给水净化和废水处理的混凝沉淀过滤诸工艺.docx

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给水净化和废水处理的混凝沉淀过滤诸工艺

第1章引言

1.1研究背景

在给水净化和废水处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。

实践证明，设计时混凝工艺如果选定合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能、节约、降低运行费用的目的。

混凝是以形成絮体为中心的单元净化过程，它的效果是由混凝剂的化学作用和构筑物的流体动力学作用两方面来决定的，高效、经济的混凝剂对混凝作用固然重要，但必须有良好的水力条件，从而形成密实度好的混凝颗粒，以利于后续沉淀、过滤工艺的高效运行。

以前的研究考虑的是一个具体的变量及不同变量关系的研究。

混凝效果的影响因素包括：

pH值、温度、浓度、混凝剂、水力条件等，但最重要的因素是后两个。

混凝剂水解后会起到压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥的作用，从而使小颗粒凝聚在一起形成矾花。

当水力条件改变时,所形成的絮体的尺寸、结构、强度及吸附特性等也会随着发生变化。

因此,确定合适的水力条件对于提高水质处理效果、指导实际生产具有重要意义。

1.2研究对象

通过自行配水来模拟给水处理中出现的水质情况，我们研究的水样有膨润土、红黏土、煤泥、精煤、沸石粉5种水样。

通过对不同水样及同种水样不同浊度进行最佳投药量、最优pH值、最优水力条件优化方法实验的研究，确定最优的絮凝水力条件并给予评价。

1.3研究现状

1.3.1混凝杯絮凝实验研究

以成都市府南河水为原水,在不同的快搅强度和不同的快搅时间下进行混凝杯罐实验,混凝剂为硫酸铝、氯化铁,采用激光粒度仪Mastersizer2000测量絮体平均粒径随时间的变化过程,以去除浊度为目标,分析最优水力条件。

实验得到如下结论:

（1）快搅强度对氯化铁混凝剂水质处理效果有着明显的影响,快搅时间对硫酸铝和氯化铁混凝剂水质处理效果均有明显影响;

（2）以浊度为去除目标,对于硫酸铝通过实验确定快速搅拌强度为250r/min时,快速搅拌时间为60s时,水质处理效果最好;（3）以浊度为去除目标,对于氯化铁确定快速搅拌强度为300r/min时,快速搅拌时间为60s时,水质处理效果最好。

[1]

1.3.2混凝动力学模型研究

1.传统絮凝理论

1916～1918年斯莫芦霍夫斯基（Smolounchowski）首先提出了速度梯度理论,1943年坎布（T.R.Camp）和斯坦因（P.C.Stein）两位工程学者把速度梯度理论直接应用于给水絮凝池的设计上,提出速度梯度表达式:

（1-1）

式中:

G为速度梯度;E为单位时间、单位体积水中总能量耗散的空间平均值;μ为水的动力粘度。

该理论是在层流条件下导出,未能揭示在紊流情况下的絮凝动力学本质。

1962年列维奇（Levich）在紊流条件下,根据科尔摩哥罗夫（Kolmogoroff）的局部各向同性理论提出:

（1-2）

式中:

N为单位体积水中单位时间内颗粒碰撞次数;β为常数;ε为单位时间、单位体积水中的有效能耗。

其余符号意义同前。

（1-2）式虽是在紊流条件下导出,但仅适用于雷诺数足够大且处于能谱的高波数区域,即紊流粘性区,这就使公式的应用受到局限。

　2.絮凝动力机理

絮凝一般是指水中的胶体在加入凝聚剂进行脱稳之后,相互接触碰撞,在吸引力作用下合并成长为大絮凝体的过程。

在这一过程中,水力条件对絮凝体成长起决定性作用,因此可以将絮凝当作流体力学问题来进行研究。

丹保在他的论文中以直流水槽为例进行了说明,水槽中水流沿垂直流向可分为三层:

层流底层、过渡层和紊流层（惯性区）。

在紊流层内只能产生尺度大而强度低的涡流,在层流低层内不可能存在涡旋运动,在这两层之间存在一速度梯度相当大、涡能量最大的层,这一层就是过流层,实际上层流低层和过渡层都是极簿的流层,因此絮凝效果的好坏决定于紊流区。

水中的胶体颗粒及小矾花的尺度很小,在惯性力为主导的区域内,流动过程中跟随性很好,若流层间无速度差,随水流动的两质点即使是相距为无穷近,也决不会发生相互接触碰撞现象,换言之要使颗粒产生接触碰撞,流层间就必须存在速度差,即:

