巖土工程中渦旋混凝低脈動沉淀給水技術（二）
發布時間：2010-01-14 共1頁
2、礬花的合理的有效碰撞
要達到好的絮凝效果除了要有顆粒量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞。使顆粒凝聚起來的碰撞稱之為有效碰撞。一方面，如果在絮凝中顆粒凝聚長得過快會出現兩個問題：（1）礬花長得過快其強度則減弱，在流動過程中遇到強的剪切就會使吸附架橋被剪斷，被剪斷的吸附架橋很難再連續起來，這種現象稱之為過反應現象，應該被絕對禁止；（2）一些礬花過快的長會使水中礬花比表面積急劇減少，一些反應不完善的小顆粒失去了反應條件，這些小顆粒與顆粒碰撣幾率急劇減少，很難再長起來，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得過慢，礬花長得過慢雖然密實，但當其達到沉淀池時，還有很多顆粒沒有長到沉淀尺度，出水水質也不會好。此由看到在絮凝池設計中應控制礬花顆粒的合理長。
礬花的顆粒尺度與其密實度取決兩方面因素：其一是混凝水解產物形成的吸附架橋的聯結能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個力的對比關系決定了礬花顆粒尺度與其密實度。吸附架橋的聯結能力是由混凝劑性質決定的，而湍流的剪切力是由構筑物創造的流動條件所決定的。如果在絮凝池的設計中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。
多相流動物系反應控制理論的提出，真正建立起水處理工藝中的動力相似。使我們認識到湍流剪切力是絮凝過程中的控制動力學因素，如果在小兩個不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那么具有同樣聯結強度的礬花顆粒可以在兩個不同尺度的絮凝過程中同時存在，這在某種意義上也就實現了兩個絮凝過程絮凝效果的相似。弗羅德數可以作為相似準則數，可以表明湍流剪切力的小，兩個尺度不同的絮凝過程當其弗羅德數相等時，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，因為湍流剪切力相等時兩個不同的絮凝過程的礬花聯結強度相等，但礬花的密實度與沉淀性能卻不一定相同。礬花的密實程度可用湍動度來控制，湍動度值越表明在固定時間內流過固定空間點的渦旋數量越多，渦旋強度越，礬花也越密實。在實際工程中是不可能測定湍動度的。慶幸的是當湍流剪切力相等時，尺度越的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強度越，形成的礬花越密實，這已為試驗與生產實踐所證實。這樣就可以保證把小尺度的試驗結果按照弗羅德數相等來放，放后的絮凝效果會更好、更可靠。因而我們也可以通過科學地布設多層網格，通過弗羅德數這個相似準則，來控制絮凝過程中水流的剪切力和湍動度，形成易于沉淀的密實礬花。
（三）沉淀
沉淀設備是水處理工藝中泥水分離的重要環節，其運行狀況直接影響出水水質。
傳統的平流沉淀池優點是構造簡單，工作安全可靠；缺點是占地面積，處理效率低，要想降低濾前水的濁度就要較地加沉淀池的長度。淺池理論的出現使沉淀技術有了長足的進步。七十年代以后，我國各地水廠普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了幅度提高。但經過幾十年應用其可靠性遠不如平流沉淀池，特別是高濁時期、低溫低濁時期以及投藥不正常時期。
傳統沉淀理論認為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態。其實不然，實際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的，這是因為當斜管中的礬花顆粒在沉淀中與水產生相對運動，會在礬花顆粒后面產生小旋渦，這些旋渦的產生與運動造成了水流的脈動。這些脈動對于的礬花顆粒的沉淀無什么影響，對于反應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。為了克服這一現象，抑制水流的脈動，我們推出了小間距斜板沉淀設備。這一設備還有下面一些優點：（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；（2）由于間距減少，水力阻力增，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條件；（3）這種設備由于下面幾個原因其排泥性能遠優于其他形式的淺池沉淀池；（a）這種設備基本無側向約束；（b）這種設備沉淀面積與排泥面積相等；對普通斜管來說排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時期如高濁期，低溫濁期或加藥失誤時期污泥沉降性能、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量與斜面上滑落下來的污泥數量于排走的數量，造成了污泥的堆積。