2.3　混凝沉淀

滲濾液成分復雜，處理滲濾液是一個相對復雜的過程，在滲濾液預處理階段，有部分工程采用混凝沉淀的工藝，先對滲濾液進行混凝處理，以去除滲濾液中的一部分懸浮物和COD等，減少后續(xù)處理系統(tǒng)壓力。通過投加混凝劑使水中難以自然沉淀的膠體物質(zhì)以及細小的懸浮物聚集成較大的顆粒，使之能與水發(fā)生分離的過程稱為混凝。混凝是水處理的重要方法，能去除水中的濁度和色度，還能對水中無機和有機污染物有一定的去除效果。

2.3.1　混凝原理

化學混凝所處理的對象，主要是水中的微小懸浮固體和膠體雜質(zhì)。大顆粒的懸浮固體由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法去除。但是，微小粒徑的懸浮物固體和膠體，能在水中長期保持分散狀態(tài)，即使靜止數(shù)小時以上，也不會自然沉降。這是由于膠體微粒及細微懸浮顆粒具有“穩(wěn)定性”。

（1）膠體的穩(wěn)定性

天然水中的黏土類膠體微粒以及污水中的膠體蛋白質(zhì)和淀粉微粒等都帶有負電荷，中心稱為膠核。其表面選擇性地吸附了一層帶有電荷的離子，這些離子可以是膠核的組成物直接電離而產(chǎn)生，也可以是從水中選擇吸附離子而造成的。這層離子稱為膠體微粒的電位離子，它決定了膠粒電荷的大小和電性。

由于電位離子的靜電引力，在其周圍又吸附了大量的電荷相反的離子，形成了所謂“雙電層”。這些離子中緊靠電位離子的部分被牢固的吸引著，當膠核運動時緊靠電位離子的部分也隨著一起運動，形成固定的離子層。離子離電位離子越遠，受到的引力越弱，并有向水中擴散的趨勢，形成了擴散層。固定的離子層和擴散層之間的交界面稱為滑動面。滑動面以內(nèi)的部分稱為膠粒，膠粒與擴散層之間存在電位差。此電位稱為膠體的電動電位，常稱為ζ電位。而膠核表面的電位離子與溶液之間的電位差稱為總電位或?電位。其原理示意圖如圖2.18所示。

膠體在水中的運動受幾方面的影響：由于膠粒帶電，帶相同電荷的膠粒產(chǎn)生靜電排斥，而且ζ電位愈高，膠粒之間的靜電斥力越大；膠粒受水分子熱運動的撞擊，使微粒在水中做不規(guī)則的運動，即“布朗運動”；膠粒之間還存在著相互引力——范德華引力，范德華引力的大小與膠粒間距的2次方成反比，當間距較大時，此引力忽略不計。

一般水中的膠粒，ζ電位較高。其相互間斥力不僅與ζ電位有關，還與膠粒的間距有關，距離愈近，斥力愈大。而布朗運動的動能不足以將兩膠粒推近到使范德華引力發(fā)揮作用的距離。因此，膠體微粒不能相互聚結(jié)，而是長期保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。

另一個使膠粒不能相互聚結(jié)的原因是水化作用。由于膠粒帶電，其將有極性的水分子吸引到它的周圍形成一層水化膜。水化膜同樣能阻止膠粒間相互接觸。但是，水化膜是伴隨膠粒帶電而產(chǎn)生的，如果膠粒的ζ電位消除或減弱，水化膜也就隨之消失或減弱。

（2）混凝機理

混凝的機理依據(jù)采用的混凝劑種類和投加量、膠體顆粒的性質(zhì)、含量以及溶液的pH值等因素的不同而不同，一般可分為：壓縮雙電層理論、吸附電中和理論、吸附架橋理論、沉淀物的卷掃（網(wǎng)捕）理論。這四種混凝機理在水處理過程中往往是同時存在的，在不同的藥劑、投加量和水質(zhì)條件下因發(fā)揮作用的程度不同，而以某一種作用機理為主。

