出　　自： 《中國給水排水》 1987年第4期第4頁
發(fā)表時間： ：1987-4

丹保憲仁　　　 于泮池；王曉昌
( 日本北海道大學(xué)工學(xué)部　　　 西安冶金建筑學(xué)院　)

摘要：本文介紹了結(jié)團(tuán)凝聚法處理高濁度水的工藝，指出在處理裝置中形成致密化結(jié)團(tuán)絮凝體是該工藝在凈化效率、泥渣脫水性能等方面優(yōu)于其它工藝的根本原因，合理地控制投藥條件并依靠高體積濃度懸浮層中顆粒間的摩擦、擠壓作用改變絮凝體的構(gòu)造形態(tài)，是結(jié)團(tuán)絮凝體形成的主要機(jī)理。試驗(yàn)研究結(jié)果表明該工藝具有推廣運(yùn)用價值，可成為開發(fā)利用高濁度水源的一種新方法。

一、前言

　　中國是高濁度河流比較多的國家，其中黃河則是世界上罕見的高含沙量河流之一。在水資源日趨短缺的今天，合理地開發(fā)利用高濁度水系就成為水處理技術(shù)研究的重要課題。常規(guī)的快濾流程對于處理高濁度水是不合理的。在黃河上游和中游地區(qū)，如蘭州、鄭州等地，人們已采用了一些行之有效的處理方法，如修建龐大的蓄水池，使原水預(yù)沉十天以上再進(jìn)行通常的沉淀過濾處理，或在原水中投加有機(jī)高分子絮凝劑，經(jīng)數(shù)小時沉淀去除大量泥沙之后再進(jìn)行處理。但是，這些方法不可避免地存在兩方面的問題:一是占地面積很大，二是沉泥的處置比較困難，因而限制了它在整個黃河流域和其它高濁度水系的運(yùn)用。事實(shí)上，這些流域的不少地方，尤其是一些中、小型廠礦非常需要一種小型、簡易、效率高、上馬快、能直接凈化高濁度水的處理裝置。為此，筆者近一兩年開始探索利用結(jié)團(tuán)凝聚(PelletCoagulation)法處理高濁度水的工藝。北海道大學(xué)工學(xué)部丹保研究室和西安冶金建筑學(xué)院給水排水教研室合作進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了初步的成果 〔1〕 。
結(jié)團(tuán)凝聚是近年來在污泥處理方法的研究中出現(xiàn)的技術(shù)，是一種利用有機(jī)高分子絮凝劑在高濃度污泥中制造密實(shí)團(tuán)粒(Pellet)的方法。在日本，游佐 〔2〕 ，鈴木 〔3〕 ，角田 〔4〕 等發(fā)表了這一方面研究的文章。結(jié)團(tuán)凝聚法制造的團(tuán)?？煞Q為結(jié)團(tuán)絮凝體(PelletFloc)，它比普通絮凝體密實(shí)，沉速快，極易脫水。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，運(yùn)用結(jié)團(tuán)凝聚法處理高濁度水，處理效率和泥渣脫水性能均是其它處理方法所不能及的，本文將對此做全面介紹。另一方面，結(jié)團(tuán)凝聚是有別于一般凝聚絮凝的新概念，結(jié)合高濁度水處理實(shí)踐對結(jié)團(tuán)凝聚機(jī)理進(jìn)行深入研究對于豐富和發(fā)展水處理凝聚理論也具有深刻的意義。

