东华大学水污染控制第五次作业答案以及总结

1. 化学混凝法的原理和适用条件是什么？城镇污水的处理是否可用化学沉淀法，为什么？

（1）原理：水中悬浮杂质大都可以通过自然沉淀的方法去除，而胶体及微小悬浮物，沉速缓慢，须经混凝沉淀方可去除。化学混凝的机理涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用：

① 压缩双电层作用：水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的ζ电位。如能消除或降低胶粒的ζ电位，就有可能使微粒碰撞聚结，失去稳定性。在水中投加电解质———混凝剂可达此目的。

② 吸附架桥作用：三价铝盐或铁盐以及其他高分子混凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大，当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。

③ 网捕作用：三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。 上述三种作用产生的微粒凝结理象———凝聚和絮凝总称为混凝。

适用条件：混凝处理对象：胶体、细小悬浮物、溶解性大分子有机物（疏水性）。

混凝用途：生活饮用水处理、工业废水处理、城市污水三级处理、污泥处理等。

（2）在城市污水处理方面，过去很少采用化学混凝的方法，因为混凝剂的发展还没有现在这么先进，比较贵，处理城市污水成本太高。近年来化学混凝剂的品种和质量都有较大的发展，使化学混凝法处理城市污水(特别在发展中国家)有一定的竞争力。与常规一级处理相比，混凝法一级处理能够大幅度提高有机污染物的去除效率，且运行费用较低(处理成本仅为0.3～0.5元/m3)，同时还能取得较好的TP去除效果，达到抑制水体富营养化的作用。

国内的研究成果表明，采用无机混凝剂处理低浓度生活污水时，对COD的去

除率可达70%以上。在武汉水质净化厂，当进水BOD5>80mg/L、PAC投加量为50mg/L、有机高分子絮凝剂M1011投加量为0.15mg/L时，对BOD5和TP的去除率均可达到60%，出水SS≤30mg/L。

国外的研究相对更多，尤其美国对于混凝技术在给水处理中的研究和应用较多，且在城市污水处理中也有报道。美国洛杉矶市的Hyperion污水处理厂采用一种阴离子高聚物(0.15mg/L)，与10mg/L的FeCl3复配处理城市污水，连续运行6a，SS和BOD5的一级处理去除率稳定在83%和51%左右，同时对磷和重金属的去除效果也很好，而其基建费和运行费却只有二级处理厂的30%左右。南加利福尼亚4大污水处理厂通过对传统一级处理的工艺进行改进，投加FeCl3混凝剂和部分助凝剂，处理效果大幅度提高。改进后的一级处理工艺，SS去除率达到了85%，BOD5的去除率增加到50%以上。

此外，英国、埃及、日本和挪威等国对混凝的研究和应用均有较多成功的实例。近年来，随着环境保护力度的加强，混凝技术在我国也得到一定的发展。

2. 化学混凝剂在投加时为什么必须立即与处理水充分混合，剧烈搅拌？

影响混凝效果的因素较复杂，主要有水温、水质和水力条件等。水温对混凝效果有明显的影响。无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，水解困难。水的pH值对混凝的影响程度视混凝剂的品种而异。水中杂质的成分性质和浓度水中杂质的成分、性质和浓度都对混凝效果有明显的影响。水力条件混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响极大。

此问题属于水利条件的影响。化学混凝剂投加后的整个混凝过程可以分为两个阶段：混合和反应。水力条件的配合对这两个阶段非常重要。

（1）混合阶段的要求是使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件，使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚。在此阶段并不要求形成大的絮凝体。混合要求快速和剧烈搅拌，在几秒钟或一分钟内完成。

（2）反应阶段的要求是使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好结大而逐渐降低，以免结大的絮凝体被打碎。

