新型高效能的聚合氯化铝混凝设备

　　近年来，随着混凝科学的发展，有关絮凝基础理论以及高效絮凝反应技术的研究开发在国内外已取得了重要进展，围绕如何提髙聚合氯化铝混凝设备效率，扩展处理范围，降低能耗药耗为目的的高效絮凝反应设备构造及设计的讨论日渐增多，但实际应用还较少。

　　混凝实际上是一个相当复杂的物化反应过程，现代聚合氯化铝混凝技术的发展，较明确地表明混凝包括两个不同的反应过程，即凝聚与絮凝过程。凝聚过程主要通过加人的絮凝剂与水中胶体微粒迅速发生电中和吸附凝聚脱稳作用，脱稳微粒相互聚结而形成初级微絮体颗粒。 絮凝过程则是促使微絮体颗粒继续形成粗大而密实的沉降絮体颗粒的 增长过程。为了使胶体快速脱稳和微絮体颗粒增大而密实，就需要在 聚合氯化铝混凝设备结构构造方面进行深人的研究探讨，深人研究凝聚和絮凝与紊流动力学过程及其相互关系，创造适合于胶体颗粒快速脱稳的混合器结构，以及微絮体颗粒增长的微涡流并能使之从大到小逐渐衰减的冇序的水流速度梯度的反应结构。

　　本节重点介绍根据涡旋理论设计的多极涡流管式混合器和通过设置一系列格网以增加水流的紊动度来提高聚合氯化铝絮凝效果的竖流往复折流式絮凝反应器。

多极涡旋管式混合器的设计

　　聚合氯化铝混凝过程中的快速混合阶段对胶体颗粒脱稳及其絮凝作用具有显著的影响。许多研究指出，发生在高强度混合作用下的初始凝聚过程 可明显地改善颗粒的絮凝及其沉降特性，尤其对电中和、吸附凝聚脱稳机理更为重要。这就需要尽量缩短快速混合时间，以使絮凝剂聚合氯化铝与悬悬胶粒在Zui短的时间内（<0.1S)充分混合。多极涡流管式混合器便可达到此目的。

　　旋转水流的快速混合作用为了使絮凝剂在Zui短时间内充分混合均匀，应加大混合强度。传统机械搅拌式混合器存在混合区域不 均匀性问题，混合强度增大势必导致外部输人能耗过高，而采用管道 混合，通过水量控制，不仅易干做到混合均匀，而且也减少能耗，同时能充分发挥无机髙分子絮凝剂强烈的电中和/吸附凝聚效能。采用管式混合，就要考虑采用何种方式能达到快速混合的目的

　　一般，水流作旋转运动时，其受壁面的影响要远大于平面或在圆管中作轴向水流动时的情况同时由于圆周运动的水流每时每刻都要受到壁面的作用并存在流体微团强烈的动量传递，如随机改变运动方 向，不仅大大增加了流体质点的紊动程度和速度梯度，而且也大大增加了水中的传质速率和紊流扩散系数。在旋转流速一定时，旋转半径愈小，壁面影响愈大；在旋转半径一定时，旋转速度愈大，壁面影响愈强。因此，若要提高混凝剂与原水的掺混扩散效果，就是提高水流旋转速度，减少旋转半径。另外，为使混凝剂聚合氯化铝与原水充分混合并与之反应，还应延长水流作高速小半径旋转运动的时间。

　　另外，水流在作圆周运动时，在高速旋转水流持续的紊动与剪切 作用下，也为胶体微粒与絮凝剂凝聚形态迅速接触反应，初始凝聚微粒间碰撞结合以及为后续絮凝反应器流道形成涡旋流而提供了有利的 水动力学条件。同时圆管半径愈小，切向速度愈大，初始凝聚微粒的 管壁增密作用愈强，从而为后续絮体微粒增长提供了密实的作用。

　　无机高分子絮凝剂的凝聚化学特性聚合氯化铝是近年发展较为 迅速的无机高分了絮凝剂，实际它是人工控制投加下制备的聚合氯化铝水解聚合-沉淀反应动力学过程的中间产物。聚合氯化铝中絮凝形态主要是由Femm逐时络合比色法测定的幻]3或核磁共振法（NMR) 所检测的Ail304(0H)4+形态（简称Al13),其含Zui可人致反映出产品的絮凝效能。

