余承烈，董康儒
（山西呂廠，山西 河津 043300）

　　摘要：通過研究混凝過程、總結(jié)混凝試驗(yàn)結(jié)果、分析現(xiàn)行的混凝新技術(shù)，認(rèn)為混凝劑與膠體離子(或溶解物)的接觸碰撞、初始絮體在速度梯度作用下的自旋、絮體在渦旋中的回轉(zhuǎn)都可提高混凝效果。
　　關(guān)鍵詞：水處理；混凝；接觸碰撞；速度梯度
　　中圖分類號(hào)：TU991.22　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B　　 文章編號(hào)：1009—2455(2003)05—0054—03

　　水的混凝機(jī)理一直是水處理與化學(xué)工作者們關(guān)心的課題，迄今也還沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)^[1]。一般認(rèn)為：混凝分為凝聚和絮凝兩個(gè)過程。凝聚是瞬時(shí)的，它是反映化學(xué)藥劑在水中擴(kuò)散的過程^[2]。絮凝則與凝聚不同，它反映脫穩(wěn)后的膠體顆?；ハ嗯鲎埠笳吃谝黄鹦纬纱笾率怯谰眯跃奂w的過程^[3]。凝聚的時(shí)間很短，要想把凝聚和絮凝完全分開是很難的，因此把能引起凝聚和絮凝作用的藥劑稱為混凝劑。通過觀察混凝過程，筆者認(rèn)為可以通過以下三個(gè)環(huán)節(jié)提高混凝效果。

1 增加接觸碰撞

　　混凝機(jī)理一般認(rèn)為有以下4種：
　　①雙電層壓縮機(jī)理；
　　②吸附電中和作用機(jī)理；
　　③吸附架橋作用機(jī)理；
　　④沉淀物網(wǎng)捕機(jī)理。
　　無(wú)論那一種機(jī)理，要完成上述過程，首先是造成膠體顆粒與藥劑水解分子相互靠近、碰撞、接觸。例如，接觸凝聚，實(shí)際上是縮小水流通道，客觀上造成膠體顆粒與吸附體之間的距離很近，才能產(chǎn)生更多的碰撞、接觸機(jī)會(huì)，取得事半功倍的效果。雖然說，微粒的聚集是通過碰撞完成的，但不是每次碰撞都會(huì)發(fā)生凝聚，凝聚速度決定于有效碰撞次數(shù)，有效碰撞取決于微粒濃度，也就是說有效碰撞與碰撞是成正比的。近年來，新興起的結(jié)團(tuán)凝聚處理法^[4]，也是基于提高碰撞機(jī)率的原理。這種裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱內(nèi)尚無(wú)顆粒懸浮層，出水渾濁，但柱底逐漸有顆粒積累，隨著底部粒狀物增加，懸浮泥渣層逐漸形成，出水逐漸由濁變清。當(dāng)懸浮層不斷增厚至20-30cm時(shí)，柱內(nèi)呈清晰的泥水界面，懸浮層不斷增厚，出水濁度不斷降低，在較高上升流速時(shí)，各結(jié)團(tuán)絮凝體顆粒在懸浮層中不斷翻滾，但整個(gè)懸浮層隨著泥渣量的增加以均勻的速度向上移動(dòng)，將多余的懸浮體從泥渣口排出后，它們極易與水分離，分離出的水保持清澈。筆者在進(jìn)行“高效固液分離裝置”(專利產(chǎn)品)中試時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象：污水在上升過程中，穿過一個(gè)懸浮泥渣層再進(jìn)入過濾層，盡管進(jìn)水水質(zhì)變化很大，進(jìn)水ρ(SS)=400—2 500m g／L，出水水質(zhì)卻很穩(wěn)定，出水ρ(SS)=5—10mg／n，當(dāng)過濾水頭上升時(shí)開始排泥，從排泥管放出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-6％的積泥，靜置10min即出現(xiàn)清澈的水面，明顯地能看出泥與水已經(jīng)分離，倒出上清液后，泥液明顯增稠，泥層比較密實(shí)，不像普通沉淀池排出的泥液那樣稀松。
　　日本專家Tambo.N提出接觸絮凝方程式^[5]為：

