微动力学混凝沉淀工艺理论与技术

1微动力学混凝沉淀工艺理论与技术徐立群吉林省长春市吉林大学环境与资源学院博士后[摘要]混凝沉淀工艺理论的发展与相关学科的最新进展密切相关，本文在介绍微水动力学粒子运动理论研究的基础上，总结了混凝沉淀工艺动力学改进历程，介绍基于微水动力学理论的新型混凝沉淀工艺－微动力学混凝沉淀工艺理论和技术。该工艺包括三个工艺过程，分别是列管式混合工艺、翼片隔板絮凝工艺、接触絮凝沉淀工艺。微动力学混凝沉淀工艺近3年已应用于全国五十余座水厂，已取得了良好的经济效益和社会效益。关键词：环境工程微水动力学混凝沉淀絮凝混合沉淀过程中，大量存在的是10-7m至10-3m粒子，这些粒子在混合沉淀过程中运动、碰撞、凝聚、破碎和沉淀，同时发生复杂的物理化学反应。迄今为止，关于这些过程的动力学描述仍然以传统的速度梯度理论、相似理论和浅池理论为主。随着混凝沉淀工程实践的发展，速度梯度理论、相似理论已不能满足要求，提高沉淀效率也需要沉淀理论进一步发展，这就有必要探讨动力学机理，并推出新的高效节能、效果优良的工艺技术。一、紊流中粒子的凝聚混凝沉淀工艺过程是紊流中物理化学反应过程，涉及的流动状态和粒子尺度，基本处于流体微水动力学研究范围内。微水动力学是新兴的边缘学科领域，仍不为水处理领域学者所熟知。1970年，Batchelor提出，含有10-7m至10-4m粒子的流体动力学行为，不仅在理论方面有重大的研究价值，而且与传统的Stokes粘性动力学方法有重大区别，应自成体系，并建议该领域称为微流体力学（Microhydrodynamics）或微水动力学。微水动力学之所以成为一个需单独研究的学科领域，是因为粒子在紊流中的运动极其复杂，紊流本身就是本世纪最难攻克的课题之一，在紊流中运动的粒子的行为更加难以研究。微水动力学是研究流体中粒子运动的专门学科，其发展受紊流研究认识和技术手段的限制，一直处于理论研究阶段，笔者针对粒子的凝聚做了深入的理论研究[1]，这些成果对实际应用具有指导意义。研究粒子凝聚，首先需了解影响凝聚的因素。水流中的粒子凝聚受如下因素的影响：（1）粒子自身的性质。如粒度、密度等性质，这些决定了粒子随水流运动的性质；（2）粒子间的作用力。粒子自身的化学特性决定了粒子运动到一定距离时的力的作用，并影响到粒子运动；（3）紊流微结构。对紊流中运动的粒子来讲，宏观的流场并不重要，其运动行为主2要与粒子周围的流场、压差和紊流微结构有关。在考虑以上因素的基础上，用频谱分析、频域和时域分析，结合紊流周－黄涡旋模型，对粒子跟踪特性和粒子凝聚过程的研究指出[1]，紊流中粒子的凝聚主要分为梯度凝聚、惯性凝聚和热力学凝聚。对不同性质的粒子，三种凝聚机理哪种起主要作用需根据具体情况确定。通常，水中的凝聚过程是梯度凝聚和惯性凝聚共同起作用的结果。对给定的粒子，何种紊流凝聚机制起主要作用，取决于粒子对流场的跟踪能力。粒子对流场的跟踪能力受流场的脉动频率、流体粘度、粒子粒径和密度影响最大。粒子碰撞的研究得出了不同类型粒子在紊流中碰撞的定量结果，可计算粒子碰撞次数和粒子碰撞率[1]，为控制紊流中粒子的运动指明了方向。流体力学控制理论的成熟为控制粒子凝聚提供了理论和技术指导，这些为更精细控制粒子凝聚过程和形成新的粒子凝聚型式提供了条件。二、混凝沉淀工艺技术型式的动力学改进历程混凝沉淀工艺是目前给水处理、中水处理和部分污水处理的核心工艺，主要包含混合、絮凝、沉淀三个工艺流程，它承担着水处理中95％以上的负荷，已有150余年的历史。混凝沉淀工艺中，对指定的絮凝剂，影响处理效果的主要是动力学控制方式和方法。混凝沉淀动力学控制方式由流动边界决定，与工艺池型密切相关。为改进混凝沉淀工艺控制方式和方法，需了解这些工艺的动力学发展历史和现状。混合、絮凝、沉淀工艺分别经历了不同的动力学演进过程和不同的工艺改进模式，分析如下。（一）混合工艺动力学改进历程混合过程是向水中投加絮凝剂，絮凝剂水解产生复杂的水解产物，水解产物运动至紊流中胶体粒子表面，使胶体粒子脱稳，并凝聚成微小絮凝体的过程。