渦旋混凝給水處理技術(shù)分析

1、渦旋混凝給水處理技術(shù)分析 “渦旋混凝給水處理技術(shù)”是根據(jù)多相流動物系反應(yīng)控制慣性效應(yīng)理論，結(jié)合給水工程實(shí)踐，經(jīng)近十年的研究而發(fā)明的。該技術(shù)涉及了給水處理中混合、絮凝反應(yīng)、沉淀三大主要工藝。理論上，首次從湍流微結(jié)構(gòu)的尺度即亞微觀尺度對混凝的動力學(xué)問題進(jìn)行了深入了研究，提出了“慣性效應(yīng)”是絮凝的動力學(xué)致因，湍流剪切力是絮凝反應(yīng)中決定性的動力學(xué)因素，并建立了絮凝的動力相似準(zhǔn)則；首次指出擴(kuò)散過程應(yīng)分為宏觀擴(kuò)散與亞微觀擴(kuò)散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴(kuò)散的動力學(xué)致因是慣性效應(yīng)，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。由于新理論克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)給水處理技術(shù)理論上的缺陷和實(shí)踐上的不足，因而導(dǎo)致了在給水處理技術(shù)上的重大

2、突破。實(shí)踐中，發(fā)明了列管式混合器、翼片隔板反應(yīng)設(shè)備、接觸絮凝斜板沉淀設(shè)備等。目前這項(xiàng)新技術(shù)已在全國近50多家水廠成功地推廣使用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。工程實(shí)踐證明：此項(xiàng)技術(shù)用于新建水廠，工藝部分基建投資可節(jié)約2030%；用于舊水廠技術(shù)改造，可使處理水量增加75%100%，而其改造投資僅為與凈增水量同等規(guī)模新建水廠投資的30%50%。采用此項(xiàng)技術(shù)可使沉淀池出水濁度低于3度，濾后水接近0度，可節(jié)省濾池反沖洗水量50%，節(jié)省藥劑投加量30%，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用和制水成本。這項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)廣泛，不僅對低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時，對微污染原水具有較好的處理效果。可利用最小投資，取得最大效

3、益，充分發(fā)揮現(xiàn)有供水設(shè)施的潛力，在短時間內(nèi)緩解城市供水短缺狀況，促進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。二、“渦旋混凝給水處理技術(shù)”的工作機(jī)理（一）混合混合是反應(yīng)第一關(guān)，也是非常重要的一關(guān)，在這個過程中應(yīng)使混凝劑水解產(chǎn)物迅速地擴(kuò)散到水體中的每一個細(xì)部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩(wěn)并凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。因?yàn)樵诨旌线^程中同時產(chǎn)生膠體顆粒脫穩(wěn)與凝聚，可以把這個過程稱為初級混凝過程，但這個過程的主要作用是混合，因此都稱為混合過程?；旌蠁栴}的實(shí)質(zhì)是混凝劑水解產(chǎn)物在水中的擴(kuò)散問題，使水中膠體顆粒同時脫穩(wěn)產(chǎn)生凝聚，是取得好的絮凝效果的先決條件，也是節(jié)省投藥量的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，

4、國內(nèi)外采用管式靜態(tài)混合器使混合效果有了比較明顯地提高，但由于人們對于多相物系反應(yīng)中亞微觀傳質(zhì)以及湍流微結(jié)構(gòu)在膠體顆粒初始凝聚時的作用認(rèn)識不清，故也妨礙了混凝效果的進(jìn)一步提高?；炷齽┧猱a(chǎn)物在混合設(shè)備中的擴(kuò)散應(yīng)分為兩類：(1)宏觀擴(kuò)散，即使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體各個宏觀部位，其擴(kuò)散系數(shù)很大，這部分?jǐn)U散是由大渦旋的動力作用導(dǎo)致的，因而宏觀擴(kuò)散可以短時間內(nèi)完成；(2)亞微觀擴(kuò)散，即濁凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位的擴(kuò)散，這部分?jǐn)U散系數(shù)比宏觀擴(kuò)散小幾個數(shù)量級。亞微觀擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散。因此使混凝劑水解產(chǎn)物擴(kuò)散到水體第一個細(xì)部是很困難的。在水處理反應(yīng)中亞微觀擴(kuò)散是起決定性作用的動力學(xué)因素。例如高濁水的處理

5、中，混凝劑水解產(chǎn)物的亞微觀擴(kuò)散成為控制處理效果的決定性因素。由于混凝劑的水解產(chǎn)物向極鄰近部擴(kuò)散的速度非常慢，在高濁度期水中膠體顆粒數(shù)量非常多，因此沒等混凝劑水解產(chǎn)物在極鄰近部位擴(kuò)散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時期有些地方混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些地方還根本沒有?；炷齽┚植考械牡胤降\花迅速長大，形成松散的礬花顆粒，遇到強(qiáng)的剪切力吸附橋則被剪斷，出現(xiàn)了局部過反應(yīng)現(xiàn)象。藥劑沒擴(kuò)散到的地方膠體顆粒尚未脫穩(wěn)，這部分絮凝反應(yīng)勢必不完善。這一方面是因?yàn)樗鼈兏簧弦衙摲€(wěn)膠體顆粒的反應(yīng)速度，另一方面是因?yàn)榛炷齽┘袇^(qū)域礬花迅速不合理長大，也使未脫穩(wěn)的膠體顆粒失去了反應(yīng)碰撞條件。這樣就

