[摘要]本文首次把湍流傳質(zhì)分為宏觀傳質(zhì)與亞微觀傳質(zhì)，首次提出亞微觀傳質(zhì)的動(dòng)力是微渦旋的離心慣性效應(yīng)。指出亞微觀傳質(zhì)是水處理工藝動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題。并結(jié)合給水處理混合工藝與地下水除鐵曝氣工藝進(jìn)行了剖析。
　　[關(guān)鍵詞]亞微觀傳質(zhì)，水處理，給水混合，地下水曝氣

Of the Functions of Sub-Micro Mass Transfer in Water Treatment Process

　　ABSTRACT:The paper for the first time ranged turbulence mass transfer as macro phase and sub-micro phase,and for the first time brought it out that the motivation of sub-micro mass transfer be the key problem of water treatment process kinetics. In combination with mixing process in sur-face water treatment and aeration process for Ferro-removing in groundwater treatment, the paper analyzed the above theses.
　　KEY WORDS: sub-micro mass transfer, water treatment,mixing, aeration

　　水處理絕大多數(shù)的工藝過(guò)程可以歸結(jié)到這樣一個(gè)程序：反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng))→物質(zhì)漸出→絮凝長(zhǎng)大→把絮凝長(zhǎng)大物從水中分離出去。即水中一些溶解性的有機(jī)物分子經(jīng)強(qiáng)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(qiáng)的極性，互相絡(luò)合，在其絡(luò)合過(guò)程中也逐漸吸附了一些非極性分子，逐漸長(zhǎng)大，其尺度達(dá)到膠體顆粒的尺度，這是反應(yīng)淅出的一種形式。這樣膠體尺度的有機(jī)絡(luò)合物有一定的吸附能力，這也正是所有強(qiáng)氧化劑預(yù)處理后均有助凝作用的原因。它們與水中其它膠體尺度雜質(zhì)在混凝劑水解產(chǎn)物作用下絮凝長(zhǎng)大，最后通過(guò)分離工藝分離出去。另一種反應(yīng)淅出形式是水中溶解的有機(jī)物分子經(jīng)水中微生物的生化作用分解成一些小的極性分子，它們互相組合形成膠體顆粒尺度，完成了淅出過(guò)程。這種膠體顆粒有很強(qiáng)的吸附能力，逐漸絮凝長(zhǎng)大，通過(guò)分離工藝分離出去。水處理工藝過(guò)程是多相物系反應(yīng)和分離過(guò)程。多相物系反應(yīng)分別化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)速率很快，生化反應(yīng)在有生物酶存在的情況下也較快，都遠(yuǎn)大于其傳質(zhì)速率。因此提高傳質(zhì)速率就成為提高水處理工藝反應(yīng)速率的關(guān)鍵。這就是說(shuō)如果能大幅度提高水處理反應(yīng)工藝中的傳質(zhì)效率就可以大幅度提高水處理工藝的效率與品質(zhì)。目前人們對(duì)水處理工藝中傳質(zhì)規(guī)律尚缺乏認(rèn)識(shí)，工藝中的傳質(zhì)措施尚處于經(jīng)驗(yàn)摸索階段，缺乏理論指導(dǎo)。因此進(jìn)行水處理工藝傳質(zhì)研究，就成為重要而迫切的課題。

1 亞微觀傳質(zhì)

　　水流中傳質(zhì)是指水流中的質(zhì)量交換，即物質(zhì)在水流中摻混或擴(kuò)散過(guò)程。過(guò)去把水中的傳質(zhì)分成兩類：微觀傳質(zhì)、宏觀傳質(zhì)。微觀傳質(zhì)是指由于水分子熱運(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量交換或擴(kuò)散。其量級(jí)是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量級(jí)。水作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)傳質(zhì)是微觀傳質(zhì)。在水作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，物質(zhì)垂直水流方向擴(kuò)散與摻混是水分子熱運(yùn)動(dòng)所造成的。所謂物質(zhì)在水流中的宏觀傳質(zhì)是指湍流渦旋的動(dòng)力作用引起物質(zhì)在水流宏觀部位的滲混與擴(kuò)散：其量級(jí)是宏觀尺度的量級(jí)。因此宏觀傳質(zhì)速率的量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微觀傳質(zhì)速率的量級(jí)。
　　湍流情況下宏觀傳質(zhì)速率的大小可用湍流擴(kuò)散方程中的擴(kuò)散系數(shù)大小來(lái)表征。湍流擴(kuò)散系數(shù)可由下面兩個(gè)公式計(jì)算。

