高浊度水处理技术的研究与应用

出　　自： 《中国给水排水》 1988年第5期第47页
发表时间： ：1988-5

傅文德；裘本昌
( 中国市政工程西北设计院)

　　我国是高浊度河流众多的国家之一。据初步统计，黄河中游地区每年每km 2 被冲去的土壤约为3，700t，为全世界土壤平均侵蚀模数134t/km 2 年的27.5倍。黄河是典型的高浊度水河流，年输沙量和平均含沙量均居世界首位；1977年8月初黄河下游出现一次高含沙洪峰，小浪底的最大含沙量达到898kg/m 3 ，黄河支流某些河段的实测最大含沙量达到1，600kg/m 3 ，亦即泥沙的体积占水体体积60%左右。黄河年输沙总量16亿t。长江上游高浊度水也较严重；黄河、长江的总输沙量占世界十三条大河总沙量的29.3%，其它地区也有季节性的高浊度河流。因此，对高浊度水处理技术的研究，已成为我国经济建设和水资源开发中一项重大研究课题。

一、高浊度水的理论研究

　　本文中高浊度水的含义是“浊度较高的含沙水体中，大于均浓水层的极限粒径的泥沙，按其粒径大小，以各自的沉速下沉，而等于和小于极限粒径的泥沙组成均浓浑水层。此均浓水层中的稳定泥沙，其大小不同的泥沙颗粒以相同的沉速组成群体下沉，此群体的沉速就是浑液面沉速”。其含沙量一般为10～30kg/m 3 以上。
　　1.流变特性的研究
　　高浊度水排泥泥浆输送流变特性与清水是不同的，属于非牛顿体流体。1922年宾汉提出非牛顿体流体的滞性定律公式:
　　τ=τ o +
　　式中:τ o ——极限(初始)切应力；
　　η——刚体系数(或滞性系数)；
　　du/dy——流速梯度。
　　所以非牛顿流体又可称为宾汉流体。这种流体在静止时具有足够刚度的三维结构，足以抵抗小于屈服应力τ 0 的任何力。因此，在高浊度水河流中，有时会发现“桨河”的现象，也就是在一定的能坡作用下，而流速等于“零”。引起这种现象的主要原因，是高浊度水中泥沙达到一定数值之后，滞性系数η增大，从而使切应力τ 0 和流速梯度du/dy之间的关系发生变化，使切应力τ成为极限切应力τ 0 ，如果切应力τ超过屈服应力τ 0 这种三维结构就分解和清水流体(即牛顿流体)一样。
许多学者研究认为极限切应力，主要受含沙量和泥沙粒径的影响；即在相同的泥沙组成条件下，含沙量越高越容易形成宾汉流体，但在泥沙组成不同的流体中，组成的泥沙颗粒中细颗粒越多越容易形成宾汉流体。高浊度水中形成宾汉流体的流变特性，是高浊度水水流中特有的性质，它直接影响浑液面沉速和水流的阻力变化规律。
　　2.自凝作用的研究
　　在高浊度水中，由于泥沙颗粒众多，颗粒间的碰撞机率较高，自凝作用尤为一般水体要强烈。在研究中发现影响颗粒自凝过程有两个主要因素，一是粒径，粒径越细，自凝越强烈；另一是浓度，浓度越高，自凝也越强烈。由此可见:在高浊度水中，由于自凝作用，使粗细不同的泥沙，在沉淀中通过凝聚成絮凝体而提高沉速。因此，在高浊度水处理技术研究中，经常被由于自凝作用产生的影响所干扰，使某些研究成果得出掩盖真相的参数。为了更好的研究高浊度水的沉淀机理，经常采用分散剂处理高浊度水的泥样，使其消失自凝作用。
　　3.稳定泥沙的研究
　　在高浊度水处理技术中，研究的主要对象是泥沙组成中的稳定泥沙，因为非稳定泥沙容易去除。对稳定泥沙的研究，许多论文提出≤0.016～0.031mm的粒径为稳定　　泥沙粒径的科学论据，这些提法在一定的研究范围中都是合适的。但许多学者发现高浊度水中稳定泥沙体积浓度并不是一个固定数值，稳定泥沙体积浓度随稳定泥沙重量浓度的增高而增大。
　　4.极限粒径的研究
　　极限粒径是研究高浊度水沉淀机理的一个重要参数，其数值和稳定泥沙的体积浓度和重量浓度有关。极限粒径指的是组成均浓层的稳定泥沙颗粒中的最大粒径。由于>d 90 的粒径不易选取正确，故一般取d 90 的粒径作为极限粒径的代表值。通过对极限粒径的研究，能掌握高浊度水中的稳定泥沙含量。在高浊度水处理技术中，很多设计与生产运行参数主要是根据稳定泥沙含量决定的。
　　5.浑液面的沉降特征和曲线研究
　　浑液面沉速是泥沙约制沉降的表观特征，浑液面沉速就是均浓浑水层中稳定泥沙的群体沉速，浑液面沉速是高浊度水研究及处理中的一项重要参数。影响浑液面沉速的主要因素是稳定泥沙浓度、水温、泥沙比重、稳定泥沙含量、泥沙粒径及不均匀系数等。
　　对浑液面沉降曲线的研究，很多著作已有详尽论述，这儿只把沉降曲线形式(见图1)简单介绍如下:由A至B是加速沉降区段，在沉降开始由于泥沙自动絮凝过程进行，使浑液面沉速不断加快，B至C点浑液面沉速保持不变。C点至K点浑液面出现减速后又重复出现等速阶段，因此，把这段曲线称为第二等速沉降阶段，K点后沉速迅速转入急骤减速阶段，进入泥渣浓缩阶段。

