2.3 混凝沉淀
渗滤液成分复杂，处理渗滤液是一个相对复杂的过程，在渗滤液预处理阶段，有部分工程采用混凝沉淀的工艺，先对渗滤液进行混凝处理，以去除渗滤液中的一部分悬浮物和COD等，减少后续处理系统压力。通过投加混凝剂使水中难以自然沉淀的胶体物质以及细小的悬浮物聚集成较大的颗粒，使之能与水发生分离的过程称为混凝。混凝是水处理的重要方法，能去除水中的浊度和色度，还能对水中无机和有机污染物有一定的去除效果。
2.3.1 混凝原理
化学混凝所处理的对象，主要是水中的微小悬浮固体和胶体杂质。大颗粒的悬浮固体由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法去除。但是，微小粒径的悬浮物固体和胶体，能在水中长期保持分散状态，即使静止数小时以上，也不会自然沉降。这是由于胶体微粒及细微悬浮颗粒具有“稳定性”。
（1）胶体的稳定性
天然水中的黏土类胶体微粒以及污水中的胶体蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷，中心称为胶核。其表面选择性地吸附了一层带有电荷的离子，这些离子可以是胶核的组成物直接电离而产生，也可以是从水中选择吸附离子而造成的。这层离子称为胶体微粒的电位离子，它决定了胶粒电荷的大小和电性。
由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的电荷相反的离子，形成了所谓“双电层”。这些离子中紧靠电位离子的部分被牢固的吸引着，当胶核运动时紧靠电位离子的部分也随着一起运动，形成固定的离子层。离子离电位离子越远，受到的引力越弱，并有向水中扩散的趋势，形成了扩散层。固定的离子层和扩散层之间的交界面称为滑动面。滑动面以内的部分称为胶粒，胶粒与扩散层之间存在电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为ζ电位。而胶核表面的电位离子与溶液之间的电位差称为总电位或ϕ电位。其原理示意图如图2.18所示。
图2.18 胶体结构和双电层示意图
胶体在水中的运动受几方面的影响：由于胶粒带电，带相同电荷的胶粒产生静电排斥，而且ζ电位愈高，胶粒之间的静电斥力越大；胶粒受水分子热运动的撞击，使微粒在水中做不规则的运动，即“布朗运动”；胶粒之间还存在着相互引力——范德华引力，范德华引力的大小与胶粒间距的2次方成反比，当间距较大时，此引力忽略不计。
一般水中的胶粒，ζ电位较高。其相互间斥力不仅与ζ电位有关，还与胶粒的间距有关，距离愈近，斥力愈大。而布朗运动的动能不足以将两胶粒推近到使范德华引力发挥作用的距离。因此，胶体微粒不能相互聚结，而是长期保持稳定的分散状态。
另一个使胶粒不能相互聚结的原因是水化作用。由于胶粒带电，其将有极性的水分子吸引到它的周围形成一层水化膜。水化膜同样能阻止胶粒间相互接触。但是，水化膜是伴随胶粒带电而产生的，如果胶粒的ζ电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。
（2）混凝机理
混凝的机理依据采用的混凝剂种类和投加量、胶体颗粒的性质、含量以及溶液的pH值等因素的不同而不同，一般可分为：压缩双电层理论、吸附电中和理论、吸附架桥理论、沉淀物的卷扫（网捕）理论。这四种混凝机理在水处理过程中往往是同时存在的，在不同的药剂、投加量和水质条件下因发挥作用的程度不同，而以某一种作用机理为主。
