涡旋混凝低脉动沉淀技术处理低温高浊高碱废水

　　 摘要：分析了低温高浊高碱度水的成因并描述水质特性，对处理该特种水质过程中的传质扩散及絮凝过程中的动力特性进行分析，依据惯性效应理论、生产试验及实际工程中的应用研究阐述了涡旋混凝低脉动给水技术处理该水质的良好效果和较强的适用性。
　　 关键词：低温高浊高碱度，惯性效应，微涡旋，低脉动

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

　　近年来，受工业发展、地理位置和气候条件的影响，作为饮用水水源的地表水水质较60—70年代发生了变化。本论文对其中一种水质即低温高浊高碱度水的形成和水质特性进行分析，通过试验研究，确定了合理的处理工艺及参数，并应用该成果对试验地水厂进行提高员荷改善水质的生产改造，从而体现该技术在实际应用中，尤其在利用水厂原有构筑物、设施的改造中创造的经济效益和杜会效益。

1.低温高浊高碱度水的形成原因及水质特性

　　本次试验地在大庆某处理厂，该水厂是为油田工业注聚合物、化工及生活用水而建设的。该水厂水源为龙虎泡水库，每年夏季，该水库都经引水渠道从嫩江中部引水。龙虎泡是天然形成的库区，最大面积113km²。龙虎泡水库内最初原有碱水约3亿立方米，PH值为9.02～9.48，总矿化度2500mg／L，属HC0₃^-型水。嫩江来水水质PH为8.5，矿化度100mg／L。受季节影响该水源地浊度、温度变化较大，浊度在10NTU～1500NTU之间，PH值8.6～9.4，温度1℃～20℃，矿化度600mg／L左右。
1.1 低温高浊高碱度水的成因
　　在一年内，龙虎泡原水浊度的变化幅度较大，在10NTU～1500NTU之间。而形成该特殊水质的主要原因是地理环境。由于①龙虎泡水库位于风口，并且取水泵站设在迎风面上，因此，一年四季风较大；② 该水库处于盐碱地带，在库底存有20cm～30cm厚的碱泥。③水库面积大，普遍深度较浅，最深处达10米，最浅处不足1.0米。因而在每年的4月中旬至5月初水库表面冰雪融化期和每年的11月末到12月中旬水库表面初结冰期，受季节风的影响，风不断把能量传递给水体，形成波浪，风吹水浪泛起底泥，使得水体的浊度和碱度不断上升，并且风力越强，浊度上升越快，因此，在低温季节形成了给水处理中极特殊的低温高浊高碱度水质期。
1.2 水质特性
　　通过一年中不同季节对龙虎泡水库底泥的分析确定，该水库底泥组成性质稳定，没有大的变化。底泥中较大颗粒的砂很少 见，大部分是粘土，其中Si0₂含量占 72.43％，CaO含量占15.86％，阴离子主要为HCO₃^-。
　　为了考察高浊度期原水的沉降特性，在1998年的低温高浊期取原水进行沉降分析。静沉结果表明，原水静沉24h浊度去除率为11.6％，在浊度为300NTU以上时，该静沉率变化不大，浊度低于300NTU时静沉率随原水浊度的降低而下降。由此可知，原水中的浊度主要由胶体形成，悬浮物的含量低，因此高浊期对原水进行预沉处理并不会有效降低原水浊度。

