亞微觀傳質(zhì)在水處理反應(yīng)工藝中的作用
水處理絕大多數(shù)的工藝過程可以歸結(jié)到這樣一個程序：反應(yīng)(化學(xué)反應(yīng)或生化反應(yīng))→物質(zhì)析出→絮凝長大→把絮凝長大物質(zhì)從水中分離出去，即水中一些溶解性的有機物分子經(jīng)強氧化劑的氧化作用分解成一些更小的分子，其中一些分子帶有很強的極性，互相絡(luò)合，在其絡(luò)合過程中也逐漸吸附了一些非極性分子，逐漸長大，其尺度達到膠體顆粒的尺度，這是反應(yīng)析出的一種形式。這種膠體尺度的有機絡(luò)合物有一定的吸附能力(這也正是所有強氧化劑預(yù)處理后均有助凝作用的原因)，它們與水中其他膠體尺度雜質(zhì)在混凝劑水解產(chǎn)物作用下絮凝長大，最后通過分離工藝分離出去。另一種反應(yīng)析出形式是水中溶解的有機物分子經(jīng)水中微生物的生化作用分解成一些小的極性分子，它們互相絡(luò)合形成膠體顆粒尺度，完成了析出過程。這種膠體顆粒有很強的吸附能力，逐漸絮凝長大，通過分離工藝分離出去。水處理工藝過程是多相物系反應(yīng)和分離過程，多相物系反應(yīng)分為化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)；瘜W(xué)反應(yīng)速率很快，生化反應(yīng)速率在有生物酶存在的情況下也較快，都遠大于其傳質(zhì)速率。因此，提高傳質(zhì)速率就成為提高水處理工藝反應(yīng)速率的關(guān)鍵，這就是說，如果能大幅度提高水處理反應(yīng)工藝中的傳質(zhì)效率就可以大幅度提高水處理工藝的效率與品質(zhì)。目前人們對水處理工藝中傳質(zhì)規(guī)律尚缺乏認識，工藝中的傳質(zhì)措施尚處于經(jīng)驗摸索階段，缺乏理論指導(dǎo)。因此，進行水處理工藝傳質(zhì)研究就成為重要而迫切的課題。
1 亞微觀傳質(zhì)
水流中傳質(zhì)是指水流中的質(zhì)量交換，即物質(zhì)在水流中摻混或擴散過程。過去把水中的傳質(zhì)分成兩類：微觀傳質(zhì)、宏觀傳質(zhì)。微觀傳質(zhì)是指由于水分子熱運動引起的質(zhì)量交換或擴散。其量級是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量級。水作層流運動時傳質(zhì)是微觀傳質(zhì)，其時物質(zhì)垂直水流方向擴散與摻混是水分子熱運動所造成的。所謂物質(zhì)在水流中的宏觀傳質(zhì)是指湍流渦旋的動力作用引起物質(zhì)在水流宏觀部位的摻混與擴散，其量級是宏觀尺度的量級。因此，宏觀傳質(zhì)速率是量級遠遠大于微觀傳質(zhì)速率的量級。
湍流情況下宏觀傳質(zhì)速率的大小可用均勻各向同性湍流中的擴散系數(shù)大小來表征。其數(shù)量級可由下面兩個公式表示：
