微涡旋混凝低脉动沉淀技术处理低温低浊水

赫俊国(哈尔滨建筑大学多相工艺研究中心)
宋学峰 金昌锦(大庆石油管理局供水公司)
王鹤立 徐立群 赵 锰(哈尔滨建筑大学多相工艺研究中心)

　　摘 要 依据低温低浊水的特点，对其处理过程中的亚微观传质及絮凝过程中的动力特性进行分析，并通过试验结果阐明了该技术的可应用性和实用性以及低耗高效的特点。
　　关键词 低温低浊水 惯性效应 微涡旋 低脉动

　　我国北方地区全年有3～5个月的冰冻期，作为主要饮用水水源的地表水在这一时期呈现低温低浊特性:水温0～5℃；浊度一般10～30NTU (有时降至10NTU以下)；水中胶体颗粒电位升高(约为常温时的2倍)，胶体间静电斥力增大，稳定性增强；水的粘滞性增加，颗粒运动的阻力变大，碰撞困难；颗粒的布朗运动减弱，微粒惰性增强，水中胶体颗粒的粒径分布趋于均匀且小于常温时的粒径，造成直接过滤的效果差；水体中无机胶体颗粒含量减少，有机胶体颗粒含量增加，矾花絮体中有机成分较多，密度较平常期小；动力粘滞系数变大，颗粒的极限沉降速度变小，因而浊度去除率降低。

1 机理研究?

　　混合和初始絮凝是给水处理的重要环节。混合的本质是混凝剂的水解产物向水体中的扩散过程。扩散分为宏观扩散和亚微观扩散，从而导致微观微粒的碰撞反应。宏观扩散取决于浓度梯度和水体湍动强度，一般的混合设备均能完成宏观扩散。微观微粒的碰撞反应取决于热力学条件和微粒的物理化学特性。亚微观扩散是扩散阻力最大的一环，它决定了混合的效果。对扩散系数可描述如下：

　　K=α(ε₀λ)^1/3 ·λ 　　　(λ＞λ0)　　　　　　　(1)
　　K=β(λ·ε₀/υ)^1/2　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　式中　 λ——涡旋尺度?
? 　　　　λ——涡旋特征尺度?
?　　　　 ε——能耗项?
? 　　　　υ——运动粘滞系数?
? 　　　　α、β?——与流态和热力学性质有关的系数?
　　由于λ≤λ时的K值比λ>λ时的K值小几个数量级，因此它的扩散阻力最大。在实际工程中，通过造成高比例高强度的微涡旋，利用微涡旋的离心惯性效应来实现多相物系中的颗粒迁移，克服亚微观传质阻力,增加亚微观传质速率，促进亚微观传质。在试验中，利用管式微涡混合器和串联圆管混合器来实现混合工艺.这两种混合器通过控制水流的速度和水流空间的尺度以及速度零区的范围来造成高比例高强度的微涡旋，从而充分利用微小涡旋的离心惯性效应使混凝剂的水解产物瞬间进入水体细部，使胶体颗粒脱稳，避免了局部药剂浪费或局部药剂不足的现象发生。对于低温低浊水的混合，该工艺设备可迅速使其间胶体颗粒脱稳析出同时，较强的剪切作用避免了微絮体的不合理长大，从而保证单位体积内的颗粒数，为微小矾花的凝并提供了物量保障。?
　　水体中的胶体颗粒脱稳析出后，含有微絮体的水进入反应池，在反应池中使微絮体相互碰撞凝并，并保持一定的尺度、密实度和抗剪切强度。在试验中，通过在反应池的过水断面上设置不同形式的网络来完成工艺目的。由于水流经过格网和格网后的过水断面不一致，因此根据伯努利方程可知，在格网处和格网后的压力不一致，有逆向压力梯度存在。由于过网后的流线分离，在网条后形成速度空白区，从而产生网后涡旋。通过控制流速和采用格网的形式，可以控制涡旋的大小和强度。在涡旋中取其间的颗粒进行受力分析，颗粒受到离心力(F1)、水的压力(F2)和运动产生的绕流阻力F_d的作用：
　　

