、臭味等。混凝处理的主要对象是海水中不溶于水的胶体微粒、有机物质和难以重力沉降的悬浮泥砂颗粒。

海水混凝处理是在水流搅动的条件下，将混凝剂均匀地分散到海水中，海水中的胶体与混凝剂发生凝聚和絮凝反应的过程。混凝过程大致可分为两个阶段：第一阶段是在水流快速搅动条件下，正电荷混凝剂和胶体微粒相互接触碰撞，压缩扩散层，降低ζ电位，发生电性中和使胶体失稳，并相互集聚的过程，这一过程称为凝聚过程，所需时间约0.5～2min；第二阶段是在水流搅动速度减缓的条件下，通过由线型链大分子吸附架桥和脱稳胶体微粒相互集聚，使细小絮体颗粒聚合成粗大块状絮凝体（俗称矾花）的过程。这个过程通常称为絮凝，所需时间为15～20min。

2.4.2　影响混凝效果的主要因素

水中杂质含量和性能、药剂性能、流体流动状态、环境条件等诸多因素都会影响混凝效果，混凝过程复杂，混凝反应机理还有待深入研究。表2-4仅列出几个主要影响因素与相关情况以供参考。

2.4.3　混凝剂和助凝剂的适用条件和投加量［3，4］

混凝机理复杂，影响因素繁多，目前通常采用实践经验和试验相结合的方法来确定混凝剂、助凝剂品种的选用和最佳投加药量。表2-5和表2-6列出一些常用混凝剂、助凝剂的适用条件和加药量供参考。

2.4.4　混凝剂和助凝剂的配制、投加和混合

2.4.4.1　工艺流程

根据处理水量、药剂品种和性质设置药剂溶解和计量的设备。混凝剂和助凝剂一般采用湿法投加，如用固体混凝剂时，则不用储糟，应配置溶药箱（池）。药剂配制、投加和混合的工艺流程如图2-2所示。

2.4.4.2　配制

（1）溶药箱和计量箱　溶药箱容积一般为计量箱的2～4倍。计量箱有效容积计算公式为：

式中，V为计量箱有效容积，m3；P为药剂最大投加浓度，mg/L；Q为设计海水处理量，m3/h；b为药剂浓度，混凝剂一般为5％～20％，助凝剂一般为0.2％～1.0％；n为每昼夜溶液配制次数，不宜大于3次。

计量箱应设置2个（一开一备），溶药箱和计量箱应设置搅拌溶解、清洗排污等设施，配置液位联锁控制和报警装置。箱体和搅拌器的材质要求防腐。

（2）药剂溶解　药剂溶解有机械搅拌法、水力循环法和鼓吹压缩空气法等。通常采用机械搅拌法，具有溶解速度快、效率高、易控制、操作方便等优点。

机械搅拌装置由耐腐叶式或桨式搅拌器、转速为100～200r/min的减速器和电动机组成。

2.4.4.3　计量投加

药剂的湿法投加可分为重力投加和压力投加，重力投加有泵前投加和高液位投加；压力投加有水射器投加和计量泵投加。通常采用隔膜式或柱塞式计量泵为药剂计量投加，也可采用离心泵配流量计和计量控制阀进行计量投加，其优点是计量误差小，调节操作方便，易于自控，运行安全可靠。

隔膜式计量泵可分为电磁驱动隔膜计量泵和马达驱动液压隔膜计量泵。前者适用于小流量，最大流量约100L/h；后者适用于大流量。计量泵可通过其冲程和频率手动调节输出流量，也可接受外部脉冲信号或4～20mA信号调节流量，实现自动控制药剂的计量投加。