二、試驗(yàn)研究

　　1. 工藝流程
　　運(yùn)用于高濁度水處理的結(jié)團(tuán)凝聚工藝分為初始粒子形成階段和結(jié)團(tuán)絮凝體形成和沉淀分離階段，相應(yīng)的處理裝置主要為管式微絮凝器和上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱兩部分(見圖1)。試驗(yàn)操作時，將配制好的高濁度原水用泵提升到高架恒位水箱，使原水從水箱底部以恒定流速出流，進(jìn)入管式微絮凝器的漏斗型入口，同時通過定量藥泵注入鋁鹽凝聚劑。管式微絮凝器內(nèi)徑1cm左右，長度10m左右，可根據(jù)需要調(diào)整。管內(nèi)水力停留時間為1～2min，原水中的粘土膠粒在鋁鹽作用下脫穩(wěn)，生成微小的初始粒子。管式微絮凝器末端接到上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱底部，高分子絮凝劑也通過定量藥泵從此處注入。試驗(yàn)用的上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱內(nèi)徑5 cm，總高度103cm，沿柱子一定高度設(shè)泥渣排出口，控制柱內(nèi)的懸浮層厚度。懸浮層上部是清水區(qū)，上清液從柱頂出水堰排出。根據(jù)需要在懸浮層內(nèi)裝設(shè)一定數(shù)量的攪拌葉片，由無級變速電機(jī)驅(qū)動，進(jìn)行緩慢攪拌使懸浮層保持均勻。

　　2. 現(xiàn)象觀察
　　裝置開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱內(nèi)尚無顆粒懸浮層，出水混濁，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)懸浮層增長到20～30cm厚時，柱內(nèi)呈清晰的泥水界面，上清液濁度已在20mg/L左右，以后懸浮層不斷增厚，出水濁度繼續(xù)降低。裝置穩(wěn)定工作時，出水濁度一般在10mg/L以下。柱中的懸浮層除去底部7～8 cm厚度比較混亂以外，以上部分的懸浮顆粒大小均勻且呈球粒狀。在較高流速的上升水流作用下，各結(jié)團(tuán)絮凝體顆粒在懸浮層中不斷翻滾，但整個懸浮層隨著泥渣量的增加以均勻的速度向上推移。將多余的懸浮結(jié)團(tuán)絮凝體從泥渣口排出后，它們極易與水分離，分離出的水保持清澈。圖2為用高嶺土配制的高濁度懸濁液經(jīng)上述工藝生成的結(jié)團(tuán)絮凝體照片，從中可以清楚地看到結(jié)團(tuán)絮凝體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

　　3. 黃河高濁度水處理試驗(yàn)結(jié)果
　　在西安冶金建筑學(xué)院給水排水實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了黃河高濁度水的結(jié)團(tuán)凝聚處理試驗(yàn)。原水采用黃河泥沙(鄭州花園口段)加西安市自來水配制。鋁鹽凝聚劑采用國產(chǎn)聚合氯化鋁(P A C)，高分子絮凝劑采用國產(chǎn)聚丙烯酰胺(PA M)。連續(xù)處理試驗(yàn)的主要參數(shù)和結(jié)果見下表。

　　注:表中的過篩結(jié)團(tuán)體含水率是指當(dāng)結(jié)團(tuán)絮凝體從凝聚柱出泥口排出后不經(jīng)濃縮，只置放于1 mm孔眼的金屬網(wǎng)上除去結(jié)團(tuán)絮凝體間水分后的含水率。
　　從表中數(shù)據(jù)可以看到:
　　(1)結(jié)團(tuán)凝聚裝置具有很高的凈化效率，對于含沙量從1 kg/m 3 的普通濁度到20kg/m 3 的高濁度原水，僅需5 m i n左右就可處理到10mg/L以下的澄清水。
　　(2)上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱的上升水流速度是一般澄清池上升流速的5～6倍，且懸浮層體積濃度相當(dāng)高，說明結(jié)團(tuán)絮凝體的良好沉淀性能。
　　(3)裝置排出的泥渣脫水性能極好，有可能不經(jīng)濃縮而在輸送的過程中完成固液分離。
　　(4)結(jié)團(tuán)凝聚處理的藥劑用量并不太高，接近一般水處理的劑量水平。 、

