摘要：依據(jù)低溫低濁水的特點(diǎn)，對低溫低濁水處理過程中的亞微觀傳質(zhì)及絮凝過程中的動力特性進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)對研究結(jié)果的 可應(yīng)用性及實(shí)用性進(jìn)行說明，闡明了該技術(shù)在應(yīng)用上低耗高效的特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：低溫低濁，慣性效應(yīng)，微渦漩，亞微觀，低脈動

　Research On Experiment Of Treating Water Of Low Temperature And Low Turbidity Using Vortex Coagulation Low-Pulsation Sedimentation Process

　　ABSTRACT: Regarding to the properties of low-temperature and low-tur-bidity water, the paper analyzed the kinetic effects in the process of submicro mass transfer and flocculation during the treatment of low temperature and low turbidity water. Through the experimental studies on the applicability of the experiment results, the paper illustrated the features of high efficiency and low energy consumption of this technique.
　　KEY WORDS: low- temperature and low - turbidity, inertia effects, micro - vortex , submicro, low-pulsation

前　言

　　我國的東北、華北、西北和內(nèi)蒙等地，全年有3—5個月冰凍期，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10NTU～30NTU，有時濁度降至10NTU以下。低溫低濁期，水中膠體顆粒電位升高，約為中溫時期的2倍，膠體間靜電斥力增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)；水的粘滯性增加，顆粒運(yùn)動的阻力變大，碰撞困難；由于溫度低，顆粒的布朗運(yùn)動減弱，微粒的惰性增強(qiáng)，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻，均小于常溫時期的粒徑，由此，雖然原水濁度較低，但直接過濾的效果并不明顯；冬季，地表水體中無機(jī)膠體顆粒含量減少，有機(jī)膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機(jī)成份較多，因而礬花的密度較原水水質(zhì)平常期??；由于低溫的影響，動力粘滯系數(shù)變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。
　　受低溫低濁的影響，北方的地表水處理廠在各季水量、水質(zhì)很難達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，一些水廠降負(fù)荷運(yùn)行以保證水質(zhì)，供水趨于緊張。針對這一現(xiàn)狀，目前有投加粘土、沉泥回流、浮沉工藝及微絮凝過濾等一些技術(shù)、措施應(yīng)用于水處理中。投加粘土及沉泥回流的目的是增加顆粒碰撞次數(shù)，微小的顆粒也可有效去除。浮沉池利用氣浮技術(shù)將一些微小絮體裹攜去除以達(dá)到凈化目的，該工藝效果較好，但浮沉池占地面積及設(shè)備較常規(guī)工藝增加很多。微絮凝工藝的截留礬花能力強(qiáng)，但當(dāng)原水濁度提高后，其工作周期縮短，反沖洗水量增加。綜上所述，低濁低濁期為了保證水質(zhì)、水量，應(yīng)用了一些新工藝，因而擴(kuò)大了土建投資和設(shè)備投資，一方面增加了水廠的建設(shè)投資，另一方面運(yùn)行管理和維修費(fèi)用增加。因此，應(yīng)當(dāng)探索在不增加造價，甚至減少造價的條件下對低溫低濁期和原水水質(zhì)平常期均有效的處理工藝，也就是控制混合、反應(yīng) 及沉淀工藝的動力學(xué)過程，來實(shí)現(xiàn)顆粒強(qiáng)烈的有效碰撞、合理凝并和高效截留。

1、渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)凈化低溫低濁水的機(jī)理研究

　　給水處理的混合、反應(yīng)和沉淀工藝是處理效果優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到濾池的工作狀況和總體處理效果。該凈化過程可概括為膠體顆粒的脫穩(wěn)析出、微絮體的合理凝并長大(使礬花顆粒具有一定的尺度、密實(shí)度和抗剪切能力)以及礬花顆粒的有效截留?；煲蓜┬阅芎凸に囘^程的動力學(xué)控制是凈化的關(guān)鍵。多年來給水處理中顆粒碰撞的動力學(xué)致因一直未搞清楚，因而形成了常規(guī)工藝在原水水質(zhì)平常期能達(dá)到處理標(biāo)準(zhǔn)，而在低溫低濁等特殊時期 降負(fù)荷以保證出水水質(zhì)的局面。
　　混合和初始絮凝是給水處理的重要環(huán)節(jié)?；旌系谋举|(zhì)是混凝劑的水解產(chǎn)物向水體中的擴(kuò)散過程，擴(kuò)散分為宏觀擴(kuò)散、亞微觀擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了微觀微粒的碰撞反應(yīng)。宏觀擴(kuò)散取決于濃度梯度和水體湍動強(qiáng)度，一般的混合設(shè)備均能完成宏觀擴(kuò)散。微觀微粒的碰撞反應(yīng)取決于熱力學(xué)條件和微粒的物理化學(xué)特性。亞微觀擴(kuò)散是擴(kuò)散阻力最大的一環(huán)，它決定了混合的效果。
　　對于擴(kuò)散系數(shù)可描還如下：