　　dn／dt=-∏／4qv_s(D+d)²Nn 　　　(1)
　　式中：N，n——分別為單位體積內(nèi)成熟絮凝體和微絮凝體的數(shù)目，個(gè)／cm³；
　　　　　t——接觸絮凝時(shí)間，s；
　　　　　q——絮凝系數(shù)；
　　　　　v_s——水流上升流速，cm／s；
　　　　　D，d——分別為成熟絮體和微絮凝體平均粒徑，cm。
　　從(1)式看出，增加N，n值可以成倍地提高絮凝效果。　
　　錢榮孫試驗(yàn)的軟性固體介質(zhì)絮凝工藝只所以比普通石英砂接觸濾池凈水效率高，也就是因?yàn)橥瑯拥倪^濾面積，軟性固體填料有更高的空隙率，能夠更多地造成絮凝體之間接觸、吸附的機(jī)會(huì)，相當(dāng)于提高了單位體積內(nèi)的顆粒濃度，使絮凝體大量地迅速地與水分離。
　　日常設(shè)計(jì)中往往是經(jīng)過反應(yīng)池形成“礬花”(即絮凝體)后，便想辦法造成一種環(huán)境，擴(kuò)大水流面積，使水流速大大降低，讓絮凝體在層流狀態(tài)下慢慢沉降，完成與水的分離過程^[6]。其實(shí)在凝聚向絮凝轉(zhuǎn)化過程中，還有一部分凝聚體體積很小，質(zhì)量很輕，這部分懸浮物在設(shè)計(jì)給定的環(huán)境中不容易馬上沉下來，那么靠一個(gè)大的沉淀面積(實(shí)際上是一個(gè)大的停留體積)，這部分凝聚體各自運(yùn)動(dòng)，空間大了反而不容易再次碰撞在一起，大的絮凝體已經(jīng)沉下去，小的還懸浮于水中，出水余濁必定較高，若在此過程中，再給一個(gè)“束縛”的機(jī)會(huì)，讓這些凝聚體再次靠近，碰撞接觸，聚結(jié)成大的顆粒而沉降，這樣的過程才能更完善，出水水質(zhì)會(huì)更好。例如，如果在豎流沉淀池的分離區(qū)，通過控制上升流速、泥渣回流手段造成一個(gè)懸浮泥渣層，利用懸浮泥渣層吸附、碰撞、接觸，進(jìn)一步去除細(xì)小顆粒，提高出水水質(zhì)，提高產(chǎn)水率。懸浮泥渣層在機(jī)械加速澄清池中的作用相當(dāng)重要，也能說明這個(gè)道理。再如：如果我們?cè)诤趿鞒恋沓氐奈膊吭黾永w維軟性填料，肯定對(duì)細(xì)小顆粒有進(jìn)一步“攔截”作用，能進(jìn)一步降低余濁。當(dāng)然纖維填料的設(shè)置和清洗方法要具備可行性。筆者分析過國(guó)外的所謂高效沉淀池(或者高效固液分離裝置)，其形狀尺寸就是利用了上述原理，如他們的高效沉降槽，就是比我們?cè)O(shè)計(jì)的沉降槽“瘦高”一些，其余沒什么特殊之處。就是說，適當(dāng)放大高度與直徑的比例，讓絮凝體在沉降過程中，互相之間碰撞接觸的機(jī)會(huì)增多，聚結(jié)后共同下沉，就能獲得好的分離效果。

2 初級(jí)微粒絮體顆粒的“自旋”

　　在混凝過程中，脫穩(wěn)微粒相互聚結(jié)而形成初級(jí)微絮體顆粒。這里不能不提到速度梯度。速度梯度(G)作為絮凝池的設(shè)計(jì)參數(shù)已沿用多年，目前除了G值以外，未找到更理想，更確切的反應(yīng)絮凝過程的指標(biāo)。
　　根據(jù)水力學(xué)的解釋：因?yàn)樗姓硿裕虼怂诹鲃?dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生速度梯度，即水層之間存在速度的變化值。一般認(rèn)為異向凝聚是由于布朗運(yùn)動(dòng)造成的，而同向凝聚是由于攪拌作用而產(chǎn)生的。筆者認(rèn)為無(wú)論是攪拌或折板反應(yīng)，格網(wǎng)反應(yīng)，迷宮反應(yīng)等，無(wú)非是在水流中產(chǎn)生渦旋，有渦旋時(shí)，速度梯度值就會(huì)變化很快，除了造成凝聚體的“你追我趕”相互碰撞以外，還會(huì)產(chǎn)生凝聚體或微絮體本身的“自旋”。因此渦旋內(nèi)流線發(fā)生變化，相鄰流層之間存在速度差值，一個(gè)微粒很可能在其前進(jìn)方向的兩側(cè)受到不同的速度影響，正是在這兩個(gè)不同速度的差值形成力矩，推動(dòng)絮體或凝聚體自身旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樾跄w不是理想的球形體，而是象云片樹枝一樣，因此可以肯定地說絮體或凝聚體一旦自身旋轉(zhuǎn)，其半徑可能要擴(kuò)大幾倍，甚至更高。根據(jù)文獻(xiàn)^[6]提出的公式：

