沉淀的原理与分类

天然水体和废水中含有各种各样的杂质，如天然水体中含有大量细小的黏土颗粒，废水中含有的藻类、细菌、细小的颗粒物等。这些杂质按其尺寸可分为三类：悬浮物（>0.1μm)、胶体（1nm~0.1μm）以及分子和离子（<1nm)。大部分悬浮颗粒可通过颗粒与水的密度差，在外力（如重力、离心力、磁力等）的作用下进行分离。依靠重力对水中的悬浮物颗粒进行分离是废水处理中一种重要的处理技术，在各类型的废水处理系统中，重力分离几乎是不可缺少的，并且是在同一系统中可能多次采用的单元操作，其分离原理是利用废水中的悬浮物与废水的相对密度不同，使悬浮物在重力的作用下沉降，从而达到与水分离的目的。

当悬浮物的相对密度大于废水的相对密度时，在重力作用下，悬浮物下沉形成沉淀物，称之为沉降或沉淀。这种方法简单易行，一般适用于去除 20~100μm 以上的颗粒。

当悬浮物的相对密度小于废水的相对密度时，悬浮物上浮到水面，称之为自然上浮（或重力浮选）。

若悬浮物的相对密度与废水的相对密度接近时，必须通入空气或药剂进行机械搅拌，形成大量气泡，将悬浮物带至水面，这种强制上浮又称气浮或浮选。胶体不能直接用沉淀法去除，需要经混凝处理后，使颗粒尺寸变大，才能通过沉淀法去除。

重力沉降法是利用沉淀作用分离废水中悬浮固体的既简单又经济的方法，可去除废水中的砂粒、化学沉降物、化学混凝处理所形成的化学絮凝体和生物处理所形成的生物污泥，既可作为化学处理和生物处理的预处理，也可以用于化学处理或生物处理后分离化学沉淀物、活性污泥或生物膜，还可以用于污泥的浓缩脱水和灌溉农田前作灌前处理。

根据废水中悬浮颗粒的浓度高低和絮凝性能的强弱，沉淀可分为四种基本类型。各类沉淀发生的水质条件如图4-1所示。

(1）自由沉淀

也称离散沉淀。颗粒在沉淀过程中呈离散状态，互不干扰，其形状、尺寸、密度等均在沉淀过程中不发生改变，下沉速度恒定。自由沉淀是一种无絮凝的固体颗粒在稀溶液中的沉淀。这种现象通常发生在废水处理工艺中的沉砂池和初沉池的前期。

1. 絮凝沉淀

   当水中悬浮颗粒浓度不高，但具有絮凝性时，在沉淀过程中，颗粒相互干扰，其尺寸、质量均会随沉淀深度的增加而增大，沉速亦随深度而增加。这种现象通常发生在废水处理工艺中的初沉池后期、二沉池前期以及给水处理工艺中的混凝沉淀单元。
   (3）拥挤沉淀
       也称分层沉淀、成层沉淀、集团沉淀。当悬浮颗粒浓度较大时，每个颗粒在下沉过程中都要受到周围其他颗粒的干扰，在清水与浑水之间形成明显的交界面，但相对位置不变而成为一个整体覆盖层并逐渐向下移动。这种现象主要发生在高浊水的沉淀单元、活性污泥的二沉池等。
   (4）压缩沉淀
      当悬浮颗粒浓度很高时，颗粒相互接触，相互支撑，在上层颗粒的重力作用下，下层颗粒间的水被挤出界面，颗粒群被压缩。这种现象发生在沉淀池底部。
      以上四种沉淀类型中，自由沉淀是沉淀法的基础，沉淀池的理论分析与设计都是基于自由沉淀的。水处理中遇到的大多数颗粒，如给水处理中的矾花、污水中的许多悬浮物质、活性污泥等，都属于絮凝性颗粒。由于絮凝沉淀的颗粒沉速在沉淀过程中逐渐加快，其颗粒的去除率略高于自由沉淀。对于絮凝沉淀，一般仍按自由沉淀理论对沉淀池进行分析与设计。
       拥挤沉淀理论在给水处理中主要用于高浊度水源水（如黄河水）的预沉淀。压缩沉淀主要用于污泥浓缩池的设计。在有关的实际设计中，需要增加固体通量设计参数来体现拥挤沉淀和压缩沉淀对沉淀池的设计要求。
       此外，近年来在国外的水处理中还发展了一种压重沉淀法（ballasted flocculent settling)。该工艺是在混凝过程中向水中加入一定量的沉淀核心，一般用0.1mm左右的细砂，以形成很重的矾花絮体，在后续的沉淀池可以高速沉淀分离。沉泥中所含细砂经过水力旋流分离器分离后再重复使用。