第1章絮凝的基本概念及作用/1

1.1分散體繫與膠體分散體繫1

1.2膠體的擴散與布朗運動2

1.3膠體的沉降速度與Stokes公式5

1.4沉降平衡與高度分布定律7

1.5沉降穩定性與聚結穩定性的破壞8

1.6水環境和水處理中的絮凝9



第2章膠體的表面電化學與穩定性/11

2.1天然水膠體表面電荷的來源11

2.1.1鋁硅酸鹽礦的同晶代換11

2.1.2水合氧化物礦的電離與吸附12

2.1.3表面專屬化學作用14

2.1.4腐殖質的電離與吸附14

2.1.5蛋白質的兩性特征14

2.2電動現像15

2.2.1電泳15

2.2.2電滲16

2.2.3流動電位17

2.2.4沉降電位17

2.3雙電層模型18

2.3.1Helmholtz平板電容器模型18

2.3.2Gouy-Chapman擴散雙電層模型18

2.3.3Stern模型21

2.4動電現像的理論解釋及實驗研究27

2.4.1電滲的理論及實驗27

2.4.2電泳的理論及實驗29

2.4.3流動電位的理論及實驗34

2.4.4沉降電位的理論及實驗34

2.5膠體的穩定性與聚沉35

2.5.1微粒間的van der Waals吸引能35

2.5.2微粒雙電層的排斥作用能36

2.5.3微粒間的總相互作用能38

2.5.4Schulze-Hardy規則39

2.5.5異體凝聚41

2.5.6親液膠體的脫穩41

2.6絮體的分形與成長42

2.6.1絮體的分形結構42

2.6.2絮體分形維數的測定43

2.6.3絮體結構模型的發展44

2.6.4絮體分步成長模型45

2.6.5絮體的成長與破碎47



第3章高分子的穩定作用與絮凝作用/50

3.1高分子吸附層對膠體的穩定作用50

3.1.1高分子吸附層對電相互作用的影響50

3.1.2高分子吸附層對van der Waals作用的影響51

3.1.3高分子吸附層的空間穩定效應52

3.2有機高分子絮凝劑對膠體的絮凝作用56

3.2.1高分子絮凝劑的架橋作用56

3.2.2高分子絮凝劑的電中和作用58

3.3高分子絮凝劑的吸附對絮凝效果的影響60

3.3.1同電荷高分子的吸附對絮凝效果的影響60

3.3.2異電荷高分子的吸附對絮凝效果的影響63

3.3.3陽離子型高分子與水中溶解性物質的反應64



第4章疏水作用力與疏水絮凝/65

4.1疏水絮凝與水處理65

4.2疏水絮凝和疏水作用力的發現65

4.3疏水作用力產生的機理67

4.3.1熱力學機理67

4.3.2空化作用機理68

4.3.3偶極相互作用機理70

4.4疏水作用力的特性及影響因素71

4.4.1疏水作用力的作用範圍71

4.4.2疏水作用力的粒度界限73

4.4.3接觸角對疏水作用力的影響74

4.4.4電解質對疏水作用力的影響75

4.4.5溫度對疏水作用力的影響77

4.5水處理中的疏水絮凝79

4.5.1氣浮法中的疏水絮凝79

4.5.2粗粒化法及隔油池中的疏水絮凝80

4.5.3疏水締合型絮凝劑及其疏水絮凝機理80



第5章絮凝動力學/82

5.1異向絮凝82

5.2同向絮凝85

5.2.1均勻切變場絮凝85

5.2.2非均勻切變場絮凝89

5.2.3微渦旋理論90

5.2.4關於GT值的討論93

5.2.5湍流絮凝的擴散模型95

5.2.6同向絮凝速度與異向絮凝速度的比較95

5.3慢速絮凝動力學97

5.4高分子絮凝動力學99

5.5特殊形式絮凝的動力學101

5.5.1絮體毯絮凝101

5.5.2差速沉降絮凝101

5.5.3絮凝的多級串聯102

5.5.4顆粒多分散性增強絮凝105

5.6各種水體的動力學條件及其絮凝沉澱效果107



第6章絮凝劑及其效能/109

6.1無機鹽類絮凝劑109

6.1.1無機鹽絮凝作用機理109

6.1.2鋁(Ⅲ)鹽的水溶液化學及絮凝的設計操作圖112

6.1.3鐵(Ⅲ)鹽的水溶液化學及絮凝的設計操作圖120

6.1.4儲備溶液的化學組成及其對絮凝效果的影響123

6.1.5鋁(Ⅲ)鹽和鐵(Ⅲ)鹽的性能比較124

6.1.6主要鋁鹽和鐵鹽絮凝劑的生產原理及檢測方法125

6.1.7其他無機鹽絮凝劑129

6.2無機高分子絮凝劑130

6.2.1聚合氯化鋁及其優點130

6.2.2聚合氯化鋁的組成和基本形態132

6.2.3聚合氯化鋁的主要指標及物化性質139

6.2.4聚合氯化鋁的制作方法142

