絮凝的数学描述一般分为两个立的过程:迁移和粘附。迁移过程产生颗粒的碰撞。迁移是由水中颗粒的速度差异引起。在折板絮凝池中,速度差异认为是以下3种因素造成:(1)颗粒的布朗运动(异向絮凝中起主要作用;(2)紊流涡旋(同向絮凝);(3)颗粒间沉降速度的差异(差速絮凝)。粘附作用取决于和颗粒物本身表面性质有关的瞬时作用力。
折板单元本身的水力特性对絮体颗粒碰撞的影响主要表现在:折板单元的造涡作用和连续均匀的单元设置改善了紊动能耗的分布,从而提高了絮凝方式的数值,因此提高了絮凝效果。水流通过折板单元,在渐扩段与渐缩段的作用下,可以形成对称涡旋及单侧涡旋。波峰处水流边界层的分离是产生涡旋的动因。根据涡旋的扩散性,会进一步分解为小尺度的涡旋,直到与水流微团相关的雷诺数低到不能再产生更小的涡旋为止。
同时,大尺度的涡旋从主流吸取动能,在运动过程中传递给较小尺度的涡旋,这样逐级传递,一直到微尺度的涡旋。在较大尺度的涡运动中,流体粘性几乎不起作用,可忽略不计,因而在动能传递中几乎没有能耗;而在微尺度的涡旋运动中,流体粘性将起主要作用,传送到这些低级涡旋的能量就会通过粘性作用转化为热能。水流中同时存在无数大大小小的涡旋,产生一系列的脉动频率,具有连续的频谱。
众多的水处理工作者均认为:只有具有与颗粒尺寸相同数量级的涡旋才对碰撞有效,其它的不起作用。由于实际的絮体颗粒尺寸变化幅度是1-1000um,因此,有很大一段的涡旋起作用,不能严格划分大小涡旋的界限。紊动的扩散作用主要取决于大尺度的紊动。大涡旋的尺度可以认为与折板单元的尺度数量级相同。折板单元连续的缩放,使水流形成大量不同尺度的涡旋,促进了水流内部絮体颗粒间的相对运动,增加了碰撞机会,所以相对于隔板絮凝池,絮凝效果大大提高。
以来,全国大部分地表水源受污染,水体中藻类等有机物含量明显增多,常规混凝处理效果并不理想。絮凝强化时,对因池体自身结构缺陷等因素造成的混凝动力不足、水力条件不当等问题往往不够重视。
加强絮凝控制设备研制及絮凝效果评价参数的制定。开发研制新型可定量、实时测定絮凝过程水流动力学参数和矾花多形态参数(如大小、密实度、沉降速率等),并参与水厂运行控制的设备仪器;利用所开发的新型设备仪器,评估判断特性水体絮凝效果,研究制定新型实用的微观与宏观相结合的絮凝效果综合评估参数。
为使水流中的颗粒相互碰撞,就使其与水流产生相对运动。水中的颗粒与水流产生相对运动好的办法是改变水流的速度。改变速度的方法有两种:①改变水流速度时造成的惯性效应来进行凝聚;②改变水流方向。在湍流中充满着大大小小的涡旋。其中大涡旋能够使流体进一步的掺混,使颗粒均匀扩散于流体中;同时创造大量的小漩涡,并将能量输出给小涡旋。而小涡旋的作用是促进颗粒的碰撞,提高絮凝效率。微涡旋理论认为:水中微涡旋尺度与矾花颗粒尺度相近时混凝反应充分。而小涡旋的动力学致因是惯性效应,特别是湍流涡旋的离心惯性效应,由此可见湍流中微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要动力学致因。
矩形往复式絮凝池中普遍存在死水区,死水区的存在,不仅容易形成沉积物的堆积,而且严重阻碍了水流的运动。特别是在絮凝后期,水流速度逐渐减小时,死水区对水流有越来越大的的负面影响。而圆弧形渠道,几乎不存在死水区,可以有效的消除死水区带来的负面影响。且圆弧区的水流速度也比矩形渠道的分布均匀,有利于节约能耗。
在往复式折板后面能够形成涡旋,伴随着颗粒粒径在增加,涡旋的尺度由小变大,符合絮凝动力学规律;通过比较得出,圆弧形渠道絮凝池的湍流强度变化缓慢,分布更加均匀合理,不仅能够满足絮凝前期较大湍流强度的需要,也能满足絮凝后期颗粒碰撞的湍流强度,证明圆弧转弯渠道形比矩形转弯渠道有更好的絮凝效果。
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