摘要：分析了低溫高濁高堿度水的成因并描述水質(zhì)特性，對(duì)處理該特種水質(zhì)過(guò)程中的傳質(zhì)擴(kuò)散及絮凝過(guò)程中的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，依據(jù)慣性效應(yīng)理論、生產(chǎn)試驗(yàn)及實(shí)際工程中的應(yīng)用研究闡述了渦旋混凝低脈動(dòng)給水技術(shù)處理該水質(zhì)的良好效果和較強(qiáng)的適用性。
　　 關(guān)鍵詞：低溫高濁高堿度，慣性效應(yīng)，微渦旋，低脈動(dòng)

Treating Water Of Low Temperature, High-Turbidity,And High-Alkalinity Using Vortex Coagulation
Low-Pulsation Sedimentation Process

　　ABSTRACT: The paper analyzed the causes of low temperature , high-tur-bidity, and high-alkalinity water , and described water quality properties. The mass transfer during the treatment of this special kind of water quality and the kinetic features in the coagulation process were studied. Based on the Inertia Ef-fects Theory, application experiment, and actual engineering , the paper illus-trated the good results and strong adaptability of Vortex Coagulation Low-pulsa-tion Sedimentation Process for this special water quality.
　　KEY WORDS: low temperature, high-turbidity, high-alkalinity, inertia effects, micro-vortex, low-pulsation

前　言

　　近年來(lái)，受工業(yè)發(fā)展、地理位置和氣候條件的影響，作為飲用水水源的地表水水質(zhì)較60—70年代發(fā)生了變化。本論文對(duì)其中一種水質(zhì)即低溫高濁高堿度水的形成和水質(zhì)特性進(jìn)行分析，通過(guò)試驗(yàn)研究，確定了合理的處理工藝及參數(shù)，并應(yīng)用該成果對(duì)試驗(yàn)地水廠進(jìn)行提高員荷改善水質(zhì)的生產(chǎn)改造，從而體現(xiàn)該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，尤其在利用水廠原有構(gòu)筑物、設(shè)施的改造中創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益和杜會(huì)效益。

1.低溫高濁高堿度水的形成原因及水質(zhì)特性

　　本次試驗(yàn)地在大慶某處理廠，該水廠是為油田工業(yè)注聚合物、化工及生活用水而建設(shè)的。該水廠水源為龍虎泡水庫(kù)，每年夏季，該水庫(kù)都經(jīng)引水渠道從嫩江中部引水。龍虎泡是天然形成的庫(kù)區(qū)，最大面積113km²。龍虎泡水庫(kù)內(nèi)最初原有堿水約3億立方米，PH值為9.02～9.48，總礦化度2500mg／L，屬HC0₃^-型水。嫩江來(lái)水水質(zhì)PH為8.5，礦化度100mg／L。受季節(jié)影響該水源地濁度、溫度變化較大，濁度在10NTU～1500NTU之間，PH值8.6～9.4，溫度1℃～20℃，礦化度600mg／L左右。
1.1 低溫高濁高堿度水的成因
　　在一年內(nèi)，龍虎泡原水濁度的變化幅度較大，在10NTU～1500NTU之間。而形成該特殊水質(zhì)的主要原因是地理環(huán)境。由于①龍虎泡水庫(kù)位于風(fēng)口，并且取水泵站設(shè)在迎風(fēng)面上，因此，一年四季風(fēng)較大；② 該水庫(kù)處于鹽堿地帶，在庫(kù)底存有20cm～30cm厚的堿泥。③水庫(kù)面積大，普遍深度較淺，最深處達(dá)10米，最淺處不足1.0米。因而在每年的4月中旬至5月初水庫(kù)表面冰雪融化期和每年的11月末到12月中旬水庫(kù)表面初結(jié)冰期，受季節(jié)風(fēng)的影響，風(fēng)不斷把能量傳遞給水體，形成波浪，風(fēng)吹水浪泛起底泥，使得水體的濁度和堿度不斷上升，并且風(fēng)力越強(qiáng)，濁度上升越快，因此，在低溫季節(jié)形成了給水處理中極特殊的低溫高濁高堿度水質(zhì)期。
1.2 水質(zhì)特性
　　通過(guò)一年中不同季節(jié)對(duì)龍虎泡水庫(kù)底泥的分析確定，該水庫(kù)底泥組成性質(zhì)穩(wěn)定，沒(méi)有大的變化。底泥中較大顆粒的砂很少 見(jiàn)，大部分是粘土，其中Si0₂含量占 72.43％，CaO含量占15.86％，陰離子主要為HCO₃^-。
　　為了考察高濁度期原水的沉降特性，在1998年的低溫高濁期取原水進(jìn)行沉降分析。靜沉結(jié)果表明，原水靜沉24h濁度去除率為11.6％，在濁度為300NTU以上時(shí)，該靜沉率變化不大，濁度低于300NTU時(shí)靜沉率隨原水濁度的降低而下降。由此可知，原水中的濁度主要由膠體形成，懸浮物的含量低，因此高濁期對(duì)原水進(jìn)行預(yù)沉處理并不會(huì)有效降低原水濁度。

