水中悬浮物质和胶体物质的去除

一、        沉淀

1、概述

沉淀法是水处理中最基本的方法之一。它是利用水中悬浮颗粒的可沉降性能，在重力作用下产生下沉作用，以达到固液分离的一种过程。

按照废水的性质与所要求的处理程度的不同，沉淀处理工艺可以是整个水处理过程中的一个工序，亦可以作为唯一的处理方法。在典型的污水厂中，有下列四种用法：

（1）、用于废水的预处理

沉砂池是典型的例子。沉砂池是用以去除污水中的易沉物(如砂粒)。

（2）、用于污水进人生物处理构筑物前的初步处理(初次沉淀池)

用初次沉淀池可较经济的去除悬浮有机物，以减轻后续生物处理构筑物的有机负荷。

（3）、用于生物处理后的固液分离(二次沉淀池)

二次沉淀池，主要用来分离生物处理工艺中产生的生物膜、活性污泥等，使处理后的水得以澄清。

（4）、用于污泥处理阶段的污泥浓缩

污泥浓缩池是将来自初沉池及二沉池的污泥进一步浓缩，以减小体积，降低后续构筑物的尺寸及处理费用等。

2、沉淀类型

根据水中悬浮颗粒的凝聚性能和浓度，沉淀通常可以分成四种不同的类型。

1）、自由沉淀

自由沉淀发生在水中悬浮固体浓度不高，沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀，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，大小及比重等不发生变化。这种颗粒在沉砂池中的沉淀是自由沉淀。

2）、絮凝沉淀

絮凝沉淀的悬浮颗粒浓度不高，但沉淀过程中悬浮颗粒之间有互相絮凝作用，颗粒因互相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，需通过试验测定。化学混凝沉淀属絮凝沉淀。

3）、区域沉淀(或成层沉淀)

区域沉淀的悬浮颗泣浓度较高(5000mg/L以上)，颗粒的沉降受到周围其它颗粒影响，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。二次沉淀池与污泥浓缩池中均有区域沉淀发生。

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，颗粒相互之间已挤集成团块结构，互相接触，互相支承，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中的浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。

二、混凝

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物和胶体杂质。大颗的悬浮物由于受重力的作用而下沉，可以用沉淀等方法除去。但是，微小粒径的悬浮物和胶体，能在水中长期保持分散悬浮状态，即使静置数十小时以上，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

根据研究，胶体微粒都带有电荷。天然水中的粘土类胶体微粒以及污水中的胶态蛋白质和淀粉微粒等都带有负电荷。它的中心称为胶桉。其表面选择性地吸附了一层带有同号电荷的离子，这些离子可以是胶校的组成物直接电离而产生的，也可以是从水中选择吸附H⁺或OH^-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符号。由于电位离子的静电引力，在其周围又吸附了大量的异号离子．形成了所谓“双电层”。这些异号离子，其中紧靠电位离子的部分被牢固地吸引着．当胶核运行时，它也随着一起运动，形成固定的离子层。而其他的异号离子，离电位离子较远，受到的引力较弱，不随胶核一起运动，并有向水中扩散的趋势．形成了扩散层。固定的离子层与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，有一个电位差。此电位称为胶体的电动电位，常称为∫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∮电位。

胶粒在水中受几方面的影响：①由于上述的胶粒带电现象，带相同电荷的胶粒产生静电斥力，而且∫电位愈高，胶粒间的静电斥力愈大；②受水分子热运动的撞击，使微粒在水中作不规则的运动，即“布朗运动；”③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，此引力略去不计。

一般水中的胶粒∫电位较高。其互相间斥力不仅与∫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颗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长期保持稳定的分散状态。

使胶体微粒不能相互聚结的另一个因素是水化作用。由于胶粒带电，将极性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，如果胶粒的电位消除或减弱，水化膜也就随之消失或减弱。

（2）、混凝原理

化学混凝的机理至今仍未完全清楚。因为它涉及的因素很多，如水中杂质的成分和浓度、水温、水的pH值、碱度，以及混凝剂的性质和混凝条件等。但归结起来，可以认为主要是三方面的作用：

