絮凝设施的现状与发展

王志飞 胡海修（后勤工程学院）

　　摘　要：本文综述了目前给水处理中新出现的和常用的絮凝设施，并对絮凝设施的发展进行了探讨。
　　关键词：絮凝设施 现状 发展

1 引言

　　随着给水水源污染的日趋严重，原水水质严重恶化，而对给水水质的要求在不断提高，传统的水处理工艺已难以生产合格的饮用水。结合我国的国情，普遍增加深度处理是不现实的，强化常规水处理工艺就显得很重要。絮凝在传统水处理工艺上占有很重要的地位，絮凝效果的好坏对最终出水水质的好坏影响很大．实现絮凝阶段的高速化、高效化成为水处理界研究的热点。水中的胶体颗粒脱稳后，在絮凝设施中形成粗大密实且沉降性能良好的絮体颗粒。为使微絮体良好成长，絮凝设施要有良好的水力条件，絮凝设施设计是否合理，操作运行是否适当直接影响到最终的出水水质。

2 絮凝设施

　　随着水处理工作者对混凝机理以及絮凝动力学致因的研究深入，按照新的混凝理论出现的絮凝设施主要是能够提供有利于研花成长的水力条件，增大絮凝体的碰撞机率，提高絮凝效率。常用絮凝池主要有三大类，第一类为依靠水流紊动促使微絮凝体相互碰撞凝聚成成熟絮凝体，如各种类型的隔板式反应、折板反应、机械搅拌反应、漩流反应和涡流反应器。第二类为依靠悬浮层接触絮凝，即主要依靠向上水流使成熟絮凝体处于悬浮状态，而微絮凝体通过它们时产生接触碰撞絮凝。如各种类型悬浮澄清池。第三类为利用多孔固体介质接触絮凝，如各种滤料的接触德地。^[1]
　　隔板絮凝池是应用历史较旧、目前仍常应用的一种水力搅拌絮凝池，隔板絮凝池在水流变动不大情况下，絮凝效果有保证。隔板絮凝池优点是构造简单，管理方便。缺点是流量变化大者，絮凝效果不稳定，其直线型的构造，水流条件不理想，能量消耗中的无效部分比例较大，故需较长絮凝时间，池子容积较大。
　　王绍文对絮凝的动力致因进行了研究，首次从湍流微结构的尺度对混凝的动力学问题进行研究，提出了惯性效应是絮凝的动力学致因；湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素。[2]王绍文对混凝动力学的涡旋理论探讨时，认为坎布混凝动力学的速度梯度公式是在层流条件下求得的，严格地讲它不适用于紊流，由此公式算出的远不是紊流的速度梯度。矾花颗粒在水中的混凝以及污泥颗粒的生物絮凝都是由小涡旋运动造成的。为了提高混凝反应的效率，从动力学观点来看就是增加紊流中小涡旋的比例。[3]按照这一理论，为了增加紊流中小涡旋的比例，通过改变隔板絮凝池直线段的构型，使水流产生有利于絮体成长的紊动效果，达到提高絮凝效率的作用。中国近年来的大量研究并取得生产经验的高效率絮凝池形式已证明是可行的。有关隔板絮凝池有3种形式（1）将呈直线的隔板改为呈折线的隔板，即折板絮凝池。（2）在隔板间沿水流方向增加产生紊动的装置，如波纹板絮凝池。（3）在隔板间的垂直水流方
向上增加产生紊动的装置，如网络、栅条絮凝池。[4]折板絮凝池可以为同波折板或异波折板。水流在同波折板之间曲折流动或在异波折板之间缩、放流动且连续不断，以至形成众多的小涡旋，提高了颗粒碰撞絮凝效果。在折板的每一个转角处，两折板之间的空间可以视为CSIR型单元反应器串连起来，就接近推流型反应器。与隔板絮凝池相比，水流条件大大改善，在总的水流能量消耗中，有效能量消耗比例提高，所需絮凝时间可以缩短，池子体积减小。
　　波纹板絮凝池由波长和波高之比约为5：1的波形板为基本组件波形板的峰、谷相对组成波形板组，相对的波峰距离近构成缩颈，相对的波谷距离远构成一个腔体，当水流流过时在缩颈处流速大，形成高速流。在腔体中由于缩颈出流高流速的携带形成涡流，涡流充满流态是相同的，即有相同的速度梯度G值，使需要的能量得以在每个腔体中均匀分配，由于反应过程主要靠相互串联工作的腔体产生的同等能级的涡流完成的，不仅容积利用率高，而且能量在每一水体微单元上的分配是均匀的，从而极大地提高了反应的速率。为了适应絮体（矾花）的结大，抗剪能力变弱，把反应器按G值由大到小分为三级以适应矾花逐渐结大对G值的要求。由于能量施加的均匀性，使反应容积的效果得以充分发挥，试验和生产实践表明波形板反应器具有反应时间短（约5min），反应效率高，对流量的变化有较强的适应性，在流量变化±35％左右时，仍能保持良好的反应效果，从而克服了水力反应器对水流量变化敏感的弱点，获得优良的反应性能，技术上达到了国内领先水平。由于效率高，停留时间短，使反应容积大大减小仅为一般水力反应器的 1／2—1/4，从而减小了占地面积，同时造价也较一般反应池要低，在多个水厂中已得到成功的应用。