①压缩双电层理论。水中胶体颗粒之所以能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的ζ电位（胶粒与溶液主体间由于胶粒剩余电荷的存在所产生的电位）。当混凝剂投加到水中时，大量的正离子会进入胶体的扩散层，甚至吸附层，中和了带负电荷的黏土胶粒，导致扩散层减薄，此时ζ电位降低或消除，胶体颗粒受到电位影响而脱稳，并相互碰撞发生聚结。当扩散层完全消失时，ζ电位为零，胶粒间的静电斥力消失，发生聚结。胶体凝聚的一个重要理论便是压缩双电层原理，但当投加过量的混凝剂时，水中的胶体颗粒重新稳定，导致混凝效果下降；或者在实际工艺中，混凝效果最佳时的ζ电位常大于零，不是理论上的等电状态，而这些现象均无法用压缩双电层解释。
②吸附电中和理论。吸附电中和理论是指选用铁盐或铝盐作为混凝剂处理废水时，高价金属离子以水解聚合离子状态存在，随着水样pH值的变化而产生不同的水解产物，水解产物由于氢键、范德华力或共价键的作用，对胶体颗粒具有吸附能力，从而将胶体颗粒从废水中去除。这种吸附不受电性的影响，只要有空位便会产生吸附作用。
③吸附架桥理论。主要是指胶体颗粒与高分子物质的吸附桥连作用。由于高分子混凝剂具有线性结构，含有的某些化学基团能与胶体颗粒表面相互吸附，形成大颗粒的絮凝体。例如，三价铝盐、铁盐或其他高分子混凝剂经水解和缩聚反应，形成的高分子聚合物可被胶体微粒吸附。由于其线性长度较大，当一端吸附胶粒后，另一端也吸附胶粒，于是在两胶体颗粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成粗大的絮凝体。
④网捕作用。三价铝盐或铁盐等在水解时生成的沉淀物在沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体微粒，使其黏结并脱稳，从而沉降去除。
（3）混凝剂
在渗滤液处理中所用的混凝剂可分为两大类，一类是无机混凝剂，另一类是有机絮凝剂。无机混凝剂包括铁和铝两类金属盐以及聚合氯化铝等无机高分子混凝剂。有机絮凝剂主要是聚丙烯酰胺等有机高分子物质。目前较普遍的混凝剂如表2.3所示。
表2.3 常见混凝剂
（4）助凝剂
当单用混凝剂不能取得良好效果时，可投加某些辅助药剂以提高混凝效果，这种辅助药剂称为助凝剂。助凝剂可用以调节或改善混凝的条件，例如当原水的碱度不足时可投加石灰或重碳酸钠等；当采用硫酸亚铁作混凝剂时可加氯气将亚铁离子Fe2+氧化成三价铁离子Fe3+等。助凝剂也可用以改善絮凝体的结构，利用高分子助凝剂的强烈吸附架桥作用，使细小松散的絮凝体变得粗大而紧密，常用的有聚丙烯酰胺、活化硅酸、骨胶、海藻酸钠、红花树等。
2.3.2 影响混凝的主要因素
由于混凝剂的性能各不相同，同一影响因素对不同混凝剂的影响程度也存在差异。因此需要在不同渗滤液处理系统里对混凝条件进行优选。
（1）水温
当水温较低时，混凝剂的水解速率很慢，同时水的黏度大，致使水分子的布朗运动减弱，不利于水中污染物胶粒的脱稳和聚集，因而不易形成絮凝体。在一定的低水温范围内，即使增加混凝剂的投加量，也难以取得良好的混凝效果。当水温提高时，有利于絮凝反应的进行，但在处理实际废水时，若要提高水温，从技术和经济等方面考虑，都是较为困难。因此，废水处理的水温通常控制在20～30℃之间。
（2）水质
垃圾渗滤液中污染物随着地区不同而千变万化。污染物在化学组成、带电性能、亲水性能、吸附性能等方面都可能不同，因此，某一种混凝剂对不同废水的混凝效果可能相差很大。另外，有机物对于水中的憎水胶体具有保护作用，因此，对于高浓度有机废水采用混凝沉淀方法处理效果往往不好。
（3）pH值
pH值也是影响混凝的一个主要因素。在不同的pH值条件下，铝盐和铁盐的水解产物形态不一样，产生的混凝效果也会不同。由于混凝剂水解反应过程中不断产生H+，因此要保持水解反应充分进行，水中必须有碱去中和H+，如果碱度不足，水的pH值将下降，水解反应不充分，对混凝过程不利。
（4）水力学条件及混凝反应的时间
混凝过程中水力条件和混凝反应的时间对絮凝体的形成影响极大。整个混凝过程可分为两个阶段：混合和反应。