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由上面公式可以看到，當(dāng)研究尺度在λ＞λ0與λ＜λ0兩種不同 情況下其擴散系數(shù)的規(guī)律截然不同。λ越小擴散系數(shù)越小，λ越大擴散系數(shù)越大，當(dāng)研究尺度相差很大時，擴散系數(shù)可以相差幾個數(shù)量級。這樣物質(zhì)在湍流水體中的傳質(zhì)可以分為兩類：①宏觀傳質(zhì)，即物質(zhì)在水流中宏觀部位的傳質(zhì)，這是由湍流中大、中、小渦旋造成的湍流摻混、擴散所導(dǎo)致，其傳質(zhì)速率很快，傳質(zhì)阻力很小；②亞微觀傳質(zhì)，即物質(zhì)在湍流水體中垂直該地區(qū)流速方向在極鄰近部位的擴散，其傳質(zhì)速率很低，傳質(zhì)阻力很大。亞微觀傳質(zhì)究其實質(zhì)是層流下的 傳質(zhì)。因為在極鄰近部位即當(dāng)λ＜λ0時，其粘性力起主導(dǎo)作用，水流呈現(xiàn)層流狀態(tài)，故其傳質(zhì)速率遠低于湍流宏觀傳質(zhì)速率。
在層流水體中物質(zhì)垂直流速方向的擴散是由水分子熱運動造成的。而在湍流水體中是由于慣 性效應(yīng)引起體積質(zhì)量與水不同物質(zhì)相對于水體的遷移，特別是由湍流微渦旋引起體積質(zhì)量與水不同物質(zhì)沿微渦旋徑向遷移，這一作用大大地增大了湍流中亞微觀傳質(zhì)速率。由于這一速率遠大于水分子熱運動所引起的傳質(zhì)速率，所以可認為微渦旋的離心慣性效應(yīng)是湍流亞微觀傳質(zhì)的動力學(xué)致因。渦旋的離心慣性效應(yīng)的量級可用渦旋加速度特征值αλ表征［1］：
a2=ε02/3/λ1/3 (3)
渦旋加速度即單位質(zhì)量慣性力。由式(3)可見，隨渦旋尺度λ減少，渦旋離心慣性力以λ1/3反比例而增加。當(dāng)λ趨近λ0 時渦旋的加速度最大，其慣性效應(yīng)最強。由此可見在湍流水體中λ0量級微渦旋的離心慣性效應(yīng)將大幅度地增加湍流中亞微觀傳質(zhì)速率。
湍流亞微觀傳質(zhì)研究尺度的量級遠小于宏觀尺度的量級，遠大于微觀尺度的量級，是與湍流微渦旋尺度量級相當(dāng)，即亞微觀尺度量級［1］。因此其傳質(zhì)速率遠小于宏觀傳質(zhì)速率，又遠大于微觀傳質(zhì)速率。
2 亞微觀傳質(zhì)在水處理反應(yīng)工藝中的作用
給水處理的混合工藝就是要把混凝劑的水解產(chǎn)物迅速擴散到水體中的每一個細部。由以上論述可知，混凝劑水解產(chǎn)物被湍流中的大、中、小渦旋帶到水體的宏觀部位完成宏觀擴散非常迅速，而混凝劑水解產(chǎn)物向極鄰近部位的擴散使其達到水體每一細部，即完成亞微觀擴散速率極慢，尤其在高濁時期。高濁期原水濁度很高，混凝劑水解產(chǎn)物向極鄰近地區(qū)擴散速率比宏觀擴散速率小幾個數(shù)量級，沒等其擴散到極鄰近部位，就被更靠近它的膠體顆粒所捕捉。這樣就造成混凝劑水解產(chǎn)物局部集中，而有些部位則不足，甚至完全沒有。在混凝劑水解產(chǎn)物集中的部位礬花迅速長大，這些過分長大的礬花遇到更強烈湍流剪切就被剪斷，這種過反應(yīng)情況嚴(yán)重影響了反應(yīng)效果。在混凝劑水解產(chǎn)物不足或完全沒有的部位，膠體顆粒不能完全或者根本不能脫穩(wěn)、凝聚，這樣導(dǎo)致高濁期表觀看來礬花很大，實際上反應(yīng)很差，因為總有些沒能脫穩(wěn)的膠體顆粒不能被礬花吸附與捕捉，高濁水之所以難處理其根本原因就在于此。大慶油田中引水廠(25×104 m3/d)從龍湖泡取水，春季解凍時正值枯水期，湖水很淺，風(fēng)很大，使湖泡底泥攪起，水溫是4 ℃左右，造成嚴(yán)重低溫高濁。