摘要:通過將直列式混合器、星形翼片隔板絮凝反應器及V形斜板沉淀設備進行工藝集成，形成新型高效混凝反應沉淀技術，并將其運用于云天化草鋪工業園區二期水處理裝置中。生產運行近3年的結果表明，單套設備處理量為1150m3/h，出水濁度≤1NTU。生產應用結果說明，該套工藝具有較高的絮凝反應效率，適用于該水處理工藝，出水效果良好。
　　
　　關鍵詞:混凝，給水處理，絮凝、沉淀
　　
　　我國水資源匱乏，分布不均，并且原水污染嚴重。隨著原水水質惡化和用水標準的提高，傳統工藝在運行中不斷暴露出適應性差、反應時間較長、效率低、構筑物體積大、機械設備維護管理復雜等問題，不能滿足自動化管理的要求。云天化草鋪工業園區作為用水大戶，在解決如何做好供排水工作的同時，要保證園區內各生產裝置的正常運行，同時又做到合理地利用水資源，降低生產成本。在給水凈化工藝中，混凝的效果是由混凝劑的化學作用和構筑物的流體動力學作用兩方面來決定的。高效、經濟的混凝劑對混凝作用固然重要，但同時必須在設備上提供良好的水力條件，從而形成密實度較好的顆粒，以利于后續工藝的高效運行。而新型高效混凝反應沉淀技術是根據微水動力學原理、膠體物理化學理論、融合流體邊界層及邊界層分離、澄清池接觸絮凝理論創立的新處理工藝，吸收傳統工藝的優點解決其不足。
　　
　　1、新型高效混凝反應沉淀給水處理技術的機理
　　新型高效混凝反應沉淀技術涉及了給水處理中混合、絮凝、沉淀三大主要工藝環節。采用上海立源水處理技術有限公司研制的直列式混合器、翼片隔板絮凝設備、V形斜板沉淀設備作為研究對象，研究其技術機理及應用性能。
　　1、1混合工藝
　　對于混合過程，通常的靜態混合器設計主要是圍繞增加宏觀大尺度渦旋，強化湍流混合進行的。對于混合初期，新生成的小尺度微團具有很好的水流跟隨性，微團與液體的滑差接近零，此時，宏觀大尺度渦旋可以滿足混合的要求，此過程通常可在瞬間完成。但隨著微團尺度增加，微團與流體的滑差出現，速度梯度引起的作用力成為主導，需要在微觀尺度上造成曲率足夠大的流線彎曲，通過控制微尺度渦旋的強度、尺度及空間均布來控制混合效果。目前，常用靜態混合器的設計都未考慮微尺度渦旋混合控制。直列式混合器解決了普通混合器難以控制微尺度渦旋且混合效果受設備尺寸影響較大的問題，流體在列管邊壁的邊界層作用下，形成準均勻各向同性紊流，產生空間分布均勻、可控密度、可控尺度、強度和發生頻率的微尺度渦旋。渦旋在列管尾端衰減，完成混合作用。直列式混合器對微尺度渦旋及混合的有效控制，有利于提高藥劑的使用效率及能量的消耗效率。具有結構簡單、成本低廉、高效節能等優點。同時，其對水流負荷變化的適應性也有很大增加，其超負荷運轉能力可達100％。
　　云天化草鋪工業園區二期水處理工藝的實際應用證明此直列式混合器的混合效率高、效果好、混合時間僅為2－3S左右，相比于傳統的靜態混合器或管式混合器大幅度的提高了處理能力。
　　1.2絮凝工藝
　　常見的絮凝反應設備，主要是通過流道控制，改變水流方向和速率來進行絮凝過程的紊流控制，如復式隔板絮凝池、折板絮凝池等工藝。此類絮凝工藝中，很難對流體局部渦旋進行有效強化控制，渦旋的能量利用效率不高。同時，渦旋的空間分布難以控制。因此，絮凝反應效率較低，反應停留時間較長，設備能耗高，占地大，抗負荷沖擊能力較差。
