李雅雯，程勝高，李如意

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2.湖北禹洋水務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430062)

沉淀在水處理工藝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，目前大多數(shù)水廠采用較多的仍然是傳統(tǒng)的斜管斜板沉淀池，它是基于淺池理論發(fā)展形成的，如今已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。近年來國外在優(yōu)化沉淀池方面取得了一定的進展[3]，具有代表性的主要是法國得利滿公司的Densadeg 高密度沉淀池、德國帕薩旺-洛蒂格公司的Turbo-LME 高速沉淀池、法國威立雅公司的Actiflo 高效澄清池[4]等，其原理是通過增加原水在混凝過程中絮凝物的絮凝程度，增加懸浮物的濃度，從而使礬花更密實易沉淀而被去除。除此之外，還有Watanabe等[5]研究了射流混合分離器(JMS)的性能，將其與斜管沉淀池相結(jié)合，代替機械絮凝池和沉淀池的組合，應(yīng)用于快速砂濾系統(tǒng)。針對實際工程中的沉淀池無法滿足理想沉淀池的假設(shè)條件，一些學者將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于沉淀池的優(yōu)化設(shè)計中。如Xiang等[6]利用計算流體力學(CFD)軟件ANSYS Fluent模擬格柵絮凝池的流動狀態(tài)，為電絮凝與水力絮凝的結(jié)合提供了理論依據(jù);張瑩等[7]闡述并總結(jié)了電絮凝技術(shù)在給水凈化方面的研究現(xiàn)狀。但由于我國的水質(zhì)情況較復(fù)雜，且水污染程度較國外更為嚴重，因此國外的沉淀工藝并不適用，因此迫切需要提出一種打破傳統(tǒng)沉淀理論，且更加符合我國水質(zhì)國情的給水凈化方法。已有研究表明，要想提高沉淀工藝的效率可從三個方面入手：沉淀面積的增大、水流流態(tài)的變化以及增加沉淀的動力因素[8]。目前的研究主要集中在前兩個方面，然而第三個方面才是影響沉淀工藝最主要的因素，所以對于沉淀池內(nèi)部顆粒受力情況及實際變化行為的研究應(yīng)該成為關(guān)注的重點。

一般來說，沉淀池出水中的顆粒絕大部分都是小粒徑顆粒，也是水處理的難點。已有研究表明，沉后水以及濾后水中小于5 μm的顆粒占據(jù)主要的部分[9]，這些顆粒會對飲用水水質(zhì)造成很大的干擾，而且絮體在沉淀池中實際上也會發(fā)生破碎、重組等過程，針對該問題很多學者提出利用絮體本身的接觸絮凝作用來截留小顆粒[10]。如孫紅梅等[11]總結(jié)了生物填料在微污染水處理中的應(yīng)用；呂春生等[12]提出了微絮凝攔截沉淀技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)水中微絮體的化學作用特性和流體力學特性,用一種耐水浸、高吸附的天然植物作為攔截材料,制成特定結(jié)構(gòu)和尺寸的攔截體和沉淀池,實現(xiàn)了顆粒的吸附碰撞、接觸凝聚、聚集沉淀的多過程協(xié)同作用；在此基礎(chǔ)上，王華生等[13]指出攔截斜板沉淀池會因為運行時間增加而出現(xiàn)出水濁度上升的問題，可考慮在攔截沉淀池后增設(shè)一組異流式斜板，試驗結(jié)果表明該方法是行之有效的；郭海平[14]通過向傳統(tǒng)沉淀池內(nèi)投加填料強化攔截沉淀作用，用來去除污水中的污染物質(zhì)。

基于上述研究，受攔截沉淀技術(shù)和改進的沉淀池優(yōu)化方案啟發(fā)，本文從攔截材料入手，提出將一種用于污水處理、發(fā)電廠脫碳(CO2)及脫硫以及凈水塔內(nèi)的多面球填料作為攔截體的沉淀工藝，并對該工藝的技術(shù)特點和實際應(yīng)用效果進行了研究。

1 多面球填料攔截沉淀工藝及技術(shù)特點

1. 1 多面球填料攔截沉淀工藝

本文從突破傳統(tǒng)沉淀技術(shù)的角度出發(fā)，在微絮凝攔截沉淀技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種將多面球填料作為攔截材料用于沉淀池中的水處理工藝，即多面球填料攔截沉淀工藝。該工藝利用多面球的特性，能夠讓絮體與水流產(chǎn)生相對運動，并連續(xù)不斷地改變水流方向產(chǎn)生湍流渦旋，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(chǎn)生相對運動，為不同尺度顆粒沿水流渦旋的徑向碰撞提供了條件，從而使微小的絮體在通過葉片時不斷碰撞聚集變大，提高礬花在水中的濃度，最終在重力作用下沉淀去除。

