微渦旋混凝低脈動沉淀技術(shù)處理低溫低濁水

微渦旋混凝低脈動沉淀技術(shù)處理低溫低濁水論文名稱：微渦旋混凝低脈動沉淀技術(shù)處理低溫低濁水

作者：赫俊國宋學峰金昌錦王鶴立徐立群趙錳

摘要：依據(jù)低溫低濁水的特點，對其處理過程中的亞微觀傳質(zhì)及絮凝過程中的動力特性進行分析，并通過試驗結(jié)果闡明了該技術(shù)的可應用性和實用性以及低耗高效的特點。

關(guān)鍵字：低溫低濁水慣性效應微渦旋低脈動我國北方地區(qū)全年有3～5個月的冰凍期，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10～30NTU(有時降至10NTU以下)；水中膠體顆粒電位升高(約為常溫時的2倍)，膠體間靜電斥力增大，穩(wěn)定性增強；水的粘滯性增加，顆粒運動的阻力變大，碰撞困難；顆粒的布朗運動減弱，微粒惰性增強，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻且小于常溫時的粒徑，造成直接過濾的效果差；水體中無機膠體顆粒含量減少，有機膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機成分較多，密度較平常期小；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。1機理研究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)物向水體中的擴散過程。擴散分為宏觀擴散和亞微觀擴散，從而導致微觀微粒的碰撞反應。宏觀擴散取決于濃度梯度和水體湍動強度，一般的混合設(shè)備均能完成宏觀擴散。微觀微粒的碰撞反應取決于熱力學條件和微粒的物理化學特性。亞微觀擴散是擴散阻力最大的一環(huán)，它決定了混合的效果。對擴散系數(shù)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——渦旋尺度

λ——渦旋特征尺度

ε——能耗項

υ——運動粘滯系數(shù)

α、β——與流態(tài)和熱力學性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)

由于λ≤λ時的K值比λ>λ時的K值小幾個數(shù)量級，因此它的擴散阻力最大。在實際工程中，通過造成高比例高強度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性效應來實現(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，促進亞微觀傳質(zhì)。在試驗中，利用管式微渦混合器和串聯(lián)圓管混合器來實現(xiàn)混合工藝.這兩種混合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度的微渦旋，從而充分利用微小渦旋的離心慣性效應使混凝劑的水解產(chǎn)物瞬間進入水體細部，使膠體顆粒脫穩(wěn)，避免了局部藥劑浪費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)備可迅速使其間膠體顆粒脫穩(wěn)析出同時，較強的剪切作用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保障。

水體中的膠體顆粒脫穩(wěn)析出后，含有微絮體的水進入反應池，在反應池中使微絮體相互碰撞凝并，并保持一定的尺度、密實度和抗剪切強度。在試驗中，通過在反應池的過水斷面上設(shè)置不同形式的網(wǎng)絡(luò)來完成工藝目的。由于水流經(jīng)過格網(wǎng)和格網(wǎng)后的過水斷面不一致，因此根據(jù)伯努利方程可知，在格網(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)，從而產(chǎn)生網(wǎng)后渦旋。通過控制流速和采用格網(wǎng)的形式，可以控制渦旋的大小和強度。在渦旋中取其間的顆粒進行受力分析，顆粒受到離心力(F1)、水的壓力(F2)和運動產(chǎn)生的繞流阻力Fd的作用：

