譚章榮1，秦祖群1，孫友勛2，高乃云2，范瑾初2
（1.鎮(zhèn)江市自來水公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092） 摘要：由于Camp和Stein的速度梯度公式G值存在理論及應(yīng)用上的缺陷，首次針對異波折板絮凝池，提出單位造渦強(qiáng)度--Fs這一宏觀控制指標(biāo)。由于折板單元的水力特征決定了其本身的造渦強(qiáng)度，將Fs與絮凝效果有機(jī)地結(jié)合起來，在宏觀上就便于通過控制折板單元的水力特征來達(dá)到對絮凝效果進(jìn)行控制的目的。
關(guān)鍵詞：給水處理；異波折板絮凝池；單位造渦強(qiáng)度
中圖分類號：TU991.22
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：c
文章編號：1000-4602（2000）06-0058-03 折板絮凝池是在隔板絮凝池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。長期以來，絮凝控制指標(biāo)均是建立在G值或絮凝能耗的基礎(chǔ)上的。鑒于G值在理論和實(shí)踐上存在缺陷，在本研究中，對異波折板絮凝池的絮凝控制指標(biāo)不采用G值，而是提出單位造渦強(qiáng)度這一宏觀控制指標(biāo)，這一新探索對傳統(tǒng)的G值是一個(gè)突破。 1 單位造渦強(qiáng)度的提出與探討 1.1 異波折板模型的建立
取異波折板絮凝池的一個(gè)漸擴(kuò)和漸縮段組成的一個(gè)折板單元(圖1)，水流在折板單元內(nèi)的流動(dòng)呈紊動(dòng)狀態(tài)，形成對稱渦旋(圖2A)或單側(cè)渦旋(圖2B)。絮凝池是由眾多折板單元組成的，從而完成絮凝過程。  
1.2 絮凝控制指標(biāo)--單位造渦強(qiáng)度FS
紊動(dòng)由許多大小不等的渦旋或渦體所組成，大小不同的渦體產(chǎn)生頻率(α)不等或波長(λ)不同的脈動(dòng)。大尺度的渦旋逐漸變?yōu)檩^小尺度的渦旋，并將能量傳遞給小尺度渦旋，紊動(dòng)能量最后通過小尺度渦旋轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹?SUP>［1］。許多專家都認(rèn)為只有尺度與絮體尺寸相近的渦旋才會促使顆粒碰撞并導(dǎo)致絮凝。
紊流脈動(dòng)能譜如圖3所示。 
通過對紊流脈動(dòng)能譜的研究，可以認(rèn)為除了大渦旋(Ⅰ區(qū))主要起擴(kuò)散作用外，由于實(shí)際水流中顆粒尺寸不等，渦旋尺度又隨機(jī)變化，故而自載能渦旋區(qū)(Ⅱ)至統(tǒng)計(jì)平衡區(qū)(Ⅲ)的所有渦旋均對顆粒碰撞有效。測量渦旋微尺度、脈動(dòng)動(dòng)能以及有效能耗還很困難，直接從微觀上研究絮凝速率，在技術(shù)上有難度，故采用宏觀指標(biāo)來反映絮凝效果。在此宏觀指標(biāo)中，實(shí)際上隱含著渦旋變化及能量的傳遞和衰減，即渦旋在自(Ⅰ)區(qū)→(Ⅱ)區(qū)→(Ⅲ1)區(qū)→(Ⅲ2)區(qū)的衰減歷程中，由每一個(gè)折板單元絮凝區(qū)(漸擴(kuò)段+漸縮段)所造成的渦旋既不能只停留在(Ⅰ)區(qū)范圍內(nèi)，又不至于快速衰減消失(Ⅲ2區(qū)，即粘性損耗)，這就需要從宏觀上控制每一個(gè)折板單元絮凝區(qū)的紊流脈動(dòng)強(qiáng)度變化。基于這一認(rèn)識，提出了一個(gè)針對異波折板單元的絮凝效果控制指標(biāo)--單位造渦強(qiáng)度FS(暫名，對一個(gè)單位絮凝區(qū)而言)來控制絮凝效果：  式中 h--漸擴(kuò)段或漸縮段高度，m
l--折板板長，m
α--折板傾角
k--脈動(dòng)強(qiáng)度常數(shù)，僅與流速及水溫有關(guān)
FS--單位造渦強(qiáng)度，1/s；
v1--波峰流速，m/s
v2--波谷流速，m/s 根據(jù)式(1)，若控制折板單元參數(shù)(板長l、夾角α、流速v1和v2)在最優(yōu)范圍內(nèi)，即FS在最優(yōu)區(qū)域，或存在(FS)opt值，可使折板單元產(chǎn)生大量適合絮凝顆粒碰撞的渦旋，促進(jìn)絮凝效果的提高。這樣就可以通過控制折板單元的單位造渦強(qiáng)度這一參數(shù)而達(dá)到對絮凝效果的控制。為防止絮凝體的破碎，F(xiàn)S的數(shù)值也要沿程適當(dāng)降低。
