前言
　　
　　在给水净化和废水物化处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。天然水体中的分散相大部分由无机胶粒组成，如：黏土、金属氧化物、金属氢氧化物和金属碳酸盐，还有来自腐殖质的有机胶体物质以及有生命的微生物（藻类或细菌）。城镇用水及工业废水处理中, 絮凝(混凝)过程是应用最普遍的关键环节之一。絮凝效果的好坏, 直接决定着后续单元过程的运行工况、处理费用及最终出水水质。实践证明，设计时混凝工艺选定的合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能节约降低运行费用的目的。因此搞清絮凝动力致因是提高絮凝效率的关键[1,2]。
　　
　　1.絮凝的动力学过程
　　
　　絮凝一般是指水中的胶体在加入混凝剂进行脱稳之后，相互接触碰撞，在吸引力作用下合并成长为大絮凝体的过程。研究絮凝的动力学过程，也就是研究絮凝过程中颗粒状态的变化，颗粒是怎样从粒径较细数量较多，逐步演变为粒径较大而数量较少的[1]。
　　
　　要使颗粒产生絮凝需要有两个基本前提，颗粒间的接触(即碰撞)以及接触后的聚集。两个保持一定距离作相对运动的颗粒，如无其他力的作用是无法接触的，因为它们之间将始终维持原来的间距。当然，颗粒的接触并不等于聚集，如果颗粒不具备彼此结合的能力，接触后的颗粒仍然处于分散状态，它取决于混凝剂的性质。总之使颗粒产生絮凝的首要条件是接触碰撞，而颗粒在水中的接触碰撞，主要有三种途径[2]：(1)颗粒的布朗运动；(2)颗粒间的沉速差异；(3)流动水体的水力作用。
　　
　　由布朗运动所造成的颗粒碰撞速率与水温成正比，与颗粒浓度平方成正比，而与颗粒尺度无关，实际上只有小颗粒才有布朗运动，随着颗粒粒径增大，布朗运动将逐渐减弱，当颗粒粒径大于1μm时，布朗运动基本消失。对于一般絮凝池来说，絮体颗粒一般从微米级增至毫米级以上，因此由布朗运动产生的颗粒接触碰撞可忽略不计。至于因沉速差异而造成的颗粒接触碰撞，在沉淀池中有一定的作用，然而在反应池中，由于水流的强烈紊动，相对来说沉速差异的作用将是微小的。特别是在絮凝的初始阶段，颗粒细小，本身的沉速就不大，不同颗粒间的沉速差异也就更小，因此对于因沉速差异而产生的接触，在反应池中一般可以忽略不计；基于以上分析可以断定：流动水体的水力作用对加速颗粒絮凝起主导作用[3]。
　　
　　2.絮凝动力机理
　　
　　絮凝效果的好坏取决于两个因素：(1)混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的连接能力，这是由混凝剂的性质决定的；(2)微小颗粒碰撞几率和如何控制它们进行合理有效的碰撞，这是由设备的动力条件所决定的。
　　
　　由于絮凝中的颗粒碰撞是与湍流中的微结构的动力作用密切相关，因此在絮凝动力学的研究中应从湍流微结构的尺度，即从亚微观尺度上进行研究。
　　
　　在絮凝过程中，由于水力条件对絮凝体成长起决定性作用，因此可以将絮凝当作流体力学问题来进行研究。丹保在他的论文中以直流水槽为例进行了说明，水槽中水流沿垂直流向可分为三层：层流底层、过渡层和紊流层(惯性区)。在紊流层内只能产生尺度大而强度低的涡流，在层流低层内不可能存在涡旋运动，在这两层之间存在一速度梯度相当大、涡能量最大的层，这一层就是过流层，实际上层流低层和过渡层都是极簿的流层，因此絮凝效果的好坏决定于紊流区[4]。
　　
　　3.絮凝的动力学致因
　　
　　在水处理工程学科中, 有关絮凝过程的动力学致因问题有不少争论。在工程界应用最多的是基于层流条件下导出的速度梯度理论, 主要有异向絮凝、同向絮凝及差降絮凝[2]。
　　
　　上述絮凝动力学理论是基于层流状态考虑的, 对于实际情况,必然存在其局限性。而人们又着眼于实际流体状况的分析，因此有关絮凝的动力学致因有待进一步的研究。王绍文等首次指出扩散过程应分为宏观扩散与亚微观扩散两个不同的物理过程，从湍流微结构的尺度即亚微观尺度对絮凝的动力学问题进行了研究，提出了惯性效应是絮凝动力学致因，特别是湍流微涡旋的离心惯性效应，并指出湍流剪切力是絮凝反应中决定性的动力学因素。武道吉等从紊流结构分析了混合动力学机理, 提出了主流区的涡流扩散对混合时间起主导作用, 并导出了混合综合控制指标。这些研究成果既丰富了理论,也可用于指导实践[2,5]。
　　
　　之所以说絮凝的动力学致因是惯性效应[5]，这是因为水是连续介质，水中的速度分布是连续的，没有任何跳跃，水中两个质点相距越近其速度差越小，当两个质点相距为无究小时，其速度差亦为无穷小，即无速度差。水中的颗粒尺度非常小，比重又与水相近，故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动，由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞，就必须使其与水流产生相对运动，这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同，所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中颗粒与水流产生相对运动呢？最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性（密度）与颗粒的惯性（密度）不同，当水流速度变化时它们的速度变化（加速度）也不同，这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基本理论。