　　K～α（ε₀λ）^1/3.λ（λ＞λ₀）　?。?）
　　K～β[（ε₀/v).λ]^1/2（λ≤λ₀）?。?）

　　式中：λ渦流尺度
　　　　　λ₀：渦流特征尺度
　　　　　ε₀：能耗頂
　　　　　v：運(yùn)動粘滯系數(shù)
　　　　　α.β：與流態(tài)和熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)

　　由上式可看出，λ＜λ0時的K值比λ＞λ0時的K值小幾個數(shù)量級，因此它的擴(kuò)散阻力最大。在實(shí)際工程中，通過造成高比例高強(qiáng)度的微渦漩，利用微渦漩的離心慣性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)多相物系中的顆粒遷移，克服亞微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀傳質(zhì)速率，促進(jìn)亞微觀傳質(zhì)。在試驗(yàn)研究中，我們利用管式微渦混合器和串聯(lián)圓管混合器來實(shí)現(xiàn)混合的工藝。這兩種混臺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(qiáng)度的微渦漩，從而充分利用微小渦漩的離心慣性效應(yīng)使混凝劑的水解產(chǎn)物瞬間進(jìn)入水體細(xì)部，使膠體顆粗脫穩(wěn)，避免了局部藥劑浪費(fèi)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(shè)備可迅速使其間肢體顆粒脫穩(wěn)析出，同時，較強(qiáng)的剪切作月避免了微絮體的不合理長大，從而保證單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，為微小礬花的凝并提供了物量的保障。
　　水體中的膠體顆粒脫穩(wěn)析出后，含有微絮體的水進(jìn)入反應(yīng)池，在反應(yīng)池中使微絮體相互碰撞凝并，保持一定的尺度、密實(shí)度和抗剪切強(qiáng)度。在試驗(yàn)研究中，通過在反應(yīng)池的過水?dāng)嗝嫔显O(shè)置不同形式的網(wǎng)格 來完成工藝目的。由于水流經(jīng)過格網(wǎng)和格 網(wǎng)后的過水?dāng)嗝娌灰恢拢虼烁鶕?jù)伯努力方程Z+P/r+U²/2g＝C(Z:勢能；P/r：壓能；U²/2g: 動能，C：常量)可知，在經(jīng)過格網(wǎng)處和格網(wǎng) 后的壓力不一致，有逆向壓力梯度存在。由于過網(wǎng)后的流線分離，在網(wǎng)條后形成速度空白區(qū)，從而網(wǎng)后渦流產(chǎn)生，通過控制流速和網(wǎng)的形式，可以控制渦漩的大小和強(qiáng)度。在渦流中取其間的顆粒進(jìn)行受力分析，顆粒受到離心力(F1)、水的壓力(F2)和運(yùn)動產(chǎn)生的繞流阻力Fd的作用：

　　F₁=ρ₀（U²/r）（3）
　　F₂= эp/эr (4)
　　

　　根據(jù)顆粒所受的運(yùn)動阻力Fd＝Cd·πr₀².ρU²/2（Cd：繞流阻力系數(shù)，r0:顆粒尺度)可以得出單位質(zhì)量顆粒受力fd＝3CdρU²/（8ρ₀r₀），由式中可以看出，在水體中運(yùn)動的顆粒，單位質(zhì)量大顆粒所受阻力小，單位質(zhì)量小顆粒所受阻力大，因此渦漩內(nèi)不同尺度的顆粒沿徑向有碰撞的可能。由于離心慣性效應(yīng)，顆粒作徑向運(yùn)動，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運(yùn)動時，因速度差異而與新速 度區(qū)內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞合并。漩渦內(nèi)相鄰碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦流離開原位置，這為不同漩渦內(nèi)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(yùn)行中的耗藥量越高，也越難處理。研究認(rèn)為，在任何水體中，保證單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)量和有效碰撞次數(shù)是至關(guān)重要的。在濁度較高時，單位體積水體內(nèi)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(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在低濁條件下，投加少量混凝劑即可使膠體脫穩(wěn)，由于① 低濁時單位體積內(nèi)顆粒密度小②微絮體的不合理凝并，導(dǎo)致部分微絮體失去了碰撞凝并的條件，從而使得反應(yīng)池出水礬花中小硯花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在本試驗(yàn)研究中，著重增強(qiáng)了混合過程中的傳質(zhì)擴(kuò)散和顆粒有效碰撞，并在水流過程中保持一定的剪切強(qiáng)度，使凝并的礬花不斷壓密，保證其達(dá)到理想的密實(shí)度。給水處理中。通過對混合、反應(yīng)過程中顆粒碰撞凝并進(jìn)行合理的動力學(xué)控制，可以大幅 度增加單位體積內(nèi)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(nèi)的顆粒數(shù)量，因而較常規(guī)工藝節(jié)減小藥耗，原水濁度越低，溫度越低，效果就越明顯。
　　依據(jù)淺池理論及對顆粒沉降中湍流擾動的抑制，試驗(yàn)研究中應(yīng)用了小間距斜板。我們作一下對比計(jì)算，在T=5℃，上升流速q=3.0mm/s,斜板單元為12.5cm×1.5cm時，其間雷諾數(shù)Re=13；而對于T＝5℃，q＝2.5mm／s，間距為3.5cm的斜管，其間雷諾 數(shù)Re＝15。由此，上升流逐為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(yùn)行中、由于小間距斜板間距小，無側(cè)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(shí)際制作過程中，對斜板材料的光滑度、強(qiáng)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(yùn)行過程是不改變傾角，斜板不變形，從而使設(shè)計(jì)意圖得以全面實(shí)觀。由斯托克期方程可知，在低溫條件下，由于動力粘滯系數(shù)增大，顆粒沉降速度U1.4=[1(ρ0-ρ）gd^1.6]/[13.9ρ^0.4.μ^0.8]減小，這意味著，在相同上升流速條件下，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態(tài)去除率降低，甚至不能去除而影響水質(zhì)，同時增加濾池負(fù)荷，這也是冬季北方水廠降負(fù)荷的主要原因之一。由于在混合反應(yīng)上的強(qiáng)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(shí)際運(yùn)行中得到了證實(shí)。