2.機(jī)理研究

　　低溫、高濁、高堿度對(duì)水體的顆粒凝并碰撞和沉降影響較大。研究認(rèn)為，低溫期：水中膠體顆粒電位升高，約為中溫時(shí)期的2 倍左右，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，微粒的惰性增強(qiáng)；低溫影響顆粒的沉降，因動(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。原水濁度升高導(dǎo)致水體的粘滯系數(shù)變大，雖然顆粒的總體碰撞次數(shù)增加，但有效碰撞的比例下降。由于高堿度的影響，膠團(tuán)的外表面較為光滑，類似光滑球，即使在表面電層壓縮脫穩(wěn)后，受內(nèi)部堿度的影響該脫穩(wěn)膠團(tuán)仍較為光滑，因此只有相應(yīng)增加混凝劑量才能將其吸附捕捉。給水處理的混合、反應(yīng)和沉淀工藝是水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它影響濾池的工作狀況和總體處理效果。該過(guò)程可概括為膠體顆粒的脫穩(wěn)析出、微絮體的合理凝并長(zhǎng)大以及礬花顆粒的有效截留。混凝工藝過(guò)程的動(dòng)力學(xué)控制是凈化的關(guān)鍵。通過(guò)多年來(lái)對(duì)給水處理中顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)研究認(rèn)為，碰撞主要是由慣性效應(yīng)造成的。
　　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(guò)程。擴(kuò)散分為宏觀擴(kuò)散、亞微 觀擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了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)受熱力學(xué)條件和微粒 的物理化學(xué)特性控制。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。亞微觀擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī) 律與蜚克定律描寫的宏觀擴(kuò)散規(guī)律不同，當(dāng)研究尺度接近達(dá)到湍流微結(jié)構(gòu)尺度時(shí)，物質(zhì)的擴(kuò)散不一定從高濃度向低濃度地方擴(kuò)散。在湍動(dòng)水流中亞微觀傳質(zhì)主要由慣性效應(yīng)導(dǎo)致的物質(zhì)遷移造成的、特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。
　　前已述及，低溫高濁高堿度水因其獨(dú)特的性質(zhì)，使水中顆粒運(yùn)動(dòng)的粘滯阻力增加，分子熱運(yùn)動(dòng)速度降低，亞微觀傳質(zhì)阻力增大，導(dǎo)致顆粒的有效碰撞次數(shù)減少，強(qiáng)度變?nèi)酰w粒碰撞幾率減小。在低溫高濁高堿度水的處理中，混屬凝劑水解的產(chǎn)物在水體中進(jìn)行亞微觀擴(kuò)散的程度是控制處理效果的制約因素。