微涡流混凝给水处理新工艺
摘要：本文介绍微涡流混凝给水处理新工艺，它通过微涡流凝聚和立体接触絮凝，充分利用混凝空间、混凝能量与絮体活性，大幅度提高了混凝反应效率。工程应用实践表明，该工艺可显著地改进出水质量，缩短反应时间，降低混凝剂消耗，且施工简单，运行稳定，维护方便。该工艺适合各种传统反应和澄清池的改造，并有可能被新建水厂广泛采用。
关键词：水处理 混凝 涡流 新工艺
1 微涡流混凝工艺的提出
混凝是常规水处理的核心技术，混凝工艺分为水力搅拌和机械搅拌两大类，由于机械搅拌能量难以均匀分配，能量利用效率低，加之机械设备维护工作量大，因此，我国使用水力搅拌混凝工艺居多。水力搅拌形式多种多样，有隔板反应池、旋流反应池、水力澄清池、脉冲澄清池、折板反应池、波纹板反应池等，近年来，网格反应池很受欢迎。经理论分析和大量工程实践，人们认识到网格反应池的混凝效率较以往的工艺有明显提高。
在混凝反应区布置网格，其目的是为了形成微小的涡旋流动，微涡流有利于水中微粒的扩散，充分利用流体能量，增加脱稳胶粒的碰撞机率，提高凝聚效率。笔者曾主持了多项工程，将水力循环或机械加速澄清池改造为网格反应池，改造后产水量提高一倍左右，而沉淀出水浊度更低也更稳定。
然而，工程实践中也发现网格反应工艺的一些不足。首先，网格的制作和安装都比较困难；其次，当原水中含有漂浮物时，网孔易被堵塞，需要定期清理；另外，网格一般采用木材或竹材制作，使用寿命较短。为了克服网格反应的缺陷，笔者设计了涡流反应器，并在丹东化学纤维股份公司净水厂首次采用，效果令人满意，不但产水能力从2万吨/日提高到4万/日，而且沉淀出水可稳定地达到3度以下（混凝剂投加自动控制），滤后水浊度小于1度(均质滤料)。该项目从去年8月投产以来，经过冬季的低温低浊水处理，效果同样地好。
2 微涡流混凝工艺的核心--涡流反应器
微涡流混凝工艺的核心是涡流反应器，最初设计涡流反应器的目的是替代网格，克服其安装不便、易堵塞、寿命短等缺点。在污水处理工艺中使用填料的思想启发下，经过反复论证、计算和小型试验，最后笔者设计出了涡流反应器，其构造特点如下：
(1)空心球形结构，直径根据工艺需要确定，内外表面均打毛；
(2)表面开有小孔，孔径和开孔率根据工艺需要确定；
(3)采用ABS塑料材料，容重略大于水，壁厚由结构强度设计确定。
涡流反应器的构造特点决定它具有以下特性：
(1)无方向性，直接投入水中使用，相互堆积不堵塞壁孔，不需要固定安装；
(2)工厂化批量注塑生产，改造工程施工期短，便于推广应用；
(3)水流过孔流速、流向变化，加之内外壁面的磨擦阻力，使水流产生微涡旋流动；
(4)材料强度好，无毒性，耐腐蚀，抗老化，使用寿命数十年；
(5)在上向水流中会浮动和旋转，不会漂浮水面，也不易被漂浮物堵塞。
3 微涡流混凝工艺
微涡流混凝工艺的核心是涡流反应器，其工艺形式多种多样，可以根据水质、构筑物形状及前后序工艺配套要求灵活设计，有如下具体要求。
(1)尽量将水流组织成竖向流，即垂直于水平面向上或向下的水流，涡流反应器必须置于竖向水流中，否则会在反应器内产生絮体沉积。向上水流中置入涡流反应器形成的混凝区称为上向流混凝区，向下水流中置入涡流反应器形成的混凝区称为下向流混凝区。
(2)上向流混凝区和下向流混凝区可以根据具体情况组合，如"下-上"、"上-下"、"下-上-下"、"上-下-上"、"下-上-下-上"、"上-下-上-下"等，各段的水流速度应逐步降低或基本保持不变，水流通过各段总停留时间不少于5~8分钟。
(3)选用不同表面开孔直径与开孔率的涡流反应器控制水流过孔流速，从理论上讲，前区过孔流速应略大于后区过孔流速，同时，前区反应器直径应略小于后区反应器直径。但一般情况下，为了便于施工和维护，可以选用相同的涡流反应器。
(4)合理地设置排泥区，原则是在可能产生泥渣沉积的区域底部设置排泥装置，由于涡流反应器内含有悬浮泥渣，因此可以将涡流反应器之外的泥渣排尽。
微涡流混凝工艺不但可以用于新建水厂，更便于老水厂的改造，只要对反应池（区）进行适当分隔，形成竖向水流条件和合理地控制水流速度，反应池（区）的外形构造可以非常灵活，可以是方形、矩形、圆形或其它复杂形状，池深也可以灵活设计。
对于老水厂改造，有些池型在结构上可以保持不变（如多级旋流反应池），只要在底部加一些支架，然后放入涡流反应器，即可投运。有些池型则需要拆除内部设施（如隔板、折板、波纹波等反应池及圆型澄清池），然后根据微涡流混凝工艺要求分格即可。若需要改造较大幅度提高产水量，经水力计算后要适当加高池体，以防止水流外溢。
对于新建微涡流反应池，可以采取矩型微涡流反应池与矩型平流或斜管沉淀池配合的方案，如图1所示。也可以类似于圆型澄清池改造，采取圆中心微涡流反应池（区）与周边环型竖流沉淀池（区）配合的方案，如图2所示。
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4 微涡流混凝机理
凝聚和絮凝是混凝工艺的两个基本过程，前者指水中胶体脱稳后在水力作用下相互碰撞形成絮体的过程，后者指水流中已经形成的絮体吸附脱稳胶体而成长的过程。微涡流混凝工艺能显著地提高凝聚和絮凝的效率。
(1)微涡流凝聚
