折板單元本身的水力特性對(duì)絮體顆粒碰撞的影響主要表現(xiàn)在:折板單元的造渦作用和連續(xù)均勻的單元設(shè)置改善了紊動(dòng)能耗的分布,從而提高了絮凝方式的數(shù)值,因此提高了絮凝效果。水流通過折板單元,在漸擴(kuò)段與漸縮段的作用下,可以形成對(duì)稱渦旋及單側(cè)渦旋。波峰處水流邊界層的分離是產(chǎn)生渦旋的動(dòng)因。根據(jù)渦旋的擴(kuò)散性,會(huì)進(jìn)一步分解為小尺度的渦旋,直到與水流微團(tuán)相關(guān)的雷諾數(shù)低到不能再產(chǎn)生更小的渦旋為止。
同時(shí),大尺度的渦旋從主流吸取動(dòng)能,在運(yùn)動(dòng)過程中傳遞給較小尺度的渦旋,這樣逐級(jí)傳遞,一直到微尺度的渦旋。在較大尺度的渦運(yùn)動(dòng)中,流體粘性幾乎不起作用,可忽略不計(jì),因而在動(dòng)能傳遞中幾乎沒有能耗;而在微尺度的渦旋運(yùn)動(dòng)中,流體粘性將起主要作用,傳送到這些低級(jí)渦旋的能量就會(huì)通過粘性作用轉(zhuǎn)化為熱能。水流中同時(shí)存在無數(shù)大大小小的渦旋,產(chǎn)生一系列的脈動(dòng)頻率,具有連續(xù)的頻譜。
折板絮凝池的設(shè)計(jì)主要控制參數(shù)是水流速度、水頭損失和絮凝時(shí)間,但建成后往往發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值相差甚遠(yuǎn)。以水頭損失的計(jì)算為例,設(shè)計(jì)手冊(cè)中,其計(jì)算采用的是明渠漸擴(kuò)和漸縮公式,有人通過研究發(fā)現(xiàn),豎流折板絮凝池水頭損失實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值相差較大,實(shí)測(cè)值明顯小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。
開發(fā)新型、、安全的絮凝劑,深入研究絮凝基礎(chǔ)理論及其控制技術(shù),現(xiàn)已成為一門迅速發(fā)展的科學(xué)與技術(shù)。絮凝過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,盡管要地表達(dá)某一水質(zhì)、絮凝劑和水流流態(tài)特性因素對(duì)絮凝效果的影響還存在很大的困難,但隨著多學(xué)科技術(shù)集成度的提高以及實(shí)際應(yīng)用的需要,預(yù)計(jì)折板絮凝研究將在如下方面有所發(fā)展:
往復(fù)式絮凝池也稱隔板絮凝池。為一般常規(guī)的水平或垂直式水力絮凝反應(yīng)池。即在流水渠中加裝了橫折或豎折檔板,使加藥混合后的水流形成近似于弦形彎曲。池內(nèi)擋板或隔板的間距的安置使水流的速度梯度位分布呈逐步遞減。底部還有一定的坡度以保持水深。此種形式的池可在相當(dāng)寬廣的流量范圍內(nèi)得到合理的成效。機(jī)械絮凝器相比,絮凝時(shí)間由于更為均勻的剪力場(chǎng),故而常只需要前者的一半。隔板可由各種建筑材料一般可由磚砌成或薄形鋼筋混凝土預(yù)制板構(gòu)成。
合理地選定和優(yōu)化混凝工藝,不僅會(huì)提高出水水質(zhì),還能達(dá)到節(jié)能、節(jié)藥及降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。往復(fù)式隔板絮凝池是依靠水流在廊道間的往返流動(dòng),使顆粒碰撞聚集。實(shí)際運(yùn)行資料表明,有些絮凝池在運(yùn)行過程中絮凝效果不佳,致使后續(xù)工藝的出水水質(zhì)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水平。國(guó)內(nèi)外常用的方法是將CFD 模型應(yīng)用到絮凝過程中,并已經(jīng)證明CFD對(duì)絮凝模擬的實(shí)用有效性。通過絮凝動(dòng)力學(xué)的研究,得到了絮凝中重要參數(shù)速度梯度值(G值)隨時(shí)間的變化規(guī)律,并將CFD模型應(yīng)用到往復(fù)式隔板絮凝池的設(shè)計(jì)過程中,通過流體力學(xué)軟件FLUENT的數(shù)值模擬,得到了往復(fù)式隔板絮凝池內(nèi)部水流的狀態(tài)和內(nèi)部的流場(chǎng),并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了深入的分析,定性分析水流狀態(tài)對(duì)絮凝處理效果的影響。
好的絮凝效果不僅需要大量的顆粒碰撞,還需要控制顆粒進(jìn)行合理有效的碰撞,使顆粒聚集起來。速度梯度是絮凝過程中常用的控制動(dòng)力學(xué)因素。根據(jù)絮凝動(dòng)力學(xué)理論得知,絮凝過程中的速度梯度值是逐漸減小的;而且開始時(shí)刻的速度梯度值要求能與混合階段銜接上,所以一般要求較大。這時(shí)的絮凝也要求接觸和碰撞,但是由微渦旋理論可知要求的水力半徑要適合于自身的直徑,才能發(fā)生有效碰撞。理論上,攪拌強(qiáng)度越大,速度梯度越大,相互接觸碰撞的機(jī)會(huì)越多。但攪拌強(qiáng)度大(G值大),水流的剪切力就大,松散的絮體受到水流剪切會(huì)二次斷開成為小絮體。因此要求攪拌的強(qiáng)度(也就是速度梯度)隨著絮凝的進(jìn)行而逐漸變小。整個(gè)混凝的過程中,G值是遞減的。但是速度梯度遞減規(guī)律,國(guó)內(nèi)外的還沒有定論。
矩形往復(fù)式絮凝池中普遍存在死水區(qū),死水區(qū)的存在,不僅容易形成沉積物的堆積,而且嚴(yán)重阻礙了水流的運(yùn)動(dòng)。特別是在絮凝后期,水流速度逐漸減小時(shí),死水區(qū)對(duì)水流有越來越大的的負(fù)面影響。而圓弧形渠道,幾乎不存在死水區(qū),可以有效的消除死水區(qū)帶來的負(fù)面影響。且圓弧區(qū)的水流速度也比矩形渠道的分布均勻,有利于節(jié)約能耗。
在往復(fù)式折板后面能夠形成渦旋,伴隨著顆粒粒徑在增加,渦旋的尺度由小變大,符合絮凝動(dòng)力學(xué)規(guī)律;通過比較得出,圓弧形渠道絮凝池的湍流強(qiáng)度變化緩慢,分布更加均勻合理,不僅能夠滿足絮凝前期較大湍流強(qiáng)度的需要,也能滿足絮凝后期顆粒碰撞的湍流強(qiáng)度,證明圓弧轉(zhuǎn)彎渠道形比矩形轉(zhuǎn)彎渠道有更好的絮凝效果。