1)压缩双电层作用：如前所述，水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态，主要是由于胶粒的∫电位。如能消除或降低胶粒的∫电位，就有可能使微粒碰撞聚结，失去稳定性。在水中投加电解质——混凝剂可达此目的。例如天然水中带负电荷的粘土胶粒，在投入铁盐或铝盐等混凝剂后，混凝剂提供的大量正离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层。因为胶核表面的总电位不变，增加扩散层及吸附层中的正离子浓度，就使扩散层减薄。当大量正离子涌入吸附层以致扩散层完全消失时，∫电位为零，称为等电状态。在等电状态下，胶粒间静电斥力消失，胶粒最易发生聚结。实际上，∫电位只要降至某一程度而使胶粒间排斥的能量小于胶粒布朗运动的动能时，胶粒就开始产生明显的聚结，这时的∫电位称为临界电位。胶粒因电位降低或消除以致失去稳定性的过程，称为胶粒脱稳。脱稳的胶粒相互聚结，称为凝聚。

压缩双电层作用是阐明胶体凝聚的一个重要理论。它特别适用于无机盐混凝剂所提供的简单离子的情况。但是，如仅用双电层作用原理来解释水中的混凝现象，会产生一些矛盾。例如，三价铝盐或铁盐棍凝剂投量过多时效果反而下降，水中的胶粒又会重新获得稳定。又如在等电状态下，混凝效果似应最好，但生产实践却表明，混凝效果最佳时的∫电位常大于零。于是提出了第二种作用。

2)吸附架桥作用：三价铝盐或铁盐以及其他高分子棍凝剂溶于水后，经水解和缩聚反应形成高分子聚合物，具有线性结构。这类高分子物质可被胶体微粒所强烈吸附。因其线性长度较大．当它的一端吸附某一胶粒后，另一端又吸附另一胶粒，在相距较远的两胶粒间进行吸附架桥，使颗粒逐渐结大，形成肉眼可见的粗大絮凝体。这种由高分子物质吸附架桥作用而使微粒相互粘结的过程，称为絮凝。

3)网捕作用：三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物。这些沉淀物在自身沉降过程中，能集卷、网捕水中的胶体等微粒，使胶体粘结。

上述三种作用产生的微粒凝结理象——凝聚和絮凝总称为混凝。

对于不同类型的棍凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用所起的作用程度并不相同。对高分子混凝剂特别是有机高分子混凝剂，吸附架桥可能起主要作用；对硫酸铝等无机混凝剂，压缩双电层作用和吸附架桥作用以及网捕作用都具有重要作用。

4)铝盐的水解过程
    所有金属阳离子不论以何种药剂形态图投加，它们在水中都以三价铝[Al(Ⅲ)]和三价铁[Fe(Ⅲ)]的各种化合物存在。以铝盐为例，在水溶液中即使Al(Ⅲ)以单纯离子状态存在，也不是Al3+而是以Al(H2O)63+,水合铝络合离子状态存在。
    当pH值<3时，在水中这种水合铝络离子将是主要形态，如pH升高，水合铝络离子就会发生配位水分子离解(即水解过程)，生成各种羟基铝离子，pH值再升高，水解逐级进行，从单核单羟基水解成单核三羟基，最终将产生氢氧化铝化学沉淀物而析出。在整个反应中，像Al3+、Al(OH)2+、Al(OH)3、Al(OH)4-等简单成分以及多种聚合离子，如[(Al(OH)14]4+、[A17(OH)17]4+、[Al8(OH)20]4+、[Al13(OH)34]5+等成分，都会同时出现，它们必然会对混凝过程起作用，共中高价的聚合正价离子对中和粘土胶粒的负电荷，以及压缩其双电层的能力都很大，促进了混凝。
   当产生无机聚合物带有负价离子时，不可能靠电荷中和作用，而主要靠吸附架桥的作用使粘土胶粒脱稳。

2、混凝剂和助凝剂

（1）、混凝剂

用于水处理中的混凝剂应符合如下要求：混凝效果良好，对人体健康无害，价廉易得，使用方便。混凝剂的种类较多，主要有以下两大类：

1)无机盐类混凝剂目前应用最广的是铝盐和铁盐。

2)高分子混凝剂高分子混凝剂有无机和有机的两种。聚合氯化铝和聚合氧化铁是目前国内外研制和使用比较广泛的无机高分子混凝剂。有机高分子混凝剂有天然的和人工合成的。我国当前使用较多的是人工合成的聚丙烯酰胺。

（2)、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氧气将亚铁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。

3、影响混凝效果的主要因素

影响混凝效果的因素较复杂，主要有水温、水质和水力条件等。

（1）、水温

水温对混凝效果有明显的影响。无机盐类混凝剂的水解是吸热反应，水温低时，水解困难。特别是硫酸铝，当水温低于5℃时，水解速率非常缓慢。且水量低，粘度大，不利于脱氇胶粒相互絮凝，影响絮凝体的结大，进而影响后续的沉淀处理的效果。改善的办法是投加高分子助凝剂或是用气浮法代替沉淀法作为后续处理。