　　
　　改变速度方法有两种：一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝；二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋，因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运转方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动，为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的，这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小，其惯性力越强，惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可见湍流中的微小涡旋的离心惯性效应是絮凝的重要的动力学致因。由此可看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数，有效地改善絮凝效果。
　　
　　4.紊流涡旋在混凝处理中的作用
　　
　　紊流中存在着大大小小的涡旋，涡旋的大小和轴向是随机的，因此涡旋本身在紊流内部的相对运动也是随机变化的，涡旋不断的产生、发展、衰减与消失。大尺度涡旋破坏后形成尺度较小的涡旋，较小尺度的涡旋破坏后形成尺度更小但波数较大的涡旋，由于这些涡旋在紊流内部做随机运动，不断平移和转动，使得紊流各点速度随时间不断变化，形成了流速的脉动，也就是说紊流是由连续不断的涡旋运动造成的。紊动能量由大尺度涡旋逐级传给小尺度涡旋。大尺度涡旋由于速度梯度很小，其絮凝条件很差。由此可见，在紊流中若能有效的消除大尺度涡旋，增加微小尺寸涡旋的比例，就能提高絮凝效果[6]。
　　
　　微涡流之所以能有效地促进水中微粒的扩散与碰撞，其原因有两个方面。其一，涡流形成流层之间较大的流速差，造成了流层中携带微粒的相对运动，从而增加了微粒的碰撞机率；其二，涡流的旋转作用形成离心惯性力，造成微粒的沿旋涡径向运动，从而增加了微粒的碰撞机率。此两方面的作用都随涡流的尺寸减小而增大，微涡流是有利于凝聚的水力条件[7]。
　　
　　由上面的理论论述可以看出，如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例，就可以大幅度地增加颗粒碰数，有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网水流的惯性作用，使过网水流的大涡旋变成小涡旋，小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后，最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。
　　
　　增设小孔眼格网之后有如下作用：(1)水流通过格网的区段是速度激烈变化的区段，也是惯性效应最强，颗粒碰撞几率最高的区段；(2)小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少。微涡旋比例增强，涡旋的离心惯性效应增加，有效地增加了颗粒碰撞次数；(3)由于过网水流的惯性作用，矾花产生强烈的变形，使矾花中处于吸附能级低的部分，由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位，这样就使得通过网格之后矾花变得更密实[8]。
　　
　　5.微涡流混凝工艺特点[5,7]
　　
　　(1)混凝效率高
　　
　　微涡流混凝工艺创造了高效率的凝聚和絮凝水力条件，其混凝效率大大优于传统混凝工艺，也优于网格混凝工艺，反应时间可以缩短到5~10分钟，这就意味着与传统工艺相比，产水量可以提高1~2倍，占地少，投资省。
　　
　　(2)出水质量优
　　
　　在投加相同混凝剂的情况下，微涡流混凝工艺所产生的絮体质量明显地优于传统工艺，因而具有很好的沉降性能，出水浊度稳定在3度以下，滤池工作周期延长，节约了大量的反冲洗水。
　　
　　(3)水质、水量变化适应能力强
　　
　　微涡流混凝有利于高浊度水处理，因为微涡流有利于混凝剂的快速扩散，使之不易被高浊度水中大量的杂质胶体包裹而失去活性，即使混凝剂被包裹形成絮体，在微涡流的作用下也容易被破碎，重新形成絮凝能力。
　　
　　微涡流混凝也有利于低浊度水处理，因为即使低浊度水胶体数量少，碰撞凝聚效率下降，而涡流反应器内腔能有效地保持悬浮絮体，立体接触絮凝可高效地去除水中胶体。
　　
　　低温对微涡流混凝也是不利的，只要选用合适的混凝剂，克服低温下混凝剂水解的困难，由于微涡流凝聚和立体接触絮凝效率高，使低温水处理不再困难。
　　