2.机理研究

　　低温、高浊、高碱度对水体的颗粒凝并碰撞和沉降影响较大。研究认为，低温期：水中胶体颗粒电位升高，约为中温时期的2 倍左右，胶体间静电斥力增大，稳定性增强；水的粘滞性增加，颗粒运动的阻力变大，碰撞困难；颗粒的布朗运动减弱，微粒的惰性增强；低温影响颗粒的沉降，因动力粘滞系数变大，颗粒的极限沉降速度变小，因而浊度去除率降低。原水浊度升高导致水体的粘滞系数变大，虽然颗粒的总体碰撞次数增加，但有效碰撞的比例下降。由于高碱度的影响，胶团的外表面较为光滑，类似光滑球，即使在表面电层压缩脱稳后，受内部碱度的影响该脱稳胶团仍较为光滑，因此只有相应增加混凝剂量才能将其吸附捕捉。给水处理的混合、反应和沉淀工艺是水处理的关键环节，它影响滤池的工作状况和总体处理效果。该过程可概括为胶体颗粒的脱稳析出、微絮体的合理凝并长大以及矾花颗粒的有效截留。混凝工艺过程的动力学控制是净化的关键。通过多年来对给水处理中颗粒碰撞的动力学研究认为，碰撞主要是由惯性效应造成的。
　　混合和初始絮凝是给水处理的重要环节。混合的本质是混凝剂的水解产物向水体中的扩散过程。扩散分为宏观扩散、亚微 观扩散，从而导致了微观微粒的碰撞反应。宏观扩散取决于浓度梯度和水体湍动强度，一般的混合设备均能完成宏观扩散。微观微粒的碰撞反应受热力学条件和微粒 的物理化学特性控制。亚微观扩散是扩散阻力最大的一环，它决定了混合的效果。亚微观扩散的实质是层流扩散，其扩散规 律与蜚克定律描写的宏观扩散规律不同，当研究尺度接近达到湍流微结构尺度时，物质的扩散不一定从高浓度向低浓度地方扩散。在湍动水流中亚微观传质主要由惯性效应导致的物质迁移造成的、特别是湍流微涡旋的离心惯性效应。
　　前已述及，低温高浊高碱度水因其独特的性质，使水中颗粒运动的粘滞阻力增加，分子热运动速度降低，亚微观传质阻力增大，导致颗粒的有效碰撞次数减少，强度变弱，颗粒碰撞几率减小。在低温高浊高碱度水的处理中，混属凝剂水解的产物在水体中进行亚微观扩散的程度是控制处理效果的制约因素。把混凝剂投入到该水体中，由于混凝剂的水解产物向邻近的水体细部扩散的速度慢，还未进入水体细部时便被附近的胶体颗粒吸附捕捉，吸附后，胶体脱稳，小的絮疑体形成，扩散阻力的增大导致均匀扩散时间的延长，致使部分区域混凝剂分子集中，而局部又无混凝剂的水解分子，这造成过反应与反应脱稳不完善的双重现象共存。在混凝剂集中的地方矾花长大较快，形成松散的矾花聚结体，随着推流的进行，该类型絮体极易破碎，出现局部过反应现象。而局部絮凝不完善的原因一是混凝剂集中区域颗粒迅速不合理长大，导致未脱稳的胶体失去了脱稳的机会；二是扩散速度跟不上已脱稳胶体的絮凝速度。由此导致了低温高浊期胶体脱稳不完善和过反应现象，直接影响了沉淀的效果，影响沉淀池出水水质。按传统工艺建造的试验地水厂。在高浊时要降低其处理能力，以确保沉淀池出水，在低温高浊高碱的条件下尤其如此。对传质的动力学致因认识不足，则无法对混合的扩散本质给予揭示，在水的粘度增大的情况下，这一点尤为突出、所导致的结果是增大药剂投加量以满足胶体颗粒的脱稳。
　　依据惯性效应理论，试验研究应用了涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术，相应设备有管式微涡混合器、小孔眼格网、小间距斜板沉淀设备。混合工艺由管式微涡混合器实现，通过造成微涡漩，利用微涡漩的离心惯性效应来实现多相物系中的颗粒迁移，克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率，促进亚微观传质。该设备可使水流形成高比例、高强度的微漩涡，减小亚微观传质阻力，增强动量和质量传递，完善的亚微观细部传质使得胶体脱稳而有凝并聚合的趋向。小孔眼格网与反应池的过流空间在形成一定的剪切力梯度后，保证脱稳后的胶体碰撞凝并长大，同时格网形成的剪切力使矾花保持一定的密实度和抗剪切强度，进入沉淀池的颗粒具有一定的尺度大小和密实度可为高效率去除浊度提供有效保证。依据浅池理论及对颗粒沉降中湍流扰动的抑制，试验研究中应用了小间距斜板沉淀设备，小间距斜板抑制了矾花沉降中的脉动干扰，同时使沉淀面积与排泥面积相等，无侧向约束不积泥。较小的间距可以保持矾花的高去除率，小间距斜板间阻力增大使配水更趋均匀，避免短流，其独特的排泥特性使浅池的优化运行得以保证，研究表明，小间距斜板使水厂运行的抗冲击负荷能力增强。