6.2.5聚合氯化鋁的質量標準和檢測方法161

6.2.6聚合硫酸鐵及其性能172

6.2.7聚合硫酸鐵的制作方法173

6.2.8聚合硫酸鐵的質量標準和檢測方法178

6.2.9聚合氯化鐵186

6.2.10聚硅酸及聚硅酸鹽復合絮凝劑188

6.3有機高分子絮凝劑192

6.3.1有機高分子絮凝劑概況192

6.3.2天然有機高分子絮凝劑193

6.3.3人工合成的有機高分子絮凝劑195

6.3.4聚丙烯酰胺類有機高分子絮凝劑196

6.3.5聚丙烯酰胺的質量標準和檢測方法203

6.3.6澱粉-丙烯酰胺接枝共聚物絮凝劑215

6.3.7聚二甲基二烯丙基氯化銨類絮凝劑218

6.3.8聚乙烯亞胺絮凝劑220

6.3.9殼聚糖及其改性絮凝劑221

6.3.10兩性高分子絮凝劑225

6.3.11其他人工合成的有機高分子絮凝劑226

6.3.12有機高分子絮凝劑與無機類絮凝劑的比較227

6.4微生物絮凝劑229

6.4.1微生物絮凝劑的絮凝機理229

6.4.2微生物絮凝劑的種類230

6.4.3微生物絮凝劑產生菌的篩選和微生物絮凝劑產品的提取230

6.4.4微生物絮凝劑的效能和應用舉例231



第7章絮凝的實驗方法/233

7.1稀分散體繫的實驗方法233

7.1.1異向絮凝實驗234

7.1.2同向絮凝實驗234

7.1.3絮凝實驗中的有關測定241

7.1.4絮體形成過程的光學在線監控及FI指數249

7.2濃分散體繫的實驗方法253

7.2.1高濃度分散體繫的沉降實驗254

7.2.2污泥調理及污泥性質的實驗255

7.2.3絮體強度及其實驗260

7.2.4沉降污泥的體積及脫水實驗262



第8章給水處理中的絮凝/266

8.1天然水中的膠體污染物266

8.2濁度的去除267

8.2.1膠體濃度的影響267

8.2.2pH值和堿度的影響269

8.2.3溫度的影響270

8.2.4共存離子的影響271

8.2.5助凝劑的影響271

8.3有機物的去除272

8.3.1作用機理273

8.3.2影響因素274

8.3.3絮凝區域圖278

8.3.4強化混凝281

8.4絮凝的衛生效益284

8.4.1致病微生物的去除284

8.4.2放射性物質的去除286

8.4.3地下水中砷的去除288

8.5直接過濾中的絮凝作用289

8.5.1直接過濾工藝的提出與發展289

8.5.2直接過濾的機理290

8.5.3直接過濾工藝的優缺點及應用291

8.6高濁度水絮凝291

8.6.1高濁度水的沉降特性292

8.6.2高濁度水的絮凝方法293



第9章廢水處理中的絮凝/298

9.1廢水中的污染物298

9.2絮凝法去除廢水中的有機物300

9.3絮凝法去除廢水中的磷302

9.3.1概述302

9.3.2絮凝法去除磷的機理302

9.3.3絮凝法去除磷的工藝304

9.4絮凝法去除重金屬306

9.4.1常見絮凝劑去除重金屬306

9.4.2具有重金屬捕集功能的高分子絮凝劑308



第10章絮凝的傳統工藝與設備/320

10.1藥液的制備320

10.1.1絮凝劑投加量的計算320

10.1.2藥液的濃度和溶液池的有效容積320

10.1.3攪拌裝置321

10.2藥劑的投加322

10.2.1計量泵投加322

10.2.2泵前投加323

10.2.3高位溶液池重力投加323

10.2.4水射器投加323

10.3絮凝劑投加量的控制324

10.3.1流動電流絮凝控制技術324

10.3.2濁度漲落法326

10.3.3現場模擬試驗法327

10.3.4數學模型法327

10.4混合器的主要形式和參數328

10.4.1常見混合方式329

10.4.2射流混合332

10.5反應器的主要形式和參數336

10.5.1渦流式反應池336

10.5.2隔板反應池和折板反應器336

10.5.3旋流式反應池339

10.5.4機械攪拌反應池339

10.5.5柵條、網格式反應池340

10.5.6穿孔旋流反應池342

10.6澄清器(池)概述343

10.6.1循環泥渣型澄清池343

10.6.2懸浮泥渣型澄清池345

10.6.3其他類型的澄清池348

10.7電絮凝的原理與方法350

10.7.1電絮凝的原理350

10.7.2電絮凝水淨化裝置351

10.7.3電絮凝法在廢水處理中的應用353

