出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1988年第5期第47頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ：1988-5

傅文德；裘本昌
( 中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)院)

　　我國(guó)是高濁度河流眾多的國(guó)家之一。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，黃河中游地區(qū)每年每km 2 被沖去的土壤約為3，700t，為全世界土壤平均侵蝕模數(shù)134t/km 2 年的27.5倍。黃河是典型的高濁度水河流，年輸沙量和平均含沙量均居世界首位；1977年8月初黃河下游出現(xiàn)一次高含沙洪峰，小浪底的最大含沙量達(dá)到898kg/m 3 ，黃河支流某些河段的實(shí)測(cè)最大含沙量達(dá)到1，600kg/m 3 ，亦即泥沙的體積占水體體積60%左右。黃河年輸沙總量16億t。長(zhǎng)江上游高濁度水也較嚴(yán)重；黃河、長(zhǎng)江的總輸沙量占世界十三條大河總沙量的29.3%，其它地區(qū)也有季節(jié)性的高濁度河流。因此，對(duì)高濁度水處理技術(shù)的研究，已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和水資源開(kāi)發(fā)中一項(xiàng)重大研究課題。

一、高濁度水的理論研究

　　本文中高濁度水的含義是“濁度較高的含沙水體中，大于均濃水層的極限粒徑的泥沙，按其粒徑大小，以各自的沉速下沉，而等于和小于極限粒徑的泥沙組成均濃渾水層。此均濃水層中的穩(wěn)定泥沙，其大小不同的泥沙顆粒以相同的沉速組成群體下沉，此群體的沉速就是渾液面沉速”。其含沙量一般為10～30kg/m 3 以上。
　　1.流變特性的研究
　　高濁度水排泥泥漿輸送流變特性與清水是不同的，屬于非牛頓體流體。1922年賓漢提出非牛頓體流體的滯性定律公式:
　　τ=τ o +
　　式中:τ o ——極限(初始)切應(yīng)力；
　　η——?jiǎng)傮w系數(shù)(或滯性系數(shù))；
　　du/dy——流速梯度。
　　所以非牛頓流體又可稱(chēng)為賓漢流體。這種流體在靜止時(shí)具有足夠剛度的三維結(jié)構(gòu)，足以抵抗小于屈服應(yīng)力τ 0 的任何力。因此，在高濁度水河流中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)“槳河”的現(xiàn)象，也就是在一定的能坡作用下，而流速等于“零”。引起這種現(xiàn)象的主要原因，是高濁度水中泥沙達(dá)到一定數(shù)值之后，滯性系數(shù)η增大，從而使切應(yīng)力τ 0 和流速梯度du/dy之間的關(guān)系發(fā)生變化，使切應(yīng)力τ成為極限切應(yīng)力τ 0 ，如果切應(yīng)力τ超過(guò)屈服應(yīng)力τ 0 這種三維結(jié)構(gòu)就分解和清水流體(即牛頓流體)一樣。
許多學(xué)者研究認(rèn)為極限切應(yīng)力，主要受含沙量和泥沙粒徑的影響；即在相同的泥沙組成條件下，含沙量越高越容易形成賓漢流體，但在泥沙組成不同的流體中，組成的泥沙顆粒中細(xì)顆粒越多越容易形成賓漢流體。高濁度水中形成賓漢流體的流變特性，是高濁度水水流中特有的性質(zhì)，它直接影響渾液面沉速和水流的阻力變化規(guī)律。
