涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术83299

1、涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术一、概述“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“是根据王绍文教授提出的多相流动物系反应控制惯性效应理论，结 合给水工程初中，经近十年的研究而发明的。该技术涉及了 给水处理中混合、絮凝反应、沉淀三大主要工艺。理论上，首次从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对混凝 的动力学问题进行了深入的研究，提出了“惯性效应“是絮凝的动力学致因，湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学 因素，并建立了絮凝的动力相似准则；首次指出扩散过程应 分为宏观扩散和亚微观扩散两个不同的物理过程，而亚微观 扩散的动力学致因是惯性效应，特别是湍流微涡旋的离心惯 性效应。由于新理论克服了现有传统给水处理技术理论上的

2、 缺陷和实践上的不足，因而导致了在给水处理技术上的重大 突破。实践中，发明了串联圆管初级混凝设备、小网格反应 设备、小间距斜板沉淀设备等三项专利。目前这项新技术已 在大庆市、宾县、海伦市、抚顺市、清原县、秦皇岛市等地 自来水公司成功地推广使用，取得了明显的经济效益和社会 效益。工程实践证明：此项技术用于新建水厂，构筑物基建 投资可节约20 - 30%;用于旧水厂技术改造，可使处理水量 增加75 %- 100 %，而其改造投资仅为和净增水量同等规模 新建水厂投资的30 %- 50%。采用此项技术可使沉淀池出水 浊度低于3度，滤后水接近 0度，可节省滤池反冲洗水量i皿皿肋施d九血50 %，节省药剂

3、投加量30 %，大大降低了运行费用和制水成 本。这项技术适应广泛，不仅对低温低浊、汛期高浊水处理 效果好，同时，对微污染原水具有较好的处理效果。可利用 最小投资，取得最大效益，充分发挥现有供水设施的潜力， 在短时间内缓解城市供水短缺状况，促进城市的经济发展。二、“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“的工作机理（一）混合混合是反应第一关，也是非常重要的一关，在这个过程 中应使混凝剂水解产物迅速地扩散到水体中的每一个细部， 使所有胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳并凝聚，这样才能得到 好的絮凝效果。因为在混合过程中同时产生胶体颗粒脱和凝 聚，可以把这个过程称为初级混凝过程，但这个过程的主要 作用是混合，因此都

4、称为混合过程。混合问题的实质是混凝 剂水解产物在水中的扩散问题，使水中胶体颗粒同时脱稳产 生凝聚，是取得好的絮凝效果的先决条件，也是节省投药量 的关键。传统的机械搅拌混合和孔室混合效果较差。近几年，国内外采用管式静态混合器使混合效果有了比较明显地提 高，但由于人们对于多相物系反应中亚微观传质以及湍流微 结构在胶体颗粒初始凝聚时的作用认识不清，故也防碍了混 凝效果的进一步提高。混凝剂水解产物在混合设备中的扩散 应分为两类：（1 ）宏观扩散，即使混凝剂水解产物扩散到水 体各个宏观部位，其扩散系数很大，这部分扩散是由大涡旋 的动力作用导致的，因而宏观扩散可以短时间内完成；（2）2亚微观扩散，即浊凝剂

5、水解产物在极邻近部位的扩散，这部 分扩散系数比宏观扩散小几个数量级。亚微观扩散的实质是 层流扩散。因此使混凝剂水解产物扩散到水体第一个细部是 很困难的。在水处理反应中亚微观扩散是起决定性作用的动 力学因素。例如高浊水的处理中，混凝剂水解产物的亚微观 扩散成为控制处理效果的决定性因素。由于混凝剂的水解产 物向极邻近部扩散的速度非常慢，在高浊期水中胶体颗粒数 量非常多，因此没等混凝剂水解产物在极邻近部位扩散，就 被更靠近它的胶体颗粒接触和捕捉。这样就形成高浊时期有 些地方混凝剂水解产物局部集中的地方矶花迅速长大，形成 松散的矶花颗粒，遇到强的剪切力吸附桥则被剪断，出现了 局部过反应现象。药剂没扩散

