水处理实验设计—污水的混凝处理实验
一、实验目的
为了深入了解絮凝理论在水处理领域的应用和进一步掌握絮凝剂的特性，针对污染水体进行絮凝沉淀处理实验，观察絮凝沉淀过程并探讨絮凝剂在水处理过程中的最佳添加量。 二、实验要求
1、要求认识几种絮凝剂，掌握其配制方法。
2、观察水处理过程中的絮凝现象，从而加深对絮凝理论的理解。 3、认识絮凝理论对污染水处理的重要意义。 三、实验原理
所谓絮凝剂或者混凝剂是指：凡是能使水溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的水处理剂。天然水或工业污水水中除了含有泥砂、颗粒很细的尘土、腐殖质、淀粉、纤维素、细菌、藻类等微生物。这些杂质与水形成溶胶状态的胶体微粒，由于布朗运动和静电排斥力而呈现沉降稳定性和聚合稳定性，通常不能利用重力自然沉降的方法除去，必须加入絮凝剂以破坏溶胶的稳定性，使细小的胶体微粒凝聚再絮凝成较大的颗粒而沉淀。
絮凝机理一般有三种：
（1）电解质对双电层的作用（图1）
水中的悬浮物或固体微粒通常呈胶体状态分布，它们具有巨大的比表面，可吸附液体中的正离子或负离子或极性分子，使固液两相界面上的电荷分布不均匀而产生电位差。加入电解质，使固体颗粒的表面形成的双电层有效厚度减少，使范德华引力占优势而达到彼此吸引，最后达到凝聚。
（2）吸附架桥作用机理(图2)
当加入少量高分子电解质时，由于胶粒对高分子物质有强烈的吸附作用，高分子长链一端吸附在一个胶粒表面上，另一端又被其他胶粒吸附，形成一个
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高分子链状物。高分子长链像各胶粒间的桥梁，将胶粒联结在一起形成絮凝体，最终沉降。
（3）沉淀物卷扫作用机理（图3）
当水中加入较多的铝盐或铁盐等药剂后，在水中形成高聚合度的氢氧化物，可以吸附卷带水中胶粒而沉淀。
图1 固体微粒的双电层结构 图2 高分子聚合物的吸附架桥作用
图3沉淀物卷扫作用机理
本次实验选择铝系絮凝剂（硫酸铝Al2(SO4)3）。铝离子在水溶液中首先形成水合离子，也可以视为水分子作配位体的络合离子，通过水合离子的酸性离解即水解作用生成氢氧化物或羟基络离子。然后通过羟基桥联作用，把单核络合物转化为多核羟基络合物，多核络离子可通过水解使生成物的电荷降低，羟基数增加，生成更高级的多核络合物。水解和羟基桥联作用的交替进行，最终生成聚合度无限大的难溶氢氧化铝沉淀从而达到絮凝作用。Al2(SO4)3絮凝作用化学反应方程入下：
Al2(SO4)3通过水解作用，配位体H2O逐步为OH-置换，生成氢氧化物或羟基络离子。
羟基络离子通过羟基桥联作用，把单核络合物转化为多核羟基络合物。 多核络离子可通过水解使生成物的电荷降低，羟基数增加，生成更高级的多核络合物
水解和羟基桥联作用的交替进行，最终生成聚合度无限大的难溶氢氧化铝沉淀：
四、实验场地、水样水质、仪器设备及药品
实验场地：重庆大学化学化工学院704实验室
水样水质：污水取至嘉陵江污水排放口，水温属于常温水，浊度>10。
仪器设备：1000ml量筒2个； 1000ml烧杯6个；
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100ml烧杯2个； 10ml移液管2个； 2ml移液管1个； 医用针筒1根； 洗耳球1个； 光电浊度仪1台； 六联搅拌器1台。 实验药品：AL2(SO4)3。
五、实验步骤
（1）准备6个已经清洗和用蒸馏水润洗干净的塑料瓶（1000mL）到嘉陵江大石桥水段的污水排放口取样。
（2）采样后，装瓶，迅速运送回实验室进行实验分析。
（3）将采样回的污水均匀混合，用1000 mL量筒分别取6个水样至6个1000 mL烧杯中，总共六组水样，依次贴好标签并在标签上一次记录1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#。
（4）将配比浓度(C)为20 g/L的 AL2(SO4)3分别取出 0.5、1.5、2.5、3.0、3.5、4.0mL并分别投入1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#水样中。
（5）将配置好的水样置于六联搅拌器下（搅拌时间和程序已按说明书预先设定好）进行搅拌。
（6）絮凝实验搅拌器以500r/min的速度搅拌30s，然后用150r/min速度搅拌5min，最后以80r/min的速度搅拌10 min。
（7）搅拌过程中，观察并记录“矾花”形成的过程以及“矾花”的外观、大小、密实程度等。
