摘要：“渦旋混凝給水處理技術(shù)”是渦旋根據(jù)多相流動(dòng)物系反應(yīng)控制慣性效應(yīng)理論，結(jié)合給水工程實(shí)踐，混凝經(jīng)近十年的處理研究而發(fā)明的。該技術(shù)涉及了給水處理中混合、技術(shù)絮凝反應(yīng)、分析沉淀三大主要工藝。渦旋

關(guān)鍵詞：渦旋混凝給水處理技術(shù)

一、混凝概述

“渦旋混凝給水處理技術(shù)”是處理根據(jù)多相流動(dòng)物系反應(yīng)控制慣性效應(yīng)理論，結(jié)合給水工程實(shí)踐，技術(shù)經(jīng)近十年的分析研究而發(fā)明的。該技術(shù)涉及了給水處理中混合、渦旋絮凝反應(yīng)、混凝沉淀三大主要工藝。處理

理論上，技術(shù)首次從湍流微結(jié)構(gòu)的分析尺度即亞微觀尺度對(duì)混凝的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入了研究，提出了“慣性效應(yīng)”是絮凝的動(dòng)力學(xué)致因，湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動(dòng)力學(xué)因素，并建立了絮凝的動(dòng)力相似準(zhǔn)則；首次指出擴(kuò)散過(guò)程應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散與亞微觀擴(kuò)散兩個(gè)不同的物理過(guò)程，而亞微觀擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)致因是慣性效應(yīng)，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。由于新理論克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)給水處理技術(shù)理論上的缺陷和實(shí)踐上的不足，因而導(dǎo)致了在給水處理技術(shù)上的重大突破。

實(shí)踐中，發(fā)明了列管式混合器、翼片隔板反應(yīng)設(shè)備、接觸絮凝斜板沉淀設(shè)備等。目前這項(xiàng)新技術(shù)已在全國(guó)近50多家水廠成功地推廣使用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。工程實(shí)踐證明：此項(xiàng)技術(shù)用于新建水廠，工藝部分基建投資可節(jié)約20～30%；用于舊水廠技術(shù)改造，可使處理水量增加75%～100%，而其改造投資僅為與凈增水量同等規(guī)模新建水廠投資的30%～50%。采用此項(xiàng)技術(shù)可使沉淀池出水濁度低于3度，濾后水接近0度，可節(jié)省濾池反沖洗水量50%，節(jié)省藥劑投加量30%，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用和制水成本。

這項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)廣泛，不僅對(duì)低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時(shí)，對(duì)微污染原水具有較好的處理效果。可利用最小投資，取得最大效益，充分發(fā)揮現(xiàn)有供水設(shè)施的潛力，在短時(shí)間內(nèi)緩解城市供水短缺狀況，促進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

二、“渦旋混凝給水處理技術(shù)”的工作機(jī)理

（一）混合

混合是反應(yīng)第一關(guān)，也是非常重要的一關(guān)，在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地?cái)U(kuò)散到水體中的每一個(gè)細(xì)部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。因?yàn)樵诨旌线^(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生膠體顆粒脫穩(wěn)與凝聚，可以把這個(gè)過(guò)程稱為初級(jí)混凝過(guò)程，但這個(gè)過(guò)程的主要作用是混合，因此都稱為混合過(guò)程。

混合問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是混凝劑水解產(chǎn)物在水中的擴(kuò)散問(wèn)題，使水中膠體顆粒同時(shí)脫穩(wěn)產(chǎn)生凝聚，是取得好的絮凝效果的先決條件，也是節(jié)省投藥量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，國(guó)內(nèi)外采用管式靜態(tài)混合器使混合效果有了比較明顯地提高，但由于人們對(duì)于多相物系反應(yīng)中亞微觀傳質(zhì)以及湍流微結(jié)構(gòu)在膠體顆粒初始凝聚時(shí)的作用認(rèn)識(shí)不清，故也妨礙了混凝效果的進(jìn)一步提高。混凝劑水解產(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴(kuò)散應(yīng)分為兩類：(1)宏觀擴(kuò)散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體各個(gè)宏觀部位，其擴(kuò)散系數(shù)很大，這部分?jǐn)U散是由大渦旋的動(dòng)力作用導(dǎo)致的，因而宏觀擴(kuò)散可以短時(shí)間內(nèi)完成；(2)亞微觀擴(kuò)散，即濁凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位的擴(kuò)散，這部分?jǐn)U散系數(shù)比宏觀擴(kuò)散小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。亞微觀擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散。因此使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體第一個(gè)細(xì)部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀擴(kuò)散是起決定性作用的動(dòng)力學(xué)因素。