2.試驗(yàn)

　　在以往的試驗(yàn)中，采用了小型設(shè)備，試驗(yàn)流量Q＝O.5m³/h--3.0m³/h，試驗(yàn)水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設(shè)備在 低溫低濁下運(yùn)行其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗(yàn)中，串聯(lián)圓管混合器混合時間10s～30s，管式微渦混合器混合時間3s～5s，小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)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，以及說明渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的易操作性，下面將該技術(shù)在大慶中引水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況與原工藝的運(yùn)行情況介紹如下。
　　中引水處理廠共10組反應(yīng)沉淀池，單組設(shè)計(jì)負(fù)荷2.5萬米³／日。1997年10月至11月對其中一組進(jìn)行了應(yīng)用新技術(shù)的改造。在改造中，拆除了原工藝設(shè)備，安裝了與新技術(shù)相匹配的設(shè)備，其中反應(yīng)池是依據(jù)原池的現(xiàn)狀，通過市設(shè)不同孔徑和距離的格網(wǎng)來控制水流的流態(tài)，使格網(wǎng)、廊道及轉(zhuǎn)彎處的動力條件相一致或有序。

　　原工藝：
　　原水→靜態(tài)混合器（10s)→傳統(tǒng)豎井格網(wǎng)反應(yīng)池(23min)→三層測向流斜板沉淀池(q=5.0m³／m².h)→出水
　　試驗(yàn)工藝：
　　原水→管式微渦混合器（5s）→小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)池→小間距斜板沉淀池→出水

　　試驗(yàn)場地原水取自嫩江中游的一個水庫。試驗(yàn)中藥劑選用硫酸鋁+活化硅酸，硫酸鋁采用藥劑廠原液，不加稀釋?；罨杷嵬读烤捎?mg／L。在試驗(yàn)中，采用了電磁流量計(jì)測量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計(jì)量泵+流星計(jì)，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。在實(shí)際運(yùn)行中的對比結(jié)果用曲線描述如下：

　　　

　　新原工藝對比說明：
　?、傩鹿に囕^原工藝處理量提高了30.8％。
　?、谛鹿に囃端幜枯^原工藝減少26.7％。
　?、坌鹿に嚨某恋沓爻鏊?NTU以內(nèi)，原工藝沉淀池出水在5.7—11.3NTU，當(dāng)原工藝與新工藝以相同的高負(fù)荷量運(yùn)行時，原工藝與新工藝無可比性。

3.結(jié)論

　　(1)渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)在低溫低濁時期處理水是行之有效的。該技術(shù)揭示了多相物系傳質(zhì)碰撞的動力學(xué)致因，因而在低溫低濁水處理中顯示了 較強(qiáng)的適應(yīng)性和生命力。
　　(2)低溫低濁水處理中亞微觀擴(kuò)散是混合的關(guān)鍵，通過造成高比例高強(qiáng)度的微渦漩，利用其強(qiáng)烈的離心慣性效應(yīng)可以保障藥劑瞬間進(jìn)入水體細(xì)部，使膠體脫穩(wěn)瞬時、充分。
　　(3)對反應(yīng)池中水流的全程進(jìn)行合理有效的動力控制，可以有效提高單位時間內(nèi)顆粒的碰撞凝并程度，同時可以適度減少單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，在保證膠體脫隱的前提下，節(jié)省藥耗。
　　(4)格網(wǎng)的布設(shè)一方面形成微渦流，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網(wǎng)的剪切使絮體壓實(shí)，密度增大。此外，全程格網(wǎng)的布設(shè)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(wǎng)布設(shè)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件，這在低溫低濁期，顆粒極限沉速變小的情況下作用尤為突出。同時斜板的材質(zhì)、支撐及角度保證了沉泥的快速徹底排除，在實(shí)際運(yùn)行中小間距斜板保證了沉淀效果可靠性。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 王紹文 慣性效應(yīng)在絮凝中的動力學(xué)作用 中國給水排水，1998；14（2）
　　[2]吳亞淮 低溫低濁水凈化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展 中國給水排水1989，5（5）
　　[3]徐繼潤等 水力旋流器流場理論 科學(xué)出版社，1998