探讨低温低浊水处理技术影响因素

摘要：一直以来，低温低浊水处理技术是给水处理工程以及净水技术中比较棘手的一个问题，本文主要对该技术难以处理的原因进行分析，同时运用絮凝动力学分析其沉淀因素，并且对今后低温低浊水处理技术发展作了展望,对具体市政给排水设计,科研有一定的指导意义。

关键词:低温低浊,絮凝动力学,给排水处理

中图分类号：S276.3文献标识码： A

低温低浊水的处理是水处理领域比较瞩目的又困难的一个问题，由于其在水净化处理过程中经常会遇到一些比较特殊的水质，达不到后续水处理设备的进水水质要求,进而影响水处理设备的正常工作。低温低浊水是比较难处理的水质之一,这样的水源主要存在于北方气候寒冷的地区。本文针对低温低浊水从絮凝动力学角度进行具体分析,并对今后低温低浊水处理技术的发展作出展望。

1影响低温低浊水混凝效果的因素

1.1 温度因素

1)水的温度对混凝剂中的水解反应有着,低水温使水解反应速度减缓,在常见的混凝剂中,铝盐较铁盐受水温影响大。

2)低温时水的粘度大,增大了水流的剪切力,不利于水中微小颗粒碰撞、凝聚和絮凝体的成长,絮凝速率和颗粒沉降速度也减小,使絮凝体含水率上升,絮凝体变得疏松,密度下降,絮凝体沉降性能变差。

3)微粒的布朗运动是水中胶体微粒的稳定因素,但也是微粒的不稳定因素,微粒的布朗运动可促使微粒间相互接触碰撞,从而使彼此吸附凝聚,而低水温减弱微粒的布朗运动,不利于微粒间碰撞凝聚[2,3]。

1.2 水中微粒浓度因素

良好的混凝处理效果是基于混凝过程中微粒具有较多的碰撞机会,提高了碰撞几率,也就提高了微粒间的凝聚机会,促进微粒的凝聚成长,如果水中微粒浓度太低,势必影响混凝处理过程的正常进行。

2 低温对絮凝速度的影响

1)较高的絮凝速度是迅速生成较大絮凝的必要条件,凝聚速度取决于单位时间内的颗粒碰撞次数与有效碰撞率,而颗粒碰撞次数又与其运动速率有关。当水温降低时,水分子间的热运动能量减少,布朗运动给予的速度自然减慢,颗粒间的碰撞机会也就减少,因此凝聚化学反应速度也随之减慢。同时,低温水浊度低,水中颗粒数目减少,所以碰撞的次数也少;低温水中的杂质颗粒细小,颗粒的碰撞次数以颗粒直径和的立方关系而减少;水温越低,粘度越大,液层间的内阻力越大,颗粒的碰撞机会越少,凝聚效果越差。

2)从颗粒带电及脱稳情况来看,水中运动着的胶粒都有电动电位N,并带有负电荷。在两个带电微粒间存在着两种作用力:一种是物质固有的引力)))范德华力;另一种是静电斥力。两胶粒间的合力将随其间距的大小而变化,在一定温度下,胶粒具有一定的动能,若该动能足以克服在接近过程中所出现的最大斥力,则在急剧增大的范德华力的吸引下,这些胶粒就可以聚合成为一些稍大的颗粒,否则两胶粒将再次分开,依然以原始状态存在于水中,胶粒无法沉淀[4]。

3)絮凝剂水解速度降低,水解产物形态不佳。随着水温每降0e,水解速率常数均降2~4,导致反应速率减慢,OH-离子浓度降低,水的离子积减小,以致水解进行不完全,药剂利用不充分,水温低时,聚合反应速率降低,混凝剂水解产物主要是高电荷,低粘度的聚合物,不利于在胶体间形成吸附架桥,从而降低絮凝效果。

4)低温水,介质粘度提高,增加水流剪力,不利于微粒相互碰撞,凝聚和絮体的成长。

5)水温低时,混凝颗粒水化作用加强,颗粒周围水化作用出,絮状物粘附力和强度降低,而其化膜内的水,由于粘度和重度增大,影响颗粒间的结合强度,使得絮体松散易破碎,密度小,颗粒强度低。

6)pH值与温度有关,水温低时水的pH值升高,相应的混凝最佳pH值也会升高。

7)粘度增大使得絮体颗粒沉降速度降低,沉淀效率降低。

3低浊度对水质净化过程的影响

1)水浊度低时,水中的微生物主要以细的胶体分散体系溶于水中,而且胶体颗粒比较均匀,胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性,并且带负电的胶体微粒很少,所以达到电中和所需要的混凝剂也少,形成的混凝絮体细、小、轻,难以沉淀,易于穿透滤层。

2)由于浊度低,胶体颗粒数目较少,颗粒间相互碰撞而聚集的机会少,絮体难以形成,而要通过增大搅拌强度来提高颗粒碰撞几率,同时又能提高水流剪切强度,使本来形成低强度的絮体剪碎。

