第二讲澄清沉淀过滤技术docx.docx
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§1微涡流混凝给水处理技术
§2过滤技术
§1微涡流混凝给水处理技术
在给水净化的混凝、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）。
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。
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4
§1微涡流混凝给水处理技术
一、絮凝的动力学过程二、絮凝动力机理三、絮凝的动力学致因
紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
•、絮凝的动力学过程
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，它取决于混凝剂的性质。
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：
（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。
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1pm时，布朗运动基本消失。
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。
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。
§1微涡流混凝给水处理技术
•、絮凝的动力学过程
二、絮凝动力机理三、絮凝的动力学致因
紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
:
、絮凝动力机理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，这是由设备的动力条件所决定的。
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。
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。
以直流水槽为例进行说明，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，在层流底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，这一层就是过渡层，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。
§1微涡流混凝给水处理技术
•、絮凝的动力学过程
二、絮凝动力机理三、絮凝的动力学致因
紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
三、絮凝的动力学致因
在水处理工程中，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。
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，存在其局限性。
而着眼于实际流体状况的分析，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。
之所以说絮凝的动力学致因是惯性效应，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。
由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。
由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。
这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件O
如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢?
最好的办法是改变水流的速度。
因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也
不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动,为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。
这就是惯性效应的基本理论。
改变速度方法有两种:
一是改变水流时平均速度大小。
水力脉冲澄清
池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝;
二是改变水流方向。
因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运转方向。
当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，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。
不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。
涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。
由此可见湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因。
如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以有效地改善絮凝效果。
§1微涡流混凝给水处理技术
一、絮凝的动力学过程
二、絮凝动力机理
三、絮凝的动力学致因
四、紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
四、紊流涡旋在混凝处理中的作用
