微涡流澄清工艺应用现状与研究进展

 

    在水处理工艺中，混凝是常规水处理的核心技术，是水处理最重要的过程也是最难管理的一个环节。混凝包括凝聚和絮凝两个过程，而絮凝设备的形式对混凝效果起着决定性的作用。通常的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，常用的有隔板、折板、网格等。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。然而，工程实践中也发现网格反应工艺存在网格的制作和安装都比较困难、网孔易被漂浮物堵塞、网格材料使用寿命较短等一些不足。微涡流澄清工艺是在网格混凝工艺基础上为进一步提高絮凝效果并克服网格混凝的缺陷而研发出来的。

1  微涡流澄清工艺

1.1  涡流反应器与涡流网格反应器

    涡流澄清工艺的核心是涡流反应器和涡流网格反应器^[1]，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。它们是以ABS塑料为主材制成的多孔空心球体，球体内外表面制成糙面，表面开有小孔（涡流反应器开有圆形孔，涡流网格反应器开有网格状孔），孔的大小和开孔率根据处理水水质情况确定。

    涡流反应器和涡流网格反应器有以下特性^[2]：1）过孔水流流速及流向变化，加之内外壁面的磨擦阻力，使水流产生微涡旋流动；2）工程施工简单，安装时无需固定，无方向性要求，直接投入池中即可； 3）材料强度好、无毒性、耐腐蚀、抗老化，使用寿命数十年；4）结构简单、管理方便、运行维护简单，在上向流水流中会浮动和旋转，不易被漂浮物堵塞。

1.2  微涡流澄清工艺机理

    方永忠等^[1]对涡流澄清工艺进行了机理研究，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。涡流澄清工艺能显著地提高凝聚和絮凝的效率。

1.2.1  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，造成微粒沿旋涡的径向运动，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。其混凝作用原理见图1。

 

1.2.2  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，其与传统工艺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1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，这有利于沉淀分离。

1.3  微涡流澄清工艺设计要求

    涡流澄清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，即垂直于水平而向上或向下的水流，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5～8min。

    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。

2  微涡流澄清工艺应用现状

    刘汝鹏，翟华丽等 ^[3]等利用基于水力旋流器和微涡旋理论研制开发的旋流扰流组合涡混合反应器经在大庆水库水厂进行了半年的中试，结果证明其在处理低温低浊及低温高浊水时，具有明显的处理效果，能够提高能耗的有效利用率，增大粒子的碰撞、凝聚速率，降低药剂耗量，实现高效混凝。

    庞焕岩，于水利等^[4]在穿孔旋流反应器的基础上研制开发新型旋流扰流反应器，通过在絮凝反应器中加入扰流装置，改变水流的流态，形成尺寸大小适度的涡旋，为絮凝提供良好的水力条件，充分发挥絮凝反应器的效能，获得密实易沉降的絮凝体，从而提高絮凝效果。

    王礼敬^[5]将涡流反应器用于处理某有色金属冶炼废水，试验研究表明涡流反应器较好地解决了有色金属冶炼废水中高质量浓度氯离子对金属的强腐蚀问题，同时提高了水处理效率。

    胡义纯^[6]将微涡流絮凝反应器与V型滤池工艺结合应用于某钢铁企业综合废水处理，研究结果表明经处理后的钢铁生产废水可以回用，同时节约水量20％，节约费用328万元／a，且管理方便，运行成本低，具有很好的经济效益和环境效益。

    童祯恭，方永忠，胡锋平^[2]应用涡流反应器对十堰某水厂机械澄清池进行改造，通过选用不同表面开孔直径与开孔率的涡流反应器来控制过孔流速，从而达到较好的紊流效果；同时进行不同开孔直径安装组合，采用微涡流混凝工艺后，大大提高了混凝反应效率。经过改造，澄清池单池产水量从1280m³/h提高到2500m³/h，澄清池的出水浊度<3NTU，出厂水浊度<1NTU，改造投资<30元/m³，达到了预期目的。

    嘉兴某净水厂^[7]在扩容新建澄清池过程中使用涡流絮凝澄清技术并对涡流澄清池内部构造做适当改造，缩短喉管长度，改变第一及第二反应室构造并在沉淀区加设斜管。原水加入混凝剂(PAC)，经管道混合器及第一涡流絮凝室后，即可生成清晰的矾花，颗粒明显，沉降性能好，说明微涡流絮凝效率很高。在进水量为500m³/h左右时，合理控制投矾量、回流比及适时排泥后,澄清池出水浊度可以稳定地保持在3NTU以下，经改造后的滤池出水浊度基本控制在1NTU以下，涡流投资控制在35元/m³以下。