（8）搅拌过程完成后，停机，静沉15 min，观察并记录“矾花”沉淀的过程。
（9）静止15 min后，用医用针筒取出上清液，并用浊度仪测出剩余浊度，记入表1中。
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（10）比较第一组6个水样的实验结果，根据6个水样所测得的剩余浊度值，以及水样絮凝沉淀时现象观察记录的分析，对最佳投药量所在区间做出判断，缩小实验范围为3.0左右，然后，加药量取2.5、2.7、2.9、3.1、3.3、3.5 mL的浓度C为20 g/L的AL2(SO4)3。重复以上实验步骤。 六、原始数据记录
絮凝剂的投放量与水样的剩余浊度的原始记录见表1，絮凝过程中矾花形成及沉淀过程描述见表2。
表1 实验中各个指标的测定数据记录表
实验 编号
絮凝剂名称 AL2(SO4)3 水样 编号 代号 mL mg/L 原水浊度 10.1(第一次) 10.1(第二次) 1# a 0.5 10 7.54 6.4 1# a 2.3 46 0.59 6.4 2# X1 1.5 30 3.52 6.4 2# X1 2.4 48 0.55 6.4 原水温度 19 3# X2 2.5 50 0.73 6.4 3# X2 2.5 50 0.63 6.4 4# X3 3.0 60 0.61 6.4 4# X3 2.6 52 0.64 6.4 原水PH值
6.4(第一次) 6.4(第二次) 5# X4 3.5 70 0.49 6.4 5# X4 2.7 54 0.71 6.4 6# b 4.0 80 0.8 6.4 63 b 2.8 56 0.82 6.4 第一次 投药量 剩余浊度 沉淀后PH值 水样 第二次 投药量 编号 代号 mL mg/L 剩余浊度 沉淀后PH值 表2 实验过程的观察记录表
实验编号 观察记录 小结 第一次次二 水样矾花形成及沉淀过程描述 编号 1 矾花几乎没有形成 接着5、6水样后出现混浊，矾花小而不密实，数量比3水2 样少些，悬浮在水中，沉降慢。 很快出现混浊，矾花大，密实度良好，数量仅次于4水样，3 沉降速度快，沉到底并堆积在一起。 很快出现混浊，矾花小，密实度最好，且数量最多，沉速最4 快。 接着3、4水样后出现混浊，矾花小，密实度较4水样差，5 数量较2水样少，沉速仅快于1水样 接着3、4水样后出现混浊，矾花小而密实，数量较小，沉6 速较4低，堆积分散。 矾花出现较慢，比较细小，形成比较快，沉淀速度较快。 第1 3
投药量在3.0mL左右量值的絮凝效果较好 各水样的絮凝硕士专业实验报告 水处理实验 2 3 4 5 6 絮凝明显，矾花大而密实，数量较多，沉速快，在底层堆积较集中。 絮凝明显，矾花大，在水面集聚较多，沉速不快，在底层堆积没2水样集中。 絮凝明显，矾花较小，数量多，分布分散，沉速较慢，堆积分散。 絮凝明显，矾花小而密实，堆积分散，沉速较慢。 矾花出现相对较慢，堆积分散，沉速最慢。 效果大致相同，从表面现象比较难明确做出判断 七、数据处理及结果 图4和图5分别是第一次和第二次混凝曲线。
图4 第一次混凝曲线图 图5 第二次混凝曲线图
八、结果分析和讨论
在此次水处理试验中，我们采用了AL2(SO4)3絮凝剂对污水进行了处理，对于我们所取的嘉陵江大师桥段污水排放口的水样来说，其最佳投药量为50 mg/L，最佳适用范围为40 mg/L ~60 mg/L。而絮凝效果受以下因素影响：（1）废水性质的影响（2）共存杂质的种类和浓度（3）絮凝剂的影响。水的胶体杂质浓度、PH值、水温及共存杂质等都会不同程度地影响絮凝效果。投药量最大时，絮凝效果并不一定是好的。因为当铝盐投药量超过一定限度时，会产生“胶体保护”作用，使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定。而且投药量大也容易出现产生大量含水率很高的污泥的问题。
根据此次实验结果以及实验中所观察到的现象，影响絮凝效果的主要因素有： 1、水温影响
原因：（1）絮凝剂的水解速度慢，生成的絮凝体细而松，强度小，不易沉。
（2）低温水的粘度大，颗粒沉降速度降低，而且颗粒之间碰撞机会
减少，影响了絮凝效果。
改善措施：增加絮凝剂的投量，以改善颗粒之间碰撞条件；投加助凝剂（如活化硅酸）或粘土以增加绒体重量和强度，提高沉速。 2、水的PH值和碱度影响
（1）铝盐的水解过程中不断产生H+，从而导致水的PH值。要使PH值保持