1. 2 多面球填料攔截沉淀工藝的技術(shù)特點

本文提出的多面球填料攔截沉淀工藝具有如下技術(shù)特點。

1.2.1 改變水流方向

多面球填料的材質(zhì)為聚丙烯，由兩個半球合成一個球形體，每一個半球由12片厚度為1 mm的半扇形面組成，兩個半球的扇形相互錯開，具有比表面積大、傳質(zhì)性能良好的特點[15]，見圖1。

圖1 多面球填料實物圖Fig.1 Physical drawing of polyhedral sphere filler

由于原水的濁度低，形成的顆粒絮體尺寸很小，其比重與水接近，幾乎跟隨水流同步運動，沒有速度差，絮體也就不能進行有效碰撞，因此填料自身所具有的多面性質(zhì)和雜亂無章的堆積方式能夠讓絮體與水流產(chǎn)生相對運動，并連續(xù)不斷地改變水流方向產(chǎn)生湍流渦旋，也就能夠使水流對顆粒產(chǎn)生阻力。根據(jù)慣性效應(yīng)理論[16]，假設(shè)水中顆粒形狀是半徑為r的球形，水的密度為ρ，顆粒與水流的相對速度為v，則顆粒所受的水力阻力F的計算公式為

(1)

式中：Cd為水流的繞流阻力系數(shù)，其計算公式如下：

(2)

其中，D為水流阻力；ρ為流體密度；U∞為來流速度；A為物體的迎流面積。

物體的形態(tài)、壁面粗糙程度、來流紊動強度、水流雷諾數(shù)都是影響Cd的因素[17]。單位質(zhì)量球形顆粒所受的水力阻力f為

(3)

式中:ρ0為球形顆粒的密度。

由公式(3)可見，單位質(zhì)量球形顆粒所受的水力阻力f與球形顆粒半徑r成反比，即球形顆粒半徑越大，單位質(zhì)量上其所受的水力阻力則越小，因此不同半徑的球形顆粒所受的水力阻力不同，從而能夠產(chǎn)生速度差。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(chǎn)生相對運動,為不同尺度顆粒沿水流渦旋的徑向碰撞提供了條件[17]，從而進一步強化了對低濁水中顆粒的處理。

1.2.2 增加礬花的有效碰撞

在絮凝沉淀的過程中，水流的流動條件決定了湍流的剪切力，其中湍流剪切力的控制則能夠保證絮凝沉淀的效果。湍流剪切力是由湍流的渦旋所形成，渦流尺寸越小，則渦旋強度越大，即渦旋對礬花的剪切作用越強。礬花的密實程度可用湍動度e來表示：

(4)

顯然e值越大，表明單位時間內(nèi)流經(jīng)單位空間的渦旋數(shù)量越多，渦旋強度越大，礬花也就越密實。雖然e值在實際應(yīng)用中是無法獲得的，但是可以將研究方向投入到如何有效地提高單位空間點內(nèi)渦旋的數(shù)量上。水流經(jīng)過多面球填料時，絮體顆粒與填料發(fā)生碰撞進行接觸吸附，速度變化激烈，此時水流的離心慣性效應(yīng)最強，大渦旋變成小渦旋，其數(shù)量不斷增加，并且已經(jīng)形成的礬花因原水濁度低其體積不大且松散，當?shù)\花經(jīng)過多面球填料時由于水流的慣性作用會發(fā)生強烈的變形，礬花會變得更加緊湊密實，在水力剪切的作用下部分絮團因重力沉降而被去除。多面球填料相較斜管而言，更加顯著地提高了絮體濃度，也使絮體碰撞的次數(shù)大幅增加，水中的顆粒不斷進行脫穩(wěn)和被填料吸附，一直處于更新狀態(tài)。

1.2.3 工藝改造方便簡單

該多面球填料攔截沉淀工藝流程較常規(guī)，只是在斜管沉淀池的基礎(chǔ)上，將斜管換成了多面球填料，因此既能用于新建水廠，也能用于老水廠的工藝升級改造，且操作簡便、成本較低。

2 工程應(yīng)用與分析

2. 1 工程概況

2013年初，湖南省“引蘭入市”工程從蘭家洞水庫取水，通過29.54 km的輸水管道將蘭家洞水庫的水輸送到汨羅新市地區(qū)，沿途經(jīng)過智峰、長樂、天井、紅花、新市5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。其中，汨羅新市水廠的提標改造中，由于原水取自蘭家洞水庫，秋冬季水溫基本低于5℃、濁度小于4 NTU，因此原水黏度大，水中微粒尺寸小且粒徑分布均勻，絮凝反應(yīng)慢，生成的礬花小且不易沉降，常規(guī)過濾工藝無法攔截將其去除。為了解決這一問題，該水廠除了改造穿孔旋流絮凝池外，還增加了一組多面球填料絮凝沉淀池，并保留原有斜管沉淀池，一并投入運行以形成對照。圖2為多面球填料沉淀池的實物圖。