    吴玉华，谢立祥，方永忠^[8]应用曝气氧化、微涡流絮凝、立式斜板沉淀组合工艺对某钢管厂综合废水进行处理。实际运行结果表明，微涡流絮凝与立式斜板沉淀技术相结合处理工业废水具有处理效果好、水力负荷大、占地面积小和施工安装方便等优点。最终出水水质可同时满足厂区回用水标准和GB/T18920-2002《城市污水再生利用 城市杂用水水质》要求。

    此外，微涡流澄清工艺在其他工程项目上也取得了全面的应用。西桥某水厂将沉砂池和絮凝池改造为微涡流絮凝池，并针对水厂设计规模计算涡流反应器开孔率和开孔比；张鹏天等^[9]将涡流澄清工艺应用在即墨市某水厂，运行情况良好，出水水质满足要求；王齐全^[10]等将涡流澄清工艺应用与金川集团废水处理二期工程反应池工艺中，以提高污水处理系统的抗冲击负荷能力，减少混凝剂的用量，且较好地解决石化废水处理工程中高质量浓度氯离子对反应池中金属反应设备的强腐蚀问题；童祯恭等^[11]在上海宝钢某污水回用处理工程中应用涡流澄清工艺，并通过调整澄清池进水装置及部分内部结构，增大反应室体积，在沉淀区加设斜管等措施，取得了良好的效果。

    微涡旋澄清工艺具有工艺简单、出水水质好、产水能力大、节约能耗药耗等优点，已在国家“千吨万人”饮水计划得到较好地应用推广。同时，微涡旋澄清池具有占地小、结构紧凑的特点，便于制作成一体化设备，在城镇供水中有着广阔的应用前景。微涡旋澄清工艺的开发应用，对于提高产水量，改善出水水质，提高供水的安全可靠性，促进社会和经济的和谐发展，具有重大的现实意义及深远的社会意义。

3  涡流澄清工艺研究进展

3.1  处理含砷原水

    饮用水中砷污染问题被认为是一个灾难性的问题，砷的毒理学及对人体的健康危害使得除砷工艺日益受到重视。为了能够提供一种处理成本低、工艺运行稳定、操作简单的除砷工艺，胡锋平、陈雪梅^[12-13]通过模拟高效涡流澄清池的水力条件，研究了氧化剂次氯酸钠的投加量、预氧化时间及混凝剂氯化铁和聚合氯化铝（PAC）不同的投加量等对除砷效果的影响，从而为高效涡流澄清池除砷的可行性提供试验依据。结果表明，在模拟高效涡流澄清池水力条件下，投加次氯酸钠10mg/L预氧化10min后，投加氯化铁15mg/L，可以使原水砷质量浓度从100μg/L降低至10μg/L以下。

3.2  涡流反应器开孔率

    微涡流澄清技术的关键在于涡流反应器，杨竞、刘玉哲等^[14-15]通过在反应室内投加涡流反应器进行试验对比，反映出涡流反应器在絮凝中起到的良好作用。该技术的关键在于投加涡流反应器前后处理效果的研究，测量保证出水水质下的投药量，研究确定最佳处理效果下不同开孔率涡流反应器之间的组合。最终确定涡流反应器的最佳组合：第一反应室投放开孔直径25mm涡流反应器，第二反应室投放开孔直径35mm涡流反应器。

3.3  排泥控制优化

    随着当前国家对环境保护力度的加强，水厂在考虑设备处理效率的同时愈来愈多地开始关注澄清池排泥水对水体环境的污染问题。采用间歇排泥方式时，排时周期的选择尤为关键，它不仅关系到澄清池出水水质，也与排放污泥的后续处理密切相关。当排泥周期过长时，澄清池下部的泥水分离区将不断上升，最终影响澄清池出水水质；若排泥周期过短，则容易破坏悬浮泥渣层的稳定，导致排泥的浓度过低，浪费水资源，增加运行成本。

    谌贻胜^[16]通过对微涡流澄清池在不同水质条件下运行参数及排泥方案的试验研究，检测澄清池污泥区的污泥含固率、SV30、污泥比阻等关键参数，对高效涡旋澄清池排泥系统展开研究，获取其排泥周期及排泥历时等运行参数，优化了微涡流澄清池排泥方案，并总结了控制排泥过程中应注意的问题。