　　2.自凝作用的研究
　　在高濁度水中，由于泥沙顆粒眾多，顆粒間的碰撞機(jī)率較高，自凝作用尤為一般水體要強(qiáng)烈。在研究中發(fā)現(xiàn)影響顆粒自凝過(guò)程有兩個(gè)主要因素，一是粒徑，粒徑越細(xì)，自凝越強(qiáng)烈；另一是濃度，濃度越高，自凝也越強(qiáng)烈。由此可見(jiàn):在高濁度水中，由于自凝作用，使粗細(xì)不同的泥沙，在沉淀中通過(guò)凝聚成絮凝體而提高沉速。因此，在高濁度水處理技術(shù)研究中，經(jīng)常被由于自凝作用產(chǎn)生的影響所干擾，使某些研究成果得出掩蓋真相的參數(shù)。為了更好的研究高濁度水的沉淀機(jī)理，經(jīng)常采用分散劑處理高濁度水的泥樣，使其消失自凝作用。
　　3.穩(wěn)定泥沙的研究
　　在高濁度水處理技術(shù)中，研究的主要對(duì)象是泥沙組成中的穩(wěn)定泥沙，因?yàn)榉欠€(wěn)定泥沙容易去除。對(duì)穩(wěn)定泥沙的研究，許多論文提出≤0.016～0.031mm的粒徑為穩(wěn)定　　泥沙粒徑的科學(xué)論據(jù)，這些提法在一定的研究范圍中都是合適的。但許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)高濁度水中穩(wěn)定泥沙體積濃度并不是一個(gè)固定數(shù)值，穩(wěn)定泥沙體積濃度隨穩(wěn)定泥沙重量濃度的增高而增大。
　　4.極限粒徑的研究
　　極限粒徑是研究高濁度水沉淀機(jī)理的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值和穩(wěn)定泥沙的體積濃度和重量濃度有關(guān)。極限粒徑指的是組成均濃層的穩(wěn)定泥沙顆粒中的最大粒徑。由于>d 90 的粒徑不易選取正確，故一般取d 90 的粒徑作為極限粒徑的代表值。通過(guò)對(duì)極限粒徑的研究，能掌握高濁度水中的穩(wěn)定泥沙含量。在高濁度水處理技術(shù)中，很多設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)主要是根據(jù)穩(wěn)定泥沙含量決定的。
　　5.渾液面的沉降特征和曲線(xiàn)研究
　　渾液面沉速是泥沙約制沉降的表觀特征，渾液面沉速就是均濃渾水層中穩(wěn)定泥沙的群體沉速，渾液面沉速是高濁度水研究及處理中的一項(xiàng)重要參數(shù)。影響渾液面沉速的主要因素是穩(wěn)定泥沙濃度、水溫、泥沙比重、穩(wěn)定泥沙含量、泥沙粒徑及不均勻系數(shù)等。
　　對(duì)渾液面沉降曲線(xiàn)的研究，很多著作已有詳盡論述，這兒只把沉降曲線(xiàn)形式(見(jiàn)圖1)簡(jiǎn)單介紹如下:由A至B是加速沉降區(qū)段，在沉降開(kāi)始由于泥沙自動(dòng)絮凝過(guò)程進(jìn)行，使渾液面沉速不斷加快，B至C點(diǎn)渾液面沉速保持不變。C點(diǎn)至K點(diǎn)渾液面出現(xiàn)減速后又重復(fù)出現(xiàn)等速階段，因此，把這段曲線(xiàn)稱(chēng)為第二等速沉降階段，K點(diǎn)后沉速迅速轉(zhuǎn)入急驟減速階段，進(jìn)入泥渣濃縮階段。

　　6.泥渣濃縮研究
　　高濁度水的泥渣濃縮是高濁度水凈化技術(shù)中一個(gè)重要參數(shù)。在研究中得出了積泥壓力及泥漿高度是影響泥渣濃縮的兩個(gè)重要因素，并且是兩個(gè)相反方向的因素。前者促使泥漿濃縮，后者則阻礙之。積泥壓力和泥漿高度的計(jì)算公式如下:
　　積泥壓力的計(jì)算公式

