絮凝就是通过水流流动的能量消耗,促使水中胶体颗粒在混合阶段脱稳,经初步聚集的微絮粒相互接触碰撞,逐步形成能满足沉降分离要求的较大絮体的过程^[1~3]。大、中型水厂目前常用的机械絮凝池和水力絮凝池均存在着一定的缺陷^[4~6]。机械絮凝池能耗较高、能量分配不均匀;水力絮凝池水头损失较大,抗水量变化的冲击负荷较差^[7,8]。而且,目前絮凝池设计参数往往凭经验确定,参数很不科学^[9],有些絮凝池在运行过程中絮凝效果不佳。国内外研究人员通过数值模拟和试验数据的对比分析,证明了CFD对絮凝反应模拟的实用有效性^[6,10]。基于此,本文开发了水力桨隔板絮凝技术,通过CFD软件Fluent对絮凝池的内部流场流态进行分析,并通过对低能、高效的新型水力桨隔板絮凝池局部不同水力桨设置所产生水力条件的模拟,研究分析两桨叶间不同位置关系、不同转向关系的水力桨组合所形成水力条件的特征。在此基础上,结合絮凝过程中水力条件对絮凝的影响规律,针对絮凝的不同阶段整体优选最佳的水力桨组合,以达到对絮凝全过程进行精确量化控制的目的,进而提高絮凝效率、缩短絮凝时间,有效降低絮凝剂的投加量。

　　 水流驱动水力桨的旋转并带动水流呈旋流运动,运动过程中又会产生大小不同的涡旋,水中固体颗粒的运动方向会随之不断改变,并产生离心惯性力和径向阻力^[11]。根据质点受力分析,颗粒在有旋流中单位质量所受离心惯性力f为:

　　 式中ρ_s———颗粒密度;

　　 ρ_ω———水密度;

　　 ω———颗粒切向速度;

　　 r———颗粒距旋转中心距离。

　　 颗粒单位质量所受径向阻力f_d为:

　　 式中c_d———球体扰流阻力系数;

　　 r₀———颗粒半径;

　　 v———颗粒径向运动速度。

　　 式(1)和式(2)表明,颗粒单位质量离心惯性力不受其大小的影响,但颗粒越大,其单位质量在径向运动中所受阻力越小^[12]。因此,在涡流中大颗粒速度快,小颗粒速度慢,运动过程中较大颗粒会逐渐接近较小颗粒,使不同粒径的颗粒发生碰撞、接触。

　　 同时,由式(1)可知,对于流体中的涡旋,其直径越小,旋转半径也越小,颗粒单位质量所受离心惯性力(f)越大,即颗粒径向离心加速度越大^[4,9]。 因此,在微小涡旋中颗粒径向离心加速度大,运动速度快,能够产生较大的速度梯度,并且由于离心惯性力作用,颗粒产生径向运动,进入新速度区。进入新速度区颗粒的切向速度小于新区中原有颗粒的切向速度,这一速度差异以及涡旋的持续离心作用,为径向进入新速度区的颗粒提供了与新速度区原有颗粒碰撞、絮凝的条件^[8,10]。总之,涡旋越小,颗粒离心惯性力越大,碰撞几率越高。如能有效增加微小涡旋的比例,可显著提高絮凝效果。

　　 如图1所示,每个竖井中设置4个桨轴,自池底向上每个桨轴上间隔100 mm安装一个水力桨,同轴上的水力桨转向相同,相邻轴上的水力桨旋转方向可相同也可相反。同轴上的水力桨在水流的作用下高速旋转,在反应器中形成以桨轴为轴线的旋流束^[13]。相邻旋流束间通过剪切作用(同向旋转)及相对运动(对向旋转)产生更有助于提高絮体形成效率、改善絮体密实度的微小涡旋,形成合理、高效的亚微观微涡旋絮凝体系、进而大幅提高絮凝效率和絮凝效果,降低絮凝剂的投加量。

　　 絮凝反应器尺寸为:长×宽×高=1 035mm×830mm×700mm,有效水深为600 mm,由8排廊道组成。前4排廊道中每个廊道由10个竖井组成;后4排廊道每个廊道由8个竖井组成。竖井中设置组合方式可变的水力桨,水力桨在水流的作用下自由旋转。