3. 化学沉淀法与化学混凝法在原理上有何不同？使用药剂

有何不同？

化学沉淀法是向废水中投加某种化学物质，使与废水中的一些离子发生反应，生成难溶的沉淀物而从水中析出（主要看生成难溶盐的溶度积），以达到降低水中溶解污染物的目的。溶度积（KS）是常数，其数值可参阅有关的化学手册。当能结合成难溶盐的两种离子的浓度之积超过此盐溶度积时，该盐将析出，而这两种离子的浓度将下降，需要去除的离子就与水分离。化学沉淀试剂多为无机盐。

而化学混凝法是由于投加的混凝剂发生压缩双电层作用、吸附架桥作用、网捕作用等作用，使预处理的微小颗粒发生凝聚，聚结成大颗粒从而达到分离目的。

不同：两种方法的原理及处理目标均不同，使用的药剂也不同。废水处理中，常用化学沉淀法去除废水中的阳离子如Hg2+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cr2+等，阴离子如SO42+、PO43-等无机盐类，而化学混凝剂除了无机盐类还有无机高分子混凝剂、有机高分子絮凝剂、微生物絮凝剂，随着混凝剂的研究发展，种类也越来越多，效果与经济性也得到提高。

无机高分子混凝剂：以其投药量少、无毒或低毒、价廉和处理效果好等优点，越来越受到人们的重视，逐渐成为给水、工业废水和城市污水处理的主流混凝剂。目前应用比较多的还是聚铝、聚铁两大系列，如PAC、PAFC等，但是新型的聚硅、聚磷和聚硫也不断面世，并显现出不凡的混凝效果，如聚硅酸铝、聚磷酸铁等。

有机高分子絮凝剂：有机高分子絮凝剂可分为天然和合成两大类。合成有机高分子絮凝剂由于分子量大，分子链官能团多的结构特点，在市场上占绝对优势，其中以聚丙烯酰胺系列最为广泛，由于其残留单体具有毒性，限制了其在某些水处理领域的发展；天然有机高分子絮凝剂由于原料来源广泛，价格低廉，无毒，易于生物降解等特点显示了良好的应用前景，但由于其电荷密度小，分子量较低，且易发生生物反应而失去絮凝活性，使其用量远小于有机合成高分子絮凝剂。

微生物絮凝剂：它是利用生物技术，从微生物体或其分泌物中提取、纯化而获得的一种安全、高效，且能自然降解的新型水处理絮凝剂。微生物絮

凝剂可以克服无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的安全与环境污染方面的缺陷，易于生物降解，无二次污染等。

4. 什么是胶体的稳定性？其产生原因？如何破坏稳定性？

（1）胶体稳定性

根据研究可知，胶体微粒都带有电荷。天然水中的黏土类胶体微粒以及污水中的胶体蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷，它的中心称为胶核。其表面选择性地吸附了一层带有电荷的离子，这些离子可以是胶核的组成物直接电离而产生的，也可以是从水中选择吸附离子而造成的。这层离子称为胶体微粒的电位离子，它决定了胶体电荷的大小和电性。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的电荷相反的离子，形成了所谓双电层。这些离子，其中紧靠电位离子的部分被牢固地吸引着，当胶核运行时，它也随着一起运动，形成固定的离子层。而其他的离子，离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。固定的离子层与扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间，有一个电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为ζ电位。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或ψ电位。

原因：胶体颗粒在水中保持分散状态的性质成为胶体的稳定性，胶体具有稳定性主要原因：

a.动力学稳定性，粒子的分散度越大，密度越小，介质的密度和黏度越大，胶体的动力学稳定性越大。一般水中的胶粒，ζ电位较高。其相互间斥力不仅与ζ电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两胶粒推近到使范德华力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结，而是长期保持稳定的分散状态。

b.胶体电荷的稳定作用。由于胶体颗粒带有同性电荷，因此颗粒间具有静电斥力，当胶粒间静电斥力大于两胶之间的吸引力时，不利于颗粒的聚集，胶粒具有一定ζ电位值，是胶粒稳定的主要原因。