3.4  对比涡流澄清池与网格澄清池

    水力循环澄清池中常见的典型形式是网格絮凝，其利用网格增加微涡旋比例，增大颗粒碰撞频率，从而提高絮凝效果，但存在制作和安装困难、网孔易堵塞、网格材料使用寿命较短等不足。微涡流混凝工艺是为了替代网格而研发的，蒋念^[17]通过中试试验对涡流澄清池与网格澄清池的启动时间、除浊效果、产水能力、抗冲击负荷能力进行平行对比试验，研究了涡流澄清池实际运行效果，确定了涡流澄清池的最佳运行工况及相关设计参数。

4  结语

    涡流澄清工艺作为一种水处理工艺，已经越来越受到人们的瞩目，并被广泛应用。大量工程应用现状表明，涡流澄清工艺设备具有混凝效率高、反应时间短、出水质量优、适应变化能力强、施工方便、维护管理简便等优点，具有一定的推广价值及很好的应用前景。随着对涡流澄清工艺的不断研究，涡流澄清工艺的研究必能取得更大的进展，在现有的涡流澄清工艺基础上研制新一代适合我国国情且具有自主知识产权的高效涡流澄清技术，可以为探索适合我国中小城镇的污水处理工艺提供设计依据。

 

参考文献：

[1]方永忠, 沈顺东. 微涡流混凝给水处理新工艺[J].铁道劳动安全卫生与环保, 2004, 31(5): 210-212．

[2]童祯恭, 方永忠, 胡锋平. 微涡流混凝技术在十堰水厂的应用[J]. 中国给水排水, 2008, 24(4): 66-68.

[3]刘汝鹏,翟华丽,曲莹. 旋流扰流组合涡混合反应器的应用研究[J].环境科学与技术, 2006,29(2):93-94,100.

[4]庞焕岩,于水利,于志伟. 新型旋流扰流反应器试验研究[J]. 哈尔滨商业大学学报：自然科学版, 2007,23(3):303-306.

[5]王礼敬.涡流反应器在某有色冶炼污水处理中的应用[J].有色冶金设计与研究，2008,29(6):9-11.

[6]胡义纯.微涡流絮凝反应器-V型滤池在钢铁废水处理中的应用[J].工业用水与废水, 2009,40(1) :89-91.

[7]童祯恭, 胡锋平, 方永忠. 涡流混凝技术在嘉兴某净水厂中的运用[J]. 给水排水, 2009, 35(10): 15-17.

[8]吴玉华,谢立祥,方永忠.钢管厂综合废水处理与回用工程设计[J].中国给水排水,2009,25(14):75-78.

[9]张鹏天, 胡锋平，张琪，等.涡流反应器及其在即墨市南水厂的应用[J]. 华东交通大学学报, 2006, 23(5): 9-11.

[10]王齐全,胡锋平,童祯恭,等.涡流反应技术在金川集团废水处理二期工程中的设计介绍[J].江西化工, 2009, 12(4):158-161.

[11]童祯恭, 胡锋平. 涡流澄清技术在污水处理中的应用[J]. 水处理技术, 2009, 35(10): 117-119.

[12]胡锋平, 陈雪梅, 童祯恭. 模拟高效涡流澄清池除砷效果试验研究[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(9),111-113,182.

[13]陈雪梅. 涡流澄清池与水力循环澄清池处理含砷原水对比试验研究[D]. 江西: 华东交通大学, 2010: 63-66.

[14]杨竞. 不同进水水质及不同涡流反应器下涡流澄清池试验研究[D]. 江西: 华东交通大学, 2010:55-60.

[15]刘玉哲. 涡流强化混凝澄清技术处理生活污水的试验研究[D]. 江西: 华东交通大学, 2010:51-54.

[16]谌贻胜. 微涡旋澄清池在不同工况下运行参数及排泥方案的试验研究[D].江西:华东交通大学, 2011:48-54

[17]蒋念. 涡流澄清池和网格澄清池除浊效果对比试验研究[D].江西: 华东交通大学, 2011:50-54.

 

 

收稿日期：2012-07-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61272197），江西省科技支撑计划项目（20121BBG70007），江西省水利厅科技项目（2012021）

作者简介：熊伟，男，在读硕士研究生，研究方向为给水处理理论与技术。

 注：本文刊载于《市政技术》2012年第6期，第70页至第72页。