　　-DN／dt=2／3Gd³N² (2)
　　式中：N——單位容積的顆粒個(gè)數(shù)，個(gè)/cm³；
　　　 d——顆粒直徑，cm；
　　　 G——速度梯度，s。
　　(2)式中碰撞的效率與d的三次方成比例，可見自旋在絮凝過程中的作用很重要，如半徑增加1倍，可獲得64倍的碰撞效率。當(dāng)然，速度梯度對(duì)相鄰流層之間的剪切力也會(huì)使形成的凝聚體遭到“剪切”而斷裂。影響混凝效果，因此，對(duì)一種水質(zhì)一種藥劑，一種反應(yīng)方式都有一個(gè)最佳速度梯度值，這個(gè)值一般是一個(gè)范圍，G值過大剪切作用明顯，破壞凝聚體；G值過小，擴(kuò)散強(qiáng)度弱，碰撞速度慢，又不足以推動(dòng)初始粒子自旋，降低了凝聚體生成速度，文獻(xiàn)^[7]指出：絮凝池中的湍流充滿著大大小小的渦旋，它們不斷地產(chǎn)生、發(fā)展、衰減與消失，大尺度渦旋破壞后形成較小尺度的渦旋，較小尺度形成更小的，其中的微小渦旋導(dǎo)致了顆粒碰撞、絮凝。微小渦旋最容易引起絮體和自旋。而直徑大小又能最大限度地保護(hù)生成的凝聚體不被破壞，在設(shè)計(jì)高效絮凝反應(yīng)器時(shí)，控制水流在反應(yīng)器沿程能夠形成與絮體顆粒相近的微渦旋尺度就是這個(gè)道理。這個(gè)觀點(diǎn)目前在微觀狀態(tài)下還得不到證實(shí)，但在結(jié)團(tuán)凝聚過程中的顆粒自旋、翻卷，可以給我們以這方面的啟發(fā)。

3 絮凝體的回轉(zhuǎn)

　　在上文敘述中已談到微渦漩會(huì)造成初始絮凝體的自旋，自旋本身相當(dāng)于增大了絮體的半徑，所以能提高混凝效果。
　　除此以外，在高效絮凝技術(shù)中，都利用了各種手段產(chǎn)生渦旋，提高絮凝效率，筆者認(rèn)為在反應(yīng)階段，長(zhǎng)大后的絮凝體在渦漩中由于慣性力和離心力的作用會(huì)繞著渦旋中心，以渦旋中心為軸而回轉(zhuǎn)，相當(dāng)于更大范圍內(nèi)擴(kuò)大了自身的半徑，而且有時(shí)還會(huì)在渦漩中反復(fù)回轉(zhuǎn)，一次又一次，增加了微粒碰撞、接觸的機(jī)會(huì)，使小顆粒凝結(jié)成大顆粒，大顆粒聚結(jié)成更大的顆粒從而與水分離。例如在網(wǎng)板反應(yīng)中r副，當(dāng)水流繞過非線性圓柱體(網(wǎng)絲)時(shí)，由于發(fā)生邊界分流現(xiàn)象，在圓柱體后部?jī)蓚?cè)便產(chǎn)生渦漩。渦漩長(zhǎng)大到一定程度即從主體分離，順流而下，隨后又產(chǎn)生新的旋渦。觀測(cè)表明：初始的渦旋大小基本上與柱體尺寸處于同一數(shù)量級(jí)。反應(yīng)水流中的渦旋尺度可以通過調(diào)整網(wǎng)格尺度的辦法來控制，使其與形成的絮體顆粒粒徑接近于同一數(shù)量級(jí)，同時(shí)也可以根據(jù)絮體在反應(yīng)過程中不斷增大的規(guī)律來設(shè)計(jì)不同級(jí)的反應(yīng)條件，提高反應(yīng)效率?；剞D(zhuǎn)則能提高絮凝效率，宏觀現(xiàn)象觀測(cè)更能說明這個(gè)觀點(diǎn)：河流中經(jīng)?？匆娦郎u中的柴、草等漂浮物，繞著旋渦中心反復(fù)回轉(zhuǎn)好多次，偶一瞬間才能“逃”出旋渦而進(jìn)入下游。高效絮凝技術(shù)中，正是利用了小的絮體在不斷的回轉(zhuǎn)過程中，吸附碰撞更小的或更大的絮體生成大而重的絮體而與水分離，提高混凝效果。上個(gè)世紀(jì)80年代，風(fēng)行日本的迷宮反應(yīng)池，正是利用了絮體自旋和絮體在旋渦中反復(fù)回轉(zhuǎn)的原理。提高了混凝效率?！?br> 　　控制混凝過程，正是利用膠體粒子，藥劑水解分子，初級(jí)微絮體、絮體在水流中的各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，增加碰撞接觸的機(jī)會(huì)，提高混凝效果。

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作者簡(jiǎn)介：余承烈(1963—)，男，山西萬(wàn)榮人，1983年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，教授級(jí)高工，現(xiàn)任山西鋁廠生活服務(wù)部副主任，電話(0359)5042191。