c.水化作用。由于胶粒带电，将极性水分子吸引到它的周围形成一层水化膜，水化膜能阻止胶粒间相互接触而保持一种稳定状态。

（2）破坏稳定性的方法

升高温度能减弱胶体对粒子的吸附,破坏胶团的水化膜,使胶粒运动加快,增加胶粒间的碰撞机会,从而使胶粒聚沉,也就是破坏它的稳定性；

加入电解质，就是因为加热后,胶粒获得了更多的能量，所以变得不稳定，才会减小对离子的吸附，所以才会聚沉。

加入盐类、絮凝剂等，降低胶体的ζ电位，能破坏其稳定性而使之沉降，也可以破坏胶体的稳定性。

调节ph值等。

5. 什么是胶体的双电层结构？什么是胶体的电动电位？

根据研究可知，胶体微粒都带电荷。天然水中的黏土类胶体微粒以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷，它的中心称为胶核，其表面选择性地吸附了一层带有电荷的离子，它决定了胶粒电荷的大小和电性，由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的电荷相反的离子，形成了双电层结构。

在双电层结构中的离子，其中紧靠电位离子的部分被牢靠的吸引着，当胶核运行时，它也随着一起运动，形成固定的离子层。而其它离子，离电位离子较远的，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。固定的离子层与扩散层的交界面称为滑动面，滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层间的电位差称为胶体的电动电位。

6. 影响混凝效果的主要因素是什么？为什么？

（1）水温

水温对混凝效果影响很大，尤其是水温低时混凝效果较差，因为低温时絮体形成缓慢，絮体粒径小、松散，不利于沉降。

低温不利混凝的原因：

①水温影响无机盐类的水解，由于无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，水解反应慢。如硫酸铝的最佳反应温度是35～40℃，当水温低于5℃时，水解速度变慢；

②低温水的粘度大，布朗运动减弱，颗粒之间碰撞机会减少，不利于脱稳胶粒相互絮凝，同时水流剪切力增大，影响絮凝体的成长，进而影响后续沉淀处理的效果；

③水温低时，由于胶体颗粒水化作用增强，妨碍了胶体凝聚 （2）水的pH值和碱度

在不同pH值下，铝盐与铁盐混凝剂的水解产物的形态不一样，混凝效果也各异，因此pH值是影响混凝的一个主要因素 。

①混凝剂水解反应不断产生H+，它与水中HCO3-(碱度)作用生成CO2；当投药量较少，原水碱度又较高时，由于上述的缓冲作用，水的pH值略有降低，对混凝效果不会有大的影响

②当投药量较大，原水的碱度小，不足以中和水解产生的酸时，水的pH值将大幅度下降。要保持水解反应充分进行，必须加碱去中和H+ ，一般投加CaO

③用于除去废水的浊度时，硫酸铝的最佳 pH 范围为6.5?7.5，用于除色时，pH值在4.5?5.5之间。

④Fe3+水解反应同样受pH值的控制，但适应的pH值范围较宽，最优pH值大约在6.0?8.4之间。用于除色时，pH值在3.5?5.0之间。

⑤当使用 FeSO4·7H2O 时，由于溶解度较大，且Fe2+只能形成较简单的络合物，混凝效果较差，因此要把Fe2+氧化成Fe3+ 。氧化的方法通常采用溶解氧氧化或加氯氧化。

⑥高分子混凝剂（有机高分子混凝剂在投入水中前已发生水解聚合反应，聚合物形态基本确定），故对水的pH值变化适应性较强，混凝效果受pH值的影响较小。

（3）水力条件的影响

①在混合阶段要使药剂快速均匀地分散于水中以利于混凝剂快速水解、聚合及颗粒脱稳，通常在10～30s至多不超过2min即可完成。搅拌强度的速度梯度G值一般在700～1000 s-1之内

②在絮凝阶段，主要靠机械或水力搅拌促使颗粒碰撞凝聚，故以同向絮凝为主，通常以G值和Gt值（t为絮凝时间）作为控制指标。

③在絮凝过程中，G值应渐次减小。采用机械搅拌时，搅拌强度应逐渐减小；采用水力絮凝池时，水流速度应逐渐减小。絮凝阶段，平均G=20～70 s-1范围内，平均Gt＝1╳104～1 ╳ 105范围内。 （4）水质的影响

