第六章 混 凝
6,1混凝机理,
6.1.1 基本概念
混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。
凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。
絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。
混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。
6.1.2 水中胶体的稳定性
胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。
胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”
两种。
动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。
聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）
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。胶体颗粒的双电层结构见图 6-1。
滑动面上的电位：称为?电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，
当 ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。
Ⅰ
δ
d
Ⅱ
胶核滑动面
ζ
の
图 6-1 胶体双电层结构示意
6.1.3 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（有些认为是 1/d2或 1/d3）
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图 6-2。当胶体距离 x<oa或 x>oc时，吸引势能占优势；当 oa <x< oc时，排斥势能占优势；当
x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。
胶体的布朗运动能量 Eb＝ 1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。
以上称为 DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（ derjaguin）、兰道（ Landon） (苏联,1938
年独立提出 〕,伏维（ Verwey）、奥贝克
（ Overbeek）（荷兰,1941年独立提出）。
图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系
（ a) 双电层重叠； ( b )势能变化曲线
r
r
Emax
E
a
0
c
(a)
Er
Ea
吸引势能
E
A
排斥势能
E
R
间距 x
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝 Al2（ SO4） ·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以 [Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、
单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件
（水温,pH、铝盐投加量）有关，见图 6-3
2 4
6
8 10 12
20
40
60
80
100
1.0
13.32
1.4
1,3
1.1
3.4
2.2
PH
A1(
Ⅲ
)
（％）
A1(
Ⅲ
)
（％）
PH
100
80
60
40
20
12108
6
42
13.32
1.1
1.2
1.0
1.3
1.4
(3x-y)+
x y
图 6-3 在不同 PH 值下，铝离子水解产物[ AL（OH） ] 的相对含量（曲线旁数字分别表示 x 和 y ）
(1) 铝总 浓度为0.1 mol / L ； （ 2）铝 总浓度为10
-5
mol/L,水温25℃
6.1.5 混凝机理
1．电性中和作用机理电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和作用机理，见图 6-4。
（ 1）压缩双电层加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使 ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。
压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝聚能力?离子价数 6。
该机理认为?电位最多可降至 0。因而不能解释以下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。
滑动面负离子原有正离子投加的正离子
（1）
距离 距离
（2）
滑动面电位
Φ
Φ
（-）
δ
δ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
δ
Φ
（-）
电位
Φ
滑动面距离
Ⅱ
Ⅲ
δ
δ
（3）
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
（ 2）吸附－电性中和这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低?电位。其特点是：当药剂投加量过多时,?电位可反号。
2．吸附架桥吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图 6-5。
高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：
①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；
②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图 6-6；
3．网捕或卷扫金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。
胶粒高分子胶粒高分子排斥 排斥胶粒高分子图 6-5 架桥模型示意 图 6-6 胶体保护示意
6.1.6 硫酸铝的混凝机理不同 pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量,pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。
pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；
pH=4~5 多核羟基络合物起吸附电性中和；
pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；
6,2 混凝剂和助凝剂
6.2.1 混凝剂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。
目前混凝剂的种类有不少于 200－ 300种，分为无机与有机两大系列，见表 6-1。
与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的 pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；
④但三氯化铁腐蚀性较强。
硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，
性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度 B，按下式计算：
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。
][3
][
Al
OHB?
表 6-1 常用的混凝剂无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（ PAC）
聚合硫酸铝（ PAS）
适宜 pH,5.5~8
铁系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适宜 pH,5~11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（ HPAM）
非离子型：聚丙烯酰胺（ PAM），聚氧化乙烯
（ PEO）
两性型,使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂
6.2.2 助凝剂助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用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。广义上可分为以下几类：
①酸碱类：调整水的 pH，如石灰、硫酸等；
②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸
（ SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；
③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加 Cl2,O3等。
6,3 凝聚动力学
6.3.1 基本概念混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。
颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。
异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。
同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝
6.3.2 异向絮凝颗粒的碰撞速率可按下式计算：
(6-1)
式中,DB,布朗运动扩散系数,T为温度，
为水的运动粘度，为水的密度；
因此：
(6-2)
故 Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于 1?m，布朗运动消失。
28 ndDN Bp
d
KTD
B 3?
2
3
8 K T nN
p
6.3.3 同向絮凝
1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图 6-7。
颗粒的碰撞速率按下式计算：
(6-3)
在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体,见图 6-8。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为：
(6-4)
GdnN 320 34?
zyx t?
Gzuztlt 1
转矩 为：
(6-5)
于是单位体积水所耗功率 p为：
(6-6)
由于,故
(6-7)
J?
zyxJ
Gzyx Gzyxzyx Jp
G
pG?
