混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义

混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义

余承烈

（ 山西铝厂 山西 河津 043300）

Guide meaning of coagulation dynamics to coagulating

technology practicality

Yu chenglie

(Shanxi aluminium plant Hejin Shanxi 043300)

内容摘要：分析了混凝动力学几个公式，就公式中的每个因子展开讨论，认为：混凝动力学公式对混凝工艺实践有定性的指导意义，举例说明了目前几种经实践证明了的高效混凝技术与混凝动力学的相关性。

关键词: 混凝动力学公式探讨 混凝工艺 高效混凝技术 指导意义 1．混凝动力学公式的探讨

一般认为，混凝包括絮凝和凝聚两个过程，凝聚和絮凝都是使胶体或悬浮物中微细粒固体聚集而使颗粒尺寸变大的过程[8]。混凝动力学也应该包括絮凝动力学和凝聚动力学，目前就笔者掌握的资料，提法不统一，有的只提到凝聚动力学，如文献（8）。文献(5)就只提出絮凝动力学，还明确指出：研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒浓度随时间的减少过程称为絮凝动力学。按照这个定义，絮凝动力学的研究范围虽然可以包括许多不同的絮凝过程，但一般絮凝动力学研究的只是憎水胶体经电解质脱稳后的容积絮凝过程。笔者认为，絮凝动力学比较符合规律，但是在没有统一以前，目前还是提混凝动力学为宜。

混凝动力学的研究自1943年Camp 和Stein 提出动力学的公式后 至今，许多学者提出了很多类似的公式，本文列出目前常见的几个公式，并就公式所包含的意义展开讨论。

1．1混凝动力学公式的认可

文献[9]介绍的列维奇（Levich ）利用扩散方程计算通过球形控制面单位时间的颗粒的时平均总数，即颗粒的碰撞数：

Nt==12Πβ(ε/γ) ½R ³n ² （1）

式中ε——球形控制体周围单位体积水的能耗；

γ——水的动力粘滞系数；

R——球形控制体半径；

n——控制体周围的颗粒时平均浓度（单位体积颗粒时平均总数）

β——实验系数。

文献[5]介绍的当颗粒因水流所产生的速度梯度du/dz相碰时， 每毫升中两种颗粒每秒钟相碰的次数为：

N==4/3n1n 2 (r1+r2) ³du/dz （2）

式中：du/dz——速度梯度

r 1,r 2——两种颗粒的直径，

n 1，n 2——两种颗粒的浓度，

文献[1]介绍的Camp 和Stein 同向絮凝理论认为：对于直径d 1为的颗粒数为N 1的和直径d 2为的颗粒数为N 2的整个体系，每单位体积内单位时间总的接触数为：

N==(G/6) N 1 N 2 (d1+ d 2) ³ （3）

式中: du/dz为速度梯度

文献[8]提出的同向絮凝的公式：

–DN/dt=2/3Gd³N ² （4）

式中： N----单位容积的颗粒个数 （个/cm³）

d----颗粒直径 （cm ）

G----速度梯度 （s ）

文献[7]介绍的日本专家Tambo.N(丹保宪仁) 先生提出接触絮凝方程式为：

dn/dt= —π/4qVs(D+d)2N n (5) 式中：

N ，n----分别为单位体积内成熟絮凝体和微絮凝体的数目（个/ cm ³）;

t----接触絮凝时间(s);

q —--絮凝系数;

V s---水流上升流速(cm / s);

D ，d----分别为成熟絮体和微絮凝体平均粒径（cm ）；

以上公式形式虽有差异，但有一点是相同的，就是絮凝效果和水中的粒子数量有关，和速度梯度有关，和粒子的直径有关。有区别的是，公式（5）中没有速度梯度因子，却有水流上升的流速，且经过试验验证. 公式形式与公式成立的条件、研究的对象有关。