　　6.泥渣浓缩研究
　　高浊度水的泥渣浓缩是高浊度水净化技术中一个重要参数。在研究中得出了积泥压力及泥浆高度是影响泥渣浓缩的两个重要因素，并且是两个相反方向的因素。前者促使泥浆浓缩，后者则阻碍之。积泥压力和泥浆高度的计算公式如下:
　　积泥压力的计算公式

　　适宜于处理高浊度水的聚丙烯酰胺，其分子量在200～600万之间，分子量过低降低混凝效果，分子量过高增加溶液配置的难度。聚两烯酰胺分子为线型结构，其酰胺基团从碳主链伸出，与泥沙颗粒结合，产生架桥作用，将原来分散在水中的泥沙颗粒结成絮浓度更高的絮凝体，从而提高浑液面沉速，大大缩小所需沉淀池的容积，使净化高浊度水的技术在大规模生产中切实可行。
　　8.普通混凝剂与聚丙烯酰胺比较的研究经过理论研究和生产实践证明普通混凝剂和聚丙烯酰胺处理高浊度水时其最大含沙量为:
　　硫酸铝最大处理含沙量10～20kg/m 3
　　三氯化铁最大处理含沙量20～30kg/m 3
　　聚丙烯酰胺最大处理含沙量100～150kg/m 3
　　9.水解的聚丙烯酰胺研究
　　水解的聚丙烯酰胺比不水解的聚丙烯酰胺絮凝效果提高2～9倍。最佳水解度为25～31%。搅拌罐中过高的搅拌强度会使聚丙烯酰胺的线状分子链断裂，导致分子量降低，絮凝效果变差。絮凝剂配置浓度为10%。
　　10.投加浓度和分部投药的研究
　　研究结果表明，为使药剂在水中迅速分散，充分混合，投加聚丙烯酰胺絮凝剂最佳浓度值为1～2%。
　　聚丙烯酰胺在处理高浊度水中，分部投药比一次投药的絮凝效果为佳，如以浑液面沉速为比较值，则前者为后者的3倍多。所谓分部投药，就是将投药量分成两部份分别加于水中，每加入一部份药剂后，使与水迅速混合，然后立即加入另一部分药剂，再与水迅速混合。由于分部投药，避免了过高的药剂浓度与泥沙结合，造成活性基团被封闭的后果，因而达到了较佳的效果。分部投药的比例一般先投加60%，然后再投加40%为佳。
　　11.投加剂量的研究
　　影响聚丙烯酰胺的投加剂量的两个主要因素为高浊度水的含沙量及泥沙颗粒组成。增加投药量可提高浑液面沉速，但不能增加等速阶段的沉降水深。在运行中控制排泥，有助于降低投加剂量。经生产实践证明聚丙烯酰胺投加剂量精确掌握与控制，是处理高浊度水成败的重要因素之一。
　　12.排泥浓度的研究
