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微涡旋混凝在水处理中的应用

发布时间：2010/8/1 阅读次数：2028 字体大小: 【小】【中】【大】

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前言

　　在给水净化和废水物化处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。天然水体中的分散相大部分由无机胶粒组成，如：黏土、金属氧化物、金属氢氧化物和金属碳酸盐，还有来自腐殖质的有机胶体物质以及有生命的微生物（藻类或细菌）。城镇用水及工业废水处理中, 絮凝(混凝)过程是应用最普遍的关键环节之一。絮凝效果的好坏, 直接决定着后续单元过程的运行工况、处理费用及最终出水水质。实践证明，设计时混凝工艺选定的合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能节约降低运行费用的目的。因此搞清絮凝动力致因是提高絮凝效率的关键[1,2]。

　　1.絮凝的动力学过程

　　絮凝一般是指水中的胶体在加入混凝剂进行脱稳之后，相互接触碰撞，在吸引力作用下合并成长为大絮凝体的过程。研究絮凝的动力学过程，也就是研究絮凝过程中颗粒状态的变化，颗粒是怎样从粒径较细数量较多，逐步演变为粒径较大而数量较少的[1]。

　　要使颗粒产生絮凝需要有两个基本前提，颗粒间的接触(即碰撞)以及接触后的聚集。两个保持一定距离作相对运动的颗粒，如无其他力的作用是无法接触的，因为它们之间将始终维持原来的间距。当然，颗粒的接触并不等于聚集，如果颗粒不具备彼此结合的能力，接触后的颗粒仍然处于分散状态，它取决于混凝剂的性质。总之使颗粒产生絮凝的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞，主要有三种途径[2]：(1)颗粒的布朗运动；(2)颗粒间的沉速差异；(3)流动水体的水力作用。

　　由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒浓度平方成正比，而与颗粒尺度无关，实际上只有小颗粒才有布朗运动，随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱，当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本消失。对于一般絮凝池来说，絮体颗粒一般从微米级增至毫米级以上，因此由布朗运动产生的颗粒接触碰撞可忽略不计。至于因沉速差异而造成的颗粒接触碰撞，在沉淀池中有一定的作用，然而在反应池中，由于水流的强烈紊动，相对来说沉速差异的作用将是微小的。特别是在絮凝的初始阶段，颗粒细小，本身的沉速就不大，不同颗粒间的沉速差异也就更小，因此对于因沉速差异而产生的接触，在反应池中一般可以忽略不计；基于以上分析可以断定：流动水体的水力作用对加速颗粒絮凝起主导作用[3]。

　　2.絮凝动力机理

　　絮凝效果的好坏取决于两个因素：(1)混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；(2)微小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由设备的动力条件所决定的。

　　由于絮凝中的颗粒碰撞是与湍流中的微结构的动力作用密切相关，因此在絮凝动力学的研究中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。

　　在絮凝过程中，由于水力条件对絮凝体成长起决定性作用，因此可以将絮凝当作流体力学问题来进行研究。丹保在他的论文中以直流水槽为例进行了说明，水槽中水流沿垂直流向可分为三层：层流底层、过渡层和紊流层(惯性区)。在紊流层内只能产生尺度大而强度低的涡流，在层流低层内不可能存在涡旋运动，在这两层之间存在一速度梯度相当大、涡能量最大的层，这一层就是过流层，实际上层流低层和过渡层都是极簿的流层，因此絮凝效果的好坏决定于紊流区[4]。

　　3.絮凝的动力学致因

　　在水处理工程学科中, 有关絮凝过程的动力学致因问题有不少争论。在工程界应用最多的是基于层流条件下导出的速度梯度理论, 主要有异向絮凝、同向絮凝及差降絮凝[2]。

　　上述絮凝动力学理论是基于层流状态考虑的, 对于实际情况,必然存在其局限性。而人们又着眼于实际流体状况的分析，因此有关絮凝的动力学致因有待进一步的研究。王绍文等首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对絮凝的动力学问题进行了研究，提出了惯性效应是絮凝动力学致因，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应，并指出湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素。武道吉等从紊流结构分析了混合动力学机理, 提出了主流区的涡流扩散对混合时间起主导作用, 并导出了混合综合控制指标。这些研究成果既丰富了理论,也可用于指导实践[2,5]。

　　之所以说絮凝的动力学致因是惯性效应[5]，这是因为水是连续介质，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小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，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，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对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。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（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，这就使得水与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转方向。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与水流产生相对运动，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，就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。

　　4.紊流涡旋在混凝处理中的作用

　　紊流中存在着大大小小的涡旋，涡旋的大小和轴向是随机的，因此涡旋本身在紊流内部的相对运动也是随机变化的，涡旋不断的产生、发展、衰减与消失。大尺度涡旋破坏后形成尺度较小的涡旋，较小尺度的涡旋破坏后形成尺度更小但波数较大的涡旋，由于这些涡旋在紊流内部做随机运动，不断平移和转动，使得紊流各点速度随时间不断变化，形成了流速的脉动，也就是说紊流是由连续不断的涡旋运动造成的。紊动能量由大尺度涡旋逐级传给小尺度涡旋。大尺度涡旋由于速度梯度很小，其絮凝条件很差。由此可见，在紊流中若能有效的消除大尺度涡旋，增加微小尺寸涡旋的比例，就能提高絮凝效果[6]。

　　微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞，其原因有两个方面。其一，涡流形成流层之间较大的流速差，造成了流层中携带微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；其二，涡流的旋转作用形成离心惯性力，造成微粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。此两方面的作用都随涡流的尺寸减小而增大，微涡流是有利于凝聚的水力条件[7]。

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