出　　自： 《中國給水排水》 1987年第4期第4頁
發表時間： ：1987-4

丹保憲仁　　　 于泮池；王曉昌
( 日本北海道大學工學部　　　 西安冶金建筑學院　)

摘要：本文介紹了結團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團絮凝體是該工藝在凈化效率、泥渣脫水性能等方面優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造形態，是結團絮凝體形成的主要機理。試驗研究結果表明該工藝具有推廣運用價值，可成為開發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，合理地開發利用高濁度水系就成為水處理技術研究的重要課題。常規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，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，使原水預沉十天以上再進行通常的沉淀過濾處理，或在原水中投加有機高分子絮凝劑，經數小時沉淀去除大量泥沙之后再進行處理。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用。事實上，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團凝聚(PelletCoagulation)法處理高濁度水的工藝。北海道大學工學部丹保研究室和西安冶金建筑學院給水排水教研室合作進行了試驗研究，取得了初步的成果 〔1〕 。
結團凝聚是近年來在污泥處理方法的研究中出現的技術，是一種利用有機高分子絮凝劑在高濃度污泥中制造密實團粒(Pellet)的方法。在日本，游佐 〔2〕 ，鈴木 〔3〕 ，角田 〔4〕 等發表了這一方面研究的文章。結團凝聚法制造的團?？煞Q為結團絮凝體(PelletFloc)，它比普通絮凝體密實，沉速快，極易脫水。試驗研究結果表明，運用結團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，結團凝聚是有別于一般凝聚絮凝的新概念，結合高濁度水處理實踐對結團凝聚機理進行深入研究對于豐富和發展水處理凝聚理論也具有深刻的意義。

二、試驗研究

　　1. 工藝流程
　　運用于高濁度水處理的結團凝聚工藝分為初始粒子形成階段和結團絮凝體形成和沉淀分離階段，相應的處理裝置主要為管式微絮凝器和上向流結團凝聚柱兩部分(見圖1)。試驗操作時，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。管式微絮凝器內徑1cm左右，長度10m左右，可根據需要調整。管內水力停留時間為1～2min，原水中的粘土膠粒在鋁鹽作用下脫穩，生成微小的初始粒子。管式微絮凝器末端接到上向流結團凝聚柱底部，高分子絮凝劑也通過定量藥泵從此處注入。試驗用的上向流結團凝聚柱內徑5 cm，總高度103cm，沿柱子一定高度設泥渣排出口，控制柱內的懸浮層厚度。懸浮層上部是清水區，上清液從柱頂出水堰排出。根據需要在懸浮層內裝設一定數量的攪拌葉片，由無級變速電機驅動，進行緩慢攪拌使懸浮層保持均勻。

　　2. 現象觀察
　　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。當懸浮層增長到20～30cm厚時，柱內呈清晰的泥水界面，上清液濁度已在20mg/L左右，以后懸浮層不斷增厚，出水濁度繼續降低。裝置穩定工作時，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推移。將多余的懸浮結團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上述工藝生成的結團絮凝體照片，從中可以清楚地看到結團絮凝體的結構和形態。

　　3. 黃河高濁度水處理試驗結果
　　在西安冶金建筑學院給水排水實驗室進行了黃河高濁度水的結團凝聚處理試驗。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聚合氯化鋁(P A C)，高分子絮凝劑采用國產聚丙烯酰胺(PA M)。連續處理試驗的主要參數和結果見下表。

　　注:表中的過篩結團體含水率是指當結團絮凝體從凝聚柱出泥口排出后不經濃縮，只置放于1 mm孔眼的金屬網上除去結團絮凝體間水分后的含水率。
　　從表中數據可以看到:
　　(1)結團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)上向流結團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高，說明結團絮凝體的良好沉淀性能。
　　(3)裝置排出的泥渣脫水性能極好，有可能不經濃縮而在輸送的過程中完成固液分離。
　　(4)結團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、機理探討

