我国石灰水处理的技术进步——系列之二

综述--理论基础
澄清是石灰水处理过程的中心环节，在澄清池中的反应和分离是关键步骤。单纯的悬浮颗粒清除与同时有软化作用,传统认为是凝聚澄清与石灰处理的重要差异，现在把石灰处理作为中水回用深度处理时又赋予了新的含义。
凝聚澄清处理只是对已经存在的颗粒物通过电中和失稳、聚合、重差沉降分离等达到净化目的。水在石灰处理时除可除去进水所携带的颗粒杂质外还有溶解盐的析出物和再分离，它是利用难溶盐类（如CaCO3和其它重金属的氢氧化物）在过饱和状态下析出固体物，逐渐结晶长大然后除掉。
无论凝聚澄清或石灰澄清由微小颗粒到较大颗粒的聚合都需要互相接触碰撞过程，碰撞机率高则聚合可能大。水中颗粒的碰撞遵循如下方程：
Jij=4/3 NiNj(Zij)3du/dz
由式可见，它与颗粒浓度(Ni Nj)和颗粒直径(Zij)有关，而颗粒直径的增加（如聚合、或加助剂等）不足以弥补颗粒直径(Zij)3 的减小，因此帮助颗粒长大，更有助于颗粒间碰撞接触和分离。石灰处理时颗粒的浓度和颗粒的直径长大都远高于单纯凝聚反应下的颗粒。
颗粒在澄清池内的非自由沉降的分离当用斯托克斯计算时：
U=1/18×ρs-ρ/μ×g×d2
1nm颗粒沉降1cm需时19a,100nm沉降1cm需时16h，在实际应用中都是不可能的。因此必需帮助其增重或长大。加辅助药剂是有效措施，剂型和计量选择都需合理，此外在池体结构设计上符合反应特点，此即药物加入的时机、次序和条件,如当形成絮花后就不可强力运动以防打碎，但是在溶解或聚合过程应当加强搅拌帮助其碰撞，解决好这一矛盾才是良好的设计结构。
以上两式说明我们过去习惯于在想改善出水质量时，单一地强调降低清水区流速，对于净化机械杂质SS或许效果较明显，其实这种认识很不全面也不经济。而对于胶体级颗粒物作用很小，因为胶体颗粒受布朗运动和电荷排斥等原因，无自身沉降分离能力，要采取综合技术措施才可以取得较好效果。
石灰处理时石灰与与水中溶解盐的反应过程是离子反应，因此颗粒状石灰必需先溶解成为溶液再解离成离子态才进行反应：
OH-+CO2=CO32-+ H- OH-+HCO3-=CO32-+H2O
Ca(OH)2 本身是难溶物质，它不但溶解量少且溶解速度缓慢，但与酸性物质的结合时反应速度很快，所以很容易表面钝化。因此石灰处理澄清池就有溶解慢、反应快、沉降快和结晶成垢的特点，这与单纯凝聚澄清过程溶解快、反应慢、沉降慢和无结晶成垢的特点区别很大。石灰处理中与对PO33-、S2-、油脂、有机物等去除状况与上述不完全相同。
石灰处理过的水必然是CaCO3的过饱和溶液，在过饱和溶液中CaCO3或其它重金属盐有溶解态（含过饱和溶解态）、胶态和结晶态及其中间态的许多种形态存在，有粘附成垢倾向。为了防止这种结垢倾向造成危害，希望在池内渡过它的活性期，此即得到出水较高的“安定度”。石灰反应过程可以形成大量泥渣，这些泥渣在某个期间具有强烈活性和吸附性，从“表面络合原理”知道他对除去有机颗粒杂质很有意义。
有机物与石灰没有直接化学反应，利用石灰处理除去残留有机物的主要原理是吸附作用。有机颗粒的表面上吸附着配位水，经解离形成-OH官能团，构成羟基化表面，即可与金属原子结合。水中的有机物“可以置换颗粒物界面的水分子”以某种力“结合于固体表面”。“碳酸盐界面可以吸附或解吸H+、OH-、HCO3-、CO2等化合态”，“其表面形成≡CO3H的化合态，将随PH值的变化能够专属吸附金属阳离子”。为此中水石灰深度处理用澄清池与普通软化用澄清池的设计差别要点就在于为形成这种吸附或最佳的吸附条件，在反应过程和合理的设备结构设计能够较好地利用此类吸附作用,借以分离胶体或大胶体有机或无机物。同时应该看到在石灰处理的整个反应过程中CaCO3由完全溶解态到长大到可见颗粒，经历很多个数量级，蕴涵着巨大的表面积，而且其生成和聚合时间很长，只要给予他们良好的环境条件，就可以予以充分利用，尤其是处于活性期的泥渣（活性泥渣）的利用十分重要。