根據(jù)顆粒所受的運動阻力Fd=Cd·πr02·ρU2/2(Cd為繞流阻力系數(shù)，γ0為顆粒尺度)可以得出單位質(zhì)量顆粒受力fd=3CdρU2/(8ρ0γ0)，可以看出，在水體中運動的顆粒，單位質(zhì)量大所受阻力小，單位質(zhì)量小所受阻力大，因此渦旋內(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，顆粒作徑向運動，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運動時，因速度差異而與新速度區(qū)內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞合并。渦旋內(nèi)相鄰的速度層間產(chǎn)生滑移也為層與層間的顆粒碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦旋離開原位置，這為不同渦旋內(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行中的耗藥量越高，處理難度也越大。研究認為，在任何水體中，保證單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)量和有效碰撞的次數(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)工藝可達到設(shè)計標準。在低濁條件下，投加少量混凝劑即可使膠體脫穩(wěn)，由于低濁時單位體積內(nèi)顆粒密度小和微絮體的不合理凝并，導致部分微絮體失去了碰撞凝并的條件，從而使得反應池出水礬花中小礬花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在試驗中，著重增強了混合過程中的傳質(zhì)擴散和顆粒有效碰撞，并在水流過程中保持一定的剪切強度，使凝并的礬花不斷壓密，達到理想的密實度。給水處理中，通過對混合、反應過程中顆粒碰撞凝并進行合理的動力學控制，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)工藝減小藥耗。原水濁度越低，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，試驗應用了小間距斜板，并作了對比計算。在T=5℃,上升流速q=3.0mm/s，斜板單元為12.5cm×1.5cm時，其雷諾數(shù)Re=13；而對于T=5℃，q=2.5mm/s，間距為3.5cm的斜管，其雷諾數(shù)Re=15。由此可見，上升流速為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。在實際制作過程中，對斜板材料的光滑度、強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，并且在運行過程中不改變傾角，斜板不變形，從而使設(shè)計意圖得以全面實現(xiàn)。由斯托克斯方程可知，在低溫條件下，由于動力粘滯系數(shù)增大，顆粒沉降速度減小，這意味著在相同上升流速，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態(tài)時去除率降低，甚至不能去除而影響水質(zhì)，同時增加濾池負荷，這也是冬季北方水廠降負荷運行的主要原因之一。由于在混合反應上的強化，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，這在實際運行中得到了證實。2試驗在以往的試驗中，采用了小型設(shè)備，試驗流量Q=0.5～3.0m3/h，試驗水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設(shè)備在低溫低濁下運行，其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗中，串聯(lián)圓管混合器混合時間10～30s，管式微渦混合器混合時間3～5s,小孔眼格網(wǎng)反應時間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旋混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)在實際工程中應用的易操作性，下面將該技術(shù)在大慶中引水處理廠的實際運行情況與原工藝的運行情況介紹如下。

中引水處理廠共10組反應沉淀池，單組設(shè)計負荷2.5×104m3/d。1997年10月—11月對其中一組進行了應用新技術(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，其中反應池是依據(jù)原池的現(xiàn)狀，通過布設(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序。原工藝：

原水→靜態(tài)混合器(10s)→傳統(tǒng)豎井格網(wǎng)反應池(23min)→三層側(cè)向流斜板沉淀池［q=5.0m3/(m2·h)］→出水

試驗工藝：

原水→管式微渦混合器(5s)→小孔眼格網(wǎng)反應池→小間距斜板沉淀池→出水試驗場地原水取自嫩江中游的一個水庫。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。試驗采用了電磁流量計測量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計量泵+流量計，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。實際運行中的對比結(jié)果見圖1、圖2、圖3。新、原工藝對比說明：

①新工藝較原工藝處理量提高了30.8%;

②新工藝投藥量較原工藝減少26.7%

③新工藝的沉淀池出水在3NTU以內(nèi)，原工藝沉淀池出水在5.7～11.3NTU，當原工藝與新工藝以相同的高負荷量運行時，原工藝與新工藝無可比性。3結(jié)論①微渦旋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)碰撞的動力學致因，因而在低溫低濁水處理中顯示出較強的適應性和生命力。

②低溫低濁水處理中亞微觀擴散是混合的關(guān)鍵，通過造成高比例高強度的微渦旋，利用其強烈的離心慣性效應可以保障藥劑瞬間進入水體細部，使膠體脫穩(wěn)瞬時、充分。

③對反應池中水流的全程進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)，在保證膠體脫穩(wěn)的前提下，節(jié)省藥耗。

④格網(wǎng)的布設(shè)一方面形成微渦旋，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網(wǎng)的剪切使絮體壓實，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