6、導(dǎo)致了高濁時期污泥沉淀性能很差，水廠出水水質(zhì)不能保證。按傳統(tǒng)工藝建造的水廠，在特大高濁時都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質(zhì)。這是由于過去工程界的人們對亞微觀傳質(zhì)現(xiàn)象不認(rèn)識，對其傳質(zhì)的動力學(xué)致因也不認(rèn)識，因此傳統(tǒng)的混合設(shè)備無能力解決高濁時混合不均問題，這不僅使水廠在特大高濁時大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的嚴(yán)重消費(fèi)和造成出水的pH值過低。亞微觀擴(kuò)散究其實(shí)質(zhì)是層流擴(kuò)散，其擴(kuò)散規(guī)律與用蜚克定律描寫的宏觀擴(kuò)散規(guī)律完全不同。當(dāng)研究尺度接近湍流微結(jié)構(gòu)尺度時，物質(zhì)擴(kuò)散過程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴(kuò)散。在湍流水流中亞微觀傳質(zhì)主要是由慣性效應(yīng)導(dǎo)致的物質(zhì)遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應(yīng)。

7、我們的管式微渦初級混凝設(shè)備，就是利用高比例高強(qiáng)度微渦旋的離心慣性效應(yīng)來克服亞微觀傳質(zhì)阻力，增加亞微觀傳質(zhì)速率。生產(chǎn)使用證明這兩種設(shè)備在高濁時混合效果良好，不僅比傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節(jié)省了投藥量。（二）反應(yīng)絮凝是給水處理的最重要的工藝環(huán)節(jié)，濾池出水水質(zhì)主要由絮凝效果決定的。傳統(tǒng)廊道反應(yīng)、回轉(zhuǎn)孔室反應(yīng)以及回轉(zhuǎn)組合式隔板反應(yīng)的絮凝工藝，水在設(shè)備中停留2030分鐘，水中尚有很多絮凝不完善的小顆粒。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了普通網(wǎng)格反應(yīng)；國外推出了折板式與波形板反應(yīng)設(shè)備，使絮凝效果有了比較明顯地改善。但由于人們對絮凝的動力學(xué)本質(zhì)認(rèn)識問題，妨礙了絮凝效果的進(jìn)一步提高。1.絮凝的動力學(xué)致因

8、絮凝長大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決于下面兩個因素：一是混凝劑水解后產(chǎn)生的高分子絡(luò)合物形成吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力，這是由混凝劑的性質(zhì)決定的；二是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進(jìn)行合理的有效碰撞，這是由設(shè)備的動力學(xué)條件所決定的。導(dǎo)致水流中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學(xué)科認(rèn)為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學(xué)致因。按照這一理論，要想增加碰撞幾率就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝過程是速度受限過程，隨著礬花的長大，水流速度應(yīng)不斷減少。絮凝的動力學(xué)致因究竟是什么？是慣性效應(yīng)。因?yàn)樗沁B續(xù)介質(zhì)。水中的

9、速度分布是連續(xù)的，沒有任何跳躍，水中兩個質(zhì)點(diǎn)相距越近其速度差越小，當(dāng)兩個質(zhì)點(diǎn)相距為無究小時，其速度差亦為無窮小，即無速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運(yùn)動，由于沒有速度差就不會發(fā)生碰撞。由此可見要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動，這樣水流就會對顆粒運(yùn)動產(chǎn)生水力阻力。由于不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度顆粒之間就產(chǎn)生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動呢？最好的辦法是改變水流的速度。因?yàn)樗膽T性（密度）與顆粒的慣性（密度）不同，當(dāng)水流速度變化時它們的速度變

10、化（加速度）也不同，這就使得水與其中固體顆粒產(chǎn)生了相對運(yùn)動。為相鄰不同尺度顆粒碰撞提供了條件。這就是慣性效應(yīng)的基本理論。改變速度方法有兩種：一是改變水流時平均速度大小。水力脈沖澄清池、波形板反應(yīng)池、孔室反應(yīng)池以及濾池的微絮凝主要就是利用水流時平均速度變化形成慣性效應(yīng)來進(jìn)行絮凝；二是改變水流方向。因?yàn)橥牧髦谐錆M著大大小小的渦旋，因此水流質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動時不斷地在改變自己的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。當(dāng)水流作渦旋運(yùn)動時在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產(chǎn)生相對運(yùn)動，為不同尺度顆粒沿湍流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質(zhì)量所受離心慣性力是不同的，這個作用將增加不同尺度顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的幾率。

11、渦旋越小，其慣性力越強(qiáng)，慣性效應(yīng)越強(qiáng)絮凝作用就越好。由此可見湍流中的微小渦旋的離心慣性效應(yīng)是絮凝的重要的動力學(xué)致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數(shù)，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的流動通道上增設(shè)多層翼片隔板的辦法來實(shí)現(xiàn)。由于水流的慣性作用，使過水流的大渦旋變成小渦旋，小渦旋變成更小的渦旋。增設(shè)翼片隔板后有如下作用：(1)水流通過該區(qū)段是速度激烈變化的區(qū)段，也是慣性效應(yīng)最強(qiáng)、顆粒碰撞幾率最高的區(qū)段；(2) 翼片隔板之后湍流的渦旋尺度大幅度減少，微渦旋比例增強(qiáng)，渦旋的離心慣性效應(yīng)增加，有效地增加了顆粒碰撞次數(shù)；(3)由于水流的慣性作用，

12、礬花產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形，使礬花中處于吸附能級低的部分，由于其變形揉動作用達(dá)到高吸能級的部位，這樣就使得通過該區(qū)之后礬花變得更密實(shí)。2.礬花的合理的有效碰撞要達(dá)到好的絮凝效果除了要有顆粒大量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞。使顆粒凝聚起來的碰撞稱之為有效碰撞。一方面，如果在絮凝中顆粒凝聚長大得過快會出現(xiàn)兩個問題：(1)礬花長得過快其強(qiáng)度則減弱，在流動過程中遇到強(qiáng)的剪切就會使吸附架橋被剪斷，被剪斷的吸附架橋很難再連續(xù)起來，這種現(xiàn)象稱之為過反應(yīng)現(xiàn)象，應(yīng)該被絕對禁止；(2)一些礬花過快的長大會使水中礬花比表面積急劇減少，一些反應(yīng)不完善的小顆粒失去了反應(yīng)條件，這些小顆粒與大顆粒碰撞幾率急劇減小，很難再