　　投加聚丙烯酰胺处理高浊度水时，在浓缩时间为1h，亦即连续排泥的情况下，排泥浓度一般在380kg/m 3 左右。排泥浓度的高低，随混凝沉淀和自然沉淀的浓缩时间长短而变化；浓缩时间短，混凝沉淀的泥浆浓度较自然沉淀高；但浓缩时间长，混凝沉淀的泥浆浓度远远低于自然沉淀。在生产实践中，一般生产构筑物浓缩室体积有限，浓缩时间都较短，所以还是采用混凝沉淀的排泥浓度效果较佳。
　　排泥水率一般随进水含沙量的增加而增高，在无实验资料时可参考(3)式计算。
　　N=0.26F(3)
　　式中:N——排泥水率%(排泥水量占进水量的%)
　　F——进水含沙量(kg/m 3 )
　　13.聚丙烯酰胺与泥浆颗粒表面积关系的研究
　　水中泥沙颗粒表面积是高浊度水混凝中影响聚丙烯酰胺投加量的主要因素，该研究为生产中准确地确定投加量提供了依据，深化了理论研究成果。
　　14.最佳絮凝条件的研究
　　在高浊度水处理的聚丙烯酰胺最佳絮凝条件的研究中，探索出影响聚丙烯酰胺的抗剪切能力的主要因素是分子链的长度(与分子量有关)和单位体积内分子链的数量(与药剂浓度有关)。并且得出了一般规律:临界抗剪分子量随剪切速度的增加而减小，随浓度的增加而增加。
如最佳絮凝条件用最佳GT值来表示，从研究中得出:沉降开始时，浑液面沉速随GT值的增加而迅速增加，出现一最大值后，又随GT 值的增加而减少，最后稳定于某一值，不再随GT值发生变化。浑液面沉速的最大值与稳定值相差很大。当原水含沙量为100kg/m 3 时，采用较低的搅拌速度，最大值比稳定值高2～5倍，对在设计中保证最佳絮凝条件的实用和经济意义是很大的。良好絮凝效果的最佳GT值，一般在2000左右。
　　15.斜板技术的研究
　　斜板技术用于高浊度水处理，已有许多大专院校、科研、设计单位进行理论与半生产性研究，取得一定的效果，初步确定了上向流与平向流斜板处理高浊度水的有关工艺参数，并从理论上加以探讨后，得出若干经验公式与半理论公式，为生产上应用提供了可靠的数据。
　　16.泥浆输送的研究
　　在高浊度水的处理技术研究中，为妥善解决排泥问题，泥浆输送是一个重要课题。
　　高浊度水处理后的排泥，一般通过输泥管道排除，其浓度一般为300～600kg/m 3 。排泥管道的阻力损失，主要是水流阻力和内摩擦力。研究中得出管中输送的排泥泥浆浓度的流变特性，均属宾汉流体范畴。不同浓度沉淀泥浆体的刚度系数及屈服应力值见下表。

