对混凝过程的几点新认识

余承烈，董康儒
（山西吕厂，山西 河津 043300）

　　摘要：通过研究混凝过程、总结混凝试验结果、分析现行的混凝新技术，认为混凝剂与胶体离子(或溶解物)的接触碰撞、初始絮体在速度梯度作用下的自旋、絮体在涡旋中的回转都可提高混凝效果。
　　关键词：水处理；混凝；接触碰撞；速度梯度
　　中图分类号：TU991.22　　 文献标识码：B　　 文章编号：1009—2455(2003)05—0054—03

　　水的混凝机理一直是水处理与化学工作者们关心的课题，迄今也还没有一个统一的认识^[1]。一般认为：混凝分为凝聚和絮凝两个过程。凝聚是瞬时的，它是反映化学药剂在水中扩散的过程^[2]。絮凝则与凝聚不同，它反映脱稳后的胶体颗粒互相碰撞后粘在一起形成大致是永久性聚集体的过程^[3]。凝聚的时间很短，要想把凝聚和絮凝完全分开是很难的，因此把能引起凝聚和絮凝作用的药剂称为混凝剂。通过观察混凝过程，笔者认为可以通过以下三个环节提高混凝效果。

1 增加接触碰撞

　　混凝机理一般认为有以下4种：
　　①双电层压缩机理；
　　②吸附电中和作用机理；
　　③吸附架桥作用机理；
　　④沉淀物网捕机理。
　　无论那一种机理，要完成上述过程，首先是造成胶体颗粒与药剂水解分子相互靠近、碰撞、接触。例如，接触凝聚，实际上是缩小水流通道，客观上造成胶体颗粒与吸附体之间的距离很近，才能产生更多的碰撞、接触机会，取得事半功倍的效果。虽然说，微粒的聚集是通过碰撞完成的，但不是每次碰撞都会发生凝聚，凝聚速度决定于有效碰撞次数，有效碰撞取决于微粒浓度，也就是说有效碰撞与碰撞是成正比的。近年来，新兴起的结团凝聚处理法^[4]，也是基于提高碰撞机率的原理。这种装置开始运转时，上向流结团凝聚柱内尚无颗粒悬浮层，出水浑浊，但柱底逐渐有颗粒积累，随着底部粒状物增加，悬浮泥渣层逐渐形成，出水逐渐由浊变清。当悬浮层不断增厚至20-30cm时，柱内呈清晰的泥水界面，悬浮层不断增厚，出水浊度不断降低，在较高上升流速时，各结团絮凝体颗粒在悬浮层中不断翻滚，但整个悬浮层随着泥渣量的增加以均匀的速度向上移动，将多余的悬浮体从泥渣口排出后，它们极易与水分离，分离出的水保持清澈。笔者在进行“高效固液分离装置”(专利产品)中试时也发现类似现象：污水在上升过程中，穿过一个悬浮泥渣层再进入过滤层，尽管进水水质变化很大，进水ρ(SS)=400—2 500m g／L，出水水质却很稳定，出水ρ(SS)=5—10mg／n，当过滤水头上升时开始排泥，从排泥管放出质量分数为5％-6％的积泥，静置10min即出现清澈的水面，明显地能看出泥与水已经分离，倒出上清液后，泥液明显增稠，泥层比较密实，不像普通沉淀池排出的泥液那样稀松。
　　日本专家Tambo.N提出接触絮凝方程式^[5]为：

　　dn／dt=-∏／4qv_s(D+d)²Nn 　　　(1)
　　式中：N，n——分别为单位体积内成熟絮凝体和微絮凝体的数目，个／cm³；
　　　　　t——接触絮凝时间，s；
　　　　　q——絮凝系数；
　　　　　v_s——水流上升流速，cm／s；
　　　　　D，d——分别为成熟絮体和微絮凝体平均粒径，cm。
　　从(1)式看出，增加N，n值可以成倍地提高絮凝效果。　
　　钱荣孙试验的软性固体介质絮凝工艺只所以比普通石英砂接触滤池净水效率高，也就是因为同样的过滤面积，软性固体填料有更高的空隙率，能够更多地造成絮凝体之间接触、吸附的机会，相当于提高了单位体积内的颗粒浓度，使絮凝体大量地迅速地与水分离。
　　日常设计中往往是经过反应池形成“矾花”(即絮凝体)后，便想办法造成一种环境，扩大水流面积，使水流速大大降低，让絮凝体在层流状态下慢慢沉降，完成与水的分离过程^[6]。其实在凝聚向絮凝转化过程中，还有一部分凝聚体体积很小，质量很轻，这部分悬浮物在设计给定的环境中不容易马上沉下来，那么靠一个大的沉淀面积(实际上是一个大的停留体积)，这部分凝聚体各自运动，空间大了反而不容易再次碰撞在一起，大的絮凝体已经沉下去，小的还悬浮于水中，出水余浊必定较高，若在此过程中，再给一个“束缚”的机会，让这些凝聚体再次靠近，碰撞接触，聚结成大的颗粒而沉降，这样的过程才能更完善，出水水质会更好。例如，如果在竖流沉淀池的分离区，通过控制上升流速、泥渣回流手段造成一个悬浮泥渣层，利用悬浮泥渣层吸附、碰撞、接触，进一步去除细小颗粒，提高出水水质，提高产水率。悬浮泥渣层在机械加速澄清池中的作用相当重要，也能说明这个道理。再如：如果我们在乎流沉淀池的尾部增加纤维软性填料，肯定对细小颗粒有进一步“拦截”作用，能进一步降低余浊。当然纤维填料的设置和清洗方法要具备可行性。笔者分析过国外的所谓高效沉淀池(或者高效固液分离装置)，其形状尺寸就是利用了上述原理，如他们的高效沉降槽，就是比我们设计的沉降槽“瘦高”一些，其余没什么特殊之处。就是说，适当放大高度与直径的比例，让絮凝体在沉降过程中，互相之间碰撞接触的机会增多，聚结后共同下沉，就能获得好的分离效果。