所以一旦在斜管的角落處產生污泥的堆積，所以一旦在斜管角落處產生污泥的堆積，就產生了污泥堆積的惡性循環。這種作用開始時由于斜管上升流速的增加，沉淀效果變壞，沉后水濁度增高，當污泥堆積到一定程度時，由于上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥卷起，使水質嚴重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區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，單位面積排泥負荷尚不到斜管的1／4，故在任何時期排泥均無障礙。
三、“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術“的工藝特點
（一）處理效率高、占地面積小、經濟效益顯著。
由于混合迅速（3－30秒），反應時間短（5－10分鐘），沉淀池上升流速高（2．5－3．5mm/s），因此可為縮短水在處理構筑物中的停留時間，幅度提高處理效率，因而也就節省了構筑物的基建投資。工程實踐證實：與傳統工藝相比，采用新技術對舊水廠挖潛改造，在構筑物容積不增加的情況下，可使處理水量凈增75－100％，而改造投資僅相當于新建一座同等規模新水廠投資的30－50％；用于新建水廠，主體工藝構筑物可節省投資20－30％，并可幅度減少主體構筑物占地面積。與平流沉淀池比較可節省80％，與斜管沉淀池比較可節省40％。
（二）處理水質優，社會效益好，水質效益可觀。
幾年運行實踐證明，這項工藝可使沉后水濁度穩定在3度以下，濾后水接近0度，這就形成了一個很高的水質效益。水質效益一方面就是社會效益，另一方面是潛在的經濟效益。
我國現行飲用水水質標準為濁度不超過3度，而發達國家標準是不超過1度。隨著人民生活水平的提高，我國也將進一步提高生活用水標準。如果其標準提高到1度，那么部分城市現有處理設備和工藝是難以達到的，只有通過幅度投資擴建新水廠，才能解決水質和水量的矛盾。而采用此工藝可穩定保持出廠水濁度低于1度。由此可見，其潛在的水質效益是相當可觀的。
（三）抗沖擊能力強，適用水質廣泛。
實踐證明，此項技術抗沖擊的能力較強，當原水濁度、進水流量，投加藥量發生一些變化時，沉淀池出水濁度不象傳統工藝那樣敏感。其原因是，這項工藝的沉淀池上升流速按3．5mm/s設計時尚有很潛力。運行實踐表明。這項工藝對低溫低濁、汛期高濁以及微污染等特殊原水水質的處理均非常有效。
低溫低濁水中固體顆粒少，顆粒尺度小，有機物含量相對高，比重小。從顆粒級配來看也相對均勻，加之低溫時藥劑吸附架橋能力下降，這些都給絮凝與沉降帶來困難。新技術采用的小孔眼格網絮凝設備，可幅度增加顆粒碰撞幾率，克服了固體顆粒少、難于相互碰撞的缺點，形成比較密實的礬花，在小間距斜板上有效的沉淀下來。
對高濁水來說，顆粒碰撞已不成問題，但在這種情況下混凝劑的亞微觀傳質在混合設備中完成。也就是說，有一部分地方會出現過反應情況，而這些地方反應不足，致使絮凝效果惡化，以致于礬花沉降性能變壞；再加上斜管沉淀池本身結構導致排泥不暢的缺點，使得高濁水處理成為難題。新技術由于 能在各種情況下迅速完成藥劑的亞微觀擴散，同時小間距斜板克服了普通斜管排泥不暢的缺點，故此對高濁水處理十分有效。
我國目前普遍采用強氧化劑預氧化或生物預處理措施去除微污染。然而，無論何種預處理方法，都要通過反應使水中的有機物析出，使它們達到膠體顆粒尺度，最終通過絮凝、沉淀、過濾的方法與水中的其他顆粒一起去除。因此，高效能的絮凝與沉淀設備是去除微污染更有效的設備。慶市八百坰水廠改造實踐證明，這項新技術在去除水中有機污染方面同樣行之有效。
（四）制水成本降低。
1、由于新技術采用先進的混合及反應設備，可節省投藥量30％；
2、由于新技術沉后水濁度在3度以下，減輕了濾池負擔，因此濾池反沖洗水可節省50％左右，并可延長濾料更換周期；
3、對舊水廠改造，水量增加而管理人員無需增加，運行管理費用為降低；
4、基建費用的幅度節省，可較程度降低投資折舊率。
從以上四個方面來看，新技術的使用可使制水成本顯著降低。
（五）工期短、見效快。
此項技術用于舊水廠挖潛改造，從設計到安裝調試只需2－3個月，可以在短時間內解決城市供水不足的狀況。
隨著我國城市建設的迅速發展，很多城市供水設施由于投資緊張，都嚴重滯后于城市的發展，造成很多城市缺水的局面。加之水質污染，水土流失等因素的影響，傳統工藝暴露出難以克服的問題，而影響優質供水。而這項新技術可以有效解決傳統工藝無法解決的問題。
總之，這項新技術具有處理效率高、水質好、投資省、制水成本低等特點。此技術的推廣應用，可最限度地挖掘利用現有水資源和供水設施的潛力，利用最小投資取得最效益。我們愿與全國各城市水司竭誠合作，使這項技術得以更快地推廣，造福于當地人民。