速度梯度或塑变形。

紊流运动可以看成是各种不同尺度的涡旋运动迭加于平均流速束的结果,从絮凝观点看，并不是所有的涡旋都对絮凝有效,尺度小于絮体粒度的涡旋不仅难以带动颗粒作有效的变速运动,还增加了涡旋对絮体颗粒的冲击破坏作用,而大于絮体颗粒的涡旋不仅为絮体颗粒提供了运动空间,而且产生的脉动速度梯度即脉动塑变形为颗粒间相互接触碰撞提供了条件。

基于以上分析可以推断,对絮凝有效的涡旋尺度应大于颗粒粒度,而脉动速度梯度即脉动塑变形是产生紊流絮凝的推动力。

3.有效能耗

近壁区的层流地层和过流层都是极簿的流层,只占据絮凝池内的极少一部分体积,该区域内的能耗对絮凝体形成作用甚微,所以絮凝池有效能耗只能是分布在主流区内的脉动粘性能耗。

在固壁限定空间中的紊流运动,其脉动动能方程对体积积分可得:

（1-3）

式中:

k为脉动动能;ρ为水的密度;,为分别为i向和j向的脉动速度;为动速度梯度;为时均速度梯度;为脉动能量生成率;为脉动粘性能耗率。

絮凝属于定常问题,因此有

（1-4）

当然这指的是该空间内总的能量关系,还不能说明局部的能量关系。

例如在总能量处于平衡状态时,局部可以是生成大于耗散,也可以是生成小于耗散。

絮凝池中大尺度涡旋占主体的紊流惯性区内,生成大于耗散,两者的比值反映了有效能耗的利用率,即有效能耗系数η:

（1-5）

根据量级估计:

（1-6）

　（1-7）　

将（1-6）、（1-7）代入（1-5）式得:

（1-8）

式中:

为涡旋特征速度;l为涡旋特征尺度;Re（l）为涡旋特征雷诺数;其余符号意义同前。

在实际应用中很难确定,但对于主流区的涡旋:

（1-9）

l～L（1-10）

由（1-9）、（1-10）式得:

Re（l）～Re（1-11）

（1-11）代入（1-8）式得:

η～1/Re（1-12）

式中:

为摩擦速度;U为主流特征速度;Re为主流特征雷诺数;λ为阻力系数;L为水流的特征尺度;其余符号意义同前。

1982年船水尚行、丹保宪仁发表的文章中,对实际应用较广的竖流隔板絮凝池的水力特性和能耗特性进行了专门论述。

他们用热线流速仪测定了絮凝池内的流速分布和紊流能谱,试验及分析结果表明,絮凝池总能耗E、有效能耗ε和特性雷诺数Re之间有如下关系:

这一试验结果与本文导出的公式（1-12）相吻合,证实了理论推导的可靠性。

4.碰撞动力学模型

Heisenbery根据自己的研究提出,即便是湍流也可把它看成是平均流来研究它的特征。

如海水流动时虽然速度、位置都随时间而变化,在很长的时间内观察时,可看成是湍流,但是在很短的时间内可将其看成是平均流。

比如旋涡,如果在大的船上来观察,可认为是湍流,在水上飘浮的生物来观察,只能作为平均流,这与Cross提出的紊流流动可模型化为一些复杂层流运动的组合的观点一致。

因此由脉动速度梯度引起的单位体积水中单位时间内颗粒碰撞次数N可表示为:

（1-13）

由（1-5）、（1-12）式可得:

G0～λ-0.25Re-0.25=λ-0.25GRe-0.5（1-14）

则G值仅反映了对某一水体的平均施能水平,而λ-0.25GRe-0.5不仅反映了脉动速度梯度的量级,还反映有效能耗利用率。

将（1-14）代入（1-13）式得:

（1-15）

式中:

K′,K为系数;G0为可定义为有效絮凝强度;其余符号意义同前。

[9]