①壓縮雙電層理論。水中膠體顆粒之所以能維持穩(wěn)定的分散懸浮狀態(tài)，主要是由于膠粒的ζ電位（膠粒與溶液主體間由于膠粒剩余電荷的存在所產(chǎn)生的電位）。當混凝劑投加到水中時，大量的正離子會進入膠體的擴散層，甚至吸附層，中和了帶負電荷的黏土膠粒，導致擴散層減薄，此時ζ電位降低或消除，膠體顆粒受到電位影響而脫穩(wěn)，并相互碰撞發(fā)生聚結(jié)。當擴散層完全消失時，ζ電位為零，膠粒間的靜電斥力消失，發(fā)生聚結(jié)。膠體凝聚的一個重要理論便是壓縮雙電層原理，但當投加過量的混凝劑時，水中的膠體顆粒重新穩(wěn)定，導致混凝效果下降；或者在實際工藝中，混凝效果最佳時的ζ電位常大于零，不是理論上的等電狀態(tài)，而這些現(xiàn)象均無法用壓縮雙電層解釋。

②吸附電中和理論。吸附電中和理論是指選用鐵鹽或鋁鹽作為混凝劑處理廢水時，高價金屬離子以水解聚合離子狀態(tài)存在，隨著水樣pH值的變化而產(chǎn)生不同的水解產(chǎn)物，水解產(chǎn)物由于氫鍵、范德華力或共價鍵的作用，對膠體顆粒具有吸附能力，從而將膠體顆粒從廢水中去除。這種吸附不受電性的影響，只要有空位便會產(chǎn)生吸附作用。

③吸附架橋理論。主要是指膠體顆粒與高分子物質(zhì)的吸附橋連作用。由于高分子混凝劑具有線性結(jié)構(gòu)，含有的某些化學基團能與膠體顆粒表面相互吸附，形成大顆粒的絮凝體。例如，三價鋁鹽、鐵鹽或其他高分子混凝劑經(jīng)水解和縮聚反應，形成的高分子聚合物可被膠體微粒吸附。由于其線性長度較大，當一端吸附膠粒后，另一端也吸附膠粒，于是在兩膠體顆粒間進行吸附架橋，使顆粒逐漸結(jié)大，形成粗大的絮凝體。

④網(wǎng)捕作用。三價鋁鹽或鐵鹽等在水解時生成的沉淀物在沉降過程中，能集卷、網(wǎng)捕水中的膠體微粒，使其黏結(jié)并脫穩(wěn)，從而沉降去除。

（3）混凝劑

在滲濾液處理中所用的混凝劑可分為兩大類，一類是無機混凝劑，另一類是有機絮凝劑。無機混凝劑包括鐵和鋁兩類金屬鹽以及聚合氯化鋁等無機高分子混凝劑。有機絮凝劑主要是聚丙烯酰胺等有機高分子物質(zhì)。目前較普遍的混凝劑如表2.3所示。

（4）助凝劑

當單用混凝劑不能取得良好效果時，可投加某些輔助藥劑以提高混凝效果，這種輔助藥劑稱為助凝劑。助凝劑可用以調(diào)節(jié)或改善混凝的條件，例如當原水的堿度不足時可投加石灰或重碳酸鈉等；當采用硫酸亞鐵作混凝劑時可加氯氣將亞鐵離子Fe2+氧化成三價鐵離子Fe3+等。助凝劑也可用以改善絮凝體的結(jié)構(gòu)，利用高分子助凝劑的強烈吸附架橋作用，使細小松散的絮凝體變得粗大而緊密，常用的有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨膠、海藻酸鈉、紅花樹等。