当采用机械搅拌时,p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时,p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定：
(6-8)
则采用水力絮凝池时，
(6-9)
QTV
gQ hpV
T
ghG
Δ
Δ
τΔ x· Δ y
Δ
Δ
△ θ
扭转方向图 6- 8 速度梯度计算图示图 6- 7 层流条件下颗粒碰撞示意
Δ
Δ
△
2.同向紊流理论同向紊流理论,①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给不涡旋；③小涡旋将能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；
（ 6-10）
式中，紊流扩散系数,为相应于尺度的脉动速度，为
（ 6-11）
故
（ 6-12）
20 8 ndDN B
uDu
151u
23
0 15
8 ndN
3．混凝控制指标自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。
混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均 G＝
700~1000s-1，时间通常在 10～ 30s，一般
<2min散药剂，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。
絮凝过程,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。同向絮凝效果不仅与 G有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以 G值和 GT值作为控制指标。
平均 G＝ 20－ 70s-1,GT＝ 1～ 104－ 105
随着絮凝的进行,G值应逐渐减小。
6.4 影响水混凝的主要因素
6.4.1 概述影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：
①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；
②投加的凝聚剂种类与数量；
③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
6.4.2水温影响水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：
①无机盐水解吸热；
②温度降低，粘度升高 ――布朗运动减弱；
③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；
④水温与水的 pH值有关
6.4.3水的 pH和碱度影响水的 pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。
混凝时最佳 pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。
当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成
H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。
石灰投量按下式估算：
[CaO]=3[a] – [x] + [δ] （ 6-13）
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。
6.4.4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如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。
6,5 混凝剂的配制与投加
6.5.1 混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积 W1：
W1=（ 0.2~0.3） W2 （ 6-14）
式中 W2为溶液池容积。
（ 6-15）
式中,W2——溶液池容积,m3
Q——处理的水量 m3/ h
a——混凝剂最大投加量,mg/L
c——溶液浓度，一般取 5%~20%
n——每日调制次数，一般不超过 3次
cn
aQ
cn
aQW
4 1 71 0 0 01 0 0 0
1 0 024
2
6.5.2 混凝剂投加混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。。
1.计量设备计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。
2.投加方式
（ 1）泵前投加,安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见图 6-9。。
（ 2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高，见图 6-10。
（ 3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度不会受太大限制，但效率低，易磨损，见图 6-11。
（ 4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，
有利于药剂与水混合，见图 6-12。
1
2
3
4
5
6
h
5
7
8
9
10
图 6-9 泵前 投加
1- 溶解池；2-提升泵；3 -溶液池；4- 恒位箱；5-浮球阀；
6-投药苗嘴；7 -水封箱；8- 吸水管；9-水泵；1 0-压水管；
3
2
5
6
8
7
图 6-10 高位水箱溶液重力投加
1- 溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；
5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；
1
4
1
2
3
6
4
5
高压水图 6-11 水射器投加
1- 溶液池；2-投药箱；3-漏斗；
4-水射器；5-压水管；6-高压水管
1- 溶液池；2 -计量泵； 3-压水 管图 6-12 计量泵 投加
3
2
1
6.5.3 混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原水条件，水质仪表多，投资大。
2.现场模拟试验法采用现场模拟装置来确定和控制投药量是较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。
3.特性参数法影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、
某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，
这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。
流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体 ξ电位有正相关关系。混凝后胶体 ξ电位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。
