涡漩混凝低脉动沉淀处理低温低浊水的试验研究

前　言

　　我国的东北、华北、西北和内蒙等地，全年有3—5个月冰冻期，作为主要饮用水水源的地表水在这一时期呈现低温低浊特性，水温0℃～5℃，浊度一般10NTU～30NTU，有时浊度降至10NTU以下。低温低浊期，水中胶体颗粒电位升高，约为中温时期的2倍，胶体间静电斥力增大，稳定性增强；水的粘滞性增加，颗粒运动的阻力变大，碰撞困难；由于温度低，颗粒的布朗运动减弱，微粒的惰性增强，水中胶体颗粒的粒径分布趋于均匀，均小于常温时期的粒径，由此，虽然原水浊度较低，但直接过滤的效果并不明显；冬季，地表水体中无机胶体颗粒含量减少，有机胶体颗粒含量增加，矾花絮体中有机成份较多，因而矾花的密度较原水水质平常期小；由于低温的影响，动力粘滞系数变大，颗粒的极限沉降速度变小，因而浊度去除率降低。

　　受低温低浊的影响，北方的地表水处理厂在各季水量、水质很难达到设计负荷，一些水厂降负荷运行以保证水质，供水趋于紧张。针对这一现状，目前有投加粘土、沉泥回流、浮沉工艺及微絮凝过滤等一些技术、措施应用于水处理中。投加粘土及沉泥回流的目的是增加颗粒碰撞次数，微小的颗粒也可有效去除。浮沉池利用气浮技术将一些微小絮体裹携去除以达到净化目的，该工艺效果较好，但浮沉池占地面积及设备较常规工艺增加很多。微絮凝工艺的截留矾花能力强，但当原水浊度提高后，其工作周期缩短，反冲洗水量增加。综上所述，低浊低浊期为了保证水质、水量，应用了一些新工艺，因而扩大了土建投资和设备投资，一方面增加了水厂的建设投资，另一方面运行管理和维修费用增加。因此，应当探索在不增加造价，甚至减少造价的条件下对低温低浊期和原水水质平常期均有效的处理工艺，也就是控制混合、反应 及沉淀工艺的动力学过程，来实现颗粒强烈的有效碰撞、合理凝并和高效截留。

1、涡漩混凝低脉动沉淀给水处理技术净化低温低浊水的机理研究

　　给水处理的混合、反应和沉淀工艺是处理效果优劣的关键环节，直接影响到滤池的工作状况和总体处理效果。该净化过程可概括为胶体颗粒的脱稳析出、微絮体的合理凝并长大(使矾花颗粒具有一定的尺度、密实度和抗剪切能力)以及矾花颗粒的有效截留。混疑剂性能和工艺过程的动力学控制是净化的关键。多年来给水处理中颗粒碰撞的动力学致因一直未搞清楚，因而形成了常规工艺在原水水质平常期能达到处理标准，而在低温低浊等特殊时期 降负荷以保证出水水质的局面。

　　混合和初始絮凝是给水处理的重要环节。混合的本质是混凝剂的水解产物向水体中的扩散过程，扩散分为宏观扩散、亚微观扩散，从而导致了微观微粒的碰撞反应。宏观扩散取决于浓度梯度和水体湍动强度，一般的混合设备均能完成宏观扩散。微观微粒的碰撞反应取决于热力学条件和微粒的物理化学特性。亚微观扩散是扩散阻力最大的一环，它决定了混合的效果。

　　对于扩散系数可描还如下：

　　K～α（ε0λ）1/3.λ（λ＞λ0）　　（1）

　　K～β[（ε0/v).λ]1/2（λ≤λ0）　（2）

　　式中：λ涡流尺度
　　　　　λ0：涡流特征尺度
　　　　　ε0：能耗顶
　　　　　v：运动粘滞系数
　　　　　α.β：与流态和热力学性质有关的系数

　　由上式可看出，λ＜λ0时的K值比λ＞λ0时的K值小几个数量级，因此它的扩散阻力最大。在实际工程中，通过造成高比例高强度的微涡漩，利用微涡漩的离心惯性效应来实现多相物系中的颗粒迁移，克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率，促进亚微观传质。在试验研究中，我们利用管式微涡混合器和串联圆管混合器来实现混合的工艺。这两种混台器通过控制水流的速度和水流空间的尺度以及速度零区的范围来造成高比例高强度的微涡漩，从而充分利用微小涡漩的离心惯性效应使混凝剂的水解产物瞬间进入水体细部，使胶体颗粗脱稳，避免了局部药剂浪费或局部药剂不足的现象发生。对于低温低浊水的混合，该工艺设备可迅速使其间肢体颗粒脱稳析出，同时，较强的剪切作月避免了微絮体的不合理长大，从而保证单位体积内的颗粒数，为微小矾花的凝并提供了物量的保障。