把一定的混凝剂投加到污水中后，首先要使混凝剂迅速、均匀地扩散到水中。混凝剂充分溶解后，所产生的胶体与水中原有的胶体及悬浮物接触后，会形成许许多多微小的矾花，这个过程又称为混合。混合过程要求水流产生激烈的湍流，在较快的时间内使药剂与水充分混合，混合时间一般要求几十秒至两分钟。混合作用一般靠水力或者机械方法来完成。
在完成混合后，水中胶体等微小颗粒已经产生初步凝聚现象，生成了细小的矾花，其尺寸可达5μm以上，但还不能达到靠重力可以下沉的尺寸（通常需要0.6～1.0mm以上）。因此还要靠反应阶段使矾花逐渐长大。在反应阶段，要求水流有适当的紊流程度，为细小的矾花提供互相碰撞和互相吸附的机会，并且随着矾花的长大这种紊流应该逐渐减弱下来。反应时间一般控制在10～30min。
另外，絮凝剂的投加量、性质和结构、混凝剂的选择等也对混凝效果有很大的影响。
2.3.3 混凝常用设备
（1）溶解搅拌装置
搅拌可采用水力、机械或压缩空气等，见表2.4，具体由用量大小及药剂性质决定，一般用药量大时用机械搅拌和压缩空气搅拌，用药量小时用水力搅拌。
表2.4 各种搅拌方法
（2）混凝剂投加方法
根据溶液池液面高低，有重力投加和压力投加两种方式，见表2.5。
表2.5 混凝剂投加方式
（3）混合设备
几种混合设备的比较见表2.6。
表2.6 混凝常用混合设备
（4）反应设备
各种常见的反应设备见表2.7。
表2.7 混凝常见反应设备
2.3.4 混凝优缺点
优点：混凝沉淀法处理效率高，处理方法成熟稳定，处理方法操作相对简单，能量消耗低。
缺点：投入过多的药剂时，药剂本身也会对水体造成污染（增大COD含量等）；水质千变万化，最佳的投药量各不相同，必须通过实验确定；占地面积比较大；污泥需经浓缩后脱水。
2.3.5 沉淀
2.3.5.1 沉淀原理
沉淀是利用重力沉降原理将比水重的悬浮颗粒从水中去除的工艺过程，处理设施是沉淀池。沉淀池利用水流中悬浮杂质颗粒向下的沉淀速度大于水流向下流动速度或向下沉淀时间小于水流流出沉淀池的时间，从而实现悬浮物与水流的分离，达到净化水质的目的。沉淀的主要作用是去除主厂房垃圾仓带入的泥沙以及细小、坚硬的颗粒物，防止对后续工艺及设备运行造成影响。
根据水中悬浮颗粒的性质、凝聚性能及浓度，沉淀通常可以分为四种不同的类型。
（1）自由沉淀
自由沉淀是最为常见的一种沉淀方式，当水中悬浮固体浓度不高时发生的主要沉淀类型。在沉淀过程中悬浮颗粒之间互不干扰，颗粒各自独立完成沉淀过程，颗粒的沉淀轨迹呈直线。整个沉淀过程中，颗粒的物理性质，如形状、大小及相对密度等不发生变化。沙粒在沉砂池中的沉淀就属于自由沉淀。
（2）絮凝沉淀
在絮凝沉淀中，悬浮颗粒浓度不高，但沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因相互聚集增大而加快沉降，沉淀的轨迹呈曲线。沉淀过程中，颗粒的质量、形状和沉速是变化的，实际沉速很难用理论公式计算，需要通过试验测定。化学混凝沉淀及活性污泥在二沉池中间段的沉淀属絮凝沉淀。
（3）区域沉淀（或称成层沉淀、拥挤沉淀）
区域沉淀的悬浮颗粒浓度较高（5000mg/L以上），颗粒的沉淀受到周围其他颗粒的影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉。与澄清水之间有清晰的泥水界面，沉淀显示为界面下沉。在二沉池下部及污泥重力浓缩池开始阶段均有区域沉淀发生。
（4）压缩沉淀
压缩沉淀发生在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，颗粒之间互相接触，互相支撑，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到压缩。二沉池污泥斗中的污泥浓缩过程以及污泥重力浓缩池中均存在压缩沉淀。
