微渦旋混凝低脈動沉淀技術處理低溫低濁水論文名稱：微渦旋混凝低脈動沉淀技術處理低溫低濁水

作者：赫俊國宋學峰金昌錦王鶴立徐立群趙錳

摘要：依據低溫低濁水的特點，對其處理過程中的亞微觀傳質及絮凝過程中的動力特性進行分析，并通過試驗結果闡明了該技術的可應用性和實用性以及低耗高效的特點。

關鍵字：低溫低濁水慣性效應微渦旋低脈動我國北方地區(qū)全年有3～5個月的冰凍期，作為主要飲用水水源的地表水在這一時期呈現(xiàn)低溫低濁特性:水溫0～5℃；濁度一般10～30NTU(有時降至10NTU以下)；水中膠體顆粒電位升高(約為常溫時的2倍)，膠體間靜電斥力增大，穩(wěn)定性增強；水的粘滯性增加，顆粒運動的阻力變大，碰撞困難；顆粒的布朗運動減弱，微粒惰性增強，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻且小于常溫時的粒徑，造成直接過濾的效果差；水體中無機膠體顆粒含量減少，有機膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機成分較多，密度較平常期?。粍恿φ硿禂?shù)變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。1機理研究混合和初始絮凝是給水處理的重要環(huán)節(jié)?；旌系谋举|是混凝劑的水解產物向水體中的擴散過程。擴散分為宏觀擴散和亞微觀擴散，從而導致微觀微粒的碰撞反應。宏觀擴散取決于濃度梯度和水體湍動強度，一般的混合設備均能完成宏觀擴散。微觀微粒的碰撞反應取決于熱力學條件和微粒的物理化學特性。亞微觀擴散是擴散阻力最大的一環(huán)，它決定了混合的效果。對擴散系數(shù)可描述如下：K=α(ε0λ)1/3·λ(λ＞λ0)(1)

K=β(λ·ε0/υ)1/2(2)

式中λ——渦旋尺度

λ——渦旋特征尺度

ε——能耗項

υ——運動粘滯系數(shù)

α、β——與流態(tài)和熱力學性質有關的系數(shù)

由于λ≤λ時的K值比λ>λ時的K值小幾個數(shù)量級，因此它的擴散阻力最大。在實際工程中，通過造成高比例高強度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性效應來實現(xiàn)多相物系中的顆粒遷移，克服亞微觀傳質阻力,增加亞微觀傳質速率，促進亞微觀傳質。在試驗中，利用管式微渦混合器和串聯(lián)圓管混合器來實現(xiàn)混合工藝.這兩種混合器通過控制水流的速度和水流空間的尺度以及速度零區(qū)的范圍來造成高比例高強度的微渦旋，從而充分利用微小渦旋的離心慣性效應使混凝劑的水解產物瞬間進入水體細部，使膠體顆粒脫穩(wěn)，避免了局部藥劑浪費或局部藥劑不足的現(xiàn)象發(fā)生。對于低溫低濁水的混合，該工藝設備可迅速使其間膠體顆粒脫穩(wěn)析出同時，較強的剪切作用避免了微絮體的不合理長大，從而保證單位體積內的顆粒數(shù)，為微小礬花的凝并提供了物量保障。

水體中的膠體顆粒脫穩(wěn)析出后，含有微絮體的水進入反應池，在反應池中使微絮體相互碰撞凝并，并保持一定的尺度、密實度和抗剪切強度。在試驗中，通過在反應池的過水斷面上設置不同形式的網絡來完成工藝目的。由于水流經過格網和格網后的過水斷面不一致，因此根據伯努利方程可知，在格網處和格網后的壓力不一致，有逆向壓力梯度存在。由于過網后的流線分離，在網條后形成速度空白區(qū)，從而產生網后渦旋。通過控制流速和采用格網的形式，可以控制渦旋的大小和強度。在渦旋中取其間的顆粒進行受力分析，顆粒受到離心力(F1)、水的壓力(F2)和運動產生的繞流阻力Fd的作用：

根據顆粒所受的運動阻力Fd=Cd·πr02·ρU2/2(Cd為繞流阻力系數(shù)，γ0為顆粒尺度)可以得出單位質量顆粒受力fd=3CdρU2/(8ρ0γ0)，可以看出，在水體中運動的顆粒，單位質量大所受阻力小，單位質量小所受阻力大，因此渦旋內不同尺度的顆粒沿徑向有碰撞的可能。由于離心慣性效應，顆粒作徑向運動，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運動時，因速度差異而與新速度區(qū)內的顆粒發(fā)生碰撞合并。渦旋內相鄰的速度層間產生滑移也為層與層間的顆粒碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦旋離開原位置，這為不同渦旋內的顆粒合并提供條件。