　　根据颗粒所受的运动阻力　F_d=C_d·πr₀²·ρU²/2　(C_d为绕流阻力系数，γ₀为颗粒尺度)可以得出单位质量颗粒受力f_d=3C_dρU²/(8ρ₀γ₀)，可以看出，在水体中运动的颗粒，单位质量大所受阻力小，单位质量小所受阻力大，因此涡旋内不同尺度的颗粒沿径向有碰撞的可能。由于离心惯性效应，颗粒作径向运动，在由原速度区向新速度区运动时，因速度差异而与新速度区内的颗粒发生碰撞合并。涡旋内相邻的速度层间产生滑移也为层与层间的颗粒碰撞提供条件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得涡旋离开原位置，这为不同涡旋内的颗粒合并提供条件。?
　　低温低浊条件下，原水浊度越低给水工艺在运行中的耗药量越高，处理难度也越大。研究认为，在任何水体中，保证单位体积内颗粒的数量和有效碰撞的次数是至关重要的。在浊度较高时，单位体积水体内颗粒数可以保证，因此，投加的混凝剂主要是使胶体颗粒脱稳，在有充足的絮凝时间时，常规工艺可达到设计标准。在低浊条件下，投加少量混凝剂即可使胶体脱稳，由于低浊时单位体积内颗粒密度小和微絮体的不合理凝并，导致部分微絮体失去了碰撞凝并的条件，从而使得反应池出水矾花中小矾花比例增加，给沉淀截留增加了难度。在试验中，着重增强了混合过程中的传质扩散和颗粒有效碰撞，并在水流过程中保持一定的剪切强度，使凝并的矾花不断压密，达到理想的密实度。给水处理中，通过对混合、反应过程中颗粒碰撞凝并进行合理的动力学控制，可以大幅度增加单位体积内颗粒有效碰撞的几率，从而在保障胶体颗粒脱稳的前提下，降低单位体积内的颗粒数量，因而较常规工艺减小药耗。原水浊度越低，效果就越明显。?
　　依据浅池理论及对颗粒沉降中湍流扰动的抑制，试验应用了小间距斜板，并作了对比计算。在T=5 ℃,上升流速q=3.0mm/s，斜板单元为12.5cm×1.5cm时，其雷诺数R_e=13；而对于T=5 ℃，q=2.5mm/s，间距为3.5cm的斜管，其雷诺数R_e=15。由此可见，上升流速为3.0mm/s的斜板较上升流速为2.5mm/s的斜管扰动小，从而更有利于沉降。在运行中，由于小间距斜板间距小、无侧向约束、排泥面和沉泥面相等而有利于矾花沉降和彻底排泥。在实际制作过程中，对斜板材料的光滑度、强度及倾角均作了更有利于排泥的处理，因此排泥彻底，不积泥，并且在运行过程中不改变倾角，斜板不变形，从而使设计意图得以全面实现。由斯托克斯方程可知，在低温条件下，由于动力粘滞系数增大，颗粒沉降速度减小，这意味着在相同上升流速，在常温下可去除的一定尺度的颗粒在低温状态时去除率降低，甚至不能去除而影响水质，同时增加滤池负荷，这也是冬季北方水厂降负荷运行的主要原因之一。由于在混合反应上的强化，矾花絮体保证足够的粒度后，在小间距斜板中因其沉降距离短而仍可去除，这在实际运行中得到了证实。

2 试验?

　　在以往的试验中，采用了小型设备，试验流量Q=0.5～3.0m³/h，试验水源包括松花江和嫩江二大水系。小型设备在低温低浊下运行，其沉后水浊度均可保证在3NTU以下，试验中，串联圆管混合器混合时间10～３０s，管式微涡混合器混合时间3～5s,小孔眼格网反应时间t=5～10min，小间距斜板沉淀池的上升流速q=2.5～4.0mm/s。?
　　为了对比以及说明涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术在实际工程中应用的易操作性，下面将该技术在大庆中引水处理厂的实际运行情况与原工艺的运行情况介绍如下。?
　　中引水处理厂共10组反应沉淀池，单组设计负荷2.5×10⁴m³/d。1997年10月—11月对其中一组进行了应用新技术的改造。在改造中，拆除了原工艺设备，安装了与新技术相匹配的设备，其中反应池是依据原池的现状，通过布设不同孔径和距离的格网来控制水流的流态，使格网、廊道及转弯处的动力条件相一致或序。?

　　原工艺：?
　　原水 → 静态混合器(10s) → 传统竖井格网反应池(23min) → 三层侧向流斜板沉淀池［q=5.0m³/(m²·h)］→出水
　　试验工艺：?
　　原水 → 管式微涡混合器(5_s) → 小孔眼格网反应池 → 小间距斜板沉淀池 → 出水

　　试验场地原水取自嫩江中游的一个水库。药剂选用硫酸铝+活化硅酸，硫酸铝采用药剂厂原液，不加稀释。活化硅酸投量均采用4 mg/L。试验采用了电磁流量计测量沉淀池日累积出水量，药剂投加采用计量泵+流量计，沉淀池出水浊度采用HACH公司NTU浊度仪测量。实际运行中的对比结果见图1、图2、图3。

　　　　　　　　

　　　

　　新、原工艺对比说明：?
　　①新工艺较原工艺处理量提高了30.8 %;?
　　②新工艺投药量较原工艺减少26.7 %?
　　③新工艺的沉淀池出水在3 NTU以内，原工艺沉淀池出水在5.7～11.3 NTU，当原工艺与新工艺以相同的高负荷量运行时，原工艺与新工艺无可比性。?

3 结论

　　①微涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术在低温低浊时期处理水是行之有效的。该技术揭示了多相物系传质碰撞的动力学致因，因而在低温低浊水处理中显示出较强的适应性和生命力。?
　　②低温低浊水处理中亚微观扩散是混合的关键，通过造成高比例高强度的微涡旋，利用其强烈的离心惯性效应可以保障药剂瞬间进入水体细部，使胶体脱稳瞬时、充分。?
　　③对反应池中水流的全程进行合理有效的动力控制，可以有效提高单位时间内颗粒的碰撞凝并程度，同时可以适度减少单位体积内的颗粒数，在保证胶体脱稳的前提下，节省药耗。?
　　④格网的布设一方面形成微涡旋，使颗粒碰撞合并，另一方面利用过网的剪切使絮体压实，密度增大。此外，全程格网的布设为一些流动过程中破碎的矾花重新聚集提供了水力条件。合理的格网布设可以减弱低温和低浊的影响。?
　　⑤小间距斜板为矾花的沉降提供了良好的水力条件，这在低温低浊期，颗粒极限沉速变小的情况下作用尤为突出。同时斜板的材质、支撑及角度保证了沉泥的快速彻底排除，在实际运行中小间距斜板保证了沉淀效果可靠性。

参考文献?

　　1 王绍文.惯性效应在絮凝中的动力学作用.中国给水排水，1998；14(2)?
　　2 吴亚淮.低温低浊水净化技术的应用及发展.中国给水排水，1989；5(5)?
　　3 徐继润等. 水力旋流器流场理论.科学出版社，1998?

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　　作者简介：赫俊国 硕士 助理研究员?
　　通讯处：150008 哈尔滨市南岗区海河路202号 哈尔滨建筑大学多相工艺研究中心815#
　　(收稿日期 1998-12-04)