13、長大起來。這些顆粒不僅不能為沉淀池所截留，也很難為濾池截留。另一方面，絮凝池中礬花顆粒也不能長得過慢，礬花長得過慢雖然密實(shí)，但當(dāng)其達(dá)到沉淀池時，還有很多顆粒沒有長到沉淀尺度，出水水質(zhì)也不會好。此由看到在絮凝池設(shè)計中應(yīng)控制礬花顆粒的合理長大。礬花的顆粒尺度與其密實(shí)度取決兩方面因素：其一是混凝水解產(chǎn)物形成的吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個力的對比關(guān)系決定了礬花顆粒尺度與其密實(shí)度。吸附架橋的聯(lián)結(jié)能力是由混凝劑性質(zhì)決定的，而湍流的剪切力是由構(gòu)筑物創(chuàng)造的流動條件所決定的。如果在絮凝池的設(shè)計中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。多相流動物系反應(yīng)控制理論的提出，真正建立起水處理工

14、藝中的動力相似。使我們認(rèn)識到湍流剪切力是絮凝過程中的控制動力學(xué)因素，如果在大小兩個不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那么具有同樣聯(lián)結(jié)強(qiáng)度的礬花顆?？梢栽趦蓚€不同尺度的絮凝過程中同時存在，這在某種意義上也就實(shí)現(xiàn)了兩個絮凝過程絮凝效果的相似。弗羅德數(shù)可以作為相似準(zhǔn)則數(shù)，可以表明湍流剪切力的大小，兩個尺度不同的絮凝過程當(dāng)其弗羅德數(shù)相等時，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制絮凝效果的相似，因?yàn)橥牧骷羟辛ο嗟葧r兩個不同的絮凝過程的礬花聯(lián)結(jié)強(qiáng)度相等，但礬花的密實(shí)度與沉淀性能卻不一定相同。礬花的密實(shí)程度可用湍動度來控制，湍動度值越大表明在固定時間內(nèi)流動固定空間

15、點(diǎn)的渦流數(shù)量越多，渦旋強(qiáng)度越大，礬花也越密實(shí)。在實(shí)際工作中是不可能測定湍動度的。慶幸的是當(dāng)湍流剪切力相等時，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強(qiáng)度越大，形成的礬花越密實(shí)，這已為試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐的所證實(shí)。這樣就可以保證把小尺度的試驗(yàn)結(jié)果按照弗羅德數(shù)相等來放大，放大后的絮凝效果會更好、更可靠。因而我們也可以通過科學(xué)地布設(shè)翼片隔板，通過弗羅德數(shù)這個相似準(zhǔn)則，來控制絮凝過程中水流的剪切力和湍動度，形成易于沉淀的密實(shí)礬花。（三）沉淀沉淀設(shè)備是水處理工藝中泥水分離的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況直接影響出水水質(zhì)。傳統(tǒng)的平流沉淀池優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，工作安全可靠；缺點(diǎn)是占地面積大，處理效率低，要想降低濾前水的

16、濁度就要較大地加大沉淀池的長度。淺池理論的出現(xiàn)使沉淀技術(shù)有了長足的進(jìn)步。七十年代以后，我國各地水廠普遍使用了斜管沉淀池，沉淀效率得到了大幅度提高。但經(jīng)過幾十年應(yīng)用其可靠性遠(yuǎn)不如平流沉淀池，特別是高濁時期、低溫低濁時期以及投藥不正常時期。傳統(tǒng)沉淀理論認(rèn)為斜板、斜管沉淀池中水流處于層流狀態(tài)。其實(shí)不然，實(shí)際上在斜管沉淀池中水流是有脈動的，這是因?yàn)楫?dāng)斜管中的大礬花顆粒在沉淀中與水產(chǎn)生相對運(yùn)動，會在礬花顆粒后面產(chǎn)生小旋渦，這些旋渦的產(chǎn)生與運(yùn)動造成了水流的脈動。這些脈動對于大的礬花顆粒的沉淀無什么影響，對于反應(yīng)不完全小顆粒的沉淀起到頂托作用，故此此也就影響了出水水質(zhì)。為了克服這一現(xiàn)象，抑制水流的脈動，我們

17、推動了接觸絮凝斜板沉淀設(shè)備。這一設(shè)備還有下面一些優(yōu)點(diǎn)：(1)由于間距明顯減少，礬花沉淀距離也明顯減少，使更多小顆粒可以沉淀下來；(2)由于間距減少，水力阻力增大，使之占水流在沉淀池中水力阻力的主要部分，這樣沉淀池中流量分布均勻，與斜管相比明顯地改善了沉淀?xiàng)l件；(3)這種設(shè)備由于下面幾個原因其排泥性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他形式的淺池沉淀池；(a)這種設(shè)備基本無側(cè)向約束；(b)這種設(shè)備沉淀面積與排泥面積相等；對普通斜管來說排泥面積只占其沉淀面積的一半，在特殊時期如高濁期，低溫濁期或加藥失誤時期污泥沉降性能、特別是排泥性能明顯變壞，在斜管排泥面的邊緣處由于沉積數(shù)量與斜面上滑落下來的污泥數(shù)量大于排走的數(shù)量，造成污

