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混凝微小颗粒碰撞的动力学机理

    混凝微小颗粒碰撞的动力学机理

    混凝技术是国内外广泛使用的既经济又简单的水处理技术,在给水净化处理中得到普遍应用。水质的混凝处理是向水中加入混凝剂,通过混凝剂水解产物压缩胶体颗粒的扩散层,达到胶粒脱稳而相互聚结或者通过混凝剂的水解和缩聚反应而形成的高聚物的强烈吸附架桥作用,使胶粒被吸附粘结。混凝的处理过程包含了凝聚和絮凝两个阶段。凝聚阶段形成较小的微粒,再通过絮凝以形成较大的絮粒。在絮粒形成过程中,不但能吸附悬浮颗粒,还能吸附一部分细菌和溶解物质,絮粒在一定的沉淀条件下从水中分离沉降出来。因此,决定混凝效果好坏的一个重要因素是:微小颗粒碰撞。

    推动水中颗粒相互碰撞的动力来自两方面:(1 )颗粒在水中的布朗运动;(2 )在水力或机械搅拌下所造成的流体运动。由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集称为“异向絮凝”,由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称为“ 同向絮凝”。只有小颗粒才具有布朗运动,随着颗粒粒径增大,布朗运动将逐渐减弱。当颗粒粒径大于1 μ m时,布朗运动基本消失。因此,要使较大颗粒进一步碰撞聚集,还要靠流体运动的推动来促使颗粒相互碰撞,即进行同向絮凝。同向絮凝往往简称为絮凝,在整个混凝过程中占有十分重要的地位。

    有关同向絮凝的机理,一般的资料认为速度梯度是其动力学的致因,并用甘布公式G = (p /μ)0.5 或G=[gh/(ν T)]0.5 计算速度梯度,式中p 为单位水体能耗,w / m3; μ为水的动力粘度,P a ·s ;h 为混凝设备中的水头损失,m ; ν为水的运动粘度,m 2/ s 。甘布公式是在层流状态下推导出来的,但实际上,水的混合絮凝并非是层流状态,而是紊流状态。甘布公式对改善现有的絮凝工艺没有多大价值。因为提高絮凝效果,就必须增加速度梯度; 增加速度梯度就必须增加能耗,也就是增加絮凝池的流速。但是絮凝过程是速度受限的,随着矾花的长大,水流速度应不断减小。

    水中微小颗粒碰撞的动力致因就是使颗粒和水流产生相对运动,使水流对颗粒运动产生阻力。要想使水中颗粒与水流产生相对运动可以改变水流的速度,即改变水流的速率和方向。改变水流的平均速率,就是利用水流的平均速度变化造成的惯性效应来进行絮凝; 改变水流方向,使水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动,增加不同尺度颗粒在紊流涡旋径向碰撞的几率。若大幅度地增加絮凝池中紊流微涡旋的比例,就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数,有效地改善絮凝效果。这可以通过在絮凝池的流动通道上增设小孔眼格网的办法来实现。

    由于过网水流的惯性作用,使过网水流的大涡旋变成小涡旋,小涡旋变成更小的涡旋。增设小孔眼格网可使水流通过格网的区段时速度激烈变化,惯性效应强,颗粒碰撞几率高; 小孔眼格网之后紊流的涡旋尺度大幅度减少。微涡旋比例增强,涡旋的离心惯性效应增加,有效地增加了颗粒碰撞次数; 同时因为过网水流的惯性作用,矾花产生强烈的变形,使矾花中处于吸附能级低的部分达到吸能级高的部位,这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。

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