　　適宜于處理高濁度水的聚丙烯酰胺，其分子量在200～600萬(wàn)之間，分子量過(guò)低降低混凝效果，分子量過(guò)高增加溶液配置的難度。聚兩烯酰胺分子為線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，其酰胺基團(tuán)從碳主鏈伸出，與泥沙顆粒結(jié)合，產(chǎn)生架橋作用，將原來(lái)分散在水中的泥沙顆粒結(jié)成絮濃度更高的絮凝體，從而提高渾液面沉速，大大縮小所需沉淀池的容積，使凈化高濁度水的技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)中切實(shí)可行。
　　8.普通混凝劑與聚丙烯酰胺比較的研究經(jīng)過(guò)理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明普通混凝劑和聚丙烯酰胺處理高濁度水時(shí)其最大含沙量為:
　　硫酸鋁最大處理含沙量10～20kg/m 3
　　三氯化鐵最大處理含沙量20～30kg/m 3
　　聚丙烯酰胺最大處理含沙量100～150kg/m 3
　　9.水解的聚丙烯酰胺研究
　　水解的聚丙烯酰胺比不水解的聚丙烯酰胺絮凝效果提高2～9倍。最佳水解度為25～31%。攪拌罐中過(guò)高的攪拌強(qiáng)度會(huì)使聚丙烯酰胺的線(xiàn)狀分子鏈斷裂，導(dǎo)致分子量降低，絮凝效果變差。絮凝劑配置濃度為10%。
　　10.投加濃度和分部投藥的研究
　　研究結(jié)果表明，為使藥劑在水中迅速分散，充分混合，投加聚丙烯酰胺絮凝劑最佳濃度值為1～2%。
　　聚丙烯酰胺在處理高濁度水中，分部投藥比一次投藥的絮凝效果為佳，如以渾液面沉速為比較值，則前者為后者的3倍多。所謂分部投藥，就是將投藥量分成兩部份分別加于水中，每加入一部份藥劑后，使與水迅速混合，然后立即加入另一部分藥劑，再與水迅速混合。由于分部投藥，避免了過(guò)高的藥劑濃度與泥沙結(jié)合，造成活性基團(tuán)被封閉的后果，因而達(dá)到了較佳的效果。分部投藥的比例一般先投加60%，然后再投加40%為佳。
　　11.投加劑量的研究
　　影響聚丙烯酰胺的投加劑量的兩個(gè)主要因素為高濁度水的含沙量及泥沙顆粒組成。增加投藥量可提高渾液面沉速，但不能增加等速階段的沉降水深。在運(yùn)行中控制排泥，有助于降低投加劑量。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明聚丙烯酰胺投加劑量精確掌握與控制，是處理高濁度水成敗的重要因素之一。
　　12.排泥濃度的研究
　　投加聚丙烯酰胺處理高濁度水時(shí)，在濃縮時(shí)間為1h，亦即連續(xù)排泥的情況下，排泥濃度一般在380kg/m 3 左右。排泥濃度的高低，隨混凝沉淀和自然沉淀的濃縮時(shí)間長(zhǎng)短而變化；濃縮時(shí)間短，混凝沉淀的泥漿濃度較自然沉淀高；但濃縮時(shí)間長(zhǎng)，混凝沉淀的泥漿濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然沉淀。在生產(chǎn)實(shí)踐中，一般生產(chǎn)構(gòu)筑物濃縮室體積有限，濃縮時(shí)間都較短，所以還是采用混凝沉淀的排泥濃度效果較佳。
