天然水體中含有大量細小的粘土顆粒，粒徑很小屬于膠體物質，不能自由沉淀。水中含有的許多細小的懸浮物質，如藻類、細菌、細小的顆粒物等。也難于沉淀。混凝處理是向水中投加混凝劑，使水中的膠體顆粒和細小的懸浮物相互凝聚變大，形成具有沉淀性能良好、尺寸較大的絮狀顆粒(礬花)，使之在后續的沉淀工藝中能夠有效地從水中重力沉淀下來。此法適用于含有膠體顆粒與懸浮物水源的處理、含有膠體顆粒的工業廢水的處理。混凝處理對水中某些溶解狀的無機和有機污染物、色 度、臭等也有一定的去除效果。

投藥是混凝工藝的必要前提。混合和反應是混凝工藝的兩個階段。為了提高凝效果，結合原水水質選用性能良好的藥劑，創造適宜的化學和水力條件，是混凝工藝上的技術關鍵。

一、混凝機理

(一)水中膠體的穩定性

粒度微小的膠體顆粒具有十分巨大的比表面值，因此相交界面自由能也很大。根據這一界面特性理應使膠體顆粒能彼此聚集以形成較大的顆粒，并從溶液中分離出來。但是，實際上的膠體系統卻可長期保持穩定，而不產生微粒的彼此凝聚顆粒具有特殊的結構和電荷特性。

根據膠體化學的理論，膠體顆粒的中心是膠核，膠核是一個由許多個原子或分子構成的微粒。膠核表面擁有一層離子，稱為電位離子。膠核由于電位離子的存在而帶有電荷。電位離子的靜電作用把溶液中帶相反電荷的離子(稱為反離子〉吸引到膠核的周圍，直到吸引離子的電荷總量與電位離子的電荷量相等為止。這樣，在膠核與溶液的界面區域就形成了雙電層，如圖6-3所示。

圖6-3 膠體雙電層結構和電動電位示意圖

內層為膠核固相的電位離子層，外層為液相中的反離子層。電位離子同膠核結合緊密;而反離子則由于通過靜電引力的作用相互聯系，因而結合較松散。膠體微粒在溶液中不斷運動時，除了電位離子隨膠核一起運動外，緊靠膠核的一部分反離子也與膠核一起運動，這部分反離子層稱為吸附層，另一部分反離子并不隨膠核一起運動，而不斷由溶液中的其他反離子所取代，這一部分反離子層稱為擴散層。在吸附層與擴散層界面處的電位稱為電動電位或￡電位。

膠體顆粒的這一電荷特性，使兩個帶有同號電荷的顆粒彼此接近到擴散層交聯時，將產生靜電斥力。斥力的大小隨著顆粒間距的減小而增加。這一斥力的存在，成了同號膠體顆粒不能彼此聚集的主要原因。

造成膠體顆粒穩定的另一個因素是水化作用。由于膠體顆粒帶有電荷，可在顆粒表面形成一定的水化膜，阻礙顆粒間的相互聚集。

膠體系統除了由靜電斥力和水化作用而具有穩定性外，同時還存在著使膠體顆粒能彼此聚集的不穩定作用。這就是顆粒間的范德華引力和顆粒的布朗運動。

范德華引力隨顆粒間距離的減小而增大。膠體系統中的分散微粒不停地進行布朗運動。布朗運動使膠體顆粒具有一定的動能。當微粒的動能足以克服阻礙顆粒接近的能峰時，顆粒就會聚集起來。

天然水體中膠體顆粒究竟是否穩定將取決于其穩定因素和不穩定因素的相互作用程度。在大多數情況下，供水水源的膠體系統都已處于平衡狀態，因而是相對穩定的。為了去除這些物質就需要破壞這些膠體的穩定狀態。

(二)膠體脫穩

為使膠體顆粒能通過碰撞而彼此聚集，就需要消除或降低膠體顆粒的穩定因素，這一過程稱為脫穩，給水處理中，膠體顆粒的脫穩可分為兩種情況：一種是通過凝集劑的作用，使膠體顆粒本身的雙電層結構起了變化，￡電位降低或消失，膠體穩定性破壞;另一種是膠體顆粒的雙電層結構未起多大變化，主要是通過凝聚劑的媒介作用，使顆粒彼此聚集。嚴格地說來，后一種情況不能稱為脫穩，但從水處理的實際效果而言，兩者都達到了使顆粒彼此聚集的能力，因此習慣上都稱之為脫穩。

膠體的脫穩方式因采用聚集劑品種和投加量、膠體顆粒的性質及介質環境等多種因素而變化，一般可分為以下幾種：

1.壓縮雙電層

水處理所去除的膠體主要為帶負電荷的膠體〔粘土和細菌等〉，當向水中投加電解質鹽類時，水中的離子濃度將增加，這就使膠體顆粒能較多的吸引水中反離子，其結果使擴散層的厚度減小，￡電位降低，可以起到壓縮雙電層的作用。擴散層減小或￡電位將使顆粒之間作用的斥力大為減小，這就有可能使顆粒聚集。按照這一機理，高價電解質離子將優于低價電解質離子。這種機理以前曾被認為是水處理混凝的主要原理，但就目前的認識水平來看，在大多數情況下，這種機理并不重要。

2.吸附電中和

膠體表面通過與帶異號電荷的離子、帶異號電荷的膠粒或大分子中帶異號電荷部分的靜電吸附，中和了原來膠粒所帶的電荷。當采用鋁鹽或鐵鹽作為凝聚劑時，隨溶性PH值的不同可以產生各種不同的水解產物。當PH值較低，水解產物帶有正電荷，給水處理中的原水的膠體顆粒多為帶負電荷的，因而帶正電荷的鋁或鐵鹽的水解產物可以對原水膠體顆粒的電荷起中和作用。由于水解產物形成的膠體與原水膠體帶有不同的電荷，因而當它們接近時，總是相互吸引的，這就導致顆粒的相互聚集，如圖6-4 (a)所示。這種凝聚機理在水處理中很重要。鋁鹽、鐵鹽及陽離子型聚合物都可通過這一機理而到達凝聚。

3.沉淀物的卷掃或網捕

鋁鹽、鐵鹽產生的大量、氫氧化鐵沉淀物能夠直接網捕、卷掃水中的膠體顆粒，即水中膠體顆粒直接吸附在已形成的大絮體上，而不是從膠體小顆粒相互聚集長大。如圖6-4 (b)所示。欲去除的膠粒越多，沉淀的速度越快，因而當水中的膠體物質較多時，凝聚劑的投加量反而減少。這一機理在給水處理中很重要。

4.吸附架橋

不僅正負電荷膠體間可以相互吸附架橋，一些不帶電荷設置帶有與膠粒同性電荷的高分子物質，通過氫鍵、范德華力等與膠粒也有吸附作用，當向溶液投加高分子物質時，一個高分子聚合物的分子可以吸附多個膠粒，從而破壞了膠體系統的穩定性，如圖6-2 (c)所示。高分子物質的過量投加或強烈攪拌都可能破壞吸附架橋作用，反而使溶液產生再穩。