18、泥的堆積。所以一旦在斜管的角落處產(chǎn)生污泥的堆積， 這淹使瓜面減少，上升流速增加，增加了污泥下滑的頂托力，進(jìn)一步增加污泥堆積。所以一旦在斜管角落處產(chǎn)生污泥的堆積，就產(chǎn)生了污泥堆積的惡性循環(huán)。這種作用開始時由于斜管上升流速的增加，沉淀效果變壞，沉后水濁度增高，當(dāng)污泥堆積到一定程度時，由于上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥卷起，使水質(zhì)嚴(yán)重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區(qū)又由斜管沉淀池改為平流沉淀池。而小間距斜板沉淀池其排泥面積是普通斜管的4倍多，單位面積排泥負(fù)荷尚不到斜管的1/4，故在任何時期排泥均無障礙。三、“渦旋混凝給水處理技術(shù)”的工藝特點(diǎn)（一）處理效率高、占地面積小、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

19、由于混合迅速(330秒)，反應(yīng)時間短(812分鐘)，沉淀池上升流速高(2.53.5mm/s)，因此可大為縮短水在處理構(gòu)筑物中的停留時間，大幅度提高處理效率，因而也就節(jié)省了構(gòu)筑物的基建投資。工程實(shí)踐證實(shí)：與傳統(tǒng)工藝相比，采用新技術(shù)用于新建水廠，主體工藝構(gòu)筑物可節(jié)省投資1520%，并可大幅度減少主體構(gòu)筑物占地面積。占地面積與平流沉淀池比較可節(jié)省70%，與斜管沉淀池比較可節(jié)省40%。（二）處理水質(zhì)優(yōu)，社會效益好，水質(zhì)效益可觀。幾年運(yùn)行實(shí)踐證明，這項(xiàng)工藝可使沉后水濁度穩(wěn)定在3度以下，濾后水接近0度，這就形成了一個很高的水質(zhì)效益。水質(zhì)效益一方面就是社會效益，另一方面是潛在的經(jīng)濟(jì)效益。我國現(xiàn)行飲用水水質(zhì)標(biāo)

20、準(zhǔn)為濁度不超過3度，而發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)是不超過1度。隨著人民生活水平的提高，我國也將進(jìn)一步提高生活用水標(biāo)準(zhǔn)。如果其標(biāo)準(zhǔn)提高到1度，那么大部分城市現(xiàn)有處理設(shè)備和工藝是難以達(dá)到的，只有通過大幅度投資擴(kuò)建新水廠，才能解決水質(zhì)和水量的矛盾。而采用此工藝可穩(wěn)定保持出廠水濁度低于1度。由此可見，其潛在的水質(zhì)效益是相當(dāng)可觀的。（三）抗沖擊能力強(qiáng)，適用水質(zhì)廣泛。實(shí)踐證明，此項(xiàng)技術(shù)抗沖擊的能力較強(qiáng)，當(dāng)原水濁度、進(jìn)水流量、投加藥量發(fā)生一些變化時，沉淀池出水濁度不象傳統(tǒng)工藝那樣敏感。其原因是，這項(xiàng)工藝的沉淀池上升流速按3.5mm/s設(shè)計時尚有很大潛力。運(yùn)行實(shí)踐表明，這項(xiàng)工藝對低溫低濁、汛期高濁以及微污染等特殊原水水質(zhì)的

21、處理均非常有效。低溫低濁水中固體顆粒少，顆粒尺度小，有機(jī)物含量相對高，比重小。從顆粒級配來看也相對均勻，加之低溫時藥劑吸附架橋能力下降，這些都給絮凝與沉降帶來困難。新技術(shù)采用的絮翼片隔板凝設(shè)備，可大幅度增加顆粒碰撞幾率，克服了固體顆粒少、難于相互碰撞的缺點(diǎn)，形成比較密實(shí)的礬花，在接觸絮凝斜板上有效的沉淀下來。對高濁水來說，顆粒碰撞已不成問題，但在這種情況下混凝劑的亞微觀擴(kuò)散阻力大幅度增加。傳統(tǒng)方法很難使亞微觀傳質(zhì)在混合設(shè)備中完成。也就是說，有一部分地方會出現(xiàn)過反應(yīng)情況，而這些地方反應(yīng)不足，致使絮凝效果惡化，以致于礬花沉降性能變壞；再加上斜管沉淀池本身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致排泥不暢的缺點(diǎn)，使得高濁水處理成為難

22、題。新技術(shù)由于能在各種情況下迅速完成藥劑的亞微觀擴(kuò)散，同時小間距斜板克服了普通斜管排泥不暢的缺點(diǎn)，故此對高濁水處理十分有效。我國目前普遍采用強(qiáng)氧化劑預(yù)氧化或生物預(yù)處理措施去除微污染。然而，無論何種預(yù)處理方法，都要通過反應(yīng)使水中的有機(jī)物析出，使它們達(dá)到膠體顆粒尺度，最終通過絮凝、沉淀、過濾的方法與水中的其他顆粒一起去除。因此，高效能的絮凝與沉淀設(shè)備是去除微污染更有效的設(shè)備。實(shí)踐證明，這項(xiàng)新技術(shù)在去除水中有機(jī)污染方面同樣行之有效。（四）制水成本降低。1.由于新技術(shù)采用先進(jìn)的混合及反應(yīng)設(shè)備，可節(jié)省投藥量30%；2.由于新技術(shù)沉后水濁度在3度以下，減輕了濾池負(fù)擔(dān)，因此濾池反沖洗水可節(jié)省50%左右，并可

