赫俊國(guó)(哈爾濱建筑大學(xué)多相工藝研究中心)
宋學(xué)峰 金昌錦(大慶石油管理局供水公司)
王鶴立 徐立群 趙 錳(哈爾濱建筑大學(xué)多相工藝研究中心)

　　摘 要 依據(jù)低溫低濁水的特點(diǎn)，對(duì)其處理過程中的亞微觀傳質(zhì)及絮凝過程中的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)結(jié)果闡明了該技術(shù)的可應(yīng)用性和實(shí)用性以及低耗高效的特點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞 低溫低濁水 慣性效應(yīng) 微渦旋 低脈動(dòng)

　　我國(guó)北方地區(qū)全年有3～5個(gè)月的冰凍期，作為主要飲用水水源的地表水在這一時(shí)期呈現(xiàn)低溫低濁特性:水溫0～5℃；濁度一般10～30NTU (有時(shí)降至10NTU以下)；水中膠體顆粒電位升高(約為常溫時(shí)的2倍)，膠體間靜電斥力增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)；水的粘滯性增加，顆粒運(yùn)動(dòng)的阻力變大，碰撞困難；顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)減弱，微粒惰性增強(qiáng)，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻且小于常溫時(shí)的粒徑，造成直接過濾的效果差；水體中無(wú)機(jī)膠體顆粒含量減少，有機(jī)膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機(jī)成分較多，密度較平常期小；動(dòng)力粘滯系數(shù)變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。

1 機(jī)理研究?

　　混合和初始絮凝是給水處理的重要環(huán)節(jié)。混合的本質(zhì)是混凝劑的水解產(chǎn)物向水體中的擴(kuò)散過程。擴(kuò)散分為宏觀擴(kuò)散和亞微觀擴(kuò)散，從而導(dǎo)致微觀微粒的碰撞反應(yīng)。宏觀擴(kuò)散取決于濃度梯度和水體湍動(dòng)強(qiáng)度，一般的混合設(shè)備均能完成宏觀擴(kuò)散。微觀微粒的碰撞反應(yīng)取決于熱力學(xué)條件和微粒的物理化學(xué)特性。亞微觀擴(kuò)散是擴(kuò)散阻力最大的一環(huán)，它決定了混合的效果。對(duì)擴(kuò)散系數(shù)可描述如下：

　　K=α(ε₀λ)^1/3 ·λ 　　　(λ＞λ0)　　　　　　　(1)
　　K=β(λ·ε₀/υ)^1/2　　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　式中　 λ——渦旋尺度?
? 　　　　λ——渦旋特征尺度?
?　　　　 ε——能耗項(xiàng)?
? 　　　　υ——運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)?
? 　　　　α、β?——與流態(tài)和熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)?
　　由于λ≤λ時(shí)的K值比λ>λ時(shí)的K值小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此它的擴(kuò)散阻力最大。在實(shí)際工程中，通過造成高比例高強(qiáng)度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多相物系中的顆粒遷移，克服亞微觀傳質(zhì)阻力,增加亞微觀傳質(zhì)速率，促進(jìn)亞微觀傳質(zhì)。在試驗(yàn)中，利用管式微渦混合器和串聯(lián)圓管混合器來(lái)實(shí)現(xiàn)混合工藝.這兩種混合器通過控制水流的速度和水流空間的尺度以及速度零區(qū)的范圍來(lái)造成高比例高強(qiáng)度的微渦旋，從而充分利用微小渦旋的離心慣性效應(yīng)使混凝劑的水解產(chǎn)物瞬間進(jìn)入水體細(xì)部，使膠體顆粒脫穩(wěn)，避免了局部藥劑浪費(fèi)或局部藥劑不足的現(xiàn)象發(fā)生。對(duì)于低溫低濁水的混合，該工藝設(shè)備可迅速使其間膠體顆粒脫穩(wěn)析出同時(shí)，較強(qiáng)的剪切作用避免了微絮體的不合理長(zhǎng)大，從而保證單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，為微小礬花的凝并提供了物量保障。?
　　水體中的膠體顆粒脫穩(wěn)析出后，含有微絮體的水進(jìn)入反應(yīng)池，在反應(yīng)池中使微絮體相互碰撞凝并，并保持一定的尺度、密實(shí)度和抗剪切強(qiáng)度。在試驗(yàn)中，通過在反應(yīng)池的過水?dāng)嗝嫔显O(shè)置不同形式的網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成工藝目的。由于水流經(jīng)過格網(wǎng)和格網(wǎng)后的過水?dāng)嗝娌灰恢拢虼烁鶕?jù)伯努利方程可知，在格網(wǎng)處和格網(wǎng)后的壓力不一致，有逆向壓力梯度存在。由于過網(wǎng)后的流線分離，在網(wǎng)條后形成速度空白區(qū)，從而產(chǎn)生網(wǎng)后渦旋。通過控制流速和采用格網(wǎng)的形式，可以控制渦旋的大小和強(qiáng)度。在渦旋中取其間的顆粒進(jìn)行受力分析，顆粒受到離心力(F1)、水的壓力(F2)和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的繞流阻力F_d的作用：
　　

