摘要:通过将直列式混合器、星形翼片隔板絮凝反应器及V形斜板沉淀设备进行工艺集成，形成新型高效混凝反应沉淀技术，并将其运用于云天化草铺工业园区二期水处理装置中。生产运行近3年的结果表明，单套设备处理量为1150m3/h，出水浊度≤1NTU。生产应用结果说明，该套工艺具有较高的絮凝反应效率，适用于该水处理工艺，出水效果良好。
关键词:混凝，给水处理，絮凝、沉淀
我国水资源匮乏，分布不均，并且原水污染严重。随着原水水质恶化和用水标准的提高，传统工艺在运行中不断暴露出适应性差、反应时间较长、效率低、构筑物体积大、机械设备维护管理复杂等问题，不能满足自动化管理的要求。云天化草铺工业园区作为用水大户，在解决如何做好供排水工作的同时，要保证园区内各生产装置的正常运行，同时又做到合理地利用水资源，降低生产成本。在给水净化工艺中，混凝的效果是由混凝剂的化学作用和构筑物的流体动力学作用两方面来决定的。高效、经济的混凝剂对混凝作用固然重要，但同时必须在设备上提供良好的水力条件，从而形成密实度较好的颗粒，以利于后续工艺的高效运行。而新型高效混凝反应沉淀技术是根据微水动力学原理、胶体物理化学理论、融合流体边界层及边界层分离、澄清池接触絮凝理论创立的新处理工艺，吸收传统工艺的优点解决其不足。
1、新型高效混凝反应沉淀给水处理技术的机理
新型高效混凝反应沉淀技术涉及了给水处理中混合、絮凝、沉淀三大主要工艺环节。采用上海立源水处理技术有限公司研制的直列式混合器、翼片隔板絮凝设备、V形斜板沉淀设备作为研究对象，研究其技术机理及应用性能。
1、1混合工艺
对于混合过程，通常的静态混合器设计主要是围绕增加宏观大尺度涡旋，强化湍流混合进行的。对于混合初期，新生成的小尺度微团具有很好的水流跟随性，微团与液体的滑差接近零，此时，宏观大尺度涡旋可以满足混合的要求，此过程通常可在瞬间完成。但随着微团尺度增加，微团与流体的滑差出现，速度梯度引起的作用力成为主导，需要在微观尺度上造成曲率足够大的流线弯曲，通过控制微尺度涡旋的强度、尺度及空间均布来控制混合效果。目前，常用静态混合器的设计都未考虑微尺度涡旋混合控制。直列式混合器解决了普通混合器难以控制微尺度涡旋且混合效果受设备尺寸影响较大的问题，流体在列管边壁的边界层作用下，形成准均匀各向同性紊流，产生空间分布均匀、可控密度、可控尺度、强度和发生频率的微尺度涡旋。涡旋在列管尾端衰减，完成混合作用。直列式混合器对微尺度涡旋及混合的有效控制，有利于提高药剂的使用效率及能量的消耗效率。具有结构简单、成本低廉、高效节能等优点。同时，其对水流负荷变化的适应性也有很大增加，其超负荷运转能力可达100％。
云天化草铺工业园区二期水处理工艺的实际应用证明此直列式混合器的混合效率高、效果好、混合时间仅为2－3S左右，相比于传统的静态混合器或管式混合器大幅度的提高了处理能力。
1.2絮凝工艺
常见的絮凝反应设备，主要是通过流道控制，改变水流方向和速率来进行絮凝过程的紊流控制，如复式隔板絮凝池、折板絮凝池等工艺。此类絮凝工艺中，很难对流体局部涡旋进行有效强化控制，涡旋的能量利用效率不高。同时，涡旋的空间分布难以控制。因此，絮凝反应效率较低，反应停留时间较长，设备能耗高，占地大，抗负荷冲击能力较差。
