余承烈，董康儒
（山西呂廠，山西 河津 043300）

　　摘要：通過研究混凝過程、總結混凝試驗結果、分析現行的混凝新技術，認為混凝劑與膠體離子(或溶解物)的接觸碰撞、初始絮體在速度梯度作用下的自旋、絮體在渦旋中的回轉都可提高混凝效果。
　　關鍵詞：水處理；混凝；接觸碰撞；速度梯度
　　中圖分類號：TU991.22　　 文獻標識碼：B　　 文章編號：1009—2455(2003)05—0054—03

　　水的混凝機理一直是水處理與化學工作者們關心的課題，迄今也還沒有一個統一的認識^[1]。一般認為：混凝分為凝聚和絮凝兩個過程。凝聚是瞬時的，它是反映化學藥劑在水中擴散的過程^[2]。絮凝則與凝聚不同，它反映脫穩后的膠體顆粒互相碰撞后粘在一起形成大致是永久性聚集體的過程^[3]。凝聚的時間很短，要想把凝聚和絮凝完全分開是很難的，因此把能引起凝聚和絮凝作用的藥劑稱為混凝劑。通過觀察混凝過程，筆者認為可以通過以下三個環節提高混凝效果。

1 增加接觸碰撞

　　混凝機理一般認為有以下4種：
　　①雙電層壓縮機理；
　　②吸附電中和作用機理；
　　③吸附架橋作用機理；
　　④沉淀物網捕機理。
　　無論那一種機理，要完成上述過程，首先是造成膠體顆粒與藥劑水解分子相互靠近、碰撞、接觸。例如，接觸凝聚，實際上是縮小水流通道，客觀上造成膠體顆粒與吸附體之間的距離很近，才能產生更多的碰撞、接觸機會，取得事半功倍的效果。雖然說，微粒的聚集是通過碰撞完成的，但不是每次碰撞都會發生凝聚，凝聚速度決定于有效碰撞次數，有效碰撞取決于微粒濃度，也就是說有效碰撞與碰撞是成正比的。近年來，新興起的結團凝聚處理法^[4]，也是基于提高碰撞機率的原理。這種裝置開始運轉時，上向流結團凝聚柱內尚無顆粒懸浮層，出水渾濁，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。當懸浮層不斷增厚至20-30cm時，柱內呈清晰的泥水界面，懸浮層不斷增厚，出水濁度不斷降低，在較高上升流速時，各結團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移動，將多余的懸浮體從泥渣口排出后，它們極易與水分離，分離出的水保持清澈。筆者在進行“高效固液分離裝置”(專利產品)中試時也發現類似現象：污水在上升過程中，穿過一個懸浮泥渣層再進入過濾層，盡管進水水質變化很大，進水ρ(SS)=400—2 500m g／L，出水水質卻很穩定，出水ρ(SS)=5—10mg／n，當過濾水頭上升時開始排泥，從排泥管放出質量分數為5％-6％的積泥，靜置10min即出現清澈的水面，明顯地能看出泥與水已經分離，倒出上清液后，泥液明顯增稠，泥層比較密實，不像普通沉淀池排出的泥液那樣稀松。
　　日本專家Tambo.N提出接觸絮凝方程式^[5]為：

　　dn／dt=-∏／4qv_s(D+d)²Nn 　　　(1)
　　式中：N，n——分別為單位體積內成熟絮凝體和微絮凝體的數目，個／cm³；
　　　　　t——接觸絮凝時間，s；
　　　　　q——絮凝系數；
　　　　　v_s——水流上升流速，cm／s；
　　　　　D，d——分別為成熟絮體和微絮凝體平均粒徑，cm。
　　從(1)式看出，增加N，n值可以成倍地提高絮凝效果。　
　　錢榮孫試驗的軟性固體介質絮凝工藝只所以比普通石英砂接觸濾池凈水效率高，也就是因為同樣的過濾面積，軟性固體填料有更高的空隙率，能夠更多地造成絮凝體之間接觸、吸附的機會，相當于提高了單位體積內的顆粒濃度，使絮凝體大量地迅速地與水分離。
　　日常設計中往往是經過反應池形成“礬花”(即絮凝體)后，便想辦法造成一種環境，擴大水流面積，使水流速大大降低，讓絮凝體在層流狀態下慢慢沉降，完成與水的分離過程^[6]。其實在凝聚向絮凝轉化過程中，還有一部分凝聚體體積很小，質量很輕，這部分懸浮物在設計給定的環境中不容易馬上沉下來，那么靠一個大的沉淀面積(實際上是一個大的停留體積)，這部分凝聚體各自運動，空間大了反而不容易再次碰撞在一起，大的絮凝體已經沉下去，小的還懸浮于水中，出水余濁必定較高，若在此過程中，再給一個“束縛”的機會，讓這些凝聚體再次靠近，碰撞接觸，聚結成大的顆粒而沉降，這樣的過程才能更完善，出水水質會更好。例如，如果在豎流沉淀池的分離區，通過控制上升流速、泥渣回流手段造成一個懸浮泥渣層，利用懸浮泥渣層吸附、碰撞、接觸，進一步去除細小顆粒，提高出水水質，提高產水率。懸浮泥渣層在機械加速澄清池中的作用相當重要，也能說明這個道理。再如：如果我們在乎流沉淀池的尾部增加纖維軟性填料，肯定對細小顆粒有進一步“攔截”作用，能進一步降低余濁。當然纖維填料的設置和清洗方法要具備可行性。筆者分析過國外的所謂高效沉淀池(或者高效固液分離裝置)，其形狀尺寸就是利用了上述原理，如他們的高效沉降槽，就是比我們設計的沉降槽“瘦高”一些，其余沒什么特殊之處。就是說，適當放大高度與直徑的比例，讓絮凝體在沉降過程中，互相之間碰撞接觸的機會增多，聚結后共同下沉，就能獲得好的分離效果。

