微渦流混凝給水處理新工藝
摘要：本文介紹微渦流混凝給水處理新工藝，它通過微渦流凝聚和立體接觸絮凝，充分利用混凝空間、混凝能量與絮體活性，大幅度提高了混凝反應效率。工程應用實踐表明，該工藝可顯著地改進出水質量，縮短反應時間，降低混凝劑消耗，且施工簡單，運行穩定，維護方便。該工藝適合各種傳統反應和澄清池的改造，并有可能被新建水廠廣泛采用。
關鍵詞：水處理 混凝 渦流 新工藝
1 微渦流混凝工藝的提出
混凝是常規水處理的核心技術，混凝工藝分為水力攪拌和機械攪拌兩大類，由于機械攪拌能量難以均勻分配，能量利用效率低，加之機械設備維護工作量大，因此，我國使用水力攪拌混凝工藝居多。水力攪拌形式多種多樣，有隔板反應池、旋流反應池、水力澄清池、脈沖澄清池、折板反應池、波紋板反應池等，近年來，網格反應池很受歡迎。經理論分析和大量工程實踐，人們認識到網格反應池的混凝效率較以往的工藝有明顯提高。
在混凝反應區布置網格，其目的是為了形成微小的渦旋流動，微渦流有利于水中微粒的擴散，充分利用流體能量，增加脫穩膠粒的碰撞機率，提高凝聚效率。筆者曾主持了多項工程，將水力循環或機械加速澄清池改造為網格反應池，改造后產水量提高一倍左右，而沉淀出水濁度更低也更穩定。
然而，工程實踐中也發現網格反應工藝的一些不足。首先，網格的制作和安裝都比較困難；其次，當原水中含有漂浮物時，網孔易被堵塞，需要定期清理；另外，網格一般采用木材或竹材制作，使用壽命較短。為了克服網格反應的缺陷，筆者設計了渦流反應器，并在丹東化學纖維股份公司凈水廠首次采用，效果令人滿意，不但產水能力從2萬噸/日提高到4萬/日，而且沉淀出水可穩定地達到3度以下（混凝劑投加自動控制），濾后水濁度小于1度(均質濾料)。該項目從去年8月投產以來，經過冬季的低溫低濁水處理，效果同樣地好。
2 微渦流混凝工藝的核心--渦流反應器
微渦流混凝工藝的核心是渦流反應器，最初設計渦流反應器的目的是替代網格，克服其安裝不便、易堵塞、壽命短等缺點。在污水處理工藝中使用填料的思想啟發下，經過反復論證、計算和小型試驗，最后筆者設計出了渦流反應器，其構造特點如下：
(1)空心球形結構，直徑根據工藝需要確定，內外表面均打毛；
(2)表面開有小孔，孔徑和開孔率根據工藝需要確定；
(3)采用ABS塑料材料，容重略大于水，壁厚由結構強度設計確定。
渦流反應器的構造特點決定它具有以下特性：
(1)無方向性，直接投入水中使用，相互堆積不堵塞壁孔，不需要固定安裝；
(2)工廠化批量注塑生產，改造工程施工期短，便于推廣應用；
(3)水流過孔流速、流向變化，加之內外壁面的磨擦阻力，使水流產生微渦旋流動；
(4)材料強度好，無毒性，耐腐蝕，抗老化，使用壽命數十年；
(5)在上向水流中會浮動和旋轉，不會漂浮水面，也不易被漂浮物堵塞。
3 微渦流混凝工藝
微渦流混凝工藝的核心是渦流反應器，其工藝形式多種多樣，可以根據水質、構筑物形狀及前后序工藝配套要求靈活設計，有如下具體要求。
(1)盡量將水流組織成豎向流，即垂直于水平面向上或向下的水流，渦流反應器必須置于豎向水流中，否則會在反應器內產生絮體沉積。向上水流中置入渦流反應器形成的混凝區稱為上向流混凝區，向下水流中置入渦流反應器形成的混凝區稱為下向流混凝區。
(2)上向流混凝區和下向流混凝區可以根據具體情況組合，如"下-上"、"上-下"、"下-上-下"、"上-下-上"、"下-上-下-上"、"上-下-上-下"等，各段的水流速度應逐步降低或基本保持不變，水流通過各段總停留時間不少于5~8分鐘。
(3)選用不同表面開孔直徑與開孔率的渦流反應器控制水流過孔流速，從理論上講，前區過孔流速應略大于后區過孔流速，同時，前區反應器直徑應略小于后區反應器直徑。但一般情況下，為了便于施工和維護，可以選用相同的渦流反應器。
(4)合理地設置排泥區，原則是在可能產生泥渣沉積的區域底部設置排泥裝置，由于渦流反應器內含有懸浮泥渣，因此可以將渦流反應器之外的泥渣排盡。
微渦流混凝工藝不但可以用于新建水廠，更便于老水廠的改造，只要對反應池（區）進行適當分隔，形成豎向水流條件和合理地控制水流速度，反應池（區）的外形構造可以非常靈活，可以是方形、矩形、圓形或其它復雜形狀，池深也可以靈活設計。
對于老水廠改造，有些池型在結構上可以保持不變（如多級旋流反應池），只要在底部加一些支架，然后放入渦流反應器，即可投運。有些池型則需要拆除內部設施（如隔板、折板、波紋波等反應池及圓型澄清池），然后根據微渦流混凝工藝要求分格即可。若需要改造較大幅度提高產水量，經水力計算后要適當加高池體，以防止水流外溢。
對于新建微渦流反應池，可以采取矩型微渦流反應池與矩型平流或斜管沉淀池配合的方案，如圖1所示。也可以類似于圓型澄清池改造，采取圓中心微渦流反應池（區）與周邊環型豎流沉淀池（區）配合的方案，如圖2所示。
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4 微渦流混凝機理