三、機(jī)理探討

　　結(jié)團(tuán)凝聚方法具有上述處理效率的根本原因在于裝置中形成了高密度的結(jié)團(tuán)絮凝體以及由此構(gòu)成的高濃度懸浮層。這樣的懸浮層具有與濾層相類似的截留雜質(zhì)能力，使原水迅速得到澄清。另一方面，由于生成絮凝體密度大，單位濁質(zhì)產(chǎn)生的泥渣量小，這才有可能對高濁度原水直接進(jìn)行澄清處理。
　　絮凝體的密度主要取決于構(gòu)成絮凝體的初始粒子之間的空隙率，而空隙率大小由絮凝體的構(gòu)造形態(tài)決定。普通絮凝池中生成的絮凝體是初始粒子隨機(jī)碰撞的結(jié)合體，是一種空間網(wǎng)狀構(gòu)造。無論是丹保以水中各種尺度較小顆粒碰撞合并為基礎(chǔ)建立的隨機(jī)絮凝體模型 〔5〕 還是Vold以同徑初始粒子逐個碰撞合并為基礎(chǔ)建立的隨機(jī)絮凝體模型 〔6〕 都得出了同樣的結(jié)論:由于顆粒碰撞合并的隨機(jī)性，形成絮凝體的粒徑越大，絮凝體內(nèi)部空隙水含量越多，絮凝體密度越小。因此，用通常的凝聚絮凝方法不可能形成圖2那樣的結(jié)團(tuán)絮凝體，即使使用有機(jī)高分子絮凝劑，也只能改善絮凝體的抗剪切強(qiáng)度，使絮凝體成長得大些，而不可能達(dá)到改變絮凝體構(gòu)造形態(tài)，增長其密度的目的。因?yàn)楦叻肿訜o助于改變顆粒的合并規(guī)律。大幅度提高絮凝體密度的根本途徑是限制和降低絮凝體內(nèi)部空隙率，這就要求改變絮凝體構(gòu)造形態(tài)?？梢栽O(shè)想，如果一個絮凝體是由粒徑一致的球型初始粒子構(gòu)成，且這些初始粒子相互緊密接觸，那么，如同堆放彈球一樣，初始粒子間的空隙率均約為40%，與構(gòu)成絮凝體的大小無關(guān)。這種構(gòu)造就是理想化的結(jié)團(tuán)絮凝體。實(shí)際的結(jié)團(tuán)凝聚過程雖不可能達(dá)到理想化，但處理裝置中的條件能夠?qū)е滦跄w構(gòu)造致密化。
　　圖1所示的處理流程采用管式絮凝器作為初始粒子形成裝置，只投加鋁鹽作為這一階段的凝聚劑。這樣安排具有下述有利因素:(1)可控制鋁鹽投量使原水中的粘土膠粒充分脫穩(wěn)，但不結(jié)成大的顆粒，(2)管式絮凝器內(nèi)是推移流，水流雷諾數(shù)小，形成的初始粒子比采用其它方法的均勻。因此，這一初始粒子形成過程比較合乎上述設(shè)想。
　　上向流結(jié)團(tuán)凝聚柱中的水流上升速度很高，懸浮層體積濃度也很高，因而懸浮層空隙中的實(shí)際水流速度更高，另外還有攪拌葉片提供一定強(qiáng)度的攪拌。這就大幅度地增加了作用在絮凝體上的流體剪切力，促使絮凝體在懸浮層中不斷翻動，旋轉(zhuǎn)。在高體積濃度條件下，絮凝體顆粒相互擁擠，它們之間的相對運(yùn)動極可能導(dǎo)致產(chǎn)生除流體剪切力之外的兩種附加作用力:顆粒間的摩擦力和擠壓力(見圖3)。

　　摩擦力F r 是由相鄰結(jié)團(tuán)絮凝體的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的切向力。如圖3-b所示，設(shè)兩個靠得很近的結(jié)團(tuán)絮凝體A和B的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起二者的相對表面運(yùn)動，則在A、B的接觸面上產(chǎn)生了摩擦力。與此同時，一初始粒子a附著到A表面如圖位置上。對絮凝體A來說，情況如圖4-a所示。由于A、B的相對旋轉(zhuǎn)，a會很快地進(jìn)入A、B的接觸面，受到F r 的作用(圖4-b)。如果a的附著位置不是最佳，它同A的結(jié)合力不足以抵抗F r ，粒子a將隨著A的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)在F r 作用下沿A表面移動(圖4-c)。因此，只有當(dāng)初始粒子a到達(dá)A表面上的某一最佳位置與A具有足夠的結(jié)合力時，它才能與A合并。這就使得絮凝體按密實(shí)的方式成長。

