高密度和微涡反应器的原理、功能、优劣、特点和应用

1. 高密度反应器

1.1高密度反应器简介

高密度澄清技术是采用泥渣循环的高密度沉淀处理技术，适用于饮用水生产、污水处理、工业废水处理和污泥处理等领域。每座高密度沉淀池工艺区域包括凝聚反应区、絮凝反应区、沉淀区、集水区、污泥循环设备、污泥排放设备等，各区域功能如下：

(1) 反应区

反应区分为两个部分：快速混凝搅拌反应池和慢速混凝搅拌反应池。前者可以使反应池内水流均匀混合，并为絮凝和聚合电解质的分配提供所需的动能；后者可以产生扫粒絮凝以获得较大的絮状物，达到沉淀区内的快速沉淀。

(2) 预沉区/浓缩区

为避免冲碎已形成的较大絮状物，已形成的絮状物通过一个较宽的进水口流到沉淀区。为取得更好的沉淀效果，可在沉淀区内设置异向流斜管，并在集水区内的每个集水槽底部设隔板，把斜管部分分成几个单独的水力区，保证斜管下面的水力平衡。

(3) 斜管分离区

在逆流式斜管沉淀区沉淀剩余的矶花。通过固定在清水收集槽下侧的纵向板进行水力分

布。澄清水由一个集水槽系统回收。絮凝物堆积在澄清池的下部，形成的污泥也在这部分区域浓缩，通过刮泥机将污泥收集起来，循环至反应池入口处，剩余污泥排放。

1.2高密度混凝机理

(1) 内筒循环和污泥回流产生均质的絮凝体和高密度的矶花

水流在内筒和外筒之间循环的独特设计，加大了絮体的水力停留时间；浓缩区上部的污

泥回流，增大了反应区中絮体颗粒的碰撞几率。由此形成的高密度矶花具有优良的絮凝沉降

性能和良好的抗冲击性能。

(2) 推流式反应池至沉淀池之间的慢速传输

絮凝区和沉降区的平稳结合过渡，使絮凝后的水平稳慢速地进入沉降区，大部分絮体在

进入斜管前就已经沉降，通过斜管后可进一步降低浊度。

1.3高密度反应器工艺特点

(1) 独特的一体化反应区和水流内筒循环设计，提高了混凝效率。⑵增加了污泥回流装置，提高了反

应区污泥的絮凝能力。

(3) 絮凝区与沉淀区分离且流速变化平缓，增大了污泥沉降几率。根据半生产性试验，斜管区上升流速可达6mm/s，超过了斜管沉淀池和机加池，效果更好，占地更小。

(4) 抗冲击负荷能力强，对进水波动不敏感，可承受较大范围的流量变化，对难处理的低温低浊水也有相对较好的处理效果。

(5) 排放的污泥浓度高，系统药耗低。

(6) 絮凝区与沉淀区之间虽然增加了导流墙，但还存在配水不均匀现象，操作维护不当或进水性质波动太大时会影响出水水质。

2. 微涡反应器

2.1微涡反应器简介

微涡流混凝技术是在多相流动物系反应控制惯性效应理论基础上对传统反应沉淀技术进行改进而得，它涉及了给水处理中混合、絮凝反应、沉淀三大主要工艺。

微涡反应器中的填料有空心网孔球、十字形扰流构件等，这些填料能在反应器内形成微

小的涡旋流动，促进水中微粒扩散，通过充分利用流体能量，增加脱稳胶粒碰撞几率，从而提高凝聚和絮凝效率。

2.2微涡流混凝机理

理论上，对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；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。

2.2.1微涡流凝聚

凝聚的效率取决于水中胶体脱稳的程度和碰撞的几率，微涡反应器形成的微涡旋流动能

有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。

一方面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中

胶体快速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚效率。

微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞，其原因有两个方面。其一，涡流形成流

层之间较大的流速差，造成了流层中携带微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；其二，

涡流的旋转作用形成离心惯性力，造成微粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。此两

方面的作用都随涡流的尺寸减小而增大，微涡流是有利于凝聚的水力条件。

2.2.2 微涡流絮凝

微粒絮凝长大的过程是微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，而影响

絮凝效果的重要动力学致因就是微小涡旋的离心惯性效应。

微涡反应器中，涡旋越小，其惯性效应就越强，絮凝作用就越好；另外，成长过大的絮体在微

涡流的作用下会破碎成较小絮体从而保持絮凝能力 (絮体过大会使总表面积减小，吸附能力下

降) ，密实度较低的絮体在微涡流的作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分

离。

2.3 微涡反应器工艺特点

(1)对水质、水量变化适应能力强微涡流混凝工艺对水量变化的适应性能很强，因为其混凝的水力条

件不是主要依赖于水流的宏观速度，而是依赖亚微观涡流的形成，涡流的形成主要依赖于设备的水

力动力学条件。

微涡流混凝有利于高浊度水处理，因为微涡流有利于混凝剂的快速扩散，使之不易被高浊度

水中大量的杂质胶体包裹而失去活性，即使混凝剂被包裹形成絮体，在微涡流的作用下也容易破

碎，重新形成絮凝能力。

对低浊水，虽然水中胶体数量少，碰撞凝聚效率下降，但众多微小的涡旋能最大程度地增大

絮体，相对高效地去除水中胶体。

对低温水，只要选用合适的混凝剂，克服低温下混凝剂水解的困难，由于微涡流凝聚和接触

絮凝效率高，低温水处理相对不再困难。

(2) 混凝效率高

微涡流混凝工艺创造了高效率的凝聚和絮凝水力条件，其混凝效率大大优于传统混凝工艺，也

优于网格混凝工艺，反应时间可以缩短到5~8 分钟，这就意味着与传统工艺相比，产水量可以提

高1~2 倍，占地少，投资省。

(3) 出水质量优在投加相同混凝剂的情况下，微涡流混凝工艺所产生的絮体质量明显地优于传统工艺，具有很好的沉降性能。

(4) 实施简便

微涡流混凝工艺既适于新建水厂，也适于老水厂传统工艺的改造，它对池型及前后序工艺(混

合、沉淀)的衔接均无特殊要求。对老水厂改造的施工简便，只要拆除反应池(区) 内原有设施并适当

分隔和安装涡流反应器支架，反应器直接投入池内即可使用。

(5) 运行稳定、药耗低

微涡流使混凝剂高效扩散，提高了混凝剂利用率，使微涡流混凝工艺的混凝剂消耗量明显低

于传统工艺。