摘要：本文介紹微渦流混凝給水處理新工藝，它通過(guò)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(yīng)效率。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，該工藝可顯著地改進(jìn)出水質(zhì)量，縮短反應(yīng)時(shí)間，降低混凝劑消耗，且施工簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便。該工藝適合各種傳統(tǒng)反應(yīng)和澄清池的改造，并有可能被新建水廠廣泛采用。

關(guān)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(guī)水處理的核心技術(shù)，混凝工藝分為水力攪拌和機(jī)械攪拌兩大類，由于機(jī)械攪拌能量難以均勻分配，能量利用效率低，加之機(jī)械設(shè)備維護(hù)工作量大，因此，我國(guó)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(yīng)池、旋流反應(yīng)池、水力澄清池、脈沖澄清池、折板反應(yīng)池、波紋板反應(yīng)池等，近年來(lái)，網(wǎng)格反應(yīng)池很受歡迎。經(jīng)理論分析和大量工程實(shí)踐，人們認(rèn)識(shí)到網(wǎng)格反應(yīng)池的混凝效率較以往的工藝有明顯提高。

在混凝反應(yīng)區(qū)布置網(wǎng)格，其目的是為了形成微小的渦旋流動(dòng)，微渦流有利于水中微粒的擴(kuò)散，充分利用流體能量，增加脫穩(wěn)膠粒的碰撞機(jī)率，提高凝聚效率。筆者曾主持了多項(xiàng)工程，將水力循環(huán)或機(jī)械加速澄清池改造為網(wǎng)格反應(yīng)池，改造后產(chǎn)水量提高一倍左右，而沉淀出水濁度更低也更穩(wěn)定。

然而，工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格反應(yīng)工藝的一些不足。首先，網(wǎng)格的制作和安裝都比較困難；其次，當(dāng)原水中含有漂浮物時(shí)，網(wǎng)孔易被堵塞，需要定期清理；另外，網(wǎng)格一般采用木材或竹材制作，使用壽命較短。為了克服網(wǎng)格反應(yīng)的缺陷，筆者設(shè)計(jì)了渦流反應(yīng)器，并在丹東化學(xué)纖維股份公司凈水廠首次采用，效果令人滿意，不但產(chǎn)水能力從2萬(wàn)噸/日提高到4萬(wàn)/日，而且沉淀出水可穩(wěn)定地達(dá)到3度以下（混凝劑投加自動(dòng)控制），濾后水濁度小于1度(均質(zhì)濾料)。該項(xiàng)目從去年8月投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(yīng)器

微渦流混凝工藝的核心是渦流反應(yīng)器，最初設(shè)計(jì)渦流反應(yīng)器的目的是替代網(wǎng)格，克服其安裝不便、易堵塞、壽命短等缺點(diǎn)。在污水處理工藝中使用填料的思想啟發(fā)下，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證、計(jì)算和小型試驗(yàn)，最后筆者設(shè)計(jì)出了渦流反應(yīng)器，其構(gòu)造特點(diǎn)如下：

(1)空心球形結(jié)構(gòu)，直徑根據(jù)工藝需要確定，內(nèi)外表面均打毛；

(2)表面開(kāi)有小孔，孔徑和開(kāi)孔率根據(jù)工藝需要確定；

(3)采用ABS塑料材料，容重略大于水，壁厚由結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)確定。

 渦流反應(yīng)器的構(gòu)造特點(diǎn)決定它具有以下特性：

(1)無(wú)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(chǎn)，改造工程施工期短，便于推廣應(yīng)用；

(3)水流過(guò)孔流速、流向變化，加之內(nèi)外壁面的磨擦阻力，使水流產(chǎn)生微渦旋流動(dòng)；

(4)材料強(qiáng)度好，無(wú)毒性，耐腐蝕，抗老化，使用壽命數(shù)十年；

(5)在上向水流中會(huì)浮動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，不會(huì)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(yīng)器，其工藝形式多種多樣，可以根據(jù)水質(zhì)、構(gòu)筑物形狀及前后序工藝配套要求靈活設(shè)計(jì)，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(yīng)器必須置于豎向水流中，否則會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生絮體沉積。向上水流中置入渦流反應(yīng)器形成的混凝區(qū)稱為上向流混凝區(qū)，向下水流中置入渦流反應(yīng)器形成的混凝區(qū)稱為下向流混凝區(qū)。