　　星形翼片絮凝設備的主要原理是利用邊界層脫離理論和顆粒碰撞的慣性效應[4]。在絮凝池流道中設置隔板，并在隔板上增設翼片。隔板分隔了流動空間，隔板上設置的翼片可以看成是隔板表面粗糙度的強化，水流流經翼片，在周圍短時間會形成準均勻各向同性紊流，紊流中夾帶了大量尺寸、強度一定的微小渦旋，在不斷的流動過程中，渦旋離開原位置并進行彼此碰撞，加大了顆粒的有效碰撞次數，有效地提高了絮凝效果。
　　絮體顆粒碰撞、吸附，絮體本身產生強烈變形，使絮體中吸附能級低的部分由于變形揉動作用從而達到更高的吸附能級，并在通過設備后絮體變得更加密實，提高絮凝效果，縮短絮凝時間。由于絮凝過程的可控程度提高，在水質難處理期，仍可達到理想的絮凝效果。
　　1.3沉淀工藝
　　目前，工程實際應用的沉淀設備多為普通的斜板或者斜管裝置，其主要缺點是在沉淀過程中小顆粒很難去除，導致沉淀池固液分離效果下降。對于斜管沉淀設備存在對原水水質變化的適應性較差，排泥效果較差，斜管易積泥等問題。小間距斜板基于紊流抑制理論，雖然取得了較好的沉淀效果，但實際應用中存在斜板積泥堵塞的技術難點。上述問題產生的主要原因是，沉淀池運用淺池理論原理，其沉淀去除比例主要取決于斜板(斜管)沉淀設備的長度和沉淀距離，在斜板長度和間距一定時，沉淀池中顆粒去除的比例就確定了，所以要提高固液分離的效率，就必須引入其他機理。
　　V形斜板沉淀技術將沉淀機理和接觸絮凝機理有機地結合在一起，以完成沉淀區中絮體顆粒的分離過程[5]。V形斜板沉淀技術在充分利用沉淀機理的基礎上，在傳統斜板間設置V形流體上升流道，利用V形流道的橫截面差，造成沿重力方向的速度差。由于速度差的存在，一方面，V形流道中流體上升方向顆粒所受到的繞流阻力減小，有利于較小的絮體顆粒沉降。另一方面，由于V形流道入口處流體流速相對較大，滑落的絮體在此受到的繞流阻力較大，沉淀速度減小，同時大量滑落的絮體使流道發生改變使流體上升流速增加，部分絮體返回流道并在流道入口處形成一定厚度的具有自我更新能力的絮體顆粒動態懸浮泥渣層，如圖1所示。當流體流過動態絮體懸浮層時，流體中較大的絮體顆粒與沉降的絮體碰撞，形成更大的絮體繼續沉降或在絮體顆粒間形成架橋作用。這使小尺度的顆粒可在動態懸浮層中的絮體顆粒間發生接觸絮凝作用，從而實現增加絮體顆粒尺度并有效去除小尺度顆粒的作用。絮體懸浮層的接觸絮凝作用可以有效提高絮凝效果，提高設備的抗沖擊負荷能力。
　　
　　圖1.V型斜板設備及結構圖

　　1.4一體化設備及技術集成
　　將列管式混合器、星形絮凝反應器及V形斜板設備集成，形成新型高效混凝反應沉淀技術——微渦旋控制多元強化凈水技術[7]，一體化裝置如圖2所示。綜上所述，集成技術在混合階段實現了微渦旋混合的有效強化控制，提高了混合效果，從而縮短了混合時間；在絮凝反應部分實現了微觀局部渦旋控制與宏觀渦旋均布控制的同時進行，提高了絮凝反應效率，減少了停留時間；在沉淀部分，接觸絮凝理論的應用有效的降低了微小絮體的去除率，提高了沉淀池的負荷。
　　
　　圖2多元強化水處理一體化設備
　　2絮凝劑最佳投量實驗
　　實驗中所用原水取自設備進水口，原水濁度較低，數值在2~10NTU之間。pH值7.6~7.9。采用燒杯實驗測定最佳投藥量。采用2種藥劑，絮凝劑采用聚合氯化鋁（PAC），助凝劑采用聚丙烯酰氨(PAM)。藥劑均由水天使提供，與實際運行時所投加藥劑一致。實驗設備分別有六聯攪拌機1臺、1000mL燒杯6個、移液管1支、玻璃棒1支、HI93703－11型便攜式濁度儀一臺等。操作時將PAC原液稀釋5倍，為方便起見，PAC投量按其稀釋液投加量計算。PAM配制成0.1%溶液。設定四級攪拌程序：280r/s、2min，160r/s、2min，60r/s、3min，15r/s、3min。分別模擬混合及各反應區的渦旋碰撞程度。PAM在第二級攪拌末投加。