3)低浊度水由于固相浓度较小,分散相的面积S较小,就易形成易溶解的产物,由于缺乏大量的高聚物形成的有效空间网格交链的键,很容易被破坏。

4 低温低浊水絮凝动力学分析

胶体颗粒由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象在胶体化学中称为异向絮凝。由Einstein-Stokes可以导出:1n-1n0=4ApkT3Lt(1)其中,A为颗粒半径;Ap为颗粒间粘附效率因数,它为碰撞数中产生永久粘聚在一起的分数;Db为扩散系数;L为水的粘度;k为Boltzmann常数;T为绝对温度;n0为颗粒的初始浓度(t=0);n为t时刻的颗粒浓度。结合具体条件的计算结果,联系式(1)可以发现:靠布朗运动来进行絮凝过程是不现实的。根据异向絮凝的微分速率公式,可以认为颗粒絮凝是颗粒传递和接着发生的互相粘附实现的:

kp=4kT3LAp(2)其中,4kT3L为颗粒传递项;Ap为颗粒粘附项。推导发现:压缩双电层和降低F电势从而降低排斥能峰可使Ap值升高,增加粘附性,便于粘附沉淀。低浊水由于固相浓度很小,颗粒碰撞机会少,由于其空间网格没有交链的键,因而容易破坏。往往低浊水造成混凝剂投入量增加,因为对于固相浓度很小的情况,在颗粒表面积和混凝剂的必须投加量之间不存在化学剂量关系,即所谓的当量关系,而是应从动力学方面考虑增加颗粒碰撞数必须补充的固相数量。低浊度对水质净化过程的影响

1)水浊度低时,水中的微生物主要以细的胶体分散体系溶于水中,而且胶体颗粒比较均匀,胶体微粒具有很强的动力稳定性和凝聚稳定性,并且带负电的胶体微粒很少,所以达到电中和所需要的混凝剂也少,形成的混凝絮体细、小、轻,难以沉淀,易于穿透滤层。

2)由于浊度低,胶体颗粒数目较少,颗粒间相互碰撞而聚集的机会少,絮体难以形成,而要通过增大搅拌强度来提高颗粒碰撞几率,同时又能提高水流剪切强度,使本来形成低强度的絮体剪碎。

3)低浊度水由于固相浓度较小,分散相的面积S较小,就易形成易溶解的产物,由于缺乏大量的高聚物形成的有效空间网格交链的键,很容易被破坏。

4 低温低浊水絮凝动力学分析

胶体颗粒由于布朗运动相碰撞而凝聚的现象在胶体化学中称为异向絮凝。由Einstein-Stokes可以导出:1n-1n0=4ApkT3Lt(1)其中,A为颗粒半径;Ap为颗粒间粘附效率因数,它为碰撞数中产生永久粘聚在一起的分数;Db为扩散系数;L为水的粘度;k为Boltzmann常数;T为绝对温度;n0为颗粒的初始浓度(t=0);n为t时刻的颗粒浓度。结合具体条件的计算结果,联系式

(1)可以发现:靠布朗运动

来进行絮凝过程是不现实的。根据异向絮凝的微分速率公式,可以认为颗粒絮凝是颗粒传递和接着发生的互相粘附实现的:kp=4kT3Lap

(2)其中,4kT3L为颗粒传递项;Ap为颗粒粘附项。推导发现:压缩双电层和降低F电势从而降低排斥能峰可使Ap值升高,增加粘附性,便于粘附沉淀。低浊水由于固相浓度很小,颗粒碰撞机会少,由于其空间网格没有交链的键,因而容易破坏。往往低浊水造成混凝剂投入量增加,因为对于固相浓度很小的情况,在颗粒表面积和混凝剂的必须投加量之间不存在化学剂量关系,即所谓的当量关系,而是应从动力学方面考虑增加颗粒碰撞数必须补充的固相数量。

5 低温低浊水处理技术前景展望

在低温低浊水技术处理过程中,首先应当重视水质特点,包括水温、浊度,以及其中的有机物、胶态物质(主要是胶态硅)等的含量。其次初选合适的处理工艺,然后通过试验再进一步确定最佳处理工艺。而提高混凝效果,添加浊度添加剂,改变低温低浊水的水质状态是行之有效的措施,关键是筛选高效浊度添加剂。溶气浮选能处理一般低温低浊水,但较难适用于对水质要求很高的场合。由于微絮凝拦截沉淀池技术集颗粒的吸附碰撞、接触凝聚和聚集沉淀的多过程协同作用于一体,可明显提高混凝处理效果,是一种很有发展前途的处理低温低浊水新工艺,进一步试验、筛选优良的拦截材料可完善、发展该处理工艺。提高进水温度对处理低温低浊水肯定是有效的,但是,这只适用于小型水厂,而对大、中型的水厂而言是难以应用的。正是由于改变低水温在实践中不易实施,优选和开发受温度影响小的工艺成为新的研究课题。混凝效果优良的混凝剂及助凝剂很重要(当然,在选择混凝剂和助凝剂时,应注意用户对出水的要求,如电站水处理中,对出水含硅量要求很高,所以,应尽量避免投加含硅药剂),这包括通过强化混凝处理(改善混凝条件),可在原有的混凝澄清处理(改善混凝条件),还可在原有的混凝澄清处理设备上实施,不需工艺设备的大改造,因此是一具有潜力的发展方向。

参考文献:

[1] 霍明昕,刘馨远.低温低浊水质特性分析[J].中国给水排水,1998,14(4):33-34.

[2] 许保玖.给水处理理论与设计[M].北京:学术书刊出版社,1992.

[3] 陈培康.给水净化新工艺[M].北京:学术书刊出版社,1990.

[4] 王 静.低温低浊水处理技术研究应用现状[J].低温建筑技术,2003(4):49-50.