摘要：通过研究混凝过程、总结混凝试验结果、分析混凝新技术，提出：混凝剂与胶体颗粒(或溶解物)的接触碰撞、初始絮体在速度梯度作用下的自旋、絮体在涡旋中的回转均可提高混凝效果。

水的混凝机理一直是水处理与化学工作者们关心的课题，迄今还没有一个统一的认识。一般认为：混凝分为凝聚和絮凝两个过程。凝聚是化学药剂在水中扩散的瞬时过程。絮凝是脱稳后的胶体颗粒互相碰撞后粘在一起形成大致是永久性聚集体的过程。凝聚的时间很短，欲将凝聚和絮凝完全分开十分困难，笔者通过研究分析，认为可以通过以下三个环节提高混凝效果。

1提高碰撞次数

混凝机理一般认为有双电层压缩、吸附电中和作用、吸附架桥作用和沉淀物网捕四种。

无论那一种机理，要完成上述过程，首先是造成胶体颗粒与药剂水解分子相互靠近、碰撞、接触。例如接触凝聚，实际上是缩小水流通道，客观上造成胶体颗粒与吸附体之间距离的接近，才能产生更多的碰撞和接触机会，取得事半功倍的效果。尽管微粒的聚集是通过碰撞完成，但并非每次碰撞都会产生凝聚。凝聚速度决定于有效碰撞次数，有效碰撞取决于微粒浓度，二者成正比例。

近年新兴起的结团凝聚处理法，也是基于提高碰撞机率的原理。这种装置开始运转时，结团凝聚柱内尚无颗粒悬浮层，出水浑浊，但柱底逐渐有颗粒积累，随着底部粒状物增加，悬浮泥渣层逐渐形成，出水逐渐由浊变清。当悬浮层不断增厚至20—30cm时，柱内呈清晰的泥水界面，悬浮层不断增厚，出水浊度不断降低，在较高上升流速时，各结团絮凝体颗粒在悬浮层中不断翻滚，且整个悬浮层随着泥渣量的增加以均匀的速度向上移动，将多余的悬浮体从泥渣口排出后极易与水分离，分离出的水保持清澈。

在进行“高效固液分离装置”(高效沉淀池)试验时也发现类似现象：污水在上升过程中，穿过一个悬浮泥渣层再进入过滤层，尽管进水水质变化很大，进水p(ss)=一mg/L，出水水质却很稳定，出水p(SS)=5—10mg/L，当过滤水头上升时开始排泥，从排泥管放出质量分数为5％～6％的积泥，静置10rain即出现清澈的水面，明显地看到泥与水已经分离，倒出上清液后，泥液增稠，泥层密实，不像普通沉淀池排出的泥液那样稀松。

日常设计中往往是经过反应池形成“矾花”(即絮凝体)后，便设法造成一种环境，扩大水流面积，使水流速大幅降低，絮凝体在层流状态下缓慢沉降，完成与水的分离过程。实际上在凝聚向絮凝转化过程中，还有一部分体积很小，质量很轻的凝聚体，在设计给定的环境中不容易马上沉下来，若靠一个大的沉淀面积(实际上是一个大的停留体积)，让这部分凝聚体各自运动，在空间大的情况下反而不容易再次碰撞在一起，大的絮凝体已经沉下去，小的还悬浮于水中，出水浊度必定较高，若在此过程中，再给一个“束缚”的机会，让这些凝聚体再次靠近，碰撞接触，聚结成大的颗粒而沉降，这样的过程才能更完善，出水水质会更好。

如果在竖流沉淀池的分离区，通过控制上升流速、泥渣回流手段造成一个悬浮泥渣层，利用悬浮泥渣层吸附、碰撞、接触，进一步去除细小颗粒，可提高出水水质和产水率。悬浮泥渣层在机械加速澄清池中的作用也能说明这个道理。

例如在平流沉淀池的尾部增加纤维软性填料，肯定对细小颗粒有进一步“拦截”作用，可进一步降低余浊。(其中纤维填料的设置和清洗方法要具备可行性)。分析国外的所谓高效沉淀池或高效固液分离装置，其形状尺寸就是利用了上述原理。即：适当放大高度与直径的比例，让絮凝体在沉降过程中，互相碰撞接触的机会增多，聚结后共同下沉，就能获得好的分离效果。