（2）、pH值

水的pH值对混凝的影响程度视混凝剂的品种而异。用硫酸铝去除水中浊度时，景佳pH值范围在6.5—7.5之间；用于除色时，pH值在4.5～5之间。用三价铁盐时，最佳pH值范围在6.O一8.4之间，比硫酸钼为宽。如用硫酸亚铁，只有在pH>8.5和水中有足够溶解氧时，才能迅速形成Fe³⁺，这就使设备和操作较复杂。为此，常采用加氯氧化的方法。

高分子混凝剂尤其是有机高分子混凝剂，混凝的效果受pH值的影响较小。从铝盐和铁盐的水解反应式可以看出，水解过程中不断产生H+必将使水的pH值下降。要使pH值保持在最佳的范围内，应有碱性物质与其中和。当原水中碱度充分时还不致影响混凝效果；但当原水中碱度不足或混凝剂投量较大时，水的PH值将大幅度下降，影响混凝效果。此时，应投加石灰或重碳酸钠等。

（3）、水中杂质的成分性质和浓度

水中杂质的成分、性质和浓度都对混凝效果有明显的影响。例如，天然水中含粘土类杂质为主，需要投加的混凝剂的量较少；而圬水中含有大量有机物时，需要投加较多的混凝剂才有混凝效果，其投量可达10～10³mg/L但影响的因素比较复杂，理论上只限于作些定性推断和估计。在生产和实用上，主要靠混凝试验来选择合适的记凝凝品种和最佳投量。

4．水力条件

混凝过程中的水力条件对絮凝体的形成影响极大。整个混凝过程可以分为两个阶段：混合和反应。水力条件的配合对这两个阶段非常重要。

混合阶段的要求是使药剂迅速均匀地扩散到全部水中以创造良好的水解和聚合条件，使胶体脱稳并借颗粒的布朗运动和紊动水流进行凝聚。在此阶段并不要求形成大的絮凝体。混合要求快速和剧烈搅拌，在几秒钟或一分钟内完成。对于高分子混凝剂，由于它们在水中的形态不象无机盐混凝剂那样受时间的影响，混合的作用主要是使药剂在水中均匀分散，混合反应可以在很短的时间内完成，而且不宜进行过份剧烈的搅拌。

反应阶段的要求是使混凝剂的微粒通过絮凝形成大的具有良好沉淀性能的絮凝体。反应阶段的搅拌强度或水流速度应随着絮凝体的结大而逐渐降低，以免结大的絮凝体被打碎。如果在化学混凝以后不经沉淀处理而直接进行接触过滤或是进行气浮处理，反应阶段可以省略。

三、澄清

1、澄清池(clarifier)是用于混凝处理的另一种设备。在澄清池内，可以同时完成混合、反应、沉降分离等过程。

2、优点：占地面积小，处理效果好，生产效率高，节省药剂用量.

3、缺点：对进水水质要求严格，设备结构复杂。

4、从基本原理上澄清池可分为两大类：

（1）是悬浮泥渣型，有悬浮澄清池，脉冲澄清池；

（2）是泥渣循环型，有机械加速澄清池和水力循环加速澄池清

四、过滤

过滤是使含悬浮物的废水流过具有一定孔隙率的过滤介质，水中的悬浮物被截留在介质表面或内部而除去。

1、根据所采用的过滤介质不同，可将过滤分为下列四类：

(1)格筛过滤（screen）

(2)微孔过滤(microfiltration)

(3)膜过滤(membranefiltration)

（4）深层过滤(depthfiltration)

2、过滤过程的分类：

(1)格筛过滤：过滤介质为栅条或滤网，用以去除粗大的悬浮物，如杂草、破布、纤维、纸浆等。其典型设备有格栅、筛网和微滤机。

(2)微孔过滤：采用成型滤材，如滤布、滤片、烧结滤管、蜂房滤芯等，也可在过滤介质上预先涂上一层助滤剂(如硅藻土)形成孔隙细小的滤饼，用以去除粒径细微的颗粒。定型的商品设备很多。

(3)膜过滤：采用特别的半透膜作过滤介质，在一定的推动力(如压力、电场力等)下进行过滤，由于滤膜孔隙极小且具有选择性，可以除去水中细菌、病毒、有机物和溶解性溶质。主要设备有反渗透、超过滤和电渗析等。