　　水体中的胶体颗粒脱稳析出后，含有微絮体的水进入反应池，在反应池中使微絮体相互碰撞凝并，保持一定的尺度、密实度和抗剪切强度。在试验研究中，通过在反应池的过水断面上设置不同形式的网格 来完成工艺目的。由于水流经过格网和格 网后的过水断面不一致，因此根据伯努力方程Z+P/r+U2/2g＝C(Z:势能；P/r：压能；U2/2g: 动能，C：常量)可知，在经过格网处和格网 后的压力不一致，有逆向压力梯度存在。由于过网后的流线分离，在网条后形成速度空白区，从而网后涡流产生，通过控制流速和网的形式，可以控制涡漩的大小和强度。在涡流中取其间的颗粒进行受力分析，颗粒受到离心力(F1)、水的压力(F2)和运动产生的绕流阻力Fd的作用：

　　F1=ρ0（U2/r）（3）

　　F2= эp/эr (4)

　　式中：ρ0——颗粒密度，U——速度，r——绕流半径

　　根据颗粒所受的运动阻力Fd＝Cd·πr02.ρU2/2（Cd：绕流阻力系数，r0:颗粒尺度)可以得出单位质量颗粒受力fd＝3CdρU2/（8ρ0r0），由式中可以看出，在水体中运动的颗粒，单位质量大颗粒所受阻力小，单位质量小颗粒所受阻力大，因此涡漩内不同尺度的颗粒沿径向有碰撞的可能。由于离心惯性效应，颗粒作径向运动，在由原速度区向新速度区运动时，因速度差异而与新速 度区内的颗粒发生碰撞合并。漩涡内相邻碰撞提供条件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得涡流离开原位置，这为不同漩涡内的颗粒合并提供条件。

　　低温低浊条件下，原水浊度越低给水工艺在运行中的耗药量越高，也越难处理。研究认为，在任何水体中，保证单位体积内颗粒的数量和有效碰撞次数是至关重要的。在浊度较高时，单位体积水体内颗粒 数可以保证，因此，投加的混凝剂主要是使胶体颗粒脱稳，在有充足的絮凝时间时，常规工艺可达到设计标准。在低浊条件下，投加少量混凝剂即可使胶体脱稳，由于① 低浊时单位体积内颗粒密度小②微絮体的不合理凝并，导致部分微絮体失去了碰撞凝并的条件，从而使得反应池出水矾花中小砚花比例增加，给沉淀截留增加了难度。在本试验研究中，着重增强了混合过程中的传质扩散和颗粒有效碰撞，并在水流过程中保持一定的剪切强度，使凝并的矾花不断压密，保证其达到理想的密实度。给水处理中。通过对混合、反应过程中颗粒碰撞凝并进行合理的动力学控制，可以大幅 度增加单位体积内颗粒有效碰撞的几率，从而在保障胶体颗粒脱稳的前提下，降低单位体积内的颗粒数量，因而较常规工艺节减小药耗，原水浊度越低，温度越低，效果就越明显。

　　依据浅池理论及对颗粒沉降中湍流扰动的抑制，试验研究中应用了小间距斜板。我们作一下对比计算，在T=5℃，上升流速q=3.0mm/s,斜板单元为12.5cm×1.5cm时，其间雷诺数Re=13；而对于T＝5℃，q＝2.5mm／s，间距为3.5cm的斜管，其间雷诺 数Re＝15。由此，上升流逐为3.0mm／s的 斜板较上升流速为2.5mm/s的斜管扰动小,从而更有利于沉降。在运行中、由于小间距斜板间距小，无侧向约束、排泥面和沉 泥面相等而有利于矾花沉降和彻底排泥。在实际制作过程中，对斜板材料的光滑度、强度及倾角均作了更有利于排泥的处理， 因此排泥彻底、不积泥、并且在运行过程是不改变倾角，斜板不变形，从而使设计意图得以全面实观。由斯托克期方程可知，在低温条件下，由于动力粘滞系数增大，颗粒沉降速度U1.4=[1(ρ0-ρ）gd1.6]/[13.9ρ0.4.μ0.8]减小，这意味着，在相同上升流速条件下，在常温下可去除的一定尺度的颗粒在低温状态去除率降低，甚至不能去除而影响水质，同时增加滤池负荷，这也是冬季北方水厂降负荷的主要原因之一。由于在混合反应上的强化，矾花絮体保证足够的粒度后，在小间距 斜板中因其沉降距离短而仍可去除。这在实际运行中得到了证实。

