[摘要]本文首次把湍流傳質(zhì)分為宏觀傳質(zhì)與亞微觀傳質(zhì)，首次提出亞微觀傳質(zhì)的動力是微渦旋的離心慣性效應。指出亞微觀傳質(zhì)是水處理工藝動力學的核心問題。并結合給水處理混合工藝與地下水除鐵曝氣工藝進行了剖析。
　　[關鍵詞]亞微觀傳質(zhì)，水處理，給水混合，地下水曝氣

Of the Functions of Sub-Micro Mass Transfer in Water Treatment Process

　　ABSTRACT:The paper for the first time ranged turbulence mass transfer as macro phase and sub-micro phase,and for the first time brought it out that the motivation of sub-micro mass transfer be the key problem of water treatment process kinetics. In combination with mixing process in sur-face water treatment and aeration process for Ferro-removing in groundwater treatment, the paper analyzed the above theses.
　　KEY WORDS: sub-micro mass transfer, water treatment,mixing, aeration

　　水處理絕大多數(shù)的工藝過程可以歸結到這樣一個程序：反應(化學反應或生化反應)→物質(zhì)漸出→絮凝長大→把絮凝長大物從水中分離出去。即水中一些溶解性的有機物分子經(jīng)強氧化劑的氧化作用，分解成一些更小的分子，其中一些分子帶有很強的極性，互相絡合，在其絡合過程中也逐漸吸附了一些非極性分子，逐漸長大，其尺度達到膠體顆粒的尺度，這是反應淅出的一種形式。這樣膠體尺度的有機絡合物有一定的吸附能力，這也正是所有強氧化劑預處理后均有助凝作用的原因。它們與水中其它膠體尺度雜質(zhì)在混凝劑水解產(chǎn)物作用下絮凝長大，最后通過分離工藝分離出去。另一種反應淅出形式是水中溶解的有機物分子經(jīng)水中微生物的生化作用分解成一些小的極性分子，它們互相組合形成膠體顆粒尺度，完成了淅出過程。這種膠體顆粒有很強的吸附能力，逐漸絮凝長大，通過分離工藝分離出去。水處理工藝過程是多相物系反應和分離過程。多相物系反應分別化學反應和生物化學反應。化學反應速率很快，生化反應在有生物酶存在的情況下也較快，都遠大于其傳質(zhì)速率。因此提高傳質(zhì)速率就成為提高水處理工藝反應速率的關鍵。這就是說如果能大幅度提高水處理反應工藝中的傳質(zhì)效率就可以大幅度提高水處理工藝的效率與品質(zhì)。目前人們對水處理工藝中傳質(zhì)規(guī)律尚缺乏認識，工藝中的傳質(zhì)措施尚處于經(jīng)驗摸索階段，缺乏理論指導。因此進行水處理工藝傳質(zhì)研究，就成為重要而迫切的課題。

1 亞微觀傳質(zhì)

　　水流中傳質(zhì)是指水流中的質(zhì)量交換，即物質(zhì)在水流中摻混或擴散過程。過去把水中的傳質(zhì)分成兩類：微觀傳質(zhì)、宏觀傳質(zhì)。微觀傳質(zhì)是指由于水分子熱運動引起的質(zhì)量交換或擴散。其量級是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量級。水作層流運動時傳質(zhì)是微觀傳質(zhì)。在水作層流運動時，物質(zhì)垂直水流方向擴散與摻混是水分子熱運動所造成的。所謂物質(zhì)在水流中的宏觀傳質(zhì)是指湍流渦旋的動力作用引起物質(zhì)在水流宏觀部位的滲混與擴散：其量級是宏觀尺度的量級。因此宏觀傳質(zhì)速率的量級遠遠大于微觀傳質(zhì)速率的量級。
　　湍流情況下宏觀傳質(zhì)速率的大小可用湍流擴散方程中的擴散系數(shù)大小來表征。湍流擴散系數(shù)可由下面兩個公式計算。