6、到的地方胶体颗粒尚未脱稳， 这部分絮凝反应势必不完善。这一方面是因为它们跟不上已 脱稳胶体颗粒的反应速度，另一方面是因为混凝剂集中区域 矶花迅速不合理长大，也使未脱稳的胶体颗粒失去了反应碰 撞条件。这样就导致了高浊时期污泥沉淀性能很差，水厂出 水水质不能保证。按传统工艺建造的水厂，在特大高浊时都 需大幅度降低其处理能力，以保证出水水质。这是由于过去 工程界的人们对亚微风传质现象不认识，对其传质的动力学 致因也不认识，因此传统的混合设备无能力解决高浊时混合 不均问题，这不仅使水厂在特大高浊时大幅度降低处理能力， 而且造成药剂的亚重浪费和造成出水的PH值过低。亚微观5扩散究其实质是层流扩散，其扩散

7、规律和用蜚克定律描写的 宏观扩散规律完全不同。 当研究尺度接近湍流微结构尺度时， 物质扩散过程不一定是从浓度高的地方往低的地方扩散。在 湍流水流中亚微观传质主要是由惯性效应导致的物质迁移造 成的，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。我们发明的串联 管式初级混凝设备和管式微涡初级混凝设备，就是利用高比 例高强度微涡旋的离心惯性效应来克服亚微观传质阻力，增 加亚微观速率。生产使用证明这两种设备在高浊时混合效果 良好，不仅比传统的静态混合器可大幅度增加处理能力，也 大大地节省了投药量。（二）反应絮凝是给水处理的最重要的 工艺环节，滤池出水水质主要由絮凝效果决定的。传统廊道 反应、回转孔室反应以及回转组合

8、式隔板反应的絮凝工艺， 水在设备中停留20 - 30分钟，水中尚有很多絮凝不完善的小 颗粒。近年来，国内出现了普通网板反应；国外推出了折板 式和波形板反应设备，使絮凝效果有了比较明显地改善。但 由于人们对絮凝的动力学本质认认不清楚，也就防碍了絮凝 效果的进一步提高。1、絮凝的动力学致因絮凝长大过程是微 小颗粒接触和碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个 因素：一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥 的联结能力，这是由混凝剂的性质决定的；二是微小颗粒碰 撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞，这是由设备 的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学413致因是什么，人们一直未

9、搞清楚。水处理工程学科认为速度 梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因。按照这一理论，要 想增加碰撞几率就必须增加速度梯度，增加速度梯度就必须 增加水体的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝过程 是速度受限过程，随着矶花的长大，水流速度应不断减少。 而在工程实践中，网络反应池在网格后面一定距离处水流近 似处于均匀各向同性湍流状态，即在这个区域中不同的空间 点上水流时平均速度都是相同的，速度梯度为零。按照速度 梯度理论，速度梯度越大，颗粒碰撞次数越多，网格絮凝反 应池速度梯度为零，其反应效率应效果却优于其它传统反应 设备。这一实例充分说明了速度梯度理论远未揭示絮凝的动 力学本质。絮凝的动力学致因究

10、竟是什么？是惯性效应。因 为水是连续介质。水中的速度分布是连续的， 没有任何跳跃， 水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无 究不时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺 度非常小，比重又和水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生 碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其和 水流产生相对运动，这样水流就会颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之 间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞 提供了条件。如何让水中颗粒和水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因不水的惯性

11、（密度）和颗粒的 惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加 速度）也不同，这就使得水和其中固体颗粒产生了相对运动。 为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基 本理论。改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大 小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池 的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来 进行絮凝；二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小 的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运动方 向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径 向和水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向 碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中

12、单位质量所受 离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流 涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应 越强絮凝作用就越好。由此可见湍流中的微小涡旋的离心惯 性效应是絮凝的重要的动力学致因。由此可看出，如果能在 絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地 增国颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池 的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网 水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋 变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度和 絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺6度和网眼尺度同一数量级。 增设小孔眼格网这后有

