摘要：分析了低溫高濁高堿度水的成因并描述水質特性，對處理該特種水質過程中的傳質擴散及絮凝過程中的動力特性進行分析，依據慣性效應理論、生產試驗及實際工程中的應用研究闡述了渦旋混凝低脈動給水技術處理該水質的良好效果和較強的適用性。
　　 關鍵詞：低溫高濁高堿度，慣性效應，微渦旋，低脈動

Treating Water Of Low Temperature, High-Turbidity,And High-Alkalinity Using Vortex Coagulation
Low-Pulsation Sedimentation Process

　　ABSTRACT: The paper analyzed the causes of low temperature , high-tur-bidity, and high-alkalinity water , and described water quality properties. The mass transfer during the treatment of this special kind of water quality and the kinetic features in the coagulation process were studied. Based on the Inertia Ef-fects Theory, application experiment, and actual engineering , the paper illus-trated the good results and strong adaptability of Vortex Coagulation Low-pulsa-tion Sedimentation Process for this special water quality.
　　KEY WORDS: low temperature, high-turbidity, high-alkalinity, inertia effects, micro-vortex, low-pulsation

前　言

　　近年來，受工業發展、地理位置和氣候條件的影響，作為飲用水水源的地表水水質較60—70年代發生了變化。本論文對其中一種水質即低溫高濁高堿度水的形成和水質特性進行分析，通過試驗研究，確定了合理的處理工藝及參數，并應用該成果對試驗地水廠進行提高員荷改善水質的生產改造，從而體現該技術在實際應用中，尤其在利用水廠原有構筑物、設施的改造中創造的經濟效益和杜會效益。

1.低溫高濁高堿度水的形成原因及水質特性

　　本次試驗地在大慶某處理廠，該水廠是為油田工業注聚合物、化工及生活用水而建設的。該水廠水源為龍虎泡水庫，每年夏季，該水庫都經引水渠道從嫩江中部引水。龍虎泡是天然形成的庫區，最大面積113km²。龍虎泡水庫內最初原有堿水約3億立方米，PH值為9.02～9.48，總礦化度2500mg／L，屬HC0₃^-型水。嫩江來水水質PH為8.5，礦化度100mg／L。受季節影響該水源地濁度、溫度變化較大，濁度在10NTU～1500NTU之間，PH值8.6～9.4，溫度1℃～20℃，礦化度600mg／L左右。
1.1 低溫高濁高堿度水的成因
　　在一年內，龍虎泡原水濁度的變化幅度較大，在10NTU～1500NTU之間。而形成該特殊水質的主要原因是地理環境。由于①龍虎泡水庫位于風口，并且取水泵站設在迎風面上，因此，一年四季風較大；② 該水庫處于鹽堿地帶，在庫底存有20cm～30cm厚的堿泥。③水庫面積大，普遍深度較淺，最深處達10米，最淺處不足1.0米。因而在每年的4月中旬至5月初水庫表面冰雪融化期和每年的11月末到12月中旬水庫表面初結冰期，受季節風的影響，風不斷把能量傳遞給水體，形成波浪，風吹水浪泛起底泥，使得水體的濁度和堿度不斷上升，并且風力越強，濁度上升越快，因此，在低溫季節形成了給水處理中極特殊的低溫高濁高堿度水質期。
1.2 水質特性
　　通過一年中不同季節對龍虎泡水庫底泥的分析確定，該水庫底泥組成性質穩定，沒有大的變化。底泥中較大顆粒的砂很少 見，大部分是粘土，其中Si0₂含量占 72.43％，CaO含量占15.86％，陰離子主要為HCO₃^-。
　　為了考察高濁度期原水的沉降特性，在1998年的低溫高濁期取原水進行沉降分析。靜沉結果表明，原水靜沉24h濁度去除率為11.6％，在濁度為300NTU以上時，該靜沉率變化不大，濁度低于300NTU時靜沉率隨原水濁度的降低而下降。由此可知，原水中的濁度主要由膠體形成，懸浮物的含量低，因此高濁期對原水進行預沉處理并不會有效降低原水濁度。