　　　　　κ～α（ε₀λ）^1/3λ^[1]（λ＞λ0)
　　　　　κ～β[（ε₀/v）^1/2]^[1]（λ＜λ0）

　　式中α、β為待定系數(shù)；λ為研究尺度；ε₀為單位質(zhì)量水體的能耗；v為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；λ₀為當(dāng)研究尺度λ小到用它作為特征長(zhǎng)度計(jì)算的雷諾數(shù)等于1時(shí)的λ值，即uλ₀/v＝1。由上面公式司以看到，當(dāng)研究尺度在λ＞λ₀與λ＜λ₀兩種不同情況下其擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)律截然不同。λ越小擴(kuò)散系數(shù)越小，λ越大擴(kuò)散系數(shù)越大，當(dāng)研究尺度相差很大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣物質(zhì)在湍流水體中的傳質(zhì)可以分為兩類；(1)宏觀傳質(zhì)，即物質(zhì)在水流中宏觀部位的傳質(zhì)，這是由湍流中大、中、小渦旋造成的湍流摻混、擴(kuò)散所導(dǎo)致，其傳質(zhì)速率很快，傳質(zhì)阻力很小；(2)亞微觀傳質(zhì)，助物質(zhì)在湍流水體中垂直該地區(qū)流速方向在極鄰近部位的擴(kuò)散，其傳質(zhì)速率很低，傳質(zhì)阻力很大。亞微觀傳質(zhì)究其實(shí)質(zhì)是層流下的傳質(zhì)因?yàn)樵跇O鄰近部位即當(dāng)λ＜λ₀時(shí)，其粘性力起主導(dǎo)作用，水流呈觀層流狀態(tài)，故其傳質(zhì)速率遠(yuǎn)低于湍流宏觀傳質(zhì)速率。
　　在層流水體中物質(zhì)垂直流速方向的擴(kuò)散是由水分子熱運(yùn)動(dòng)造成的。而在湍流水體中由于微渦旋離心慣性作用，引起比重與水不同物質(zhì)沿微渦旋徑向遷移。這一作用大大的增大了湍流中亞微觀傳質(zhì)速率。由于這一速率遠(yuǎn)大于水分子熱運(yùn)動(dòng)所引起的傳質(zhì)速率，所引可以認(rèn)為微渦旋的離心慣性效應(yīng)是湍流亞微觀傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)的致因。渦旋的離心慣性效應(yīng)的大小可用渦旋加速度特征值αλ表征
　　　　α_λ～（ε₀^2/3）/λ^{1/3 [2]}
　　渦旋加速度即單位質(zhì)量慣性力。由式中可見(jiàn)隨渦旋尺度λ減少，渦旋離心慣性力以λ1/3反比例而增加。當(dāng)λ＝λ0時(shí)渦旋的加速度最大，其慣性效應(yīng)最強(qiáng)。由此可見(jiàn)在湍流水體中λ0量級(jí)微渦旋的離心慣性效應(yīng)將大幅度地增加湍流中亞微觀傳質(zhì)運(yùn)率。
　　 湍流亞微觀傳質(zhì)研究尺度量級(jí)遠(yuǎn)小于宏觀尺度量級(jí)，遠(yuǎn)大于微觀尺度量級(jí)，是與湍流微渦旋尺度量級(jí)相當(dāng)，即亞微觀尺度量級(jí)[2]。因此其傳質(zhì)速率遠(yuǎn)小于宏觀傳質(zhì)速率，又玩大于微觀傳質(zhì)速率。