　　擠壓力F p 是由結(jié)團(tuán)絮凝體之間的碰撞引起的。一般來說，顆粒碰撞在任何絮凝池中都存在，但在高體積濃度結(jié)團(tuán)絮凝體懸浮層中，絮凝體間碰撞的頻率非常高，從而起到擠壓的效果。附著到絮凝體表面上的初始粒子不斷地處在指向絮凝體中心的擠壓力的作用下，同樣促使絮凝體致密化。
懸浮層中流體運(yùn)動的剪切力F s 也是作用在結(jié)團(tuán)絮凝體上的主要外力，它決定著絮凝體的最大成長粒徑。從理論上說，只有當(dāng)絮凝體趨于它的最大成長粒徑時，流體剪切力的作用才十分突出，然而上述摩擦力和擠壓力卻始終作用在結(jié)團(tuán)絮凝體上，促使初始粒子在絮凝體內(nèi)緊密排列。絮凝體間的摩擦力和擠壓力越大，初始粒子的排列就越緊密，絮凝體內(nèi)部空隙率就越小。但摩擦力和擠壓力與流體剪切力是成比例的，過高的流體剪切力會限制絮凝體成長，因而必須投加高分子絮凝劑增大絮凝體的抗剪切強(qiáng)度，結(jié)團(tuán)絮凝體的內(nèi)部結(jié)合力才能抵抗較強(qiáng)的外力，形成致密化結(jié)構(gòu)。結(jié)團(tuán)絮凝和普通凝聚絮凝的根本不同點(diǎn)就在于此。
　　在一定的凝聚條件(如投藥條件等)下，懸浮層的高體積濃度是產(chǎn)生足夠的摩擦力和擠壓力的必要條件，因而懸浮層體積濃度大小直接影響生成結(jié)團(tuán)絮凝體的內(nèi)部空隙率和結(jié)團(tuán)絮凝體密度。圖5和圖6分別是試驗(yàn)測得的構(gòu)成結(jié)團(tuán)絮凝體的初始粒子間的空隙率ε f 和懸浮層體積濃度V f 的關(guān)系，以及結(jié)團(tuán)絮凝體有效密度ρ e (團(tuán)絮凝體密度和水的密度之差)和V f 的關(guān)系。圖中P T表示有機(jī)高分子比投藥量，A L T表示鋁鹽中鋁離子比投藥量。可見試驗(yàn)結(jié)果與上述論點(diǎn)相符。

四、推廣運(yùn)用的前景

　　結(jié)團(tuán)凝聚法處理高濁度水目前還處在小型試驗(yàn)階段。從已有的成果來看，它是一種高效率的處理方法，具有推廣運(yùn)用價值。運(yùn)用這一方法的優(yōu)越性可歸納為如下幾點(diǎn)。
　　1.對于含沙量在20kg/m 3 左右的高濁度水可以進(jìn)行一次性澄清處理，無須龐大的預(yù)沉設(shè)備，可減少水廠占地面積。中國的高濁度河流(如黃河)含沙量雖然很高，但超過20kg/m 3 的時間基本上只集中在河流洪水到來及其過后的一段時間，因此，該工藝可以滿足一般情況下對高濁度水直接處理的要求，為高濁度水的利用增加了一條途徑。
　　2.裝置的水力停留時間短，處理效率高，容易做成小型化水處理器，適應(yīng)性廣，使用靈活。
　　3.生成結(jié)團(tuán)絮凝體密度大，單位濁質(zhì)產(chǎn)生的泥渣量小，排泥消耗水量相應(yīng)減少。泥渣脫水性能好，無須專門的濃縮設(shè)備。
　　使用有機(jī)高分子絮凝劑(如P AM)的毒性問題是值得注意的，各國對它的用量或單體在水中的濃度均有限制。從試驗(yàn)的情況看，P AM投量不算太高，用于工業(yè)用水處理沒有問題，但將該工藝用于生活用水處理是否合適尚需研究。

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