紊流中存在着大大小小的涡旋，涡旋的大小和轴向是随机的，因此涡旋本身在紊流内部的相对运动也是随机变化的，涡旋不断的产生、发展、衰减与消失。
=J
大尺度涡旋破坏后形成尺度较小的涡旋，较小尺度的涡旋破坏后形成尺度更小但波数较大的涡旋，由于这些涡旋在紊流内部做随机运动，不断平移和转动，使得紊流各点速度随时间不断变化，形成了流速的脉动，也就是说紊流是由连续不断的涡旋运动造成的。
紊动能量由大尺度涡旋逐级传给小尺度涡旋。
大尺度涡旋由于速度梯度很小，其絮凝条件很差。
由此可见，在紊流中若能有效的消除大尺度涡旋，增加微小尺寸涡旋的比例，就能提高絮凝效果。
微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与
碰撞，其原因有两个方面。
其一，涡流形成流层之间较大的流速差，造成了流层中携带微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；
其二，涡流的旋转作用形成离心惯性力，造成微
粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。
此两方面的作用都随涡流的尺寸减小而增大，微涡流是有利于凝聚的水力条件。
由上面的理论论述可以看出，如果能在絮凝池中
大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰数，有效地改善絮凝效果。
这可以在絮凝池的流动通道上增设多层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。
不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。
当增设格网之后，最大涡旋尺
度与网眼尺度同一数量级。
1=
增设小孔眼格网之后有如下作用:
（1）
IfI
水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强，颗粒碰撞几率最高的区段；
（2）小孔眼格网之后湍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；
⑶由于过网水流的惯性作用，矶花产生强烈的变形，使矶花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过网格之后矶花变得更密实。
微涡流混凝工艺的核心一涡流反应器
微涡流混凝工艺的核心是涡流反应器，最初设计
堵塞、寿命短等缺点。
在污水处理工艺中使用填料的思想启发下，涡流反应器构造特点如下：
（1）空心球形结构，直径根据工艺需要确定，内外表
面均打毛;
（2）表面开有小孔，孔径和开孔率根据工艺需要确定
（3）采用ABS塑料材料，容重略大于水，壁厚由结构
强度设计确定。
涡流反应器混凝作用示意图
涡流反应器的构造特点决定它具有以下特性:
（1）无方向性，直接投入水中使用，相互堆积不堵塞
壁孔，不需要固定安装;
推广应用;
（3）水流过孔流速、流向变化，加之内外壁面的磨擦阻力，使水流产生微涡旋流动；
（4）材料强度好，无毒性，耐腐蚀，抗老化，使用寿命数十年；
（5）在上向水流中会浮动和旋转，不会漂浮水面，也
不易被漂浮物堵塞。
涡流夙应池
改造或新建矩型微涡流反应池示例
改造或新建矩型微涡流反应池示例
§1微涡流混凝给水处理技术
•、絮凝的动力学过程
二、絮凝动力机理三、絮凝的动力学致因
紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
五、微涡流混凝工艺特点
（1）混凝效率高
微涡流混凝工艺创造了高效率的凝聚和絮凝水力条件，其混凝效率大大优于传统混凝工艺，也优于网
格混凝工艺，反应时间可以缩短到5-10分钟，这就意味着与传统工艺相比，产水量可以提高1-2倍，占地少，投资省。
（2）出水质量优
在投加相同混凝剂的情况下，微涡流混凝工艺所
产生的絮体质量明显地优于传统工艺，因而具有很好
的沉降性能，出水浊度稳定在3度以下，滤池工作周
期延长，节约了大量的反冲洗水。
（3）水质、水量变化适应能力强
微涡流混凝有利于高浊度水处理，因为微涡流有利于混凝剂的快速扩散，使之不易被高浊度水中大量的杂质胶体包裹而失去活性，即使混凝剂被包裹形成絮体，在微涡流的作用下也容易被破碎，重新形成絮凝能力。
微涡流混凝也有利于低浊度水处理，因为即使低浊度水胶体数量少，碰撞凝聚效率下降，而涡流反应器内腔能有效地保持悬浮絮体，立体接触絮凝可高效地去除水中胶体。
低温对微涡流混凝也是不利的，只要选用合适的混凝剂，克服低温下混凝剂水解的困难，由于微涡流凝聚和立体接触絮凝效率高，使低温水处理不再困难。
1（
1=1
微涡流混凝工艺对水量变化的适应性能也很强，因为其混凝的水力条件不是主要依赖于水流的宏观速度，而是依赖涡流的形成。
另外，对水量、水质的变化具有缓冲作用，在停水或池水放空期间，絮体不会沉积板结也不会排出池外，这使得微涡流絮凝池可以间歇工作。
（4）实施简便
微涡流混凝工艺既适于新建水厂，也适于老水厂传统工艺的改造，它对池型及前后序工艺（混合、沉
淀）的衔接均无特殊要求。
对老水厂改造的施工简便
只要拆除反应池（区）内原有设施并适当分隔和安
装涡流反应器支架，反应器直接投入池内即可使用。
（5）运行稳定、药耗低
微涡流混凝工艺不再有传统澄清池排泥操作的困难，涡流反应器内腔絮体能长期保持，涡流反应区外的絮体泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以简化，运行更稳定。
由于微涡流造成混凝剂高效扩散，提高了混凝剂
利用率，同时，涡流反应器腔内大量絮体活性得到充
分利用，这使得微涡流混凝工艺的混凝剂消耗量明显
低于传统工艺。
（6）长期使用、维护简便
涡流反应器即使堵塞，也可能方便地从池中取出
进行彻底清洗。
总之，该技术具有处理效率高、水质好、投资省
、制水成本低等特点。
此技术的推广应用，可最大限度地挖掘利用现有
水资源和供水设施的潜力，利用最小投资取得最大效
III
§1微涡流混凝给水处理技术
•、絮凝的动力学过程
二、絮凝动力机理三、絮凝的动力学致因
紊流涡旋在混凝处理中的作用
五、微涡流混凝工艺特点
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
