摘要：依據低溫低濁水的特點，對低溫低濁水處理過程中的亞微觀傳質及絮凝過程中的動力特性進行分析，并通過試驗對研究結果的 可應用性及實用性進行說明，闡明了該技術在應用上低耗高效的特點。
　　關鍵詞：低溫低濁，慣性效應，微渦漩，亞微觀，低脈動

　Research On Experiment Of Treating Water Of Low Temperature And Low Turbidity Using Vortex Coagulation Low-Pulsation Sedimentation Process

　　ABSTRACT: Regarding to the properties of low-temperature and low-tur-bidity water, the paper analyzed the kinetic effects in the process of submicro mass transfer and flocculation during the treatment of low temperature and low turbidity water. Through the experimental studies on the applicability of the experiment results, the paper illustrated the features of high efficiency and low energy consumption of this technique.
　　KEY WORDS: low- temperature and low - turbidity, inertia effects, micro - vortex , submicro, low-pulsation

前　言

　　我國的東北、華北、西北和內蒙等地，全年有3—5個月冰凍期，作為主要飲用水水源的地表水在這一時期呈現低溫低濁特性，水溫0℃～5℃，濁度一般10NTU～30NTU，有時濁度降至10NTU以下。低溫低濁期，水中膠體顆粒電位升高，約為中溫時期的2倍，膠體間靜電斥力增大，穩定性增強；水的粘滯性增加，顆粒運動的阻力變大，碰撞困難；由于溫度低，顆粒的布朗運動減弱，微粒的惰性增強，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻，均小于常溫時期的粒徑，由此，雖然原水濁度較低，但直接過濾的效果并不明顯；冬季，地表水體中無機膠體顆粒含量減少，有機膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機成份較多，因而礬花的密度較原水水質平常期小；由于低溫的影響，動力粘滯系數變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。
　　受低溫低濁的影響，北方的地表水處理廠在各季水量、水質很難達到設計負荷，一些水廠降負荷運行以保證水質，供水趨于緊張。針對這一現狀，目前有投加粘土、沉泥回流、浮沉工藝及微絮凝過濾等一些技術、措施應用于水處理中。投加粘土及沉泥回流的目的是增加顆粒碰撞次數，微小的顆粒也可有效去除。浮沉池利用氣浮技術將一些微小絮體裹攜去除以達到凈化目的，該工藝效果較好，但浮沉池占地面積及設備較常規工藝增加很多。微絮凝工藝的截留礬花能力強，但當原水濁度提高后，其工作周期縮短，反沖洗水量增加。綜上所述，低濁低濁期為了保證水質、水量，應用了一些新工藝，因而擴大了土建投資和設備投資，一方面增加了水廠的建設投資，另一方面運行管理和維修費用增加。因此，應當探索在不增加造價，甚至減少造價的條件下對低溫低濁期和原水水質平常期均有效的處理工藝，也就是控制混合、反應 及沉淀工藝的動力學過程，來實現顆粒強烈的有效碰撞、合理凝并和高效截留。

1、渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術凈化低溫低濁水的機理研究

　　給水處理的混合、反應和沉淀工藝是處理效果優劣的關鍵環節，直接影響到濾池的工作狀況和總體處理效果。該凈化過程可概括為膠體顆粒的脫穩析出、微絮體的合理凝并長大(使礬花顆粒具有一定的尺度、密實度和抗剪切能力)以及礬花顆粒的有效截留。混疑劑性能和工藝過程的動力學控制是凈化的關鍵。多年來給水處理中顆粒碰撞的動力學致因一直未搞清楚，因而形成了常規工藝在原水水質平常期能達到處理標準，而在低溫低濁等特殊時期 降負荷以保證出水水質的局面。
　　混合和初始絮凝是給水處理的重要環節。混合的本質是混凝劑的水解產物向水體中的擴散過程，擴散分為宏觀擴散、亞微觀擴散，從而導致了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，它決定了混合的效果。
　　對于擴散系數可描還如下：

　　K～α（ε₀λ）^1/3.λ（λ＞λ₀）　　（1）
　　K～β[（ε₀/v).λ]^1/2（λ≤λ₀）　（2）

　　式中：λ渦流尺度
　　　　　λ₀：渦流特征尺度
　　　　　ε₀：能耗頂
　　　　　v：運動粘滯系數
　　　　　α.β：與流態和熱力學性質有關的系數

　　由上式可看出，λ＜λ0時的K值比λ＞λ0時的K值小幾個數量級，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漩，利用微渦漩的離心慣性效應來實現多相物系中的顆粒遷移，克服亞微觀傳質阻力，增加亞微觀傳質速率，促進亞微觀傳質。在試驗研究中，我們利用管式微渦混合器和串聯圓管混合器來實現混合的工藝。這兩種混臺器通過控制水流的速度和水流空間的尺度以及速度零區的范圍來造成高比例高強度的微渦漩，從而充分利用微小渦漩的離心慣性效應使混凝劑的水解產物瞬間進入水體細部，使膠體顆粗脫穩，避免了局部藥劑浪費或局部藥劑不足的現象發生。對于低溫低濁水的混合，該工藝設備可迅速使其間肢體顆粒脫穩析出，同時，較強的剪切作月避免了微絮體的不合理長大，從而保證單位體積內的顆粒數，為微小礬花的凝并提供了物量的保障。
　　水體中的膠體顆粒脫穩析出后，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，保持一定的尺度、密實度和抗剪切強度。在試驗研究中，通過在反應池的過水斷面上設置不同形式的網格 來完成工藝目的。由于水流經過格網和格 網后的過水斷面不一致，因此根據伯努力方程Z+P/r+U²/2g＝C(Z:勢能；P/r：壓能；U²/2g: 動能，C：常量)可知，在經過格網處和格網 后的壓力不一致，有逆向壓力梯度存在。由于過網后的流線分離，在網條后形成速度空白區，從而網后渦流產生，通過控制流速和網的形式，可以控制渦漩的大小和強度。在渦流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)和運動產生的繞流阻力Fd的作用：