(2)上向流混凝區(qū)和下向流混凝區(qū)可以根據(jù)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(yīng)逐步降低或基本保持不變，水流通過(guò)各段總停留時(shí)間不少于5~8分鐘。

(3)選用不同表面開(kāi)孔直徑與開(kāi)孔率的渦流反應(yīng)器控制水流過(guò)孔流速，從理論上講，前區(qū)過(guò)孔流速應(yīng)略大于后區(qū)過(guò)孔流速，同時(shí)，前區(qū)反應(yīng)器直徑應(yīng)略小于后區(qū)反應(yīng)器直徑。但一般情況下，為了便于施工和維護(hù)，可以選用相同的渦流反應(yīng)器。

(4)合理地設(shè)置排泥區(qū)，原則是在可能產(chǎn)生泥渣沉積的區(qū)域底部設(shè)置排泥裝置，由于渦流反應(yīng)器內(nèi)含有懸浮泥渣，因此可以將渦流反應(yīng)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(duì)反應(yīng)池（區(qū)）進(jìn)行適當(dāng)分隔，形成豎向水流條件和合理地控制水流速度，反應(yīng)池（區(qū)）的外形構(gòu)造可以非常靈活，可以是方形、矩形、圓形或其它復(fù)雜形狀，池深也可以靈活設(shè)計(jì)。

對(duì)于老水廠改造，有些池型在結(jié)構(gòu)上可以保持不變（如多級(jí)旋流反應(yīng)池），只要在底部加一些支架，然后放入渦流反應(yīng)器，即可投運(yùn)。有些池型則需要拆除內(nèi)部設(shè)施（如隔板、折板、波紋波等反應(yīng)池及圓型澄清池），然后根據(jù)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(chǎn)水量，經(jīng)水力計(jì)算后要適當(dāng)加高池體，以防止水流外溢。

對(duì)于新建微渦流反應(yīng)池，可以采取矩型微渦流反應(yīng)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(yīng)池（區(qū)）與周邊環(huán)型豎流沉淀池（區(qū)）配合的方案，如圖2所示。

4 微渦流混凝機(jī)理

凝聚和絮凝是混凝工藝的兩個(gè)基本過(guò)程，前者指水中膠體脫穩(wěn)后在水力作用下相互碰撞形成絮體的過(guò)程，后者指水流中已經(jīng)形成的絮體吸附脫穩(wěn)膠體而成長(zhǎng)的過(guò)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(wěn)的程度和碰撞的機(jī)率，渦流反應(yīng)器形成的微渦旋流動(dòng)能有效地促進(jìn)水中微粒的擴(kuò)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(kuò)散并與水中膠體充分碰撞，使水中膠體快速脫穩(wěn)；另一方面，水中脫穩(wěn)膠體在微渦流作用下具有更多碰撞機(jī)會(huì)，因而具有更高的凝聚效率。

微渦流之所以能有效地促進(jìn)水中微粒的擴(kuò)散與碰撞，其原因有兩個(gè)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(duì)運(yùn)動(dòng)，從而增加了微粒的碰撞機(jī)率；其二，渦流的旋轉(zhuǎn)作用形成離心慣性力，造成微粒的沿旋渦徑向運(yùn)動(dòng)，從而增加了微粒的碰撞機(jī)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(dāng)混凝反應(yīng)區(qū)放置了大量的渦流反應(yīng)器后，由于反應(yīng)器內(nèi)流速相對(duì)較小，在上向水流區(qū)的渦流反應(yīng)器內(nèi)部形成絮體懸浮區(qū)，懸浮絮體對(duì)水流中的脫穩(wěn)膠體產(chǎn)生絮凝作用，其與傳統(tǒng)接觸絮凝澄清池相比具有更高效率。其一，傳統(tǒng)澄清池內(nèi)的懸浮絮體只有一層，而新工藝上向流區(qū)每個(gè)渦流反應(yīng)器內(nèi)都有懸浮絮體，總體積大，形成立體接觸絮凝；其二，渦流反應(yīng)器內(nèi)絮體成長(zhǎng)質(zhì)量更高，成長(zhǎng)過(guò)大的絮體在微渦流的作用下會(huì)破碎成較小絮體從而保持絮凝能力（絮體過(guò)大會(huì)使總表面積減小，吸附能力下降），密實(shí)度較低的絮體在微渦流的作用下會(huì)破碎并重新絮凝成密實(shí)度較高的絮體，有利于沉淀分離。