　　排泥水率一般隨進(jìn)水含沙量的增加而增高，在無(wú)實(shí)驗(yàn)資料時(shí)可參考(3)式計(jì)算。
　　N=0.26F(3)
　　式中:N——排泥水率%(排泥水量占進(jìn)水量的%)
　　F——進(jìn)水含沙量(kg/m 3 )
　　13.聚丙烯酰胺與泥漿顆粒表面積關(guān)系的研究
　　水中泥沙顆粒表面積是高濁度水混凝中影響聚丙烯酰胺投加量的主要因素，該研究為生產(chǎn)中準(zhǔn)確地確定投加量提供了依據(jù)，深化了理論研究成果。
　　14.最佳絮凝條件的研究
　　在高濁度水處理的聚丙烯酰胺最佳絮凝條件的研究中，探索出影響聚丙烯酰胺的抗剪切能力的主要因素是分子鏈的長(zhǎng)度(與分子量有關(guān))和單位體積內(nèi)分子鏈的數(shù)量(與藥劑濃度有關(guān))。并且得出了一般規(guī)律:臨界抗剪分子量隨剪切速度的增加而減小，隨濃度的增加而增加。
如最佳絮凝條件用最佳GT值來(lái)表示，從研究中得出:沉降開(kāi)始時(shí)，渾液面沉速隨GT值的增加而迅速增加，出現(xiàn)一最大值后，又隨GT 值的增加而減少，最后穩(wěn)定于某一值，不再隨GT值發(fā)生變化。渾液面沉速的最大值與穩(wěn)定值相差很大。當(dāng)原水含沙量為100kg/m 3 時(shí)，采用較低的攪拌速度，最大值比穩(wěn)定值高2～5倍，對(duì)在設(shè)計(jì)中保證最佳絮凝條件的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)意義是很大的。良好絮凝效果的最佳GT值，一般在2000左右。
　　15.斜板技術(shù)的研究
　　斜板技術(shù)用于高濁度水處理，已有許多大專(zhuān)院校、科研、設(shè)計(jì)單位進(jìn)行理論與半生產(chǎn)性研究，取得一定的效果，初步確定了上向流與平向流斜板處理高濁度水的有關(guān)工藝參數(shù)，并從理論上加以探討后，得出若干經(jīng)驗(yàn)公式與半理論公式，為生產(chǎn)上應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)。
　　16.泥漿輸送的研究
　　在高濁度水的處理技術(shù)研究中，為妥善解決排泥問(wèn)題，泥漿輸送是一個(gè)重要課題。
　　高濁度水處理后的排泥，一般通過(guò)輸泥管道排除，其濃度一般為300～600kg/m 3 。排泥管道的阻力損失，主要是水流阻力和內(nèi)摩擦力。研究中得出管中輸送的排泥泥漿濃度的流變特性，均屬賓漢流體范疇。不同濃度沉淀泥漿體的剛度系數(shù)及屈服應(yīng)力值見(jiàn)下表。