例如高濁水的處理中，混凝劑水解產(chǎn)物的亞微觀擴(kuò)散成為控制處理效果的決定性因素。由于混凝劑的水解產(chǎn)物向極鄰近部擴(kuò)散的速度非常慢，在高濁度期水中膠體顆粒數(shù)量非常多，因此沒(méi)等混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位擴(kuò)散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時(shí)期有些地方混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些地方還根本沒(méi)有。混凝劑局部集中的地方礬花迅速長(zhǎng)大，形成松散的礬花顆粒，遇到強(qiáng)的剪切力吸附橋則被剪斷，出現(xiàn)了局部過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象。藥劑沒(méi)擴(kuò)散到的地方膠體顆粒尚未脫穩(wěn)，這部分絮凝反應(yīng)勢(shì)必不完善。這一方面是因?yàn)樗鼈兏簧弦衙摲€(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因?yàn)榛炷齽┘袇^(qū)域礬花迅速不合理長(zhǎng)大，也使未脫穩(wěn)的膠體顆粒失去了反應(yīng)碰撞條件。這樣就導(dǎo)致了高濁時(shí)期污泥沉淀性能很差，水廠出水水質(zhì)不能保證。按傳統(tǒng)工藝建造的水廠，在特大高濁時(shí)都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質(zhì)。這是由于過(guò)去工程界的人們對(duì)亞微觀傳質(zhì)現(xiàn)象不認(rèn)識(shí)，對(duì)其傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)致因也不認(rèn)識(shí)，因此傳統(tǒng)的混合設(shè)備無(wú)能力解決高濁時(shí)混合不均問(wèn)題，這不僅使水廠在特大高濁時(shí)大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的嚴(yán)重消費(fèi)和造成出水的pH值過(guò)低。

亞微觀擴(kuò)散究其實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律與用蜚克定律描寫(xiě)的宏觀擴(kuò)散規(guī)律完全不同。當(dāng)研究尺度接近湍流微結(jié)構(gòu)尺度時(shí)，物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴(kuò)散。在湍流水流中亞微觀傳質(zhì)主要是由慣性效應(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)。我們的管式微渦初級(jí)混凝設(shè)備，就是利用高比例高強(qiáng)度微渦旋的離心慣性效應(yīng)來(lái)克服亞微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀傳質(zhì)速率。生產(chǎn)使用證明這兩種設(shè)備在高濁時(shí)混合效果良好，不僅比傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節(jié)省了投藥量。

（二）反應(yīng)

絮凝是給水處理的最重要的工藝環(huán)節(jié)，濾池出水水質(zhì)主要由絮凝效果決定的。傳統(tǒng)廊道反應(yīng)、回轉(zhuǎn)孔室反應(yīng)以及回轉(zhuǎn)組合式隔板反應(yīng)的絮凝工藝，水在設(shè)備中停留20～30分鐘，水中尚有很多絮凝不完善的小顆粒。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了普通網(wǎng)格反應(yīng)；國(guó)外推出了折板式與波形板反應(yīng)設(shè)備，使絮凝效果有了比較明顯地改善。但由于人們對(duì)絮凝的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)認(rèn)識(shí)問(wèn)題，妨礙了絮凝效果的進(jìn)一步提高。

1.絮凝的動(dòng)力學(xué)致因

絮凝長(zhǎng)大過(guò)程是微小顆粒接觸與碰撞的過(guò)程。絮凝效果的好壞取決于下面兩個(gè)因素：一是混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的；二是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進(jìn)行合理的有效碰撞，這是由設(shè)備的動(dòng)力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學(xué)科認(rèn)為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動(dòng)力學(xué)致因。按照這一理論，要想增加碰撞幾率就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝過(guò)程是速度受限過(guò)程，隨著礬花的長(zhǎng)大，水流速度應(yīng)不斷減少。

絮凝的動(dòng)力學(xué)致因究竟是什么？是慣性效應(yīng)。因?yàn)樗沁B續(xù)介質(zhì)。水中的速度分布是連續(xù)的，沒(méi)有任何跳躍，水中兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)相距為無(wú)究小時(shí)，其速度差亦為無(wú)窮小，即無(wú)速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運(yùn)動(dòng)，由于沒(méi)有速度差就不會(huì)發(fā)生碰撞。由此可見(jiàn)要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣水流就會(huì)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生水力阻力。由于不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度顆粒之間就產(chǎn)生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)呢？最好的辦法是改變水流的速度。因?yàn)樗膽T性（密度）與顆粒的慣性（密度）不同，當(dāng)水流速度變化時(shí)它們的速度變化（加速度）也不同，這就使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為相鄰不同尺度顆粒碰撞提供了條件。這就是慣性效應(yīng)的基本理論。