5 微渦流混凝工藝特點(diǎn)

(1)混凝效率高

微渦流混凝工藝創(chuàng)造了高效率的凝聚和絮凝水力條件，其混凝效率大大優(yōu)于傳統(tǒng)混凝工藝，也優(yōu)于網(wǎng)格混凝工藝，反應(yīng)時(shí)間可以縮短到5~8分鐘，這就意味著與傳統(tǒng)工藝相比，產(chǎn)水量可以提高1~2倍，占地少，投資省。

(2)出水質(zhì)量?jī)?yōu)

在投加相同混凝劑的情況下，微渦流混凝工藝所產(chǎn)生的絮體質(zhì)量明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，因而具有很好的沉降性能。筆者在澄清池改造的實(shí)踐中，在沉淀區(qū)體積不變的情況下，產(chǎn)水量提高一倍，出水濁度穩(wěn)定在3度以下，濾池工作周期延長(zhǎng)，節(jié)約了大量的反沖洗水。

(3)水質(zhì)、水量變化適應(yīng)能力強(qiáng)

微渦流混凝有利于高濁度水處理，因?yàn)槲�渦流有利于混凝劑的快速擴(kuò)散，使之不易被高濁度水中大量的雜質(zhì)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?yàn)榧词沟蜐岫人�膠體數(shù)量少，碰撞凝聚效率下降，而渦流反應(yīng)器內(nèi)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(duì)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(duì)水量變化的適應(yīng)性能很強(qiáng)，因?yàn)槠浠炷�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(yīng)器的開(kāi)孔率。另外，上向流微渦流混凝區(qū)積累了大量的活性絮體，它們對(duì)水量、水質(zhì)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(huì)沉積板結(jié)也不會(huì)排出池外，這使得微渦流絮凝池可以間歇工作。

(4)實(shí)施簡(jiǎn)便

微渦流混凝工藝既適于新建水廠，也適于老水廠傳統(tǒng)工藝的改造，它對(duì)池型及前后序工藝（混合、沉淀）的銜接均無(wú)特殊要求。對(duì)老水廠改造的施工簡(jiǎn)便，只要拆除反應(yīng)池（區(qū)）內(nèi)原有設(shè)施并適當(dāng)分隔和安裝渦流反應(yīng)器支架，反應(yīng)器直接投入池內(nèi)即可使用。

(5)運(yùn)行穩(wěn)定、藥耗低

微渦流混凝工藝不再有傳統(tǒng)澄清池排泥操作的困難，渦流反應(yīng)器內(nèi)腔絮體能長(zhǎng)期保持，渦流反應(yīng)區(qū)外的絮體泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以簡(jiǎn)化，運(yùn)行更穩(wěn)定。

由于微渦流造成混凝劑高效擴(kuò)散，提高了混凝劑利用率，同時(shí)，渦流反應(yīng)器腔內(nèi)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(tǒng)工藝。

(6)長(zhǎng)期使用、維護(hù)簡(jiǎn)便

渦流反應(yīng)器用ABS塑料制造，使用壽命可達(dá)數(shù)十年。和網(wǎng)格混凝相比，渦流反應(yīng)器壁孔不易堵塞，因?yàn)闇u流反應(yīng)器在水中處于半懸浮狀態(tài)，其在水流作用下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yīng)器即使堵塞，也可能方便地從池中取出進(jìn)行徹底清洗。

6 結(jié)語(yǔ)

微渦流混凝工藝對(duì)于新建水廠或老水廠技術(shù)改造都具有優(yōu)勢(shì)�，F(xiàn)在人們將目光更多的聚焦于深度水處理技術(shù)的發(fā)展，但優(yōu)秀的常規(guī)水處理技術(shù)可以為深度處理創(chuàng)造良好條件。

但是，微渦流混凝工藝需要通過(guò)更多的工程實(shí)踐來(lái)證明其優(yōu)秀，在設(shè)計(jì)理論和系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方面也有很多的工作要做。

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