缺点是投药量与流动电流很少相关。
透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。
6,6 混凝设备
6.6.1 混合设备
1.水泵混合投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，
节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于
150m。
2.管式混合管式静态混合器：流速不宜小于 1m/s，水头损失不小于 0.3~0.4m，简单易行，见图 6-13。
扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角 90° 。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的 1/4，开孔面积为进水管总截面面积的 3/4，流速为 1.0~1.5m/s，混合时间 2~3s。
节管长度不小于 500mm。水头损失约 0.3~0.4，直径在 DN200~DN1200，见图 6-14。
图 6-13 管式静态混合器图 6-14 扩 散混合器药剂原水管道 管道单元混合体静态混合器原水原水管投药套管塑料管孔板锥帽挡板支架
3 机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度
700~1000s-1，时间 10~30s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。
6.6.2 絮凝设备
1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式，见图 6-15与图 6-
16。
隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在 0.3~0.5m，回转式的水头损失比往复式的小 40％左右。
隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。
隔板絮凝池的设计参数：
① 流速：起端 0.5-0.6m/s，末端 0.2-0.3m/s段数：
4~6段；
②转弯处过水断面积为廊道过水断面积的
1.2~1.5倍；
③絮凝时间,20~30min；
④隔板间距：不大于 0.5m，池底应有 0.02~0.03
坡度直径不小于 150mm的排泥管；
⑤廊道的最小宽度不小于 0.5m；
⑥各段的水头损失,总水头损失
i
ii
iii l
RC
v
g
vmh it
2
22
2
ihh
图 6-1 5 往复 式隔板絮凝池
19.7m
22.0m
进水接沉淀池
2.8m
接沉淀池进水管进水管图 6-16 回转式隔板絮凝池
2.折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，
波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图 6-17与图 6-
18。
图 6- 17 单 通道折板絮凝池剖面示意进水 出水进水 出水
（ ）
（ ）
（a）同 波折板 （b ）异波折板图 6-18 多通道折板絮凝池示意
A A
水流向上 水流向下 出水进水
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
平面图进水
A-A 剖面折 板
3 机械絮凝池机械絮凝池的剖面示意见图 6-19。
搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。
第一格搅拌强度最大，而后逐步减小,G
值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。
图 6-19 机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池
（ ）
（ ）
（ ）水平轴式； （ ）垂直轴式浆板；2-叶轮；3- 旋转轴；4-隔墙
（ 1）功率计算水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在 dA微面积上水流阻力
（ 6-15）
阻力 dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：
（ 6-16）
式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速 度，为旋转半径因此
（ 6-17）
dAvCdF Di 2
2
l d rvCdAvCvdFdP DDii 3
3
22
ld rrCdP Di 332
第块桨板克服水的阻力所耗功率：
（ 6-18）
设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，
则每根旋转轴全部桨板所耗功率：
（ 6-19）
每根旋转轴所需电动机功率：
（ 6-20）
)12(82 443332
1 rr
lCdrrlCP Drr Di
)12(8 443
1
rrlCP n D
2110 00
PN?
（ 2）设计参数
①絮凝时间 10~15分。
②池内一般设 3～ 4挡搅拌机。
③搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡 0.5m/s逐渐减小至末挡的
0.2m/s。
④桨板总面积宜为水流截面积的 10～ 20％，不宜超过 75％，桨板长度不大于叶轮半径的 75％，
宽度宜取 10～ 30cm。
（ 3）优缺点机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、
中、小水厂均可，但维修是问题。
4.穿孔旋流絮凝池由若干方格组成。分格数一般不少于 6格。
流速逐渐减小,G也相应减小以适应絮凝体形成，
孔口流速宜取 0.6～ 1.0m/s，末端流速宜取 0.2～
0.3m/s。絮凝时间 15～ 25min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图 6-20。
穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。
图 6- 20 穿 孔旋流絮凝池平面示意图上面进水下面进水
5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分 3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、
栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图 6-21。
图 6- 21 网格（或栅条）絮凝池平面示意图
（图中数字表示网格层数）
进水平面布置
（2 ）网格 （3 ）栅条下面进出水上面进出水水流向上水流向下网格絮凝池效果好，水头损失小，
絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、
堵塞网眼现象。其设计参数见表 6-2
表 6-2 栅条、网格絮凝池主要设计参数絮凝池型
1
絮凝池分段栅条缝隙或网格孔眼尺寸
（ mm）
板条宽度
（ mm）
竖井平均流 速
（ m/s）
过栅或过网流速
（ m/s）
竖井之间孔洞流诉