2、亞微觀傳質(zhì)在水處理反應(yīng)中的作用

　　 前面已經(jīng)提及水處理工藝中的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于其傳質(zhì)速率；湍流宏觀傳質(zhì)速率又遠(yuǎn)大于湍流亞微觀傳質(zhì)速率。因此亞微觀傳質(zhì)就成為水處理反應(yīng)工藝動(dòng)力學(xué)的決定性的問(wèn)題。
　　 給水處理的混合工藝就是要把混凝劑的水解產(chǎn)物迅速擴(kuò)散到水體中的每一個(gè)細(xì)部。由以上論述可知，混凝劑水解產(chǎn)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(kuò)散非常迅速。而混凝劑水解產(chǎn)物向極鄰近部位的擴(kuò)散，使其達(dá)到水體每一細(xì)部，即完成亞微觀擴(kuò)散速率極慢，尤其在高濁時(shí)期，高濁期原水濁度很高，水向極鄰近地區(qū)擴(kuò)散速率比宏觀擴(kuò)散速率小幾個(gè)數(shù)星級(jí)，沒(méi)等其擴(kuò)散到極鄰近部位，就被更靠近它的肢體顆粒所捕捉。這樣就造成混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些部位則不足，甚至完全沒(méi)有。這些混凝劑水解產(chǎn)物集中的部位礬花迅速長(zhǎng)大，這些過(guò)分長(zhǎng)大的礬花迂到更強(qiáng)烈湍流剪切環(huán)境吸附架橋就被剪斷，這種過(guò)反應(yīng)情況嚴(yán)重影響了反應(yīng)效果?；炷齽┧猱a(chǎn)物不足或完主沒(méi)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(dǎo)致高濁期表觀看來(lái)礬花很大，實(shí)際反應(yīng)很差。因?yàn)樗噪y處理其根本原因就在于此。 慶油田25萬(wàn)噸中引水廠，春季的低溫高問(wèn)題是非常突出的。該水廠從龍湖泡中。春季解冬時(shí)期正僵估水期，湖中水深很淺，春季風(fēng)浪很大，使湖泡底泥攪起，這個(gè)時(shí)期水溫是4℃左右，造成嚴(yán)重低溫高濁。該水廠原工藝是靜態(tài)混合器浸合、普通網(wǎng)格反應(yīng)、三層則向流斜板沉淀。到最嚴(yán)重低溫高濁時(shí)期，水廠出水量只有8-9萬(wàn)噸／日。低溫高濁不僅有上述因高濁造成的混凝劑水解產(chǎn)物亞微觀傳質(zhì)更困難的特點(diǎn)，而且因水溫低、水的粘性大，混凝劑水解產(chǎn)物因微渦旋離心慣性效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，就更增加了亞微觀傳質(zhì)的難度?；炷齽┧猱a(chǎn)物不能擴(kuò)散到所有水體的細(xì)部，這些地區(qū)的膠體顆粒不能脫穩(wěn)、凝聚。在反應(yīng) 過(guò)程中也不能完全被礬花顆粒所捕捉、吸附，嚴(yán)重影響了出水水質(zhì)。解決問(wèn)題最好辦法是讓混合設(shè)備在水流中造成高比例、 高強(qiáng)度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性 效應(yīng)，提高亞微觀傳質(zhì)速率。中引水廠使用了我們推出的孔板式混合設(shè)備，徹底解決了這個(gè)問(wèn)題，低溫高濁期處理能力達(dá)到了設(shè)計(jì)負(fù)荷。
　　 處理含鐵地下水研究與工程實(shí)踐認(rèn)為，高含鐵地下水用自然曝氣方法不能使離子。接觸氧化法則有其優(yōu)勢(shì)，利用濾層中鐵質(zhì)膜的催化作用使二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)鐵離子，它們所形成的氫氧化物的絡(luò)合物，由于濾池的微絮凝作用與截留作用所去除。而濾池要形成鐵質(zhì)膜需要一定的期，即所謂鐵質(zhì)膜成熟期。在鐵質(zhì)膜成熟之前濾池出水是不能達(dá)標(biāo)的。哈爾濱建筑大學(xué)碩士研究生劉健勇組織這樣二組對(duì)比試驗(yàn)。兩者的工藝流程如下：

　　　　

　　 第一個(gè)流程是目前普遍采用的地下水除鐵的工藝流程。第二個(gè)流程是曝氣后的水先流過(guò)一個(gè)網(wǎng)格段，再進(jìn)入濾池。試驗(yàn)時(shí)地下水含鐵量為11．5mg/L。試驗(yàn)證明目前通用的地下水除鐵工藝流程在鐵質(zhì)膜成熟期之前出水不能達(dá)標(biāo)。而第二個(gè)歷程曝氣后濾池出水水質(zhì)馬上達(dá)標(biāo)，不需要鐵質(zhì)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(duì)比試驗(yàn)說(shuō)明，目前采用的曝氣方法，因氧亞微觀傳質(zhì)速率很低，而二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的速率很快，二價(jià)鐵氧化時(shí)消耗的氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，高含鐵量時(shí)有些二價(jià)鐵就不能氧化，必須借助鐵質(zhì)膜的催化作用。第二個(gè)流程因水流通過(guò)網(wǎng)格段增強(qiáng)了湍流擾動(dòng)，增加微渦旋的比例，利用微渦旋離心慣性效應(yīng)的作用，大大增大了亞微觀傳質(zhì)速率。這時(shí)二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的所需氧不僅可以從溶解氧中得到補(bǔ)充，也可以從鄰近地區(qū)過(guò)飽 和氧氣中得到補(bǔ)充。因此不需鐵質(zhì)膜的催化作用，在進(jìn)入濾池之前二價(jià)鐵已氧化成三價(jià)鐵。三價(jià)鐵的氫氧化物有很強(qiáng)極性及 吸附能力，互相凝聚長(zhǎng)大。而上述網(wǎng)格段自能效加速氫氧化物絡(luò)合物的接觸與碰撞，使它們迅速絮凝[2]，進(jìn)入濾池后正好被濾池所截留，出水鐵的殘余甚微。
　　 在水處理反應(yīng)工藝中如好氧反應(yīng)的活性污泥法和生物膜法反應(yīng)工藝中、厭氧反應(yīng)工藝中、還是其它的反應(yīng)工藝中，障礙其反應(yīng)速率和品質(zhì)的第一要素仍然是傳質(zhì)速軍。而左傳質(zhì)中起決定作用就是亞微觀傳質(zhì)。因此提高亞微觀傳質(zhì)是提高水處理反應(yīng)工藝效率的決定區(qū)素。

參考文獻(xiàn)

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