武道吉1， 吳濂河2， 修春海3， 李圭白1
(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090；2.溫州市市政公用局，浙江溫州325001；
3.濟南市自來水公司，山東濟南250012)

　　 摘 要： 在綜合前人的基礎理論和研究成果的基礎上(包括生產性試驗及運行數據)，對比和分析了各種絮凝控制指標，提出最佳絮凝控制指標為G和Eu，在此基礎上闡述了絮凝工藝的設計、運行要點和主要參數的選用。
　　關鍵詞： 絮凝工藝； 設計； 運行； 優化
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2002)01-0061-04

　　 絮凝是給水處理的重要工藝環節之一，濾池的出水水質主要由絮凝效果決定。實現高效絮凝首先必須：①研究開發新型高效絮凝劑；②研制適合新型高效絮凝劑作用特征的高效率絮凝反應器。目前高效絮凝劑已由聚合氯化鋁發展到聚合氯化鐵、鋁硅復合絮凝劑、鐵硅復合絮凝劑、鐵鋁共聚型絮凝劑、高鐵氧化型絮凝劑、有機和無機復合絮凝劑以及天然絮凝劑等；在高效絮凝研究方面國內出現了網格反應器，國外則推出了折板式與波形板式反應設備，使絮凝效果有了明顯改善。國內外對絮凝理論的研究已為絮凝裝置的設計提供了良好基礎，但目前對絮凝過程的理論研究多側重于微觀分析，設計中以水流速度、停留時間等作為設計指標不能充分、全面地反映絮凝過程，因此有必要按絮凝理論來探討絮凝池設計的合理方法和指標。

1 絮凝控制指標

　　多年來國內外不少學者對絮凝池有關參數以及綜合控制指標問題進行了探討^［1］，通常以G與GT值作為絮凝效果的控制指標，認為平均速度梯度G值綜合地表征了水流紊動程度，亦即反映了顆粒的碰撞頻率，GT值則相當于單位體積的水體中顆粒碰撞的總次數。只要相應地保持G和GT值與絮凝池大致相同，則攪拌試驗在一定程度上能起到模擬生產過程的作用。有些研究者提出選用E1/3代替G值，E1/3T作為判別絮凝效果的準數。近年國內有人曾建議以GTRe-1/2作為衡量絮凝效果的一個綜合指標，以此作為推廣小試結果的依據。
　　作者通過對絮凝動力學機理的研究分析提出［2］，在紊流條件下水流沿垂直流向可分為3層：粘性底層、過渡區和紊流區。粘性底層是緊貼固體壁面的極薄層，近似層流狀態，流速呈線性分布。在紊流區內紊流慣性力是主要特征因素，粘性切應力很小，只能產生尺度大而強度低的渦流。在這兩層之間存在一速度梯度相當大、渦旋能量最大的區，這一區域就是過渡區。該區中的流體受粘性切應力和紊流慣性力的影響接近于相同的數量級，可認為滿足局部平衡條件。由于粘性底層是極薄的流層，且僅占據了絮凝池的極小一部分容積，對絮凝顆粒成長作用甚微，可忽略不計。紊流區是主流區，占據絮凝池的絕大部分容積，區域內剪切力小，有利于絮凝體的成長，且由于渦旋強度低、渦旋速度梯度小、顆粒接觸碰撞速率小，故對絮凝速率起主導作用。過渡區雖然也是很薄的流層，占據很小一部分容積，但該層內渦旋強度高、剪切力大，對絮凝體有很強的破碎作用，同時由于紊流擴散作用，使過渡區和紊流區之間的絮凝顆粒連續循環交換，因此該區主要對絮凝體的成長尺度及其密實度起主導作用。
　　對于絮凝過程的有效能耗可以從兩種角度來認識。形成絮凝體的能耗是指對顆粒碰撞、結合起作用的那部分能量，從紊流理論的角度而言，是指紊流區渦旋在衰減過程中的粘性耗散，其量級估計為：

　　ε=μG₀²～E/R_e　　　　　(1)

　　式中　ε ——有效能耗率，W/m³
　　　　　E——平均能量耗散率,W/m³
　　　　　μ——水的動力粘性系數,Pa·s
　　　　　G0 ——渦旋速度梯度,s-1
　　　　　Re——特征雷諾數
　　日本的船水尚行等人對實際應用較廣的豎流隔板絮凝池的水力特性和能耗特性進行了專門研究，他們用熱線流速儀測定了絮凝池內的流速分布和紊流能譜。試驗及分析結果表明^［3］，絮凝池總能耗E、有效能耗ε和特性雷諾數Re之間的關系：ε/E～Re-0.88與式(1)近似，另外國內有人通過對相似攪拌絮凝池中的能耗測定和分析也得出了與式(1)一致的結論^［3］。
　　絮凝過程中主流區渦旋速度梯度G0可反映絮凝顆粒接觸碰撞速率，則［2］：

