摘要：“渦旋混凝給水處理技術”是根據多相流動物系反應控制慣性效應理論，結合給水工程實踐，經近十年的研究而發明的。該技術涉及了給水處理中混合、絮凝反應、沉澱三大主要工藝。
關鍵詞：渦旋混凝給水處理技術
一、概述
“渦旋混凝給水處理技術”是根據多相流動物系反應控制慣性效應理論，結合給水工程實踐，經近十年的研究而發明的。該技術涉及了給水處理中混合、絮凝反應、沉澱三大主要工藝。
理論上，首次從湍流微結構的尺度即亞微觀尺度對混凝的動力學問題進行了深入了研究，提出了“慣性效應”是絮凝的動力學致因，湍流剪切力是絮凝反應中決定性的動力學因素，並建立了絮凝的動力相似準則；首次指出擴散過程應分爲宏觀擴散與亞微觀擴散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴散的動力學致因是慣性效應，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。由於新理論克服了現有傳統給水處理技術理論上的缺陷和實踐上的不足，因而導致了在給水處理技術上的重大突破。
實踐中，發明了列管式混合器、翼片隔板反應設備、接觸絮凝斜板沉澱設備等。目前這項新技術已在全國近50多家水廠成功地推廣使用，取得了明顯的經濟效益和社會效益。工程實踐證明：此項技術用於新建水廠，工藝部分基建投資可節約20～30%；用於舊水廠技術改造，可使處理水量增加75%～100%，而其改造投資僅爲與淨增水量同等規模新建水廠投資的30%～50%。採用此項技術可使沉澱池出水濁度低於3度，濾後水接近0度，可節省濾池反衝洗水量50%，節省藥劑投加量30%，大大降低了運行費用和制水成本。
這項技術適應廣泛，不僅對低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時，對微污染原水具有較好的處理效果。可利用最小投資，取得最大效益，充分發揮現有供水設施的潛力，在短時間內緩解城市供水短缺狀況，促進城市的經濟發展。
二、“渦旋混凝給水處理技術”的工作機理
（一）混合
混合是反應第一關，也是非常重要的一關，在這個過程中應使混凝劑水解產物迅速地擴散到水體中的每一個細部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩並凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。因爲在混合過程中同時產生膠體顆粒脫穩與凝聚，可以把這個過程稱爲初級混凝過程，但這個過程的主要作用是混合，因此都稱爲混合過程。
混合問題的實質是混凝劑水解產物在水中的擴散問題，使水中膠體顆粒同時脫穩產生凝聚，是取得好的絮凝效果的先決條件，也是節省投藥量的關鍵。傳統的機械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，國內外採用管式靜態混合器使混合效果有了比較明顯地提高，但由於人們對於多相物系反應中亞微觀傳質以及湍流微結構在膠體顆粒初始凝聚時的作用認識不清，故也妨礙了混凝效果的進一步提高。混凝劑水解產物在混合設備中的擴散應分爲兩類：(1)宏觀擴散，即使混凝劑水解產物擴散到水體各個宏觀部位，其擴散係數很大，這部分擴散是由大渦旋的動力作用導致的，因而宏觀擴散可以短時間內完成；(2)亞微觀擴散，即濁凝劑水解產物在極鄰近部位的擴散，這部分擴散係數比宏觀擴散小几個數量級。亞微觀擴散的實質是層流擴散。因此使混凝劑水解產物擴散到水體第一個細部是很困難的。在水處理反應中亞微觀擴散是起決定性作用的動力學因素。