　　网格、栅条絮凝池设计成多格竖井回流式。每个竖井安装若干层网格或栅条。各竖井之间的隔墙上，上下交错开孔。每个竖井网格或栅条数至出水端逐渐减少，一般分3段控制。前端为密网，中段为疏网或疏栅，末端不安装网、栅。当水流通过网格时，相继收缩、扩大，形成涡旋，造成颗粒碰撞。水流通过竖井之间孔洞流速及过网流速按絮凝规律逐渐减少。网格和栅条絮凝池所造成的水流紊动接近于局部各向同性紊流，故各向同性紊流理论应用于网格和栅条絮凝池更为合适。栅条、网格扰流设施，具有结构简单，节省材料、水头损失小（0.1—0.15m）及絮凝效果良好等优特点，应用广泛。
　　赵树君等人将涡旋混凝低脉动沉淀技术用于水厂改造，将按照新的混凝动力学理论发明的微涡初级混凝设各、小网格絮凝设备、小间距斜板沉淀设备应用于水厂改造，大幅度的提高了水流中颗粒的碰撞和传质速率，使反应时间缩短5—10min，混合时间仅为3—30s，处理能力较常规技术增加50％——10min。在多个水厂得到成功应用，取得了明显的经济和社会效益。[5]孙喆等通过理论分析和试验，认为漩流-网格混凝设备在处理低温低浊水具有良好的混凝效果。出水效果稳定，产水效率高。游流-网格混凝设备显著的混凝效果，为北方寒冷地区冬季低温低浊水的处理开辟了新路。（6）
　　近年来激絮凝和接触絮凝技术在国内外得到了迅速发展，它是将混凝与过滤两个操作单元有机结合为一体的新型工艺技术。既利用了滤料介质作为附加颗粒以提高颗粒碰槽效率，又提高了滤料截污能力和处理效果，故可节省投资和运行费用。尤其对低温低浊、低色、富营养化含藻水的良好净化处理效果效能和经济效益，受到广泛重视。金同轨等将激素凝一直接过滤用于处理西安地区低温低浊水，认为微絮凝-直接过滤处理低温低浊水是可行的，当采用合适的混凝剂时，直接过滤由于应用接触絮换原理比一般的混凝沉淀工艺更为适宜，且可节省投药量30—50％甚至更多。[7]张建锋等对微絮凝和接触过滤两种直接过滤方式进行了试验研究，认为直接过滤可以有效的处理低浊水（＜20NTU，徽絮凝过滤和接触过滤在处理低浊水时效果差异不大，在处理中高浊度水时，微絮凝优于接触过滤。[8]
　　机械搅拌絮疑地是通过叶片搅拌完成絮换过程，叶片可以作应转运动，也可以作上、下往复运动，目前我国多采用旋转方式，机械搅拌絮凝式分为水平轴式及立轴式两种。叶片多采用条形浆板，也有网浆形式。一般可采用多级串联方式，大型水厂则采用分级搅拌方式。絮凝时间一般采用15—20min，内设3—4挡搅拌机。机械絮凝地的优点是，黎雄效果良好，不受水量变化的影响，可适用于各种型式的沉淀池。
　　管道絮凝器在国内外刚开始进行研究，陈立丰等人研究了管道反应器絮换过程的动力学和机理，认为管道絮凝方式能够得到很好的絮凝效果，可以完成除沉淀分离外的整个絮凝全过程。能够实现水处理设备的单元化、管道化、连续化。[9]管道絮凝在国外的一些水厂已得到应用，西柏林城水厂采用管道反应器使原水中的悬浮物脱稳和快速反应，既可缩短反应时间，也可降低基建费用，且节约用地。武道吉等研究高浊度水管式混凝动力学机理及设计研究时，认为G、GIRe-0.5可代表高浊度水管式扶凝的综合控制指标。建议设计或运行时取G=400s-1、GIRe-0.5＝6.3左右。[10]后勤工程学院胡海修教授提出了波纹管道反应器，能够应用在工业污水和城市给水的处理中。波纹管道反应器具有较高的絮凝效率：（1）水流在波峰处流速增大，到波谷处流速减小形成涡旋。能够有效增加水流中小涡旋的比例，由于涡流流态是相同的，所需的能量能够均匀分配，絮凝效率大大提高。（2）波纹管道反应器在使用中绕成螺旋型，通常研花颗粒在外侧作螺旋运动，由于单位质量大的矾花颗粒阻力小，单位质量小矾花颗粒阻力大，大矾花颗粒速度快，小矾花颗粒速度慢，矾花颗粒作螺旋运动受到离心力的持续作用，这种作用引起矾花颗粒的增密作用，更加速了黎换过程的进行，絮凝效率大大提高。以波纹管式采凝器代替传统的混凝池及搅拌装置，工程设施及运转费用减少，结构更加紧凑合理，絮凝时间缩短，波纹管采凝效率较传统累凝设施有较大的提高。由于波纹管道反应器自身的特点，在中小型水处理装备中将有很大的应用前景。