2.3.2　影響混凝的主要因素

由于混凝劑的性能各不相同，同一影響因素對不同混凝劑的影響程度也存在差異。因此需要在不同滲濾液處理系統(tǒng)里對混凝條件進行優(yōu)選。

（1）水溫

當水溫較低時，混凝劑的水解速率很慢，同時水的黏度大，致使水分子的布朗運動減弱，不利于水中污染物膠粒的脫穩(wěn)和聚集，因而不易形成絮凝體。在一定的低水溫范圍內(nèi)，即使增加混凝劑的投加量，也難以取得良好的混凝效果。當水溫提高時，有利于絮凝反應的進行，但在處理實際廢水時，若要提高水溫，從技術和經(jīng)濟等方面考慮，都是較為困難。因此，廢水處理的水溫通常控制在20～30℃之間。

（2）水質(zhì)

垃圾滲濾液中污染物隨著地區(qū)不同而千變?nèi)f化。污染物在化學組成、帶電性能、親水性能、吸附性能等方面都可能不同，因此，某一種混凝劑對不同廢水的混凝效果可能相差很大。另外，有機物對于水中的憎水膠體具有保護作用，因此，對于高濃度有機廢水采用混凝沉淀方法處理效果往往不好。

（3）pH值

pH值也是影響混凝的一個主要因素。在不同的pH值條件下，鋁鹽和鐵鹽的水解產(chǎn)物形態(tài)不一樣，產(chǎn)生的混凝效果也會不同。由于混凝劑水解反應過程中不斷產(chǎn)生H+，因此要保持水解反應充分進行，水中必須有堿去中和H+，如果堿度不足，水的pH值將下降，水解反應不充分，對混凝過程不利。

（4）水力學條件及混凝反應的時間

混凝過程中水力條件和混凝反應的時間對絮凝體的形成影響極大。整個混凝過程可分為兩個階段：混合和反應。

把一定的混凝劑投加到污水中后，首先要使混凝劑迅速、均勻地擴散到水中。混凝劑充分溶解后，所產(chǎn)生的膠體與水中原有的膠體及懸浮物接觸后，會形成許許多多微小的礬花，這個過程又稱為混合。混合過程要求水流產(chǎn)生激烈的湍流，在較快的時間內(nèi)使藥劑與水充分混合，混合時間一般要求幾十秒至兩分鐘。混合作用一般靠水力或者機械方法來完成。

在完成混合后，水中膠體等微小顆粒已經(jīng)產(chǎn)生初步凝聚現(xiàn)象，生成了細小的礬花，其尺寸可達5μm以上，但還不能達到靠重力可以下沉的尺寸（通常需要0.6～1.0mm以上）。因此還要靠反應階段使礬花逐漸長大。在反應階段，要求水流有適當?shù)奈闪鞒潭龋瑸榧毿〉牡\花提供互相碰撞和互相吸附的機會，并且隨著礬花的長大這種紊流應該逐漸減弱下來。反應時間一般控制在10～30min。

另外，絮凝劑的投加量、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、混凝劑的選擇等也對混凝效果有很大的影響。

2.3.3　混凝常用設備

（1）溶解攪拌裝置

攪拌可采用水力、機械或壓縮空氣等，見表2.4，具體由用量大小及藥劑性質(zhì)決定，一般用藥量大時用機械攪拌和壓縮空氣攪拌，用藥量小時用水力攪拌。

（2）混凝劑投加方法

根據(jù)溶液池液面高低，有重力投加和壓力投加兩種方式，見表2.5。

（3）混合設備

幾種混合設備的比較見表2.6。

（4）反應設備

各種常見的反應設備見表2.7。

2.3.4　混凝優(yōu)缺點

優(yōu)點：混凝沉淀法處理效率高，處理方法成熟穩(wěn)定，處理方法操作相對簡單，能量消耗低。

缺點：投入過多的藥劑時，藥劑本身也會對水體造成污染（增大COD含量等）；水質(zhì)千變?nèi)f化，最佳的投藥量各不相同，必須通過實驗確定；占地面積比較大；污泥需經(jīng)濃縮后脫水。