　　研究中還發(fā)現(xiàn)投加聚丙烯酰胺的泥漿在管道輸送中，與不投加聚丙烯酰胺的泥漿相比，在層流狀態(tài)下為增阻，但在紊流狀態(tài)下則為減阻，其數(shù)值可減少15%左右。原因是投加聚丙烯酰胺后，改變了紊流中動(dòng)能和動(dòng)量的傳遞，遏制了橫向脈動(dòng)流速，減少系流旋渦的阻力，最終導(dǎo)致紊流動(dòng)能的減少。

二、應(yīng)用技術(shù)

　　高濁度水處理應(yīng)用技術(shù)，目前水平主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面:
　　1.在總結(jié)我國(guó)三十余年處理高濁度水設(shè)計(jì)、科研、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用了七年時(shí)間，編出國(guó)內(nèi)外第一部《高濁度水給水規(guī)范》，它反映了我國(guó)凈化高濁度水給水技術(shù)的特色和水平。
　　2.編寫(xiě)了有實(shí)用價(jià)值的處理高濁度水的設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)今后的凈化高濁度水的水廠設(shè)計(jì)和研究有指導(dǎo)意義。
　　3.高濁度水的取水口位置選擇，是工程設(shè)計(jì)中首要解決的重要問(wèn)題。現(xiàn)已摸索出在穩(wěn)定河段取水、不穩(wěn)定河段取水、游蕩型河段取水的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和各種取水構(gòu)筑物的適用條件，為高濁度水工程取水口的設(shè)計(jì)提供了重要經(jīng)驗(yàn)。
　　4.基本掌握處理高濁度水技術(shù)中各環(huán)節(jié)的要點(diǎn)，對(duì)高濁度水的定義統(tǒng)一了看法，確定了一級(jí)處理流程和二級(jí)處理流程的選擇原則，為保證供水安全可靠，提供了有效的數(shù)據(jù)。
　　5.總結(jié)了黃河上中下游不同河段取水口與凈化工藝，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用黃河水資源提供了初步的經(jīng)驗(yàn)。
　　6.基本掌握處理高濁度水的各種藥劑的最大含沙量值，總結(jié)了聚丙烯酰胺的最佳配置濃度和投加濃度，配置藥劑的攪拌罐已有一套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖，聚丙烯酰胺產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)目前正在編制。
　　7.對(duì)高濁度水處理中排泥方法和泥渣出路問(wèn)題的重要性，有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。處理構(gòu)筑物內(nèi)泥渣的濃縮與排除，以及排出泥渣的合理利用，是保證凈化工藝正常運(yùn)行的關(guān)鍵。如以黃河中下游一座出水量為10萬(wàn)m 3 /d的水廠為例，當(dāng)凈化100kg/m 3 的含量的高濁度水時(shí)，每天需排出含水率為26%的干泥13500 t。如根據(jù)黃河平均年的含沙量計(jì)算，該水廠的每年總泥量(26%的含水率)高達(dá)100萬(wàn)t，如不妥善解決，就會(huì)影響凈水工藝的正常運(yùn)行。
　　8.初步總結(jié)出高濁度水處理構(gòu)筑物的特點(diǎn)是，應(yīng)具有快速混合聚丙烯酰胺絮凝劑和使進(jìn)水泥渣兩次分離的構(gòu)造要求，還應(yīng)有足夠的泥渣濃縮面積和容積，適于安裝排泥機(jī)械，排泥系統(tǒng)暢通等。如果用作一級(jí)處理構(gòu)筑物的池型，還應(yīng)有處理低溫、低濁度水的要求:如良好的反應(yīng)條件和回流活性泥渣等。另在池體的構(gòu)造方面，應(yīng)避免泥渣易于沉積而不易排除的角落和引起泥沙淤堵的小縫隙和小孔眼等設(shè)施。處理高濁度水的新型構(gòu)筑物有XB——1型、XB——2型水旋澄清池、水力——水旋型斜管綜合池、新型豎流式沉淀池等。
　　9.新理論指導(dǎo)的輻流式沉淀池
　　輻流式沉淀池是我國(guó)處理高濁度水的傳統(tǒng)池型。隨著理論研究的深入和發(fā)展，對(duì)輻流式沉淀池沉淀機(jī)理的研究有了根本性的改變。輻流池原先的計(jì)算理論和計(jì)算公式是根據(jù)單一顆粒自由沉降的機(jī)理推導(dǎo)，現(xiàn)在是根據(jù)群體沉降理論來(lái)推導(dǎo)計(jì)算公式。用新理論計(jì)算的輻流池，無(wú)論從理論上還是生產(chǎn)實(shí)踐上都有了較大的進(jìn)展。
　　10.對(duì)長(zhǎng)江上游多沙型的高濁度水處理，已掌握了初步規(guī)律和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在長(zhǎng)江上游根據(jù)其組成的泥沙濃度中沙量大于泥量的特點(diǎn)，設(shè)置沉砂池設(shè)施，預(yù)沉粗顆粒砂粒后，再進(jìn)入沉淀(澄清)設(shè)備，有較佳的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效果。
　　11.高濁度水處理流程自動(dòng)化
高濁度水處理流程自動(dòng)化，已在蘭州市自來(lái)水公司等單位實(shí)現(xiàn)。為了提高水廠運(yùn)行可靠性，保證水質(zhì)，消除渾水季節(jié)緊張情況、降低產(chǎn)水成本，已實(shí)現(xiàn)投藥、排泥、輻流池運(yùn)行的自動(dòng)化管理，取得了預(yù)期的效果。