野战饮用水凝结沉淀

在浑水中加入某些药剂，使其中的微小浑浊物凝结成较大颗粒而迅速下沉，这种澄清浑水的措施叫做凝结沉淀。用来凝结沉淀浑水的药剂叫做凝结剂。部队使用的凝结剂有如下要求：无毒无味、无腐蚀性、携带方便、性能稳定、耐储存、用量少、效果高、速度快以及操作简便等。天然的浑浊水中含有大量的微生物和各种有机杂质，所以，水的浑浊是水质遭受污染的一种最直观的指标。部队在行军和作战中，尤其是在雨季，经常遇到浑浊水。采取有效的措施使浑水快速澄清，对保障部队饮水卫生具有重要意义。
天然水中的浑浊物，大都是经雨水冲刷和地面水流动而带入的泥沙、腐殖质、微生物和其它各种不溶解的杂质等。还有各种生活污水和工业污水排入地面水中，也给天然水带来浑浊。浑浊水中属于超胶体部分的粘土和微生物等是很难自行沉淀下来的。按stoke公式计算，水中5μm大小的粘土粒，在水温20℃下自行下沉10cm需要1h以上；<1μm的微小颗粒，则需要30h以上。水中的浑浊物大多都带有负电荷，有相互排斥的作用，还有布朗运动的存在，所以更不容易下沉，需要借助于凝结剂方能快速澄清。
凝结沉淀的作用原理 有关凝结沉淀的作用原理，目前，还没有一个统一的见解。一般都用双电层膜型或化学架桥模型来解释。尽管说法不同，但公认在凝结中发生以下反应：
❶脱稳。凝结剂加入水中，首先离解的金属阳离子可中和浑浊物表面上的负电荷，因而使溶胶微粒之间的排斥力降低，然后在布朗运动撞力和范德华引力作用下，可使它们发生聚集，颗粒逐渐增大，这些浑浊微粒的脱稳，为进一步凝结创造了有利条件。
❷架桥。水中加入的铝盐或铁盐，经过水解作用形成的凝胶状氢氧化合物，或者是作为助凝剂加入的有机高分子化合物，它们可在水中脱稳胶体杂质微粒之间起粘合架桥作用，从而使这些已开始聚集的胶体微粒进一步发生架桥凝结，使聚集体更加增大。
❸吸附和网罗。带粘性的氢氧化物或有机高分子化合物，借助于搅拌而增加与周围微小凝结物的接触吸附机会，并当较大的凝集颗粒纷纷下沉之际，还可将水中悬浮的小凝结物网罗除掉。
常用的凝结剂种类 除了一般常用的凝结剂如明矾、硫酸铝、硫酸亚铁和硫酸铁以外，在部队中使用的高效凝结剂有如下几种：
碱式氯化铝：又称聚合氯化铝，它是当前使用最多的一种无机高分子凝结剂。由于碱式氯化铝中含铝量高(约占总重量的30%)，加上盐基度也高(约有65～80%的铝已被水解)，所以，有效凝结作用范围中的用量少，反应速度快，并可适用于多种不同水质的凝结沉淀。有的在制做过程中加入少量的硫酸盐或磷酸盐，则可获得含硫酸根或磷酸根的碱式氯化铝。这种碱式氯化铝对低碱度浑水的凝结沉淀效果较好，适合中国南方低碱度浑水使用。碱式氯化铝大都是用铝渣、铝灰、铝土矿或煤矸石，在稀盐酸中煮制成的。也有就地取材，用稀盐酸来煮当地的土壤而获得。碱式氯化铝可干燥成固体，在野战条件下的一般用量是30～60mg/L。它与浑浊物形成的絮凝体比明矾大，沉淀快，但比较疏松，沉淀物占的体积较大。
聚丙烯酰胺：是一种人工合成的聚合电解质，呈中性。在碱性溶液中可部分水解呈阴离子型聚合电解质。聚丙烯酰胺分子量高(可高达1千万，一般用200万～600万)。吸附力强，凝结浑浊物的颗粒大，沉淀速度快，使用剂量少，仅0.2～2.0mg/L，制作原料来源丰富，成本低以及生产方法简易，已成为凝结沉淀浑水中的一种最好的助凝剂。由于它不是一种阳离子型的聚合电解质，在凝结过程中不能中和浑浊物上的负电荷，只能做助凝剂使用。助凝剂一般是在凝结剂投加后搅拌0.5～1min再加入。聚丙烯酰胺是一种白色固体物。市售品有粉状和含水90%左右的溶胶液两种。也有出售水解30%左右的阴离子型聚丙烯酰胺。部分水解的聚丙烯酰胺助凝作用更好。使用时一般配制成0.1%的水溶液，浓度太高，不易稀释，加入水中分散不匀，将影响助凝效果。聚丙烯酰胺本身的毒性很低，大白鼠的LD50>4g/kg。但是，单体聚丙烯酰胺的毒性甚强，而且是一种神经性毒物，它对大白鼠的LD50为150～180mg/kg。各国规定，饮用水处理使用的聚丙烯酰胺，其中单体丙烯酰胺含量不得超过0.05%，投加量应<1～2mg/L。