1．2混凝动力学公式的探讨

为了说明问题，需要将混凝过程的几个概念阐述清楚。混凝分为两个过程，既反应和絮凝，反应包括混合和初凝，初凝中包含有凝聚的内容。

由碰撞接触絮凝公式可以看出，和碰撞有关系的是水中粒子的浓度和直径。其中，浓度是一次方，直径是三次方；也就是说提高碰撞效果，主要是增大水中的粒子直径，提高混凝反应过程中待反应的物质的浓度。显然，提高直径一个数量级所产生的效果就相当于提高碰撞次数2个数量级。在反应初期，粒子的直径都不会太大，此时在反应器中，保持高浓度就可以大大提高混凝效果。还可以加强搅拌，增加旋转次数，通过提高旋转速度来到到碰撞的目的。但是，胶粒与药剂分子只要一碰撞，则马上会粘结在一起，形成初絮体。一把情况下，反应需要几秒钟（7—8秒），这实际上是一个综合值，7—8秒的时间内，所有的胶粒和药剂分子都反应完毕，因此这7—8秒的时间实际上是前后持续反应所需要的时间，这其中包括絮体和絮体、絮体和胶粒的反应时间。也就是说，反应之后进入絮凝阶段，绝大部分水中粒子是絮体和絮体之间的结合和分离。在絮凝阶段，絮体不断长大后，因为絮体直径比胶粒要大得多（100倍以上），粒子的数量显著下降，N ·n 降为次要因素，而 (D+d)3 逐渐上升为主要因素，这时的反应也要求碰撞、接触，但是它们要求的水力半径要适合于它们自身的直径。按理说搅拌强度大一些，水力梯度大一些，相互碰撞接触的机会才会多一些。但搅拌强度大(G值大), 水流的剪切力就大，粘结在一起的絮体受到水流的剪切就会二次被断开而成为小絮体。因此要求搅拌的强度（也就是水力梯度）随着絮凝的进行而逐渐变小。也就是说在整个混凝的过程中，G 值不应是一个固定值，而是一个递减值。实践证明：当G 值造成的水力半径约等于絮体半径时，混凝效果最佳，当然，这种水力半径是指大多数水中漩涡的半径，而不是一个准确值、固定值。

既然在混凝的过程中，要求前半部分速度梯度G 高一些，一旦药剂分子完成扩散、接触、碰撞的过程，则后半部分要求较小的速度梯度G ，避免粘结在一起的絮体受到水流的剪切二次被断开而成为小絮体，即要求速度梯度G 前大后小，那么在公式中就应该体现这个规律。随着粒子的浓度减小、粒子直径增大的同时，速度梯度G 变小，而在这样的过程中，混凝效果却不断强化。

因此笔者认为：混凝动力学公式应该对速度梯度G 这个因子进行修正，增加一个补充公式：对G 值作函数，函数中涉及到粒子直径和粒子浓度，而且随着离子浓度和粒子直径增大而减小G 值，这样就更符合混凝的具体过程。笔者推荐的动力学公式：

-dn/dt==kGª(d1+d2) ³n 1n 2 (6) a==f{（n 1+n 2)/(d1+d2)} （7） 式(6)、（7）中: k—絮凝系数，它和某种水体、具体的混凝工艺有关； a—G 值的幂，

这个公式体现了三个意义，第一，速度梯度G 在混凝过程中和水中的粒子浓度、粒子直径有关；第二，控制速度梯度G 在混凝过程中随着水中的粒子浓度上升而升高，随着水中粒子直径增大而降低；第三，速度梯度G 在混凝过程中的变化规律是前大后小。修正后的混凝动力学公式更好的体现了混凝规律，对混凝工艺有了更明确、更简洁的指导意义。

限于笔者的自身条件，无法针对公式进行相关的试验，只能探讨这些，还望大家批评、指正。

2．混凝动力学对混凝工艺实践的指导意义

所有的混凝动力学公式建立的条件都大同小异，但对混凝实践来说，没有定量的指导意义，因为无论是粒子的直径还是粒子的浓度都无法做到准确测量。何况在混凝的水中，直径大小是不一致的，随时都会发生变化。粒子之间的聚合和断裂随时都在发生，因此无法确定粒子的数量和直径。G 值对絮凝过程的重要性也主要体现在定性的指导作用，而不是它的具体数值，近年来随着絮凝技术的发展，不少学者指出G 值只是某一水体的平均值，并不反映瞬时值，也不能反映水流的真实结构。有学者认为最重要的是G 值只反映某一水体能量注入率的平均值，不能反映该水体各微小单元能量注入率的具体数值和均匀程度。