2.3.5　沉淀

2.3.5.1　沉淀原理

沉淀是利用重力沉降原理將比水重的懸浮顆粒從水中去除的工藝過程，處理設施是沉淀池。沉淀池利用水流中懸浮雜質(zhì)顆粒向下的沉淀速度大于水流向下流動速度或向下沉淀時間小于水流流出沉淀池的時間，從而實現(xiàn)懸浮物與水流的分離，達到凈化水質(zhì)的目的。沉淀的主要作用是去除主廠房垃圾倉帶入的泥沙以及細小、堅硬的顆粒物，防止對后續(xù)工藝及設備運行造成影響。

根據(jù)水中懸浮顆粒的性質(zhì)、凝聚性能及濃度，沉淀通常可以分為四種不同的類型。

（1）自由沉淀

自由沉淀是最為常見的一種沉淀方式，當水中懸浮固體濃度不高時發(fā)生的主要沉淀類型。在沉淀過程中懸浮顆粒之間互不干擾，顆粒各自獨立完成沉淀過程，顆粒的沉淀軌跡呈直線。整個沉淀過程中，顆粒的物理性質(zhì)，如形狀、大小及相對密度等不發(fā)生變化。沙粒在沉砂池中的沉淀就屬于自由沉淀。

（2）絮凝沉淀

在絮凝沉淀中，懸浮顆粒濃度不高，但沉淀過程中懸浮顆粒之間有互相絮凝作用，顆粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀的軌跡呈曲線。沉淀過程中，顆粒的質(zhì)量、形狀和沉速是變化的，實際沉速很難用理論公式計算，需要通過試驗測定。化學混凝沉淀及活性污泥在二沉池中間段的沉淀屬絮凝沉淀。

（3）區(qū)域沉淀（或稱成層沉淀、擁擠沉淀）

區(qū)域沉淀的懸浮顆粒濃度較高（5000mg/L以上），顆粒的沉淀受到周圍其他顆粒的影響，顆粒間相對位置保持不變，形成一個整體共同下沉。與澄清水之間有清晰的泥水界面，沉淀顯示為界面下沉。在二沉池下部及污泥重力濃縮池開始階段均有區(qū)域沉淀發(fā)生。

（4）壓縮沉淀

壓縮沉淀發(fā)生在高濃度懸浮顆粒的沉降過程中，由于懸浮顆粒濃度很高，顆粒之間互相接觸，互相支撐，下層顆粒間的水在上層顆粒的重力作用下被擠出，使污泥得到壓縮。二沉池污泥斗中的污泥濃縮過程以及污泥重力濃縮池中均存在壓縮沉淀。

2.3.5.2　沉淀池類型

沉淀池是分離懸浮固體的一種常用處理構(gòu)筑物。按照工藝布置的不同，可分為初沉池和二沉池。初沉池是一級污水處理系統(tǒng)的主要處理構(gòu)筑物，或作為生物處理法中預處理的構(gòu)筑物，其去除的對象是懸浮固體，可以去除SS約40%～50%，同時可去除20%～30%的BOD5，可降低后續(xù)生物處理構(gòu)筑物的容積負荷。初沉池中沉淀物質(zhì)成為初次沉淀污泥。二沉池設在生物處理構(gòu)筑物后面，用于沉淀分離活性污泥或去除生物膜法中脫落的生物膜，是生物處理工藝中的重要組成部分。

每種沉淀池均包括進水區(qū)、沉淀區(qū)、緩沖區(qū)、污泥區(qū)和出水區(qū)五個部分。進水區(qū)和出水區(qū)的作用是使水流均勻地流過沉淀池，避免短流和減少紊流對沉淀產(chǎn)生的不利影響，同時減少死水區(qū)、提高沉淀池的容積利用率；沉淀區(qū)也稱澄清區(qū)，即沉淀池的工作區(qū)，是可沉淀顆粒與廢水分離的區(qū)域；污泥區(qū)是污泥貯存、濃縮和排出的區(qū)域；緩沖區(qū)則是分隔沉淀區(qū)和污泥區(qū)的水層區(qū)域，保證已經(jīng)沉淀的顆粒不因水流攪動而再行浮起。