2 初級微粒絮體顆粒的“自旋”

　　在混凝過程中，脫穩微粒相互聚結而形成初級微絮體顆粒。這里不能不提到速度梯度。速度梯度(G)作為絮凝池的設計參數已沿用多年，目前除了G值以外，未找到更理想，更確切的反應絮凝過程的指標。
　　根據水力學的解釋：因為水有粘滯性，因此水在流動過程中會產生速度梯度，即水層之間存在速度的變化值。一般認為異向凝聚是由于布朗運動造成的，而同向凝聚是由于攪拌作用而產生的。筆者認為無論是攪拌或折板反應，格網反應，迷宮反應等，無非是在水流中產生渦旋，有渦旋時，速度梯度值就會變化很快，除了造成凝聚體的“你追我趕”相互碰撞以外，還會產生凝聚體或微絮體本身的“自旋”。因此渦旋內流線發生變化，相鄰流層之間存在速度差值，一個微粒很可能在其前進方向的兩側受到不同的速度影響，正是在這兩個不同速度的差值形成力矩，推動絮體或凝聚體自身旋轉。因為絮凝體不是理想的球形體，而是象云片樹枝一樣，因此可以肯定地說絮體或凝聚體一旦自身旋轉，其半徑可能要擴大幾倍，甚至更高。根據文獻^[6]提出的公式：

　　-DN／dt=2／3Gd³N² (2)
　　式中：N——單位容積的顆粒個數，個/cm³；
　　　 d——顆粒直徑，cm；
　　　 G——速度梯度，s。
　　(2)式中碰撞的效率與d的三次方成比例，可見自旋在絮凝過程中的作用很重要，如半徑增加1倍，可獲得64倍的碰撞效率。當然，速度梯度對相鄰流層之間的剪切力也會使形成的凝聚體遭到“剪切”而斷裂。影響混凝效果，因此，對一種水質一種藥劑，一種反應方式都有一個最佳速度梯度值，這個值一般是一個范圍，G值過大剪切作用明顯，破壞凝聚體；G值過小，擴散強度弱，碰撞速度慢，又不足以推動初始粒子自旋，降低了凝聚體生成速度，文獻^[7]指出：絮凝池中的湍流充滿著大大小小的渦旋，它們不斷地產生、發展、衰減與消失，大尺度渦旋破壞后形成較小尺度的渦旋，較小尺度形成更小的，其中的微小渦旋導致了顆粒碰撞、絮凝。微小渦旋最容易引起絮體和自旋。而直徑大小又能最大限度地保護生成的凝聚體不被破壞，在設計高效絮凝反應器時，控制水流在反應器沿程能夠形成與絮體顆粒相近的微渦旋尺度就是這個道理。這個觀點目前在微觀狀態下還得不到證實，但在結團凝聚過程中的顆粒自旋、翻卷，可以給我們以這方面的啟發。

3 絮凝體的回轉

　　在上文敘述中已談到微渦漩會造成初始絮凝體的自旋，自旋本身相當于增大了絮體的半徑，所以能提高混凝效果。
　　除此以外，在高效絮凝技術中，都利用了各種手段產生渦旋，提高絮凝效率，筆者認為在反應階段，長大后的絮凝體在渦漩中由于慣性力和離心力的作用會繞著渦旋中心，以渦旋中心為軸而回轉，相當于更大范圍內擴大了自身的半徑，而且有時還會在渦漩中反復回轉，一次又一次，增加了微粒碰撞、接觸的機會，使小顆粒凝結成大顆粒，大顆粒聚結成更大的顆粒從而與水分離。例如在網板反應中r副，當水流繞過非線性圓柱體(網絲)時，由于發生邊界分流現象，在圓柱體后部兩側便產生渦漩。渦漩長大到一定程度即從主體分離，順流而下，隨后又產生新的旋渦。觀測表明：初始的渦旋大小基本上與柱體尺寸處于同一數量級。反應水流中的渦旋尺度可以通過調整網格尺度的辦法來控制，使其與形成的絮體顆粒粒徑接近于同一數量級，同時也可以根據絮體在反應過程中不斷增大的規律來設計不同級的反應條件，提高反應效率。回轉則能提高絮凝效率，宏觀現象觀測更能說明這個觀點：河流中經常看見旋渦中的柴、草等漂浮物，繞著旋渦中心反復回轉好多次，偶一瞬間才能“逃”出旋渦而進入下游。高效絮凝技術中，正是利用了小的絮體在不斷的回轉過程中，吸附碰撞更小的或更大的絮體生成大而重的絮體而與水分離，提高混凝效果。上個世紀80年代，風行日本的迷宮反應池，正是利用了絮體自旋和絮體在旋渦中反復回轉的原理。提高了混凝效率。　
　　控制混凝過程，正是利用膠體粒子，藥劑水解分子，初級微絮體、絮體在水流中的各種運動規律，增加碰撞接觸的機會，提高混凝效果。

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作者簡介：余承烈(1963—)，男，山西萬榮人，1983年畢業于太原理工大學，教授級高工，現任山西鋁廠生活服務部副主任，電話(0359)5042191。