王曉輝， 湛含輝

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221008)

水資源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，然而目前水資源的缺乏已成為全球性的問題.我國是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國家，人均占有量僅有2 200 m3，約為世界人均占有量的1/4［1］，是13個(gè)人均水資源最缺乏的國家之一.因此，合理開發(fā)利用水資源、對易處理的廢水進(jìn)行二次回用已成為我國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題.

含高懸浮物的廢水是指廢水中污染物以懸浮物為主、不含或含少量其他污染物的水體，例如煤泥水、礦井水等. 該類廢水經(jīng)適當(dāng)混凝處理即可二次回用，且其來源廣、水量大、污染物相對較單一.因此，對該類水體進(jìn)行資源化利用是緩解水資源供需矛盾，改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑，具有良好的社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益. 然而，由于高懸浮物廢水自身的水質(zhì)特點(diǎn)及其他一些原因，對該部分廢水的處理效果仍不盡如人意，或多或少存在一些問題.

1 高懸浮物廢水處理的特點(diǎn)及工藝中存在的問題

1.1 高懸浮物廢水處理的特點(diǎn)

高懸浮物廢水的主要特點(diǎn)是:①懸浮物含量高，且濃度變化范圍較大(10 ～80 g/L);②懸浮物粒徑大小不等，等濃度下細(xì)顆粒較粗顆粒更難處理;③相對而言，高濃度下顆粒表面電荷斥力的影響不太顯著，顆粒物主要通過有機(jī)高分子絮凝劑作用形成絮團(tuán)達(dá)到去除的目的.

1.2 高濃度廢水存在懸浮物濃度與藥劑用量比例不等的矛盾

處理高懸浮物廢水多采用混凝沉降技術(shù). 混凝過程是指在混凝劑和水力條件的作用下，通過改變膠體、顆粒物的分散狀態(tài)，形成更易于后期分離的絮體，經(jīng)沉淀、氣浮以及過濾去除顆粒物和其他污染物的過程. 由定義知，混凝是從加藥開始直至最終形成絮凝體的過程，包括凝聚和絮凝兩個(gè)過程.湛含輝［2］在總結(jié)國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，從亞微觀角度提出了混凝的物理模型，將混凝過程定義為混合、凝聚和絮凝3個(gè)連續(xù)作用的階段，如圖1.

該模型從理論上強(qiáng)調(diào)了混凝剪切中顆粒碰撞的有效性，并指出在一定剪切力下，只有膠體顆粒與分散的藥劑充分接觸，才有可能充分地形成微絮體，進(jìn)而高效地形成大絮體. 該模型的提出，使混凝過程顯得更為清晰.

實(shí)際工程中，處理低懸浮物廢水所需有機(jī)高分子絮凝劑較少，按以上理論所述，低濃度下的每個(gè)懸浮物顆粒均能與有機(jī)高分子絮凝劑接觸，實(shí)現(xiàn)藥劑與顆粒的逐一吸附，進(jìn)而形成絮粒、絮團(tuán)，達(dá)到去除的目的.那么，對于高懸浮物廢水而言，若要使藥劑與每一個(gè)顆粒都發(fā)生作用，即藥劑量與懸浮物濃度按正比關(guān)系增長，那么，有機(jī)藥劑的用量是十分驚人的.但多數(shù)試驗(yàn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，隨廢水中懸浮物濃度的增加，有機(jī)藥劑的實(shí)際用量卻增加并不多，同時(shí)還能取得較好的絮凝效果，也就是說，在取得較好絮凝效果的前提下，有機(jī)藥劑用量并不隨懸浮物濃度按比例增加. 另一方面，試驗(yàn)結(jié)果表明，在投加相應(yīng)加藥量(藥劑增加量很少)的前提下，隨懸浮物濃度的增加，出水濁度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;在30 ～40 g/L 內(nèi)存在出水濁度最低點(diǎn).

綜上所述，高濃度范圍下的絮凝沉降機(jī)理不同于低濃度時(shí)吸附架橋作用機(jī)理.為探索高濃度范圍下懸浮物的絮凝沉降機(jī)理，必須熟知整個(gè)混凝理論，從其整個(gè)發(fā)展過程中找出切入點(diǎn)，進(jìn)行下一步研究.

1 高懸浮物絮凝機(jī)理的研究進(jìn)展

人們對混凝理論的研究具有悠久的歷史. 結(jié)合混凝理論的發(fā)展過程可以看出，研究學(xué)者對混凝機(jī)理的研究多是針對藥劑進(jìn)行機(jī)理探索，有關(guān)懸浮物濃度變化對混凝機(jī)理影響的研究卻較少;針對高懸浮物混凝機(jī)理的研究目前認(rèn)為是包裹機(jī)理，該理論尚處于定性研究階段，仍需進(jìn)一步定量分析.