3.试验

　　为了说明涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术在实际工程中的应用，下面将该技术的小型设备模拟试验和在水处理厂(一组反应沉淀池)的实际运行情况与原工艺的运行对比介绍。
　　97年初夏，针对龙虎泡原水进行了小型设备试验，试验中通过过投加冰块降温，投加泡中的底泥增加浊度和碱度。浊度最高可达1360NTU，PH值8.3—8.9，碱度935 mg／l—990mg/l，水温5℃。试验中投加盐酸降低原水PH值。试验结果表明，小型设备在低温高浊高碱度水处理中，其沉后水 浊度均可保证在3NTU以下，试验中，管式微涡混合器混合时间4s，小孔眼格网反应时间t＝23min，小间距斜板沉淀池的上升流 速q＝3.1mm／s。
　　该技术在试验地水处理厂的实际应用情况与原工艺的运行情况介绍如下：试验地水厂共10组反应沉淀池，单组设计负荷2.5万米3／日。1997年10月至11月对10#反应沉淀池进行了应用新技术的生产改造。在改造中，拆除了原工艺设备，安装了与新技术相匹配的设备，其中反 应池是依据原池的现状，通过布设不同孔径和距离的格网来控制水流的流态，使格网、廊道及转弯处的动力条件满足惯性参数控制。试验时间是1998年的春季低温高浊高碱度期。

　　原工艺：
　　原水→静态混合器（10s)→传统竖井格网反应池(23min)→三层侧向流斜板沉淀池(q=5.0m³/m².h)→出水

　　试验工艺：
　　原水→管式微涡混合器(5s)→小孔眼格网反应池→小间距斜板沉淀池→出水

　　试验中药剂选用硫酸铝+活化硅酸(或聚丙烯酰胺)，硫酸铝采用药剂厂原液，不加稀释。在试验中，采用了电磁流量计测量沉淀池日累积出水量，药剂投加采用计量 泵+流星计，沉淀池出水浊度采用HACH公司NTU浊度仪测量。在实际运行中的对比结果用的线描述如下：

　　　　　　　　　　　　　　

　　新原工艺对比说明：
　　①98年低温高浊高碱期较97年同时期浊度高，碱度大，处理难度增加。
　　②新工艺平均产水量1117.1m³/h，原工艺平均产水量609.3m³／h新工艺较原工艺产水量平均提高了83.3%，且新工艺产水量超过原设计负荷。
　　③试验中新工艺药剂单耗量与原工艺大致相当。
　　④新工艺的沉淀池出水在3NTU以内，原工艺沉淀池出水在4.0NTU7—12.1 NTU。

4.结论

　　(1)涡流混凝低脉动沉淀给水处理技术对低温高浊高碱度水的处理是行之有效的。该技术揭示了多相物系传质碰撞的动力学致因——惯性效应。
　　(2)在低温高浊高碱度水处理中亚微观传质扩散是混合的关键，通过造成高比例高强度的微涡流，利用微小涡流的离心惯性效应可以保障药剂瞬间进入水体细部，使胶体脱稳瞬时、充分。
　　(3)对反应池中水流的全程进行合理有效的动力控制，可以提高单位时间内颗粒的碰撞凝并程度，即使高碱度的影响也可有效利用混凝剂而避免药剂浪费。
　　(4)格网的布设由三个作用，一是形成微涡流，使颗粒碰撞凝，二是利用过网的剪切使絮体保持一定的压实度。三是为一些流动过程中破碎的矾花重新聚集提供了水力条件。合理的格网布设可以减弱低温和高浊的影响。
　　(5)小间距斜板为矾花的沉降提供了好的水力条件，这在低温期，颗粒极限沉变小的情况下作用尤为突出。同时斜板材质、支撑及角度保证了沉泥的快速彻底排除，从而保证高浊期运行的沉淀效果，具有较强的抗冲击负荷能力。

参考文献

　　[1]王绍文 惯性效应在絮凝中的动力学作用中国给水排水，1998；14(2)
　　[2]赫俊国 惯性效应理论在特种水质处理中的试验研究 哈尔滨建筑大学硕士论文.1997.