例如高濁水的處理中，混凝劑水解產物的亞微觀擴散成爲控制處理效果的決定性因素。由於混凝劑的水解產物向極鄰近部擴散的速度非常慢，在高濁度期水中膠體顆粒數量非常多，因此沒等混凝劑水解產物在極鄰近部位擴散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時期有些地方混凝劑水解產物局部集中，而有些地方還根本沒有。混凝劑局部集中的地方礬花迅速長大，形成鬆散的礬花顆粒，遇到強的剪切力吸附橋則被剪斷，出現了局部過反應現象。藥劑沒擴散到的地方膠體顆粒尚未脫穩，這部分絮凝反應勢必不完善。這一方面是因爲它們跟不上已脫穩膠體顆粒的反應速度，另一方面是因爲混凝劑集中區域礬花迅速不合理長大，也使未脫穩的膠體顆粒失去了反應碰撞條件。這樣就導致了高濁時期污泥沉澱性能很差，水廠出水水質不能保證。按傳統工藝建造的水廠，在特大高濁時都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質。這是由於過去工程界的人們對亞微觀傳質現象不認識，對其傳質的動力學致因也不認識，因此傳統的混合設備無能力解決高濁時混合不均問題，這不僅使水廠在特大高濁時大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的嚴重消費和造成出水的pH值過低。
亞微觀擴散究其實質是層流擴散，其擴散規律與用蜚克定律描寫的宏觀擴散規律完全不同。當研究尺度接近湍流微結構尺度時，物質擴散過程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴散。在湍流水流中亞微觀傳質主要是由慣性效應導致的物質遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。我們的管式微渦初級混凝設備，就是利用高比例高強度微渦旋的離心慣性效應來克服亞微觀傳質阻力，增加亞微觀傳質速率。生產使用證明這兩種設備在高濁時混合效果良好，不僅比傳統的靜態混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節省了投藥量。
（二）反應
絮凝是給水處理的最重要的工藝環節，濾池出水水質主要由絮凝效果決定的。傳統廊道反應、迴轉孔室反應以及迴轉組合式隔板反應的絮凝工藝，水在設備中停留20～30分鐘，水中尚有很多絮凝不完善的小顆粒。近年來，國內出現了普通網格反應；國外推出了折板式與波形板反應設備，使絮凝效果有了比較明顯地改善。但由於人們對絮凝的動力學本質認識問題，妨礙了絮凝效果的進一步提高。
1.絮凝的動力學致因
絮凝長大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決於下面兩個因素：一是混凝劑水解後產生的高分子絡合物形成吸附架橋的聯結能力，這是由混凝劑的性質決定的；二是微小顆粒碰撞的機率和如何控制它們進行合理的有效碰撞，這是由設備的動力學條件所決定的。導致水流中微小顆粒碰撞的動力學致因是什麼，人們一直未搞清楚。水處理工程學科認爲速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學致因。按照這一理論，要想增加碰撞機率就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝過程是速度受限過程，隨着礬花的長大，水流速度應不斷減少。