六、湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术
II
湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术包括列管式混合、翼片隔板絮凝和接触絮凝沉淀等设备。
1、列管式混合
列管式混合：
列管式静态混合器其结构是：
在混合器外壳内沿液流方向设有列管，各列管呈并排平行排列，在混合器内的并排列管可以是一组或数组。
If]
其原理是：
原水经过列管式混合器，通过控制水流的速度、水流空间的尺度，同时控制速度零区的范
用微小涡旋的离心惯性效应为亚微观扩散提供原动力,克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率
其优点是：
列管式混合器混合效率高、效果好，混合时间仅为2-3s,相比于传统的静态混合器或管式混合器大幅度地提高了处理能力，并且节省投药量30%一35%。
2、翼片隔板絮凝
翼片隔板絮凝:
平mt图
厂
與片
V累凝池
IfJ
翼片隔板絮凝池其结构是：
在絮凝池的流动通道内沿水流方向设有隔板，在每个隔板上均设有翼片，各翼片可以等距或不等距布置在各自隔板上。
其原理是：
隔板上按照流体力学边界层理论设置
翼片，控制水流的惯性效应、增强湍流的剪切力，使水中不同尺度的颗粒之间产生相对运动，此时水流速度已改变，颗粒之间就产生了速度差。
所以在翼片隔板絮凝设备的控制下，速度差为水中相邻的不同尺度颗粒之间的碰撞提供了有利的条件。
其优点是：
絮凝时间5-10分钟，较常规絮凝池的20分钟缩短很多，所需的絮凝池体积较常规絮凝池缩小50%以上，可节约絮凝池的占地和基建费用。
3、接触絮凝沉淀
接触絮凝沉淀:
肋板
V形斜板（强化接触絮凝）沉淀技术利用设备的流体上升流道截面差造成水流沿重力方向的速度差，使斜板沉淀单元内部形成一定厚度的具有自我更新能力的絮体动态悬浮层，同时通过增设的垂直板（整流段）来增加絮体悬浮层厚度，实现强化接触絮凝、提高絮体沉淀分
42
离性能的目的。
V形斜板固液分离设备技术特征是：
在水处理设备中的斜板上固定有筋条，各肋条呈V形分布排列固定在
斜板上。
其有益效果是：
①设备将有沉淀和澄清机理，沉
淀池表面负荷可达18m3/in2Xh；较常规设备可提高负荷
2.0〜2・5倍；②处理效果有明显提高；③与澄清池相比，不需要很长时间的悬浮泥渣层形成期，且由于泥渣层存在于沉淀小单元内，液流状态稳定，泥渣层形成稳定；④由于悬浮泥渣层和斜板沉淀的共同作用,对不同水质和冲击负荷的适应性较斜板和澄清池都好o
⑤沉淀池沉泥的密度较常规沉淀池大，排泥水可有50%左右的节省。
1列管式混合器
2・片隔板反应
<3>均流配水设备
4接斛絮凝沉淀
5均匀集水设备
6排泥管
7排泥斗
8排泥阀
列管式混合器丫型拦污器
I
IEI
湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术特点:
（1）处理效率高，占地面积小，节约土地资源,
降低土地造价，经济效益显著;
（2）稳定优良的出水水质；
（3）抗冲击力强，适用水质广泛;
（4）制水成本低；
（5）设备安装、启动方便，操作简单;
某净水站原水预处理工程工艺流程如下:
加混凝剂
苹f［列式混合器f星形翼片絮凝池fv形斜板沉淀池f出水水
原水经混合絮凝沉淀池处理后，沉淀后出水浊度W3NTU。
主要运行参数为：
混合时间：
3s；
絮凝时间：
lOmin；
沉淀池上升流速：
2.4mm/so
§2过滤技术
一、变孔隙过滤
变孔隙过滤采用比通常滤料粒径更大的滤料和另一
种细粒滤料按一定比例混合而成的滤床，变孔隙深层滤池采用的滤料粒径及所占的比例相差较大。
变孔隙过滤主要使用的是粗滤料，它依靠整个滤层
进行过滤，这样避免了普通滤池形成滤层的表面过滤,
降低了滤层阻力，也避免了悬浮物颗粒的过早穿透，还可以提高滤速；细滤料的加入并在滤层中混匀极大地降低了粗滤料的局部孔隙率，提高了水中细小颗粒的絮凝作用，更有利于对细小颗粒的去除，也极大地提高了滤池的截污能力。
变孔隙过滤滤床:
变孔隙过滤与一般过滤相比最大的区别在于滤料。
由于是深床层过滤，其过滤床层厚达1500mm,由粗砂和细砂混合组成。
滤床粒径及级配关系通常为：
粗砂
2.8mm-1.2mm,细砂1.0mm-0.5mmo其中，细滤料所占比例一般在10%以下。
这里的粗砂和细砂是指天然海砂，而不宜采用人
工破碎的石英砂。
这是由于对滤料有一定的圆度要求,天然海砂由于长年累月水的冲击，几何形状呈流线型,可以形成比较规则的过滤“微孔”,也有利于减少过滤阻力。
人工石英砂由于其不规则性，水滤过时有较多的“紊流”现象。
这对于深床层过滤时，不易保证出水水质。
1、PCF孔隙调节型纤维过滤器
1、PCF过滤器原理
在过滤过程中对纤维丝施以回转机具压榨，使其纤维丝纵向之间孔隙变小，水中的悬浮物均被挡住留在纤维丝外，过滤后得到清洁的处理水。
当过滤器内被截留的悬浮污物（杂质）增多，处理
水量下降，压力达到设定值时，自动进入反冲洗过程。
反洗时让过滤器的压榨机具放松，使过滤纤维的孔隙在舒张的状态下，用压缩空气和处理水反冲洗，将污物通过排放管排除，然后又自动进入过滤程序，从而实现去污存清的原理。
□□□naaDnDDnnnan
CTOtJUQDtlQOUtJllUtJO
ib）反冲洗过程
反｝中洗■Back-washing
•亠r..-•.•・‘・‘*•
过滤•Filtration
2、PCF过滤器的特点
①过滤精度高：
2〜5pm；
②过滤速度高：
60〜100m/h；
土建投资）;
电费）；
（6）自用水率低：
0・5-3%（省反洗用水）；
⑦纤维丝（PP）:
在化学稳定性、耐强酸、强碱、
强氧化剂、耐生物降解等方面具有良好的性能。
第二讲复习思考题
1、试述微涡流混凝给水处理技术原理及主要设备。
2、试述微涡流混凝工艺特点。
3、试述湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术的原理及主要设备。
4、试述湍流凝聚接触絮凝沉淀给水处理技术特点。
5、试述变孔隙过滤技术原理。
6、试述PCF孔隙调节型纤维过滤器工作原理及特点。
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