（4）深层过滤：采用颗粒状滤料，如石英砂、无烟煤等。由于滤料颗粒之间存在孔隙，废水穿过一定深度的滤层，水中的悬浮物即被截留。为区别于上述三类表面或浅层过滤过程，这类过滤称之为深层过滤，简称过滤。

3、过滤在水处理中的作用：

在给水处理中，常用过滤处理沉淀或澄清池出水，使滤后出水浑浊度满足用水要求；

在废水处理中，过滤常作为吸附、离子交换、膜分离法等预处理手段；

作为生化处理后的深度处理，使滤后水达到回用的要求。

4、过滤机理

过滤的机理可分为阻力截留、重力沉降和接触絮凝三种。

当废水流过滤料层时，粒径较大的悬浮物颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，从而使此层滤料间的空隙越来越小，截污能力随之变得越来越高。

结果逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。这种作用属于阻力截留或筛滤作用。

废水通过滤料层时，众多的滤料介质表面提供了巨大的沉降面积。

据估计，1m3粒径为0.5mm的滤料中就拥有400m2不受水力冲刷而可供悬浮物沉降的有效面积，形成无数的小“沉淀池”，悬浮物极易在此沉降下来。

重力沉降强度主要取决于滤料直径和过滤速度。滤料越小，沉降面积越大；滤速越小则水流越平稳，这些都有利于悬浮物的沉降。

由于滤料有较大的表面积，它与悬浮物之间有明显的物理吸附作用。

此外，砂粒在水中表面常带有负电荷，能吸附带有正电的铁、铝等胶体，从而在滤料表面形成带正电的薄膜，进而又吸附带负电荷的粘土及多种有机胶体，在砂粒上发生接触絮凝。

在大多数情况下，滤料表面对尚未凝聚的胶体还能起到接触碰撞的媒介作用，促进其凝聚过程。

5、过滤的工艺过程

•    过滤工艺包括过滤和反洗两个阶段：

•    过滤(filtration)：过滤即截留污染物；

•    反洗(backwashing)：反洗即把污染物从滤料层中冲走，使之恢复过滤能力。

6、过滤周期(filterrun)：

从过滤开始到结束延续的时间称为过滤周期（或工作周期）。

•    过滤循环(filter cycle)：从过滤开始到反洗结束称为一个过滤循环。

7、配水系统

配水系统的作用：

（1）          均匀收集滤后水，所以，它又称为排水系统；

（2）          更重要的是均匀分配反冲洗水。

（3）          配水系统的合理设计是滤池正常工作，保持滤料层稳定的重要保证。

（4）          所谓大阻力配水系统是指尽可能增大配水系统中布水孔眼的阻力，使反洗水在流向全池各部的水头损失尽可能相等，保证配水均匀。

8、快滤池的运行管理

（1）滤速变化及控制

1）按照在过滤周期内滤速的分布形态，滤池有两种基本运行方式，即：

2）恒速过滤(constantrate):在整个过滤周期中过滤的速度不变。

3）降速过滤(decliningrate)：在过滤周期中过滤速度是随时间变化的，开始时大，过滤结束时小。

（2）优良的滤池应具备以下性能：

1）滤料纳污能力大，过滤水头损失小，工作周期长；

2）出水水质符合回用或外排的要求；

3）反洗耗水量少，效果好，反洗后滤料分层稳定而不发生很大程度的滤料混杂。

（3）滤池反冲洗

滤池反冲洗的目的是清除截留在滤料孔隙中的悬浮物，恢复其过滤能力。

一般滤池采用滤后水反冲洗，并辅以表面冲洗（surfacewash)或空气冲洗(air scour)。

反冲洗的指标：

反冲洗的指标有滤料的膨胀率、反冲洗强度、反冲洗时间、反冲洗水头、反冲洗水的供应和排除、空气冲洗和表面冲洗等。

1）膨胀率（expandingrate)：滤料层膨胀后与膨胀前的厚度差与过滤时滤料的厚度之比，用百分数表示。一般用符号e表示。

反洗时的膨胀率要适当。膨胀率太低，水流剪切力小；膨胀率过高，颗碰撞次数会减少，还会冲动垫料层及流失滤料。

2）反冲洗强度(backwash flowrate)：单位时间内单位滤池面积所通过的反冲洗水量称为反冲洗强度，通常用q表示，它的单位是L/(m2·s)。

反冲洗强度的大小与滤料的粒度、水的温度、孔隙率和要求的膨胀率有关。可用试验的方法确定。

3）反冲洗时间(backwashtime)：反冲洗时间依滤层污染程度而异，应根据运行情况来确定。

4）反冲洗水头(head)：反冲洗所需水头等于滤层、垫层、配水系统及管路的水头损失之和，并留有1.5－2.0m的富余水头。具体可根据有关流体力学的方法计算。

5）反冲洗水的供应和排除：一般是用滤后水作为反冲洗用水。反冲洗水可用水塔或水泵供给。反冲洗排出的污水(spentbackwash water)应及时排除，通常返回处理系统的首端。

