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渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術
一、概述“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術“是根據王紹文教授提出的多相流動物系反應控制慣性效應理論，結合給水工程初中，經近十年的研究而發明的。該技術涉及了給水處理中混合、絮凝反應、沉淀三大主要工藝。
理論上，首次從湍流微結構的尺度即亞微觀尺度對混凝的動力學問題進行了深入的研究，提出了“慣性效應“是絮凝的動力學致因，湍流剪切力是絮凝反應中決定性的動力學因素，并建立了絮凝的動力相似準則；首次指出擴散過程應分為宏觀擴散與亞微觀擴散兩個不同的物理過程，而亞微觀擴散的動力學致因是慣性效應，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。由于新理論克服了現有傳統給水處理技術理論上的缺陷和實踐上的不足，因而導致了在給水處理技術上的重大突破。
實踐中，發明了串聯圓管初級混凝設備、小網格反應設備、小間距斜板沉淀設備等三項專利。目前這項新技術已在大慶市、賓縣、海倫市、撫順市、清原縣、秦皇島市等地自來水公司成功地推廣使用，取得了明顯的經濟效益和社會效益。工程實踐證明：此項技術用于新建水廠，構筑物基建投資可節約20－30％；用于舊水廠技術改造，可使處理水量增加75％－100％，而其改造投資僅為與凈增水量同等規模新建水廠投資的30％－50％。采用此項技術可使沉淀池出水濁度低于3度，濾后水接近0度，可節省濾池反沖洗水量50％，節省藥劑投加量30％，大大降低了運行費用和制水成本。
這項技術適應廣泛，不僅對低溫低濁、汛期高濁水處理效果好，同時，對微污染原水具有較好的處理效果�？衫米钚⊥顿Y，取得最大效益，充分發揮現有供水設施的潛力，在短時間內緩解城市供水短缺狀況，促進城市的經濟發展。
二、“渦旋混凝低脈動沉淀給水處理技術“的工作機理
（一）混合
混合是反應第一關，也是非常重要的一關，在這個過程中應使混凝劑水解產物迅速地擴散到水體中的每一個細部，使所有膠體顆粒幾乎在同一瞬間脫穩并凝聚，這樣才能得到好的絮凝效果。因為在混合過程中同時產生膠體顆粒脫與凝聚，可以把這個過程稱為初級混凝過程，但這個過程的主要作用是混合，因此都稱為混合過程。
混合問題的實質是混凝劑水解產物在水中的擴散問題，使水中膠體顆粒同時脫穩產生凝聚，是取得好的絮凝效果的先決條件，也是節省投藥量的關鍵。傳統的機械攪拌混合與孔室混合效果較差。近幾年，國內外采用管式靜態混合器使混合效果有了比較明顯地提高，但由于人們對于多相物系反應中亞微觀傳質以及湍流微結構在膠體顆粒初始凝聚時的作用認識不清，故也防礙了混凝效果的進一步提高�；炷齽┧猱a物在混合設備中的擴散應分為兩類：（1）宏觀擴散，即使混凝劑水解產物擴散到水體各個宏觀部位，其擴散系數很大，這部分擴散是由大渦旋的動力作用導致的，因而宏觀擴散可以短時間內完成；（2）亞微觀擴散，即濁凝劑水解產物在極鄰近部位的擴散，這部分擴散系數比宏觀擴散小幾個數量級。亞微觀擴散的實質是層流擴散。因此使混凝劑水解產物擴散到水體第一個細部是很困難的。在水處理反應中亞微觀擴散是起決定性作用的動力學因素。