　　F₁=ρ₀（U²/r）（3）
　　F₂= эp/эr (4)
　　

　　根據顆粒所受的運動阻力Fd＝Cd·πr₀².ρU²/2（Cd：繞流阻力系數，r0:顆粒尺度)可以得出單位質量顆粒受力fd＝3CdρU²/（8ρ₀r₀），由式中可以看出，在水體中運動的顆粒，單位質量大顆粒所受阻力小，單位質量小顆粒所受阻力大，因此渦漩內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，在由原速度區向新速度區運動時，因速度差異而與新速 度區內的顆粒發生碰撞合并。漩渦內相鄰碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦流離開原位置，這為不同漩渦內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，也越難處理。研究認為，在任何水體中，保證單位體積內顆粒的數量和有效碰撞次數是至關重要的。在濁度較高時，單位體積水體內顆粒 數可以保證，因此，投加的混凝劑主要是使膠體顆粒脫穩，在有充足的絮凝時間時，常規工藝可達到設計標準。在低濁條件下，投加少量混凝劑即可使膠體脫穩，由于① 低濁時單位體積內顆粒密度小②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硯花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在本試驗研究中，著重增強了混合過程中的傳質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，保證其達到理想的密實度。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 度增加單位體積內顆粒有效碰撞的幾率，從而在保障膠體顆粒脫穩的前提下，降低單位體積內的顆粒數量，因而較常規工藝節減小藥耗，原水濁度越低，溫度越低，效果就越明顯。
　　依據淺池理論及對顆粒沉降中湍流擾動的抑制，試驗研究中應用了小間距斜板。我們作一下對比計算，在T=5℃，上升流速q=3.0mm/s,斜板單元為12.5cm×1.5cm時，其間雷諾數Re=13；而對于T＝5℃，q＝2.5mm／s，間距為3.5cm的斜管，其間雷諾 數Re＝15。由此，上升流逐為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、并且在運行過程是不改變傾角，斜板不變形，從而使設計意圖得以全面實觀。由斯托克期方程可知，在低溫條件下，由于動力粘滯系數增大，顆粒沉降速度U1.4=[1(ρ0-ρ）gd^1.6]/[13.9ρ^0.4.μ^0.8]減小，這意味著，在相同上升流速條件下，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態去除率降低，甚至不能去除而影響水質，同時增加濾池負荷，這也是冬季北方水廠降負荷的主要原因之一。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，采用了小型設備，試驗流量Q＝O.5m³/h--3.0m³/h，試驗水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設備在 低溫低濁下運行其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗中，串聯圓管混合器混合時間10s～30s，管式微渦混合器混合時間3s～5s，小孔眼格網反應時間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，以及說明渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術在實際工程中應用的易操作性，下面將該技術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，單組設計負荷2.5萬米³／日。1997年10月至11月對其中一組進行了應用新技術的改造。在改造中，拆除了原工藝設備，安裝了與新技術相匹配的設備，其中反應池是依據原池的現狀，通過市設不同孔徑和距離的格網來控制水流的流態，使格網、廊道及轉彎處的動力條件相一致或有序。

　　原工藝：
　　原水→靜態混合器（10s)→傳統豎井格網反應池(23min)→三層測向流斜板沉淀池(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。試驗中藥劑選用硫酸鋁+活化硅酸，硫酸鋁采用藥劑廠原液，不加稀釋。活化硅酸投量均采用4mg／L。在試驗中，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+流星計，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。在實際運行中的對比結果用曲線描述如下：

　　　

　　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，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.結論

　　(1)渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術在低溫低濁時期處理水是行之有效的。該技術揭示了多相物系傳質碰撞的動力學致因，因而在低溫低濁水處理中顯示了 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鍵，通過造成高比例高強度的微渦漩，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顆粒的碰撞凝并程度，同時可以適度減少單位體積內的顆粒數，在保證膠體脫隱的前提下，節省藥耗。
　　(4)格網的布設一方面形成微渦流，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網的剪切使絮體壓實，密度增大。此外，全程格網的布設為一些流動過程中破碎的礬花重新聚集提供了水力條件。合理的格網布設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件，這在低溫低濁期，顆粒極限沉速變小的情況下作用尤為突出。同時斜板的材質、支撐及角度保證了沉泥的快速徹底排除，在實際運行中小間距斜板保證了沉淀效果可靠性。

參考文獻

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　　[2]吳亞淮 低溫低濁水凈化技術的應用及發展 中國給水排水1989，5（5）
　　[3]徐繼潤等 水力旋流器流場理論 科學出版社，1998