巖土工程中渦旋混凝低脈動沉淀給水技術(shù)(1)

　　一、概述

　　“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)“是根據(jù)王紹文教授提出的多相流動物系反應(yīng)控制慣性效應(yīng)理論，結(jié)合給水工程初中，經(jīng)近十年的研究而發(fā)明的。該技術(shù)涉及了給水處理中混合、絮凝反應(yīng)、沉淀三大主要工藝。

　　理論上，首次從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度即亞微觀尺度對混凝的動力學(xué)問題進行了深入的研究，提出了“慣性效應(yīng)“是絮凝的動力學(xué)致因，湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動力學(xué)因素，并建立了絮凝的動力相似準則;首次指出擴散過程應(yīng)分為宏觀擴散與亞微觀擴散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴散的動力學(xué)致因是慣性效應(yīng)，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。由于新理論克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)給水處理技術(shù)理論上的缺陷和實踐上的不足，因而導(dǎo)致了在給水處理技術(shù)上的重大突破。

　　實踐中，發(fā)明了串聯(lián)圓管初級混凝設(shè)備、小網(wǎng)格反應(yīng)設(shè)備、小間距斜板沉淀設(shè)備等三項專利。目前這項新技術(shù)已在大慶市、賓縣、海倫市、撫順市、清原縣、秦皇島市等地自來水公司成功地推廣使用，取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。工程實踐證明：此項技術(shù)用于新建水廠，構(gòu)筑物基建投資可節(jié)約20-30%;用于舊水廠技術(shù)改造，可使處理水量增加75%-100%，而其改造投資僅為與凈增水量同等規(guī)模新建水廠投資的30%-50%。采用此項技術(shù)可使沉淀池出水濁度低于3度，濾后水接近0度，可節(jié)省濾池反沖洗水量50%，節(jié)省藥劑投加量30%，大大降低了運行費用和制水成本。

　　這項技術(shù)適應(yīng)廣泛，不僅對低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時，對微污染原水具有較好的處理效果?？衫米钚⊥顿Y，取得最大效益，充分發(fā)揮現(xiàn)有供水設(shè)施的潛力，在短時間內(nèi)緩解城市供水短缺狀況，促進城市的經(jīng)濟發(fā)展。

　　二、“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)“的工作機理

　　(一)混合

　　混合是反應(yīng)第一關(guān)，也是非常重要的一關(guān)，在這個過程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地擴散到水體中的每一個細部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。因為在混合過程中同時產(chǎn)生膠體顆粒脫與凝聚，可以把這個過程稱為初級混凝過程，但這個過程的主要作用是混合，因此都稱為混合過程。

　　混合問題的實質(zhì)是混凝劑水解產(chǎn)物在水中的擴散問題，使水中膠體顆粒同時脫穩(wěn)產(chǎn)生凝聚，是取得好的絮凝效果的先決條件，也是節(jié)省投藥量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的機械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，國內(nèi)外采用管式靜態(tài)混合器使混合效果有了比較明顯地提高，但由于人們對于多相物系反應(yīng)中亞微觀傳質(zhì)以及湍流微結(jié)構(gòu)在膠體顆粒初始凝聚時的作用認識不清，故也防礙了混凝效果的進一步提高。混凝劑水解產(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴散應(yīng)分為兩類：(1)宏觀擴散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴散到水體各個宏觀部位，其擴散系數(shù)很大，這部分擴散是由大渦旋的動力作用導(dǎo)致的，因而宏觀擴散可以短時間內(nèi)完成;(2)亞微觀擴散，即濁凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位的擴散，這部分擴散系數(shù)比宏觀擴散小幾個數(shù)量級。亞微觀擴散的實質(zhì)是層流擴散。因此使混凝劑水解產(chǎn)物擴散到水體第一個細部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀擴散是起決定性作用的動力學(xué)因素。

　　例如高濁水的處理中，混凝劑水解產(chǎn)物的亞微觀擴散成為控制處理效果的決定性因素。由于混凝劑的水解產(chǎn)物向極鄰近部擴散的速度非常慢，在高濁期水中膠體顆粒數(shù)量非常多，因此沒等混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位擴散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時期有些地方混凝劑水解產(chǎn)物局部集中的地方礬花迅速長大，形成松散的礬花顆粒，遇到強的剪切力吸附橋則被剪斷，出現(xiàn)了局部過反應(yīng)現(xiàn)象。藥劑沒擴散到的地方膠體顆粒尚未脫穩(wěn)，這部分絮凝反應(yīng)勢必不完善。這一方面是因為它們跟不上已脫穩(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因為混凝劑集中區(qū)域礬花迅速不合理長大，也使未脫穩(wěn)的膠體顆粒失去了反應(yīng)碰撞條件。這樣就導(dǎo)致了高濁時期污泥沉淀性能很差，水廠出水水質(zhì)不能保證。按傳統(tǒng)工藝建造的水廠，在特大高濁時都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質(zhì)。這是由于過去工程界的人們對亞微風傳質(zhì)現(xiàn)象不認識，對其傳質(zhì)的動力學(xué)致因也不認識，因此傳統(tǒng)的混合設(shè)備無能力解決高濁時混合不均問題，這不僅使水廠在特大高濁時大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的亞重浪費和造成出水的PH值過低。