23、延長濾料更換周期；3.基建費(fèi)用的大幅度節(jié)省，可較大程度降低投資折舊率。從以上三個方面來看，新技術(shù)的使用可使制水成本顯著降低。（五）工期短、見效快。此項(xiàng)技術(shù)用于新水廠的建設(shè)，從設(shè)計到安裝調(diào)試只需23個月，可以在短時間內(nèi)解決城市供水不足的狀況。隨著我國城市建設(shè)的迅速發(fā)展，很多城市供水設(shè)施由于投資緊張，都嚴(yán)重滯后于城市的發(fā)展，造成很多城市缺水的局面。加之水質(zhì)污染，水土流失等因素的影響，傳統(tǒng)工藝暴露出難以克服的問題，而影響優(yōu)質(zhì)供水。而這項(xiàng)新技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)工藝無法解決的問題?？傊?，這項(xiàng)新技術(shù)具有處理效率高、水質(zhì)好、投資省、制水成本低等特點(diǎn)。此技術(shù)的推廣應(yīng)用，可最大限度地挖掘利用現(xiàn)有水資源和供水設(shè)施

24、的潛力，利用最小投資取得最大效益。我們愿與全國各城市水司竭誠合作，使這項(xiàng)技術(shù)得以更快地推廣，造福于當(dāng)?shù)厝嗣瘛u旋理論發(fā)展及其在混凝過程中的應(yīng)用1 緒論 環(huán)境水力學(xué)，是形成和建立不久的一門新的學(xué)科分支。它研究的對象既有水力學(xué)的問題，也包括環(huán)境問題。水力學(xué)作為水利科學(xué)的一個分支，已有悠久的歷史；而環(huán)境科學(xué)是近二三十年才發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，環(huán)境水力學(xué)正是在古老的水力學(xué)嶄新的環(huán)境科學(xué)的結(jié)合點(diǎn)上生長起來的一門交叉學(xué)科。正是由于這樣的交叉，使得環(huán)境水力學(xué)的理論中既繼承了許多傳統(tǒng)的內(nèi)容，也不斷地在發(fā)展著自己持有的理論基礎(chǔ)，涉及到的內(nèi)容有水力學(xué)或流體力學(xué)的基本理論，及環(huán)境科學(xué)的一般理論；還有屬于本學(xué)科自身

25、發(fā)展起來、不斷充實(shí)的一些理論，如污染物在天然水體中的稀釋擴(kuò)散規(guī)律、天然凈化機(jī)理，各種水體(海洋、河流、湖泊)中，各種排放條件下污染物的遷移、運(yùn)動規(guī)律，同時也研究環(huán)境工程中的水力學(xué)問題，如沉淀池中水力學(xué)特性對沉淀效率的影響、過濾裝置中水流的特性及對處理效率的影響等等1，2。下面，將分別介紹環(huán)境水力學(xué)在環(huán)境方面的研究、應(yīng)用情況。1.1 環(huán)境水力學(xué)研究的現(xiàn)狀320世紀(jì)70年代以來，隨著水環(huán)境問題研究的深入和相關(guān)學(xué)科及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境水力學(xué)無論在深度和廣度上都取得了很大的進(jìn)展。遠(yuǎn)區(qū)紊動擴(kuò)散與離散的研究從對規(guī)則邊界中的恒定流動向復(fù)雜流動和非恒定流動發(fā)展，如天然河流、山區(qū)河流、分漢河段4、交匯河段5、

26、潮汐河段6、尾流7、分層流8等。與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動中的復(fù)雜射流發(fā)展，如橫流、分層流、淺水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋動射流等。使時均流場與物質(zhì)濃度場控制方程封閉的紊流模型由簡單模型向精細(xì)模型發(fā)展，如K-雙方程紊流模型，基于重整化群RNG的K雙方程紊流模型，雷諾應(yīng)力傳輸方程模型及大渦模擬等。水流-水質(zhì)計算模型由零維、一維穩(wěn)態(tài)模型向二維、三維動態(tài)模型發(fā)展；被模擬的狀態(tài)變量不斷增多，由開始的幾個增加到二三十個，模擬的變量由非生命物質(zhì)如“三氧”(溶解氧、生物化學(xué)需氧及化學(xué)需氧)、“三氮”(氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮)等等向細(xì)菌、藻類、浮

27、游動物、底棲動物等水生生物發(fā)展；應(yīng)用范圍由河流、水庫、湖泊等單一水體向流域性綜合水域發(fā)展；計算的時空網(wǎng)格數(shù)幾何增長，地理信息系統(tǒng)開始在水質(zhì)模型中應(yīng)用。數(shù)字圖像處理技術(shù)在環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)中的研究與應(yīng)用，有力地推動著環(huán)境水力學(xué)的發(fā)展2。1.2 環(huán)境水力學(xué)研究的趨勢3 研究對象由無生命組分進(jìn)入有生命組分，并向生態(tài)水力學(xué)發(fā)展20世紀(jì)60年代以前，環(huán)境水力學(xué)僅限于研究水域中非生命物質(zhì)的擴(kuò)散、輸移與轉(zhuǎn)化規(guī)律，70年代以來，隨著水體富營養(yǎng)化等生態(tài)問題的突出，其研究對象擴(kuò)展到藻類、浮游動物、魚類、底棲動物等水生生物。水流條件、邊界條件、非生物組分與生物組分間的相互作用以及水生物組分間的食物鏈關(guān)系成為環(huán)境水力學(xué)研