凝聚的效率取决于水中胶体脱稳的程度和碰撞的机率，涡流反应器形成的微涡旋流动能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞。一方面，混凝剂水解形成胶体在微涡流作用下快速扩散并与水中胶体充分碰撞，使水中胶体快速脱稳；另一方面，水中脱稳胶体在微涡流作用下具有更多碰撞机会，因而具有更高的凝聚效率。
微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞，其原因有两个方面。其一，涡流形成流层之间较大的流速差，造成了流层中携带微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；其二，涡流的旋转作用形成离心惯性力，造成微粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。此两方面的作用都随涡流的尺寸减小而增大，微涡流是有利于凝聚的水力条件。
(2)立体接触絮凝
当混凝反应区放置了大量的涡流反应器后，由于反应器内流速相对较小，在上向水流区的涡流反应器内部形成絮体悬浮区，悬浮絮体对水流中的脱稳胶体产生絮凝作用，其与传统接触絮凝澄清池相比具有更高效率。其一，传统澄清池内的悬浮絮体只有一层，而新工艺上向流区每个涡流反应器内都有悬浮絮体，总体积大，形成立体接触絮凝；其二，涡流反应器内絮体成长质量更高，成长过大的絮体在微涡流的作用下会破碎成较小絮体从而保持絮凝能力（絮体过大会使总表面积减小，吸附能力下降），密实度较低的絮体在微涡流的作用下会破碎并重新絮凝成密实度较高的絮体，有利于沉淀分离。
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5 微涡流混凝工艺特点
(1)混凝效率高
微涡流混凝工艺创造了高效率的凝聚和絮凝水力条件，其混凝效率大大优于传统混凝工艺，也优于网格混凝工艺，反应时间可以缩短到5~8分钟，这就意味着与传统工艺相比，产水量可以提高1~2倍，占地少，投资省。
(2)出水质量优
在投加相同混凝剂的情况下，微涡流混凝工艺所产生的絮体质量明显地优于传统工艺，因而具有很好的沉降性能。笔者在澄清池改造的实践中，在沉淀区体积不变的情况下，产水量提高一倍，出水浊度稳定在3度以下，滤池工作周期延长，节约了大量的反冲洗水。
(3)水质、水量变化适应能力强
微涡流混凝有利于高浊度水处理，因为微涡流有利于混凝剂的快速扩散，使之不易被高浊度水中大量的杂质胶体包裹而失去活性，即使混凝剂被包裹形成絮体，在微涡流的作用下也容易被破碎，重新形成絮凝能力。
微涡流混凝也有利于低浊度水处理，因为即使低浊度水胶体数量少，碰撞凝聚效率下降，而涡流反应器内腔能有效地保持悬浮絮体，立体接触絮凝可高效地去除水中胶体。
低温对微涡流混凝也是不利的，只要选用合适的混凝剂，克服低温下混凝剂水解的困难，由于微涡流凝聚和立体接触絮凝效率高，使低温水处理不再困难。
微涡流混凝工艺对水量变化的适应性能很强，因为其混凝的水力条件不是主要依赖于水流的宏观速度，而是依赖涡流的形成，涡流在形成条件主要依赖于流速的变化量即涡流反应器的开孔率。另外，上向流微涡流混凝区积累了大量的活性絮体，它们对水量、水质的变化具有缓冲作用，在停水或池水放空期间，这些絮体不会沉积板结也不会排出池外，这使得微涡流絮凝池可以间歇工作。
(4)实施简便
微涡流混凝工艺既适于新建水厂，也适于老水厂传统工艺的改造，它对池型及前后序工艺（混合、沉淀）的衔接均无特殊要求。对老水厂改造的施工简便，只要拆除反应池（区）内原有设施并适当分隔和安装涡流反应器支架，反应器直接投入池内即可使用。
(5)运行稳定、药耗低
微涡流混凝工艺不再有传统澄清池排泥操作的困难，涡流反应器内腔絮体能长期保持，涡流反应区外的絮体泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以简化，运行更稳定。
由于微涡流造成混凝剂高效扩散，提高了混凝剂利用率，同时，涡流反应器腔内大量絮体活性得到充分利用，这使得微涡流混凝工艺的混凝剂消耗量明显低于传统工艺。
(6)长期使用、维护简便
涡流反应器用ABS塑料制造，使用寿命可达数十年。和网格混凝相比，涡流反应器壁孔不易堵塞，因为涡流反应器在水中处于半悬浮状态，其在水流作用下的旋转运动可使堵塞壁孔的漂浮物上升至水面，然后由人工清除。
涡流反应器即使堵塞，也可能方便地从池中取出进行彻底清洗。
6 结语
微涡流混凝工艺对于新建水厂或老水厂技术改造都具有优势。现在人们将目光更多的聚焦于深度水处理技术的发展，但优秀的常规水处理技术可以为深度处理创造良好条件。
但是，微涡流混凝工艺需要通过更多的工程实践来证明其优秀，在设计理论和系列化、标准化方面也有很多的工作要做。
参考文献：
[1] 王绍文，惯性效应在絮凝中的动力学作用，中国给水排水，1998[2]
[2] 王鹤立等，常规混凝沉淀给水处理工艺的强化，给水排水，1999[6]
[3] 赫俊国等，微涡旋混凝低脉动沉淀技术处理低温低浊水，中国给水排水，1999[4]
[4] 胡锋平等，水力循环澄清池改造设计及实践，给水排水，1999[12]
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