2.機理研究

　　低溫、高濁、高堿度對水體的顆粒凝并碰撞和沉降影響較大。研究認為，低溫期：水中膠體顆粒電位升高，約為中溫時期的2 倍左右，膠體間靜電斥力增大，穩定性增強；水的粘滯性增加，顆粒運動的阻力變大，碰撞困難；顆粒的布朗運動減弱，微粒的惰性增強；低溫影響顆粒的沉降，因動力粘滯系數變大，顆粒的極限沉降速度變小，因而濁度去除率降低。原水濁度升高導致水體的粘滯系數變大，雖然顆粒的總體碰撞次數增加，但有效碰撞的比例下降。由于高堿度的影響，膠團的外表面較為光滑，類似光滑球，即使在表面電層壓縮脫穩后，受內部堿度的影響該脫穩膠團仍較為光滑，因此只有相應增加混凝劑量才能將其吸附捕捉。給水處理的混合、反應和沉淀工藝是水處理的關鍵環節，它影響濾池的工作狀況和總體處理效果。該過程可概括為膠體顆粒的脫穩析出、微絮體的合理凝并長大以及礬花顆粒的有效截留。混凝工藝過程的動力學控制是凈化的關鍵。通過多年來對給水處理中顆粒碰撞的動力學研究認為，碰撞主要是由慣性效應造成的。
　　混合和初始絮凝是給水處理的重要環節。混合的本質是混凝劑的水解產物向水體中的擴散過程。擴散分為宏觀擴散、亞微 觀擴散，從而導致了微觀微粒的碰撞反應。宏觀擴散取決于濃度梯度和水體湍動強度，一般的混合設備均能完成宏觀擴散。微觀微粒的碰撞反應受熱力學條件和微粒 的物理化學特性控制。亞微觀擴散是擴散阻力最大的一環，它決定了混合的效果。亞微觀擴散的實質是層流擴散，其擴散規 律與蜚克定律描寫的宏觀擴散規律不同，當研究尺度接近達到湍流微結構尺度時，物質的擴散不一定從高濃度向低濃度地方擴散。在湍動水流中亞微觀傳質主要由慣性效應導致的物質遷移造成的、特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。
　　前已述及，低溫高濁高堿度水因其獨特的性質，使水中顆粒運動的粘滯阻力增加，分子熱運動速度降低，亞微觀傳質阻力增大，導致顆粒的有效碰撞次數減少，強度變弱，顆粒碰撞幾率減小。在低溫高濁高堿度水的處理中，混屬凝劑水解的產物在水體中進行亞微觀擴散的程度是控制處理效果的制約因素。把混凝劑投入到該水體中，由于混凝劑的水解產物向鄰近的水體細部擴散的速度慢，還未進入水體細部時便被附近的膠體顆粒吸附捕捉，吸附后，膠體脫穩，小的絮疑體形成，擴散阻力的增大導致均勻擴散時間的延長，致使部分區域混凝劑分子集中，而局部又無混凝劑的水解分子，這造成過反應與反應脫穩不完善的雙重現象共存。在混凝劑集中的地方礬花長大較快，形成松散的礬花聚結體，隨著推流的進行，該類型絮體極易破碎，出現局部過反應現象。而局部絮凝不完善的原因一是混凝劑集中區域顆粒迅速不合理長大，導致未脫穩的膠體失去了脫穩的機會；二是擴散速度跟不上已脫穩膠體的絮凝速度。由此導致了低溫高濁期膠體脫穩不完善和過反應現象，直接影響了沉淀的效果，影響沉淀池出水水質。按傳統工藝建造的試驗地水廠。在高濁時要降低其處理能力，以確保沉淀池出水，在低溫高濁高堿的條件下尤其如此。對傳質的動力學致因認識不足，則無法對混合的擴散本質給予揭示，在水的粘度增大的情況下，這一點尤為突出、所導致的結果是增大藥劑投加量以滿足膠體顆粒的脫穩。
　　依據慣性效應理論，試驗研究應用了渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術，相應設備有管式微渦混合器、小孔眼格網、小間距斜板沉淀設備。混合工藝由管式微渦混合器實現，通過造成微渦漩，利用微渦漩的離心慣性效應來實現多相物系中的顆粒遷移，克服亞微觀傳質阻力，增加亞微觀傳質速率，促進亞微觀傳質。該設備可使水流形成高比例、高強度的微漩渦，減小亞微觀傳質阻力，增強動量和質量傳遞，完善的亞微觀細部傳質使得膠體脫穩而有凝并聚合的趨向。小孔眼格網與反應池的過流空間在形成一定的剪切力梯度后，保證脫穩后的膠體碰撞凝并長大，同時格網形成的剪切力使礬花保持一定的密實度和抗剪切強度，進入沉淀池的顆粒具有一定的尺度大小和密實度可為高效率去除濁度提供有效保證。依據淺池理論及對顆粒沉降中湍流擾動的抑制，試驗研究中應用了小間距斜板沉淀設備，小間距斜板抑制了礬花沉降中的脈動干擾，同時使沉淀面積與排泥面積相等，無側向約束不積泥。較小的間距可以保持礬花的高去除率，小間距斜板間阻力增大使配水更趨均勻，避免短流，其獨特的排泥特性使淺池的優化運行得以保證，研究表明，小間距斜板使水廠運行的抗沖擊負荷能力增強。