6）空气冲洗(airscour)：空气冲洗是在滤料层和垫层之间加空气管，在反冲洗的同时鼓入压力空气，增加对颗粒的搅动，增加颗粒之间互相碰撞和摩擦的机会，加强反冲洗效果。强度据具体情况确定。

7）表面冲洗(surfacewash)：在过滤含有机物质较多的原水时，滤层表面往往生成由滤料颗粒、悬浮物和粘性物形成的泥球。为了破坏泥球，提高冲洗质量，常用压力水进行表面冲洗。

五、气 浮

气浮法是利用高度分散的微小气泡作为载体去粘附污水中的污染物，使其密度小于水而上浮到水面以实现固液或液液分离的过程。实现气浮法分离的必要条件是：

1、必须向水中提供足够数量的微细气泡；

2、必须使目的物呈悬浮状态且具有疏水性质，从而附着于气泡上浮升。

气泡能否与悬浮颗粒发生有效附着主要取决于颗粒的表面性质。

亲水性：如果颗粒易被水润湿，则称该颗粒为亲水性的。

疏水性：如颗粒不易被水润湿，则是疏水性的。

接触角：在静止状态下，当气、液、固三相接触时，气－液界面张力线和固－液界面张力线之间的夹角(包含液相的)称为平衡接触角，用q表示。

气浮过程包括气泡的产生、气泡与颗粒的附着及上浮分离等连续步骤。

产生数量和尺寸合适的气泡是气浮过程实现的重要条件。

废水处理中采用的气浮法，按水中气泡产生的方法可分为溶气法、散气气浮和电解法三类。

分类：根据气泡在水中析出时的所处压力的不同，溶气浮选又可分为:加压溶气气浮和溶气真空气浮两种类型，其中加压溶气气浮是国内外最常用的气浮法。

加压溶气法需要有溶气罐、空气压缩机、减压阀或溶气释放器、水泵。

按空气与水混合的位置有分为泵前进气与泵后进气两种。

散气气浮是利用机械剪切力，将混合于水中的空气粉碎成细小的气泡，以进行浮选的方法。

按粉碎气泡方法的不同，散气气浮分为扩散板曝气气浮与叶轮气浮两种。

扩散板曝气气浮

压缩空气通过具有细孔隙的扩散板或微孔管，使空气以细小气泡的形式进入水中，进行气浮过程。

这种方法的优点是简单易行，但缺点较多，其中主要的是空气扩散装置的微孔易于堵塞，气泡较大，浮选效率不高等等，因此这种方法近年已少用。

3、气浮法的特点：

(1)由于气浮池的表面负荷有可能高达l2m3/m2·h，水在池中停留时间短，故占地较少，节省基建投资；

(2)气浮池具有预曝气作用，出水和浮渣都含有一定量的氧，有利于后续处理或再用，泥渣也不易腐化；

(3)对那些很难用沉降法去除的低浊度含藻水，气浮法处理效率高，甚至还可去除原水中的浮游生物，出水水质好；

(4)浮渣含水率低，一般在96%以下，比沉淀池污泥体积少2－10倍，这对污泥的后续处理有利，而且表面刮渣也比池底排泥方便；

(5)可以回收利用有用物质；

(6)气浮法电耗较大，处理每吨废水比沉淀法多耗电约0.02－0.04kWh；目前使用的溶气水减压释放器易堵塞。

4、气浮法的应用

(1)分离水中的细小悬浮物、藻类及微絮体；

(2)回收工业废水中的有用物质，如造纸厂废水中的纸浆纤维及填料等；

(3)代替二次沉淀池，分离和浓缩剩余活性污泥，特别适用于那些易于产生污泥膨胀的生化处理工艺中；

(4)分离回收含油废水中的悬浮油和乳化油；

(5)分离回收以分子或离子状态存在的污染物，如金属离子的泡沫浮选分离。