　　研究中还发现投加聚丙烯酰胺的泥浆在管道输送中，与不投加聚丙烯酰胺的泥浆相比，在层流状态下为增阻，但在紊流状态下则为减阻，其数值可减少15%左右。原因是投加聚丙烯酰胺后，改变了紊流中动能和动量的传递，遏制了横向脉动流速，减少系流旋涡的阻力，最终导致紊流动能的减少。

二、应用技术

　　高浊度水处理应用技术，目前水平主要体现在下列几个方面:
　　1.在总结我国三十余年处理高浊度水设计、科研、生产经验的基础上，用了七年时间，编出国内外第一部《高浊度水给水规范》，它反映了我国净化高浊度水给水技术的特色和水平。
　　2.编写了有实用价值的处理高浊度水的设计手册，对今后的净化高浊度水的水厂设计和研究有指导意义。
　　3.高浊度水的取水口位置选择，是工程设计中首要解决的重要问题。现已摸索出在稳定河段取水、不稳定河段取水、游荡型河段取水的设计要点和各种取水构筑物的适用条件，为高浊度水工程取水口的设计提供了重要经验。
　　4.基本掌握处理高浊度水技术中各环节的要点，对高浊度水的定义统一了看法，确定了一级处理流程和二级处理流程的选择原则，为保证供水安全可靠，提供了有效的数据。
　　5.总结了黄河上中下游不同河段取水口与净化工艺，为进一步开发利用黄河水资源提供了初步的经验。
　　6.基本掌握处理高浊度水的各种药剂的最大含沙量值，总结了聚丙烯酰胺的最佳配置浓度和投加浓度，配置药剂的搅拌罐已有一套标准设计图，聚丙烯酰胺产品标准目前正在编制。
　　7.对高浊度水处理中排泥方法和泥渣出路问题的重要性，有了进一步认识。处理构筑物内泥渣的浓缩与排除，以及排出泥渣的合理利用，是保证净化工艺正常运行的关键。如以黄河中下游一座出水量为10万m 3 /d的水厂为例，当净化100kg/m 3 的含量的高浊度水时，每天需排出含水率为26%的干泥13500 t。如根据黄河平均年的含沙量计算，该水厂的每年总泥量(26%的含水率)高达100万t，如不妥善解决，就会影响净水工艺的正常运行。
　　8.初步总结出高浊度水处理构筑物的特点是，应具有快速混合聚丙烯酰胺絮凝剂和使进水泥渣两次分离的构造要求，还应有足够的泥渣浓缩面积和容积，适于安装排泥机械，排泥系统畅通等。如果用作一级处理构筑物的池型，还应有处理低温、低浊度水的要求:如良好的反应条件和回流活性泥渣等。另在池体的构造方面，应避免泥渣易于沉积而不易排除的角落和引起泥沙淤堵的小缝隙和小孔眼等设施。处理高浊度水的新型构筑物有XB——1型、XB——2型水旋澄清池、水力——水旋型斜管综合池、新型竖流式沉淀池等。
　　9.新理论指导的辐流式沉淀池
　　辐流式沉淀池是我国处理高浊度水的传统池型。随着理论研究的深入和发展，对辐流式沉淀池沉淀机理的研究有了根本性的改变。辐流池原先的计算理论和计算公式是根据单一颗粒自由沉降的机理推导，现在是根据群体沉降理论来推导计算公式。用新理论计算的辐流池，无论从理论上还是生产实践上都有了较大的进展。
　　10.对长江上游多沙型的高浊度水处理，已掌握了初步规律和设计要点，在长江上游根据其组成的泥沙浓度中沙量大于泥量的特点，设置沉砂池设施，预沉粗颗粒砂粒后，再进入沉淀(澄清)设备，有较佳的经济与技术效果。
　　11.高浊度水处理流程自动化
高浊度水处理流程自动化，已在兰州市自来水公司等单位实现。为了提高水厂运行可靠性，保证水质，消除浑水季节紧张情况、降低产水成本，已实现投药、排泥、辐流池运行的自动化管理，取得了预期的效果。