絮凝的數學描述一般分為兩個立的過程:遷移和粘附。遷移過程產生顆粒的碰撞。遷移是由水中顆粒的速度差異引起。在折板絮凝池中,速度差異認為是以下3種因素造成:(1)顆粒的布朗運動(異向絮凝中起主要作用;(2)紊流渦旋(同向絮凝);(3)顆粒間沉降速度的差異(差速絮凝)。粘附作用取決于和顆粒物本身表面性質有關的瞬時作用力。
眾多的水處理工作者均認為:只有具有與顆粒尺寸相同數量級的渦旋才對碰撞有效,其它的不起作用。由于實際的絮體顆粒尺寸變化幅度是1-1000um,因此,有很大一段的渦旋起作用,不能嚴格劃分大小渦旋的界限。紊動的擴散作用主要取決于大尺度的紊動。大渦旋的尺度可以認為與折板單元的尺度數量級相同。折板單元連續的縮放,使水流形成大量不同尺度的渦旋,促進了水流內部絮體顆粒間的相對運動,增加了碰撞機會,所以相對于隔板絮凝池,絮凝效果大大提高。
以來,全國大部分地表水源受污染,水體中藻類等有機物含量明顯增多,常規混凝處理效果并不理想。絮凝強化時,對因池體自身結構缺陷等因素造成的混凝動力不足、水力條件不當等問題往往不夠重視。
開發新型、、安全的絮凝劑,深入研究絮凝基礎理論及其控制技術,現已成為一門迅速發展的科學與技術。絮凝過程是一個復雜的動態過程,盡管要地表達某一水質、絮凝劑和水流流態特性因素對絮凝效果的影響還存在很大的困難,但隨著多學科技術集成度的提高以及實際應用的需要,預計折板絮凝研究將在如下方面有所發展:
加強絮凝控制設備研制及絮凝效果評價參數的制定。開發研制新型可定量、實時測定絮凝過程水流動力學參數和礬花多形態參數(如大小、密實度、沉降速率等),并參與水廠運行控制的設備儀器;利用所開發的新型設備儀器,評估判斷特性水體絮凝效果,研究制定新型實用的微觀與宏觀相結合的絮凝效果綜合評估參數。
好的絮凝效果不僅需要大量的顆粒碰撞,還需要控制顆粒進行合理有效的碰撞,使顆粒聚集起來。速度梯度是絮凝過程中常用的控制動力學因素。根據絮凝動力學理論得知,絮凝過程中的速度梯度值是逐漸減小的;而且開始時刻的速度梯度值要求能與混合階段銜接上,所以一般要求較大。這時的絮凝也要求接觸和碰撞,但是由微渦旋理論可知要求的水力半徑要適合于自身的直徑,才能發生有效碰撞。理論上,攪拌強度越大,速度梯度越大,相互接觸碰撞的機會越多。但攪拌強度大(G值大),水流的剪切力就大,松散的絮體受到水流剪切會二次斷開成為小絮體。因此要求攪拌的強度(也就是速度梯度)隨著絮凝的進行而逐漸變小。整個混凝的過程中,G值是遞減的。但是速度梯度遞減規律,國內外的還沒有定論。
矩形往復式絮凝池中普遍存在死水區,死水區的存在,不僅容易形成沉積物的堆積,而且嚴重阻礙了水流的運動。特別是在絮凝后期,水流速度逐漸減小時,死水區對水流有越來越大的的負面影響。而圓弧形渠道,幾乎不存在死水區,可以有效的消除死水區帶來的負面影響。且圓弧區的水流速度也比矩形渠道的分布均勻,有利于節約能耗。
在往復式折板后面能夠形成渦旋,伴隨著顆粒粒徑在增加,渦旋的尺度由小變大,符合絮凝動力學規律;通過比較得出,圓弧形渠道絮凝池的湍流強度變化緩慢,分布更加均勻合理,不僅能夠滿足絮凝前期較大湍流強度的需要,也能滿足絮凝后期顆粒碰撞的湍流強度,證明圓弧轉彎渠道形比矩形轉彎渠道有更好的絮凝效果。
通過混凝動力學的研究,得到了混凝動力學中速度梯度與時間的關系G=G(0)/1+Kt;并通過擬合得到往復式絮凝池速度梯度的變化規律近似符合混凝動力學對速度梯度變化的要求;同時參考了往復式絮凝池的新研究成果—將往復式絮凝池轉彎處的矩形渠道變成圓弧形狀,設計出一種的往復式絮凝池。通過數學模擬發現:優化后的往復式絮凝池拐彎處的圓弧形渠道能夠消除傳統往復式絮凝池轉彎處的死水區,而且圓弧形渠道處的水流速度比矩形渠道處的分布均勻,有利于節約能耗。
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