巖土工程師站點
要達到好的絮凝效果除了要有顆粒量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞。使顆粒凝聚起來的碰撞稱之為有效碰撞。一方面，如果在絮凝中顆粒凝聚長得過快會出現兩個問題：（1）礬花長得過快其強度則減弱，在流動過程中遇到強的剪切就會使吸附架橋被剪斷，被剪斷的吸附架橋很難再連續起來，這種現象稱之為過反應現象，應該被絕對禁止；（2）一些礬花過快的長會使水中礬花比表面積急劇減少，一些反應不完善的小顆粒失去了反應條件，這些小顆粒與顆粒碰撣幾率急劇減少，很難再長起來，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得過慢，礬花長得過慢雖然密實，但當其達到沉淀池時，還有很多顆粒沒有長到沉淀尺度，出水水質也不會好。此由看到在絮凝池設計中應控制礬花顆粒的合理長。
礬花的顆粒尺度與其密實度取決兩方面因素：其一是混凝水解產物形成的吸附架橋的聯結能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個力的對比關系決定了礬花顆粒尺度與其密實度。吸附架橋的聯結能力是由混凝劑性質決定的，而湍流的剪切力是由構筑物創造的流動條件所決定的。如果在絮凝池的設計中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。
多相流動物系反應控制理論的提出，真正建立起水處理工藝中的動力相似。使我們認識到湍流剪切力是絮凝過程中的控制動力學因素，如果在小兩個不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那么具有同樣聯結強度的礬花顆粒可以在兩個不同尺度的絮凝過程中同時存在，這在某種意義上也就實現了兩個絮凝過程絮凝效果的相似。弗羅德數可以作為相似準則數，可以表明湍流剪切力的小，兩個尺度不同的絮凝過程當其弗羅德數相等時，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，因為湍流剪切力相等時兩個不同的絮凝過程的礬花聯結強度相等，但礬花的密實度與沉淀性能卻不一定相同。礬花的密實程度可用湍動度來控制，湍動度值越表明在固定時間內流過固定空間點的渦旋數量越多，渦旋強度越，礬花也越密實。在實際工程中是不可能測定湍動度的。慶幸的是當湍流剪切力相等時，尺度越的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強度越，形成的礬花越密實，這已為試驗與生產實踐所證實。這樣就可以保證把小尺度的試驗結果按照弗羅德數相等來放，放后的絮凝效果會更好、更可靠。因而我們也可以通過科學地布設多層網格，通過弗羅德數這個相似準則，來控制絮凝過程中水流的剪切力和湍動度，形成易于沉淀的密實礬花。
（三）沉淀
沉淀設備是水處理工藝中泥水分離的重要環節，其運行狀況直接影響出水水質。
傳統的平流沉淀池優點是構造簡單，工作安全可靠；缺點是占地面積，處理效率低，要想降低濾前水的濁度就要較地加沉淀池的長度。淺池理論的出現使沉淀技術有了長足的進步。七十年代以后，我國各地水廠普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了幅度提高。但經過幾十年應用其可靠性遠不如平流沉淀池，特別是高濁時期、低溫低濁時期以及投藥不正常時期。
傳統沉淀理論認為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態。其實不然，實際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的，這是因為當斜管中的礬花顆粒在沉淀中與水產生相對運動，會在礬花顆粒后面產生小旋渦，這些旋渦的產生與運動造成了水流的脈動。這些脈動對于的礬花顆粒的沉淀無什么影響，對于反應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。為了克服這一現象，抑制水流的脈動，我們推出了小間距斜板沉淀設備。這一設備還有下面一些優點：（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；（2）由于間距減少，水力阻力增，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條件；（3）這種設備由于下面幾個原因其排泥性能遠優于其他形式的淺池沉淀池；（a）這種設備基本無側向約束；（b）這種設備沉淀面積與排泥面積相等；對普通斜管來說排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時期如高濁期，低溫濁期或加藥失誤時期污泥沉降性能、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量與斜面上滑落下來的污泥數量于排走的數量，造成了污泥的堆積。