絮凝的動力學致因究竟是什麼？是慣性效應。因爲水是連續介質。水中的速度分佈是連續的，沒有任何跳躍，水中兩個質點相距越近其速度差越小，當兩個質點相距爲無究小時，其速度差亦爲無窮小，即無速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運動，由於沒有速度差就不會發生碰撞。由此可見要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產生相對運動，這樣水流就會對顆粒運動產生水力阻力。由於不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度顆粒之間就產生了速度差。這一速度差爲相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產生相對運動呢？最好的辦法是改變水流的速度。因爲水的慣性（密度）與顆粒的慣性（密度）不同，當水流速度變化時它們的速度變化（加速度）也不同，這就使得水與其中固體顆粒產生了相對運動。爲相鄰不同尺度顆粒碰撞提供了條件。這就是慣性效應的基本理論。
改變速度方法有兩種：一是改變水流時平均速度大小。水力脈衝澄清池、波形板反應池、孔室反應池以及濾池的微絮凝主要就是利用水流時平均速度變化形成慣性效應來進行絮凝；二是改變水流方向。因爲湍流中充滿着大大小小的渦旋，因此水流質點在運動時不斷地在改變自己的運轉方向。當水流作渦旋運動時在離心慣性力作用下固體顆粒沿徑向與水流產生相對運動，爲不同尺度顆粒沿湍流渦旋的徑向碰撞提供了條件。不同尺度顆粒在湍流渦旋中單位質量所受離心慣性力是不同的，這個作用將增加不同尺度顆粒在湍流渦旋徑向碰撞的機率。渦旋越小，其慣性力越強，慣性效應越強絮凝作用就越好。由此可見湍流中的微小渦旋的離心慣性效應是絮凝的重要的動力學致因。
由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微渦旋的比例，就可以大幅度地增加顆粒碰撞次數，有效地改善絮凝效果。這可以在絮凝池的流動通道上增設多層翼片隔板的辦法來實現。由於水流的慣性作用，使過水流的大渦旋變成小渦旋，小渦旋變成更小的渦旋。
增設翼片隔板後有如下作用：(1)水流通過該區段是速度激烈變化的區段，也是慣性效應最強、顆粒碰撞機率最高的區段；(2) 翼片隔板之後湍流的渦旋尺度大幅度減少，微渦旋比例增強，渦旋的離心慣性效應增加，有效地增加了顆粒碰撞次數；(3)由於水流的慣性作用，礬花產生強烈的變形，使礬花中處於吸附能級低的部分，由於其變形揉動作用達到高吸能級的部位，這樣就使得通過該區之後礬花變得更密實。
2.礬花的合理的有效碰撞
要達到好的絮凝效果除了要有顆粒大量碰撞之外，還需要控制顆粒合理的有效碰撞。使顆粒凝聚起來的碰撞稱之爲有效碰撞。一方面，如果在絮凝中顆粒凝聚長大得過快會出現兩個問題：(1)礬花長得過快其強度則減弱，在流動過程中遇到強的剪切就會使吸附架橋被剪斷，被剪斷的'吸附架橋很難再連續起來，這種現象稱之爲過反應現象，應該被絕對禁止；(2)一些礬花過快的長大會使水中礬花比表面積急劇減少，一些反應不完善的小顆粒失去了反應條件，這些小顆粒與大顆粒碰撞機率急劇減小，很難再長大起來。這些顆粒不僅不能爲沉澱池所截留，也很難爲濾池截留。另一方面，絮凝池中礬花顆粒也不能長得過慢，礬花長得過慢雖然密實，但當其達到沉澱池時，還有很多顆粒沒有長到沉澱尺度，出水水質也不會好。此由看到在絮凝池設計中應控制礬花顆粒的合理長大。
礬花的顆粒尺度與其密實度取決兩方面因素：其一是混凝水解產物形成的吸附架橋的聯結能力；其二是湍流剪切力。正是這兩個力的對比關係決定了礬花顆粒尺度與其密實度。吸附架橋的聯結能力是由混凝劑性質決定的，而湍流的剪切力是由構築物創造的流動條件所決定的。如果在絮凝池的設計中能有效的控制湍流剪切力，就能很好的保證絮凝效果。