　　对于混凝过程中投加聚合氯化铝是否能转化生成Al13形态，需进行分析：在混凝过程中金属凝聚剂的投加剂量一般在104~l（T5mol/L）, pH值在6-8范围内，都远超出其理论溶度的范围水解与凝聚 动力学研究表明，水解与吸附凝聚均发生在微秒级，而聚合形态生成在后，Ai(OH)3则在1~7s间。因此，不具备生成A]13形态的条件。聚合氯化铝只能以单体和一些低聚形态，或是AJ(OH)3(am)初级沉淀微粒与胶体微粒相互作用，而聚合铝与铝盐的显著差别就在于预聚合生成的高电荷AI13形态，投加水中后具有较高稳定性而不易水解，可以以其原水4]13聚合形态直接与胶体颗粒相互作用，同时拥有较大体面 比，因而可发挥显著的电中和/吸附凝聚脱稳作用及其粘附架桥絮凝作用。由于发生电中和/吸附凝聚脱稳作用的时间极短，因此，快速混合阶段对于充分发挥无机高分子絮凝剂的高效电屮和吸附凝聚脱稳作用具有重要的影响，因而设计研究适合于无机高分子絮凝剂反应特点的快速混合器也就具有十分菜要的意义。

　　多极涡流管式混合器的设计和髙效混凝过程工艺流稈上述原理，包括多极涡流管式混合器在内的先进混凝工艺流程,此工艺主要由三部分设备组成：多极涡流管式混合器、竖流往复折流反应器及窄间距斜沉淀池。

　　原水经泵打人高位水箱直 接流入多极涡流管式混合 器，在混合器前混凝剂由 计量泵定量投加原水中经2~5s的快速混合后进人折流反应器。脱稳絮体颗粒在絮凝反应器中形成的微涡旋流中不断碰撞结合，逐渐形成粗大絮体颗粒，絮凝反应时间大致控制在5~8min。Zui后流人斜板沉淀池进行固液分离，絮体颗粒被斜板拦截而迅速沉降，澄淸水于溢流口流出.停留时间为 lOmin。另外，在快速混合器后装有在线流动电流监测器，用于监测混凝剂与原水混合后的流动电流变化，用以确定投加量及快速混合效果。在絮凝反应器后管道上安装在线絮凝因子监测器，其检测输 出值即絮凝指数(R)值可直接反映絮凝反应器出水中絮体颗粒增长状况，Zui后采用浊度计和pH计测定Zui终出水的剩余浊度和PH值，用以评估混凝过程的处理效能。

　　多极涡流管式混合器由多个圆管组成。水流由切向进入逐级流 人、流出多极圆管，使水流在多极圆管内做连续同向螺旋运动，形成 有序涡旋流，使絮凝剂快速混合。由于水流在多极涡流圆管内产生连续涡旋运动，而矾花颗粒在圆管中做螺旋运动，既有切向又有径向运动，为不同矾花颗粒提供了有利的接触碰撞条件。另外，径向进入新区的矾花颗粒，由于惯性作用其切向速度大于新区颗粒的切向速度，其径向速度也大于新区颗粒的径向速度，增加矾花颗粒与新区矾花颗粒接触、碰撞的几率。

　　流量和管径对快速混合效果的影响在多极涡流管式混合器 中进行试验结果表明，流量变化对旋流管式快速混合器其有重要影响：如水流在整个设备中的水力停留吋间相同，且在适宜的投加量 下，增加管式快速混合管流量，将充分发挥聚合氯化铝所具有的强烈电中和、吸附凝聚作用，提高处理效能；通过对流动电流值和剩佘浊度的分析，得出在直径为32mm的快速混合器，聚合氯化铝投加量在20mg/L左 右，混合凝聚效果，原水浊度去除率达到92% ~ 97%,剩余浊 度达到5NTU以下。

　　而在流量一定的条件下，混合管管径减小，导致旋转水流流速增大，既提髙了旋转水流的速度梯度，也提高了紊流扩散系数，使快速 混合器的混合效率有所提高，但随着管径减小，出水剩余浊度则有所 增加，表明Zui终处理效果却有所下降。这主要有两方面原因：

　　一是管径减小,水流停留时间减少，意味着絮凝剂聚合氯化铝与原水进行混合时间缩知' 而强度增大。前已论及，混凝剂与悬浊微粒充分混合并扩散到每一个 微涡旋水流中需要一定的扩散时间，即相应延长水流做高流速小半径 旋转的时间，而混合管半径减小，则缩短了高速旋转混合水流的时间。

　　二是由于管径过小，导致在大流量下水流在混合管中的涡流旋转减少，并产生了直流短路现象，进一步使混合水流做高速旋转的时间减少因此，在设计混合管半径时，若减小半径则需要考虑增加混合管的级数，有效延长快速混合时间。

　　试验结果表明，多极涡流快速混合器具有卓越的快速混合凝聚性能，它的流量与管径变化是相互制约的，在特定流量下，可根据实际处理工艺参数灵活调整，从而可设计出更经济的、更适宜的管式涡流快速混合器。

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