　　亞微觀擴散究其實質(zhì)是層流擴散，其擴散規(guī)律與用蜚克定律描寫的宏觀擴散規(guī)律完全不同。當研究尺度接近湍流微結(jié)構(gòu)尺度時，物質(zhì)擴散過程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴散。在湍流水流中亞微觀傳質(zhì)主要是由慣性效應(yīng)導(dǎo)致的物質(zhì)遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。我們發(fā)明的串聯(lián)管式初級混凝設(shè)備和管式微渦初級混凝設(shè)備，就是利用高比例高強度微渦旋的離心慣性效應(yīng)來克服亞微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀速率。生產(chǎn)使用證明這兩種設(shè)備在高濁時混合效果良好，不僅比傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節(jié)省了投藥量。

　　(二)反應(yīng)

　　絮凝是給水處理的最重要的工藝環(huán)節(jié)，濾池出水水質(zhì)主要由絮凝效果決定的。傳統(tǒng)廊道反應(yīng)、回轉(zhuǎn)孔室反應(yīng)以及回轉(zhuǎn)組合式隔板反應(yīng)的絮凝工藝，水在設(shè)備中停留20-30分鐘，水中尚有很多絮凝不完善的小顆粒。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了普通網(wǎng)板反應(yīng);國外推出了折板式與波形板反應(yīng)設(shè)備，使絮凝效果有了比較明顯地改善。但由于人們對絮凝的動力學(xué)本質(zhì)認認不清楚，也就防礙了絮凝效果的進一步提高。

　　1、絮凝的動力學(xué)致因

　　絮凝長大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決于下面兩個因素：一是混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的;二是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進行合理的有效碰撞，這是由設(shè)備的動力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學(xué)科認為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因。按照這一理論，要想增加碰撞幾率就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝過程是速度受限過程，隨著礬花的長大，水流速度應(yīng)不斷減少。而在工程實踐中，網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)池在網(wǎng)格后面一定距離處水流近似處于均勻各向同性湍流狀態(tài)，即在這個區(qū)域中不同的空間點上水流時平均速度都是相同的，速度梯度為零。按照速度梯度理論，速度梯度越大，顆粒碰撞次數(shù)越多，網(wǎng)格絮凝反應(yīng)池速度梯度為零，其反應(yīng)效率應(yīng)效果卻優(yōu)于其它傳統(tǒng)反應(yīng)設(shè)備。這一實例充分說明了速度梯度理論遠未揭示絮凝的動力學(xué)本質(zhì)。

　　絮凝的動力學(xué)致因究竟是什么?是慣性效應(yīng)。因為水是連續(xù)介質(zhì)。水中的速度分布是連續(xù)的，沒有任何跳躍，水中兩個質(zhì)點相距越近其速度差越小，當兩個質(zhì)點相距為無究不時，其速度差亦為無窮小，即無速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運動，由于沒有速度差就不會發(fā)生碰撞。由此可見要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產(chǎn)生相對運動，這樣水流就會顆粒運動產(chǎn)生水力阻力。由于不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度顆粒之間就產(chǎn)生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產(chǎn)生相對運動呢?最好的辦法是改變水流的速度。因不水的慣性(密度)與顆粒的慣性(密度)不同，當水流速度變化時它們的速度變化(加速度)也不同，這就使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對運動。為相鄰不同尺度顆粒碰撞提供了條件。這就是慣性效應(yīng)的基本理論。

　　改變速度方法有兩種：一是改變水流時平均速度大小。水力脈沖澄清池、波形板反應(yīng)池、孔室反應(yīng)池以及濾池的微絮凝主要就是利用水流時平均速度變化形成慣性效應(yīng)來進行絮凝;二是改變水流方向。因為湍流中充滿著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點在運動時不斷地在改變自己的運動方向。當水流作渦旋運動時在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對運動，為不同尺度顆粒沿湍流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質(zhì)量所受離心慣性力是不同的，這個作用將增加不同尺度顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的幾率。渦旋越小，其慣性力越強，慣性效應(yīng)越強絮凝作用就越好。由此可見湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動力學(xué)致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增國顆粒碰撞次數(shù)，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的流動通道上增設(shè)多層小孔眼格網(wǎng)的辦法來實現(xiàn)。由于過網(wǎng)水流的慣性作用，使過網(wǎng)水流的大渦旋變成小渦旋，小渦旋變成更小的渦旋。不設(shè)網(wǎng)格的絮凝池湍流的最大渦旋尺度與絮凝池通道尺度同一數(shù)量級。當增設(shè)格網(wǎng)之后，最大渦旋尺度與網(wǎng)眼尺度同一數(shù)量級。增設(shè)小孔眼格網(wǎng)這后有如下作用：

　　(1)水流通過格網(wǎng)的區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強、顆粒碰撞幾率最高的區(qū)段;

　　(2)小孔眼格網(wǎng)之后湍流的渦旋尺度大幅度減少，微渦旋比例增強，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù);

　　(3)由于過網(wǎng)水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強烈的變形，使礬花中處于吸咐能級低的部分，由于其變形揉動作用達到高吸能級的部位，這樣就使得通過網(wǎng)格之后礬花變得更密實。

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