但公式对混凝有定性的指导意义，例如，增加粒子的浓度，可以提高混凝效果；创造水流的层流条件，减少已经结合在一起的粒子再次被断开；创造涡流使粒子旋转[3]，或“自旋”、或在水体中绕着涡流迴转；追求粒子的直径不断变大，提高混凝的效果。

混凝动力学公式对混凝工艺实践有定性的指导意义，下面举例说明目前几种经实践证明了的高效混凝技术与混凝动力学的相关性。

2．1微涡旋混凝工艺

文献[9]指出：絮凝池中的湍流中充满着大大小小的涡旋, 它们不断的产生、发展、衰减与消失，大尺度涡旋破坏后形成较小尺度的涡旋，较小尺度涡旋形成更小的，其中的微小涡旋促进了颗粒碰撞、絮凝。涡旋区中微涡旋的尺度取决于涡旋区的紊动强度或能量供应的大小，而涡旋区的动能又是由主流来提供的。因此主流流速的大小决定了涡旋区中微涡旋的尺度， 涡流的流速越大，即G 值越大，生成的微涡旋的尺度就越小，反之亦然。

微小涡旋最容易引起絮体的自旋。当涡旋控制在与絮体直径一个数量级时，能最大限度地促进初级絮体旋转，因为絮凝体不是理想的球形体，而是象云朵、树枝一样，因此可以肯定地说絮体或凝聚体一旦自身旋转，其半径可能要扩大几倍，甚至更高。相当于絮体直径扩大，提高絮凝效果。据此，在高效絮凝反应器设计时，控制水流在反应器沿程能够形成的絮体颗粒相近的微涡旋尺度就是这个道理。例如，结团凝聚过程中的颗粒自旋，可以给我们以这方面的启发。

又如，涡旋区中微涡旋的尺度取决于流动空间尺度与水流的速度。流动的空间尺度越小，涡旋尺度越小，填料絮凝池正是利用了这一原理。流速越高，涡旋尺度越小，因此减小流动空间尺度、增加流速就增加了颗粒碰撞的几率，混凝效果比普通絮凝池好就是这个道理。

2．2网格反应工艺

在网板反应中[10]，当水流绕过非线性圆柱体（网丝）时，由于发生边界分流现象，在圆柱体后部两侧使产生涡漩。涡旋长大到一定程度即从主体分离，顺流而下，随后又产生新的旋涡，在这样的柱尾流中便出现了两列平行排列而又互相交错的涡列。观测表明：柱后初始的涡旋大小基本上与柱体尺寸处于同一数量级。而涡旋尺度的变化比直接与网格的尺度有关。反应水流中的涡旋尺度可以通过调整网格尺度的办法来控制，使其形成的絮体颗粒粒径接近于同一数量级，同时也可以根据絮体在反应过程中不断增大的规律来设计不同级的反应条件，提高反应效率。控制涡旋，就是为了造成“迴转”。迴转就是絮体绕着漩涡中心在一定的圆周上反复旋转，则能提高絮凝效率，宏观现象观测更能说明这个观点：河流中经常看见旋涡中的柴、草等漂浮物，绕着旋涡中心反复迴转好多次，偶一瞬间才能“逃”出旋涡而进入下游。高效絮凝技术中，正是利用了小的絮体在不断的迴转过程中，吸附碰撞更小的或更大的絮体生成大而重的絮体而与水分离，提高混凝效果。

