第2章 水处理实验技术
2.1 混凝沉淀实验
2.1.1 实验目的
（1）通过实验观察矾花生成过程，加深对混凝理论的理解。
（2）确定混凝剂的最佳用量和最佳pH值。
（3）了解影响混凝效果的因素。
2.1.2 实验原理
在水处理工程中通常将存在天然水中短时间不能自然沉降的黏土类颗粒和憎水性颗粒等微小悬浮物称为胶体粒子，这是使水产生浑浊的主要因素。这种悬浮体系也称为“稳定体系”。
天然水中颗粒的稳定性原因包括：颗粒的布朗运动，抵抗颗粒重力的影响；胶体颗粒表面通常带有负电荷，静电斥力和双电层的作用阻止颗粒间相互聚集；胶体表面的水化作用，形成水化膜，降低范德华力，阻碍胶粒相互靠近，使得悬浊液具有分散稳定性。
向水中投加的混凝剂，对胶体颗粒产生电性中和、吸附架桥和卷扫作用。电性中和作用：投加混凝剂，差生正电荷离子或聚合离子，压缩胶体双电层、降低胶体扩散层厚度、降低ξ电位，使“稳定体系”脱稳。吸附架桥作用：带异性电荷的高分子物质、不带电或者带同性电荷的高分子物质都可能与胶粒产生吸附作用，高分子物质起到了胶粒与胶粒之间相互结合的桥梁作用，形成絮凝体。卷扫作用：当混凝剂水解形成大量氢氧化物沉淀过程中，网捕、卷扫水中胶粒产生沉淀分离。
但是当电解质型混凝剂投加过多时，水中带负电荷的胶粒吸附带正电荷的离子，使可胶粒变成带正电荷，电荷变号，胶体重新稳定；当高分子混凝剂投加过量时，全部胶体吸附面完全被高分子覆盖，高分子之间的相互排斥阻碍胶粒不能聚集，产生胶体保护作用。因此混凝剂投加量，通常由试验决定。
胶体失去稳定性的过程称为“脱稳”或者“凝聚”，脱稳胶体相互聚集称为“絮凝”，混凝是凝聚和絮凝的总称。絮凝体俗称矾花，直径较大且较密实的矾花容易下沉。
自混凝剂与水均匀混合直至形成较大矾花的过程叫混凝。悬浮液脱稳、絮凝需要投加混凝剂。颗粒的布朗运动和水力或机械搅拌形成的流体运动是推动水中颗粒相互碰撞的主要动力，反映单位时间单位体积水耗能值的大小用速度梯度G表示。混凝过程见表2-1。
表2-1 搅拌杯混凝过程
混凝过程是一连续的过程，通常分为混合和反应两个阶段。混合阶段对水流进行剧烈搅拌，使水样和混凝剂快速均匀混合，通常在10～30s内完成，速度梯度G在700～1000s-1，在此阶段只能产生用眼睛难以看见的微絮凝体；反应阶段絮凝体粒径从微米级增长到毫米级，搅拌过程应避免絮凝体破碎，搅拌强度应逐渐减小，即随着矾花的增大，G值应逐渐减小，反应时间在15～30min内完成，速度梯度G平均在20～70s—1，在此阶段微絮凝体形成较密实的大粒径矾花。
混合或反应的速度梯度G值：
式中 P——混合或反应设备中水流所耗功率，W；1W=1J/s=1N·m/s；
V——混合或反应设备中水的体积，m3；
μ——水的动力黏度，Pa·s，1Pa·s=1N·S/m2。
不同温度水的动力黏度μ值见表2-2。
表2-2 不同水温水的动力黏度μ值
2.1.3 设备、仪器与用具
混凝沉淀实验所用到的设备、仪器与用具如下：
（1）无极调速六联搅拌机，如图2-1所示。
（2）1000mL烧杯。
（3）200mL烧杯。
（4）100mL注射器。
（5）100mL洗耳球。
（6）1mL移液管。
（7）5mL移液管。
（8）10mL移液管。
（9）1000mL量筒，量原水体积。
（10）5%浓度硫酸铝（或其他混凝剂溶液）溶液。
（11）酸度计。
（12）浊度仪。
图2-1 六联搅拌机示意图
1—搅拌叶片；2—变速电动机；3—传动装置；4—控制装置
2.1.4 操作步骤和方法
混凝沉淀实验的操作步骤和方法如下：
（1）测原水水温、浊度及pH值，若原水样为实验室配制，水样浊度不超过80NTU。
（2）用1000mL量筒量取6个1000mL的水样至6个1000mL搅拌杯中。
（3）设最小投药量和最大投药量，利用均分法确定实验其他3个水样的混凝剂投加量，其中一个水样不加药，作为参照水样。
（4）将水样置于搅拌机中，开动机器，调整转速，中速运转数分钟，同时将计算好的投药量，用移液管分别移取依次至对应的加药试管中。加药试管中药液少时，可适当掺入蒸馏水，以减小药液残留在试管上产生的误差。
（5）将搅拌机快速运转（例如300～500r/min，但不要超过搅拌机的最高允许转速），待转速稳定后，将药液加入水样杯中，同时开始计时，快速搅拌30s。
（6）快速搅拌30s后，迅速将转速调到中速运转（例如100～200r/min）。然后用少量（数毫升）蒸馏水洗加药试管，并将这些水加到水样烧杯中。搅拌5min后，迅速将转速调至慢速（例如80～100r/min），搅拌10min。
（7）搅拌过程中，注意观察并记录矾花形成的过程、矾花多少、先后顺序、矾花外观、大小、密实程度等，并记入表2-3中。
表2-3 混凝沉淀观察记录
（8）反应搅拌结束后，轻轻提起搅拌叶片尽量减少扰动矾花，使水样静置沉淀15min，并注意观察矾花沉淀情况。
（9）待沉淀时间到达后，同时用注射器吸出各烧杯中上部澄清水样（自液面下1.5cm处取样），取样时应避免搅动已经沉淀的矾花。
（10）测定各水样的浊度、pH值，并计算其除浊百分比率Y。
式中 Ma——水样原始浊度，NTU；
Mb——混凝沉淀后水样浊度，NTU。
见表2-4为原始数据记录表。
表2-4 原始数据记录表
2.1.5 实验结果整理
混凝沉淀实验的实验结果整理步骤如下。
绘制加药量～混凝后水的浊度，加药量～除浊百分率的关系曲线。从曲线上可求得不大于某一剩余浊度的最佳投药量值。
2.1.6 思考题
（1）根据实验结果以及实验中所观察到的现象，分析影响混凝的几个主要因素对混凝效果的影响。
（2）为什么随着投药量的加大，混凝效果不一定好?
（3）分析搅拌杯实验与澄清池的实际运行的异同点。