渦漩混凝低脈動沉淀處理低溫低濁水的試驗研究
前 言
我國的東北、華北、西北和內(nèi)蒙等地，全年有3—5個月冰凍期，作為主要飲用水水源的地表水在這一時期呈現(xiàn)低溫低濁特性，水溫0℃～5℃，濁度一般10NTU～30NTU，有時濁度降至10NTU以下。低溫低濁期，水中膠體顆粒電位升高，約為中溫時期的2倍，膠體間靜電斥力增大，穩(wěn)定性增強；水的粘滯性增加，顆粒運動的阻力變大，碰撞困難；由于溫度低，顆粒的布朗運動減弱，微粒的惰性增強，水中膠體顆粒的粒徑分布趨于均勻，均小于常溫時期的粒徑，由此，雖然原水濁度較低，但直接過濾的效果并不明顯；冬季，地表水體中無機膠體顆粒含量減少，有機膠體顆粒含量增加，礬花絮體中有機成份較多，因而礬花的密度較原水水質(zhì)平常期小；由于低溫的影響，動力粘滯系數(shù)變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。
受低溫低濁的影響，北方的地表水處理廠在各季水量、水質(zhì)很難達到設(shè)計負(fù)荷，一些水廠降負(fù)荷運行以保證水質(zhì)，供水趨于緊張。針對這一現(xiàn)狀，目前有投加粘土、沉泥回流、浮沉工藝及微絮凝過濾等一些技術(shù)、措施應(yīng)用于水處理中。投加粘土及沉泥回流的目的是增加顆粒碰撞次數(shù)，微小的顆粒也可有效去除。浮沉池利用氣浮技術(shù)將一些微小絮體裹攜去除以達到凈化目的，該工藝效果較好，但浮沉池占地面積及設(shè)備較常規(guī)工藝增加很多。微絮凝工藝的截留礬花能力強，但當(dāng)原水濁度提高后，其工作周期縮短，反沖洗水量增加。綜上所述，低濁低濁期為了保證水質(zhì)、水量，應(yīng)用了一些新工藝，因而擴大了土建投資和設(shè)備投資，一方面增加了水廠的建設(shè)投資，另一方面運行管理和維修費用增加。因此，應(yīng)當(dāng)探索在不增加造價，甚至減少造價的條件下對低溫低濁期和原水水質(zhì)平常期均有效的處理工藝，也就是控制混合、反應(yīng) 及沉淀工藝的動力學(xué)過程，來實現(xiàn)顆粒強烈的有效碰撞、合理凝并和高效截留。
1、渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)凈化低溫低濁水的機理研究
給水處理的混合、反應(yīng)和沉淀工藝是處理效果優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到濾池的工作狀況和總體處理效果。該凈化過程可概括為膠體顆粒的脫穩(wěn)析出、微絮體的合理凝并長大(使礬花顆粒具有一定的尺度、密實度和抗剪切能力)以及礬花顆粒的有效截留；煲蓜┬阅芎凸に囘^程的動力學(xué)控制是凈化的關(guān)鍵。多年來給水處理中顆粒碰撞的動力學(xué)致因一直未搞清楚，因而形成了常規(guī)工藝在原水水質(zhì)平常期能達到處理標(biāo)準(zhǔn)，而在低溫低濁等特殊時期 降負(fù)荷以保證出水水質(zhì)的局面。
混合和初始絮凝是給水處理的重要環(huán)節(jié)；旌系谋举|(zhì)是混凝劑的水解產(chǎn)物向水體中的擴散過程，擴散分為宏觀擴散、亞微觀擴散，從而導(dǎo)致了微觀微粒的碰撞反應(yīng)。宏觀擴散取決于濃度梯度和水體湍動強度，一般的混合設(shè)備均能完成宏觀擴散。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。亞微觀擴散是擴散阻力最大的一環(huán)，它決定了混合的效果。
對于擴散系數(shù)可描還如下：
K～α（ε0λ）1/3.λ（λ＞λ0） 。1）
K～β[（ε0/v).λ]1/2（λ≤λ0） （2）
式中：λ渦流尺度
λ0：渦流特征尺度
ε0：能耗頂
v：運動粘滯系數(shù)
α.β：與流態(tài)和熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)
由上式可看出，λ＜λ0時的K值比λ＞λ0時的K值小幾個數(shù)量級，因此它的擴散阻力最大。在實際工程中，通過造成高比例高強度的微渦漩，利用微渦漩的離心慣性效應(yīng)來實現(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，促進亞微觀傳質(zhì)。在試驗研究中，我們利用管式微渦混合器和串聯(lián)圓管混合器來實現(xiàn)混合的工藝。這兩種混臺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)的范圍來造成高比例高強度的微渦漩，從而充分利用微小渦漩的離心慣性效應(yīng)使混凝劑的水解產(chǎn)物瞬間進入水體細(xì)部，使膠體顆粗脫穩(wěn)，避免了局部藥劑浪費或局部藥劑不足的現(xiàn)象發(fā)生。對于低溫低濁水的混合，該工藝設(shè)備可迅速使其間肢體顆粒脫穩(wěn)析出，同時，較強的剪切作月避免了微絮體的不合理長大，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的保障。