（ m/s)
栅条或间格构件布设层数（层） /
层距（ cm）
絮凝时间（ mm ） 流速梯度 （ s-1）
栅条絮凝池前段
（安放密栅格）
50 50 0.12～ 0.14 0.25～0.30 0.30～0.20 ≥16/60 3～ 5 70～ 100
中段
（安装疏栅条）
80 50 0.12～0.14 0.22～0.25 0.20～0.15 ≥8/60 3～ 5 40～ 60
末段
（不安放栅条）
0.10～
0.14
0.10～
0.14 4～ 5 10～ 20
网格絮凝池前段
（安放密网格）
80× 80 35 0.12～0.14 0.25～0.30 0.30～0.20 ≥16/60～70 3～ 5 70～ 100
中段
（安装疏网格）
100× 100 35 0.12～0.14 0.22～0.35 0.20～0.15 ≥16/60～70 3～ 5 40～ 50
末段
（不安放网格）
0.10～
0.14
0.10～
0.14 4～ 5 10～ 20
网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为 1.0～ 2.5万 m3/d之间。
6.不同形式絮凝池组合应用每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。
不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。
6,1混凝机理,
6.1.1 基本概念
混凝：水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程称为混凝，是凝聚和絮凝的总称。
凝聚：胶体失去稳定性的过程称为凝聚。
絮凝：脱稳胶体相互聚集称为絮凝。
混凝过程涉及：①水中胶体的性质；②混凝剂在水中的水解；③胶体与混凝剂的相互作用。
6.1.2 水中胶体的稳定性
胶体稳定性：是指胶体粒子在水中长期保持分散悬浮状态的特性。
胶体稳定性分“动力学稳定性”和“聚集稳定”
两种。
动力学稳定性：无规则的布朗运动强，对抗重力影响的能力强。
聚集稳定性包括：①胶体带电相斥（憎水性胶体）；②水化膜的阻碍（亲水性胶体）
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。胶体颗粒的双电层结构见图 6-1。
滑动面上的电位：称为?电位，决定了憎水胶体的聚集稳定性。也决定亲水胶体的水化膜的阻碍，
当 ξ电位降低，水化膜减薄及至消失。
Ⅰ
δ
d
Ⅱ
胶核滑动面
ζ
の
图 6-1 胶体双电层结构示意
6.1.3 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（有些认为是 1/d2或 1/d3）
由此可画出胶体颗粒的相互作用势能与距离之间的关系，见图 6-2。当胶体距离 x<oa或 x>oc时，吸引势能占优势；当 oa <x< oc时，排斥势能占优势；当
x=ob时，排斥势能最大，称为排斥能峰。
胶体的布朗运动能量 Eb＝ 1.5kT，当其大于排斥能峰时，胶体颗粒能发生凝聚。
以上称为 DLVO理论，只适用于憎水性胶体，由德加根（ derjaguin）、兰道（ Landon） (苏联,1938
年独立提出 〕,伏维（ Verwey）、奥贝克
（ Overbeek）（荷兰,1941年独立提出）。
图 6-2 相互作用势能与颗粒距离关系
（ a) 双电层重叠； ( b )势能变化曲线
r
r
Emax
E
a
0
c
(a)
Er
Ea
吸引势能
E
A
排斥势能
E
R
间距 x
6.1.4 硫酸铝在水中的化学反应硫酸铝 Al2（ SO4） ·18H2O溶于水后，立即离解出铝离子，通常是以 [Al(H2O)6]3+存在，但接着会发生水解与缩聚反应，形成不同的产物。产物包括：未水解的水合铝离子、
单核羟基络合物、多核羟基络合物、氢氧化铝沉淀等。各种产物的比例多少与水解条件
（水温,pH、铝盐投加量）有关，见图 6-3
2 4
6
8 10 12
20
40
60
80
100
1.0
13.32
1.4
1,3
1.1
3.4
2.2
PH
A1(
Ⅲ
)
（％）
A1(
Ⅲ
)
（％）
PH
100
80
60
40
20
12108
6
42
13.32
1.1
1.2
1.0
1.3
1.4
(3x-y)+
x y
图 6-3 在不同 PH 值下，铝离子水解产物[ AL（OH） ] 的相对含量（曲线旁数字分别表示 x 和 y ）
(1) 铝总 浓度为0.1 mol / L ； （ 2）铝 总浓度为10
-5
mol/L,水温25℃
6.1.5 混凝机理
1．电性中和作用机理电性中和作用机理包括压缩双电层与吸附电 中和作用机理，见图 6-4。
（ 1）压缩双电层加入电解质加入，形成与反离子同电荷离子，产生压缩双电层作用，使 ξ电位降低，从而胶体颗粒失去稳定性，产生凝聚作用。
压缩双电层机理适用于叔采－哈代法则，即：凝聚能力?离子价数 6。
该机理认为?电位最多可降至 0。因而不能解释以下两种现象：①混凝剂投加过多，混凝效果反而下降；②与胶粒带同样电号的聚合物或高分子也有良好的混凝效果。
滑动面负离子原有正离子投加的正离子
（1）
距离 距离
（2）
滑动面电位
Φ
Φ
（-）
δ
δ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅰ
δ
Φ
（-）
电位
Φ
滑动面距离
Ⅱ
Ⅲ
δ
δ
（3）
图 6-4 压缩双电层和吸附-电中和作用
（ 2）吸附－电性中和这种现象在水处理中出现的较多。指胶核表面直接吸附带异号电荷的聚合离子、高分子物质、胶粒等，来降低?电位。其特点是：当药剂投加量过多时,?电位可反号。
2．吸附架桥吸附架桥作用是指高分子物质和胶粒，以及胶粒与胶粒之间的架桥，架桥模型示意见图 6-5。
高分子絮凝剂投加后，通常可能出现以下两个现象：
①高分子投量过少，不足以形成吸附架桥；
②但投加过多，会出现“胶体保护”现象，见图 6-6；
3．网捕或卷扫金属氢氧化物在形成过程中对胶粒的网捕与卷扫。所需混凝剂量与原水杂质含量成反比，即当原水胶体含量少时，所需混凝剂多，反之亦然。
胶粒高分子胶粒高分子排斥 排斥胶粒高分子图 6-5 架桥模型示意 图 6-6 胶体保护示意
6.1.6 硫酸铝的混凝机理不同 pH条件下，铝盐可能产生的混凝机理不同。何种作用机理为主，决定于铝盐的投加量,pH、温度等。实际上，几种可能同时存在。
pH<3 简单的水合铝离子起压缩双电层作用；
pH=4~5 多核羟基络合物起吸附电性中和；
pH=6.5-7.5 氢氧化铝起吸附架桥；
6,2 混凝剂和助凝剂
6.2.1 混凝剂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。
目前混凝剂的种类有不少于 200－ 300种，分为无机与有机两大系列，见表 6-1。
与硫酸铝相比，三氯化铁具有以下优点：①适用的 pH值范围较宽；②形成的絮凝体比铝盐絮凝体密实；③处理低温低浊水的效果优于硫酸铝；
④但三氯化铁腐蚀性较强。
硫酸亚铁一般与氧化剂如氯气同时使用，以便将二价铁氧化成三价铁。
聚合氯化铝又称为碱式氯化铝或羟基氯化铝，
性能优于硫酸铝。其成分取决于羟基与铝的摩尔数之比，通常称之为碱化度 B，按下式计算：
聚合铁包括聚合硫酸铁与聚合氯化铁，目前常用的是聚合硫酸铁，它的混凝效果优于三氯化铁，它的腐蚀性远比三氯化铁小。
][3
][
Al
OHB?