　　式中 N——T時間內單位體積水中顆粒碰撞的總次數
L ——水流長度
　　　　Δp ——水頭損失
　　　　Eu——歐拉準數
　　過渡區近似局部平衡，渦旋強度高、剪切力大。各國的大量研究都得出了在相同的原水和凝聚條件下達到絮凝平衡時，絮體粒徑主要取決于速度梯度G這一結論。阿格曼等人據此提出了絮體平衡粒徑d與速度梯度G的關系：

　　d=C／G(3)

　　式中 C——與原水絮凝性質有關的系數

　　保憲仁利用沉降管和攝影的方法對絮體粒徑、有效密度和沉速進行了測定，并建立了絮體的密度公式：

　　ρe=ρs-ρ=α／d^Kρ　　　　　　　　　　　(4)

　　式中 ρe——絮體的有效密度，g/cm³
ρs——絮體密度，g/cm³
ρ——水的密度，g/cm³
α——常數，隨混凝劑品種和加注量而定，g/cm³
Kρ——指數常數，隨混凝劑品種和加注量而定

　　由以上分析可以看出，絮凝反應的完善程度取決于歐拉準數Eu；絮體的成長尺度及有效密度取決于G值，因此G和Eu可作為絮凝工藝設計和運行的控制指標。

2 數據分析

　　對部分文獻資料提供的生產性試驗及實際運行效果較好的絮凝池參數進行統計，結果見表1。
　　由于無統一的柵條、網格、扎口、折板、波紋板式絮凝池的有關雷諾數Re計算方法，因此表1中無GTRe-1/2項，其中：

　　T=ΣT_i
　　G=ΣG_iT_i/T
　　Eu=H_g/V²=Σ(H_ig/V_i²)
　　式中　H ——絮凝池總水頭損失
　　　　　V——絮凝池內當量水流速度
　　　　　Vi——某絮凝段的平均水流速度
　　　　　Hi——某絮凝段的水頭損失

　　從表1的數據分析可以得出：
　　① 達到最佳絮凝效果時相對偏差最小的指標是Eu，其變化范圍較窄，主要集中在75～110之間,平均在90左右。
　　② 在實際絮凝過程中水體的運動相似是絮凝相似的必要條件，水流通常處于完全紊流狀態，粘滯力和重力與慣性力相比可忽略不計，則流動水體的納維埃—斯托克斯方程可簡化為［7］：

　　將上式無因次化，可得：

　　若運動相似，則αp/αρα2u=1，即Eu值相同，因此以Eu作為絮凝控制指標是有理論根據的。
　　③ 若令E=λρV3/d，則歐拉準數Eu也可表示為Eu=λGT/Re或Eu=(λ2E/ρd2)1/3T，可以看出該指標實際包含了目前已提出的所有其他指標：GT、E1/3T和GT/Re，應該說它更完善。
　　④ 現行各種書籍中提供的GT值(104～105)實際上是由Camp調查美國十幾家水廠絮凝池后總結出來的，由于GT值范圍過大，因而也就失去了實際控制的意義。從生產性試驗或生產數據分析可以看出，雖然最佳GT值在此范圍內，但該指標是相對偏差最大的一個，這是因為GT值實際上是在層流條件下導出的，不可能用于紊流條件下的實際生產絮凝池。
　　⑤ E1/3T中以E1/3代替G雖然是通過紊流能譜分析得出的，實際上僅包含了能量耗散對絮凝效果的影響，不包含絮凝池材料粗糙度、構造和水流尺度對絮凝效果的影響，且E1/3T是一個有量綱的值，不能成為相似準數。
　　⑥ GT/Re與Eu相比雖然僅相差系數λ，但Re無統一的計算方法，而Eu更便于應用，且其代表的物理意義也更直接。因為根據相似理論，歐拉準數是完全紊流條件下唯一的相似準數，可作為小型絮凝試驗結果推廣放大的依據。

