微涡旋混凝在水处理中的应用

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　　由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒浓度平方成正比，而与颗粒尺度无关，实际上只有小颗粒才有布朗运动，随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱，当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本消失。对于一般絮凝池来说，絮体颗粒一般从微米级增至毫米级以上，因此由布朗运动产生的颗粒接触碰撞可忽略不计。至于因沉速差异而造成的颗粒接触碰撞，在沉淀池中有一定的作用，然而在反应池中，由于水流的强烈紊动，相对来说沉速差异的作用将是微小的。特别是在絮凝的初始阶段，颗粒细小，本身的沉速就不大，不同颗粒间的沉速差异也就更小，因此对于因沉速差异而产生的接触，在反应池中一般可以忽略不计；基于以上分析可以断定：流动水体的水力作用对加速颗粒絮凝起主导作用[3]。

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8 C, L; G' u. f　　之所以说絮凝的动力学致因是惯性效应[5]，这是因为水是连续介质，水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃，水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见
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5 r2 _) Q6 ?. V% }8 x　　在给水净化和废水物化处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。天然水体中的分散相大部分由无机胶粒组成，如：黏土、金属氧化物、金属氢氧化物和金属碳酸盐，还有来自腐殖质的有机胶体物质以及有生命的微生物（藻类或细菌）。城镇用水及工业废水处理中, 絮凝(混凝)过程是应用最普遍的关键环节之一。絮凝效果的好坏, 直接决定着后续单元过程的运行工况、处理费用及最终出水水质。实践证明，设计时混凝工艺选定的合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能节约降低运行费用的目的。因此搞清絮凝动力致因是提高絮凝效率的关键[1,2]。
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0 T! c0 i; z5 l1 H6 C" Y　　要使颗粒产生絮凝需要有两个基本前提，颗粒间的接触(即碰撞)以及接触后的聚集。两个保持一定距离作相对运动的颗粒，如无其他力的作用是无法接触的，因为它们之间将始终维持原来的间距。当然，颗粒的接触并不等于聚集，如果颗粒不具备彼此结合的能力，接触后的颗粒仍然处于分散状态，它取决于聚合氯化铝的性质。总之使颗粒产生絮凝的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞，主要有三种途径[2]：(1)颗粒的布朗运动；(2)颗粒间的沉速差异；(3)流动水体的水力作用。


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　　1.絮凝的动力学过程
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　　在水处理工程学科中, 有关絮凝过程的动力学致因问题有不少争论。在工程界应用最多的是基于层流条件下导出的速度梯度理论, 主要有异向絮凝、同向絮凝及差降絮凝[2]。

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　　2.絮凝动力机理
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　　在絮凝过程中，由于水力条件对絮凝体成长起决定性作用，因此可以将絮凝当作流体力学问题来进行研究。丹保在他的论文中以直流水槽为例进行了说明，水槽中水流沿垂直流向可分为三层：层流底层、过渡层和紊流层(惯性区)。在紊流层内只能产生尺度大而强度低的涡流，在层流低层内不可能存在涡旋运动，在这两层之间存在一速度梯度相当大、涡能量最大的层，这一层就是过流层，实际上层流低层和过渡层都是极簿的流层，因此絮凝效果的好坏决定于紊流区[4]。
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2 u* Y0 K1 `+ D3 K　　3.絮凝的动力学致因
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8 J. ^# f( k3 s+ r8 u4 z　　由于絮凝中的颗粒碰撞是与湍流中的微结构的动力作用密切相关，因此在絮凝动力学的研究中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。

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　　上述絮凝动力学理论是基于层流状态考虑的, 对于实际情况,必然存在其局限性。而人们又着眼于实际流体状况的分析，因此有关絮凝的动力学致因有待进一步的研究。王绍文等首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对絮凝的动力学问题进行了研究，提出了惯性效应是絮凝动力学致因，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应，并指出湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素。武道吉等从紊流结构分析了混合动力学机理, 提出了主流区的涡流扩散对混合时间起主导作用, 并导出了混合综合控制指标。这些研究成果既丰富了理论,也可用于指导实践[2,5]。

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' O6 b& O$ r! D1 p　　絮凝效果的好坏取决于两个因素：(1)混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；(2)微小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由矿粉压球机的动力条件所决定的。

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　　絮凝一般是指水中的胶体在加入混凝剂进行脱稳之后，相互接触碰撞，在吸引力作用下合并成长为大絮凝体的过程。研究絮凝的动力学过程，也就是研究絮凝过程中颗粒状态的变化，颗粒是怎样从粒径较细数量较多，逐步演变为粒径较大而数量较少的[1]。