亚微观传质在水处理反应工艺中的作用

王绍文
（哈尔滨建筑大学多相工艺研究中心，黑龙江 哈尔滨 150009）

　　摘要：首次把湍流传质分为宏观传质与亚微观传质，并提出亚微观 传质的动力是惯性效应特别是微涡旋的离心惯性效应。指出亚微观传质是水处理反应工艺动力学的核心问题，并结合给水处理混合工艺与地下水除铁曝气工艺进行了剖析。
　　关键词：水处理；亚微观传质；混合工艺；地下水曝气
　　中图分类号：TU991.2
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2000)01-0030-03

　　水处理绝大多数的工艺过程可以归结到这样一个程序：反应(化学反应或生化反应)→物质析出→絮凝长大→把絮凝长大物质从水中分离出去，即水中一些溶解性的有机物分子经强氧化剂的氧化作用分解成一些更小的分子，其中一些分子带有很强的极性，互相络合，在其络合过程中也逐渐吸附了一些非极性分子，逐渐长大，其尺度达到胶体颗粒的尺度，这是反应析出的一种形式。这种胶体尺度的有机络合物有一定的吸附能力(这也正是所有强氧化剂预处理后均有助凝作用的原因)，它们与水中其他胶体尺度杂质在混凝剂水解产物作用下絮凝长大，最后通过分离工艺分离出去。另一种反应析出形式是水中溶解的有机物分子经水中微生物的生化作用分解成一些小的极性分子，它们互相络合形成胶体颗粒尺度，完成了析出过程。这种胶体颗粒有很强的吸附能力，逐渐絮凝长大，通过分离工艺分离出去。水处理工艺过程是多相物系反应和分离过程，多相物系反应分为化学反应和生物化学反应。化学反应速率很快，生化反应速率在有生物酶存在的情况下也较快，都远大于其传质速率。因此，提高传质速率就成为提高水处理工艺反应速率的关键，这就是说，如果能大幅度提高水处理反应工艺中的传质效率就可以大幅度提高水处理工艺的效率与品质。目前人们对水处理工艺中传质规律尚缺乏认识，工艺中的传质措施尚处于经验摸索阶段，缺乏理论指导。因此，进行水处理工艺传质研究就成为重要而迫切的课题。

1 亚微观传质

　　水流中传质是指水流中的质量交换，即物质在水流中掺混或扩散过程。过去把水中的传质分成两类：微观传质、宏观传质。微观传质是指由于水分子热运动引起的质量交换或扩散。其量级是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量级。水作层流运动时传质是微观传质，其时物质垂直水流方向扩散与掺混是水分子热运动所造成的。所谓物质在水流中的宏观传质是指湍流涡旋的动力作用引起物质在水流宏观部位的掺混与扩散，其量级是宏观尺度的量级。因此，宏观传质速率是量级远远大于微观传质速率的量级。
湍流情况下宏观传质速率的大小可用均匀各向同性湍流中的扩散系数大小来表征。其数量级可由下面两个公式表示：?
?
　　由上面公式可以看到，当研究尺度在λ＞λ₀与λ＜λ₀两种不同 情况下其扩散系数的规律截然不同。λ越小扩散系数越小，λ越大扩散系数越大，当研究尺度相差很大时，扩散系数可以相差几个数量级。这样物质在湍流水体中的传质可以分为两类：①宏观传质，即物质在水流中宏观部位的传质，这是由湍流中大、中、小涡旋造成的湍流掺混、扩散所导致，其传质速率很快，传质阻力很小；②亚微观传质，即物质在湍流水体中垂直该地区流速方向在极邻近部位的扩散，其传质速率很低，传质阻力很大。亚微观传质究其实质是层流下的 传质。因为在极邻近部位即当λ＜λ₀时，其粘性力起主导作用，水流呈现层流状态，故其传质速率远低于湍流宏观传质速率。
　　在层流水体中物质垂直流速方向的扩散是由水分子热运动造成的。而在湍流水体中是由于惯 性效应引起体积质量与水不同物质相对于水体的迁移，特别是由湍流微涡旋引起体积质量与水不同物质沿微涡旋径向迁移，这一作用大大地增大了湍流中亚微观传质速率。由于这一速率远大于水分子热运动所引起的传质速率，所以可认为微涡旋的离心惯性效应是湍流亚微观传质的动力学致因。涡旋的离心惯性效应的量级可用涡旋加速度特征值α_λ表征^［1］：
　　a₂=ε₀^2/3/λ^1/3　　　　　　　　　　　(3)
　　涡旋加速度即单位质量惯性力。由式(3)可见，随涡旋尺度λ减少，涡旋离心惯性力以λ^1/3反比例而增加。当λ趋近λ₀ 时涡旋的加速度最大，其惯性效应最强。由此可见在湍流水体中λ₀量级微涡旋的离心惯性效应将大幅度地增加湍流中亚微观传质速率。
　　湍流亚微观传质研究尺度的量级远小于宏观尺度的量级，远大于微观尺度的量级，是与湍流微涡旋尺度量级相当，即亚微观尺度量级^［1］。因此其传质速率远小于宏观传质速率，又远大于微观传质速率。