28、究的重要內(nèi)容，污染動力學(xué)與生長動力學(xué)結(jié)合使環(huán)境水力學(xué)向著生態(tài)水力學(xué)發(fā)展。 結(jié)臺“3S”，水流-水質(zhì)模型的研究范圍從單一局部水域向綜合水域發(fā)展隨著計算機(jī)和空間技術(shù)的發(fā)展，RS與GPS技術(shù)已能夠同時獲取大量的不同分辨率多譜段的可見光、紅外、微波輻射和測視雷達(dá)的數(shù)據(jù)，目前己與GIS結(jié)合進(jìn)入一個能快速即時提供多種對地觀測的具有整體性的動態(tài)資料，并對這些資料進(jìn)行分析與處理的新時段。1.3 環(huán)境水力學(xué)研究面臨的問題3 “三水”轉(zhuǎn)換的水質(zhì)模擬“三水”指天上水、地面水和地下水。在以往的水文學(xué)、水力學(xué)及地下水動力學(xué)中從水量與水流的角度對“三水”的轉(zhuǎn)化關(guān)系曾進(jìn)行過研究，但尚未從水質(zhì)的角度進(jìn)行過研究。其實(shí)無論是從水

29、量還是從水質(zhì)來說，“三水”之間都存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系，目前的水質(zhì)模擬中“三水”基本上是獨(dú)立的，彼此間的影響只作為一種邊界條件來體現(xiàn)，沒有作為一個相互影響的綜合系統(tǒng)來考慮。為從源頭治理水污染，需研究“三水”之間的水質(zhì)轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立“三水”轉(zhuǎn)換的水量水質(zhì)模型，為氣、水、土和生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理提供技術(shù)支持。 挾沙水流的水質(zhì)與生態(tài)模擬到目前為止，國內(nèi)外的水質(zhì)與生態(tài)模擬基本上是針對清水水域的這主要體現(xiàn)在模擬需用的物質(zhì)濃度是采用清水觀測方法監(jiān)測的。國內(nèi)外普遍規(guī)定對挾沙的渾水需將水樣過濾或澄清，用清水中的物質(zhì)濃度作為觀測濃度，該濃度值未計入泥沙中所含的物質(zhì)量。在水質(zhì)模擬中泥沙對水質(zhì)的影響也只反映在水域底部處于不沖

30、不淤前提下泥沙對物質(zhì)的吸附或釋放。天然實(shí)測資料表明，渾水樣和澄清水樣的物質(zhì)濃度差別很大。2 渦旋的理論基礎(chǔ)圖  1-1渦旋現(xiàn)象 渦旋亦稱有旋流，是做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的一種流體運(yùn)動。流體本身不僅發(fā)生轉(zhuǎn)動，而且其中任一股小單元均繞著瞬時軸線，以某一角速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在自然界中，龍卷風(fēng)、旋風(fēng)、水流過橋墩時的旋渦等，都是旋渦運(yùn)動。如左圖1-1顯示的是水流形成的渦旋。2.1 渦線、渦管、渦束和旋渦強(qiáng)度9 渦線是在某瞬時渦量場小所作的一條空間曲線，在該瞬間，位于渦線上的所有流體質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速度向量。均與該線相切。因此，渦線是給定瞬時曲線上所有流體質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動軸線。見圖2-1渦線的形狀及在空間的位置都隨時間

31、而不斷變化。但在恒定流動中，渦線的形狀保持不變。一般情況下。渦線與流線不重合，而與流經(jīng)相交。與流線方程類同，可以得到渦線的微分方程：     顯然，由于渦線的瞬時性，t應(yīng)該是渦線方程的一個參變量。給定瞬時，在渦量場中，過任意封閉圍線(不是渦線)上各點(diǎn)，作渦線所形成的狀表面，稱為渦管。若渦管中充滿著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的流體質(zhì)點(diǎn)就稱為渦束。旋轉(zhuǎn)角速度沿渦束長度改變，但在微小渦束的每一個截面上，流體質(zhì)點(diǎn)以同一角速度旋轉(zhuǎn)，旋渦在流場中對周圍流體的影響，以及沿渦束的變化，決定于旋轉(zhuǎn)角速度向量的和渦所包含授體的多少(用截面積A來表示)。如果面積A是渦束的某一橫截面積

32、，A就稱為渦束旋渦強(qiáng)度，它也是旋轉(zhuǎn)角速度矢量的通星，稱之為旋渦通量。旋渦強(qiáng)度不僅取決于n而且取決于A。流體質(zhì)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速度向量無法直接測量，所以旋渦強(qiáng)度不能直接計算。但是，旋渦強(qiáng)度與它周圍的速度密切相關(guān)，旋渦強(qiáng)度愈大，即或者角速度放大，或者渦束的截面積大，對周圍角度的影響也就愈大。因此，這里引入與旋渦周圍速度場有關(guān)的速度環(huán)量的概念，建立速度環(huán)量與旋渦強(qiáng)度之間的計算關(guān)系。這樣，通過計算渦束周圍的速度場，就可以得到旋渦強(qiáng)度。應(yīng)用斯托克斯定理，通過計算速度環(huán)量，可以決定封閉圍線所包圍的面積中全部旋渦的強(qiáng)度。2.2 渦旋的基本定理10 斯托克斯定理關(guān)于速度環(huán)量與旋渦強(qiáng)度的斯托克斯定理：沿任意封閉周線上

33、的速度環(huán)量，等于穿過該周線所包圍面積的旋渦強(qiáng)度的兩倍，即顯然，如果周線上所有各點(diǎn)的速度與周級垂直，那么，沿該周線的速度環(huán)量等于零。這一定理將旋渦強(qiáng)度與速度量聯(lián)系起來，結(jié)出了通過速度環(huán)量計算旋渦強(qiáng)度的方法。 湯姆遜定理湯姆遜(Tbomson)定理：在有勢質(zhì)量力的作用下，在理想的正壓性流體中，沿任何封閉流體圍線的速度環(huán)量不隨時間變化，即由湯姆遜定理可以得出，如果理想流體從靜止?fàn)顟B(tài)開始流動，流動中始終沿相同流體質(zhì)點(diǎn)組成的封閉圍線線，它的速度環(huán)量等于零。根據(jù)斯托克斯定理，旋渦強(qiáng)度由速度環(huán)量度量。因此，在有勢質(zhì)量力的作用下，理想不可壓縮液體，若初始沒有旋渦，旋渦不可能在流動過程個自己產(chǎn)生；或者相反，若初