沉淀池按池內(nèi)水流方向的不同，可分為平流式沉淀池、輻流式沉淀池和豎流式沉淀池。沉淀池各種池型的優(yōu)缺點和使用條件見表2.8。

①平流式沉淀池。平流沉淀池是一個矩形池，因此也稱矩形沉淀池。污水從池一端流入，水平方向流過池子，從池子的另一端流出。在池的進口底部處設貯泥斗，池底其他部位有坡度，傾向貯泥斗。一般由進水裝置、出水裝置、沉淀區(qū)、緩沖區(qū)、污泥區(qū)及排泥裝置等組成。平流沉淀池是應用較早也較普遍的一種沉淀形式，它既可以用作濾前沉淀（初沉池）處理，也可用作預沉（沉砂）或最終沉淀（二沉池）處理。其主要特征是構(gòu)造簡單、池深較淺、造價低、沉淀效果穩(wěn)定、操作管理方便。主要缺點是占地面積較大、池深較淺，常常限制后續(xù)濾池的選用。其示意圖如圖2.19所示。

②豎流式沉淀池。豎流式沉淀池一般為圓形或方形，由中心進水管、出水裝置、沉淀區(qū)、污泥區(qū)及排泥裝置組成。沉淀區(qū)呈柱狀，污泥斗呈截頭倒錐體。豎流式沉淀池結(jié)構(gòu)及組成部分見圖2.20。滲濾液從中心管自上而下進入池內(nèi)，管下設傘形擋板使?jié)B濾液在四周均勻分布，沿沉淀區(qū)的整個過水斷面緩慢上升，懸浮物沉降進入池底錐形沉泥斗中，澄清水由池四周的集水槽收集。集水槽前設擋板及浮渣槽以攔截浮渣，保證出水水質(zhì)。池的一邊靠池壁設排泥管，污泥可借靜水壓力由排泥管定期排出。其示意圖如圖2.20所示。

③輻流式沉淀池。輻流式沉淀池的池型多呈圓形，小型池子有時亦采用正方形或者多角形。按進出水方式可分為中心進水周邊出水、周邊進水中心出水和周邊進水周邊出水三種形式。其中應用最廣泛的是中心進水周邊出水輻流式沉淀池。滲濾液經(jīng)中心進水口流入池內(nèi)，在擋板的作用下，平穩(wěn)均勻地流向周邊出水堰。隨著水流沿徑向輻射狀流動，水流過水斷面逐漸增大，水流速度逐漸減小，有利于懸浮物的沉降。輻流式沉淀池大多采用機械排泥，將全部沉積污泥收集到中心污泥斗，再借助靜水壓力或者污泥泵排出。其示意圖如圖2.21所示。

④斜板沉淀池。斜板（管）沉淀池利用“淺層沉淀”的原理，在沉淀區(qū)放置與水平面成一定夾角（一般為60°）的斜板或蜂窩斜管組件，以提高沉淀效率。水流在經(jīng)過沉淀區(qū)時，水沿斜板（管）上升流動，水中懸浮物在斜板（管）上沉降，分離出的泥渣在重力作用下滑動至池底，再集中排出。這種池子可提高沉淀效率50%～60%，在同一面積上可提高處理能力3～5倍。根據(jù)水流和污泥相互運動方向可分為異向流、同向流和側(cè)向流3種。斜板（管）沉淀池的優(yōu)點是：利用了層流原理，提高了沉淀池的處理能力；縮短了顆粒沉降距離，縮短了沉淀時間；增加了沉淀池的沉淀面積，提高了處理效率。其示意圖如圖2.22所示。