2 亚微观传质在水处理反应工艺中的作用

　　给水处理的混合工艺就是要把混凝剂的水解产物迅速扩散到水体中的每一个细部。由以上论述可知，混凝剂水解产物被湍流中的大、中、小涡旋带到水体的宏观部位完成宏观扩散非常迅速，而混凝剂水解产物向极邻近部位的扩散使其达到水体每一细部，即完成亚微观扩散速率极慢，尤其在高浊时期。高浊期原水浊度很高，混凝剂水解产物向极邻近地区扩散速率比宏观扩散速率小几个数量级，没等其扩散到极邻近部位，就被更靠近它的胶体颗粒所捕捉。这样就造成混凝剂水解产物局部集中，而有些部位则不足，甚至完全没有。在混凝剂水解产物集中的部位矾花迅速长大，这些过分长大的矾花遇到更强烈湍流剪切就被剪断，这种过反应情况严重影响了反应效果。在混凝剂水解产物不足或完全没有的部位，胶体颗粒不能完全或者根本不能脱稳、凝聚，这样导致高浊期表观看来矾花很大，实际上反应很差，因为总有些没能脱稳的胶体颗粒不能被矾花吸附与捕捉，高浊水之所以难处理其根本原因就在于此。大庆油田中引水厂(25×10⁴ m³/d)从龙湖泡取水，春季解冻时正值枯水期，湖水很浅，风很大，使湖泡底泥搅起，水温是4 ℃左右，造成严重低温高浊。该水厂原工艺是静态混合器混合、普通网格反应、三层侧向流斜板沉淀，到最严重低温高浊时期，水厂出水量只有(8～9)×10⁴m³/d。低温高浊不仅有上述因高浊造成的混凝剂水解产物亚微观传质更困难的特点，而且因水温低、水的粘性大，混凝剂水解产物因微涡旋离心惯性效应的驱动，在水中向相邻近部分迁移更为困难，这样就更增加了亚微观传质的难度。混凝剂水解产物不能扩散到所有水体的细部，这些地区的胶体颗粒不能脱稳、凝聚。在反应过程中也不能完全被矾花颗粒所捕捉、吸附，严重影响了出水水质。解决问题最好办法是让混合设备在水流中造成高比例、高强度的微涡旋，利用微涡旋的离心惯性效应，提高亚微观传质速率。中引水厂使用了多相工艺研究中心推出的孔板式混合设备，彻底解决了这个问题，低温高浊期处理能力达到了设计负荷。
　　处理含铁地下水研究与工程实践认为，高含铁地下水用自然曝气方法不能使水中所有的二价铁离子都氧化成三价铁离子。接触氧化法则有其优势，利用滤层中铁质膜的催化作用使二价铁离子氧化成三价铁离子，它们所形成的氢氧化物的络合物，由于滤池的微絮凝作用与截留作用被去除。而滤池要形成铁质膜需要一定时间，即所谓铁质膜成熟期。在铁质膜成熟之前滤池出水是不能达标的。哈尔滨建筑大学硕士研究生刘健勇组织这样二组对比试验。两者的工艺流程如下：?
　　高含铁水→曝气→滤池→出水?
　　高含铁水→曝气→网格段→滤池→出水
　　第一个流程是目前普遍采用的地下水除铁的工艺流程。第二个流程是曝气后的水先流过一个网格段，再进入滤池。试验时地下水含铁量为11.5 mg/L，结果证明目前通用的地下水除铁工艺流程在铁质膜成熟期之前出水不能达标。而第二个流程曝气后滤池出水水质马上达标，不需要铁质膜的催化作用，处理后水中铁的含量均为微量左右或更少，甚至为痕量，铁的去除率均为97%以上。这二组对比试验说明，目前采用的曝气方法，二价铁氧化成三价铁的速率很快，而氧亚微观传质速率很低，二价铁氧化时消耗的氧得不到及时补充，高含铁量时有些二价铁就不能氧化，必须借助铁质膜的催化作用。第二个流程因曝气水流通过网格段增强了湍流扰动，增加微涡旋的比例和微涡旋强度，微涡旋离心惯性效应大大增大了亚微观传质速率。这时二价铁氧化成三价铁的所需氧不仅可以从溶解氧中得到补充，也可以从邻近地区过饱和氧气中得到补充，因此不需铁质膜的催化作用，在进入滤池之前二价铁已氧化成三价铁。三价铁的氢氧化物有很强极性及吸附能力，互相凝聚长大，而上述网格段能有效加速氢 氧化物络合物的接触与碰撞，使它们迅速絮凝，进入滤池后正好被滤池所截留，出水铁的残余量甚微。
　　在水处理反应中如好氧反应的活性污泥法和生物膜法及厌氧反应工艺中，障碍其反应速率和品质的第一要素仍然是传质速率，而在传质中起决定作用的是亚微观传质。因此提高亚微观传质是提高水处理反应工艺效率的决定因素。

参考文献：
［1］王绍文.惯性效应在絮凝中的动力学作用［J］.中国给水排水，1998，14(2) ：13-16.

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