计量泵计量投加系统配置如图2-3所示。

2.4.4.4　混合

混合是药剂和海水通过混合设备的作用，在短时间内，能形成一个具有相互高分散度的均一体系。混合时间和强度的控制，在海水混凝处理过程中十分重要。无机混凝剂要求在短时间（约30s）内均匀混合，因为铝盐和铁盐混凝剂的水解速度快，形成单氢氧络合物的时间约为10-10s，形成聚合物时间也只有10-1～1s。高分子混凝剂投加时，不强调短时间的混合，只要求均匀混合。一般混合时间控制在1～2min内完成。长时间和过度强烈的搅拌不利于凝聚，会造成细小絮粒形成不可逆的破坏，将严重影响下阶段的絮凝反应，形不成沉淀性能好的大絮体（矾花）。在海水预处理中混合设备有管道混合器混合、桨板式机械搅拌混合、水泵混合和水射器流混合等。混合设备都应靠近混凝反应池，连接管道内的流速为0.8～1.0m/s。常用的桨板式机械搅拌混合器和管道混合器的有关特性和相关计算参见表2-7。

2.4.5　絮凝

混凝剂和海水混合后进入絮凝反应池，应控制水流的平均速度梯度G为20～80s-1和反应时间t为15～30min，使Gt值达到104～105范围内的水力学条件下进行，才能使颗粒集聚，减少破碎，生成具有良好物化性能、大而结实的絮体（矾花）。

2.4.5.1　絮凝效果G值计算

式中，G为水流的速度梯度，s-1；ρ为海水的密度，1022kg/m3；h为絮凝池总水头损失，m；μ为水的动力黏度，Pa·s，水温25℃，μ=0.894×10-3Pa·s；t为反应时间，min。

2.4.5.2　絮凝池设计要点

（1）絮凝池一般与沉淀池合建，池数可分为2格，以便清洗和检修。

（2）不同形式的絮凝池，因其结构不同，其G值不一样。絮凝反应过程中一般水的流速由快逐渐减慢，G值在反应池进口应与混合池出口相接近，然后逐渐递减，直至反应池出口，G值可降到5～10s-1。G值由大变小有利于大块絮体形成。

（3）处理低温、低浊水宜采用较大G值；处理高浊度、粗分散杂质量大的水宜在初阶段采用较大G值。

（4）反应池的转弯过水断面积应为直道过水面积的1.2～1.5倍。

（5）池底部应设计成0.02～0.03坡度，铺设长度<5m，直径不小于ф150mm排泥管。

（6）对难形成凝聚核心的低温、低浊水处理，可采用部分沉淀泥渣回流，促进絮凝反应和絮体成形。

2.4.5.3　絮凝反应设备

在海水预处理中，考虑海水腐蚀性和海水絮凝效果，常用的絮凝反应设备为折板絮凝池和网格絮凝池。

（1）折板絮凝池　折板絮凝池的折板形式有平板、折板和波纹板。折板安装有峰-峰相对和峰-峰相齐形式。按水流方向分，有“单通道”和“多通道”形式。折板絮凝池折板排布组合如图2-4和图2-5所示。

一般絮凝时间约12min，按折板排布和流速不同可分为三段，每段池的分格数和折板数由流量大小确定。

单通道竖流式的折板絮凝池主要工艺设计参数和设计计算公式参见表2-8和表2-9。

（2）网格（栅条）絮凝池　絮凝池中的网格（栅条）对流过的水流具有缩放作用，有利于颗粒碰撞，形成絮凝，因此网格（栅条）絮凝池具有药耗量少、反应时间短、适用范围广等优点，工程项目实例较多，其对低温低浊水的处理也能取得良好的絮凝效果。

网格（栅条）絮凝池是由面积相等的多格竖井串联组成。按处理水量和絮凝时间计算，大致絮凝池分格数为8～18格。各格之间的隔墙上下交错开孔，按水过孔流速要求确定开孔尺寸，要求上孔不露出水面。竖井通常按过栅网流速可分为前段、中段和末段三个段。前段和中段的竖井内按垂直水流方分别填装3～1层的网格或栅条，填装层数自进水竖井至出水竖井逐渐减少，末段竖井一般为空井。网格（栅条）絮凝池的布置如图2-6所示，图中数字表示水流依次流过竖井的编号，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示竖井内填装网格或栅条的层数。