2.3.5.2 沉淀池类型
沉淀池是分离悬浮固体的一种常用处理构筑物。按照工艺布置的不同，可分为初沉池和二沉池。初沉池是一级污水处理系统的主要处理构筑物，或作为生物处理法中预处理的构筑物，其去除的对象是悬浮固体，可以去除SS约40%～50%，同时可去除20%～30%的BOD5，可降低后续生物处理构筑物的容积负荷。初沉池中沉淀物质成为初次沉淀污泥。二沉池设在生物处理构筑物后面，用于沉淀分离活性污泥或去除生物膜法中脱落的生物膜，是生物处理工艺中的重要组成部分。
每种沉淀池均包括进水区、沉淀区、缓冲区、污泥区和出水区五个部分。进水区和出水区的作用是使水流均匀地流过沉淀池，避免短流和减少紊流对沉淀产生的不利影响，同时减少死水区、提高沉淀池的容积利用率；沉淀区也称澄清区，即沉淀池的工作区，是可沉淀颗粒与废水分离的区域；污泥区是污泥贮存、浓缩和排出的区域；缓冲区则是分隔沉淀区和污泥区的水层区域，保证已经沉淀的颗粒不因水流搅动而再行浮起。
沉淀池按池内水流方向的不同，可分为平流式沉淀池、辐流式沉淀池和竖流式沉淀池。沉淀池各种池型的优缺点和使用条件见表2.8。
表2.8 各种沉淀池比较
①平流式沉淀池。平流沉淀池是一个矩形池，因此也称矩形沉淀池。污水从池一端流入，水平方向流过池子，从池子的另一端流出。在池的进口底部处设贮泥斗，池底其他部位有坡度，倾向贮泥斗。一般由进水装置、出水装置、沉淀区、缓冲区、污泥区及排泥装置等组成。平流沉淀池是应用较早也较普遍的一种沉淀形式，它既可以用作滤前沉淀（初沉池）处理，也可用作预沉（沉砂）或最终沉淀（二沉池）处理。其主要特征是构造简单、池深较浅、造价低、沉淀效果稳定、操作管理方便。主要缺点是占地面积较大、池深较浅，常常限制后续滤池的选用。其示意图如图2.19所示。
图2.19 平流式沉淀池
②竖流式沉淀池。竖流式沉淀池一般为圆形或方形，由中心进水管、出水装置、沉淀区、污泥区及排泥装置组成。沉淀区呈柱状，污泥斗呈截头倒锥体。竖流式沉淀池结构及组成部分见图2.20。渗滤液从中心管自上而下进入池内，管下设伞形挡板使渗滤液在四周均匀分布，沿沉淀区的整个过水断面缓慢上升，悬浮物沉降进入池底锥形沉泥斗中，澄清水由池四周的集水槽收集。集水槽前设挡板及浮渣槽以拦截浮渣，保证出水水质。池的一边靠池壁设排泥管，污泥可借静水压力由排泥管定期排出。其示意图如图2.20所示。
图2.20 竖流式沉淀池
③辐流式沉淀池。辐流式沉淀池的池型多呈圆形，小型池子有时亦采用正方形或者多角形。按进出水方式可分为中心进水周边出水、周边进水中心出水和周边进水周边出水三种形式。其中应用最广泛的是中心进水周边出水辐流式沉淀池。渗滤液经中心进水口流入池内，在挡板的作用下，平稳均匀地流向周边出水堰。随着水流沿径向辐射状流动，水流过水断面逐渐增大，水流速度逐渐减小，有利于悬浮物的沉降。辐流式沉淀池大多采用机械排泥，将全部沉积污泥收集到中心污泥斗，再借助静水压力或者污泥泵排出。其示意图如图2.21所示。
图2.21 辐流式沉淀池
④斜板沉淀池。斜板（管）沉淀池利用“浅层沉淀”的原理，在沉淀区放置与水平面成一定夹角（一般为60°）的斜板或蜂窝斜管组件，以提高沉淀效率。水流在经过沉淀区时，水沿斜板（管）上升流动，水中悬浮物在斜板（管）上沉降，分离出的泥渣在重力作用下滑动至池底，再集中排出。这种池子可提高沉淀效率50%～60%，在同一面积上可提高处理能力3～5倍。根据水流和污泥相互运动方向可分为异向流、同向流和侧向流3种。斜板（管）沉淀池的优点是：利用了层流原理，提高了沉淀池的处理能力；缩短了颗粒沉降距离，缩短了沉淀时间；增加了沉淀池的沉淀面积，提高了处理效率。其示意图如图2.22所示。
图2.22 斜板沉淀池