34、始有旋渦，流動中也不會自行消失。如果從靜止開始的流動，由于某種原因產(chǎn)生了旋渦，則在該瞬間必然會產(chǎn)生一個環(huán)量大小相等方向相反的旋渦，保持環(huán)量為零。實(shí)際上，只有存在著粘性的真實(shí)流體，旋渦才會產(chǎn)生和消失。因而，不能應(yīng)用湯姆遜定理。但當(dāng)粘性影響較小，且時間比較短的情況下，真實(shí)流體也可以應(yīng)用暢姆遜定理。渦管特性的亥姆霍茲三定理亥姆霍茲(Helmho1ts)第一定理：在同一瞬時沿渦管長度，旋渦強(qiáng)度保持不變。這一定理說明，流動空間中的渦管，既不能突然中斷，也不能突然產(chǎn)生。同樣，渦管也不能以尖端形式出現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)Aj0時，必須有n，而這是不可能的，所以流體中的旋渦不能以尖端發(fā)生或告終。亥姆霍茲第一定理決定了在流

35、動過程中渦管存在的形式，它只能自成封閉管圈，或者渦管的兩端附在邊界上。對于真實(shí)流體，由于粘性摩擦力消耗能量，渦管將在運(yùn)動中逐漸消失。亥姆霍茲第二定理：在有勢質(zhì)量力作用下的正壓性理想流體中，渦管永遠(yuǎn)保持相同的流體質(zhì)點(diǎn)組成而不被破壞。因?yàn)闇u管表面上不可能有渦線通過，根據(jù)斯托克斯定理，沿封閉圍線L的環(huán)量L0。又由湯姆遜定理，環(huán)量不隨時間而變化，所以沿封閉圍線入上環(huán)量保持為零。沿封閉圍線L上環(huán)量保持為零。這說明在任何時候，都不可能有渦線穿過任何圍線所包圍的面積，所以，隨時間變化，雖然渦管的形狀會不斷變化，但組成渦管的流體質(zhì)點(diǎn)永遠(yuǎn)在渦管上，渦管能夠保持不變而不被破壞。亥姆霍茲第三定理：在有勢質(zhì)量力作用下

36、的正壓性理想流體中，渦管的旋渦強(qiáng)度不隨時間變化。亥姆霍茲第一定理說明同“瞬時沿渦管長度旋渦強(qiáng)度保持不變，它是斯托克斯定理的推論，說明同一瞬間空間上旋渦的變化情況，這是個運(yùn)動學(xué)的問題，對理想或粘性流體部成立。第二、第三定理說明渦管的旋渦強(qiáng)度不隨時間改變、它由斯托克斯定理和湯姆姆遜定理加以證明。對于真實(shí)流體，粘性摩擦消耗能量會使旋渦強(qiáng)度逐漸減弱，因此，第二、三定理只適用于理想的正壓流體。2.3 渦旋速度和壓強(qiáng)的分布10由流體微團(tuán)形成的旋渦，可看作個如同剛體那樣轉(zhuǎn)動的渦核。渦核(線)在靜止流體中旋轉(zhuǎn)時，由于流體的粘性作用，將帶動周圍的流體圍繞渦核作圓周運(yùn)動。顯然，剛開始時。由于速度梯度大，存在比較大

37、的粘性作用，以后逐漸減小，當(dāng)周圍運(yùn)動穩(wěn)定后，粘性作用就變得很小，這時流體粘性作用可以略去不計，看作為理想流體。渦核在周圍的流體中感生出速度，使在整個流域形成面生速度場(這種感生的流場是二元流動，流體只有由渦核感生的圓周運(yùn)動)、所以流場內(nèi)某點(diǎn)(rr0)的速度為渦核內(nèi)流體作有旋運(yùn)功，不能應(yīng)用拉格朗日積分。旋渦區(qū)內(nèi)流線是以原點(diǎn)為圓心的同心園簇，可以沿流線應(yīng)用伯努利方程，但這方程不能解出不同流線間的壓強(qiáng)分布，可采用歐拉運(yùn)動微分方程積分求解。在旋渦區(qū)內(nèi)愈靠近中心，壓強(qiáng)P急驟降低，因此在旋渦中心處產(chǎn)生一個很大的吸力，對旋渦區(qū)外的流體具有抽吸作用。2.4 渦旋的拉伸11湍流是有旋運(yùn)動，湍流是由各種尺度的大小

38、渦旋組合而成的。湍流場中流體微團(tuán)變形和旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)烈相互作用是湍流的重要機(jī)理。隨渦旋拉伸，渦線改變方向等過程的進(jìn)行，流場愈變得復(fù)雜起來，需要以隨機(jī)理論進(jìn)行分析。根據(jù)隨機(jī)游動理論，一個隨機(jī)運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)，在平均意義上，離開起點(diǎn)的距離是增加的，這意味著，位于給定渦線端點(diǎn)的兩質(zhì)點(diǎn)，在有隨機(jī)擾動的流場中，它們之間的長度盡管會縮短，但平均起來總是增加的；渦旋總是拉伸的，渦量是增加的。渦旋發(fā)展的一個主要機(jī)理是渦旋的拉伸。下面分幾點(diǎn)說明渦旋拉伸的性質(zhì)及其產(chǎn)生的結(jié)果。(1)   渦旋變形的影響以拉伸為主，拉伸導(dǎo)致渦量的強(qiáng)化?？偟恼f來，元渦拉伸，斷面縮小，渦量加強(qiáng)是主要的。(2) 