多相流動物系反應控制理論的提出，真正建立起水處理工藝中的動力相似。使我們認識到湍流剪切力是絮凝過程中的控制動力學因素，如果在大小兩個不同的絮凝工藝中，其湍流剪切力相等，那麼具有同樣聯結強度的礬花顆粒可以在兩個不同尺度的絮凝過程中同時存在，這在某種意義上也就實現了兩個絮凝過程絮凝效果的相似。弗羅德數可以作爲相似準則數，可以表明湍流剪切力的大小，兩個尺度不同的絮凝過程當其弗羅德數相等時，其湍流剪切力就近似相等，絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等並不能完全控制絮凝效果的相似，因爲湍流剪切力相等時兩個不同的絮凝過程的礬花聯結強度相等，但礬花的密實度與沉澱性能卻不一定相同。礬花的密實程度可用湍動度來控制，湍動度值越大表明在固定時間內流動固定空間點的渦流數量越多，渦旋強度越大，礬花也越密實。在實際工作中是不可能測定湍動度的。慶幸的是當湍流剪切力相等時，尺度越大的絮凝池其水流速度也越高，因此礬花的碰撞強度越大，形成的礬花越密實，這已爲試驗與生產實踐的所證實。這樣就可以保證把小尺度的試驗結果按照弗羅德數相等來放大，放大後的絮凝效果會更好、更可靠。因而我們也可以通過科學地佈設翼片隔板，通過弗羅德數這個相似準則，來控制絮凝過程中水流的剪切力和湍動度，形成易於沉澱的密實礬花。
（三）沉澱
沉澱設備是水處理工藝中泥水分離的重要環節，其運行狀況直接影響出水水質。
傳統的平流沉澱池優點是構造簡單，工作安全可靠；缺點是佔地面積大，處理效率低，要想降低濾前水的濁度就要較大地加大沉澱池的長度。淺池理論的出現使沉澱技術有了長足的進步。七十年代以後，我國各地水廠普遍使用了斜管沉澱池，沉澱效率得到了大幅度提高。但經過幾十年應用其可靠性遠不如平流沉澱池，特別是高濁時期、低溫低濁時期以及投藥不正常時期。
傳統沉澱理論認爲斜板、斜管沉澱池中水流處於層流狀態。其實不然，實際上在斜管沉澱池中水流是有脈動的，這是因爲當斜管中的大礬花顆粒在沉澱中與水產生相對運動，會在礬花顆粒後面產生小旋渦，這些旋渦的產生與運動造成了水流的脈動。這些脈動對於大的礬花顆粒的沉澱無什麼影響，對於反應不完全小顆粒的沉澱起到頂託作用，故此此也就影響了出水水質。爲了克服這一現象，抑制水流的脈動，我們推動了接觸絮凝斜板沉澱設備。這一設備還有下面一些優點：(1)由於間距明顯減少，礬花沉澱距離也明顯減少，使更多小顆粒可以沉澱下來；(2)由於間距減少，水力阻力增大，使之佔水流在沉澱池中水力阻力的主要部分，這樣沉澱池中流量分佈均勻，與斜管相比明顯地改善了沉澱條件；(3)這種設備由於下面幾個原因其排泥性能遠優於其他形式的淺池沉澱池；(a)這種設備基本無側向約束；(b)這種設備沉澱面積與排泥面積相等；對普通斜管來說排泥面積只佔其沉澱面積的一半，在特殊時期如高濁期，低溫濁期或加藥失誤時期污泥沉降性能、特別是排泥性能明顯變壞，在斜管排泥面的邊緣處由於沉積數量與斜面上滑落下來的污泥數量大於排走的數量，造成污泥的堆積。所以一旦在斜管的角落處產生污泥的堆積，
這淹使瓜面減少，上升流速增加，增加了污泥下滑的頂託力，進一步增加污泥堆積。所以一旦在斜管角落處產生污泥的堆積，就產生了污泥堆積的惡性循環。這種作用開始時由於斜管上升流速的增加，沉澱效果變壞，沉後水濁度增高，當污泥堆積到一定程度時，由於上升流速的提高，可以把已積沉在斜管上的污泥捲起，使水質嚴重惡化。正是這一原因才使得南方很多地區又由斜管沉澱池改爲平流沉澱池。而小間距斜板沉澱池其排泥面積是普通斜管的4倍多，單位面積排泥負荷尚不到斜管的1/4，故在任何時期排泥均無障礙。
三、“渦旋混凝給水處理技術”的工藝特點
（一）處理效率高、佔地面積小、經濟效益顯著。
