混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

混凝涡旋水动力学的数值模拟与试验研究

（一） 立项依据与研究内容 1.1

项目的立项依据

1.1.1 研究背景

随着我国经济的快速发展，我国水源水质的普遍污染已成为水环境污染控制与水资源保护领域的突出问题,2005年松花江污染、2007年太湖蓝藻污染以及最近刚发生的盐城水源苯污染等突发事件，不断向我们敲响了警钟。向公众提供安全饮用水是保障公众健康的重要组成部份,供水行业不仅面临水源水质污染、突发性水质变化、供水水质标准不断提高的双重压力,同时还面对降低生产成本费用及水处理工艺自动化的迫切要求。

因用水负荷以及原水品质的变化而导致出水水质不稳定也是我国水厂生产运行中经常面对的问题。通常在夜间用水负荷较低时，由于水流流速较低，使得混合效果变差，难以在短时间内形成大量的絮凝核，使得处理单位原水水量的加药量增大,同时也不利于后期絮凝体的沉淀。而随着季节的变化取水水源浊度以及温度也会发生较大变化，使得混凝特性有所改变。另外，在我国水资源不足的同时，生活污水与工业废水增多，对它们的资源化处理已经成为解决我国水源不足的一个重要手段[1]。而根据具体来源的不同，所需处理的污水与废水的品质与成分更是千差万别，这也会使得所用的药剂种类及其加药量发生较大变化，进而要求水处理工艺进行改变，特别是对突发性的污染事件，更加需要水处理企业在必要的时候能够对其原水的混凝处理进行强化，以确保出水品质。

混凝处理是常规水处理中非常关键的环节,通过混凝,特别是强化混凝,可去掉原水中绝大部分浊度物质和大部分有机物,其中不少还是消毒副产物的前驱物质。作为水处理行业的一个研究热点领域，强化混凝主要集中在混凝剂、优化反应条件以及混凝反应设备等几个方面的研究[3-6]。要充分发挥各类混凝剂的作用，离不开理想的混凝设备以及其形成的理想的混凝水力条件。而不同的混凝剂对混凝水力条件的要求也有较大的差异，例如，大量试验研究证明，混凝剂的性质、原水的浊度以及生成的絮体的结构等与混合搅拌条件都有密切联系。M.ROSSINI等[7]研究制革废水中投加硫酸铝混凝剂的搅拌优化时，得出搅拌强度越大，出水浊度越低。而投加氯化铁时，搅拌强度在170s-1时，出水浊度最低。

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当搅拌强度超过170s-1时，出水浊度增高。刘海龙等[8]认为快速搅拌强度极大的影响絮体的形成速率，但不同的混凝剂对混凝的水力条件有不同的要求，混凝剂AlCl3需要更长时间和更强的混合条件，聚合氯化铝则在较低的搅拌强度(250 r/min)下就可迅速形成絮体。SULEYMAN A.MUYIBI等[9]研究高岭土悬浊液中的搅拌条件优化时，发现搅拌条件的优化值取决于原水浊度[10]。李冬梅等[11]在恰当的搅拌强度下絮体以反应控制集团凝聚模式[12]生长，絮体密实程度较高，分维值高。这些试验表明，不同混凝剂在不同工况条件下，混凝所需的最优水力学条件是有较大不同的，这就需要所用的混凝设备具有较大范围调节的灵活度。

图1、管内SK型静态混合器结构示意图

图2、SV型静态混合器

我国大部分中小水厂设备较老旧，且设备参数都是按照以前原有的负荷与水质需求、原水水质、絮凝剂种类来设计的，在混凝过程中难以根据实际运行情况的变化进行灵活调节。在设备上，国内外的常用工艺是将混合与絮凝截然分开，其中，混合设备主要以静态混合器和机械式搅拌混和设备为主，前者利用在管内放置一些静止元件，两种或两种以上的流体通过这些元件时，由于流体不断地被切割和转向，从而使流体达到充分混合的目的，所用静态混合器以SK型（见图1）和SV型（见图2）居多。由于该设备结构简单，仅依靠流体自身流动水力作用即可达到混合的目的，不需额外输入功率，维护成本低，在我国应用较广。但