水处理工艺发展初期，混合过程的重要性并未得到充分认识。工程上，絮凝剂（如明矾或硫酸铝）被简单投加于加压泵的前端，利用水泵的搅拌作用完成混合过程，这是最初的混合模式――水泵混合。水泵混合对水泵的腐蚀比较严重，因此，出现了把絮凝剂投加在管道中，利用一定长度的管道完成混合，称为管道混合。管道混合已经提出明确的混合概念。目前，管道混合方式仍在应用。在管道混合应用过程中，工程师们发现，不同的管道流速和混合时间会产生不同的效果，开始有意识地控制这两项参数，这种改进过于缓慢。跌水混合可能是基于对气水激烈掺混状态的认识而提出的混合方式，其控制参数是经验性的和感性的。3机械搅拌混合池的出现标志着对混合流体动力学机制有了一定的认识。研究者提出用可以表征混合池中流体紊动状态的参数控制机械搅拌混合的效果，提出诸如Fr数、Re数等混合状态控制参数。目前普遍应用的静态混合器大概是基于上述认识并考虑应用方便产生的混合方式，这种混合方式在管道中设置的类似桨叶、螺旋等阻力装置，改变流动的速度和方向，增加能耗，以获得理想混合效果。截至今天，专业书籍中混合动力学控制参数仍仅为水头损失和混合时间，至多考虑水流消耗的平均功率，对混合动力学的理解仍不够深刻。（二）絮凝工艺动力学演变絮凝过程是提供合适的流体动力学条件，使混合过程形成的微小絮体凝聚长大至沉淀所需尺度和密度的过程。絮凝过程对水处理工艺处理效果的影响很大，在絮凝工艺出现之初，就得到了足够的重视，因此絮凝动力学的理论研究文献较多。目前，絮凝形式多种多样，但主流控制理论仍为Camp＆Stein提出的速度梯度理论[2]。速度梯度理论的基础是层流的速度梯度理论，其基本假设如下：粒子跟随性很好，随水流一同运动，无滑差。在基本假设下，邻近流层中的粒子，中心距离d小于粒子半径之和，如给以足够长的时间，最终一定可以碰撞。在层流基础上，通过一个瞬间受剪扭曲的单位体积水流模型，建立了速度梯度的紊流理论。速度梯度理论认为，絮凝的效果与絮凝设备中的水头损失、水的运动粘度、水流在絮凝设备中的停留时间有关。应该指出，速度梯度理论的基本假设是有问题的。根据微水动力学的观点，粒子与流场之间总是存在着相位差，即滑差。对絮凝池中的粒子，这一滑差只有在粒子尺度极小、密度与水流接近的状态下，方可忽略。流体流动的层流与紊流在流动特性上存在质的差别，紊流是由大大小小的涡旋构成的，这些涡旋在紊流中运动的过程中，不断产生、衰减、湮灭，同时存在着跃迁等复杂的运动机制，简单地认为层流的速度梯度理论可以用于紊流是根本不行的。尽管如此，速度梯度理论在很长时间内指导了混合池和絮凝池的设计施工工作。絮凝动力学控制手段与絮凝池池型密切相关，絮凝池发展过程中，衍生了不同的絮凝池型，包括水力旋流絮凝池、往复式隔板絮凝池、迴转絮凝池、网格絮凝池、波纹板絮凝池、孔室絮凝池、格网和栅条絮凝池等水力池型和机械搅拌池型（机械搅拌絮凝池）。应该指出，这些池型上的改进和演变是有一个过程的。在此过程中，总结了工程经验和研究工作者的认识，但可以认定并不是在速度梯度理论的指导下完成的。为了说明这个问题，需具体分析絮凝池类型。4按流体在絮凝池中的运动方式，絮凝池池型可分为如下几类：（1）水平流动或垂直流动池型，此种型式的絮凝池只通过流道控制絮凝流动状态，以往复式隔板絮凝池、迴转絮凝池、网格絮凝池、折板絮凝池为代表；（2）旋流池型，以旋流絮凝池、孔室絮凝池和机械搅拌絮凝池为代表；（3）导流机构池型，在流道中按经验设置导流机构，以波纹板絮凝池、栅条和格网絮凝池为代表。下面逐一分析每种絮凝型式的进化和演变。1.水平流动或垂直流动池型水平流动的往复式隔板絮凝池出现最早，其控制参数一般按宏观流体的相似准数确定。在实际应用中，发现絮凝池的转弯处似乎对絮凝效果的影响很大，因此首先研究转弯的形式，于是出现了弯角90o的迴转絮凝池和隔板长度较短的往复式隔板絮凝池。为设置转弯的流动距离，把水流方向改为上下流动，形成了网格絮凝池。