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在最佳范围以内，水中应有足够的碱性物质。天然水中均有一定的碱度（通常是HCO3-），它对PH值有缓冲作用。当原水碱度不足或絮凝剂投量甚高时，水的PH值将大幅度下降以至影响絮凝剂继续水解。
（2）采用三价铁盐絮凝剂时，由于Fe3+水解产物溶解度比Al3+水解产物溶解度小，且氢氧化铁并非典型的两性化合物，故铝系混凝剂适用的PH值范围较宽。用硫酸亚铁作絮凝剂时，应首先将二价铁氧化成三价铁方可。
（3）高分子絮凝剂的絮凝效果受水的PH值影响较小因此，要投加碱剂（如石灰）以中和絮凝剂水解过程中产生的氢离子。 3、水中悬浮物浓度的影响
原因：（1）水中悬浮物的浓度很低时，颗粒碰撞速率大大减小，絮凝效果差。
（2）水中悬浮物的浓度很高时，为使悬浮物达到吸附电中和脱稳作
用，所需铝盐或铁盐絮凝剂量将相应大大增加
改善措施：在投加絮凝剂的同时投加高分子助凝剂；投加矿物颗粒（如粘土等）以增加絮凝剂水解产物的凝结中心，提高颗粒碰撞速率并增加絮凝体密度；采用直接过滤法。 4、共存杂质的种类和浓度
共存杂质包括有利于絮凝的物质和不利于絮凝的物质。 5、絮凝剂的影响
即絮凝剂种类的选择和投药量值的确定。 九、思考题和实验注意事项
1、如何根据絮凝曲线图确定药剂的最佳投药量和最佳适用范围？
答：根据絮凝曲线图，剩余浊度越小，污水处理的效果越好。由图4科确定药剂的最佳投药量为50mg/L，最佳适用范围为40 mg/L -60 mg/L。 2、说说絮凝剂AL2(SO4)3的特点、主要优缺点。
答：絮凝剂AL2(SO4)3的特点：当PH<3时，简单水合铝离子[Al(H2O6)]3+可起压缩胶体双电层作用，在PH＝4.5～6.0范围内（视絮凝剂投量不同而异），主
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要是多核羟基配合物对负电荷胶体起电性中和作用，凝聚体比较密实；在PH＝7～7.5范围内，电中性氢氧化铝核物[Al(OH)3]n可起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基配合物的电性中和作用。天然水的PH值一般在6.5~7.8之间，铝盐的絮凝作用主要是吸附架桥和电性中和，两者以何为主，决定于铝盐投加量，当铝盐投加量超过一定限度时，会产生“胶体保护”作用。
絮凝剂AL2(SO4)3的优缺点：精制硫酸铝杂质含量小，价格较贵；粗制硫酸铝杂质含量多，价格较低，但质量不稳定，增加了药液配制和废渣排除方面的操作麻烦。采用固态硫酸铝的优点是运输方便，但制造过程多了浓缩和结晶工序。如果水厂附近就有硫酸铝制造厂，最好采用液态，这样可节省浓缩、结晶的生产费用。硫酸铝使用方便，但水温低时，硫酸铝水解较困难，形成的絮凝体比较松散，效果不及铁盐絮凝剂。
3、在絮凝实验中应注意哪些操作方法，对絮凝效果有什么影响？
答：在絮凝实验中应注意的操作方法及其对絮凝效果的影响如下： 1）在絮凝实验中量取水样时应先搅拌均匀，并且一次量取，以此来减少取样浓度上的误差；
2）移取药液时应尽量做到精确。加药量在药液少时，要掺点蒸馏水摇匀，以免沾在试管上的药液过多，影响投药量的精确度；
3）在自动加药后，要有蒸馏水冲洗加药的试管两次，以确保投药量的精确，而且冲洗的速度要快，因为搅拌时间是有限定的，这一系列的程序也是有一定要求并事先已设定好的，速度快才不会影响实验的顺利进行；
4）移取烧杯中的沉淀水上清液时，要用相同的条件取上清液，不要沉下去的矾花搅拌起来，以确保所测浊度的精确性。 4. 为什么投药量最大时，絮凝效果不一定好？
答：投入的药量应根据胶体浓度及无机金属盐水解产物的分子形态、荷电性质和荷电量等而确定。当高分子絮凝剂投药量最大时，会产生“胶体保护”作用。胶体保护可理解为：当全部胶粒的吸附面均被高分子覆盖以后，两胶粒接近时，就受到高分子的阻碍而不能聚集，这种阻碍来源于高分子之间的相互
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排斥。排斥力可能来源于“胶粒－胶粒”之间高分子受到压缩变形而具有排斥势能，也可能由于高分子之间的电斥力（对带电高分子而言）或水化膜。而且投药量大也容易出现产生大量含水率很高的污泥的问题。这种污泥难于脱水，会给污泥处置带来很大困难。所以投药量最大时，絮凝效果不一定是好的，应该根据具体废水的性质以及共存杂质的种类和浓度，通过实验，选定出适当的絮凝剂种类与投加的剂量。
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