3.試驗

　　為了說明渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術在實際工程中的應用，下面將該技術的小型設備模擬試驗和在水處理廠(一組反應沉淀池)的實際運行情況與原工藝的運行對比介紹。
　　97年初夏，針對龍虎泡原水進行了小型設備試驗，試驗中通過過投加冰塊降溫，投加泡中的底泥增加濁度和堿度。濁度最高可達1360NTU，PH值8.3—8.9，堿度935 mg／l—990mg/l，水溫5℃。試驗中投加鹽酸降低原水PH值。試驗結果表明，小型設備在低溫高濁高堿度水處理中，其沉后水 濁度均可保證在3NTU以下，試驗中，管式微渦混合器混合時間4s，小孔眼格網反應時間t＝23min，小間距斜板沉淀池的上升流 速q＝3.1mm／s。
　　該技術在試驗地水處理廠的實際應用情況與原工藝的運行情況介紹如下：試驗地水廠共10組反應沉淀池，單組設計負荷2.5萬米3／日。1997年10月至11月對10#反應沉淀池進行了應用新技術的生產改造。在改造中，拆除了原工藝設備，安裝了與新技術相匹配的設備，其中反 應池是依據原池的現狀，通過布設不同孔徑和距離的格網來控制水流的流態，使格網、廊道及轉彎處的動力條件滿足慣性參數控制。試驗時間是1998年的春季低溫高濁高堿度期。

　　原工藝：
　　原水→靜態混合器（10s)→傳統豎井格網反應池(23min)→三層側向流斜板沉淀池(q=5.0m³/m².h)→出水

　　試驗工藝：
　　原水→管式微渦混合器(5s)→小孔眼格網反應池→小間距斜板沉淀池→出水

　　試驗中藥劑選用硫酸鋁+活化硅酸(或聚丙烯酰胺)，硫酸鋁采用藥劑廠原液，不加稀釋。在試驗中，采用了電磁流量計測量沉淀池日累積出水量，藥劑投加采用計量 泵+流星計，沉淀池出水濁度采用HACH公司NTU濁度儀測量。在實際運行中的對比結果用的線描述如下：

　　　　　　　　　　　　　　

　　新原工藝對比說明：
　　①98年低溫高濁高堿期較97年同時期濁度高，堿度大，處理難度增加。
　　②新工藝平均產水量1117.1m³/h，原工藝平均產水量609.3m³／h新工藝較原工藝產水量平均提高了83.3%，且新工藝產水量超過原設計負荷。
　　③試驗中新工藝藥劑單耗量與原工藝大致相當。
　　④新工藝的沉淀池出水在3NTU以內，原工藝沉淀池出水在4.0NTU7—12.1 NTU。

4.結論

　　(1)渦流混凝低脈動沉淀給水處理技術對低溫高濁高堿度水的處理是行之有效的。該技術揭示了多相物系傳質碰撞的動力學致因——慣性效應。
　　(2)在低溫高濁高堿度水處理中亞微觀傳質擴散是混合的關鍵，通過造成高比例高強度的微渦流，利用微小渦流的離心慣性效應可以保障藥劑瞬間進入水體細部，使膠體脫穩瞬時、充分。
　　(3)對反應池中水流的全程進行合理有效的動力控制，可以提高單位時間內顆粒的碰撞凝并程度，即使高堿度的影響也可有效利用混凝劑而避免藥劑浪費。
　　(4)格網的布設由三個作用，一是形成微渦流，使顆粒碰撞凝，二是利用過網的剪切使絮體保持一定的壓實度。三是為一些流動過程中破碎的礬花重新聚集提供了水力條件。合理的格網布設可以減弱低溫和高濁的影響。
　　(5)小間距斜板為礬花的沉降提供了好的水力條件，這在低溫期，顆粒極限沉變小的情況下作用尤為突出。同時斜板材質、支撐及角度保證了沉泥的快速徹底排除，從而保證高濁期運行的沉淀效果，具有較強的抗沖擊負荷能力。

參考文獻

　　[1]王紹文 慣性效應在絮凝中的動力學作用中國給水排水，1998；14(2)
　　[2]赫俊國 慣性效應理論在特種水質處理中的試驗研究 哈爾濱建筑大學碩士論文.1997.