10.7.4電絮凝法與藥劑絮凝法的比較354

10.8總體設計354



第11章污泥調理與脫水/357

11.1污泥調理的作用和意義357

11.2污泥的特性359

11.3利用無機絮凝劑調理污泥359

11.4利用有機高分子絮凝劑調理污泥361

11.4.1污泥固體及膠體物質含量的影響361

11.4.2污泥含鹽量的影響363

11.4.3聚合物性質的影響364

11.4.4聚合物投加及混合方式的影響367

11.5無機鹽絮凝劑與有機高分子絮凝劑聯合調理污泥367



結論與展望/369



參考文獻/371

液體中微小顆粒相互聚結形成足夠大絮體，從而獲得經沉澱和過濾能從介質中分離出來的性質，這是許多工業技術及水和廢水處理中常操作，被稱為凝聚、絮凝或混凝，本書將這種微小顆粒的聚結統一稱為絮凝。絮凝現像普遍存在於自然界中，它對物質在環境中的傳輸、分布與遷移轉化有重要的影響。學習和研究絮凝的原理及其在水處理和環境科學中的應用具有十分重要的科學意義和實際價值。

在水處理中，能夠受到絮凝作用的顆粒物的尺度範圍，可從納米級的膠體顆粒，到微米級的顆粒，再到毫米級的可見顆粒物，其跨度達六個數量級。要使這些顆粒物發生絮凝，一方面需要向水中加入化學品以削弱顆粒間的靜電排斥力，降低懸濁液的穩定性，或加入化學品（聚合物）將顆粒物連接起來從而使顆粒變大；另一方面還需輸入能量以造成流體力學踫撞，或加入化學品生成顆粒物以增大踫撞頻率，結果使膠體化學和流體力學均涉及其中，而工程師則必須借助於它們的作用以獲得工藝和設備設計所需要的基礎信息。

伴隨著人類社會的進步和經濟的發展，天然水環境和人類用水在水質水量上正面臨著巨大的危機和嚴峻的挑戰。近年來，由於我國可持續發展戰略和環境保護政策的實施，以及國民經濟各部門科學技術人員和廣大人民群眾的不斷努力，絮凝法無論在給水處理中還是在廢水處理中均得到了更加廣泛的應用，其功能從傳統的前處理環節擴展到了二級處理和三級處操作，因而受到了廣大給水排水、環境工程、化學化工、石油、冶金、電力等許多領域的工程技術人員和科學研究人員的普遍關注，從而也獲得了更為迅速的發展。在此形勢下，適時且不斷地總結絮凝科學的現狀和近百年來的研究成果，使之更好地服務於水處理實踐，是筆者編寫本書的目的之一。

水處理絮凝科學經歷了長久的發展歷史，不斷從有關基礎學科吸收新的觀念和方法，加深認識和改進技術，已形成了一門繫統的知識體繫，但深入、完整、繫統地介紹該領域知識的書籍尚不多見。許多知識常散見於各種書刊和資料中，或作為水處理技術專著或膠體科學專著中的章節，往往闡述的深度、廣度、角度和側重點各不相同，因此，多方面綜合絮凝科學的知識和成果，使之發展為一門獨立的專業學科是筆者編寫本書的目的之二。

以往的著作的作者往往是從各自的專業角度去介紹水處理絮凝方面的知識。化學家常側重於膠體化學的理論及絮凝劑品種的合成方法，流體力學家常側重於流體力學條件對絮凝反應速度的影響，工程師則側重於水處理工藝及設備的開發。化學家和流體力學家可能由於不太熟悉水處理工程而無法使自己的理論更加符合實際，工程師則可能由於對膠體科學和流體力學的理解不夠，而不能準確把握絮凝的作用、適用範圍及應用方法，各自都有片面性。鋻於此，為二者提供一個結合點是筆者編寫本書的目的之三。

筆者在多方面綜合的基礎上發現，雖然絮凝的科學技術已經歷了悠久的發展歷程，形成了一個較為完整繫統的專門學科，但迄今為止在相當長的一段時間內，原創性進步尚不足。從20世紀60年代起，在絮凝的化學領域，聚合氯化鋁類絮凝劑和聚丙烯酰胺類絮凝劑在市場上一直占主導地位，迄今尚未出現實質性的突破和進步；在絮凝的流體力學方面雖然發現了網格絮凝的高效性，但對其作用機理的理解尚不夠清楚，迄今尚未發展形成更加有效的絮凝設備。所以筆者懇切地希望有志於絮凝科學的研究者們力戒浮躁，踏實攻關，爭取在絮凝的科學與技術方面取得新的進步與創新。

四十多年前，湯鴻霄院士將筆者引入了絮凝的科學領域，並給予了許多悉心的指導和教誨。自此筆者便潛心致力於水處理絮凝科學的學習和研究，多年的積累為本書的完成奠定了基礎。蘭州交通大學環境與市政工程學院的同仁們，在四十多年的教學和科研中給予了筆者無私的幫助，謹此對湯院士及同仁們一並表示誠摯的謝意。本書的出版得到了國家自然科學基金項目（No21277065）的資助，筆者在此致以衷心的感謝。

筆者在理論及工程實際方面的知識和水平有限，書中所涉及的材料隻是筆者見聞所及，不能周全，難免會有一些疏漏和不當之處，希望讀者提出批評指正。



常青

2020年10月