表 6-1 常用的混凝剂无机铝系硫酸铝明矾聚合氯化铝（ PAC）
聚合硫酸铝（ PAS）
适宜 pH,5.5~8
铁系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适宜 pH,5~11，但腐蚀性强有机人工合成阳离子型：含氨基、亚氨基的聚合物 国外开始增多，国内尚少阴离子型：水解聚丙烯酰胺（ HPAM）
非离子型：聚丙烯酰胺（ PAM），聚氧化乙烯
（ PEO）
两性型,使用极少天然淀粉、动物胶、树胶、甲壳素等微生物絮凝剂
6.2.2 助凝剂助凝剂：凡能提高或改善混凝剂作用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。广义上可分为以下几类：
①酸碱类：调整水的 pH，如石灰、硫酸等；
②加大矾花的粒度和结实性：如活化硅酸
（ SiO2 nH2O）、骨胶、高分子絮凝剂；
③氧化剂类：破坏干扰混凝的物质，如有机物。如投加 Cl2,O3等。
6,3 凝聚动力学
6.3.1 基本概念混凝动力学：研究颗粒碰撞速率属于混凝动力学范畴。
颗粒相互碰撞的动力来自两个方面：颗粒在水中的布朗运动；在水力或机械搅拌所造成的流体运动。
异向絮凝：由布朗运动引起的颗粒碰撞聚集称为异向絮凝。
同向絮凝：由水力或机械搅拌所造成的流体运动引起的颗粒碰撞聚集称同向絮凝
6.3.2 异向絮凝颗粒的碰撞速率可按下式计算：
(6-1)
式中,DB,布朗运动扩散系数,T为温度，
为水的运动粘度，为水的密度；
因此：
(6-2)
故 Np只与颗粒数量和水温有关，而与颗粒粒径无关。但当颗粒的粒径大于 1?m，布朗运动消失。
28 ndDN Bp
d
KTD
B 3?
2
3
8 K T nN
p
6.3.3 同向絮凝
1.层流理论层流条件下颗粒的碰撞示意见图 6-7。
颗粒的碰撞速率按下式计算：
(6-3)
在被搅动的水流中，考虑一个瞬间受煎而扭转的隔离体,见图 6-8。设在时间 内，隔离体扭转了 角度，于是角速度 为：
(6-4)
GdnN 320 34?
zyx t?
Gzuztlt 1
转矩 为：
(6-5)
于是单位体积水所耗功率 p为：
(6-6)
由于,故
(6-7)
J?
zyxJ
Gzyx Gzyxzyx Jp
G
pG?