水體中的膠體顆粒脫穩(wěn)析出后，含有微絮體的水進入反應(yīng)池，在反應(yīng)池中使微絮體相互碰撞凝并，保持一定的尺度、密實度和抗剪切強度。在試驗研究中，通過在反應(yīng)池的過水?dāng)嗝嫔显O(shè)置不同形式的網(wǎng)格 來完成工藝目的。由于水流經(jīng)過格網(wǎng)和格 網(wǎng)后的過水?dāng)嗝娌灰恢，因此根?jù)伯努力方程Z+P/r+U2/2g＝C(Z:勢能；P/r：壓能；U2/2g: 動能，C：常量)可知，在經(jīng)過格網(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)，從而網(wǎng)后渦流產(chǎn)生，通過控制流速和網(wǎng)的形式，可以控制渦漩的大小和強度。在渦流中取其間的顆粒進行受力分析，顆粒受到離心力(F1)、水的壓力(F2)和運動產(chǎn)生的繞流阻力Fd的作用：
F1=ρ0（U2/r）（3）
F2= эp/эr (4)
式中：ρ0——顆粒密度，U——速度，r——繞流半徑
根據(jù)顆粒所受的運動阻力Fd＝Cd·πr02.ρU2/2（Cd：繞流阻力系數(shù)，r0:顆粒尺度)可以得出單位質(zhì)量顆粒受力fd＝3CdρU2/（8ρ0r0），由式中可以看出，在水體中運動的顆粒，單位質(zhì)量大顆粒所受阻力小，單位質(zhì)量小顆粒所受阻力大，因此渦漩內(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)，顆粒作徑向運動，在由原速度區(qū)向新速度區(qū)運動時，因速度差異而與新速 度區(qū)內(nèi)的顆粒發(fā)生碰撞合并。漩渦內(nèi)相鄰碰撞提供條件。另外，茹可夫斯基升力的作用使得渦流離開原位置，這為不同漩渦內(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行中的耗藥量越高，也越難處理。研究認(rèn)為，在任何水體中，保證單位體積內(nèi)顆粒的數(shù)量和有效碰撞次數(shù)是至關(guān)重要的。在濁度較高時，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)，在有充足的絮凝時間時，常規(guī)工藝可達到設(shè)計標(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① 低濁時單位體積內(nèi)顆粒密度小②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)池出水礬花中小硯花比例增加，給沉淀截留增加了難度。在本試驗研究中，著重增強了混合過程中的傳質(zhì)擴散和顆粒有效碰撞，并在水流過程中保持一定的剪切強度，使凝并的礬花不斷壓密，保證其達到理想的密實度。給水處理中。通過對混合、反應(yīng)過程中顆粒碰撞凝并進行合理的動力學(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)工藝節(jié)減小藥耗，原水濁度越低，溫度越低，效果就越明顯。
依據(jù)淺池理論及對顆粒沉降中湍流擾動的抑制，試驗研究中應(yīng)用了小間距斜板。我們作一下對比計算，在T=5℃，上升流速q=3.0mm/s,斜板單元為12.5cm×1.5cm時，其間雷諾數(shù)Re=13；而對于T＝5℃，q＝2.5mm／s，間距為3.5cm的斜管，其間雷諾 數(shù)Re＝15。由此，上升流逐為3.0mm／s的 斜板較上升流速為2.5mm/s的斜管擾動小,從而更有利于沉降。在運行中、由于小間距斜板間距小，無側(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。在實際制作過程中，對斜板材料的光滑度、強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、并且在運行過程是不改變傾角，斜板不變形，從而使設(shè)計意圖得以全面實觀。由斯托克期方程可知，在低溫條件下，由于動力粘滯系數(shù)增大，顆粒沉降速度U1.4=[1(ρ0-ρ）gd1.6]/[13.9ρ0.4.μ0.8]減小，這意味著，在相同上升流速條件下，在常溫下可去除的一定尺度的顆粒在低溫狀態(tài)去除率降低，甚至不能去除而影響水質(zhì)，同時增加濾池負(fù)荷，這也是冬季北方水廠降負(fù)荷的主要原因之一。由于在混合反應(yīng)上的強化，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。這在實際運行中得到了證實。