凝聚和絮凝是混凝工藝的兩個基本過程，前者指水中膠體脫穩后在水力作用下相互碰撞形成絮體的過程，后者指水流中已經形成的絮體吸附脫穩膠體而成長的過程。微渦流混凝工藝能顯著地提高凝聚和絮凝的效率。
(1)微渦流凝聚
凝聚的效率取決于水中膠體脫穩的程度和碰撞的機率，渦流反應器形成的微渦旋流動能有效地促進水中微粒的擴散與碰撞。一方面，混凝劑水解形成膠體在微渦流作用下快速擴散并與水中膠體充分碰撞，使水中膠體快速脫穩；另一方面，水中脫穩膠體在微渦流作用下具有更多碰撞機會，因而具有更高的凝聚效率。
微渦流之所以能有效地促進水中微粒的擴散與碰撞，其原因有兩個方面。其一，渦流形成流層之間較大的流速差，造成了流層中攜帶微粒的相對運動，從而增加了微粒的碰撞機率；其二，渦流的旋轉作用形成離心慣性力，造成微粒的沿旋渦徑向運動，從而增加了微粒的碰撞機率。此兩方面的作用都隨渦流的尺寸減小而增大，微渦流是有利于凝聚的水力條件。
(2)立體接觸絮凝
當混凝反應區放置了大量的渦流反應器后，由于反應器內流速相對較小，在上向水流區的渦流反應器內部形成絮體懸浮區，懸浮絮體對水流中的脫穩膠體產生絮凝作用，其與傳統接觸絮凝澄清池相比具有更高效率。其一，傳統澄清池內的懸浮絮體只有一層，而新工藝上向流區每個渦流反應器內都有懸浮絮體，總體積大，形成立體接觸絮凝；其二，渦流反應器內絮體成長質量更高，成長過大的絮體在微渦流的作用下會破碎成較小絮體從而保持絮凝能力（絮體過大會使總表面積減小，吸附能力下降），密實度較低的絮體在微渦流的作用下會破碎并重新絮凝成密實度較高的絮體，有利于沉淀分離。
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5 微渦流混凝工藝特點
(1)混凝效率高
微渦流混凝工藝創造了高效率的凝聚和絮凝水力條件，其混凝效率大大優于傳統混凝工藝，也優于網格混凝工藝，反應時間可以縮短到5~8分鐘，這就意味著與傳統工藝相比，產水量可以提高1~2倍，占地少，投資省。
(2)出水質量優
在投加相同混凝劑的情況下，微渦流混凝工藝所產生的絮體質量明顯地優于傳統工藝，因而具有很好的沉降性能。筆者在澄清池改造的實踐中，在沉淀區體積不變的情況下，產水量提高一倍，出水濁度穩定在3度以下，濾池工作周期延長，節約了大量的反沖洗水。
(3)水質、水量變化適應能力強
微渦流混凝有利于高濁度水處理，因為微渦流有利于混凝劑的快速擴散，使之不易被高濁度水中大量的雜質膠體包裹而失去活性，即使混凝劑被包裹形成絮體，在微渦流的作用下也容易被破碎，重新形成絮凝能力。
微渦流混凝也有利于低濁度水處理，因為即使低濁度水膠體數量少，碰撞凝聚效率下降，而渦流反應器內腔能有效地保持懸浮絮體，立體接觸絮凝可高效地去除水中膠體。
低溫對微渦流混凝也是不利的，只要選用合適的混凝劑，克服低溫下混凝劑水解的困難，由于微渦流凝聚和立體接觸絮凝效率高，使低溫水處理不再困難。
微渦流混凝工藝對水量變化的適應性能很強，因為其混凝的水力條件不是主要依賴于水流的宏觀速度，而是依賴渦流的形成，渦流在形成條件主要依賴于流速的變化量即渦流反應器的開孔率。另外，上向流微渦流混凝區積累了大量的活性絮體，它們對水量、水質的變化具有緩沖作用，在停水或池水放空期間，這些絮體不會沉積板結也不會排出池外，這使得微渦流絮凝池可以間歇工作。
(4)實施簡便
微渦流混凝工藝既適于新建水廠，也適于老水廠傳統工藝的改造，它對池型及前后序工藝（混合、沉淀）的銜接均無特殊要求。對老水廠改造的施工簡便，只要拆除反應池（區）內原有設施并適當分隔和安裝渦流反應器支架，反應器直接投入池內即可使用。
(5)運行穩定、藥耗低
微渦流混凝工藝不再有傳統澄清池排泥操作的困難，渦流反應器內腔絮體能長期保持，渦流反應區外的絮體泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以簡化，運行更穩定。
由于微渦流造成混凝劑高效擴散，提高了混凝劑利用率，同時，渦流反應器腔內大量絮體活性得到充分利用，這使得微渦流混凝工藝的混凝劑消耗量明顯低于傳統工藝。
(6)長期使用、維護簡便
渦流反應器用ABS塑料制造，使用壽命可達數十年。和網格混凝相比，渦流反應器壁孔不易堵塞，因為渦流反應器在水中處于半懸浮狀態，其在水流作用下的旋轉運動可使堵塞壁孔的漂浮物上升至水面，然后由人工清除。
渦流反應器即使堵塞，也可能方便地從池中取出進行徹底清洗。
6 結語
微渦流混凝工藝對于新建水廠或老水廠技術改造都具有優勢。現在人們將目光更多的聚焦于深度水處理技術的發展，但優秀的常規水處理技術可以為深度處理創造良好條件。
但是，微渦流混凝工藝需要通過更多的工程實踐來證明其優秀，在設計理論和系列化、標準化方面也有很多的工作要做。
參考文獻：
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