2 初级微粒絮体颗粒的“自旋”

　　在混凝过程中，脱稳微粒相互聚结而形成初级微絮体颗粒。这里不能不提到速度梯度。速度梯度(G)作为絮凝池的设计参数已沿用多年，目前除了G值以外，未找到更理想，更确切的反应絮凝过程的指标。
　　根据水力学的解释：因为水有粘滞性，因此水在流动过程中会产生速度梯度，即水层之间存在速度的变化值。一般认为异向凝聚是由于布朗运动造成的，而同向凝聚是由于搅拌作用而产生的。笔者认为无论是搅拌或折板反应，格网反应，迷宫反应等，无非是在水流中产生涡旋，有涡旋时，速度梯度值就会变化很快，除了造成凝聚体的“你追我赶”相互碰撞以外，还会产生凝聚体或微絮体本身的“自旋”。因此涡旋内流线发生变化，相邻流层之间存在速度差值，一个微粒很可能在其前进方向的两侧受到不同的速度影响，正是在这两个不同速度的差值形成力矩，推动絮体或凝聚体自身旋转。因为絮凝体不是理想的球形体，而是象云片树枝一样，因此可以肯定地说絮体或凝聚体一旦自身旋转，其半径可能要扩大几倍，甚至更高。根据文献^[6]提出的公式：

　　-DN／dt=2／3Gd³N² (2)
　　式中：N——单位容积的颗粒个数，个/cm³；
　　　 d——颗粒直径，cm；
　　　 G——速度梯度，s。
　　(2)式中碰撞的效率与d的三次方成比例，可见自旋在絮凝过程中的作用很重要，如半径增加1倍，可获得64倍的碰撞效率。当然，速度梯度对相邻流层之间的剪切力也会使形成的凝聚体遭到“剪切”而断裂。影响混凝效果，因此，对一种水质一种药剂，一种反应方式都有一个最佳速度梯度值，这个值一般是一个范围，G值过大剪切作用明显，破坏凝聚体；G值过小，扩散强度弱，碰撞速度慢，又不足以推动初始粒子自旋，降低了凝聚体生成速度，文献^[7]指出：絮凝池中的湍流充满着大大小小的涡旋，它们不断地产生、发展、衰减与消失，大尺度涡旋破坏后形成较小尺度的涡旋，较小尺度形成更小的，其中的微小涡旋导致了颗粒碰撞、絮凝。微小涡旋最容易引起絮体和自旋。而直径大小又能最大限度地保护生成的凝聚体不被破坏，在设计高效絮凝反应器时，控制水流在反应器沿程能够形成与絮体颗粒相近的微涡旋尺度就是这个道理。这个观点目前在微观状态下还得不到证实，但在结团凝聚过程中的颗粒自旋、翻卷，可以给我们以这方面的启发。

3 絮凝体的回转

　　在上文叙述中已谈到微涡漩会造成初始絮凝体的自旋，自旋本身相当于增大了絮体的半径，所以能提高混凝效果。
　　除此以外，在高效絮凝技术中，都利用了各种手段产生涡旋，提高絮凝效率，笔者认为在反应阶段，长大后的絮凝体在涡漩中由于惯性力和离心力的作用会绕着涡旋中心，以涡旋中心为轴而回转，相当于更大范围内扩大了自身的半径，而且有时还会在涡漩中反复回转，一次又一次，增加了微粒碰撞、接触的机会，使小颗粒凝结成大颗粒，大颗粒聚结成更大的颗粒从而与水分离。例如在网板反应中r副，当水流绕过非线性圆柱体(网丝)时，由于发生边界分流现象，在圆柱体后部两侧便产生涡漩。涡漩长大到一定程度即从主体分离，顺流而下，随后又产生新的旋涡。观测表明：初始的涡旋大小基本上与柱体尺寸处于同一数量级。反应水流中的涡旋尺度可以通过调整网格尺度的办法来控制，使其与形成的絮体颗粒粒径接近于同一数量级，同时也可以根据絮体在反应过程中不断增大的规律来设计不同级的反应条件，提高反应效率。回转则能提高絮凝效率，宏观现象观测更能说明这个观点：河流中经常看见旋涡中的柴、草等漂浮物，绕着旋涡中心反复回转好多次，偶一瞬间才能“逃”出旋涡而进入下游。高效絮凝技术中，正是利用了小的絮体在不断的回转过程中，吸附碰撞更小的或更大的絮体生成大而重的絮体而与水分离，提高混凝效果。上个世纪80年代，风行日本的迷宫反应池，正是利用了絮体自旋和絮体在旋涡中反复回转的原理。提高了混凝效率。　
　　控制混凝过程，正是利用胶体粒子，药剂水解分子，初级微絮体、絮体在水流中的各种运动规律，增加碰撞接触的机会，提高混凝效果。

参考文献：
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　　[6] 罗茜，余仁焕，徐继润．固液分离[M]．北京：冶金工业出版社，1997．
　　[7] 王绍文，姜安玺，孙琵．论絮凝的动力学致因[A].王彩霞，给水与废水处理国际会议论文集[C]．北京：中国建筑工业出版社，1994，186—192．
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作者简介：余承烈(1963—)，男，山西万荣人，1983年毕业于太原理工大学，教授级高工，现任山西铝厂生活服务部副主任，电话(0359)5042191。