把混凝劑投入到該水體中，由于混凝劑的水解產(chǎn)物向鄰近的水體細(xì)部擴(kuò)散的速度慢，還未進(jìn)入水體細(xì)部時(shí)便被附近的膠體顆粒吸附捕捉，吸附后，膠體脫穩(wěn)，小的絮疑體形成，擴(kuò)散阻力的增大導(dǎo)致均勻擴(kuò)散時(shí)間的延長(zhǎng)，致使部分區(qū)域混凝劑分子集中，而局部又無(wú)混凝劑的水解分子，這造成過(guò)反應(yīng)與反應(yīng)脫穩(wěn)不完善的雙重現(xiàn)象共存。在混凝劑集中的地方礬花長(zhǎng)大較快，形成松散的礬花聚結(jié)體，隨著推流的進(jìn)行，該類型絮體極易破碎，出現(xiàn)局部過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象。而局部絮凝不完善的原因一是混凝劑集中區(qū)域顆粒迅速不合理長(zhǎng)大，導(dǎo)致未脫穩(wěn)的膠體失去了脫穩(wěn)的機(jī)會(huì)；二是擴(kuò)散速度跟不上已脫穩(wěn)膠體的絮凝速度。由此導(dǎo)致了低溫高濁期膠體脫穩(wěn)不完善和過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象，直接影響了沉淀的效果，影響沉淀池出水水質(zhì)。按傳統(tǒng)工藝建造的試驗(yàn)地水廠。在高濁時(shí)要降低其處理能力，以確保沉淀池出水，在低溫高濁高堿的條件下尤其如此。對(duì)傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)致因認(rèn)識(shí)不足，則無(wú)法對(duì)混合的擴(kuò)散本質(zhì)給予揭示，在水的粘度增大的情況下，這一點(diǎn)尤為突出、所導(dǎo)致的結(jié)果是增大藥劑投加量以滿足膠體顆粒的脫穩(wěn)。
　　依據(jù)慣性效應(yīng)理論，試驗(yàn)研究應(yīng)用了渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)，相應(yīng)設(shè)備有管式微渦混合器、小孔眼格網(wǎng)、小間距斜板沉淀設(shè)備。混合工藝由管式微渦混合器實(shí)現(xiàn)，通過(guò)造成微渦漩，利用微渦漩的離心慣性效應(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)。該設(shè)備可使水流形成高比例、高強(qiáng)度的微漩渦，減小亞微觀傳質(zhì)阻力，增強(qiáng)動(dòng)量和質(zhì)量傳遞，完善的亞微觀細(xì)部傳質(zhì)使得膠體脫穩(wěn)而有凝并聚合的趨向。小孔眼格網(wǎng)與反應(yīng)池的過(guò)流空間在形成一定的剪切力梯度后，保證脫穩(wěn)后的膠體碰撞凝并長(zhǎng)大，同時(shí)格網(wǎng)形成的剪切力使礬花保持一定的密實(shí)度和抗剪切強(qiáng)度，進(jìn)入沉淀池的顆粒具有一定的尺度大小和密實(shí)度可為高效率去除濁度提供有效保證。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)研究中應(yīng)用了小間距斜板沉淀設(shè)備，小間距斜板抑制了礬花沉降中的脈動(dòng)干擾，同時(shí)使沉淀面積與排泥面積相等，無(wú)側(cè)向約束不積泥。較小的間距可以保持礬花的高去除率，小間距斜板間阻力增大使配水更趨均勻，避免短流，其獨(dú)特的排泥特性使淺池的優(yōu)化運(yùn)行得以保證，研究表明，小間距斜板使水廠運(yùn)行的抗沖擊負(fù)荷能力增強(qiáng)。

3.試驗(yàn)