應(yīng)當(dāng)說明，式(1)僅局限于目前折板絮凝池所取設(shè)計(jì)流速范圍內(nèi)，尚不能任意外延。若v1和v2過大或過小，則會造成絮體破碎或絮凝難以進(jìn)行。
與速度梯度G值相比，用單位造渦強(qiáng)度FS控制更為簡便，在一定流量下只要折板長度、寬度及間距確定，則必有與之相對應(yīng)的FS，調(diào)整折板單元的參數(shù)組合使F?S在最優(yōu)范圍內(nèi)，即可達(dá)到理想的絮凝效果。 2 試驗(yàn)裝置與方法 2.1 試驗(yàn)裝置
折板模型用玻璃制作，硅膠填縫。模型共四套(M1，M2，M3和M4)，設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)見表1。 表1 模型試驗(yàn)結(jié)果| 模型編號 | 板長
（mm） | 夾角
（°） | 流量
（m3/s） | 波峰流速
υ1
（m/s） | 波谷流速
υ2
（m/s） | R | 單位
造渦強(qiáng)度
Fs(l/s) | 沉淀水
濁度
（NTU） | 絮凝時(shí)間
（min） | 平均濁度
去除率
（%） | 單元數(shù) | 單元
除濁率
（%） | η
（%） | | M1 | 100 | 45 | 0.54 | 0.3 | 0.0198 | 0.20 | 4.41 | 3.17～3.78 | 3.17 | 90.81 | 50 | 1.82 | 31.9 | | M2 | 100 | 60 | 0.54 | 0.3 | 0.0273 | 0.20 | 3.53 | 6.31～8.90 | 2.89 | 81.92 | 50 | 1.64 | 61.6 | | M3 | 150 | 45 | 0.54 | 0.3 | 0.0125 | 0.20 | 3.00 | 14.4～22.7 | 3.01 | 65.47 | 22 | 2.98 | 24.2 | | M4 | 150 | 60 | 0.54 | 0.3 | 0.0188 | 0.20 | 2.41 | 13.2～18.1 | 2.70 | 69.09 | 27 | 2.59 | 23.5 | | M1 | 100 | 45 | 0.72 | 0.4 | 0.0264 | 0.20 | 5.89 | 9.01～16.9 | 2.38 | 77.91 | 44 | 1.75 | 30.7 | | M2 | 100 | 60 | 0.72 | 0.4 | 0.0364 | 0.20 | 4.70 | 8.87～13.2 | 2.17 | 77.83 | 51 | 1.56 | 30.0 | | M3 | 150 | 45 | 0.72 | 0.4 | 0.0180 | 0.20 | 4.00 | 13.8～17.6 | 2.26 | 67.80 | 21 | 3.23 | 26.2 | | M4 | 150 | 60 | 0.72 | 0.4 | 0.0250 | 0.20 | 3.21 | 11.6～14.7 | 2.02 | 76.50 | 27 | 2.83 | 25.6 | | 注 原水濁度約50～60NTU，水濁12～16℃，加藥量15mg/L。 | 2.2 測試指標(biāo)
原水采用自來水加高嶺土配制，絮凝劑為聚合硫酸鐵。絮凝效果采用絮凝沉淀后平均濁度去除率、[HJ]單元去除率或單位體積去除率表示(ηv)。平均濁度去除率指一定折板單元數(shù)內(nèi)的平均去除率；單元去除率為平均濁度去除率除以單元數(shù)；單位體積去除率等于單元去除率除以一個(gè)單元的體積。采用ηv較合理，因?yàn)檫_(dá)到相同除濁率，ηv值大的，可使池體積減小。 3 試驗(yàn)結(jié)果 單位造渦強(qiáng)度FS中的脈動(dòng)強(qiáng)度常數(shù)k，文獻(xiàn)［2］提到緩變流渠道的k＝0.15～0.18。異波折板單元中，由于流態(tài)復(fù)雜，假定k在0.1～0.4范圍內(nèi)，由此計(jì)算出FS值。計(jì)算結(jié)果表明(計(jì)算過程從略)，k值在0.1～0.4范圍內(nèi)變化時(shí)對FS的影響很小。故研究中取k＝0.20。M1～M4的試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖4。
由圖4可見，在FS≤5.0/s時(shí)，ηv隨FS的增大而有所增加，在FS＞5.0/s時(shí)，ηv又降低，在(3.5～5.0)/s之間，ηv值較高，即模型的單位體積除濁效果較好。比較而言，又以模型M1在波峰流速0.3 m/s的工況下為最佳，ηv值達(dá)31.9%。 