改變速度方法有兩種：一是改變水流時(shí)平均速度大小。水力脈沖澄清池、波形板反應(yīng)池、孔室反應(yīng)池以及濾池的微絮凝主要就是利用水流時(shí)平均速度變化形成慣性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行絮凝；二是改變水流方向。因?yàn)橥牧髦谐錆M著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷地在改變自己的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。當(dāng)水流作渦旋運(yùn)動(dòng)時(shí)在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為不同尺度顆粒沿湍流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質(zhì)量所受離心慣性力是不同的，這個(gè)作用將增加不同尺度顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的幾率。渦旋越小，其慣性力越強(qiáng)，慣性效應(yīng)越強(qiáng)絮凝作用就越好。由此可見(jiàn)湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動(dòng)力學(xué)致因。

由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數(shù)，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的流動(dòng)通道上增設(shè)多層翼片隔板的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于水流的慣性作用，使過(guò)水流的大渦旋變成小渦旋，小渦旋變成更小的渦旋。

增設(shè)翼片隔板后有如下作用：(1)水流通過(guò)該區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強(qiáng)、顆粒碰撞幾率最高的區(qū)段；(2) 翼片隔板之后湍流的渦旋尺度大幅度減少，微渦旋比例增強(qiáng)，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù)；(3)由于水流的慣性作用，礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸附能級(jí)低的部分，由于其變形揉動(dòng)作用達(dá)到高吸能級(jí)的部位，這樣就使得通過(guò)該區(qū)之后礬花變得更密實(shí)。

2.礬花的合理的有效碰撞

要達(dá)到好的絮凝效果除了要有顆粒大量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞。使顆粒凝聚起來(lái)的碰撞稱之為有效碰撞。一方面，如果在絮凝中顆粒凝聚長(zhǎng)大得過(guò)快會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：(1)礬花長(zhǎng)得過(guò)快其強(qiáng)度則減弱，在流動(dòng)過(guò)程中遇到強(qiáng)的剪切就會(huì)使吸附架橋被剪斷，被剪斷的吸附架橋很難再連續(xù)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱之為過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象，應(yīng)該被絕對(duì)禁止；(2)一些礬花過(guò)快的長(zhǎng)大會(huì)使水中礬花比表面積急劇減少，一些反應(yīng)不完善的小顆粒失去了反應(yīng)條件，這些小顆粒與大顆粒碰撞幾率急劇減小，很難再長(zhǎng)大起來(lái)。這些顆粒不僅不能為沉淀池所截留，也很難為濾池截留。另一方面，絮凝池中礬花顆粒也不能長(zhǎng)得過(guò)慢，礬花長(zhǎng)得過(guò)慢雖然密實(shí)，但當(dāng)其達(dá)到沉淀池時(shí)，還有很多顆粒沒(méi)有長(zhǎng)到沉淀尺度，出水水質(zhì)也不會(huì)好。此由看到在絮凝池設(shè)計(jì)中應(yīng)控制礬花顆粒的合理長(zhǎng)大。

礬花的顆粒尺度與其密實(shí)度取決兩方面因素：其一是混凝水解產(chǎn)物形成的吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個(gè)力的對(duì)比關(guān)系決定了礬花顆粒尺度與其密實(shí)度。吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力是由混凝劑性質(zhì)決定的，而湍流的剪切力是由構(gòu)筑物創(chuàng)造的流動(dòng)條件所決定的。如果在絮凝池的設(shè)計(jì)中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。