13、如下作用：（1）水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强、颗粒碰撞几率最高的区段；（2 ）小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少，微涡旋比例增强，涡旋的离心 惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；（3）由于过网水流的惯性作用，矶花产生强烈的变形，使矶花中处于吸咐 能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位， 这样就使得通过网格之后矶花变得更密实。2、矶花的合理的有效碰撞要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外， 还需要控制颗粒合理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称 之为有效碰撞。一方面，如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快 会出现两个问题：（1）矶花长得过快其强度则减弱，

14、在流动 过程中遇到强的剪切就会使吸附架桥被剪断，被剪断的吸附 架桥很难再连续起来，这种现象称之为过反应现象，应该被 绝对禁止；（2 ）一些矶花过快的长大会使水中矶花比表面积 急剧减少，一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件，这些 小颗粒和大颗粒碰掸几率急剧减少，很难再长大起来，这些 颗粒不仅不能为沉淀池所截留，也很难为滤池截留。另一方 面，絮凝池中矶花颗粒也不能长得过慢，矶花长得过慢虽然 密实，但当其达到沉淀池时，还有很多颗粒没有长到沉淀尺 度，出水水质也不会好。此由看到在絮凝池设计中应控制矶 花颗粒的合理长大。矶花的颗粒尺度和其密实度取决两方面因素：其一是混凝水解产物形成的吸附架桥的联结能力；

15、其 二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矶花颗粒 尺度和其密实度。吸附架桥的联结能力是由混凝剂性质决定 的，而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。 如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力，就能很好 的保证絮凝效果。多相流动物系反应控制理论的提出，真正 建立起水处理工艺中的动力相似。使我们认识到湍流剪切力 是絮凝过程中的控制动力学因素，如果在大小两个不同的絮 凝工艺中，其湍流剪切力相等，那么具有同样联结强度的矶 花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在，这在某 种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德 数可以作为相似准则数，可以表明湍流剪切力的大小，两个 尺

16、度不同的絮凝过程当其弗罗德数相等时，其湍流剪切力就 近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等 并不能完全控制絮凝效果的相似，因为湍流剪切力相等时两 个不同的絮凝过程的矶花联结强度相等，但矶花的密实度和 沉淀性能却不一定相同。矶花的密实程度可用湍动度来控制， 湍动度值越大表明在固定时间内流过固定空间点的涡旋数量 越多，涡旋强度越大，矶花也越密实。在实际工程中是不可 能测定湍动度的。庆幸的是当湍流剪切力相等时，尺度越大 的絮凝池其水流速度也越高，因此矶花的碰撞强度越大，形 成的矶花越密实，这已为试验和生产实践所证实。这样就可8阖血丛九血讪皿山以保证把小尺度的试验结果按照弗罗德数相等来放

17、大，放大 后的絮凝效果会更好、更可靠。因而我们也可以通过科学地 布设多层网格，通过弗罗德数这个相似准则，来控制絮凝过 程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矶花。（三） 沉淀沉淀设备是水处理工艺中泥水分离的重要环节，其运行 状况直接影响出水水质。 传统的平流沉淀池优点是构造简单， 工作安全可靠；缺点是占地面积大，处理效率低，要想降低 滤前水的浊度就要较大地加大沉淀池的长度。浅池理论的出 现使沉淀技术有了长足的进步。七十年代以后，我国各地水 厂普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但 经过几十年使用其可靠性远不如平流沉淀池，特别是高浊时 期、低温低浊时期以及投药不正常时期。传统沉

18、淀理论认为 斜板、斜管沉淀池中水流处于层流状态。其实不然，实际上 在斜管沉淀池中水流是有脉动的，这是因为当斜管中大的矶 花颗粒在沉淀中和水产生相对运动，会在矶花颗粒后面产生 小旋涡，这些旋涡的产生和运动造成了水流的脉动。这些脉 动对于大的矶花颗粒的沉淀无什么影响，对于反应不完全小 颗粒的沉淀起到顶托作用，故此此也就影响了出水水质。为 了克服这一现象，抑制水流的脉动，我们推出了小间距斜板 沉淀设备。这一设备还有下面一些优点：（1）由于间距明显减少，矶花沉淀距离也明显减少，使更多小颗粒可以沉淀下 来；（2）由于间距减少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，这样沉淀池中流量分布均匀