39、0; 渦旋拉仲的發(fā)展說明紊動必然是三維的。對于紊流，盡管時均流動可以是二維的，紊動則必然是三維的，即瞬時量必然是三維的。(3)   渦旋拉伸的發(fā)展導(dǎo)致小尺度渦旋的各向同性。元渦在一個方向例如X1方向的拉伸縮小了斷面而強(qiáng)化了渦量，其結(jié)果增大了另外兩個方向的流速分量，這樣使得鄰近的X1、X2兩個方向的元渦也受到拉伸。伯勒特梭(Bradshaw，P)提出紊動渦旋的“家譜”(圖2-2)來描述紊動的發(fā)展過程。由圖可見，一個方向渦旋的拉伸誘發(fā)另外兩個方向渦旋的拉伸，如此“一代一代”傳遞下去，各方向的渦旅分布愈來愈趨于均勻。因此得出結(jié)論：在紊流中，小尺度渦旋沒有特殊的方向性，即具有各向同

40、性的待征。2.5 渦旋級串的形成11根據(jù)湯森等人的研究，存在于時均流動的各種尺度渦旋中，以方向和流場中的正應(yīng)變主釉大體一致的渦旋為主，從時均流動吸取能量，然后逐級傳遞下去。由于渦旋拉伸，尺度逐級變小，轉(zhuǎn)速則增大，粘性應(yīng)力梯度也隨之增大，粘性對渦量的擴(kuò)散愈來愈重要。當(dāng)粘性對渦量的擴(kuò)散與拉伸對渦量的加強(qiáng)互相平衡時，渦旋尺度不再減小，而達(dá)到極限，最后能量通過小尺度的渦旋耗損轉(zhuǎn)化為熱能。這樣形成一個渦旋的級串(vortex cascade)。在渦旋尺度還沒有小到足以使粘性發(fā)揮作用以前，能量逐級傳遞的過程可以認(rèn)為相粘性無關(guān)。消耗能量的數(shù)量則決定于開始下傳能量的數(shù)量。2.6 渦旋的運(yùn)動11由于渦旋運(yùn)動的復(fù)

41、雜性及邊界條件的多變性，目前對渦旋問題尚難提出理論的精確解。一般根據(jù)N-S方程組，再根據(jù)所研究問題的邊界條件進(jìn)行簡化分析。3 渦旋理論在混凝中的應(yīng)用水的混凝機(jī)理一直是水處理與化學(xué)工作者們關(guān)心的課題，迄今也還沒有一個統(tǒng)一的認(rèn)識。一般認(rèn)為：混凝分為凝聚和絮凝兩個過程。凝聚是瞬時的，它是反映化學(xué)藥劑在水中擴(kuò)散的過程。絮凝則與凝聚不同，它反映脫穩(wěn)后的膠體顆?；ハ嗯鲎埠笳吃谝黄鹦纬纱笾率怯谰眯跃奂w的過程。凝聚的時間很短，要想把凝聚和絮凝完全分開是很難的，為了突出絮凝的特點(diǎn)又把大分子量的或者高分子聚合物稱為絮凝劑。目前，對于渦旋在混凝中的應(yīng)用，主要存在兩種：渦旋剪切混凝和渦旋慣性離心混凝。3.1 渦旋剪

42、切混凝紊流運(yùn)動中的渦旋運(yùn)動規(guī)律可用下式表達(dá)式中，為常數(shù)；為指數(shù)，一般=0.5-0.9；為計算點(diǎn)的切向速度；為計算點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，即渦旋半徑。則半徑R處的速度梯度，即塑變形為：Heisenbery提出13，即便是湍流也可把它看成是平均流來研究它的特征。如海水流動時雖然速度、位置都隨時間而變化，在很長的時間內(nèi)觀察時，可看成是湍流；但是在很短的時間內(nèi)可將其看成是平均流。這與Ross提出的紊流流動可模型化為一些復(fù)雜層流運(yùn)動的組合觀點(diǎn)一致14。借助坎布(Camp)的混凝方程，由渦旋速度梯度引起的單位積水中單位時間內(nèi)和顆粒碰撞次數(shù)Nij可表示為式中，ni為顆粒濃度；nj為顆粒濃度：ri為顆粒半徑；rj為顆

43、粒半徑；其余符號意義同前。3.2 渦旋慣性離心混凝在渦旋速度場中，混凝顆粒隨水流一起做渦旋運(yùn)動，則距旋轉(zhuǎn)中心為R、顆粒半徑為、密度s的球形顆粒，在旋轉(zhuǎn)水流中所受的離心力F為：式中，為顆粒在水中的有效質(zhì)量，；為水的密度。絮凝顆粒徑向運(yùn)動時所受阻力Fd可表示為顆粒在徑向方向的運(yùn)動方程由牛頓第二定律得當(dāng)顆粒作等速運(yùn)動時，即，離心力與阻力平衡，得出顆粒在徑向的運(yùn)動速度為式中，V為顆粒的徑向運(yùn)動速度；V0為顆粒的自由沉速；Cd為阻力系數(shù)；g為重力加速度；其余符號意義同前。上面的討論雖是針對球形顆粒進(jìn)行的，但對非球形顆粒同樣適用，因此顆粒在慣性離心力作用下作徑向運(yùn)動時，大顆粒運(yùn)動的快，小顆粒運(yùn)動的慢，這一速度差為顆粒碰撞提供了條件。則徑向速度差引起的單位體積、單位時間內(nèi)和顆粒碰撞次數(shù)Nij可表示為式中，V0i為i顆粒的自由沉速；0j