石灰处理澄清池的排渣是一个重要的环节，该渣与单纯除浊澄清池沉渣的性质有很大差异，它的沉降速度快，沉渣具有不同程度的粘结或结垢性，密度也较大，不可与单纯澄清下的污泥等同对待，他的刮泥和浓缩不宜简单套用市政定型设备。澄清池的泥渣聚集与排出要与池外储存、浓缩（或均质）、输送方式、脱水等一体规划设计，而此设计必需在掌握石灰泥渣性质的基础上才会合理实用，否则堵磨漏垢将不可避免。

石灰处理澄清池的技术特性
石灰处理属于理化反应沉淀分离处理，他需要进行混合、溶解、反应、沉降和分离等过程，可设计在一特定的容器内进行，澄清池是满足这些过程的特定容器，意即澄清池的结构、型式、参数等都必需按照石灰处理过程需要制定。
石灰处理澄清池需要提供石灰加入后有足够的溶解时间和抗钝化措施。加入的石灰乳液一般配制浓度3%～5%，低者约～2%，石灰20℃时饱和水浓度为0.165%，配制乳液超过饱和浓度达10～20倍，即在乳液中石灰存在的主体是固体颗粒，使用时都是溶解后才进行反应。我们建议的石灰质量标准中的粒度为0.09mm（相当～170目筛），离完全溶解的分子和离子态相距七八个数量级，试验知道完全溶解时间大约要1～2个小时以上。国内当前很难获得完全符合质量要求的粉石灰，当粒度更大或大小共存，则决定反应时间的是最大颗粒的石灰。石灰乳液加入到澄清池时所接触的是被处理水以及凝聚剂等，水中的CO2、HCO3-、SO42-、Cl-等的反应产物会使颗粒石灰表面迅速钝化，这种种因素会使溶解消耗更长的时间。
在石灰处理中除投加石灰外，还需要加凝聚剂（或称混凝剂）和助凝剂（或称高分子絮凝剂）。凝聚剂的主要作用是压缩双电层（或中和）使颗粒脱稳而达到聚集成为较大颗粒而易于分离，在高PH值条件下一般多使用铁盐，同时达到提高反应产物密度有助于沉降的效果，当选用无机高分子凝聚剂（如聚合铁盐）时在使颗粒失稳后也可起近距离粘结架桥作用。助凝剂（现在多指有机高分子絮凝剂）在水中充分溶解后它延伸在水中的长链将接触到的颗粒物吸附到链上，从而形成较大的絮凝物，更容易与水沉降分离。
碳酸钙的凝聚产物和桥联的絮凝物存在吸附能力，在一定期间是可以很强的，这种颗粒或颗粒聚集体，我们或可称之为活性泥渣。人们在设计澄清设备时很早就了解利用活性泥渣达到水的进一步净化作用，在污水处理和给水处理中都得到重视，因为它在吸附残余有机物和过饱和CaCO3方面都有优良功效。不同澄清池的设计利用的情况或效果不同，有石灰和无石灰处理的作用和效果也不同，这取决于泥渣的性质、数量和池型结构等客观或设计因素。例如原苏联时期就已见到大量关于活性泥渣的研究成果报告和利用活性泥渣为主的澄清池设计，ЦНИИ型和ВТИ型是其典型代表。活性泥渣的利用有多种方法，有的随处理过程自然形成随机作用，有的排出后储存强制回送，有的池内循环利用，有的聚集成型，有的在启动时用，有的连续使用，有的必要时用等等。用好活性泥渣会得到更好水质是公认的事实。石灰处理较非石灰处理创造了更好地生成活性泥渣条件。理想的池体设计是能够最恰当地最充分地利用活性泥渣，在运行中形成质量良好的活性泥渣，而且自然循环和能够新陈代谢。我们从多年经验得知利用活性泥渣在水中大体有动态或静态两种形式，动态随水流运动，又不能给予强烈搅拌，故与水中微粒的相对运动很低，碰撞机率小，静态是如ЦНИИ型和ВТИ型澄清池有一个固定的厚的活性泥渣层，水从中间穿过，其接触机率要大很多，当然效果也会优于动态。需知活性泥渣是一种絮状物，他本身的结构强度很低，极易破碎，一旦破碎其作用将减弱很多，所以用泵回送的办法是不可取的。如下照片是成功形成最佳活性泥渣层形态。