当采用机械搅拌时,p由机械搅拌器提供。当采用水力絮凝池时,p应为水流本身所消耗的能量，由下式决定：
(6-8)
则采用水力絮凝池时，
(6-9)
QTV
gQ hpV
T
ghG
Δ
Δ
τΔ x· Δ y
Δ
Δ
△ θ
扭转方向图 6- 8 速度梯度计算图示图 6- 7 层流条件下颗粒碰撞示意
Δ
Δ
△
2.同向紊流理论同向紊流理论,①外部施加的能量形成大涡旋；②大涡旋将能量输送给不涡旋；③小涡旋将能量输送给更小的涡旋；④只有尺度与颗粒尺寸相近的涡旋才会引起颗粒碰撞；
（ 6-10）
式中，紊流扩散系数,为相应于尺度的脉动速度，为
（ 6-11）
故
（ 6-12）
20 8 ndDN B
uDu
151u
23
0 15
8 ndN
3．混凝控制指标自药剂与水均匀混合起直至大颗粒絮凝体形成为止，工艺上总称混凝过程。相应设备有混合设备和絮凝设备。
混合（凝聚）过程：在混合阶段，对水流进行剧烈搅拌的目的主要是使药剂快速均匀分散以利于混凝剂快速水解、聚合、及颗粒脱稳。平均 G＝
700~1000s-1，时间通常在 10～ 30s，一般
<2min散药剂，此阶段，杂质颗粒微小，同时存在颗粒间异向絮凝。
絮凝过程,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。同向絮凝效果不仅与 G有关，还与时间有关。在絮凝阶段，通常以 G值和 GT值作为控制指标。
平均 G＝ 20－ 70s-1,GT＝ 1～ 104－ 105
随着絮凝的进行,G值应逐渐减小。
6.4 影响水混凝的主要因素
6.4.1 概述影响混凝效果的因素比较复杂，主要包括：
①原水性质，包括水温、水化学特性、杂质性质和浓度等；
②投加的凝聚剂种类与数量；
③使用的絮凝设备及其相关水力参数。
6.4.2水温影响水温低时，通常絮凝体形成缓慢，絮凝颗粒细小、松散，凝聚效果较差。其原因有：
①无机盐水解吸热；
②温度降低，粘度升高 ――布朗运动减弱；
③水温低时，胶体颗粒水化作用增强，妨碍凝聚；
④水温与水的 pH值有关
6.4.3水的 pH和碱度影响水的 pH值对混凝效果的影响程度，与混凝剂种类有关。
混凝时最佳 pH范围与原水水质、去除对象等密切有关。
当投加金属盐类凝聚剂时，其水解会生成
H+，但水中碱度有缓冲作用，当碱度不够时需要投加石灰。
石灰投量按下式估算：
[CaO]=3[a] – [x] + [δ] （ 6-13）
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。
6.4.4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如果原水悬浮物含量过高，为减少混凝剂的用量，通常投加高分子助凝剂。如黄河高浊度水常需投加有机高分子絮凝剂作为助凝剂。
6,5 混凝剂的配制与投加
6.5.1 混凝剂的溶解和溶液配制溶解池容积 W1：
W1=（ 0.2~0.3） W2 （ 6-14）
式中 W2为溶液池容积。
（ 6-15）
式中,W2——溶液池容积,m3
Q——处理的水量 m3/ h
a——混凝剂最大投加量,mg/L
c——溶液浓度，一般取 5%~20%
n——每日调制次数，一般不超过 3次
cn
aQ
cn
aQW
4 1 71 0 0 01 0 0 0
1 0 024
2
6.5.2 混凝剂投加混凝剂投加设备包括计量设备、药液提升设备、投药箱、必要的水封箱以及注入设备等。。
1.计量设备计量设备有：转子流量计；电磁流量计；苗嘴；计量泵等。
2.投加方式
（ 1）泵前投加,安全可靠，一般适用取水泵房距水厂较近者，图中水封箱是为防止空气进入，见图 6-9。。
（ 2）高位溶液池重力投加：适用取水泵房距水厂较远者，安全可靠，但溶液池位置较高，见图 6-10。
（ 3）水射器投加：设备简单，使用方便，溶液池高度不会受太大限制，但效率低，易磨损，见图 6-11。
（ 4）泵投加：不必另设计量设备，适合混凝剂自动控制系统，
有利于药剂与水混合，见图 6-12。
1
2
3
4
5
6
h
5
7
8
9
10
图 6-9 泵前 投加
1- 溶解池；2-提升泵；3 -溶液池；4- 恒位箱；5-浮球阀；
6-投药苗嘴；7 -水封箱；8- 吸水管；9-水泵；1 0-压水管；
3
2
5
6
8
7
图 6-10 高位水箱溶液重力投加
1- 溶解池；2-溶液池；3-提升泵；4-水封箱；
5-浮球阀；6-流量计；7-调节阀；8-压力水；
1
4
1
2
3
6
4
5
高压水图 6-11 水射器投加
1- 溶液池；2-投药箱；3-漏斗；
4-水射器；5-压水管；6-高压水管
1- 溶液池；2 -计量泵； 3-压水 管图 6-12 计量泵 投加
3
2
1
6.5.3 混凝剂投加量自动控制
1.数学模拟法对于某一特定水源，可根据水质、水量建立数学模型，写出程序交计算机执行调控。采用数学模型实行加药自动控制的关键是：必须要有前期大量而又可靠的生产数据，才可运用数理统计方法建立符合实际生产的数学模型。适用特定原水条件，水质仪表多，投资大。