2.试验

　　在以往的试验中，采用了小型设备，试验流量Q＝O.5m3/h－－3.0m3/h，试验水源包括松花江和嫩江二大水系。小型设备在 低温低浊下运行其沉后水浊度均可保证在3NTU以下，试验中，串联圆管混合器混合时间10s～30s，管式微涡混合器混合时间3s～5s，小孔眼格网反应时间t＝5～10min, 小间距斜板沉淀池的上升流速q＝2.5～4.0mm／s。

　　为了对比，以及说明涡漩混凝低脉动沉淀给水处理技术在实际工程中应用的易操作性，下面将该技术在大庆中引水处理厂的实际运行情况与原工艺的运行情况介绍如下。

　　中引水处理厂共10组反应沉淀池，单组设计负荷2.5万米3／日。1997年10月至11月对其中一组进行了应用新技术的改造。在改造中，拆除了原工艺设备，安装了与新技术相匹配的设备，其中反应池是依据原池的现状，通过市设不同孔径和距离的格网来控制水流的流态，使格网、廊道及转弯处的动力条件相一致或有序。

　　原工艺：

　　原水→静态混合器（10s)→传统竖井格网反应池(23min)→三层测向流斜板沉淀池(q=5.0m3／m2.h)→出水

　　试验工艺：

　　原水→管式微涡混合器（5s）→小孔眼格网反应池→小间距斜板沉淀池→出水

　　试验场地原水取自嫩江中游的一个水库。试验中药剂选用硫酸铝+活化硅酸，硫酸铝采用药剂厂原液，不加稀释。活化硅酸投量均采用4mg／L。在试验中，采用了电磁流量计测量沉淀池日累积出水量，药剂投加采用计量泵+流星计，沉淀池出水浊度采用HACH公司NTU浊度仪测量。在实际运行中的对比结果用曲线描述如下：

　　新原工艺对比说明：

　　①新工艺较原工艺处理量提高了30.8％。

　　②新工艺投药量较原工艺减少26.7％。

　　③新工艺的沉淀池出水在3NTU以内，原工艺沉淀池出水在5.7—11.3NTU，当原工艺与新工艺以相同的高负荷量运行时，原工艺与新工艺无可比性。

3.结论

　　(1)涡漩混凝低脉动沉淀给水处理技术在低温低浊时期处理水是行之有效的。该技术揭示了多相物系传质碰撞的动力学致因，因而在低温低浊水处理中显示了 较强的适应性和生命力。

　　(2)低温低浊水处理中亚微观扩散是混合的关键，通过造成高比例高强度的微涡漩，利用其强烈的离心惯性效应可以保障药剂瞬间进入水体细部，使胶体脱稳瞬时、充分。

　　(3)对反应池中水流的全程进行合理有效的动力控制，可以有效提高单位时间内颗粒的碰撞凝并程度，同时可以适度减少单位体积内的颗粒数，在保证胶体脱隐的前提下，节省药耗。

　　(4)格网的布设一方面形成微涡流，使颗粒碰撞合并，另一方面利用过网的剪切使絮体压实，密度增大。此外，全程格网的布设为一些流动过程中破碎的矾花重新聚集提供了水力条件。合理的格网布设可以减弱低温和低浊的影响。

　　(5)小间距斜板为矾花的沉降提供了良好的水力条件，这在低温低浊期，颗粒极限沉速变小的情况下作用尤为突出。同时斜板的材质、支撑及角度保证了沉泥的快速彻底排除，在实际运行中小间距斜板保证了沉淀效果可靠性。

参考文献

　　[1] 王绍文 惯性效应在絮凝中的动力学作用 中国给水排水，1998；14（2）

　　[2]吴亚淮 低温低浊水净化技术的应用及发展 中国给水排水1989，5（5）

　　[3]徐继润等 水力旋流器流场理论 科学出版社，1998