星形翼片絮凝设备的主要原理是利用边界层脱离理论和颗粒碰撞的惯性效应[4]。在絮凝池流道中设置隔板，并在隔板上增设翼片。隔板分隔了流动空间，隔板上设置的翼片可以看成是隔板表面粗糙度的强化，水流流经翼片，在周围短时间会形成准均匀各向同性紊流，紊流中夹带了大量尺寸、强度一定的微小涡旋，在不断的流动过程中，涡旋离开原位置并进行彼此碰撞，加大了颗粒的有效碰撞次数，有效地提高了絮凝效果。
絮体颗粒碰撞、吸附，絮体本身产生强烈变形，使絮体中吸附能级低的部分由于变形揉动作用从而达到更高的吸附能级，并在通过设备后絮体变得更加密实，提高絮凝效果，缩短絮凝时间。由于絮凝过程的可控程度提高，在水质难处理期，仍可达到理想的絮凝效果。
1.3沉淀工艺
目前，工程实际应用的沉淀设备多为普通的斜板或者斜管装置，其主要缺点是在沉淀过程中小颗粒很难去除，导致沉淀池固液分离效果下降。对于斜管沉淀设备存在对原水水质变化的适应性较差，排泥效果较差，斜管易积泥等问题。小间距斜板基于紊流抑制理论，虽然取得了较好的沉淀效果，但实际应用中存在斜板积泥堵塞的技术难点。上述问题产生的主要原因是，沉淀池运用浅池理论原理，其沉淀去除比例主要取决于斜板(斜管)沉淀设备的长度和沉淀距离，在斜板长度和间距一定时，沉淀池中颗粒去除的比例就确定了，所以要提高固液分离的效率，就必须引入其他机理。
V形斜板沉淀技术将沉淀机理和接触絮凝机理有机地结合在一起，以完成沉淀区中絮体颗粒的分离过程[5]。V形斜板沉淀技术在充分利用沉淀机理的基础上，在传统斜板间设置V形流体上升流道，利用V形流道的横截面差，造成沿重力方向的速度差。由于速度差的存在，一方面，V形流道中流体上升方向颗粒所受到的绕流阻力减小，有利于较小的絮体颗粒沉降。另一方面，由于V形流道入口处流体流速相对较大，滑落的絮体在此受到的绕流阻力较大，沉淀速度减小，同时大量滑落的絮体使流道发生改变使流体上升流速增加，部分絮体返回流道并在流道入口处形成一定厚度的具有自我更新能力的絮体颗粒动态悬浮泥渣层，如图1所示。当流体流过动态絮体悬浮层时，流体中较大的絮体颗粒与沉降的絮体碰撞，形成更大的絮体继续沉降或在絮体颗粒间形成架桥作用。这使小尺度的颗粒可在动态悬浮层中的絮体颗粒间发生接触絮凝作用，从而实现增加絮体颗粒尺度并有效去除小尺度颗粒的作用。絮体悬浮层的接触絮凝作用可以有效提高絮凝效果，提高设备的抗冲击负荷能力。
图1.V型斜板设备及结构图
1.4一体化设备及技术集成
将列管式混合器、星形絮凝反应器及V形斜板设备集成，形成新型高效混凝反应沉淀技术——微涡旋控制多元强化净水技术[7]，一体化装置如图2所示。综上所述，集成技术在混合阶段实现了微涡旋混合的有效强化控制，提高了混合效果，从而缩短了混合时间；在絮凝反应部分实现了微观局部涡旋控制与宏观涡旋均布控制的同时进行，提高了絮凝反应效率，减少了停留时间；在沉淀部分，接触絮凝理论的应用有效的降低了微小絮体的去除率，提高了沉淀池的负荷。
图2多元强化水处理一体化设备
2絮凝剂最佳投量实验
实验中所用原水取自设备进水口，原水浊度较低，数值在2~10NTU之间。pH值7.6~7.9。采用烧杯实验测定最佳投药量。采用2种药剂，絮凝剂采用聚合氯化铝（PAC），助凝剂采用聚丙烯酰氨(PAM)。药剂均由水天使提供，与实际运行时所投加药剂一致。实验设备分别有六联搅拌机1台、1000mL烧杯6个、移液管1支、玻璃棒1支、HI93703－11型便携式浊度仪一台等。操作时将PAC原液稀释5倍，为方便起见，PAC投量按其稀释液投加量计算。PAM配制成0.1%溶液。设定四级搅拌程序：280r/s、2min，160r/s、2min，60r/s、3min，15r/s、3min。分别模拟混合及各反应区的涡旋碰撞程度。PAM在第二级搅拌末投加。