縱觀近代混凝理論的發(fā)展過程，20世紀(jì)60年代以前，有關(guān)混凝理論主要以物理理論為基礎(chǔ)，Derjaguin、Landau、Verwey 和Overbeek 根據(jù)經(jīng)典膠體化學(xué)理論的Gouy-Chapman 雙電層模型建立了DLVO理論，又稱凝聚物理理論［3-5］.20世紀(jì)60年代以后，研究混凝的微觀物理化學(xué)作用機(jī)理并強(qiáng)調(diào)微觀物理化學(xué)過程的理論得到迅速發(fā)展. 許多學(xué)者相繼提出吸附-電中和理論和吸附架橋理論，著重強(qiáng)調(diào)了凝聚過程中的化學(xué)作用.其代表是Stumn 及其合作者，他們先后發(fā)表的一系列文章［6-7］，著重強(qiáng)調(diào)了鋁、鐵鹽凝聚劑水解形態(tài)在膠體顆粒脫穩(wěn)過程中的化學(xué)作用.1964年，LaMer 等人［8-9］則針對有機(jī)高分子絮凝劑的凝聚絮凝狀況，提出了有機(jī)高分子絮凝劑的絮凝架橋理論，并闡述了吸附架橋的膠體顆粒及高聚物空間位阻穩(wěn)定理論.1965年，湯鴻霄［10-11］在研究分析上述凝聚絮凝理論的基礎(chǔ)上，提出鋁鹽水解產(chǎn)物一定程度的脫穩(wěn)是產(chǎn)生粘結(jié)架橋絮凝的必要前提.其后很多學(xué)者對混凝機(jī)理也進(jìn)行了大量研究.縱觀以上混凝理論的研究過程，研究學(xué)者多是以藥劑為研究對象進(jìn)行絮凝機(jī)理研究，無人提及濃度對機(jī)理的影響變化;有關(guān)高濃度范圍下的混凝機(jī)理研究則更是少之又少.

湛含輝［12］以高濃度范圍內(nèi)的煤泥水為研究對象，對其絮凝沉降機(jī)理進(jìn)行了深入研究. 他認(rèn)為，高濃度范圍下，煤泥水的沉降機(jī)理主要是包裹作用機(jī)理，即藥劑對部分顆粒作用先形成包裹層，而后同一級包裹層再相互碰撞吸附而包裹低一級的絮體，同時(shí)其孔隙又被其他小顆粒所填充. 依此類推，最終形成的大絮體通過網(wǎng)捕作用去除剩余顆粒，達(dá)到凈化的目的，如圖2 所示. 該混凝機(jī)理的提出，使高濃度范圍下懸浮物高效絮凝沉降的研究大大向前推進(jìn)了一步.

1966年，Sutherland［13］從絮凝體成長過程角度進(jìn)行了類似研究.盡管該研究是在使用無機(jī)藥劑的條件下對低懸浮物提出的，但對高濃度下懸浮物的絮凝機(jī)理研究具有一定的促進(jìn)作用. 該模型認(rèn)為，絮凝體的成長過程是由初始顆粒結(jié)成小的集團(tuán)，小的集團(tuán)在結(jié)成大的集團(tuán)的分步成長過程. 如圖3 為理想化的分步成長絮凝體模型.

圖2 高懸浮物范圍下包裹機(jī)理的物理模型Fig.2 Physical model of package mechanism in high suspended solids range

圖3 分步成長絮凝體模型Fig.3 Stepwise growth model of flocs

然而，對于高懸浮物范圍下的絮凝機(jī)理目前也只是進(jìn)行了定性描述. 因此，借助分形理論及顯微技術(shù)，利用絮凝動力學(xué)對高懸浮物范圍下廢水的絮凝機(jī)理進(jìn)行定量研究具有重要的實(shí)際意義.

3 高懸浮物絮凝動力學(xué)的研究現(xiàn)狀

研究高濃度廢水中懸浮物的絮凝機(jī)理，就必須研究其動力學(xué)過程. 從其動力學(xué)研究現(xiàn)狀來看，所推導(dǎo)的模型能較好描述絮凝過程，但特別針對高懸浮物范圍的絮凝模型卻很少有人研究. 因此，只有提出高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)模型，才能定量分析包裹機(jī)理，也才能進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)踐進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)工作.