3 结语

　　旧絮凝设施改造的基本原则是使絮凝的各段，在絮凝过程中尽量接近最佳GT组合值，对可能打碎絮体的部位需扩大了横断面积。目前对混凝理论的研究已有很大的突破，按照新的絮凝理论出现了许多新的絮凝设施，但目前的混凝理论对于新型絮凝地的开发只起定性的指导作用，对于新型地于的试验数据及其分析，基本处于经验阶段。随着水处理工作者对混凝理论的深入研究，新型高效的絮凝剂的研制开发以及混凝工艺的优化，为配合提高黎凝效率，水处理工作者还将会开发出新型高效絮凝设施。

参考文献

　　1 陈立丰等．管道流动絮凝过程研究进展及其分析．水处理技术，1999，1期
　　2 王绍文．惯性效应在絮凝中的动力学作用．中国给水排水，1998，2期
　　3 王绍文．混凝动力学的涡旋理论探讨．中国给水排水，1991,4期
　　4 许保玖．给水处理理论．北京：中国建筑工业出版社，2000
　　5 赵树君等．涡旋混凝低脉动沉淀技术用于水厂改造．中国给水排水，1998，5期
　　6 孙喆、扬基先、漩流混凝设备处理低温低浊水的试验研究，中国给水排水，1998，2期
　　7 金同轨等，直接过滤处理西安地区低温低浊水．中国给水50年回顾．北京：中国建筑工业出版社，1999
　　8 张建锋等，直接过滤方式的试验研究．中国给水排水，1999，5期
　　9 陈立丰等，管道水力絮凝过程的动力学和机理研究．水处理技术，1999，3期
　　10 武道吉等．高浊度水管式混凝动力学机理及设计研究．给水排水，2000，6期