　　　　　κ～α（ε₀λ）^1/3λ^[1]（λ＞λ0)
　　　　　κ～β[（ε₀/v）^1/2]^[1]（λ＜λ0）

　　式中α、β為待定系數(shù)；λ為研究尺度；ε₀為單位質(zhì)量水體的能耗；v為水的運動粘滯系數(shù)；λ₀為當研究尺度λ小到用它作為特征長度計算的雷諾數(shù)等于1時的λ值，即uλ₀/v＝1。由上面公式司以看到，當研究尺度在λ＞λ₀與λ＜λ₀兩種不同情況下其擴散系數(shù)的規(guī)律截然不同。λ越小擴散系數(shù)越小，λ越大擴散系數(shù)越大，當研究尺度相差很大時，擴散系數(shù)可以相差幾個數(shù)量級。這樣物質(zhì)在湍流水體中的傳質(zhì)可以分為兩類；(1)宏觀傳質(zhì)，即物質(zhì)在水流中宏觀部位的傳質(zhì)，這是由湍流中大、中、小渦旋造成的湍流摻混、擴散所導致，其傳質(zhì)速率很快，傳質(zhì)阻力很小；(2)亞微觀傳質(zhì)，助物質(zhì)在湍流水體中垂直該地區(qū)流速方向在極鄰近部位的擴散，其傳質(zhì)速率很低，傳質(zhì)阻力很大。亞微觀傳質(zhì)究其實質(zhì)是層流下的傳質(zhì)因為在極鄰近部位即當λ＜λ₀時，其粘性力起主導作用，水流呈觀層流狀態(tài)，故其傳質(zhì)速率遠低于湍流宏觀傳質(zhì)速率。
　　在層流水體中物質(zhì)垂直流速方向的擴散是由水分子熱運動造成的。而在湍流水體中由于微渦旋離心慣性作用，引起比重與水不同物質(zhì)沿微渦旋徑向遷移。這一作用大大的增大了湍流中亞微觀傳質(zhì)速率。由于這一速率遠大于水分子熱運動所引起的傳質(zhì)速率，所引可以認為微渦旋的離心慣性效應是湍流亞微觀傳質(zhì)的動力學的致因。渦旋的離心慣性效應的大小可用渦旋加速度特征值αλ表征
　　　　α_λ～（ε₀^2/3）/λ^{1/3 [2]}
　　渦旋加速度即單位質(zhì)量慣性力。由式中可見隨渦旋尺度λ減少，渦旋離心慣性力以λ1/3反比例而增加。當λ＝λ0時渦旋的加速度最大，其慣性效應最強。由此可見在湍流水體中λ0量級微渦旋的離心慣性效應將大幅度地增加湍流中亞微觀傳質(zhì)運率。
　　 湍流亞微觀傳質(zhì)研究尺度量級遠小于宏觀尺度量級，遠大于微觀尺度量級，是與湍流微渦旋尺度量級相當，即亞微觀尺度量級[2]。因此其傳質(zhì)速率遠小于宏觀傳質(zhì)速率，又玩大于微觀傳質(zhì)速率。