該水廠原工藝是靜態(tài)混合器混合、普通網(wǎng)格反應(yīng)、三層側(cè)向流斜板沉淀，到最嚴(yán)重低溫高濁時期，水廠出水量只有(8～9)×104m3/d。低溫高濁不僅有上述因高濁造成的混凝劑水解產(chǎn)物亞微觀傳質(zhì)更困難的特點，而且因水溫低、水的粘性大，混凝劑水解產(chǎn)物因微渦旋離心慣性效應(yīng)的驅(qū)動，在水中向相鄰近部分遷移更為困難，這樣就更增加了亞微觀傳質(zhì)的難度；炷齽┧猱a(chǎn)物不能擴散到所有水體的細部，這些地區(qū)的膠體顆粒不能脫穩(wěn)、凝聚。在反應(yīng)過程中也不能完全被礬花顆粒所捕捉、吸附，嚴(yán)重影響了出水水質(zhì)。解決問題最好辦法是讓混合設(shè)備在水流中造成高比例、高強度的微渦旋，利用微渦旋的離心慣性效應(yīng)，提高亞微觀傳質(zhì)速率。中引水廠使用了多相工藝研究中心推出的孔板式混合設(shè)備，徹底解決了這個問題，低溫高濁期處理能力達到了設(shè)計負荷。
處理含鐵地下水研究與工程實踐認為，高含鐵地下水用自然曝氣方法不能使水中所有的二價鐵離子都氧化成三價鐵離子。接觸氧化法則有其優(yōu)勢，利用濾層中鐵質(zhì)膜的催化作用使二價鐵離子氧化成三價鐵離子，它們所形成的氫氧化物的絡(luò)合物，由于濾池的微絮凝作用與截留作用被去除。而濾池要形成鐵質(zhì)膜需要一定時間，即所謂鐵質(zhì)膜成熟期。在鐵質(zhì)膜成熟之前濾池出水是不能達標(biāo)的。哈爾濱建筑大學(xué)碩士研究生劉健勇組織這樣二組對比試驗。兩者的工藝流程如下：
高含鐵水→曝氣→濾池→出水
高含鐵水→曝氣→網(wǎng)格段→濾池→出水
第一個流程是目前普遍采用的地下水除鐵的工藝流程。第二個流程是曝氣后的水先流過一個網(wǎng)格段，再進入濾池。試驗時地下水含鐵量為11.5 mg/L，結(jié)果證明目前通用的地下水除鐵工藝流程在鐵質(zhì)膜成熟期之前出水不能達標(biāo)。而第二個流程曝氣后濾池出水水質(zhì)馬上達標(biāo)，不需要鐵質(zhì)膜的催化作用，處理后水中鐵的含量均為微量左右或更少，甚至為痕量，鐵的去除率均為97%以上。這二組對比試驗說明，目前采用的曝氣方法，二價鐵氧化成三價鐵的速率很快，而氧亞微觀傳質(zhì)速率很低，二價鐵氧化時消耗的氧得不到及時補充，高含鐵量時有些二價鐵就不能氧化，必須借助鐵質(zhì)膜的催化作用。第二個流程因曝氣水流通過網(wǎng)格段增強了湍流擾動，增加微渦旋的比例和微渦旋強度，微渦旋離心慣性效應(yīng)大大增大了亞微觀傳質(zhì)速率。這時二價鐵氧化成三價鐵的所需氧不僅可以從溶解氧中得到補充，也可以從鄰近地區(qū)過飽和氧氣中得到補充，因此不需鐵質(zhì)膜的催化作用，在進入濾池之前二價鐵已氧化成三價鐵。三價鐵的氫氧化物有很強極性及吸附能力，互相凝聚長大，而上述網(wǎng)格段能有效加速氫 氧化物絡(luò)合物的接觸與碰撞，使它們迅速絮凝，進入濾池后正好被濾池所截留，出水鐵的殘余量甚微。
在水處理反應(yīng)中如好氧反應(yīng)的活性污泥法和生物膜法及厭氧反應(yīng)工藝中，障礙其反應(yīng)速率和品質(zhì)的第一要素仍然是傳質(zhì)速率，而在傳質(zhì)中起決定作用的是亞微觀傳質(zhì)。因此提高亞微觀傳質(zhì)是提高水處理反應(yīng)工藝效率的決定因素。
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