文档介绍：微动力学混凝沉淀工艺理论与技术
徐立群
吉林省长春市吉林大学环境与资源学院博士后
[摘要]混凝沉淀工艺理论的发展与相关学科的最新进展密切相关,本文在介绍微水动力学粒
子运动理论研究的基础上,总结了混凝沉淀工艺动力学改进历程,介绍基于微水动力学理论
的新型混凝沉淀工艺-微动力学混凝沉淀工艺理论和技术。该工艺包括三个工艺过程,分别
是列管式混合工艺、翼片隔板絮凝工艺、接触絮凝沉淀工艺。微动力学混凝沉淀工艺近 3
年已应用于全国五十余座水厂,已取得了良好的经济效益和社会效益。
关键词:环境工程微水动力学混凝沉淀絮凝
混合沉淀过程中,大量存在的是 10-7m 至 10-3m 粒子,这些粒子在混合沉淀过程中运动、
碰撞、凝聚、破碎和沉淀,同时发生复杂的物理化学反应。迄今为止,关于这些过程的动力
学描述仍然以传统的速度梯度理论、相似理论和浅池理论为主。随着混凝沉淀工程实践的发
展,速度梯度理论、相似理论已不能满足要求,提高沉淀效率也需要沉淀理论进一步发展,
这就有必要探讨动力学机理,并推出新的高效节能、效果优良的工艺技术。
一、紊流中粒子的凝聚
混凝沉淀工艺过程是紊流中物理化学反应过程,涉及的流动状态和粒子尺度,基本处
于流体微水动力学研究范围内。微水动力学是新兴的边缘学科领域,仍不为水处理领域学者
所熟知。1970 年,Batchelor提出,含有 10-7m 至 10-4m 粒子的流体动力学行为,不仅在理论
方面有重大的研究价值,而且与传统的 Stokes粘性动力学方法有重大区别,应自成体系,并
建议该领域称为微流体力学(Microhydrodynamics)或微水动力学。微水动力学之所以成为
一个需单独研究的学科领域,是因为粒子在紊流中的运动极其复杂,紊流本身就是本世纪最
难攻克的课题之一,在紊流中运动的粒子的行为更加难以研究。微水动力学是研究流体中粒
子运动的专门学科,其发展受紊流研究认识和技术手段的限制,一直处于理论研究阶段,笔
者针对粒子的凝聚做了深入的理论研究[1],这些成果对实际应用具有指导意义。
研究粒子凝聚,首先需了解影响凝聚的因素。水流中的粒子凝聚受如下因素的影响:
(1)粒子自身的性质。如粒度、密度等性质,这些决定了粒子随水流运动的性质;(2)粒
子间的作用力。粒子自身的化学特性决定了粒子运动到一定距离时的力的作用,并影响到粒
子运动;(3)紊流微结构。对紊流中运动的粒子来讲,宏观的流场并不重要,其运动行为主
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要与粒子周围的流场、压差和紊流微结构有关。
在考虑以上因素的基础上,用频谱分析、频域和时域分析,结合紊流周-黄涡旋模型,
对粒子跟踪特性和粒子凝聚过程的研究指出[1],紊流中粒子的凝聚主要分为梯度凝聚、惯性
凝聚和热力学凝聚。对不同性质的粒子,三种凝聚机理哪种起主要作用需根据具体情况确定。
通常,水中的凝聚过程是梯度凝聚和惯性凝聚共同起作用的结果。对给定的粒子,何种紊流
凝聚机制起主要作用,取决于粒子对流场的跟踪能力。粒子对流场的跟踪能力受流场的脉动
频率、流体粘度、粒子粒径和密度影响最大。
粒子碰撞的研究得出了不同类型粒子在紊流中碰撞的定量结果,可计算粒子碰撞次数
和粒子碰撞率[1],为控制紊流中粒子的运动指明了方向。流体力学控制理论的成熟为控制粒
子凝聚提供了理论和技术指导,这些为更精细控制粒子凝聚过程和形成新的粒子凝聚型式提
供了条件。
二、混凝沉淀工艺技术型式的动力学改进历程
混凝沉淀工艺是目前给水处理、中水处理和部分污水处理的核心工艺,主要包含混合、
絮凝、沉淀三个工艺流程,它承担着水处理中 95%以上的负荷,已有 150 余年的历史。混
凝沉淀工艺中,对指定的絮凝剂,影响处理效果的主要是动力学控制方式和方法。混凝沉淀
动力学控制方式由流动边界决定,与工艺池型密切相关。为改进混凝沉淀工艺控制方式和方
法,需了解这些工艺的动力学发展历史和现状。混合、絮凝、沉淀工艺分别经历了不同的动
力学演进过程和不同的工艺改进模式,分析如下。
(一)混合工艺动力学改进历程
混合过程是向水中投加絮凝剂,絮凝剂水解产生复杂的水解产物,水解产物运动至紊
流中胶体粒子表面,使胶体粒子脱稳,并凝聚成微小絮凝体的过程。
水处理工艺发展初期,混合过程的重要性并未得到充分认识。工程上,絮凝剂(如明
矾或硫酸铝)被简单投加于加压泵的前端,利用水泵的搅拌作用完成混合过程,这是最初的
混合模式――水泵混合。水泵混合对水泵的腐蚀比较严重,因此,出现了把絮凝剂投加在管
道中,利用一定长度的管道完成混合,称为管道混合。管道混合已经提出明确的混合概念。
目前,管道混合方式仍在应用。在管道混合应用过程中,工程师