水處理中產生絮凝的原因是什麼？深入探討影響絮凝的關鍵因素

水處理中產生絮凝的原因

水處理中產生絮凝的主要原因是水中存在懸浮顆粒、膠體顆粒或溶解性物質，這些顆粒或物質在特定條件下通過化學藥劑（如混凝劑）的作用，發生碰撞、聚集，形成較大的、可沉降的絮狀沉澱物。

絮凝是水處理中常用的固液分離技術，其核心在於破壞水中微小顆粒的穩定性，使其相互聚集。這一過程的發生，受到多種因素的影響，理解這些因素對於優化水處理工藝至關重要。

一、水中顆粒的性質及其穩定性

水中絮凝的根源在於存在需要被去除的懸浮物和膠體。這些顆粒的性質直接影響了絮凝的難易程度。

• 懸浮顆粒

  這些顆粒通常較大，粒徑在1微米到1毫米之間。它們可能來自泥沙、有機物、微生物等。雖然它們本身具有一定的沉降性，但如果顆粒表面帶有同種電荷，則會相互排斥，難以自然沉降，需要通過絮凝來促使其聚集。懸浮顆粒的表面積相對較小，與混凝劑的反應效率可能較低。

• 膠體顆粒

  膠體顆粒的粒徑通常在0.001微米到1微米之間。它們非常細小，且在水中穩定存在，不易沉澱。膠體顆粒的穩定性主要來源於以下幾個方面：

  • 表面電荷：大多數膠體顆粒在水中帶有同種電荷（通常是負電荷），使得它們之間產生強烈的靜電斥力，阻止其相互聚集。
  • 水化膜：膠體顆粒表面吸附一層水分子，形成水化膜，這層膜的存在增加了顆粒之間的空間阻礙，也起到穩定作用。
  • 布朗運動：微小的膠體顆粒在水中不停地做無規則運動（布朗運動），這種運動使其難以聚集沉降。

  正是由於這些因素，單純的沉澱或過濾難以有效去除膠體顆粒，因此需要通過絮凝來改變其狀態。

• 溶解性物質

  雖然溶解性物質本身無法直接絮凝，但某些溶解性物質（如有機物）可能會吸附在懸浮或膠體顆粒表面，影響其表面性質，進而影響絮凝效果。此外，溶解性物質在特定化學條件下也可能轉化為微細懸浮物，參與絮凝過程。

二、混凝劑的作用機制

混凝劑是觸發絮凝過程的關鍵化學物質。它們通過兩種主要機制來破壞水中顆粒的穩定性，促使其聚集：

• 沉澱電荷中和

  這是最主要的機制之一，尤其適用於去除帶電的膠體顆粒。常用的無機混凝劑，如硫酸鋁（明礬）、氯化鐵、聚合氯化鋁（PAC）等，在水中水解後會產生帶正電荷的多元離子或氫氧化物。這些帶正電荷的離子能夠迅速吸附到帶負電荷的膠體顆粒表面，中和膠體顆粒的表面電荷。一旦表面斥力減弱甚至消失，顆粒之間就更容易通過范德華力等作用力相互靠近和連接。

  混凝劑的投加量是關鍵：

  • 投加量不足：無法有效中和所有顆粒的電荷，絮凝效果差。
  • 投加量過量：過量的正電荷會重新包裹顆粒，使其再次帶正電荷，產生新的穩定層，阻礙絮凝。

• 吸附架橋

  當水中顆粒濃度較高，或者使用了某些具有長鏈結構的有機高分子混凝劑（如聚丙烯酰胺 PAM）時，吸附架橋作用就顯得尤為重要。長鏈的混凝劑分子可以同時吸附到兩個或多個顆粒表面。這些混凝劑分子就像“橋樑”一樣，將原本分散的顆粒連接起來，形成更大、更穩定的絮凝體。這種機制對於較大的懸浮顆粒和已經部分沉澱的膠體顆粒效果顯著。

三、水質的影響因素

除了水中顆粒的性質和混凝劑的選擇，原水的水質狀況也是影響絮凝效果的重要因素。

• pH值

  pH值直接影響混凝劑在水中的水解產物種類、形態以及其淨電荷。不同的混凝劑在特定的pH範圍內有最佳的水解和絮凝效果。例如，硫酸鋁在pH 6.0-7.5之間絮凝效果最佳，而氯化鐵則在pH 4.0-6.0之間較佳。pH值的改變也會影響水中膠體顆粒的表面電荷，從而影響其穩定性。

  pH調節：通常需要根據混凝劑的特性和原水pH值，通過添加酸（如硫酸）或鹼（如氫氧化鈉）來調節pH至最佳範圍。

• 溫度

  水溫影響水中顆粒的布朗運動強度、混凝劑的水解速率以及水中溶解度。一般而言，較高的水溫有利於混凝劑的水解和反應速率，但也可能加速顆粒的布朗運動，增加其碰撞機會。但極端溫度可能對特定混凝劑的效率產生負面影響。

• 鹼度

  水中鹼度（通常由碳酸鹽和碳酸氫鹽提供）是混凝劑水解的緩衝劑，對於無機混凝劑的有效水解至關重要。如果水中鹼度不足，混凝劑的水解反應會不完全，產生的陽離子不足，影響絮凝效果。在鹼度較低的水體中，可能需要額外添加鹼劑。

• 濁度

  原水的濁度直接反映了水中懸浮物和膠體顆粒的含量。較高的濁度意味著需要更多的混凝劑來處理，同時也可能需要更長的反應時間來形成足夠大的絮凝體。極低的濁度有時反而會使絮凝變得困難，因為缺乏足夠的顆粒作為“種子”來形成絮凝體。

• 水中其他溶解性物質

  例如，水中存在的有機質、腐殖酸等會影響混凝劑的消耗，消耗一部分混凝劑，導致用於中和膠體電荷的有效混凝劑量減少。同時，某些有機物也可能吸附在形成的絮凝體表面，影響其沉降性能。

四、操作條件的影響

除了水質本身，水處理設施的操作參數對絮凝效果也有直接影響。

• 混凝劑的投加方式和位置

  混凝劑應均勻、快速地投加到水中，以確保其與水中顆粒充分接觸。投加位置的選擇也很重要，通常選擇在水流較為湍急的區域，以利於混凝劑的快速分散和混合。

• 混合強度與時間

  混合是混凝過程中的關鍵環節。需要足夠強的混合來快速分散混凝劑，並促進顆粒之間的碰撞。但混合強度過大或時間過長，可能會破壞已經形成的微小絮凝體，影響最終的絮凝效果。一般分為快速混合（確保混凝劑分散）和慢速混合（促進絮凝體生長）。

• 絮凝時間

  絮凝時間是指從混凝劑投加到停止混合，讓水中顆粒充分聚集形成絮凝體所需的時間。這個時間長短取決於水中顆粒的性質、混凝劑的種類及投加量、水溫等因素。時間過短，顆粒來不及充分聚集；時間過長，可能導致絮凝體過大，影響沉降。

總而言之，水處理中產生絮凝是一個複雜的物理化學過程。理解並控制水中顆粒的性質、選擇合適的混凝劑、優化水質條件以及精準的操作參數，是實現高效絮凝、有效去除水中污染物的關鍵。