2、亞微觀傳質(zhì)在水處理反應中的作用

　　 前面已經(jīng)提及水處理工藝中的反應速率遠大于其傳質(zhì)速率；湍流宏觀傳質(zhì)速率又遠大于湍流亞微觀傳質(zhì)速率。因此亞微觀傳質(zhì)就成為水處理反應工藝動力學的決定性的問題。
　　 給水處理的混合工藝就是要把混凝劑的水解產(chǎn)物迅速擴散到水體中的每一個細部。由以上論述可知，混凝劑水解產(chǎn)物被湍流中的大、中、小渦旋帶到水體的宏觀部位完成宏觀擴散非常迅速。而混凝劑水解產(chǎn)物向極鄰近部位的擴散，使其達到水體每一細部，即完成亞微觀擴散速率極慢，尤其在高濁時期，高濁期原水濁度很高，水向極鄰近地區(qū)擴散速率比宏觀擴散速率小幾個數(shù)星級，沒等其擴散到極鄰近部位，就被更靠近它的肢體顆粒所捕捉。這樣就造成混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些部位則不足，甚至完全沒有。這些混凝劑水解產(chǎn)物集中的部位礬花迅速長大，這些過分長大的礬花迂到更強烈湍流剪切環(huán)境吸附架橋就被剪斷，這種過反應情況嚴重影響了反應效果。混凝劑水解產(chǎn)物不足或完主沒有的部位膠體顆粒不能完全或者根本不能脫穩(wěn)、凝聚。這樣導致高濁期表觀看來礬花很大，實際反應很差。因為水之所以難處理其根本原因就在于此。 慶油田25萬噸中引水廠，春季的低溫高問題是非常突出的。該水廠從龍湖泡中。春季解冬時期正僵估水期，湖中水深很淺，春季風浪很大，使湖泡底泥攪起，這個時期水溫是4℃左右，造成嚴重低溫高濁。該水廠原工藝是靜態(tài)混合器浸合、普通網(wǎng)格反應、三層則向流斜板沉淀。到最嚴重低溫高濁時期，水廠出水量只有8-9萬噸／日。低溫高濁不僅有上述因高濁造成的混凝劑水解產(chǎn)物亞微觀傳質(zhì)更困難的特點，而且因水溫低、水的粘性大，混凝劑水解產(chǎn)物因微渦旋離心慣性效應的驅(qū)動，就更增加了亞微觀傳質(zhì)的難度。混凝劑水解產(chǎn)物不能擴散到所有水體的細部，這些地區(qū)的膠體顆粒不能脫穩(wěn)、凝聚。在反應 過程中也不能完全被礬花顆粒所捕捉、吸附，嚴重影響了出水水質(zhì)。解決問題最好辦法是讓混合設備在水流中造成高比例、 高強度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性 效應，提高亞微觀傳質(zhì)速率。中引水廠使用了我們推出的孔板式混合設備，徹底解決了這個問題，低溫高濁期處理能力達到了設計負荷。
　　 處理含鐵地下水研究與工程實踐認為，高含鐵地下水用自然曝氣方法不能使離子。接觸氧化法則有其優(yōu)勢，利用濾層中鐵質(zhì)膜的催化作用使二價鐵離子氧化成三價鐵離子，它們所形成的氫氧化物的絡合物，由于濾池的微絮凝作用與截留作用所去除。而濾池要形成鐵質(zhì)膜需要一定的期，即所謂鐵質(zhì)膜成熟期。在鐵質(zhì)膜成熟之前濾池出水是不能達標的。哈爾濱建筑大學碩士研究生劉健勇組織這樣二組對比試驗。兩者的工藝流程如下：

　　　　

　　 第一個流程是目前普遍采用的地下水除鐵的工藝流程。第二個流程是曝氣后的水先流過一個網(wǎng)格段，再進入濾池。試驗時地下水含鐵量為11．5mg/L。試驗證明目前通用的地下水除鐵工藝流程在鐵質(zhì)膜成熟期之前出水不能達標。而第二個歷程曝氣后濾池出水水質(zhì)馬上達標，不需要鐵質(zhì)膜的催化作用。處理后水中鐵的含量均為微量左右或更少甚至為痕量，鐵的去除率均為97％以上。這二組對比試驗說明，目前采用的曝氣方法，因氧亞微觀傳質(zhì)速率很低，而二價鐵氧化成三價鐵的速率很快，二價鐵氧化時消耗的氧得不到及時補充，高含鐵量時有些二價鐵就不能氧化，必須借助鐵質(zhì)膜的催化作用。第二個流程因水流通過網(wǎng)格段增強了湍流擾動，增加微渦旋的比例，利用微渦旋離心慣性效應的作用，大大增大了亞微觀傳質(zhì)速率。這時二價鐵氧化成三價鐵的所需氧不僅可以從溶解氧中得到補充，也可以從鄰近地區(qū)過飽 和氧氣中得到補充。因此不需鐵質(zhì)膜的催化作用，在進入濾池之前二價鐵已氧化成三價鐵。三價鐵的氫氧化物有很強極性及 吸附能力，互相凝聚長大。而上述網(wǎng)格段自能效加速氫氧化物絡合物的接觸與碰撞，使它們迅速絮凝[2]，進入濾池后正好被濾池所截留，出水鐵的殘余甚微。
　　 在水處理反應工藝中如好氧反應的活性污泥法和生物膜法反應工藝中、厭氧反應工藝中、還是其它的反應工藝中，障礙其反應速率和品質(zhì)的第一要素仍然是傳質(zhì)速軍。而左傳質(zhì)中起決定作用就是亞微觀傳質(zhì)。因此提高亞微觀傳質(zhì)是提高水處理反應工藝效率的決定區(qū)素。

參考文獻

　　[1]物理化學流力學列維奇著科技出版社
　　[2]慣性效應在絮凝中的動力學作用王紹文 中國給水排水 1998年第Ⅱ期
　　[3]絮凝在地下水除鐵除錳工藝中的應用研究 劉健勇 哈爾濱建筑大學項士生論文 1998年