例如高濁水的處理中，混凝劑水解產物的亞微觀擴散成為控制處理效果的決定性因素。由于混凝劑的水解產物向極鄰近部擴散的速度非常慢，在高濁期水中膠體顆粒數量非常多，因此沒等混凝劑水解產物在極鄰近部位擴散，就被更靠近它的膠體顆粒接觸與捕捉。這樣就形成高濁時期有些地方混凝劑水解產物局部集中的地方礬花迅速長大，形成松散的礬花顆粒，遇到強的剪切力吸附橋則被剪斷，出現了局部過反應現象。藥劑沒擴散到的地方膠體顆粒尚未脫穩，這部分絮凝反應勢必不完善。這一方面是因為它們跟不上已脫穩膠體顆粒的反應速度，另一方面是因為混凝劑集中區域礬花迅速不合理長大，也使未脫穩的膠體顆粒失去了反應碰撞條件。這樣就導致了高濁時期污泥沉淀性能很差，水廠出水水質不能保證。按傳統工藝建造的水廠，在特大高濁時都需大幅度降低其處理能力，以保證出水水質。這是由于過去工程界的人們對亞微風傳質現象不認識，對其傳質的動力學致因也不認識，因此傳統的混合設備無能力解決高濁時混合不均問題，這不僅使水廠在特大高濁時大幅度降低處理能力，而且造成藥劑的亞重浪費和造成出水的PH值過低。
亞微觀擴散究其實質是層流擴散，其擴散規律與用蜚克定律描寫的宏觀擴散規律完全不同。當研究尺度接近湍流微結構尺度時，物質擴散過程不一定是從濃度高的地方往低的地方擴散。在湍流水流中亞微觀傳質主要是由慣性效應導致的物質遷移造成的，特別是湍流微渦旋的離心慣性效應。我們發明的串聯管式初級混凝設備和管式微渦初級混凝設備，就是利用高比例高強度微渦旋的離心慣性效應來克服亞微觀傳質阻力，增加亞微觀速率。生產使用證明這兩種設備在高濁時混合效果良好，不僅比傳統的靜態混合器可大幅度增加處理能力，也大大地節省了投藥量。
（二）反應
絮凝是給水處理的最重要的工藝環節，濾池出水水質主要由絮凝效果決定的。傳統廊道反應、回轉孔室反應以及回轉組合式隔板反應的絮凝工藝，水在設備中停留20－30分鐘，水中尚有很多絮凝不完善的小顆粒。近年來，國內出現了普通網板反應；國外推出了折板式與波形板反應設備，使絮凝效果有了比較明顯地改善。但由于人們對絮凝的動力學本質認認不清楚，也就防礙了絮凝效果的進一步提高。
1、絮凝的動力學致因
絮凝長大過程是微小顆粒接觸與碰撞的過程。絮凝效果的好壞取決于下面兩個因素：一是混凝劑水解后產生的高分子絡合物形成吸附架橋的聯結能力，這是由混凝劑的性質決定的；二是微小顆粒碰撞的幾率和如何控制它們進行合理的有效碰撞，這是由設備的動力學條件所決定的。導致水流中微小顆粒碰撞的動力學致因是什么，人們一直未搞清楚。水處理工程學科認為速度梯度是水中微小顆粒碰撞的動力學致因。按照這一理論，要想增加碰撞幾率就必須增加速度梯度，增加速度梯度就必須增加水體的能耗，也就是增加絮凝池的流速，但是絮凝過程是速度受限過程，隨著礬花的長大，水流速度應不斷減少。而在工程實踐中，網絡反應池在網格后面一定距離處水流近似處于均勻各向同性湍流狀態，即在這個區域中不同的空間點上水流時平均速度都是相同的，速度梯度為零。按照速度梯度理論，速度梯度越大，顆粒碰撞次數越多，網格絮凝反應池速度梯度為零，其反應效率應效果卻優于其它傳統反應設備。這一實例充分說明了速度梯度理論遠未揭示絮凝的動力學本質。
絮凝的動力學致因究竟是什么？是慣性效應。因為水是連續介質。水中的速度分布是連續的，沒有任何跳躍，水中兩個質點相距越近其速度差越小，當兩個質點相距為無究不時，其速度差亦為無窮小，即無速度差。水中的顆粒尺度非常小，比重又與水相近，故此在水流中的跟隨性很好。如果這些顆粒隨水流同步運動，由于沒有速度差就不會發生碰撞。由此可見要想使水流中顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產生相對運動，這樣水流就會顆粒運動產生水力阻力。由于不同尺度顆粒所受水力阻力不同，所以不同尺度顆粒之間就產生了速度差。這一速度差為相鄰不同尺度顆粒的碰撞提供了條件。如何讓水中顆粒與水流產生相對運動呢？最好的辦法是改
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