　　根據(jù)顆粒所受的運(yùn)動(dòng)阻力　F_d=C_d·πr₀²·ρU²/2　(C_d為繞流阻力系數(shù)，γ₀為顆粒尺度)可以得出單位質(zhì)量顆粒受力f_d=3C_dρU²/(8ρ₀γ₀)，可以看出，在水體中運(yùn)動(dòng)的顆粒，單位質(zhì)量大所受阻力小，單位質(zhì)量小所受阻力大，因此渦旋內(nèi)不同尺度的顆粒沿徑向有碰撞的可能。由于離心慣性效應(yīng)，顆粒作徑向運(yùn)動(dòng)，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因速度差異而與新速度區(qū)內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞合并。渦旋內(nèi)相鄰的速度層間產(chǎn)生滑移也為層與層間的顆粒碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦旋離開原位置，這為不同渦旋內(nèi)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(yùn)行中的耗藥量越高，處理難度也越大。研究認(rèn)為，在任何水體中，保證單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)量和有效碰撞的次數(shù)是至關(guān)重要的。在濁度較高時(shí)，單位體積水體內(nèi)顆粒數(shù)可以保證，因此，投加的混凝劑主要是使膠體顆粒脫穩(wěn)，在有充足的絮凝時(shí)間時(shí)，常規(guī)工藝可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在低濁條件下，投加少量混凝劑即可使膠體脫穩(wěn)，由于低濁時(shí)單位體積內(nèi)顆粒密度小和微絮體的不合理凝并，導(dǎo)致部分微絮體失去了碰撞凝并的條件，從而使得反應(yīng)池出水礬花中小礬花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在試驗(yàn)中，著重增強(qiáng)了混合過程中的傳質(zhì)擴(kuò)散和顆粒有效碰撞，并在水流過程中保持一定的剪切強(qiáng)度，使凝并的礬花不斷壓密，達(dá)到理想的密實(shí)度。給水處理中，通過對(duì)混合、反應(yīng)過程中顆粒碰撞凝并進(jìn)行合理的動(dòng)力學(xué)控制，可以大幅度增加單位體積內(nèi)顆粒有效碰撞的幾率，從而在保障膠體顆粒脫穩(wěn)的前提下，降低單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，因而較常規(guī)工藝減小藥耗。原水濁度越低，效果就越明顯。?
　　依據(jù)淺池理論及對(duì)顆粒沉降中湍流擾動(dòng)的抑制，試驗(yàn)應(yīng)用了小間距斜板，并作了對(duì)比計(jì)算。在T=5 ℃,上升流速q=3.0mm/s，斜板單元為12.5cm×1.5cm時(shí)，其雷諾數(shù)R_e=13；而對(duì)于T=5 ℃，q=2.5mm/s，間距為3.5cm的斜管，其雷諾數(shù)R_e=15。由此可見，上升流速為3.0mm/s的斜板較上升流速為2.5mm/s的斜管擾動(dòng)小，從而更有利于沉降。在運(yùn)行中，由于小間距斜板間距小、無(wú)側(cè)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(shí)際制作過程中，對(duì)斜板材料的光滑度、強(qiáng)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(yùn)行過程中不改變傾角，斜板不變形，從而使設(shè)計(jì)意圖得以全面實(shí)現(xiàn)。由斯托克斯方程可知，在低溫條件下，由于動(dòng)力粘滯系數(shù)增大，顆粒沉降速度減小，這意味著在相同上升流速，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態(tài)時(shí)去除率降低，甚至不能去除而影響水質(zhì)，同時(shí)增加濾池負(fù)荷，這也是冬季北方水廠降負(fù)荷運(yùn)行的主要原因之一。由于在混合反應(yīng)上的強(qiáng)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(shí)際運(yùn)行中得到了證實(shí)。

2 試驗(yàn)?