㈠水中悬浮杂质

①颗粒浓度过低往往不利于混凝，人工投加粘土或高分子助凝剂可提高混凝效果

②颗粒粒径与性质：由于不同的粘土杂质的粒径大小和级配、化学组成、带电性能和吸附性能等各不相同，因而即使浊度相同，混凝性能也不同。杂质颗粒级配越单一均匀、越细越不利，大小不一的颗粒将有利于混凝。

㈡有机物

①水中有机物过高时，会吸附于胶体颗粒上使胶体具有很高的稳定性，即有机物对胶体的保护作用。

②向水中投臭氧与Cl2 来氧化有机物，破坏其作用，就能提高混凝效果。 ③有机物少时有助凝作用，在实际应用时我们应利用这个作用 ㈢盐类含量与性质

因电解质能使胶体凝聚，所以水中溶解盐类能对混凝发生影响。 ①天然水中Ca2+、Mg2+ 对压缩双电层有利 ②阴离子（如Cl-）可能对混凝产生不利影响

思考题：

7. 某工业废水中含有高浓度的甲醇与葡萄糖，请问，该废水可否采用混凝法进行预处理？为什么？

甲醇与葡萄糖都不适用混凝法进行预处理。因为混凝法起作用的原理是胶体微粒和细微悬浮颗粒通常带有电荷，胶体颗粒之间互相排斥形成稳定的混合液，加入混凝剂使ζ电位改变失去稳定，从而相互聚结。而甲醇与葡萄糖不属于这种胶体物质，因此不适合。

8. 常用混凝剂与助凝剂有哪些？请举例说明你了解的混凝原理或工艺应用。

混凝剂：目前用于废水处理的混凝剂种类很多，按化学成分可分为无机和有机两大类。 按分子量大小、官能团的特性及官能团离解后所带电荷的性质，又可分为高分子、低分子、阳离子型、阴离子型和非离子型混凝剂等。

（1）硫酸铝

①有固、液两种形态，一般使用固态硫酸铝。

②根据其中不溶于水的物质的含量，可分为精制和粗制两种

③精制硫酸铝含有不同数量的结晶水，常用的是Al2(SO4)3·18H2O，含无水硫酸铝50%～52%，含Al2O3约15%，密度1.62，外观为白色结晶体

④粗制硫酸铝中有效氧化铝含量基本与精制相同，主要是不溶于水的物质含量高，废渣较多， 价格较低，但质量不稳定，且因不溶于水的杂质含量高，酸度较高，腐蚀性较强，溶解与投加设备需考虑防腐。

适用条件

硫酸铝适用于水温为20～40℃，pH=4～8的水质条件，当pH=4～7时，主要去除水中有机物，pH=5.7～7.8时，主要去除水中悬浮物，pH=6.4～7.8时，主要处理浊度高，色度低（小于30度）的水

优缺点

硫酸铝使用方便，混凝效果较好，不会给处理后的水质带来不良影响。但是当水温低时水解困难，形成的絮体较松散。 （2）聚合氯化铝（PAC）

聚合氯化铝又名碱式氯化铝或羟基氯化铝，是一种无机高分子混凝剂。它是以铝灰或含铝矿物作为原料，采用酸溶或碱溶法加工而成，其中含氧化铝(Al2O3)10％以上，不溶物<1％，其化学式为[Al2(OH)nC16-n]m，其中n＝1～5，m≤10，是m个A12(OH)nCl6-n（羟基氯化铝）单体的聚合物。