低溫低濁條件下，原水濁度越低給水工藝在運行中的耗藥量越高，處理難度也越大。研究認為，在任何水體中，保證單位體積內顆粒的數(shù)量和有效碰撞的次數(shù)是至關重要的。在濁度較高時，單位體積水體內顆粒數(shù)可以保證，因此，投加的混凝劑主要是使膠體顆粒脫穩(wěn)，在有充足的絮凝時間時，常規(guī)工藝可達到設計標準。在低濁條件下，投加少量混凝劑即可使膠體脫穩(wěn)，由于低濁時單位體積內顆粒密度小和微絮體的不合理凝并，導致部分微絮體失去了碰撞凝并的條件，從而使得反應池出水礬花中小礬花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在試驗中，著重增強了混合過程中的傳質擴散和顆粒有效碰撞，并在水流過程中保持一定的剪切強度，使凝并的礬花不斷壓密，達到理想的密實度。給水處理中，通過對混合、反應過程中顆粒碰撞凝并進行合理的動力學控制，可以大幅度增加單位體積內顆粒有效碰撞的幾率，從而在保障膠體顆粒脫穩(wěn)的前提下，降低單位體積內的顆粒數(shù)量，因而較常規(guī)工藝減小藥耗。原水濁度越低，效果就越明顯。

依據淺池理論及對顆粒沉降中湍流擾動的抑制，試驗應用了小間距斜板，并作了對比計算。在T=5℃,上升流速q=3.0mm/s，斜板單元為12.5cm×1.5cm時，其雷諾數(shù)Re=13；而對于T=5℃，q=2.5mm/s，間距為3.5cm的斜管，其雷諾數(shù)Re=15。由此可見，上升流速為3.0mm/s的斜板較上升流速為2.5mm/s的斜管擾動小，從而更有利于沉降。在運行中，由于小間距斜板間距小、無側向約束、排泥面和沉泥面相等而有利于礬花沉降和徹底排泥。在實際制作過程中，對斜板材料的光滑度、強度及傾角均作了更有利于排泥的處理，因此排泥徹底，不積泥，并且在運行過程中不改變傾角，斜板不變形，從而使設計意圖得以全面實現(xiàn)。由斯托克斯方程可知，在低溫條件下，由于動力粘滯系數(shù)增大，顆粒沉降速度減小，這意味著在相同上升流速，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態(tài)時去除率降低，甚至不能去除而影響水質，同時增加濾池負荷，這也是冬季北方水廠降負荷運行的主要原因之一。由于在混合反應上的強化，礬花絮體保證足夠的粒度后，在小間距斜板中因其沉降距離短而仍可去除，這在實際運行中得到了證實。2試驗在以往的試驗中，采用了小型設備，試驗流量Q=0.5～3.0m3/h，試驗水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設備在低溫低濁下運行，其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗中，串聯(lián)圓管混合器混合時間10～30s，管式微渦混合器混合時間3～5s,小孔眼格網反應時間t=5～10min，小間距斜板沉淀池的上升流速q=2.5～4.0mm/s。

為了對比以及說明渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術在實際工程中應用的易操作性，下面將該技術在大慶中引水處理廠的實際運行情況與原工藝的運行情況介紹如下。

中引水處理廠共10組反應沉淀池，單組設計負荷2.5×104m3/d。1997年10月—11月對其中一組進行了應用新技術的改造。在改造中，拆除了原工藝設備，安裝了與新技術相匹配的設備，其中反應池是依據原池的現(xiàn)狀，通過布設不同孔徑和距離的格網來控制水流的流態(tài)，使格網、廊道及轉彎處的動力條件相一致或序。原工藝：

原水→靜態(tài)混合器(10s)→傳統(tǒng)豎井格網反應池(23min)→三層側向流斜板沉淀池［q=5.0m3/(m2·h)］→出水

試驗工藝：

原水→管式微渦混合器(5s)→小孔眼格網反應池→小間距斜板沉淀池→出水試驗場地原水取自嫩江中游的一個水庫。藥劑選用硫酸鋁+活化硅酸，硫酸鋁采用藥劑廠原液，不加稀釋。活化硅酸投量均采用4mg/L。試驗采用了電磁流量計測量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計量泵+流量計，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。實際運行中的對比結果見圖1、圖2、圖3。新、原工藝對比說明：

①新工藝較原工藝處理量提高了30.8%;

②新工藝投藥量較原工藝減少26.7%

③新工藝的沉淀池出水在3NTU以內，原工藝沉淀池出水在5.7～11.3NTU，當原工藝與新工藝以相同的高負荷量運行時，原工藝與新工藝無可比性。3結論①微渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術在低溫低濁時期處理水是行之有效的。該技術揭示了多相物系傳質碰撞的動力學致因，因而在低溫低濁水處理中顯示出較強的適應性和生命力。

②低溫低濁水處理中亞微觀擴散是混合的關鍵，通過造成高比例高強度的微渦旋，利用其強烈的離心慣性效應可以保障藥劑瞬間進入水體細部，使膠體脫穩(wěn)瞬時、充分。

③對反應池中水流的全程進行合理有效的動力控制，可以有效提高單位時間內顆粒的碰撞凝并程度，同時可以適度減少單位體積內的顆粒數(shù)，在保證膠體脫穩(wěn)的前提下，節(jié)省藥耗。

④格網的布設一方面形成微渦旋，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網的剪切使絮體壓實，密度增大。此外，全程格網的布設為一些流動過程中破碎的礬花重新聚集提供了水力條件。合理的格網布設可以減弱低溫和低濁的影響。

⑤小間距斜板為礬花的沉降提供了良好的水力條