綜上所述，異波折板絮凝模型單元的第一段適宜單位造渦強(qiáng)度FS為(3.5～5.0)/s，模型最佳折板單元絮凝參數(shù)為：l＝100 mm，α＝45°，v1＝0.3 m/s。
推論：以上結(jié)果是對絮凝的第一段而言，若考慮絮凝沿程分為三段，建議降速絮凝的第二段和第三段所對應(yīng)的FS可為：FS2＝(2.5～3.5)/s，F(xiàn)S3＝(1.0～2.0)/s，且需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。 4 FS應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn) 生產(chǎn)設(shè)備采用的板長大，而夾角及波峰流速和波谷流速與模型相同，故設(shè)計(jì)的模型與原型是變態(tài)比例，不能簡單地直接用雷諾相似或弗諾德相似把模型試驗(yàn)結(jié)果推廣到原型。
實(shí)際生產(chǎn)中折板板長通常取500 mm，夾角為45°或60°，第一段波峰流速0.3 m/s，波峰間距0.25 m，則按照弗諾德相似，板長比例＝1/5，波峰間距比例＝1/25，綜合長度比例為（1/125）0.5＝1/11.18，速度比例＝(1/11.18)0.5，F(xiàn)S＝速度/長度，其比例應(yīng)為≈11.180.5。
因?yàn)槟Ｐ土魉倥c原型保持一致，因此實(shí)際絮凝池的FS應(yīng)為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?/11.18，也就是實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的FS約比本試驗(yàn)中的模型的數(shù)值小一個(gè)數(shù)量級。即第一檔FS1＝(0.35～0.50)/s，第二檔FS2＝(0.25～0.35)/s，第三檔FS3＝(0.10～0.20)/s。
以鎮(zhèn)江市金西水廠的異波折板絮凝池為例，表2給出其沿程的FS值(設(shè)計(jì)值)。 表2 金西水廠Fs設(shè)計(jì)值| 檔次 | 波峰間距
（m） | 波谷間距
（m） | 板長l
（m） | 夾角
（°） | 波峰流速
（m/s） | 波谷流速
（m/s） | k | Fs
(l/s） | | 1 | 0.25 | 0.74 | 0.49 | 60 | 0.3000 | 0.1014 | 0.20 | 0.56 | | 2 | 0.35 | 0.84 | 0.49 | 60 | 0.2143 | 0.0893 | 0.20 | 0.37 | | 3 | 0.50 | 0.99 | 0.49 | 60 | 0.1500 | 0.0758 | 0.20 | 0.23 | | 4 | 0.65 | 1.14 | 0.49 | 60 | 0.1154 | 0.0658 | 0.20 | 0.16 | 可見，金西水廠的FS基本上在合理的范圍內(nèi)，與建議值相差不大。 5 結(jié)語 通過模型試驗(yàn)，得出異波折板絮凝單元的適宜單位造渦強(qiáng)度為：第一檔FS1＝(0.35～5.0)/s，考慮沿程降速絮凝則可推斷第二檔的FS2＝(2.5～3.5)/s，第三檔的FS3＝(1.0～2.0)/s。模型試驗(yàn)中第一檔絮凝效果最好的折板單元參數(shù)為：l＝100 mm，α＝45°，v1＝0.3 m/s。模型試驗(yàn)的結(jié)果推廣于生產(chǎn)設(shè)備，初步確定FS減小一個(gè)數(shù)量級，即第一檔FS1＝(0.35～0.50)/s，第二檔FS2＝(0.25～0.35)/s，第三檔FS3＝(0.10～0.20)/s。 參考文獻(xiàn)：
［1］夏震寰.現(xiàn)代水力學(xué)(三)紊動(dòng)力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1992.
［2］泄水建筑物水力計(jì)算手冊［M］.陳肇和等譯.水力水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，華北水電學(xué)院北京研究生部.1993.
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收稿日期：1999-12-17 | 