2.现场模拟试验法采用现场模拟装置来确定和控制投药量是较简单的一种方法，常用的模拟装置是斜管沉淀器，过滤器或两者并用。原水浊度低时，常用模拟过滤器，原水浊度高时可用斜管沉淀器或过滤器串联使用。此法存在反馈滞后现象，模拟装置与生产设备存在一定的差别，但与实验室相比，更接近实际情况。
3.特性参数法影响混凝效果的因素复杂，在某种情况下、
某一特性参数是影响混凝效果的主要因素，
这一因素的变化反映了混凝程度的变化。流动电流检测器法和透光率脉动法属于特性参数法。
流动电流是指胶体扩散层中反离子在外力作用下随着流体流动而产生的电流。此电流与胶体 ξ电位有正相关关系。混凝后胶体 ξ电位变化反映了胶体脱稳程度。优点是控制因子单一；投资低，操作简单；控制精度较高。
缺点是投药量与流动电流很少相关。
透光率脉动法是利用光电原理检测絮凝聚颗粒的变化，达到混凝在线连续控制的新技术。优点是因子单一，不受混凝机理或品种的限制，不受水质限制。
6,6 混凝设备
6.6.1 混合设备
1.水泵混合投药投加在水泵吸水口或管上。混合效果好，
节省动力，各种水厂均可用，常用于取水泵房靠近水厂处理构筑物的场合，两者间距不大于
150m。
2.管式混合管式静态混合器：流速不宜小于 1m/s，水头损失不小于 0.3~0.4m，简单易行，见图 6-13。
扩散混合器，是在管式孔板混合器前加一个锥形帽，锥形帽夹角 90° 。顺流方向投影面积为进水管总截面面积的 1/4，开孔面积为进水管总截面面积的 3/4，流速为 1.0~1.5m/s，混合时间 2~3s。
节管长度不小于 500mm。水头损失约 0.3~0.4，直径在 DN200~DN1200，见图 6-14。
图 6-13 管式静态混合器图 6-14 扩 散混合器药剂原水管道 管道单元混合体静态混合器原水原水管投药套管塑料管孔板锥帽挡板支架
3 机械混合在池内安装搅拌装置，搅拌器可以是桨板式、螺旋桨式或透平式，速度梯度
700~1000s-1，时间 10~30s以内，优点是混合效果好，不受水质影响，缺点是增加机械设备，增加维修工作。
6.6.2 絮凝设备
1.隔板絮凝池隔板絮凝池分往复式和回转式，见图 6-15与图 6-
16。
隔板絮凝池的水头损失由局部水头和沿程水头损失组成。往复式总水头损失一般在 0.3~0.5m，回转式的水头损失比往复式的小 40％左右。
隔板絮凝池特点：构造简单、管理方便，但絮凝效果不稳定，池子大。适应大水厂。
隔板絮凝池的设计参数：
① 流速：起端 0.5-0.6m/s，末端 0.2-0.3m/s段数：
4~6段；
②转弯处过水断面积为廊道过水断面积的
1.2~1.5倍；
③絮凝时间,20~30min；
④隔板间距：不大于 0.5m，池底应有 0.02~0.03
坡度直径不小于 150mm的排泥管；
⑤廊道的最小宽度不小于 0.5m；
⑥各段的水头损失,总水头损失
i
ii
iii l
RC
v
g
vmh it
2
22
2
ihh
图 6-1 5 往复 式隔板絮凝池
19.7m
22.0m
进水接沉淀池
2.8m
接沉淀池进水管进水管图 6-16 回转式隔板絮凝池
2.折板絮凝池通常采用竖流式，它将隔板絮凝池的平板隔板改成一定角度的折板。折板波峰对波谷平行安装称“同波折板”，
波峰相对安装称“异波折板”。与隔板式相比，水流条件大大改善，有效能量消耗比例提高，但安装维修较困难，折板费用较高。其示意图见图 6-17与图 6-
18。
图 6- 17 单 通道折板絮凝池剖面示意进水 出水进水 出水
（ ）
（ ）
（a）同 波折板 （b ）异波折板图 6-18 多通道折板絮凝池示意
A A
水流向上 水流向下 出水进水
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
平面图进水
A-A 剖面折 板
3 机械絮凝池机械絮凝池的剖面示意见图 6-19。
搅拌器有浆板式和叶轮式，按搅拌轴的安装位置分水平轴式和垂直轴式。
第一格搅拌强度最大，而后逐步减小,G
值也相应减小，搅拌强度决定于搅拌器转速和桨板面积。
图 6-19 机械絮凝池剖面示意进水进水接沉淀池接沉淀池
（ ）
（ ）
（ ）水平轴式； （ ）垂直轴式浆板；2-叶轮；3- 旋转轴；4-隔墙
（ 1）功率计算水流对桨板的阻力就是桨板施于水的推力，在 dA微面积上水流阻力
（ 6-15）
阻力 dFi所耗功率，即桨板施于水的功率：
（ 6-16）
式中：，为水流旋转线速度，为桨板旋转角速 度，为旋转半径因此
（ 6-17）
dAvCdF Di 2
2
l d rvCdAvCvdFdP DDii 3
3
22
ld rrCdP Di 332
第块桨板克服水的阻力所耗功率：
（ 6-18）
设每根旋转轴在不同旋转半径上装相同数量的桨板，
则每根旋转轴全部桨板所耗功率：
（ 6-19）
每根旋转轴所需电动机功率：
（ 6-20）
)12(82 443332
1 rr
lCdrrlCP Drr Di
)12(8 443
1
rrlCP n D
2110 00
PN?
