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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与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％，而其改造投资仅为与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50％，节省药剂投加量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与凝聚，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与孔室混合效果较差。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）亚微观扩散，即浊凝剂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与捕捉。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矾花迅速长大，形成松散的矾花颗粒，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矾花迅速不合理长大，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。
亚微观扩散究其实质是层流扩散，其扩散规律与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；国外推出了折板式与波形板反应设备，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与碰撞的过程。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致因是什么，人们一直未搞清楚。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，随着矾花的长大，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。因不水的惯性（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与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。增设小孔眼格网这后有如下作用：（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，矾花产生强烈的变形，使矾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矾花变得更密实。
2、矾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）矾花长得过快其强度则减弱，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）一些矾花过快的长大会使水中矾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，这些小颗粒与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，絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢，矾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矾花颗粒的合理长大。
矾花的颗粒尺度与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；其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。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矾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矾花联结强度相等，但矾花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矾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，矾花也越密实。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，因此矾花的碰撞强度越大，形成的矾花越密实，这已为试验与生产实践所证实。这样就可以保证把小尺度的试验结果按照弗罗德数相等来放大，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矾花。
（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。但经过几十年应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矾花颗粒在沉淀中与水产生相对运动，会在矾花颗粒后面产生小旋涡，这些旋涡的产生与运动造成了水流的脉动。这些脉动对于大的矾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，矾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，与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）这种设备沉淀面积与排泥面积相等；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与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：与传统工艺相比，采用新技术对旧水厂挖潜改造，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。与平流沉淀池比较可节省80％，与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，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，这些都给絮凝与沉降带来困难。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，形成比较密实的矾花，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，以致于矾花沉降性能变坏；再加上斜管沉淀池本身结构导致排泥不畅的缺点，使得高浊水处理成为难题。新技术由于 能在各种情况下迅速完成药剂的亚微观扩散，同时小间距斜板克服了普通斜管排泥不畅的缺点，故此对高浊水处理十分有效。
我国目前普遍采用强氧化剂预氧化或生物预处理措施去除微污染。然而，无论何种预处理方法，都要通过反应使水中的有机物析出，使它们达到胶体颗粒尺度，最终通过絮凝、沉淀、过滤的方法与水中的其他颗粒一起去除。因此，高效能的絮凝与沉淀设备是去除微污染更有效的设备。大庆市八百垧水厂改造实践证明，这项新技术在去除水中有机污染方面同样行之有效。
（四）制水成本降低。
1、由于新技术采用先进的混合及反应设备，可节省投药量30％；
2、由于新技术沉后水浊度在3度以下，减轻了滤池负担，因此滤池反冲洗水可节省50％左右，并可延长滤料更换周期；
3、对旧水厂改造，水量增加而管理人员无需增加，运行管理费用大为降低；
4、基建费用的大幅度节省，可较大程度降低投资折旧率。
从以上四个方面来看，新技术的使用可使制水成本显著降低。
（五）工期短、见效快。
此项技术用于旧水厂挖潜改造，从设计到安装调试只需2－3个月，可以在短时间内解决城市供水不足的状况。
随着我国城市建设的迅速发展，很多城市供水设施由于投资紧张，都严重滞后于城市的发展，造成很多城市缺水的局面。加之水质污染，水土流失等因素的影响，传统工艺暴露出难以克服的问题，而影响优质供水。而这项新技术可以有效解决传统工艺无法解决的问题。
总之，这项新技术具有处理效率高、水质好、投资省、制水成本低等特点。此技术的推广应用，可最大限度地挖掘利用现有水资源和供水设施的潜力，利用最小投资取得最大效益。我们愿与全国各城市水司竭诚合作，使这项技术得以更快地推广，造福于当地人民。
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