2.試驗
在以往的試驗中，采用了小型設(shè)備，試驗流量Q＝O.5m3/h--3.0m3/h，試驗水源包括松花江和嫩江二大水系。小型設(shè)備在 低溫低濁下運行其沉后水濁度均可保證在3NTU以下，試驗中，串聯(lián)圓管混合器混合時間10s～30s，管式微渦混合器混合時間3s～5s，小孔眼格網(wǎng)反應(yīng)時間t＝5～10min, 小間距斜板沉淀池的上升流速q＝2.5～4.0mm／s。
為了對比，以及說明渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)在實際工程中應(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際運行情況與原工藝的運行情況介紹如下。
中引水處理廠共10組反應(yīng)沉淀池，單組設(shè)計負(fù)荷2.5萬米3／日。1997年10月至11月對其中一組進行了應(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，通過市設(shè)不同孔徑和距離的格網(wǎng)來控制水流的流態(tài)，使格網(wǎng)、廊道及轉(zhuǎn)彎處的動力條件相一致或有序。
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)→三層測向流斜板沉淀池(q=5.0m3／m2.h)→出水
試驗工藝：
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
試驗場地原水取自嫩江中游的一個水庫。試驗中藥劑選用硫酸鋁+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4mg／L。在試驗中，采用了電磁流量計測量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計量泵+流星計，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。在實際運行中的對比結(jié)果用曲線描述如下：
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新原工藝對比說明：
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3NTU以內(nèi)，原工藝沉淀池出水在5.7—11.3NTU，當(dāng)原工藝與新工藝以相同的高負(fù)荷量運行時，原工藝與新工藝無可比性。
3.結(jié)論
(1)渦漩混凝低脈動沉淀給水處理技術(shù)在低溫低濁時期處理水是行之有效的。該技術(shù)揭示了多相物系傳質(zhì)碰撞的動力學(xué)致因，因而在低溫低濁水處理中顯示了 較強的適應(yīng)性和生命力。
(2)低溫低濁水處理中亞微觀擴散是混合的關(guān)鍵，通過造成高比例高強度的微渦漩，利用其強烈的離心慣性效應(yīng)可以保障藥劑瞬間進入水體細(xì)部，使膠體脫穩(wěn)瞬時、充分。
(3)對反應(yīng)池中水流的全程進行合理有效的動力控制，可以有效提高單位時間內(nèi)顆粒的碰撞凝并程度，同時可以適度減少單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)，在保證膠體脫隱的前提下，節(jié)省藥耗。
(4)格網(wǎng)的布設(shè)一方面形成微渦流，使顆粒碰撞合并，另一方面利用過網(wǎng)的剪切使絮體壓實，密度增大。此外，全程格網(wǎng)的布設(shè)為一些流動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。同時斜板的材質(zhì)、支撐及角度保證了沉泥的快速徹底排除，在實際運行中小間距斜板保證了沉淀效果可靠性。
參考文獻
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[3]徐繼潤等 水力旋流器流場理論 科學(xué)出版社，1998
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