涡旋混凝给水处理技术分析（一）

摘要:“涡旋混凝水处理技术”是根据多相流系统反应控制的惯性效应理论，结合给水工程实践，经过近十年的研究发明的。这项技术涉及水处理的三个主要过程:混合、絮凝和沉淀。
一、概述
“涡旋混凝水处理技术”是基于多相流系统反应控制的惯性效应理论，结合给水工程实践，经过近十年的研究而发明的。这项技术涉及水处理的三个主要过程:混合、絮凝和沉淀。
理论上，首次从湍流微观结构的尺度，即亚微观尺度，深入研究了混凝的动力学。提出“惯性效应”是絮凝的动力原因，湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力因素，建立了絮凝的动力相似准则。指出第一次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，亚微观扩散的动力原因是惯性效应，特别是湍流微涡的离心惯性效应。由于新理论克服了现有传统水处理技术的理论和实践缺陷，导致水处理技术的重大突破。
在实践中，管式混合器、翅片挡板反应设备、接触絮凝斜板沉淀设备等。被发明出来。目前，这项新技术已在全国近50个水厂成功推广使用，取得了显著的经济效益和社会效益。工程实践证明，该技术应用于新建水厂，可节省工艺部分20 ~ 30%的基建投资。用于老水厂技术改造时，可增加处理水量75% ~ 100%，但改造投资仅为与净增规模相同的新建水厂的30% ~ 50%。采用该技术，沉淀池出水浊度可低于3度，滤后水接近0度，可节省50%的过滤器反洗水量和30%的药剂用量，大大降低了运行成本和制水成本。
这项技术的应用范围很广。不仅对低温低浊水和汛期高浊水有很好的处理效果，对微污染原水也有很好的处理效果。它可以利用最小的投资，获得效益，充分发挥现有供水设施的潜力，在短时间内缓解城市供水不足，促进城市的经济发展。
二。“涡旋混凝水处理技术”的工作机理”[br/](一)混合是反应的第一步，也是非常重要的一步。在这个过程中，混凝剂的水解产物要迅速扩散到水体中的每一个细节，使所有的胶体颗粒几乎在同一瞬间脱稳、凝聚，从而获得良好的絮凝效果。由于胶粒在混合过程中同时脱稳和凝聚，所以这个过程可以称为一次凝聚过程，但其主要作用是混合，所以称为混合过程。【/br/】混合问题的本质是混凝剂水解液在水中的扩散，使水中的胶体颗粒变得不稳定，同时发生混凝，这是达到良好絮凝效果的前提，也是节省药剂的关键。传统的机械搅拌混合和孔室混合效果不佳。近年来，国内外采用管式静态混合器后，混合效果明显改善。然而，人们对亚微观传质和湍流微结构在胶体颗粒初始凝聚中的作用认识不清，也阻碍了凝聚效果的进一步提高。
混凝剂水解液在混合设备中的扩散应分为两类:
(1)宏观扩散，即使混凝剂水解液扩散到水体的所有宏观部分，其扩散系数也是很大的，这部分扩散是由大旋涡的动力作用引起的，因此宏观扩散可以在短时间内完成；
(2)亚微观扩散，即混凝剂水解产物在非常邻近部分的扩散，其扩散系数比宏观扩散小几个数量级。亚微观扩散的本质是层流扩散。因此，混凝剂的水解产物很难扩散到水体的第一个细节。亚微观扩散是水处理反应中决定性的动力学因素。
例如在高浊度水的处理中，混凝剂水解液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非常邻近的部分扩散非常缓慢，在高浊度期水中有大量的胶粒，所以在混凝剂的水解产物向非常邻近的部分扩散之前，就会被更靠近它的胶粒接触并捕获。于是，在高浊度期，混凝剂的水解产物在某些地方局部集中，而在某些地方根本没有这种产物。在凝结剂集中的地方，矾花迅速生长，形成松散的矾花。当遇到强剪切力时，吸附桥被剪切，导致局部反应过度。在化学药品没有扩散的地方胶粒没有被失稳，这部分絮凝反应必然是不完善的。一方面，它们跟不上失稳胶粒的反应速度，另一方面，矾花在混凝剂集中区快速而不合理地生长，也使失稳胶粒失去了反应碰撞条件。这就导致高浊度期污泥沉降性能差，水厂的水质得不到保证。按照传统工艺建设的水厂，在极其重浊的情况下，需要大幅度降低处理能力，以保证出水水质。这是因为过去工程界的人不知道亚微观传质现象和传质的动力学原因。因此，传统的混合设备无法解决高浊度时混合不均匀的问题，不仅大大降低了水厂在极高浊度时的处理能力，而且造成药剂消耗严重，出水pH值低。