2控制水流形成微小涡旋

在混凝过程中，脱稳微粒相互聚结而形成初级微絮体颗粒。这里涉及到速度梯度。速度梯度(G)作为絮凝池的设计参数已沿用多年，目前除G值以外，未找到更理想、更确切的反应絮凝过程的指标。

根据水力学的解释：由于水有粘滞性，因此在流动过程中会产生速度梯度，即水层之间存在速度的变化值。一般认为异向凝聚是缘于布朗运动，而同向凝聚是由搅拌作用而产生。无论是搅拌或折板反应、格网反应、迷宫反应等，均为在水流中产生涡旋。

有涡旋时，速度梯度值就会变化很快，除了造成凝聚体的“你追我赶”相互碰撞以外，还会产生凝聚体或微絮体本身的“自旋”。因此涡旋内流线发生变化，相邻流层之间存在速度差值，一个微粒很可能在其前进方向的两侧受到不同的速度影响，正是由于两个不同速度的差值形成力矩，推动絮凝体或凝聚体自身旋转。因为絮凝体不是理想的球形体，因此可以肯定地说絮凝体或凝聚体一旦自身旋转，其半径可能要扩大几倍，甚至更高。

文献指出：絮凝池中的湍流充满着大大小小的涡旋，它们不断地产生、发展、衰减与消失。大尺度涡旋破坏后形成较小尺度的涡旋，较小尺度涡旋形成更小的涡旋，其中的微小涡旋导致了颗粒碰撞、絮凝。微小涡旋最容易引起絮凝体的自旋。而直径大小又能最大限度地保护生成的凝聚体不被破坏。在设计高效絮凝反应器时，控制水流在反应器形成与絮体颗粒相近的微小涡旋就是这个道理。这个观点目前在微观状态下还得不到证实，但在结团凝聚过程中的颗粒自旋和翻转方面，可以得到启发。

3絮凝体的旋转

在高效絮凝技术中，均利用了各种手段产生涡旋，提高絮凝效率。在反应阶段，长大后的絮凝体在涡旋中由于惯性力和离心力的作用会以涡旋中心为轴而回转，相当于更大范围内扩大了自身的半径，且’有时还会在涡旋中反复回转，增加了微粒碰撞、接触的机会，使小颗粒凝结成大颗粒，大颗粒聚结成更大的颗粒从而与水分离。

例如在网板反应中，当水流绕过非线性圆柱体时，由于发生边界分流现象，在圆柱体后部两侧便产生涡旋。涡旋长大到一定程度即从主体分离，顺流而下，随后又产生新的旋涡。观测表明：初始的涡旋大小基本上与柱体尺寸处于同一数量级。反应水流中的涡旋尺度可通过调整网格尺度的办法控制，使其与形成的絮凝体颗粒粒径趋近于同一数量级。

同时也可根据絮凝体在反应过程中不断增大的规律来设计不同级的反应条件，提高反应效率。

回转则能提高絮凝效率，宏观现象观测更能说明这个观点：河流中经常看见旋涡中的柴、草等漂浮物，绕着旋涡中心反复回转好多次，偶一瞬间才能“逃”出旋涡而进入下游。高效絮凝技术中，正是利用了小的絮体在不断的回转过程中，吸附碰撞更小的或更大的絮体生成大而重的絮体而与水分离，提高混凝效果。20世纪80年代，风行日本的迷宫反应池，正是利用了絮体自旋和絮体在旋涡中反复回转的原理，提高了混凝效率。

4结语

在给水处理中，给水“混凝”的工艺过程实际上是由“凝聚”和“絮凝”两个过程组成，增加水体中悬浮颗粒的接触碰撞次数、控制水流形成微小涡旋、絮凝体的旋转，均不同程度的增强了“凝聚”和“絮凝”的因素。研究和控制混凝过程，利用胶体颗粒、药剂水解分子、初级微絮体及絮体在水流中的各种运动规律，增加颗粒碰撞接触的机会，可有效提高混凝效果。

佟勇：转自青海大学自然科学

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