（ 2）设计参数
①絮凝时间 10~15分。
②池内一般设 3～ 4挡搅拌机。
③搅拌机转速按叶轮半径中心点线速度计算确定，线速度第一挡 0.5m/s逐渐减小至末挡的
0.2m/s。
④桨板总面积宜为水流截面积的 10～ 20％，不宜超过 75％，桨板长度不大于叶轮半径的 75％，
宽度宜取 10～ 30cm。
（ 3）优缺点机械絮凝池的优点是调节容易，效果好，大、
中、小水厂均可，但维修是问题。
4.穿孔旋流絮凝池由若干方格组成。分格数一般不少于 6格。
流速逐渐减小,G也相应减小以适应絮凝体形成，
孔口流速宜取 0.6～ 1.0m/s，末端流速宜取 0.2～
0.3m/s。絮凝时间 15～ 25min。穿孔旋流絮凝池的平面示意图见图 6-20。
穿孔旋流絮凝池的优点是构造简单，施工方便，造价低，可用于中、小型水厂或与其他形式的絮凝池组合应用。
图 6- 20 穿 孔旋流絮凝池平面示意图上面进水下面进水
5.网格、栅条絮凝池网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条，各竖井间的隔墙上、下交错开孔，进水端至出水端逐渐减少，一般分 3段控制。前段为密网或密栅，中段为疏网或疏栅，末段不安装网、
栅。网格（栅条）絮凝池的示意图见图 6-21。
图 6- 21 网格（或栅条）絮凝池平面示意图
（图中数字表示网格层数）
进水平面布置
（2 ）网格 （3 ）栅条下面进出水上面进出水水流向上水流向下网格絮凝池效果好，水头损失小，
絮凝时间较短，但还存在末端池底积泥现象，小数水厂发现网格上滋生藻类、
堵塞网眼现象。其设计参数见表 6-2
表 6-2 栅条、网格絮凝池主要设计参数絮凝池型
1
絮凝池分段栅条缝隙或网格孔眼尺寸
（ mm）
板条宽度
（ mm）
竖井平均流 速
（ m/s）
过栅或过网流速
（ m/s）
竖井之间孔洞流诉
（ m/s)
栅条或间格构件布设层数（层） /
层距（ cm）
絮凝时间（ mm ） 流速梯度 （ s-1）
栅条絮凝池前段
（安放密栅格）
50 50 0.12～ 0.14 0.25～0.30 0.30～0.20 ≥16/60 3～ 5 70～ 100
中段
（安装疏栅条）
80 50 0.12～0.14 0.22～0.25 0.20～0.15 ≥8/60 3～ 5 40～ 60
末段
（不安放栅条）
0.10～
0.14
0.10～
0.14 4～ 5 10～ 20
网格絮凝池前段
（安放密网格）
80× 80 35 0.12～0.14 0.25～0.30 0.30～0.20 ≥16/60～70 3～ 5 70～ 100
中段
（安装疏网格）
100× 100 35 0.12～0.14 0.22～0.35 0.20～0.15 ≥16/60～70 3～ 5 40～ 50
末段
（不安放网格）
0.10～
0.14
0.10～
0.14 4～ 5 10～ 20
网格和栅条絮凝池在不断完善和发展之中，絮凝池宜与沉淀池合建，一般布置成两组并联形式。每组设计水量一般为 1.0～ 2.5万 m3/d之间。
6.不同形式絮凝池组合应用每种形式的絮凝池各有其优缺点。不同形式的絮凝池组合应用可以相互补充，取长补短。往复式和回转式隔板絮凝池在竖向组合是常用方式之一，穿孔旋流与隔板絮凝池也往往组合应用。
不同形式絮凝池配合使用，效果良好，但设备形式增多，应根据具体情况决定。