　　 CFD模拟计算选取反应器的一个竖井,尺寸为长×宽×高=100mm×100mm×700mm,有效水深为600mm,工艺参数如图2所示。

　　 为降低计算量,同时在确保模拟结果科学性的前提下,分别取竖井中的1个和2个不同位置关系的水力桨进行模拟计算。桨叶的位置关系如图2a所示,运行参数列于表1。

　　 流场模拟计算采用流体流场分析软件Fluent12^[5]。空间离散采用有限体积法^[7]。

　　 模拟计算中,取不同位置关系的水力桨,通过对几种情况的水力桨进行模拟计算分析并结合絮凝动力学机理,分析不同情况产生的水力效果及其对絮凝反应过程的影响规律。

　　 图3为不同水力桨组合的速度矢量分布图,CFD模拟结果表明,情况1~情况4的流场中产生了较强的涡旋。通过添加水力桨所形成的涡旋可使颗粒的轴向和径向速度发生变化,大大提高相邻颗粒间的碰撞几率。其中,单桨作用(情况1)轴向相邻的水力桨(情况2)可使旋流的强度增大,因而为微涡旋的形成提供了充足的动能。径向相邻的水力桨(情况3、情况4)形成的旋流相互作用产生大量的小涡旋和微涡旋。尤其是同向旋转的水力桨(情况3),可形成大量的微涡旋,为絮体的形成、絮体密度的增大提供了良好的水力条件。

　　 对于絮凝反应过程而言,贯穿于絮凝反应始终的旋流状态为絮凝反应的电中和、吸附架桥及网捕卷扫作用提供了更为有利的水力条件。情况3在絮凝反应初期,由于相邻涡旋形成的絮体颗粒的对向碰撞,极大地提高了絮体颗粒的结合、凝聚几率。在絮凝反应后期,利用情况4水力桨组合形式,相邻涡旋形成的絮体颗粒的差速同向运动,在不降低絮体颗粒碰撞、结合几率的前提下,切实地避免了因剪切力而造成的絮体破碎,减少了二次絮凝的发生,大大提高了絮凝反应效率,可实现絮凝剂消耗量的大幅降低。

　　 由图4可知,情况1至情况4中,由于水力桨的作用,平均速度梯度G值得到较大改善。情况3、情况4中,G值的分布更为均匀合理。在这种水力条件下,将使得絮体颗粒的粒度分布更为合理,在絮凝反应后期,有利于网捕卷扫作用形成粒度更大、更为密实的絮体,使得絮凝沉淀效果大为改善。

　　 情况1的条件下,由于水力桨的作用,在桨叶附近G值变化幅度较大,每个桨叶的轴向作用范围在15cm左右。

　　 情况2的条件下,连续的水力桨作用形成了连续的较大幅度的G值波动,波动幅度在25s^-1左右,同时轴向作用范围明显增大至25cm左右。

　　 情况3的条件下,G值的径向变化范围、幅度均明显增大,G值的变化幅度为23s^-1,在同一位置附近的两个波峰体现出两个桨叶同向旋转所形成的剪切作用,利于絮凝反应初期絮体的形成。

　　 情况4 的条件下,相对于情况3,在保持较高的G值变化幅度(22s^-1)的同时,由于径向相邻的桨叶间的对向旋转,同一位置附近未形成两个波峰,大大降低了因相对运动而形成的剪切力,在絮凝反应后期避免了已形成絮体的破碎。

　　 原水为松花江哈尔滨段不同时期的水样,原水水质参数如表2所示,其中浊度分别为148.3NTU和18.02NTU。絮凝反应器水处理量为3.6m³/h,反应时间8min,絮凝剂为聚氯化铝(PAC)。原水经管道混合器混合后进入絮凝反应器。出水水样在1 000mL烧杯中静沉后测定浊度。

　　 通过局部不同位置关系及转向关系水力桨组合的流场流态分析结果优选设计了3 种水力桨絮凝池反应器运行工况及1 种网格反应器作为对比,4种运行工况如下:

　　 工况A,反应器前4个廊道中设置同向旋转的水力桨。

　　 工况B,反应器前4个廊道中设置对称旋转的水力桨。

　　 工况C,前2个廊道中设置同向旋转的水力桨,第3个廊道中设置对向旋转的水力桨,其他廊道中无水力桨。

　　 工况D,网格反应器,第1、2廊道设置3层网格板,第3、4廊道设置两层网格板,第5、6廊道设置一层网格板,第7、8廊道中无网格板。结合4种工况对水力桨隔板絮凝池絮凝效果进行试验验证。

