巖土工程中渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水技術(shù)(1)

　　一、概述

　　“渦旋混凝低脈動(dòng)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(dòng)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(guān)尺度對(duì)混凝的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，提出了“慣性效應(yīng)“是絮凝的動(dòng)力學(xué)致因，湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動(dòng)力學(xué)因素，并建立了絮凝的動(dòng)力相似準(zhǔn)則;首次指出擴(kuò)散過(guò)程應(yīng)分為宏觀(guān)擴(kuò)散與亞微觀(guān)擴(kuò)散兩個(gè)不同的物理過(guò)程，而亞微觀(guān)擴(kuò)散的動(dòng)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(shí)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(shí)踐中，發(fā)明了串聯(lián)圓管初級(jí)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(xiàng)專(zhuān)利。目前這項(xiàng)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(lái)水公司成功地推廣使用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。工程實(shí)踐證明：此項(xiàng)技術(shù)用于新建水廠(chǎng)，構(gòu)筑物基建投資可節(jié)約20-30%;用于舊水廠(chǎng)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(chǎng)投資的30%-50%。采用此項(xiàng)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(yùn)行費(fèi)用和制水成本。

　　這項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)廣泛，不僅對(duì)低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時(shí)，對(duì)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(shí)間內(nèi)緩解城市供水短缺狀況，促進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　二、“渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)“的工作機(jī)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(gè)過(guò)程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地?cái)U(kuò)散到水體中的每一個(gè)細(xì)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?yàn)樵诨旌线^(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生膠體顆粒脫與凝聚，可以把這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為初級(jí)混凝過(guò)程，但這個(gè)過(guò)程的主要作用是混合，因此都稱(chēng)為混合過(guò)程。

　　混合問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是混凝劑水解產(chǎn)物在水中的擴(kuò)散問(wèn)題，使水中膠體顆粒同時(shí)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(jī)械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，國(guó)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(duì)于多相物系反應(yīng)中亞微觀(guān)傳質(zhì)以及湍流微結(jié)構(gòu)在膠體顆粒初始凝聚時(shí)的作用認(rèn)識(shí)不清，故也防礙了混凝效果的進(jìn)一步提高�；炷齽┧猱a(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴(kuò)散應(yīng)分為兩類(lèi)：(1)宏觀(guān)擴(kuò)散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體各個(gè)宏觀(guān)部位，其擴(kuò)散系數(shù)很大，這部分?jǐn)U散是由大渦旋的動(dòng)力作用導(dǎo)致的，因而宏觀(guān)擴(kuò)散可以短時(shí)間內(nèi)完成;(2)亞微觀(guān)擴(kuò)散，即濁凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位的擴(kuò)散，這部分?jǐn)U散系數(shù)比宏觀(guān)擴(kuò)散小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。亞微觀(guān)擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散。因此使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體第一個(gè)細(xì)部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀(guān)擴(kuò)散是起決定性作用的動(dòng)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(guān)擴(kuò)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(kuò)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(méi)等混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位擴(kuò)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(shí)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(zhǎng)大，形成松散的礬花顆粒，遇到強(qiáng)的剪切力吸附橋則被剪斷，出現(xiàn)了局部過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象。藥劑沒(méi)擴(kuò)散到的地方膠體顆粒尚未脫穩(wěn)，這部分絮凝反應(yīng)勢(shì)必不完善。這一方面是因?yàn)樗鼈兏簧弦衙摲€(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因?yàn)榛炷齽┘袇^(qū)域礬花迅速不合理長(zhǎng)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(shí)期污泥沉淀性能很差，水廠(chǎng)出水水質(zhì)不能保證。按傳統(tǒng)工藝建造的水廠(chǎng)，在特大高濁時(shí)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(guò)去工程界的人們對(duì)亞微風(fēng)傳質(zhì)現(xiàn)象不認(rèn)識(shí)，對(duì)其傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)致因也不認(rèn)識(shí)，因此傳統(tǒng)的混合設(shè)備無(wú)能力解決高濁時(shí)混合不均問(wèn)題，這不僅使水廠(chǎng)在特大高濁時(shí)大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的亞重浪費(fèi)和造成出水的PH值過(guò)低。

　　亞微觀(guān)擴(kuò)散究其實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律與用蜚克定律描寫(xiě)的宏觀(guān)擴(kuò)散規(guī)律完全不同。當(dāng)研究尺度接近湍流微結(jié)構(gòu)尺度時(shí)，物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴(kuò)散。在湍流水流中亞微觀(guān)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(jí)混凝設(shè)備和管式微渦初級(jí)混凝設(shè)備，就是利用高比例高強(qiáng)度微渦旋的離心慣性效應(yīng)來(lái)克服亞微觀(guān)傳質(zhì)阻力，增加亞微觀(guān)速率。生產(chǎn)使用證明這兩種設(shè)備在高濁時(shí)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(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了普通網(wǎng)板反應(yīng);國(guó)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(duì)絮凝的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)認(rèn)認(rèn)不清楚，也就防礙了絮凝效果的進(jìn)一步提高。

　　1、絮凝的動(dòng)力學(xué)致因

　　絮凝長(zhǎng)大過(guò)程是微小顆粒接觸與碰撞的過(guò)程。絮凝效果的好壞取決于下面兩個(gè)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(jìn)行合理的有效碰撞，這是由設(shè)備的動(dòng)力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動(dòng)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(rèn)為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動(dòng)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(guò)程是速度受限過(guò)程，隨著礬花的長(zhǎng)大，水流速度應(yīng)不斷減少。而在工程實(shí)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(gè)區(qū)域中不同的空間點(diǎn)上水流時(shí)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(shí)例充分說(shuō)明了速度梯度理論遠(yuǎn)未揭示絮凝的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。

　　絮凝的動(dòng)力學(xué)致因究竟是什么?是慣性效應(yīng)。因?yàn)樗沁B續(xù)介質(zhì)。水中的速度分布是連續(xù)的，沒(méi)有任何跳躍，水中兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距為無(wú)究不時(shí)，其速度差亦為無(wú)窮小，即無(wú)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(yùn)動(dòng)，由于沒(méi)有速度差就不會(huì)發(fā)生碰撞。由此可見(jiàn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣水流就會(huì)顆粒運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(dāng)水流速度變化時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)。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(shí)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(shí)平均速度變化形成慣性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行絮凝;二是改變水流方向。因?yàn)橥牧髦谐錆M(mǎn)著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷地在改變自己的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)水流作渦旋運(yùn)動(dòng)時(shí)在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(qiáng)，慣性效應(yīng)越強(qiáng)絮凝作用就越好。由此可見(jiàn)湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動(dòng)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(guó)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(dòng)通道上增設(shè)多層小孔眼格網(wǎng)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于過(guò)網(wǎng)水流的慣性作用，使過(guò)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(jí)。當(dāng)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(jí)。增設(shè)小孔眼格網(wǎng)這后有如下作用：

　　(1)水流通過(guò)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(qiáng)、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(qiáng)，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(guò)網(wǎng)水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸咐能級(jí)低的部分，由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸能級(jí)的部位，這樣就使得通過(guò)網(wǎng)格之后礬花變得更密實(shí)。

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