折板絮凝池则干脆改变流道边壁的形状为弯折的形状，以改变局部水流速度和水流方向。但这些改进与速度梯度理论却无必然联系。2.旋流池型最早出现的旋流池型是水力旋流絮凝池，它是一个圆锥体，水流自圆锥体底部（锥尖）沿切向流入絮凝池，在水流旋转上升流动的过程中速度无级变缓，取得了良好的絮凝效果。其后发展的孔室旋流絮凝池和机械搅拌絮凝池应是受烧杯试验和水力旋流絮凝池的启发而产生的，这些池型中，水流成柱状的流动，只是控制和引导流动的机制稍有差别。旋流絮凝池的参数选定和设计主要是按经验选择的，一般控制絮凝池单体入流速度和池体尺度，速度梯度理论的指导作用已变得很小。另外，旋转流体从流动机制和力的特征上与水平或垂直流动的一般流体有质的差别。速度梯度理论无法指导该池型的改进并给出合理的解释。3.导流机构池型为进一步强化絮凝效果，我国研究者试着在水平和垂向流动的絮凝池中增加导流机构。最先出现的是昆山网格絮凝池中加装栅条，试验取得了成功，由此衍生出新一代絮凝池，即栅条和格网絮凝池。几乎在同时出现的波纹板絮凝池，是按照折板絮凝池的小型化构想提出的，还是按在水流中设置导流机构的思路成型的，已无法证实。由于波纹板起到了改变局部水流状态的作用，这里把它归类为导流机构池型。对导流机构池型，导流机构已完全改变了流动的宏观动力学参数，此时，依速度梯度理论控制的功率消耗P值未发生大的变化，然而絮凝时间已经由20分钟降至12分钟，絮凝时间大大缩短，絮凝效果明显改善。设置导流机构引起如此大的絮凝效果差异，速度梯度理论无法给出的合理的解释。5回顾絮凝池演变过程，探索的脚步从未停止，实践引导着絮凝池的不断改进。絮凝池的改进总方向一直是围绕着改变紊流结构进行的。无论是设置转弯、使水旋转流动，还是设置导流机构和改变流动边界的方法，实质都是改进絮凝池内的紊流结构。由此可见，紊流结构的研究决定着絮凝效果，按絮凝的要求控制紊流结构，才能形成更理想的絮凝方式。絮凝池的相似放大和缩小一直困扰着水处理工作者，控制絮凝结构是解决这个问题的基石。（三）沉淀工艺发展回顾沉淀过程是提供动态的流动空间，使混凝过程形成的絮体在重力作用下沉降，实现固液分离的过程。沉淀过程的动力学机制极少见诸于文献，其实在沉淀过程中，粒子同样受水中各种力的作用，有着复杂的运动。由于水中粒子的存在，沉淀池不能简单视为纯净流体，沉淀池大部分沉降粒子粒径达到毫米量级，其沉降过程对其他粒子有极强的干扰，是一个复杂的动力学过程。沉淀理论是建立在理想沉淀池基础上的，最初的池型是平流沉淀池。浅池理论提出以后，发展了斜板和斜管沉淀池，最新的池型为日本丹宝宪人提出的迷宫沉淀池。近些年沉淀池型式仅限于局部改进，如改变集配水方式和斜板（管）沉淀池的进出水流向等。改进集配水方式，形成了指形集水的平流池。改变斜板、斜管沉淀池的进出水方向，形成了异向流斜板（管）、同向流斜板（管）和侧向流斜板沉淀池型。应当指出，工程实践中，不存在理想沉淀池。平流池中紊动强烈，斜板和斜管沉淀池中也存在着极强的脉动。根据丹宝宪人的研究，斜板池中，由于粒子在沉淀过程产生的绕流雷诺数高达2000,粒子周围并非层流。沉淀过程中，不是单个的粒子在纯净的水中完成沉淀过程，而是复杂的干扰沉淀过程，属多相流动。除此之外，沉淀池中的接触絮凝作用也不容忽视。接触絮凝作用是水流运动过程中由于不同尺度的絮体存在速度差，导致旧的絮体与新进入沉淀池的絮体接触碰撞形成的。接触絮凝作用发生在平流池的底部，异向流斜板的下部和侧向流斜板的底部，其中，异向流斜板的接触絮凝作用相对较强。迷宫沉淀池是对传统沉淀理念的挑战。平流沉淀池、斜板（管）沉淀池均是建立在重力为主要分离作用力的基础上的。迷宫沉淀池是沿侧向流斜板垂直于水流方向布置翼片形成的。这种沉淀池需合理控制水流流经沉淀池的水平流速，使水流流经翼片与斜板构成的小室，旋转流动，靠水流旋转产生的离心力完成主要的固液分离任务。重力沉淀过程在迷宫沉淀池中成为辅助的沉淀机制，这种沉淀方式摆脱了重力为沉淀过程唯一决定性力的作