王紹文
（哈爾濱建筑大學多相工藝研究中心，黑龍江 哈爾濱 150009）

　　摘要：首次把湍流傳質分為宏觀傳質與亞微觀傳質，并提出亞微觀 傳質的動力是慣性效應特別是微渦旋的離心慣性效應。指出亞微觀傳質是水處理反應工藝動力學的核心問題，并結合給水處理混合工藝與地下水除鐵曝氣工藝進行了剖析。
　　關鍵詞：水處理；亞微觀傳質；混合工藝；地下水曝氣
　　中圖分類號：TU991.2
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)01-0030-03

　　水處理絕大多數的工藝過程可以歸結到這樣一個程序：反應(化學反應或生化反應)→物質析出→絮凝長大→把絮凝長大物質從水中分離出去，即水中一些溶解性的有機物分子經強氧化劑的氧化作用分解成一些更小的分子，其中一些分子帶有很強的極性，互相絡合，在其絡合過程中也逐漸吸附了一些非極性分子，逐漸長大，其尺度達到膠體顆粒的尺度，這是反應析出的一種形式。這種膠體尺度的有機絡合物有一定的吸附能力(這也正是所有強氧化劑預處理后均有助凝作用的原因)，它們與水中其他膠體尺度雜質在混凝劑水解產物作用下絮凝長大，最后通過分離工藝分離出去。另一種反應析出形式是水中溶解的有機物分子經水中微生物的生化作用分解成一些小的極性分子，它們互相絡合形成膠體顆粒尺度，完成了析出過程。這種膠體顆粒有很強的吸附能力，逐漸絮凝長大，通過分離工藝分離出去。水處理工藝過程是多相物系反應和分離過程，多相物系反應分為化學反應和生物化學反應?；瘜W反應速率很快，生化反應速率在有生物酶存在的情況下也較快，都遠大于其傳質速率。因此，提高傳質速率就成為提高水處理工藝反應速率的關鍵，這就是說，如果能大幅度提高水處理反應工藝中的傳質效率就可以大幅度提高水處理工藝的效率與品質。目前人們對水處理工藝中傳質規(guī)律尚缺乏認識，工藝中的傳質措施尚處于經驗摸索階段，缺乏理論指導。因此，進行水處理工藝傳質研究就成為重要而迫切的課題。

1 亞微觀傳質

　　水流中傳質是指水流中的質量交換，即物質在水流中摻混或擴散過程。過去把水中的傳質分成兩類：微觀傳質、宏觀傳質。微觀傳質是指由于水分子熱運動引起的質量交換或擴散。其量級是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量級。水作層流運動時傳質是微觀傳質，其時物質垂直水流方向擴散與摻混是水分子熱運動所造成的。所謂物質在水流中的宏觀傳質是指湍流渦旋的動力作用引起物質在水流宏觀部位的摻混與擴散，其量級是宏觀尺度的量級。因此，宏觀傳質速率是量級遠遠大于微觀傳質速率的量級。
湍流情況下宏觀傳質速率的大小可用均勻各向同性湍流中的擴散系數大小來表征。其數量級可由下面兩個公式表示：?
?
　　由上面公式可以看到，當研究尺度在λ＞λ₀與λ＜λ₀兩種不同 情況下其擴散系數的規(guī)律截然不同。λ越小擴散系數越小，λ越大擴散系數越大，當研究尺度相差很大時，擴散系數可以相差幾個數量級。這樣物質在湍流水體中的傳質可以分為兩類：①宏觀傳質，即物質在水流中宏觀部位的傳質，這是由湍流中大、中、小渦旋造成的湍流摻混、擴散所導致，其傳質速率很快，傳質阻力很小；②亞微觀傳質，即物質在湍流水體中垂直該地區(qū)流速方向在極鄰近部位的擴散，其傳質速率很低，傳質阻力很大。亞微觀傳質究其實質是層流下的 傳質。因為在極鄰近部位即當λ＜λ₀時，其粘性力起主導作用，水流呈現層流狀態(tài)，故其傳質速率遠低于湍流宏觀傳質速率。
　　在層流水體中物質垂直流速方向的擴散是由水分子熱運動造成的。而在湍流水體中是由于慣 性效應引起體積質量與水不同物質相對于水體的遷移，特別是由湍流微渦旋引起體積質量與水不同物質沿微渦旋徑向遷移，這一作用大大地增大了湍流中亞微觀傳質速率。由于這一速率遠大于水分子熱運動所引起的傳質速率，所以可認為微渦旋的離心慣性效應是湍流亞微觀傳質的動力學致因。渦旋的離心慣性效應的量級可用渦旋加速度特征值α_λ表征^［1］：
　　a₂=ε₀^2/3/λ^1/3　　　　　　　　　　　(3)
　　渦旋加速度即單位質量慣性力。由式(3)可見，隨渦旋尺度λ減少，渦旋離心慣性力以λ^1/3反比例而增加。當λ趨近λ₀ 時渦旋的加速度最大，其慣性效應最強。由此可見在湍流水體中λ₀量級微渦旋的離心慣性效應將大幅度地增加湍流中亞微觀傳質速率。
　　湍流亞微觀傳質研究尺度的量級遠小于宏觀尺度的量級，遠大于微觀尺度的量級，是與湍流微渦旋尺度量級相當，即亞微觀尺度量級^［1］。因此其傳質速率遠小于宏觀傳質速率，又遠大于微觀傳質速率。

