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M astersizer 2000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250 r /m in时, 快速搅拌时间为60 s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300 r/m in时, 快速搅拌时间为60 s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: μE G = (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: μεπβ3212d n N = (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 :

dv s s dv s u u dv dt dk v

ij ij ij v j i v ⎰⎰⎰'-''-=μρ2 (1-3) 式中: k 为脉动动能;ρ为水的密度; i u ', j u '为分别为i 向和j 向的脉动速度; ij

s '为动速度梯度; ij s 为时均速度梯度; j i u u ''-ρ为脉动能量生成率;ij

ij s s 'μ2为脉动粘性能耗率。

絮凝属于定常问题,因此有

dv s s dv s u u v ij ij ij

v j i ⎰⎰'=''-μρ2 (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:

ij j i ij ij s u u s s E ''-'==

ρμεη2 (1-5)

根据量级估计: l u s u u E T ij j i /~3

ρρ''-= (1-6)

l u s s T ij ij /~22μμε'= (1-7)

将(1-6) 、(1-7) 代入(1-5) 式得:

)1(Re /1~μ (1-8)

式中: T u 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:

U λ~~u u T * (1-9)

l ～ L (1-10)

由(1-9)、(1-10) 式得:

Re (l) ～ λRe (1-11)