　　為了說(shuō)明渦旋混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，下面將該技術(shù)的小型設(shè)備模擬試驗(yàn)和在水處理廠(一組反應(yīng)沉淀池)的實(shí)際運(yùn)行情況與原工藝的運(yùn)行對(duì)比介紹。
　　97年初夏，針對(duì)龍虎泡原水進(jìn)行了小型設(shè)備試驗(yàn)，試驗(yàn)中通過(guò)過(guò)投加冰塊降溫，投加泡中的底泥增加濁度和堿度。濁度最高可達(dá)1360NTU，PH值8.3—8.9，堿度935 mg／l—990mg/l，水溫5℃。試驗(yàn)中投加鹽酸降低原水PH值。試驗(yàn)結(jié)果表明，小型設(shè)備在低溫高濁高堿度水處理中，其沉后水 濁度均可保證在3NTU以下，試驗(yàn)中，管式微渦混合器混合時(shí)間4s，小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)時(shí)間t＝23min，小間距斜板沉淀池的上升流 速q＝3.1mm／s。
　　該技術(shù)在試驗(yàn)地水處理廠的實(shí)際應(yīng)用情況與原工藝的運(yùn)行情況介紹如下：試驗(yàn)地水廠共10組反應(yīng)沉淀池，單組設(shè)計(jì)負(fù)荷2.5萬(wàn)米3／日。1997年10月至11月對(duì)10#反應(yīng)沉淀池進(jìn)行了應(yīng)用新技術(shù)的生產(chǎn)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(guò)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)力條件滿足慣性參數(shù)控制。試驗(yàn)時(shí)間是1998年的春季低溫高濁高堿度期。

　　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(5s)→小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)池→小間距斜板沉淀池→出水

　　試驗(yàn)中藥劑選用硫酸鋁+活化硅酸(或聚丙烯酰胺)，硫酸鋁采用藥劑廠原液，不加稀釋。在試驗(yàn)中，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+流星計(jì)，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測(cè)量。在實(shí)際運(yùn)行中的對(duì)比結(jié)果用的線描述如下：

　　　　　　　　　　　　　　

　　新原工藝對(duì)比說(shuō)明：
　　①98年低溫高濁高堿期較97年同時(shí)期濁度高，堿度大，處理難度增加。
　　②新工藝平均產(chǎn)水量1117.1m³/h，原工藝平均產(chǎn)水量609.3m³／h新工藝較原工藝產(chǎn)水量平均提高了83.3%，且新工藝產(chǎn)水量超過(guò)原設(shè)計(jì)負(fù)荷。
　　③試驗(yàn)中新工藝藥劑單耗量與原工藝大致相當(dāng)。
　　④新工藝的沉淀池出水在3NTU以內(nèi)，原工藝沉淀池出水在4.0NTU7—12.1 NTU。

4.結(jié)論

　　(1)渦流混凝低脈動(dòng)沉淀給水處理技術(shù)對(duì)低溫高濁高堿度水的處理是行之有效的。該技術(shù)揭示了多相物系傳質(zhì)碰撞的動(dòng)力學(xué)致因——慣性效應(yīng)。
　　(2)在低溫高濁高堿度水處理中亞微觀傳質(zhì)擴(kuò)散是混合的關(guān)鍵，通過(guò)造成高比例高強(qiáng)度的微渦流，利用微小渦流的離心慣性效應(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，可以提高單位時(shí)間內(nèi)顆粒的碰撞凝并程度，即使高堿度的影響也可有效利用混凝劑而避免藥劑浪費(fèi)。
　　(4)格網(wǎng)的布設(shè)由三個(gè)作用，一是形成微渦流，使顆粒碰撞凝，二是利用過(guò)網(wǎng)的剪切使絮體保持一定的壓實(shí)度。三是為一些流動(dòng)過(guò)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)可以減弱低溫和高濁的影響。
　　(5)小間距斜板為礬花的沉降提供了好的水力條件，這在低溫期，顆粒極限沉變小的情況下作用尤為突出。同時(shí)斜板材質(zhì)、支撐及角度保證了沉泥的快速?gòu)氐着懦瑥亩ＷC高濁期運(yùn)行的沉淀效果，具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

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]赫俊國(guó) 慣性效應(yīng)理論在特種水質(zhì)處理中的試驗(yàn)研究 哈爾濱建筑大學(xué)碩士論文.1997.