　　結團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團絮凝體以及由此構成的高濃度懸浮層。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，單位濁質產生的泥渣量小，這才有可能對高濁度原水直接進行澄清處理。
　　絮凝體的密度主要取決于構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造形態決定。普通絮凝池中生成的絮凝體是初始粒子隨機碰撞的結合體，是一種空間網狀構造。無論是丹保以水中各種尺度較小顆粒碰撞合并為基礎建立的隨機絮凝體模型 〔5〕 還是Vold以同徑初始粒子逐個碰撞合并為基礎建立的隨機絮凝體模型 〔6〕 都得出了同樣的結論:由于顆粒碰撞合并的隨機性，形成絮凝體的粒徑越大，絮凝體內部空隙水含量越多，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那樣的結團絮凝體，即使使用有機高分子絮凝劑，也只能改善絮凝體的抗剪切強度，使絮凝體成長得大些，而不可能達到改變絮凝體構造形態，增長其密度的目的。因為高分子無助于改變顆粒的合并規律。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部空隙率，這就要求改變絮凝體構造形態?？梢栽O想，如果一個絮凝體是由粒徑一致的球型初始粒子構成，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%，與構成絮凝體的大小無關。這種構造就是理想化的結團絮凝體。實際的結團凝聚過程雖不可能達到理想化，但處理裝置中的條件能夠導致絮凝體構造致密化。
　　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，但不結成大的顆粒，(2)管式絮凝器內是推移流，水流雷諾數小，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想。
　　上向流結團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際水流速度更高，另外還有攪拌葉片提供一定強度的攪拌。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。在高體積濃度條件下，絮凝體顆粒相互擁擠，它們之間的相對運動極可能導致產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 是由相鄰結團絮凝體的相對旋轉運動產生的切向力。如圖3-b所示，設兩個靠得很近的結團絮凝體A和B的旋轉運動引起二者的相對表面運動，則在A、B的接觸面上產生了摩擦力。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，a會很快地進入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的結合力不足以抵抗F r ，粒子a將隨著A的繼續旋轉在F r 作用下沿A表面移動(圖4-c)。因此，只有當初始粒子a到達A表面上的某一最佳位置與A具有足夠的結合力時，它才能與A合并。這就使得絮凝體按密實的方式成長。

　　擠壓力F p 是由結團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，但在高體積濃度結團絮凝體懸浮層中，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。
懸浮層中流體運動的剪切力F s 也是作用在結團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團絮凝體上，促使初始粒子在絮凝體內緊密排列。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度，結團絮凝體的內部結合力才能抵抗較強的外力，形成致密化結構。結團絮凝和普通凝聚絮凝的根本不同點就在于此。
　　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團絮凝體的內部空隙率和結團絮凝體密度。圖5和圖6分別是試驗測得的構成結團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 的關系，以及結團絮凝體有效密度ρ e (團絮凝體密度和水的密度之差)和V f 的關系。圖中P T表示有機高分子比投藥量，A L T表示鋁鹽中鋁離子比投藥量?？梢娫囼灲Y果與上述論點相符。

四、推廣運用的前景

　　結團凝聚法處理高濁度水目前還處在小型試驗階段。從已有的成果來看，它是一種高效率的處理方法，具有推廣運用價值。運用這一方法的優越性可歸納為如下幾點。
　　1.對于含沙量在20kg/m 3 左右的高濁度水可以進行一次性澄清處理，無須龐大的預沉設備，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，適應性廣，使用靈活。
　　3.生成結團絮凝體密度大，單位濁質產生的泥渣量小，排泥消耗水量相應減少。泥渣脫水性能好，無須專門的濃縮設備。
　　使用有機高分子絮凝劑(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。從試驗的情況看，P AM投量不算太高，用于工業用水處理沒有問題，但將該工藝用于生活用水處理是否合適尚需研究。

參考文獻

　　【1】于泮池、王曉昌、高羽飛、丹保憲仁、龜井翼，“黃河高濁水のぺしット凝聚にょる處理”，日本第三十七屆全國水道研究發表會論文，1986·5·
　　【2】遊佐美津雄，“団塊凝集法にょゐぺドロの脫水處理ぉょび余水處理(Ⅰ)”ぺドロNo.5，p.30(1976)
　　【3】鈴木英友，小林武司，“水中造粒法と晶析”，最近の化學工學晶析工學，pp·109～114(1978)，化學工學協會關東支部編
　　【4】角田省吾，“超高速造粒沈殿裝置”，用水 、20，No·9，pp·13(1978)
　　【5】N·Tam bo，Y.Watanabe，‘Physical Characteristics of Flocs(Ⅰ)‘Water Research，Vol·13，pp.409～419，1979·
　　【6】A·L·Langvanker，R·S·Gemmel，‘A Size-Density Relationship for Flocs，J.AWWA，Vo1.60(9)pp·1040～1046，1968。