2．3高浓度接触层

近年来，新兴起的结团凝聚处理法[6]，也是基于提高浓度、提高碰撞机率的原理。这种装置开始运转时，上向流结团凝聚柱内尚无颗粒悬浮层，出水浑浊，但柱底逐渐有颗粒积累，随着底部粒状物增加，悬浮泥渣层逐渐形成，出水逐渐由浊变清。当悬浮层不断增厚至20—30cm 时, 柱内呈清晰的污水界面，悬浮层不断增厚，出水浊度不断降低。这就相当于创造出一个高浓度的反应单元。在上升流速较高时，各结团絮凝体颗粒在悬浮层中不断翻滚，但整个悬浮层随着泥渣量的增加以均匀的速度向上移动。将多余的悬浮体从泥渣口排出后，它们极易与水分离，分离出的水保持清澈。笔者在进行“高效固液分离装置”（专利产品）中试时也发现类似现象：污水在上升过程中，很短时间，穿过一个浓悬浮泥渣层再进入过滤层，尽管进水水质变化很大，出水水质却很稳定，如, 进水SS=400~2500mg/l,出水SS=5~10mg/l, 当过滤水头>3.5m时开始排泥，从排泥管放出浓度为5%—6%的积泥底流，静置10分钟即出现清澈的水面，明显地能看出泥与水已经分离，倒出上清液后，泥液明显增稠，泥层比较密实，不象普通沉淀池排出的泥液那样稀松。就是说，经过高浓悬浮层絮凝后的颗粒中水分子的含量、结构比较特殊，比普通絮凝完成污泥浓缩后更容易实现泥水分离。

2．4反应池投加填料的理由

钱荣孙[7]试验的软性固体介质絮凝工艺只所以比普通石英砂接触滤地净水效率高，也就是因为同样的过滤面积，软性固体填料有更高的空隙率，能够更多地造成絮凝体之间接触、吸附的机会。有了填料，增加了初级絮体接触碰撞的机会，相当于增加了离子浓度，给初级絮体一个着床的机会，絮体着床的多了，自然会堆积在一起；堆积粘结在一起的絮体多了，重量增加，絮凝体就会自动地从填料上脱落下来，迅速地与水分离，这就达到了固液分离的目的。同时，高效水力絮凝器研制的结论说明[2]：采用填料和阻流装置，可以统一絮凝阶段的全部水体的各个部分获得尽可能相同的能量率，它能改善絮凝器的水流条件，把絮凝器调到最佳工作状态，从而提高絮凝效果。

笔者认为，在沉淀池增加填料，也能增加分离效果。理由是，填料的存在增加了上升絮体与填料的碰撞机会，完全有可能在絮体即将离开沉淀池出去的时候将其吸附截留，达到净化的目的，这也是笔者分析混凝动力学的意义得来的一点体会。

--------------------------------------------------------------------------------

参考文献：

1．T.M. 凯纳兹（美），李维音等译，水的物理化学处理[M]，清华大学出版社（北京），1982

2．高士国，水力絮凝器的理论与实践[J]，张中和，王彩霞等编，给水与废水处理国际会议论文集p100，中国建筑工业出版社（北京），1994

3．余承烈，对混凝过程的几点新认识[J]，工业用水与废水，2003第5期，

4．王绍文，等，论絮凝的动力学致因[J]，张中和，王彩霞等编，给水与废水处理国际会议论文集p186，中国建筑工业出版社（北京），1994

5、许保玖，给水处理理论[M]，北京， 中国建工出版社（北京）2000

6、黄廷林，结团造粒流化床中造粒动力条件研究[J]，给水排水，1998，24（5）：25—29

7、钱荣孙，关于絮凝体在软性固体介质中的强化接触絮凝机理的探讨与试验[A], 王彩霞，给水与废水处理国际会议论文集[C],北京：中国建工出版社，1994， p162—168

8、罗茜，余仁焕，徐继润，固液分离[M]，北京，冶金工业出版社1997

9、王绍文，吴健松，王琳，论絮凝的动力学致因[A]，王彩霞，给水与废水处理国际会议论文集[C],北京：中国建工出版社，1994，p186—192

10、傅文德，高浊度给水工程[M]，北京，中国建筑工业出版社1994

作者简介：余承烈，男，1983年毕业于太原理工大学，教授级高级工程师，山西铝厂生活服务部。电话：0359--5042191