　　微涡流混凝工艺对水量变化的适应性能也很强，因为其混凝的水力条件不是主要依赖于水流的宏观速度，而是依赖涡流的形成。另外，对水量、水质的变化具有缓冲作用，在停水或池水放空期间，絮体不会沉积板结也不会排出池外，这使得微涡流絮凝池可以间歇工作。
　　
　　(4)实施简便
　　
　　微涡流混凝工艺既适于新建水厂，也适于老水厂传统工艺的改造，它对池型及前后序工艺（混合、沉淀）的衔接均无特殊要求。对老水厂改造的施工简便，只要拆除反应池（区）内原有设施并适当分隔和安装涡流反应器支架，反应器直接投入池内即可使用。
　　
　　(5)运行稳定、药耗低
　　
　　微涡流混凝工艺不再有传统澄清池排泥操作的困难，涡流反应器内腔絮体能长期保持，涡流反应区外的絮体泥渣可以全部排除，因而排泥操作可以简化，运行更稳定。
　　
　　由于微涡流造成混凝剂高效扩散，提高了混凝剂利用率，同时，涡流反应器腔内大量絮体活性得到充分利用，这使得微涡流混凝工艺的混凝剂消耗量明显低于传统工艺。
　　
　　(6)长期使用、维护简便
　　
　　涡流反应器即使堵塞，也可能方便地从池中取出进行彻底清洗。
　　
　　总之，这项新技术具有处理效率高、水质好、投资省、制水成本低等特点。此技术的推广应用，可最大限度地挖掘利用现有水资源和供水设施的潜力，利用最小投资取得最大效益。
　　
　　6.微涡旋在水处理中的应用[9]
　　
　　(1)抚顺市东州水厂扩建工程
　　
　　东州水厂设计能力为2万m3/d，原处理工艺流程为：原水→一级泵站→虹吸滤池→清水池→管网。该水厂原水取自大伙房水库，1994年以前水质浊度常年在20NTU以内，因此一直未建滤前处理设施。1995年"七·二九"特大洪水之后，水库水质发生显著变化，该水厂持续几个月出水水质不达标，对此用户反映极为强烈，因此公司决定完善处理工艺，增加反应沉淀工艺。
　　
　　东州净水厂反应沉淀池扩建工程于1996年5月开始施工，7月27日竣工。混合采用管式微涡初级混凝设备，混合时间3s；反应采用小孔眼网格絮凝设备，反应时间为10min；沉淀池采用小间距斜板，上升流速2.5mm/s。7月28日，突降暴雨，原水浊度达500NTU以上，该设备在此情况下开始启动，经2h调试运行以后，沉后水浊度达到3NTU以下，确保了水厂的正常运行。
　　
　　从2年多的运行情况来看，该项技术有以下优点：
　　
　　1)经济效益显著。由于反应时间短，沉淀池上升流速高，大大节省了反应沉淀池面积，从而节省基建投资达30%以上；
　　
　　2)处理水质好，沉后水浊度可稳定在3NTU以下；
　　
　　3)启动方便，抗冲击负荷强，运行操作简单；
　　
　　4)日常运行费用低，由于采用了管式微涡初级混合设备，节省投药量30%左右，同时由于沉后水水质好，节约了反冲洗水量，延长了滤料的更换周期。
　　
　　(2)大庆市中引水厂改造工程
　　
　　大庆中引水厂25万m3/d一期工程采用比较成熟的传统工艺设计，即静态混合器-普通网格反应池-三层侧向流斜板。平时运行效果基本满足水质要求。在低温低浊时处理能力可达20万m3/d左右，但在春季开湖时出现少见的低温高浊水质现象，且pH高达8.9以上。传统处理技术无法处理这种恶劣水质，仅能处理不到12万m3/d的水量，严重影响生产和生活用水。
　　
　　1997年9月始，对原工艺进行了改造：用管式微涡初级混凝设备取代原静态混合器；在孔室反应池中拆除原普通网格，重新计算并布设小孔眼网格；拆除沉淀池中三层侧向流斜板，换以逆向流小间距斜板；为使过渡段布水均匀，采用了"网格过渡段"及"同程同阻尾端集水技术"，实现了短边布水，且省去表面集水槽。
　　
　　改造后，不但使处理能力达到了设计要求，而且明显改善了水质，取得了令人满意的效果。故中引水厂二期25万m3/d新建工程亦已采用这项技术设计施工。
　　
　　7.结语
　　
　　微涡旋混凝技术以亚微观涡旋传质为基础的一种新型的强化混凝技术，具有投资省、占地少，处理效率高、水质好，工期短、见效快，制水成本低、适应广泛等特点，不仅对低温低浊、汛期高浊水处理效果好，同时对其它特殊原水也具有较好的处理效果。
　　
　　微涡流混凝工艺不仅对于新建水厂，对老水厂技术改造也具有优势。但是，微涡流混凝工艺需要通过更多的工程实践来证明其优秀，在设计理论和系列化、标准化方面也有待进一步的完善。
　　
　　参考文献
　　[1]武道吉，王新文，修春海絮凝动力致因分析 山东建筑工程学院学报 2000年3月第15卷第1期
　　[2]袁宗宣，郑怀礼，舒型武絮凝科学与技术的进展 重庆大学学报(自然科学版) 2001年3月第24卷第2期
　　[3]武道吉，谭凤训紊流絮凝动力初探 工业水处理1999 -11,19(6)
　　[4]武道吉 絮凝动力学模型研究 山东建筑工程学院学报 1999
　　[5]王绍文 涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术
　　[6]王琳 王宝贞 饮用水深度处理技术 化学工业出版社 北京2002
　　[7]方永忠，沈顺东 微涡流混凝给水处理新工艺 vol.31 No.5 2004年
　　[8]王绍文 惯性效应在混凝中的动力学作用 中国给水排水 1998 Vol.14 No.2
　　[9]王鹤立，肖树宏，赫俊国，徐立群 常规混凝沉淀给水处理工艺的强化 给水排水 Vol. 25 No. 6 1999