渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)

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(jìn)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(zhǔn)則；首次指出擴(kuò)散過程應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散與亞微觀擴(kuò)散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴(kuò)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(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)效益和社會效益。工程實(shí)踐證明：此項(xiàng)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(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�用最小投資，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(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

二、“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術(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)，在這個過程中應(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^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(shí)質(zhì)是混凝劑水解產(chǎn)物在水中的擴(kuò)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(jī)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(rèn)識不清，故也防礙了混凝效果的進(jìn)一步提高。混凝劑水解產(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴(kuò)散應(yīng)分為兩類：（1）宏觀擴(kuò)散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體各個宏觀部位，其擴(kuò)散系數(shù)很大，這部分?jǐn)U散是由大渦旋的動力作用導(dǎo)致的，因而宏觀擴(kuò)散可以短時間內(nèi)完成；（2）亞微觀擴(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)比宏觀擴(kuò)散小幾個數(shù)量級。亞微觀擴(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)散到水體第一個細(xì)部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀擴(kuò)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(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(qiáng)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(kuò)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?yàn)樗鼈兏�不上已脫穩(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因?yàn)榛炷齽┘�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(fēng)傳質(zhì)現(xiàn)象不認(rèn)識，對其傳質(zhì)的動力學(xué)致因也不認(rèn)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(fèi)和造成出水的PH值過低。

亞微觀擴(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的宏觀擴(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，物質(zhì)擴(kuò)散過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(qiáng)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(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(jìn)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(rèn)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(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)，即在這個區(qū)域中不同的空間點(diǎn)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(shí)例充分說明了速度梯度理論遠(yuǎn)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?yàn)樗�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(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個質(zhì)點(diǎn)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(yùn)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(yùn)動，這樣水流就會顆粒運(yùn)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(yùn)動呢？最好的辦法是改

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