水處理絕大多數(shù)的工藝過程可以歸結(jié)到這樣一個(gè)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(jī)物分子經(jīng)強(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(jī)絡(luò)合物有一定的吸附能力(這也正是所有強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(yuǎn)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(duì)水處理工藝中傳質(zhì)規(guī)律尚缺乏認(rèn)識(shí)，工藝中的傳質(zhì)措施尚處于經(jīng)驗(yàn)摸索階段，缺乏理論指導(dǎo)。因此，進(jìn)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(kuò)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(yùn)動(dòng)引起的質(zhì)量交換或擴(kuò)散。其量級(jí)是水分子尺度以及水分子平均自由程尺度的量級(jí)。水作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)傳質(zhì)是微觀傳質(zhì)，其時(shí)物質(zhì)垂直水流方向擴(kuò)散與摻混是水分子熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)力作用引起物質(zhì)在水流宏觀部位的摻混與擴(kuò)散，其量級(jí)是宏觀尺度的量級(jí)。因此，宏觀傳質(zhì)速率是量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微觀傳質(zhì)速率的量級(jí)。
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(kuò)散系數(shù)大小來表征。其數(shù)量級(jí)可由下面兩個(gè)公式表示：

 
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(kuò)散系數(shù)的規(guī)律截然不同。λ越小擴(kuò)散系數(shù)越小，λ越大擴(kuò)散系數(shù)越大，當(dāng)研究尺度相差很大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)可以相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。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(kuò)散所導(dǎo)致，其傳質(zhì)速率很快，傳質(zhì)阻力很��；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(kuò)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(shí)質(zhì)是層流下的 傳質(zhì)。因?yàn)樵跇O鄰近部位即當(dāng)λ＜λ0時(shí)，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(yuǎn)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(kuò)散是由水分子熱運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yuǎn)大于水分子熱運(yùn)動(dòng)所引起的傳質(zhì)速率，所以可認(rèn)為微渦旋的離心慣性效應(yīng)是湍流亞微觀傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)致因。渦旋的離心慣性效應(yīng)的量級(jí)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(shí)渦旋的加速度最大，其慣性效應(yīng)最強(qiáng)。由此可見在湍流水體中λ0量級(jí)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(jí)遠(yuǎn)小于宏觀尺度的量級(jí)，遠(yuǎn)大于微觀尺度的量級(jí)，是與湍流微渦旋尺度量級(jí)相當(dāng)，即亞微觀尺度量級(jí)［1］。因此其傳質(zhì)速率遠(yuǎn)小于宏觀傳質(zhì)速率，又遠(yuǎn)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(kuò)散到水體中的每一個(gè)細(xì)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(kuò)散非常迅速，而混凝劑水解產(chǎn)物向極鄰近部位的擴(kuò)散使其達(dá)到水體每一細(xì)部，即完成亞微觀擴(kuò)散速率極慢，尤其在高濁時(shí)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(kuò)散速率比宏觀擴(kuò)散速率小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，沒等其擴(kuò)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(qiáng)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(shí)際上反應(yīng)很差，因?yàn)榭傆行]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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(dòng)，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(kuò)散到所有水體的細(xì)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(qiáng)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(gè)問題，低溫高濁期處理能力達(dá)到了設(shè)計(jì)負(fù)荷。
　　
處理含鐵地下水研究與工程實(shí)踐認(rèn)為，高含鐵地下水用自然曝氣方法不能使水中所有的二價(jià)鐵離子都氧化成三價(jià)鐵離子。接觸氧化法則有其優(yōu)勢(shì)，利用濾層中鐵質(zhì)膜的催化作用使二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)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(shí)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(dá)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(duì)比試驗(yàn)。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(gè)流程是目前普遍采用的地下水除鐵的工藝流程。第二個(gè)流程是曝氣后的水先流過一個(gè)網(wǎng)格段，再進(jìn)入濾池。試驗(yàn)時(shí)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(dá)標(biāo)。而第二個(gè)流程曝氣后濾池出水水質(zhì)馬上達(dá)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(duì)比試驗(yàn)說明，目前采用的曝氣方法，二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的速率很快，而氧亞微觀傳質(zhì)速率很低，二價(jià)鐵氧化時(shí)消耗的氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，高含鐵量時(shí)有些二價(jià)鐵就不能氧化，必須借助鐵質(zhì)膜的催化作用。第二個(gè)流程因曝氣水流通過網(wǎng)格段增強(qiáng)了湍流擾動(dòng)，增加微渦旋的比例和微渦旋強(qiáng)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(shí)二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵的所需氧不僅可以從溶解氧中得到補(bǔ)充，也可以從鄰近地區(qū)過飽和氧氣中得到補(bǔ)充，因此不需鐵質(zhì)膜的催化作用，在進(jìn)入濾池之前二價(jià)鐵已氧化成三價(jià)鐵。三價(jià)鐵的氫氧化物有很強(qiáng)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(jìn)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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