天然水體中含有大量細(xì)小的粘土顆粒，粒徑很小屬于膠體物質(zhì)，不能自由沉淀。水中含有的許多細(xì)小的懸浮物質(zhì)，如藻類、細(xì)菌、細(xì)小的顆粒物等。也難于沉淀。混凝處理是向水中投加混凝劑，使水中的膠體顆粒和細(xì)小的懸浮物相互凝聚變大，形成具有沉淀性能良好、尺寸較大的絮狀顆粒(礬花)，使之在后續(xù)的沉淀工藝中能夠有效地從水中重力沉淀下來(lái)。此法適用于含有膠體顆粒與懸浮物水源的處理、含有膠體顆粒的工業(yè)廢水的處理。混凝處理對(duì)水中某些溶解狀的無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物、色 度、臭等也有一定的去除效果。

投藥是混凝工藝的必要前提?；旌虾头磻?yīng)是混凝工藝的兩個(gè)階段。為了提高凝效果，結(jié)合原水水質(zhì)選用性能良好的藥劑，創(chuàng)造適宜的化學(xué)和水力條件，是混凝工藝上的技術(shù)關(guān)鍵。

一、混凝機(jī)理

(一)水中膠體的穩(wěn)定性

粒度微小的膠體顆粒具有十分巨大的比表面值，因此相交界面自由能也很大。根據(jù)這一界面特性理應(yīng)使膠體顆粒能彼此聚集以形成較大的顆粒，并從溶液中分離出來(lái)。但是，實(shí)際上的膠體系統(tǒng)卻可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，而不產(chǎn)生微粒的彼此凝聚顆粒具有特殊的結(jié)構(gòu)和電荷特性。

根據(jù)膠體化學(xué)的理論，膠體顆粒的中心是膠核，膠核是一個(gè)由許多個(gè)原子或分子構(gòu)成的微粒。膠核表面擁有一層離子，稱為電位離子。膠核由于電位離子的存在而帶有電荷。電位離子的靜電作用把溶液中帶相反電荷的離子(稱為反離子〉吸引到膠核的周圍，直到吸引離子的電荷總量與電位離子的電荷量相等為止。這樣，在膠核與溶液的界面區(qū)域就形成了雙電層，如圖6-3所示。

內(nèi)層為膠核固相的電位離子層，外層為液相中的反離子層。電位離子同膠核結(jié)合緊密;而反離子則由于通過(guò)靜電引力的作用相互聯(lián)系，因而結(jié)合較松散。膠體微粒在溶液中不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了電位離子隨膠核一起運(yùn)動(dòng)外，緊靠膠核的一部分反離子也與膠核一起運(yùn)動(dòng)，這部分反離子層稱為吸附層，另一部分反離子并不隨膠核一起運(yùn)動(dòng)，而不斷由溶液中的其他反離子所取代，這一部分反離子層稱為擴(kuò)散層。在吸附層與擴(kuò)散層界面處的電位稱為電動(dòng)電位或￡電位。

膠體顆粒的這一電荷特性，使兩個(gè)帶有同號(hào)電荷的顆粒彼此接近到擴(kuò)散層交聯(lián)時(shí)，將產(chǎn)生靜電斥力。斥力的大小隨著顆粒間距的減小而增加。這一斥力的存在，成了同號(hào)膠體顆粒不能彼此聚集的主要原因。

造成膠體顆粒穩(wěn)定的另一個(gè)因素是水化作用。由于膠體顆粒帶有電荷，可在顆粒表面形成一定的水化膜，阻礙顆粒間的相互聚集。

膠體系統(tǒng)除了由靜電斥力和水化作用而具有穩(wěn)定性外，同時(shí)還存在著使膠體顆粒能彼此聚集的不穩(wěn)定作用。這就是顆粒間的范德華引力和顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)。

范德華引力隨顆粒間距離的減小而增大。膠體系統(tǒng)中的分散微粒不停地進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)。布朗運(yùn)動(dòng)使膠體顆粒具有一定的動(dòng)能。當(dāng)微粒的動(dòng)能足以克服阻礙顆粒接近的能峰時(shí)，顆粒就會(huì)聚集起來(lái)。

天然水體中膠體顆粒究竟是否穩(wěn)定將取決于其穩(wěn)定因素和不穩(wěn)定因素的相互作用程度。在大多數(shù)情況下，供水水源的膠體系統(tǒng)都已處于平衡狀態(tài)，因而是相對(duì)穩(wěn)定的。為了去除這些物質(zhì)就需要破壞這些膠體的穩(wěn)定狀態(tài)。