所以一旦在斜管的角落處產生污泥的堆積，所以一旦在斜管角落處產生污泥的堆積，就產生了污泥堆積的惡性循環。這種作用開始時由于斜管上升流速的增加，沉淀效果變壞，沉后水濁度增高，當污泥堆積到一定程度時，由于上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥卷起，使水質嚴重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區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，單位面積排泥負荷尚不到斜管的1／4，故在任何時期排泥均無障礙。
三、“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術“的工藝特點
（一）處理效率高、占地面積小、經濟效益顯著。
由于混合迅速（3－30秒），反應時間短（5－10分鐘），沉淀池上升流速高（2．5－3．5mm/s），因此可為縮短水在處理構筑物中的停留時間，幅度提高處理效率，因而也就節省了構筑物的基建投資。工程實踐證實：與傳統工藝相比，采用新技術對舊水廠挖潛改造，在構筑物容積不增加的情況下，可使處理水量凈增75－100％，而改造投資僅相當于新建一座同等規模新水廠投資的30－50％；用于新建水廠，主體工藝構筑物可節省投資20－30％，并可幅度減少主體構筑物占地面積。與平流沉淀池比較可節省80％，與斜管沉淀池比較可節省40％。
（二）處理水質優，社會效益好，水質效益可觀。
幾年運行實踐證明，這項工藝可使沉后水濁度穩定在3度以下，濾后水接近0度，這就形成了一個很高的水質效益。水質效益一方面就是社會效益，另一方面是潛在的經濟效益。
我國現行飲用水水質標準為濁度不超過3度，而發達國家標準是不超過1度。隨著人民生活水平的提高，我國也將進一步提高生活用水標準。如果其標準提高到1度，那么部分城市現有處理設備和工藝是難以達到的，只有通過幅度投資擴建新水廠，才能解決水質和水量的矛盾。而采用此工藝可穩定保持出廠水濁度低于1度。由此可見，其潛在的水質效益是相當可觀的。
（三）抗沖擊能力強，適用水質廣泛。
實踐證明，此項技術抗沖擊的能力較強，當原水濁度、進水流量，投加藥量發生一些變化時，沉淀池出水濁度不象傳統工藝那樣敏感。其原因是，這項工藝的沉淀池上升流速按3．5mm/s設計時尚有很潛力。運行實踐表明。這項工藝對低溫低濁、汛期高濁以及微污染等特殊原水水質的處理均非常有效。
低溫低濁水中固體顆粒少，顆粒尺度小，有機物含量相對高，比重小。從顆粒級配來看也相對均勻，加之低溫時藥劑吸附架橋能力下降，這些都給絮凝與沉降帶來困難。新技術采用的小孔眼格網絮凝設備，可幅度增加顆粒碰撞幾率，克服了固體顆粒少、難于相互碰撞的缺點，形成比較密實的礬花，在小間距斜板上有效的沉淀下來。
對高濁水來說，顆粒碰撞已不成問題，但在這種情況下混凝劑的亞微觀傳質在混合設備中完成。也就是說，有一部分地方會出現過反應情況，而這些地方反應不足，致使絮凝效果惡化，以致于礬花沉降性能變壞；再加上斜管沉淀池本身結構導致排泥不暢的缺點，使得高濁水處理成為難題。新技術由于 能在各種情況下迅速完成藥劑的亞微觀擴散，同時小間距斜板克服了普通斜管排泥不暢的缺點，故此對高濁水處理十分有效。
我國目前普遍采用強氧化劑預氧化或生物預處理措施去除微污染。然而，無論何種預處理方法，都要通過反應使水中的有機物析出，使它們達到膠體顆粒尺度，最終通過絮凝、沉淀、過濾的方法與水中的其他顆粒一起去除。因此，高效能的絮凝與沉淀設備是去除微污染更有效的設備。慶市八百坰水廠改造實踐證明，這項新技術在去除水中有機污染方面同樣行之有效。
（四）制水成本降低。
1、由于新技術采用先進的混合及反應設備，可節省投藥量30％；
2、由于新技術沉后水濁度在3度以下，減輕了濾池負擔，因此濾池反沖洗水可節省50％左右，并可延長濾料更換周期；
3、對舊水廠改造，水量增加而管理人員無需增加，運行管理費用為降低；
4、基建費用的幅度節省，可較程度降低投資折舊率。
從以上四個方面來看，新技術的使用可使制水成本顯著降低。
（五）工期短、見效快。
此項技術用于舊水廠挖潛改造，從設計到安裝調試只需2－3個月，可以在短時間內解決城市供水不足的狀況。
隨著我國城市建設的迅速發展，很多城市供水設施由于投資緊張，都嚴重滯后于城市的發展，造成很多城市缺水的局面。加之水質污染，水土流失等因素的影響，傳統工藝暴露出難以克服的問題，而影響優質供水。而這項新技術可以有效解決傳統工藝無法解決的問題。
總之，這項新技術具有處理效率高、水質好、投資省、制水成本低等特點。此技術的推廣應用，可最限度地挖掘利用現有水資源和供水設施的潛力，利用最小投資取得最效益。我們愿與全國各城市水司竭誠合作，使這項技術得以更快地推廣，造福于當地人民。
巖土工程師站點