19、，和斜管相比明显地改善了沉淀条件；（3）这种设备由于下面几个原因其排泥性能远优于其他形式的浅池沉淀池；（a）这种设备基本无侧向约束；（b）这种设备沉淀面积和排泥面积相 等；对普通斜管来说排泥面积只占其沉淀面积的一半，在特 殊时期如高浊期，低温浊期或加药失误时期污泥沉降性能、 特别是排泥性能明显变坏，在斜管排泥面的边缘处由于沉积 数量和斜面上滑落下来的污泥数量大于排走的数量，造成了 污泥的堆积。所以一旦在斜管的角落处产生污泥的堆积，所 以一旦在斜管角落处产生污泥的堆积，就产生了污泥堆积的 恶性循环。这种作用开始时由于斜管上升流速的增加，沉淀 效果变坏，沉后水浊度增高，当污泥堆积到一定程度时，由

20、于上升流速的提高，可以把已积沉在斜管上的污泥卷起，使 水质严重恶化。正是这一原因才使得南方很多地区又由斜管 沉淀池改为平流沉淀池。而小间距斜板沉淀池其排泥面积是 普通斜管的4倍多，单位面积排泥负荷尚不到斜管的1/4,故在任何时期排泥均无障碍。三、“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术“的工艺特点（一）处理效率高、占地面积小、 经济效益显著。由于混合迅速（3 - 30秒），反应时间短（5 -10分钟），沉淀池上升流速高（2. 5 - 3. 5mm/s ）,因此 可大为缩短水在处理构筑物中的停留时间，大幅度提高处理 效率，因而也就节省了构筑物的基建投资。工程实践证实：10和传统工艺相比，采用新技术对旧水

21、厂挖潜改造，在构筑物 容积不增加的情况下，可使处理水量净增75 - 100 %，而改造投资仅相当于新建一座同等规模新水厂投资的30 - 50%;用于新建水厂，主体工艺构筑物可节省投资20 - 30 %，并可大幅度减少主体构筑物占地面积。和平流沉淀池比较可节省 80 %，和斜管沉淀池比较可节省40 %。（二）处理水质优，社会效益好，水质效益可观。几年运行实践证明，这项工艺 可使沉后水浊度稳定在 3度以下，滤后水接近 0度，这就形 成了一个很高的水质效益。水质效益一方面就是社会效益， 另一方面是潜在的经济效益。我国现行饮用水水质标准为浊 度不超过3度，而发达国家标准是不超过1度。随着人民生活水平的

22、提高，我国也将进一步提高生活用水标准。如果其 标准提高到1度，那么大部分城市现有处理设备和工艺是难 以达到的，只有通过大幅度投资扩建新水厂，才能解决水质 和水量的矛盾。而采用此工艺可稳定保持出厂水浊度低于1度。由此可见，其潜在的水质效益是相当可观的。（三）抗冲击能力强，适用水质广泛。实践证明，此项技术抗冲击的能 力较强，当原水浊度、进水流量，投加药量发生一些变化时， 沉淀池出水浊度不象传统工艺那样敏感。其原因是，这项工 艺的沉淀池上升流速按 3 . 5mm/s设计时尚有很大潜力。运 行实践表明。这项工艺对低温低浊、汛期高浊以及微污染等 特殊原水水质的处理均非常有效。低温低浊水中固体颗粒少，11颗粒尺度小，有机物含量相对高，比重小。从颗粒级配来看 也相对均匀，加之低温时药剂吸附架桥能力下降，这些都给 絮凝和沉降带来困难。新技术采用的小孔眼格网絮凝设备， 可大幅度增加颗粒碰撞几率，克服了固体颗粒少、难于相互 碰撞的缺点，形成比较密实的矶花，在小间距斜板上有效的 沉淀下来。对高浊水来说，颗粒碰撞已不成问题，但在这种 情况下混凝剂的亚微观传质在混合设备中完成。也就是说， 有一部分地方会出现过反应情况，而这些地方反应不足，致 使絮凝效果恶化，以致于矶花沉降性能变坏；再加上斜管沉 淀池本身结构