2 亞微觀傳質在水處理反應工藝中的作用

　　給水處理的混合工藝就是要把混凝劑的水解產物迅速擴散到水體中的每一個細部。由以上論述可知，混凝劑水解產物被湍流中的大、中、小渦旋帶到水體的宏觀部位完成宏觀擴散非常迅速，而混凝劑水解產物向極鄰近部位的擴散使其達到水體每一細部，即完成亞微觀擴散速率極慢，尤其在高濁時期。高濁期原水濁度很高，混凝劑水解產物向極鄰近地區(qū)擴散速率比宏觀擴散速率小幾個數量級，沒等其擴散到極鄰近部位，就被更靠近它的膠體顆粒所捕捉。這樣就造成混凝劑水解產物局部集中，而有些部位則不足，甚至完全沒有。在混凝劑水解產物集中的部位礬花迅速長大，這些過分長大的礬花遇到更強烈湍流剪切就被剪斷，這種過反應情況嚴重影響了反應效果。在混凝劑水解產物不足或完全沒有的部位，膠體顆粒不能完全或者根本不能脫穩(wěn)、凝聚，這樣導致高濁期表觀看來礬花很大，實際上反應很差，因為總有些沒能脫穩(wěn)的膠體顆粒不能被礬花吸附與捕捉，高濁水之所以難處理其根本原因就在于此。大慶油田中引水廠(25×10⁴ m³/d)從龍湖泡取水，春季解凍時正值枯水期，湖水很淺，風很大，使湖泡底泥攪起，水溫是4 ℃左右，造成嚴重低溫高濁。該水廠原工藝是靜態(tài)混合器混合、普通網格反應、三層側向流斜板沉淀，到最嚴重低溫高濁時期，水廠出水量只有(8～9)×10⁴m³/d。低溫高濁不僅有上述因高濁造成的混凝劑水解產物亞微觀傳質更困難的特點，而且因水溫低、水的粘性大，混凝劑水解產物因微渦旋離心慣性效應的驅動，在水中向相鄰近部分遷移更為困難，這樣就更增加了亞微觀傳質的難度。混凝劑水解產物不能擴散到所有水體的細部，這些地區(qū)的膠體顆粒不能脫穩(wěn)、凝聚。在反應過程中也不能完全被礬花顆粒所捕捉、吸附，嚴重影響了出水水質。解決問題最好辦法是讓混合設備在水流中造成高比例、高強度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性效應，提高亞微觀傳質速率。中引水廠使用了多相工藝研究中心推出的孔板式混合設備，徹底解決了這個問題，低溫高濁期處理能力達到了設計負荷。
　　處理含鐵地下水研究與工程實踐認為，高含鐵地下水用自然曝氣方法不能使水中所有的二價鐵離子都氧化成三價鐵離子。接觸氧化法則有其優(yōu)勢，利用濾層中鐵質膜的催化作用使二價鐵離子氧化成三價鐵離子，它們所形成的氫氧化物的絡合物，由于濾池的微絮凝作用與截留作用被去除。而濾池要形成鐵質膜需要一定時間，即所謂鐵質膜成熟期。在鐵質膜成熟之前濾池出水是不能達標的。哈爾濱建筑大學碩士研究生劉健勇組織這樣二組對比試驗。兩者的工藝流程如下：?
　　高含鐵水→曝氣→濾池→出水?
　　高含鐵水→曝氣→網格段→濾池→出水
　　第一個流程是目前普遍采用的地下水除鐵的工藝流程。第二個流程是曝氣后的水先流過一個網格段，再進入濾池。試驗時地下水含鐵量為11.5 mg/L，結果證明目前通用的地下水除鐵工藝流程在鐵質膜成熟期之前出水不能達標。而第二個流程曝氣后濾池出水水質馬上達標，不需要鐵質膜的催化作用，處理后水中鐵的含量均為微量左右或更少，甚至為痕量，鐵的去除率均為97%以上。這二組對比試驗說明，目前采用的曝氣方法，二價鐵氧化成三價鐵的速率很快，而氧亞微觀傳質速率很低，二價鐵氧化時消耗的氧得不到及時補充，高含鐵量時有些二價鐵就不能氧化，必須借助鐵質膜的催化作用。第二個流程因曝氣水流通過網格段增強了湍流擾動，增加微渦旋的比例和微渦旋強度，微渦旋離心慣性效應大大增大了亞微觀傳質速率。這時二價鐵氧化成三價鐵的所需氧不僅可以從溶解氧中得到補充，也可以從鄰近地區(qū)過飽和氧氣中得到補充，因此不需鐵質膜的催化作用，在進入濾池之前二價鐵已氧化成三價鐵。三價鐵的氫氧化物有很強極性及吸附能力，互相凝聚長大，而上述網格段能有效加速氫 氧化物絡合物的接觸與碰撞，使它們迅速絮凝，進入濾池后正好被濾池所截留，出水鐵的殘余量甚微。
　　在水處理反應中如好氧反應的活性污泥法和生物膜法及厭氧反應工藝中，障礙其反應速率和品質的第一要素仍然是傳質速率，而在傳質中起決定作用的是亞微觀傳質。因此提高亞微觀傳質是提高水處理反應工藝效率的決定因素。

參考文獻：
［1］王紹文.慣性效應在絮凝中的動力學作用［J］.中國給水排水，1998，14(2) ：13-16.

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