　　 针对不同时期的原水浊度148.3 NTU和18.02NTU,在絮凝反应器中分别取絮凝4 min、5min、6min、7 min、8 min的水样1 000 mL,静沉30min后测定上清液浊度,结果如图5。

　　 由图5可知,经不同絮凝时间后,水力桨隔板絮凝反应器的絮凝效果明显优于网格絮凝池。工况A、工况B、工况C经5 min后出水浊度即可基本稳定。而网格絮凝(工况D)需7min才可达到浊度基本稳定。这表明水力桨的设置有效地提升了絮凝沉淀的效果。其中,工况B 5 min后絮体形态基本稳定,浊度在3.2NTU左右。而工况A和工况C在6min时的出水浊度略有波动,这种现象说明在这两种工况时,反应器中发生了二次絮凝反应。尽管如此,工况C在各时间下的出水浊度均低于其他工况,其中在时间达到7 min时,工况C的絮凝沉淀效果最佳,沉后水的剩余浊度为2.11NTU。工况C实质上是情况3和情况4的组合。综合分析图3~图5可知,当前两个廊道中设置同向旋转的水力桨(情况3)时,在第1、2廊道中G值明显增大,从而提高了颗粒的碰撞几率和絮凝效率;第3 个廊道中设置的对向旋转的水力桨(情况4),能够有效降低已形成絮体所受的剪切力作用,减少絮体的破碎。由此可见,工况C的G值分布较工况A和工况B更为合理,其絮凝沉淀效果亦更佳。

　　 如图6所示,通过水力桨隔板絮凝反应器对冬季低温低浊原水处理效果的分析,结果表明:工况B比工况A、工况C、工况D的絮凝沉淀效率更高。工况B时在絮凝时间为6min时达到最佳絮凝效果(5.61NTU),而网格反应器(工况D)在此条件下的出水浊度高达8.81 NTU。 受到低温低浊的影响,絮凝核很难形成,且絮体密实度差、易破碎。此时,在絮凝反应过程中应尽量减少造成絮体破碎的外力作用,减少二次絮凝反应过程。 因此,对称旋转的水力桨(工况B)所产生的水力条件更适用于低温低浊水的絮凝反应过程和处理效率的提高。

　　 (1)水力桨能够形成较强的局部旋流,并通过轴向连续的水力桨旋转作用形成贯穿竖井的旋流束。大大提高了水中固体颗粒的碰撞几率,增加了径向运动颗粒、切线运动颗粒与轴向运动颗粒的碰撞几率。

　　 (2)径向相邻的两个水力桨同向旋转所产生的水力条件是在(1)的前提下进一步增大了相邻旋流间的径向运动颗粒的碰撞几率及切向运动颗粒的碰撞几率,适用于絮凝反应中前期絮体的形成。

　　 (3)径向相邻的两个水力桨对向旋转所产生的水力条件在确保(1)、(2)的前提下大大降低了相邻旋流间的剪切力,进而减少了水流运动对絮体的剪切破坏作用,适用于絮凝反应中后期絮体形态的保持。

　　 (4)当原水浊度较高(>150NTU)时,絮凝反应前段设置为轴向相邻水力桨同向旋转为宜,且同轴上桨叶间距为100 mm;反应中期可与前段相同设置,但同轴桨叶间距为150 mm;絮凝反应后期可设置为相邻轴桨叶对向旋转,同轴桨叶间隔100mm。

　　 (5)当原水浊度较低(50~150NTU)时,絮凝反应前段设置为轴向相邻水力桨同向旋转,且同轴上桨叶间距为100mm;反应中期设置轴向相邻水力桨同向旋转,同轴桨叶间距为100 mm;反应后期可设置为相邻轴桨叶对向旋转,同轴桨叶间隔150mm。

　　 (6)尤其对低温低浊原水(浊度≤30NTU,水温≤5℃),絮凝反应全过程应设置为轴向相邻水力桨对向旋转。反应前段同轴桨叶间距100mm;反应中段同轴桨叶间距150 mm;反应后段同轴桨叶间距200mm或不设水力桨。