其无法根据实际工况变化进行必要的调节。而后者是通过机械搅拌的方式，使用通过马达带动的桨叶对流体进行搅拌，使得药剂与原水混合，见图3与图4。与前者静态混合器器相比，由于维护成本以及可靠性等原因，与国外发达国家相比，该混合方式在我国使用相对较少。这两种混合设备都没有考虑对初期絮凝的优化促进，而把絮凝过程主要放到絮凝池中进行。实际上，在药剂与原水混合形成微小絮凝体后，初期絮凝过程就已经开始，此时通过一定的技术手段对在管内就初期絮凝进行强化，可使得后续的絮凝沉淀进行得更充分、迅速，从而提高水厂的处理能力和出水品质。近年来，有研究者提出了诸如：旋流一体式强化混凝设备[13]、旋流扰流反应器[14]等同时兼顾了混和与絮凝的新型混凝设备，并在试验研究中取得了较理想的效果，但仍然难以做到根据实际运行工况，对混合与絮凝工艺过程进行调节。

图3、叶片式潜水混合搅拌器

图4、浆板式搅拌混合器

故而在现有情况下，研制一种既可强化混凝，又可根据来水品质、负荷、药剂种类和加药量等各运行状况及其参数，对混合与絮凝工艺过程分别进行灵活调节，从而获得最佳混凝水力条件的混凝设备是目前的当务之急。

而对研发高效可调的混凝水力设备来说，离不开对混凝机理，特别是其中的水力学条件的深入认识。 1.1.2 涡旋水动力学与混凝过程

混凝过程可分为为混合凝聚阶段和絮凝阶段[15]。混合与凝聚是指絮凝剂在水中进行混合与扩散以及憎水胶体的脱稳形成微小絮凝体（絮凝核）的过程。絮凝指胶体结成絮体的絮凝过程，两者总称为混凝过程。

混凝效果与絮凝剂在水中迅速扩散有密切关系,原水中加入絮凝剂后,产生两种效应:①絮凝剂在水中进行扩散与混合；②絮凝剂水解,水解产物与胶体颗粒作用使其脱稳。由于水解、脱稳速度远远大于絮凝剂在水中扩散速率,故水中胶体颗粒能否迅速脱稳,絮凝剂与原水的混合扩散作用就成为决定因素。因此絮凝剂迅速混合对于提高絮凝效果是至关重要的,如果絮凝剂不能迅速而均匀混合,则在絮凝剂较多的部位胶体颗粒迅速脱稳结大,形成过反应。而絮凝剂不足的地方胶体颗粒又缺少凝聚的条件。适宜的混合水力条件是絮凝剂发挥效力的前提,可以提高混凝出水水质。

混合过程是在强制对流作用下通过主体扩散、涡旋扩散和分子扩散，最终达到分子级均匀混合。刚加入的药剂首先形成大尺度的涡旋微团，在湍流拉伸、剪切作用下，大涡旋分裂成较小尺度的涡旋，能量从大涡旋传递到小涡旋，小涡旋则向更小的涡旋传递，直到更小尺度即卡尔马廓洛夫(Kolmogoroff)尺度的涡旋,最后因粘性应力的作用耗散为热。这个过程表明,混合首先将从大尺度对流运动开始,继之以小尺度,即涡旋扩散把较大的液滴微团进一步变形、分割成更小的微团，通过小微团界面之间的涡旋扩散，把不均匀程度降低到涡旋本身的大小，直到达到Kolmogoroff尺度,这就是宏观混合的最大限度。微观混合是指分子尺度上的混合, 它的最终实现只能靠最小尺度微团内的分子扩散。在混合工艺过程中,对流扩散、涡旋扩散、分子扩散3种机理同时存在。由于分子扩散速度远大于涡旋扩散速度[16]，涡旋扩散对混合时间起主导作用。