野生植物助凝剂：在野外可就地取材，利用某种野生植物作为助凝剂，借以加速和提高浑水的凝结沉淀效果。野生植物助凝剂的种类繁多，一般常用的有仙人掌、量天尺、榆树皮、木棉树皮、木槿叶、锦葵枝叶、芙蓉叶、贯众根、川桂叶、刨花楠以及各种含有粘质而无毒的植物。分别取其叶、皮或根，洗净捣成浆，配成1%的胶液备用。首先在浑水中加入适量的凝结剂，搅拌约1min，然后加入配制的植物胶液0.1～1.0ml/L。这些植物胶液大都是些带阴电荷的多糖类物质，在储存中很容易腐败变质。使用时以配制新鲜的胶液为最适宜。
快速浑水澄清剂：目前，我军已研制出两种混合型固体澄清剂，储存、携带和使用都比较方便，能满足野战部队快速凝结沉淀浑水的需要。一种是用明矾和聚丙烯酰胺配制的澄清剂，其成分的重量比是40:1，一般用量60mg/L。搅拌5min，静置3min，即可使浑水得到澄清。另一种是用碱式氯化铝和聚丙烯酰胺配制的澄清剂。其成分的重量比是16:1，一般用量30mg/L。搅拌2.5min，静置2.5min，也可使浑水得到澄清。这两种快速浑水澄清剂共同的优点是，当急需用水时，可不必等待静置沉淀，将凝结反应已完成的浑水通过平布或毛巾布过滤，即可获得清水。明矾和聚丙烯酰胺澄清剂的配制简易，野战部队可自行加工制备，但是稳定性较差，储存期不超过两年，以随用随配为宜。碱式氯化铝和聚丙烯酰胺澄清剂的配制较为复杂，成本也较高，它的稳定性能好，在密封条件下储存5年以上不会变质。
评价凝结沉淀浑水的效果 在野外主要是采用三杯法进行试验。所用最主要的指标是余留浊度。其它方法，如凝结物的形成速度、密度、容量和沉淀速度测定，浑浊物的电动电势和胶体电荷测定，凝结前后颗粒大小和数量测定，以及过滤速度测定等，可根据设备条件和要求而选用。
凝结沉淀常见的曲线如图所示：曲线A，表示凝结效果不佳，形成的凝结物小，沉淀速度则很慢，静置2min后余浊却高于原水浊度。曲线B，这是通常见到的有效凝结沉淀曲线。首先5min的沉淀速度在半对数纸上描记成直线下降，这表明澄清效果甚好。曲线C，这反映出凝结后有快速沉淀的大颗粒和慢速沉淀的小颗粒同时存在，所以，开始沉淀快，此后就逐渐慢下来，因此余浊仍较高，水质不清。曲线D，呈现出凝结反应非常迅速，凝结颗粒都较大而紧密，3min内已有97%的浑浊物下沉。这是在使用高分子助凝剂时可能出现的最佳情况。
影响沉淀效果的因素： 浑水的凝结沉淀除了受到水质条件的影响非常显著外。还沉淀时间（分）混凝沉淀常见曲线有，浑浊水的水温、悬浮颗粒的性状和大小、pH值、碱度以及电导或盐类含量等都会影响凝结效果。再者，凝结时的搅拌方法和速度，盛水容器的形状也能影响其效果。为了确定具体水源浑水的凝结沉淀方法，必须进行凝结沉淀的预试验，以便选择到最佳的凝结沉淀条件。

沉淀时间（分）
混凝沉淀常见曲线

在野战条件下，浑水经过凝结沉淀，一般要求余浊不得高于10mg/L，水质清洁不呈现乳浊状。浑水经过凝结沉淀澄清后，不但可去除掉悬浮在水中的有机物，甚至水中含有的细菌和病毒等，也可去除掉90%以上。而且还可去除掉部分溶解在水中的杂质，这对进一步消毒饮水提供了有利的条件，不但可降低消毒药剂的投加量，而且还可缩短消毒时间。