(二)膠體脫穩(wěn)

為使膠體顆粒能通過(guò)碰撞而彼此聚集，就需要消除或降低膠體顆粒的穩(wěn)定因素，這一過(guò)程稱為脫穩(wěn)，給水處理中，膠體顆粒的脫穩(wěn)可分為兩種情況：一種是通過(guò)凝集劑的作用，使膠體顆粒本身的雙電層結(jié)構(gòu)起了變化，￡電位降低或消失，膠體穩(wěn)定性破壞;另一種是膠體顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)未起多大變化，主要是通過(guò)凝聚劑的媒介作用，使顆粒彼此聚集。嚴(yán)格地說(shuō)來(lái)，后一種情況不能稱為脫穩(wěn)，但從水處理的實(shí)際效果而言，兩者都達(dá)到了使顆粒彼此聚集的能力，因此習(xí)慣上都稱之為脫穩(wěn)。

膠體的脫穩(wěn)方式因采用聚集劑品種和投加量、膠體顆粒的性質(zhì)及介質(zhì)環(huán)境等多種因素而變化，一般可分為以下幾種：

1.壓縮雙電層

水處理所去除的膠體主要為帶負(fù)電荷的膠體〔粘土和細(xì)菌等〉，當(dāng)向水中投加電解質(zhì)鹽類時(shí)，水中的離子濃度將增加，這就使膠體顆粒能較多的吸引水中反離子，其結(jié)果使擴(kuò)散層的厚度減小，￡電位降低，可以起到壓縮雙電層的作用。擴(kuò)散層減小或￡電位將使顆粒之間作用的斥力大為減小，這就有可能使顆粒聚集。按照這一機(jī)理，高價(jià)電解質(zhì)離子將優(yōu)于低價(jià)電解質(zhì)離子。這種機(jī)理以前曾被認(rèn)為是水處理混凝的主要原理，但就目前的認(rèn)識(shí)水平來(lái)看，在大多數(shù)情況下，這種機(jī)理并不重要。

2.吸附電中和

膠體表面通過(guò)與帶異號(hào)電荷的離子、帶異號(hào)電荷的膠?；虼蠓肿又袔М愄?hào)電荷部分的靜電吸附，中和了原來(lái)膠粒所帶的電荷。當(dāng)采用鋁鹽或鐵鹽作為凝聚劑時(shí)，隨溶性PH值的不同可以產(chǎn)生各種不同的水解產(chǎn)物。當(dāng)PH值較低，水解產(chǎn)物帶有正電荷，給水處理中的原水的膠體顆粒多為帶負(fù)電荷的，因而帶正電荷的鋁或鐵鹽的水解產(chǎn)物可以對(duì)原水膠體顆粒的電荷起中和作用。由于水解產(chǎn)物形成的膠體與原水膠體帶有不同的電荷，因而當(dāng)它們接近時(shí)，總是相互吸引的，這就導(dǎo)致顆粒的相互聚集，如圖6-4 (a)所示。這種凝聚機(jī)理在水處理中很重要。鋁鹽、鐵鹽及陽(yáng)離子型聚合物都可通過(guò)這一機(jī)理而到達(dá)凝聚。

3.沉淀物的卷掃或網(wǎng)捕

鋁鹽、鐵鹽產(chǎn)生的大量氫氧化鋁、氫氧化鐵沉淀物能夠直接網(wǎng)捕、卷掃水中的膠體顆粒，即水中膠體顆粒直接吸附在已形成的大絮體上，而不是從膠體小顆粒相互聚集長(zhǎng)大。如圖6-4 (b)所示。欲去除的膠粒越多，沉淀的速度越快，因而當(dāng)水中的膠體物質(zhì)較多時(shí)，凝聚劑的投加量反而減少。這一機(jī)理在給水處理中很重要。

4.吸附架橋

不僅正負(fù)電荷膠體間可以相互吸附架橋，一些不帶電荷設(shè)置帶有與膠粒同性電荷的高分子物質(zhì)，通過(guò)氫鍵、范德華力等與膠粒也有吸附作用，當(dāng)向溶液投加高分子物質(zhì)時(shí)，一個(gè)高分子聚合物的分子可以吸附多個(gè)膠粒，從而破壞了膠體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖6-2 (c)所示。高分子物質(zhì)的過(guò)量投加或強(qiáng)烈攪拌都可能破壞吸附架橋作用，反而使溶液產(chǎn)生再穩(wěn)。