图3PAC投加量与出水浊度关系
图3为单独投加PAC时浊度随药剂投加量的变化曲线。结果表明，试验结果表明硫酸铝的投加量在0.5~0.6ml/L之间时，上清液浊度稳定在2.0NTU左右。由图中可以看出，在PAC投加量达到0.6ml/L时，出水浊度达到1.9NTU，PAC投量高于0.6mg/L时，增加PAC投量，出水浊度反而略微增大。单独投加PAC无法达到较好的反应状态。实验现象中，矾花颗粒较小，沉降速度慢，有细小矾花难以沉降，需要投加助凝剂以提高混凝效果。
图4PAM投量与出水上清液浊度关系
图4为PAC投量为0.6ml/L与PAM组合投加时投加量与上清液浊度。结果表明，PAM投量为0.3mg/L时，形成矾花较大，沉降速度较快，出水浊度达到0.38NTU。增加PAM投量，出水浊度下降趋势不明显。
实验结果表明，絮凝剂（PAC）的最佳投量在0.6ml/L，PAM的最佳投量为0.3mg/L。以烧杯实验得出的药剂最佳投量作为参考，实际生产运行中根据原水及其他实际情况调解药剂的投量，使出水指标达到最佳。
3生产运行效果
参考烧杯实验的药剂投加量，生产运行时进行调整，PAM投加点为星型翼片隔板二级反应区入口。结果表明，实际运行结果与烧杯实验结果相符。絮凝沉淀池总处理水量为2300m3/h，共分两组，单组处理水量为1150m3/h。混合时间为3s，水头损失0.5m，混凝剂投加至直列式混合器前端加药口处。絮凝池采用星形翼片隔板絮凝设备，水力分三级，一级流速为0.12m/s，二级流速为0.09m/s，三级流速为0.06m/s，絮凝时间15min。沉淀池采用V形斜板沉淀设备，上升流速为2.5m/s，表面负荷9.00m3/m2•h，停留时间为28.6min。工艺流程如图5所示。
图5工艺流程图
图6是连续运行15天时原水浊度与出水浊度的对比曲线。由图中可以看出，出水稳定在1NTU以下，出水水质稳定。同时在水质水量变化的情况下，该项处理工艺有较强的抗水质水量冲击负荷能力，运行稳定。
图6工程连续运行时原水及出水浊度
生产应用及运行结果表明，应用该套高效混凝反应沉淀技术，设备运行及出水水质稳定，药剂利用效率较高，混凝沉淀装置的出水浊度可以达到在1NTU。并且该套工艺还具有设备操作简单，基本无设备维护工作，日常管理费用低，设备折旧费低，建设施工简单等优点。
4.结论
新型高效混凝反应沉淀技术将列管式混合器、星形絮凝反应器及V形斜板设备集成，形成了微涡旋控制多元强化净水技术。该工艺混合时间短，在3s左右，比传统工艺节省投药量30%左右。反应时间为7－9min，沉淀池上升流速大（3.0-4.0mm/s），大幅度提高了水处理效率，比传统工艺节省占地45%左右，节省土建投资。
微涡旋控制多元强化水处理工艺应用于云天化草铺工业园区给水处理项目。应用结果表明，该集成技术据有占地小、设备费用低、占地面积小、出水效果好、易维护等特点。出水浊度稳定在1NTU以下。
参考文献
[1]徐立群.湍流中粒子碰撞凝聚的理论研究.哈尔滨工业大学博士论文.2001
[2]徐保玖，安鼎年.水处理理论与设计[M].北京：建筑工业出版社，1989.
[3]郭瑾珑，汤鸿霄.接触絮凝研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2001,6.