多相流動(dòng)物系反應(yīng)控制理論的提出，真正建立起水處理工藝中的動(dòng)力相似。使我們認(rèn)識(shí)到湍流剪切力是絮凝過(guò)程中的控制動(dòng)力學(xué)因素，如果在大小兩個(gè)不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那么具有同樣聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的礬花顆粒可以在兩個(gè)不同尺度的絮凝過(guò)程中同時(shí)存在，這在某種意義上也就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)絮凝過(guò)程絮凝效果的相似。弗羅德數(shù)可以作為相似準(zhǔn)則數(shù)，可以表明湍流剪切力的大小，兩個(gè)尺度不同的絮凝過(guò)程當(dāng)其弗羅德數(shù)相等時(shí)，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?yàn)橥牧骷羟辛ο嗟葧r(shí)兩個(gè)不同的絮凝過(guò)程的礬花聯(lián)結(jié)強(qiáng)度相等，但礬花的密實(shí)度與沉淀性能卻不一定相同。礬花的密實(shí)程度可用湍動(dòng)度來(lái)控制，湍動(dòng)度值越大表明在固定時(shí)間內(nèi)流動(dòng)固定空間點(diǎn)的渦流數(shù)量越多，渦旋強(qiáng)度越大，礬花也越密實(shí)。在實(shí)際工作中是不可能測(cè)定湍動(dòng)度的。慶幸的是當(dāng)湍流剪切力相等時(shí)，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強(qiáng)度越大，形成的礬花越密實(shí)，這已為試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐的所證實(shí)。這樣就可以保證把小尺度的試驗(yàn)結(jié)果按照弗羅德數(shù)相等來(lái)放大，放大后的絮凝效果會(huì)更好、更可靠。因而我們也可以通過(guò)科學(xué)地布設(shè)翼片隔板，通過(guò)弗羅德數(shù)這個(gè)相似準(zhǔn)則，來(lái)控制絮凝過(guò)程中水流的剪切力和湍動(dòng)度，形成易于沉淀的密實(shí)礬花。

（三）沉淀

沉淀設(shè)備是水處理工藝中泥水分離的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況直接影響出水水質(zhì)。

傳統(tǒng)的平流沉淀池優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作安全可靠；缺點(diǎn)是占地面積大，處理效率低，要想降低濾前水的濁度就要較大地加大沉淀池的長(zhǎng)度。淺池理論的出現(xiàn)使沉淀技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。七十年代以后，我國(guó)各地水廠普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但經(jīng)過(guò)幾十年應(yīng)用其可靠性遠(yuǎn)不如平流沉淀池，特別是高濁時(shí)期、低溫低濁時(shí)期以及投藥不正常時(shí)期。

傳統(tǒng)沉淀理論認(rèn)為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態(tài)。其實(shí)不然，實(shí)際上在斜管沉淀池中水流是有脈動(dòng)的，這是因?yàn)楫?dāng)斜管中的大礬花顆粒在沉淀中與水產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)在礬花顆粒后面產(chǎn)生小旋渦，這些旋渦的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)造成了水流的脈動(dòng)。這些脈動(dòng)對(duì)于大的礬花顆粒的沉淀無(wú)什么影響，對(duì)于反應(yīng)不完全小顆粒的沉淀起到頂托作用，故此此也就影響了出水水質(zhì)。為了克服這一現(xiàn)象，抑制水流的脈動(dòng)，我們推動(dòng)了接觸絮凝斜板沉淀設(shè)備。這一設(shè)備還有下面一些優(yōu)點(diǎn)：(1)由于間距明顯減少，礬花沉淀距離也明顯減少，使更多小顆粒可以沉淀下來(lái)；(2)由于間距減少，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，這樣沉淀池中流量分布均勻，與斜管相比明顯地改善了沉淀?xiàng)l件；(3)這種設(shè)備由于下面幾個(gè)原因其排泥性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他形式的淺池沉淀池；(a)這種設(shè)備基本無(wú)側(cè)向約束；(b)這種設(shè)備沉淀面積與排泥面積相等；對(duì)普通斜管來(lái)說(shuō)排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時(shí)期如高濁期，低溫濁期或加藥失誤時(shí)期污泥沉降性能、特別是排泥性能明顯變壞，在斜管排泥面的邊緣處由于沉積數(shù)量與斜面上滑落下來(lái)的污泥數(shù)量大于排走的數(shù)量，造成污泥的堆積。所以一旦在斜管的角落處產(chǎn)生污泥的堆積，

這淹使瓜面減少，上升流速增加，增加了污泥下滑的頂托力，進(jìn)一步增加污泥堆積。所以一旦在斜管角落處產(chǎn)生污泥的堆積，就產(chǎn)生了污泥堆積的惡性循環(huán)。這種作用開(kāi)始時(shí)由于斜管上升流速的增加，沉淀效果變壞，沉后水濁度增高，當(dāng)污泥堆積到一定程度時(shí)，由于上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥卷起，使水質(zhì)嚴(yán)重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區(qū)又由斜管沉淀池改為平流沉淀池。而小間距斜板沉淀池其排泥面積是普通斜管的4倍多，單位面積排泥負(fù)荷尚不到斜管的1/4，故在任何時(shí)期排泥均無(wú)障礙。