　　
　　圖3PAC投加量與出水濁度關系
　　圖3為單獨投加PAC時濁度隨藥劑投加量的變化曲線。結果表明，試驗結果表明硫酸鋁的投加量在0.5~0.6ml/L之間時，上清液濁度穩定在2.0NTU左右。由圖中可以看出，在PAC投加量達到0.6ml/L時，出水濁度達到1.9NTU，PAC投量高于0.6mg/L時，增加PAC投量，出水濁度反而略微增大。單獨投加PAC無法達到較好的反應狀態。實驗現象中，礬花顆粒較小，沉降速度慢，有細小礬花難以沉降，需要投加助凝劑以提高混凝效果。
　　
　　圖4PAM投量與出水上清液濁度關系
　　圖4為PAC投量為0.6ml/L與PAM組合投加時投加量與上清液濁度。結果表明，PAM投量為0.3mg/L時，形成礬花較大，沉降速度較快，出水濁度達到0.38NTU。增加PAM投量，出水濁度下降趨勢不明顯。
　　實驗結果表明，絮凝劑（PAC）的最佳投量在0.6ml/L，PAM的最佳投量為0.3mg/L。以燒杯實驗得出的藥劑最佳投量作為參考，實際生產運行中根據原水及其他實際情況調解藥劑的投量，使出水指標達到最佳。
　　3生產運行效果
　　參考燒杯實驗的藥劑投加量，生產運行時進行調整，PAM投加點為星型翼片隔板二級反應區入口。結果表明，實際運行結果與燒杯實驗結果相符。絮凝沉淀池總處理水量為2300m3/h，共分兩組，單組處理水量為1150m3/h。混合時間為3s，水頭損失0.5m，混凝劑投加至直列式混合器前端加藥口處。絮凝池采用星形翼片隔板絮凝設備，水力分三級，一級流速為0.12m/s，二級流速為0.09m/s，三級流速為0.06m/s，絮凝時間15min。沉淀池采用V形斜板沉淀設備，上升流速為2.5m/s，表面負荷9.00m3/m2•h，停留時間為28.6min。工藝流程如圖5所示。
　　
　　圖5工藝流程圖
　　圖6是連續運行15天時原水濁度與出水濁度的對比曲線。由圖中可以看出，出水穩定在1NTU以下，出水水質穩定。同時在水質水量變化的情況下，該項處理工藝有較強的抗水質水量沖擊負荷能力，運行穩定。
　　
　　圖6工程連續運行時原水及出水濁度
　　生產應用及運行結果表明，應用該套高效混凝反應沉淀技術，設備運行及出水水質穩定，藥劑利用效率較高，混凝沉淀裝置的出水濁度可以達到在1NTU。并且該套工藝還具有設備操作簡單，基本無設備維護工作，日常管理費用低，設備折舊費低，建設施工簡單等優點。
　　4.結論
　　新型高效混凝反應沉淀技術將列管式混合器、星形絮凝反應器及V形斜板設備集成，形成了微渦旋控制多元強化凈水技術。該工藝混合時間短，在3s左右，比傳統工藝節省投藥量30%左右。反應時間為7－9min，沉淀池上升流速大（3.0-4.0mm/s），大幅度提高了水處理效率，比傳統工藝節省占地45%左右，節省土建投資。
　　微渦旋控制多元強化水處理工藝應用于云天化草鋪工業園區給水處理項目。應用結果表明，該集成技術據有占地小、設備費用低、占地面積小、出水效果好、易維護等特點。出水濁度穩定在1NTU以下。
　　參考文獻
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　　[2]徐保玖，安鼎年.水處理理論與設計[M].北京：建筑工業出版社，1989.
　　[3]郭瑾瓏，湯鴻霄.接觸絮凝研究進展[J].環境污染治理技術與設備,2001,6.