圖2 多面球填料沉淀池實物圖Fig.2 Physical drawing of polyhedral sphere filler sedimentation tank

2. 2 攔截沉淀工藝設(shè)計流程與參數(shù)

該水廠多面球填料攔截沉淀工藝設(shè)計的流程見圖3,設(shè)計的參數(shù)如下：進水流量Q為200 m3/h，配水區(qū)高度為0.7～1.4 m,多面球填料堆積高度為0.87 m,集水區(qū)高度為0.6～1.0 m，清水區(qū)上升流速采用1.94 mm/s，進水管流速控制在1 m/s左右。

圖3 多面球填料攔截沉淀工藝設(shè)計的流程(單位：mm)Fig.3 Flow chart of the sedimentation process with polyhedral sphere filler(unit:mm)

由于原水濁度基本在10 NTU以下，大都以微小礬花分布在水體中，傳統(tǒng)工藝處理后出水濁度始終無法降到1 NTU以下。原水在加入次氯酸鈉、聚合氯化鋁在管道中混合之后，進入射流加跌落式曝氣進行混合反應(yīng)；經(jīng)格柵微絮凝之后進入多面球填料沉淀池，即配水區(qū)，此時的原水已經(jīng)充分脫穩(wěn)，流經(jīng)多面球填料區(qū)，與填料充分接觸，礬花不斷進行有效碰撞并變大，在重力作用下沉淀到排泥斗內(nèi)，并通過管道進入排泥井；最終沉淀后的清水則通過集水三角堰，統(tǒng)一匯集到總集水槽內(nèi)進入下一個構(gòu)筑物濾池內(nèi)進行處理。

水流在多面球填料中，形成無數(shù)大大小小的湍流渦旋，將每個湍流渦旋中顆粒物分成若干個單獨的脫離體，脫離體在渦旋徑向上的受力分為兩種，一是離心慣性力，二是壓力的合力。那么，某個湍流渦旋中必然存在直徑為D的脫離體受力平衡，直徑小于D的脫離體離心力作用占主導(dǎo)沿渦旋徑向向外運動，直徑大于D的脫離體壓力作用占主導(dǎo)沿渦旋徑向向內(nèi)運動。正是該作用加大了各種不同尺寸顆粒之間沿水流渦旋徑向碰撞的概率，提高了對顆粒物的處理效果。

2. 3 工藝運行效果檢驗

在該水廠工藝改造運行幾年后，于2018年10月份內(nèi)連續(xù)三天對原水、多面球填料沉淀池出水和原斜管沉淀池出水進行了取樣測定，原水和各沉淀池出水濁度的對比見圖4。

圖4 某水廠原水和各沉淀池出水濁度的對比Fig.4 Comparison of turbidity of raw water and effluent from each sedimentation tank of a water plant

根據(jù)我國《生活飲用水衛(wèi)生標準標準》(GB 5749—2006)，水廠出水濁度要求≤1 NTU。根據(jù)行業(yè)標準，沉淀池出水濁度要控制在10 NTU以內(nèi)，保守一點要控制在5 NTU以內(nèi)。由圖4可見，在原水濁度為5 NTU左右的低濁度情況下，多面球填料沉淀池出水濁度比斜管沉淀池平均要低1 NTU左右，表明多面球填料沉淀池對于低濁度原水的處理效果較斜管沉淀池更好。

2. 4 工藝存在的問題

多面球填料攔截沉淀工藝仍是一種不成熟的水處理工藝，到目前為止其應(yīng)用中主要存在以下問題：①該工藝僅應(yīng)用于農(nóng)村小型自來水廠，在進水量不大且濁度不高的情況下能達到較好的水處理效果，但針對大中型水廠以及高濁度水的處理能力仍未知，因此具有局限性；②多面球填料在絮凝沉淀過程中，不僅能攔截大顆粒礬花，也能吸附小顆粒礬花并使之凝聚成大顆粒礬花并脫落，長此以往填料內(nèi)部必然容易堵塞，因此需要頻繁沖洗填料，對水廠運行會造成一定的影響；③多面球填料用于飲用水處理中，其材質(zhì)的安全無毒性必須要嚴格保障。

3 結(jié) 論

(1) 多面球填料對顆粒物的去除主要是通過不斷改變水流方向形成渦旋，從而增加礬花的有效碰撞，使得礬花變得密實，以利于其沉淀去除。

(2) 實際工程應(yīng)用效果表明：低濁度原水經(jīng)過多面球填料沉淀池處理后其出水濁度比斜管沉淀池平均要低1 NTU，表明多面球填料攔截沉淀工藝對于低濁度原水的處理效果較斜管沉淀池略勝一籌，然而多面球填料沉淀池對中高濁度原水是否也有良好的處理效果仍需進行深入研究。

(3) 多面球填料攔截沉淀工藝流程簡單、成本較低，可用于新、老水廠的建設(shè)與改造。