B?nOH?100% 3nAl聚合氯化铝可看成是AlCl3在一定的条件下经水解、聚合逐步转化成Al(OH)3沉淀物过程中的各种中间产物。

聚合氯化铝作为混凝剂处理废水的特点：

①对污染严重或低浊度、高浊度、高色度的原水都可达到较好的混凝效果； ②温度适应性好，pH值适用范围宽，可在pH=5～9之间使用； ③矾花形成快，颗粒大而重，沉淀性能好，投药量—般比硫酸铝低； ④其碱化度比其他铝盐、铁盐高，因此药液对设备的侵蚀作用小，且处理后

水的pH值和碱度下降较小。 （3）三氯化铁

①三氯化铁（FeCl3·6H2O）是一种常用的混凝剂，是黑褐色的结晶体，有强烈吸水性，极易溶于水。

②和铝盐相似，在一定的条件下，Fe3+通过水解、聚合可形成多种成分的配合物或聚合物，如单核组分Fe(OH)2+、 Fe(OH)2+及多核组分Fe2(OH)24+、Fe3(OH)45+等，以至Fe(OH)3沉淀物。其混凝机理亦与硫酸铝相似。

优缺点：

①形成的矾花比重大，易沉降，在低温、低浊时仍有较好效果，适宜的pH值范围也较宽。

②溶液具有强腐蚀性，处理后的水的色度比用铝盐高。 （4）聚合硫酸铁（PFS）

①聚合硫酸铁的化学式为[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m，英文缩写为PFS。 ②它与聚合铝盐都是具有一定碱化度的无机高分子聚合物，且作用机理也颇为相似。适宜水温10～50℃，pH 5.0～8.5，但在pH 4~11的范围内均可使用。

优点

与普通铁盐相比，它具有投加剂量小，絮体生成快，对水质的适应范围广以及水解时消耗水中碱度少等一系列优点，因而在废水处理中的应用越来越广泛。 （5） 有机高分子混凝剂

①高分子混凝剂分为人工合成和天然两类，常用的是人工合成的混凝剂。 ②高分子混凝剂一般都是线型高分子聚合物，它们的分子呈链状，并由很多链节组成，每一链节为一化学单体，各单体以共价键结合。

③聚合物的分子量是各单体的分子量的总和，一个聚合物分子中单体的总数称聚合度。

④高分子混凝剂溶于水中，将生成大量的线型高分子，当高分子聚合物的单体含有可离解官能基团时，沿链状分子长度就会有大量可离解基团，基团离解即形成高聚物离子。

这里介绍一种高分子混凝剂：聚丙烯酰胺（PAM）

①聚丙烯酰胺（PAM）是一种最重要的和使用最多的高分子混凝剂，也称为

三号絮凝剂

②当原水浊度低时，宜先投加其它凝混剂，后投聚丙烯酰胺(相隔半分钟为宜)，使杂质颗粒先行脱稳到一定程度，为聚丙烯酰胺大离子的絮凝作用创造有利条件

③当原水浊度较高时，宜先投聚丙烯酰胺，后投其它混凝剂，让聚丙烯酰胺先在较高浊度水中充分发挥作用，吸附一部分胶粒，使浊度有所降低，其余胶粒由其它混凝剂脱稳，再由聚丙烯酰胺吸附，这样可降低其它混凝剂的剂量。

④聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺聚合而成，其中还剩有少量未聚合的丙烯酰胺单体。这种单体是有毒的，故产品中的单体残留量应严格控制。有的国家规定混凝剂中单体丙烯酰胺的含量须在0.2％以下；有的国家规定不得超过0.05％

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，常用的有PAM、活性硅酸，粘土，SiO2水解物、天然高分子物，骨胶等。

总结： A+ 7 A 15 B+ 9 B 11 C+ 6 C 3

第一道作业中城镇污水可否用化学混凝法来处理这个问题，很多同学答的是不能，这个不够全面，有点绝对了，况且近几年随着混凝剂的发展，特别是污水厂处理后的尾水回用中大量地应用混凝预处理。

思考题一，出现一些问题，就是有些同学认为可以用，有些同学虽然说不适用，但是分析的原因是错误的。

最后一题，答的都不是很全。 个别同学那个字太草了。

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