亚微观扩散的本质是层流扩散，其扩散规律与菲克定律描述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，物质的扩散过程不一定是从高浓度到低浓度。湍流中的亚微观传质主要是惯性效应引起的传质，尤其是湍流微涡的离心惯性效应。我们的管道微涡流初凝设备就是利用高比例、高强度微涡流的离心惯性效应，克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率。生产证明，这两种装置在高浊度时混合效果良好。与传统的静态混合器相比，不仅可以大大增加处理量，而且可以大大节省用量。
(2)反应絮凝是水处理最重要的工艺环节，滤池的出水水质主要取决于絮凝效果。在传统的廊道反应、旋转孔室反应和旋转组合挡板反应的絮凝工艺中，水在设备中停留20 ~ 30分钟，水中仍有许多絮凝不完全的小颗粒。近年来，我国出现了常见的电网反应；国外引进了折板和波纹板反应设备，明显改善了絮凝效果。然而，人们对絮凝动力学本质的认识阻碍了絮凝效果的进一步提高。
1。絮凝动力学絮凝生长过程是微小颗粒接触和碰撞的过程。絮凝效果取决于以下两个因素:
一是混凝剂水解产生的高分子复合物形成吸附桥的结合能力，这是由混凝剂的性质决定的；
第二，微小颗粒碰撞的概率以及如何控制它们进行合理有效的碰撞，是由设备的动态条件决定的。水流中微小颗粒碰撞的动力原因是什么，人们一直不清楚。水处理学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学原因。根据这一理论，为了增加碰撞概率，需要增加速度梯度，而要增加速度梯度，就需要增加水体的能量消耗，即增加絮凝池的流量。但絮凝过程是限速过程，流速要随着矾花的生长而不断降低。
絮凝的动力原因是什么？这是惯性效应。因为水是一种连续的介质。水中的速度分布是连续的，没有跳跃。水中两个粒子的距离越近，速度差越小。当两个粒子之间的距离很小时，速度差是无穷小的，即不存在速度差。在水中的粒径很小，比重和水差不多，所以在水流中有很好的跟随性。如果这些粒子和电流同步运动，就不会有碰撞，因为没有速度差。因此，要使水流中的颗粒相互碰撞，就必须使它们相对于水流运动，这样水流就会对颗粒的运动产生水力阻力。由于不同大小颗粒的水力阻力不同，所以不同大小的颗粒之间存在速度差。这种速度差为不同大小的相邻粒子的碰撞提供了条件。如何让水中的粒子相对于水流运动？解决方法是改变水流速度。因为水的惯性(密度)和粒子的惯性(密度)不同，所以当水的速度变化时，它们的速度变化(加速度)也不同，使得水和其中的固体粒子相对运动。为不同尺度的相邻粒子碰撞提供了条件。这是惯性效应的基本理论。
改变速度的方法有两种:
一种是改变水流的平均速度。水力澄清池、波纹板反应器、孔室反应器、过滤器的微絮凝主要是利用水流平均流速变化形成的惯性效应来絮凝。二是改变水流方向。因为湍流中充满了大大小小的漩涡，所以水粒子在运动时也在不断地改变自己的运行方向。当水在旋涡中流动时，固体颗粒在离心惯性力的作用下相对于水流沿径向运动，这就为不同大小的颗粒沿湍涡的径向碰撞提供了条件。不同尺寸颗粒在湍流涡旋中单位质量的离心惯性力不同，会增加不同尺寸颗粒在湍流涡旋中径向碰撞的概率。漩涡越小，其惯性力越强，惯性作用越强，絮凝效果越好。可见湍流中微小旋涡的离心惯性效应是絮凝的重要动力学原因。【/br/】由此可见，如果能在絮凝池中大大增加湍流微涡的比例，就能大大增加颗粒碰撞的次数，有效提高絮凝效果。这可以通过在絮凝池的流道上增加多层翅片挡板来实现。由于水流的惯性，流水的大涡变成了小涡，小涡变成了更小的涡。