往復式絮凝池

合理地選定和優化混凝工藝，不僅會提高出水水質，還能達到節能、節藥及降低運行費用的目的。往復式隔板絮凝池是依靠水流在廊道間的往返流動，使顆粒碰撞聚集。實際運行資料表明，有些絮凝池在運行過程中絮凝效果不佳，致使後續工藝的出水水質遠低於設計水平。國內外常用的方法是將CFD 模型應用到絮凝過程中，並已經證明CFD對絮凝模擬的實用有效性。通過絮凝動力學的研究，得到了絮凝中重要參數速度梯度值（G值）隨時間的變化規律，並將CFD模型應用到往復式隔板絮凝池的設計過程中，通過流體力學軟件FLUENT的數值模擬，得到了往復式隔板絮凝池內部水流的狀態和內部的流場，並對模擬結果進行了深入的分析，定性分析水流狀態對絮凝處理效果的影響 ^[1]  。

為使水流中的顆粒相互碰撞，就必須使其與水流產生相對運動。水中的顆粒與水流產生相對運動最好的辦法是改變水流的速度。改變速度的方法有兩種：①改變水流速度時造成的慣性效應來進行凝聚；②改變水流方向。在湍流中充滿着大大小小的渦旋。其中大渦旋能夠使流體進一步的摻混，使顆粒均勻擴散於流體中；同時創造大量的小漩渦，並將能量輸出給小渦旋。而小渦旋的作用是促進顆粒的碰撞，提高絮凝效率。微渦旋理論認為：水中微渦旋尺度與礬花顆粒尺度相近時混凝反應最充分。而小渦旋的動力學致因是慣性效應，特別是湍流渦旋的離心慣性效應，由此可見湍流中微小渦旋的離心慣性效應是絮凝的重要動力學致因。

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力學因素。根據絮凝動力學理論得知，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於自身的直徑，才能發生有效碰撞。理論上，攪拌強度越大，速度梯度越大，相互接觸碰撞的機會越多。但攪拌強度大（G值大），水流的剪切力就大，鬆散的絮體受到水流剪切會二次斷開成為小絮體。因此要求攪拌的強度（也就是速度梯度）隨着絮凝的進行而逐漸變小。整個混凝的過程中，G值是遞減的。但是速度梯度遞減規律，國內外的專家還沒有定論。

（1）矩形往復式絮凝池中普遍存在死水區，死水區的存在，不僅容易形成沉積物的堆積，而且嚴重阻礙了水流的運動。特別是在絮凝後期，水流速度逐漸減小時，死水區對水流有越來越大的的負面影響。而圓弧形渠道，幾乎不存在死水區，可以有效的消除死水區帶來的負面影響。且圓弧區的水流速度也比矩形渠道的分佈均勻，有利於節約能耗。

（2）在往復式折板後面能夠形成渦旋，伴隨着顆粒粒徑在增加，渦旋的尺度由小變大，符合絮凝動力學規律；通過比較得出，圓弧形渠道絮凝池的湍流強度變化緩慢，分佈更加均勻合理，不僅能夠滿足絮凝前期較大湍流強度的需要，也能滿足絮凝後期顆粒碰撞的湍流強度，證明圓弧轉彎渠道形比矩形轉彎渠道有更好的絮凝效果。

（3）圓弧形渠道能夠減小渠道轉彎處的速度，減少能耗。而且，圓弧形渠道能夠產生很多複雜的渦旋結構，提高絮凝效率。通過兩個方案中轉彎處X 方向速度的對比證明，圓弧形拐彎往復式絮凝器的速度梯度變化規律更加合理，混凝效果更好。

（4）傳統往復式絮凝池在矩形渠道拐彎處速度方向改變為180°直接轉變，而圓弧形渠道拐彎處的速度方向則是逐漸變化，變化比矩形拐彎渠道平緩的多。而其圓弧形拐彎渠道能夠產生慣性離心力，進而產生各種微渦旋，根據王紹文教授提出的“慣性效應是絮凝的動力學致因”可知，圓弧形渠道能夠提高絮凝效率，即絮凝效率較高 ^[2]  。

（1）通過混凝動力學的研究，得到了混凝動力學中速度梯度與時間的關係G=G（0）/1+Kt；並通過擬合得到往復式絮凝池速度梯度的變化規律近似符合混凝動力學對速度梯度變化的要求；同時參考了往復式絮凝池的最新研究成果—將往復式絮凝池轉彎處的矩形渠道變成圓弧形狀，設計出一種高效的往復式絮凝池。通過數學模擬發現：優化後的往復式絮凝池拐彎處的圓弧形渠道能夠消除傳統往復式絮凝池轉彎處的死水區，而且圓弧形渠道處的水流速度比矩形渠道處的分佈均勻，有利於節約能耗。

（2）優化後的往復式絮凝

池的圓弧形轉彎渠道改變了矩形渠道轉彎處180°速度方向變化帶來的巨大能耗，降低了能耗；同時圓弧形渠道處的水流方向是逐漸變化的，從而產生慣性離心力，進而產生大量微渦旋，提高了絮凝效率 ^[3]  。