表1 生產性試驗及運行數據［4～6］ 來 源 絮凝形式 規模(m³/d) V(m/s) H(cm) T(min) G(s^-1) GT E^1/3T Eu 中南市政院試驗 豎流孔口分流板 13820 0.155 18.0 7.11 63.9 27260 682 73.4 豎流單通道折板 16000 0.166 24.2 7.83 66.0 31014 767 86.1 豎流多通道折板 25000 0.145 16.1 6.1 60.4 22119 564 74.8 豎流柵條 10412 0.084 5.7 6.14 37.5 13822 410 79.4 豎流網格 10412 0.087 5.6 6.08 35.7 13030 396 72.5 豎流單通道波紋板 48 0.089 7.3 7.7 36.7 16972 510 91.4 北京市政院試驗 波紋板 1560 0.146 27.4 4.08 72.7 17797 426 125.9 南昌市朝陽水廠 雙層往復隔板 50000 0.256 49.0 21.5 61.4 79206 2008 73.3 南京上元門水廠 豎流折板 60000 0.205 33.0 10.7 49.8 31972 869 77.0 沙市東區水廠 豎流柵條 16500 0.116 12.3 12.4 48.4 36010 988 89.6 南通市狼山水廠 豎流網格 55000 0.100 8.0 8.0 46.5 22320 620 78.4 鎮江金山水廠 豎流折板 25000 0.129 16.0 1.28 50.0 30840 837 94.2 長春市二水廠 豎流隔板 90000 0.177 42.0 30.0 48.6 87480 2397 131.3 武漢市某水廠 豎流柵條 40000 0.083 6.5 10.98 31.0 20422 650 92.5 江蘇六合縣水廠 豎流折板 2500 0.115 16.0 10.28 50.0 30840 837 118.6 南寧市河南水廠 豎流柵條 　 0.130 15.0 6.1 63.2 23130 580 87.1 湖北漢陽水廠 豎流折板 1.5 0.178 22.0 8.35 70.5 35320 855 68.2 福州市某水廠 波紋板 170000 0.133 28.0 5.8 88.4 30763 690 155.1 豎流網格 25000 0.094 12.8 7.8 51.9 24289 651 142.0 洪湖縣水廠 豎流網格 　 0.083 5.6 6.1 41.2 15079 436 79.7 豎流柵條 　 0.083 5.7 6.1 36.2 13249 400 81.2 昆山市某水廠池型 網格或柵條 　 0.013 12.0 8-10 　 　 　 69.6 洪湖縣水廠池型 網格或柵條 　 0.09 6.0 6-8 　 　 　 72.6 平均值 29663 789 91.9 平均絕對偏差 12045 311.1 18.8 相對偏差 0.406 0.394 0.204 注： 規模是指單組絮凝池的日處理水量。

3 絮凝工藝的優化設計與運行

　　最佳絮凝工藝應滿足下列兩個基本要求：①水中的微小顆粒在絮凝池內形成易于在沉淀池中去除的絮體；②以最低限度的歷時、混凝劑用量以及能量耗散來完成絮凝，從而獲得最大的經濟效益。可通過以下技術措施來實現：
　　a.合理控制G、Eu值，G決定絮體的成長尺度和密度，而Eu決定絮凝反應的完善程度，實踐證明合適的G值為100～20s^-1,并應逐級遞減，Eu值建議取90以上。
　　b.由Eu=(λ²E/ρd²)^1/3可知，在施能水平保持一定的條件下減小水流尺度可有效地減少絮凝時間，即絮凝池中投加填料可提高絮凝效率，實際上現行的波紋板、折板、網格、柵條式絮凝池就是例證，這為今后開發研制新型高效絮凝填料提供了理論指導。
　　c.根據反應器原理，反應器的分格數愈多愈近于推流式，反應所需的時間也愈短。但對于實際絮凝池分格數不應太多，宜為3～4檔，每檔3～4格，以防止施工、管理復雜及過多地增加投資。
　　d.對新絮凝工藝的設計或現有絮凝工藝的改造，其參數也可先通過混凝沉淀試驗獲得^［8］。通過分檔測定最佳絮凝效果時的Gi、Eu值，然后根據Gi、Eu值對應相等的原則，設計或改造實際絮凝工藝。
　　e.絮凝主要由水力和機械兩種形式，水力絮凝的主要特點是運行維護費用低、管理方便，但不便調節；機械絮凝的特點則剛好與之相反。工程上一種有效的絮凝方式是將水力絮凝和機械絮凝相結合，開始先設水力絮凝，而將機械絮凝設在最后一個或兩個絮凝階段，這種方式可充分利用兩種絮凝形式的優勢。

參考文獻：

　　［1］ 王乃忠.絮凝效果控制指標的選擇［J］.中國給水排水,1989,5(6):38-40.
　　［2］ 武道吉,譚鳳訓,王新文，等.絮凝動力機理與控制指標研究［J］.環境工程,2000,18(5):22-25.
　　［3］ 王曉昌,曹羽中.絮凝池綜合指標GT/Re物理意義的研討［J］.中國給水排水，1989,5(4):4-9.
　　［4］ 陳培康,裘本昌.給水凈化新技術［M］.北京:學術出版社,1990.
　　［5］ 高志強.控制絮凝能耗的水力混合絮凝池技術總結［J］.中國給水排水,1985,1(2):33-38.
　　［6］ 左啟東.模擬試驗的理論和方法［M］.北京:水利電力出版社,1984.

　　電　話：(0531)6985801
　　收稿日期：2001-08-13