由於混合迅速(3～30秒)，反應時間短(8～12分鐘)，沉澱池上升流速高(2.5～3.5mm/s)，因此可大爲縮短水在處理構築物中的停留時間，大幅度提高處理效率，因而也就節省了構築物的基建投資。工程實踐證實：與傳統工藝相比，採用新技術用於新建水廠，主體工藝構築物可節省投資15～20%，並可大幅度減少主體構築物佔地面積。佔地面積與平流沉澱池比較可節省70%，與斜管沉澱池比較可節省40%。
（二）處理水質優，社會效益好，水質效益可觀。
幾年運行實踐證明，這項工藝可使沉後水濁度穩定在3度以下，濾後水接近0度，這就形成了一個很高的水質效益。水質效益一方面就是社會效益，另一方面是潛在的經濟效益。
我國現行飲用水水質標準爲濁度不超過3度，而發達國家標準是不超過1度。隨着人民生活水平的提高，我國也將進一步提高生活用水標準。如果其標準提高到1度，那麼大部分城市現有處理設備和工藝是難以達到的，只有通過大幅度投資擴建新水廠，才能解決水質和水量的矛盾。而採用此工藝可穩定保持出廠水濁度低於1度。由此可見，其潛在的水質效益是相當可觀的。
（三）抗衝擊能力強，適用水質廣泛。
實踐證明，此項技術抗衝擊的能力較強，當原水濁度、進水流量、投加藥量發生一些變化時，沉澱池出水濁度不象傳統工藝那樣敏感。其原因是，這項工藝的沉澱池上升流速按3.5mm/s設計時尚有很大潛力。運行實踐表明，這項工藝對低溫低濁、汛期高濁以及微污染等特殊原水水質的處理均非常有效。
低溫低濁水中固體顆粒少，顆粒尺度小，有機物含量相對高，比重小。從顆粒級配來看也相對均勻，加之低溫時藥劑吸附架橋能力下降，這些都給絮凝與沉降帶來困難。新技術採用的絮翼片隔板凝設備，可大幅度增加顆粒碰撞機率，克服了固體顆粒少、難於相互碰撞的缺點，形成比較密實的礬花，在接觸絮凝斜板上有效的沉澱下來。
對高濁水來說，顆粒碰撞已不成問題，但在這種情況下混凝劑的亞微觀擴散阻力大幅度增加。傳統方法很難使亞微觀傳質在混合設備中完成。也就是說，有一部分地方會出現過反應情況，而這些地方反應不足，致使絮凝效果惡化，以致於礬花沉降性能變壞；再加上斜管沉澱池本身結構導致排泥不暢的缺點，使得高濁水處理成爲難題。新技術由於能在各種情況下迅速完成藥劑的亞微觀擴散，同時小間距斜板克服了普通斜管排泥不暢的缺點，故此對高濁水處理十分有效。
我國目前普遍採用強氧化劑預氧化或生物預處理措施去除微污染。然而，無論何種預處理方法，都要通過反應使水中的有機物析出，使它們達到膠體顆粒尺度，最終通過絮凝、沉澱、過濾的方法與水中的其他顆粒一起去除。因此，高效能的絮凝與沉澱設備是去除微污染更有效的設備。實踐證明，這項新技術在去除水中有機污染方面同樣行之有效。
（四）制水成本降低。
1.由於新技術採用先進的混合及反應設備，可節省投藥量30%；
2.由於新技術沉後水濁度在3度以下，減輕了濾池負擔，因此濾池反衝洗水可節省50%左右，並可延長濾料更換週期；
3.基建費用的大幅度節省，可較大程度降低投資折舊率。
從以上三個方面來看，新技術的使用可使制水成本顯著降低。
（五）工期短、見效快。
此項技術用於新水廠的建設，從設計到安裝調試只需2～3個月，可以在短時間內解決城市供水不足的狀況。
隨着我國城市建設的迅速發展，很多城市供水設施由於投資緊張，都嚴重滯後於城市的發展，造成很多城市缺水的局面。加之水質污染，水土流失等因素的影響，傳統工藝暴露出難以克服的問題，而影響優質供水。而這項新技術可以有效解決傳統工藝無法解決的問題。
總之，這項新技術具有處理效率高、水質好、投資省、制水成本低等特點。此技術的推廣應用，可最大限度地挖掘利用現有水資源和供水設施的潛力，利用最小投資取得最大效益。我們願與全國各城市水司竭誠合作，使這項技術得以更快地推廣，造福於當地人民。