　　在以往的試驗(yàn)中，采用了小型設(shè)備，試驗(yàn)流量Q=0.5～3.0m³/h，試驗(yàn)水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設(shè)備在低溫低濁下運(yùn)行，其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗(yàn)中，串聯(lián)圓管混合器混合時(shí)間10～３０s，管式微渦混合器混合時(shí)間3～5s,小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)時(shí)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(duì)比以及說(shuō)明渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的易操作性，下面將該技術(shù)在大慶中引水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況與原工藝的運(yùn)行情況介紹如下。?
　　中引水處理廠共10組反應(yīng)沉淀池，單組設(shè)計(jì)負(fù)荷2.5×10⁴m³/d。1997年10月—11月對(duì)其中一組進(jìn)行了應(yīng)用新技術(shù)的改造。在改造中，拆除了原工藝設(shè)備，安裝了與新技術(shù)相匹配的設(shè)備，其中反應(yīng)池是依據(jù)原池的現(xiàn)狀，通過布設(shè)不同孔徑和距離的格網(wǎng)來(lái)控制水流的流態(tài)，使格網(wǎng)、廊道及轉(zhuǎn)彎處的動(dòng)力條件相一致或序。?

　　原工藝：?
　　原水 → 靜態(tài)混合器(10s) → 傳統(tǒng)豎井格網(wǎng)反應(yīng)池(23min) → 三層側(cè)向流斜板沉淀池［q=5.0m³/(m²·h)］→出水
　　試驗(yàn)工藝：?
　　原水 → 管式微渦混合器(5_s) → 小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)池 → 小間距斜板沉淀池 → 出水

　　試驗(yàn)場(chǎng)地原水取自嫩江中游的一個(gè)水庫(kù)。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4 mg/L。試驗(yàn)采用了電磁流量計(jì)測(cè)量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計(jì)量泵+流量計(jì)，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測(cè)量。實(shí)際運(yùn)行中的對(duì)比結(jié)果見圖1、圖2、圖3。

　　　　　　　　

　　　

　　新、原工藝對(duì)比說(shuō)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3 NTU以內(nèi)，原工藝沉淀池出水在5.7～11.3 NTU，當(dāng)原工藝與新工藝以相同的高負(fù)荷量運(yùn)行時(shí)，原工藝與新工藝無(wú)可比性。?

3 結(jié)論

　　①微渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)在低溫低濁時(shí)期處理水是行之有效的。該技術(shù)揭示了多相物系傳質(zhì)碰撞的動(dòng)力學(xué)致因，因而在低溫低濁水處理中顯示出較強(qiáng)的適應(yīng)性和生命力。?
　　②低溫低濁水處理中亞微觀擴(kuò)散是混合的關(guān)鍵，通過造成高比例高強(qiáng)度的微渦旋，利用其強(qiáng)烈的離心慣性效應(yīng)可以保障藥劑瞬間進(jìn)入水體細(xì)部，使膠體脫穩(wěn)瞬時(shí)、充分。?
　　③對(duì)反應(yīng)池中水流的全程進(jìn)行合理有效的動(dòng)力控制，可以有效提高單位時(shí)間內(nèi)顆粒的碰撞凝并程度，同時(shí)可以適度減少單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，在保證膠體脫穩(wěn)的前提下，節(jié)省藥耗。?
　　④格網(wǎng)的布設(shè)一方面形成微渦旋，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網(wǎng)的剪切使絮體壓實(shí)，密度增大。此外，全程格網(wǎng)的布設(shè)為一些流動(dòng)過程中破碎的礬花重新聚集提供了水力條件。合理的格網(wǎng)布設(shè)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(shí)斜板的材質(zhì)、支撐及角度保證了沉泥的快速?gòu)氐着懦趯?shí)際運(yùn)行中小間距斜板保證了沉淀效果可靠性。

參考文獻(xiàn)?

　　1 王紹文.慣性效應(yīng)在絮凝中的動(dòng)力學(xué)作用.中國(guó)給水排水，1998；14(2)?
　　2 吳亞淮.低溫低濁水凈化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展.中國(guó)給水排水，1989；5(5)?
　　3 徐繼潤(rùn)等. 水力旋流器流場(chǎng)理論.科學(xué)出版社，1998?

---

　　作者簡(jiǎn)介：赫俊國(guó) 碩士 助理研究員?
　　通訊處：150008 哈爾濱市南崗區(qū)海河路202號(hào) 哈爾濱建筑大學(xué)多相工藝研究中心815#
　　(收稿日期 1998-12-04)