1.3.3管道絮凝过程的动力学和机理分析

目前一般认为絮体的结构有原颗粒、原絮粒、絮体和聚集絮体四个层次，由少数原颗粒构成原絮粒,由原絮粒构成絮体,由絮体构成聚集絮体。

为分析管道絮凝过程机理,本文将管道絮凝处理高浊度原水的过程分为三个阶段,即凝聚阶段,絮凝阶段和沉降阶段。

1）.凝聚阶段

凝聚是在絮凝剂与原水初始混合的短暂过程中出现的,凝聚效果与絮凝剂在水中迅速扩散混合有密切关系,由于铝和铁（）的单体水解形态和聚合形态在投加后0.01～1s内即可形成，故对基于吸附脱稳的絮凝反应模式,要获得最佳凝聚效果,则絮凝剂与原水应达到“闪烁式混合”,即在投加后水解反应完成之前就迅速分散到水中,从而使其水解和聚合形态借助Brown运动和水流紊动尽快吸附在悬浮原颗粒上引起脱稳,并碰撞吸附形成原絮粒即微小矾花。

管道絮凝试验中凝聚阶段可认为出现在加药快混管段,由于管道截面尺寸较小,且水流为小截面活塞流,使絮凝剂的定点小截面周向连续投加（喷口环隙处）起到相当于向水体各较小单元体均匀分散投加的效果,且借助射流作用易于使絮凝剂吸入后快速分散到水体中各微小单元,实现“闪烁式混合”。

　2）.絮凝阶段

在凝聚阶段结束后水中已产生了大量原絮粒,但其粒度大部分仍很小（<10Lm）,还不足以依靠重力自然沉降,继而开始原絮粒互相碰撞吸附长大成絮体的絮凝阶段。

絮凝阶段主要是靠颗粒碰撞吸附絮凝而使絮体不断长大,以同向絮凝为主。

管道絮凝实验中,初始絮凝期主要相应于快搅管段,此时颗粒数目较多但粒径较小,能承受较高的G值以弥补小颗粒运动速度慢的不足,加速碰撞吸附絮凝,致使初始絮凝期所需停留时间较短。

后续絮凝期则主要相应于慢搅管段,此时由少数原絮粒构成的小絮体的粒径已比初始絮凝期大且颗粒数目相应减少,由于絮体最大粒度的极限值与G值成反比,故为使絮体进一步长大而不被破碎,速度梯度G值必须相应地减少,颗粒数目少且G值小致使后续絮凝期碰撞吸附絮凝慢,所需停留时间相对较长。

3）.沉降阶段

沉降阶段对应于管道絮凝结束后水体静沉过程,开始时絮体都还处于悬浮态,主要依靠重力作用而沉降,此时由于絮体密度和尺度大小不同带来的沉速差异,絮凝反应仍在继续,但以沉淀絮凝机理为主,即絮体下沉时把水中胶体颗粒同时“扫清”的絮凝过程,形成聚集絮体（絮体的松散结合体）,并会出现一个清水和浑水的交界面的下沉过程,即分层沉降,经测试,分层沉降数分钟后即结束,此时悬浮物绝大部分已沉降,剩余的极少部分密度小、粒度小的未充分长大的矾花继续缓慢下沉并同时可能再碰撞吸附长大而加速沉降,但沉降速度远小于分层沉降的速度,约经30min后余浊（悬浮的残余原颗粒等）基本保持不变。

[13]

1.3.4混凝机理物理模型

湛含辉[10]在总结国内外研究工作的基础上,从亚微观的角度提出了混凝机理的物理模型。

该模型中定义混凝沉降过程为混合、凝聚和絮凝3个阶段:

试验证明,有机沉降剂要求较强的混合剪切强度;而无机沉降剂则要求较弱的混合剪切强度;为了保证较大的絮团形成,需一定时间的弱剪切。

该模型从理论上强调了混凝剪切中颗粒碰撞的有效性,避免了单纯从分形维数评价混凝效果的盲目性和单纯从静止的角度研究药剂与颗粒作用的纯理论性;并指出只有胶体颗粒与分散的药剂充分接触,才有可能充分地形成微絮体,及充分地或高效地（短时间内）形成大絮体。

也就是说充分地混合剪切,才有高质量的凝聚,才可能有高效的絮凝,即混凝沉降物理模型中混合剪切阶段的重要性。

[3]

1.3.5强化絮凝研究

当以PAC作混凝剂时,FI的上升速率随快搅强度的增加而增大,当快搅速度>250r/min后其上升速率基本不再变化;FI的最大值在不同的快搅条件下没有显著差别。

这说明在强化混凝过程中,絮体的形成速率明显受到快速搅拌速率的影响,但快搅速率对絮体大小没有显著影响。

当以AlCl3作混凝剂时上述趋势同样存在,只是FI上升速率在快搅速度提高到250r/min以上时仍继续增加,但其值普遍显著低于PAC组。

这表明一定强度的快搅（转速>250r/min,G>145s-1）有利于迅速形成絮体