縱觀整個(gè)絮凝動力學(xué)研究歷程，自1917年Smoluchowski［14］根據(jù)6 點(diǎn)假設(shè)基于擴(kuò)散理論提出離散型絮凝動力學(xué)方程，并根據(jù)上述假設(shè)率先推導(dǎo)出了異向絮凝的碰撞頻率方程，后人便不斷對其進(jìn)行修正.1943年，Camp 和Stein［14］對層流條件下同向絮凝模型進(jìn)行了推導(dǎo);隨著對水流流態(tài)的進(jìn)一步認(rèn)識，Camp 提出了紊流狀態(tài)的速度梯度G，并對其同向絮凝碰撞頻率方程進(jìn)行了更正.1941年Kolmogoroff［15］根據(jù)各向同性紊流理論，提出了紊流條件下顆粒碰撞速率公式，為后續(xù)紊流絮凝研究奠定了理論基礎(chǔ). 其后，saffman 和turner［16］根據(jù)Kolmogoroff 的各向同性紊流理論，推出了紊流碰撞頻率函數(shù)，能夠較好地描述紊流下的絮凝狀況. 1962年，Levich［17］基于紊流擴(kuò)散理論，導(dǎo)出紊流條件下絮凝速率公式，開拓了紊流同向絮凝研究的另一個(gè)新方向.盡管以上公式不盡相同，但只是公式前系數(shù)的不同，其余完全相同，可見它們實(shí)質(zhì)是一致的. 隨著混凝理論的深入研究，1966年，F(xiàn)riendlander 和Wang［18］在Smoluchowski 方程的基礎(chǔ)上，提出了粒子尺寸的連續(xù)分布碰撞模型，引起不少學(xué)者關(guān)注.另一方面，近幾十年，分形理論在混凝領(lǐng)域的研究、應(yīng)用也大大推進(jìn)了動力學(xué)的發(fā)展，使人們更加清晰的認(rèn)識了微觀絮體的動態(tài)過程.1991年，Jiang［19］研究顆粒碰撞頻率函數(shù)β 與絮凝體尺寸、分形維數(shù)D的關(guān)系，結(jié)合分形理論提出了新的顆粒碰撞頻率模型，來探討布朗運(yùn)動、流體剪切與差速沉降等不同水流條件下的絮凝體特征.2000年Du 和James［20］等在Jiang 和Logan 研究的基礎(chǔ)上，提出了顆粒直線碰撞下的聚合分形球體模型，簡稱CFS 模型. 該模型的提出使碰撞頻率函數(shù)更適合于數(shù)值模擬.

綜上所述，絮凝動力學(xué)方面的研究十分豐富，所推導(dǎo)的模型也較適用懸浮物的絮凝過程，尤其是低懸浮物廢水. 而針對高懸浮物廢水，這些模型似乎有些勉強(qiáng)，因?yàn)楦邼舛确秶?，單位體積所含顆粒數(shù)大幅度增加，是低濃度下顆粒數(shù)的成千上萬倍，顆粒間的碰撞頻率很高，碰撞頻率問題可能亦非最顯著的影響因素;另一方面，高濃度范圍下有機(jī)藥劑用量較少，主要是由于包裹機(jī)理對顆粒進(jìn)行了大量包裹，根據(jù)上文提到包裹機(jī)理和分步成長絮凝體模型，不難發(fā)現(xiàn)，高懸浮物范圍下影響絮凝效果的關(guān)鍵是藥劑與顆粒間的作用以及高級絮體對低級絮體(或顆粒)的包裹量，即如何實(shí)現(xiàn)高效包裹的問題.盡管包裹機(jī)理目前還處于定性研究階段，但對今后高懸浮物下動力學(xué)方程的推導(dǎo)、絮凝機(jī)理地定量研究具有重要的理論指導(dǎo)意義.

因此，只有優(yōu)化高懸浮物范圍下的各影響因素，結(jié)合相似理論及化學(xué)動力學(xué)內(nèi)容，建立高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程，才能對定量分析包裹機(jī)理，進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)踐指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場工作.

4 結(jié)語及展望

筆者結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了目前處理高懸浮物廢水存在的懸浮物濃度與有機(jī)藥劑用量不成比例等矛盾. 通過分析混凝理論的研究歷程，總結(jié)出高濃度范圍下的絮凝作用機(jī)理為包裹機(jī)理，但目前該機(jī)理僅處于定性描述階段;同時(shí)，經(jīng)查找大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前為止尚無研究高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程. 針對以上問題，筆者認(rèn)為今后研究方向應(yīng)從以下幾方面考慮.

(1)借助分形理論及顯微技術(shù)，從亞微觀角度深入分析高懸浮物廢水中絮凝體的動態(tài)成長過程，了解高濃度范圍下導(dǎo)致顆粒物快速沉降的真實(shí)作用機(jī)理;

(2)優(yōu)化高懸浮物范圍內(nèi)的各顯著影響因素，并結(jié)合相似理論及化學(xué)動力學(xué)等學(xué)科，以現(xiàn)有絮凝動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，建立高懸浮物范圍下的絮凝動力學(xué)方程，對包裹機(jī)理進(jìn)行定量分析，進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際工藝中的絮凝過程.

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