网格（栅条）的材质可采用木料、塑料、钢材、钢筋混凝土构件等。网格（栅条）的构件尺寸参见图2-7。

网格（栅条）絮凝池的主要工艺参数和计算公式分别参见表2-10和表2-11。

2.4.6　混凝沉淀

原海水的悬浮颗粒物质经混凝处理后，形成较大的絮凝体，这些絮体在重力作用下而下沉与水分离，通常采用平流沉淀池和斜管沉淀池进行沉淀的工艺处理。沉淀池通常应与混凝反应池合建，有利于含絮体水流平稳过渡，节省投资和占地面积。平流沉淀池和斜管沉淀池的优缺点和适用条件参见表2-12。

2.4.6.1　平流沉淀池

平流沉淀池一般采用长、狭、浅的矩形池型，钢筋混凝土结构，由机械排泥设备或排泥管、指形集水槽等设备组成。絮体水流通过穿孔墙沿水平方向推进，保持流速不变，减少紊动，有利于絮体沉于池底。泥沉淀集中于池前部的1/3～1/2池长范围，通常采用机械排泥设备清除。池后部的1/4～1/5池长范围为出水区，池水面安装指形集水槽。出水区中间水层也可铺设一层斜管设备，增加接触面积，减少水力半径，有利于絮体沉淀，提高出水水质。平流沉淀池示意图如图2-8所示。平流沉淀池的沉淀时间、水平流速的设计计算公式和主要工艺参数参见表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为上向流（异向流）、侧向流和同向流三种形式，其中上向流斜管沉淀池在海水预处理系统中应用较多。上向流斜管沉淀池是在穿孔花墙以上，按进水方向铺设一层与池底成60°倾角、内径约25～35mm的相互平行的斜管。上向流斜管沉淀池结构示意图参见图2-9。上向流斜管沉淀池因铺设斜管，从而改善沉淀池的水力学条件，有效增加沉淀面积，减少水力半径，降低雷诺数，上向水流基本上成层流状态，清水向上，污泥下沉，因此使上向流斜管沉淀池具有停留时间短，沉淀效率高等优点。有关计算公式与主要设计参数参见表2-14。

2.4.7　澄清

澄清池是将混凝和絮凝反应沉淀过程合二为一的一种水质预处理设施，部分沉淀污泥参与循环，增大了颗粒的多分散性，有利于絮凝沉淀，因此具有效率高、占地面积小、投资低等优点。目前应用较广的有水力循环澄清池和机械搅拌澄清池，后者因要求设备防腐，很少用于海水。水力循环澄清池具有结构简单、运行管理方便，高度上能与无阀滤池配套，能处理的进水浊度小于2000mg/L，处理水量250～400m3/h，出水浊度5～10NTU，因此较适宜于海岛中、小型海水预处理系统。

水力混凝澄清过程是由水泵将加过药剂的原水从池底进入澄清池，通过喷嘴使原水与污泥充分混合，第一、第二反应室进行絮凝反应形成絮体，到分离室絮体下沉，清水上升进入集水槽。其中下沉絮体部分参与循环，部分定时排放。水力循环澄清池示意见图2-10。处理水量为40～320m3/h，8种型号的水力循环澄清池详细的结构设计和设计数据可参见国家标准图集（S771）。

为增大出水量，提高水质的稳定性，有多种对标准型水力循环澄清池的改造形式［2］。其中，宁都县水厂采用网格和斜管将80m3/h水力循环澄清池改造成如图2-11所示的形式，改建后，水量提高2倍，出水水质稳定，可连续或间歇运行，在超负荷或低负荷运行中均效果良好。设计参数如表2-15所示。