水处理技术研究进展

　　摘要：污水处理一直是我国一大热门话题，技术的好坏直接影响我国生活质量水平的提高。在水处理中絮凝技术是关键，絮凝动力学机理能够很好的应用于静态混合器中，有效提高水处理效率。本文介绍了水处理技术基础以及常规工艺，其中静态混合器的选择是水处理中影响水力条件的关键因素，同时综述了国内外静态混合器的研究进展以及应用；最后对水处理研究方法进行分析，数值模拟技术的采用有效提高了实验的效率和质量，对深入探讨絮凝效果、混合状况有较大帮助。
　　关键词：水处理；静态混合器；数值模拟
　　1 概述
　　水不仅是人类生命中必不可少的物质，也是现代化工业不断发展必不可少的条件。我国人均淡水量仍处于供不应求的状态，因此水处理技术成为我国的一大热门话题。水处理的基本常规工艺为混凝→沉淀或澄清→过滤→消毒，这也是饮用水处理技术的主要系统构架。混凝技术的好坏是水处理技术的关键，其包含的絮凝动力学机理应用在广泛使用的静态混合器内，能够有效的提高水处理效率。随着计算机性能的的不断提高，促进了CFD对流体力学中各参数的数值模拟，使得之前无法测量和计算的问题都能够很好的实现。
　　2 水处理技术基础
　　水处理是指采用一定的物理、化学及生物方法，除去水中的悬浮物、胶体物和病原微生物等，以满足生活饮用水水质标准（GB5479-85）[1]。从20世纪初期开始，饮用水的处理就已经形成了基本的常规工艺，即混凝→沉淀或澄清 →过滤→消毒，这组成了饮用水处理技术的主要系统构架[2]。在当今社会，人们对生活质量的不断提高，水处理技术也得到不断的发展与进步，大致可以归为强化常规处理及深度处理技术。强化常规处理是在基本的常规工艺基础上予以加强，为之后的处理工作减轻负担。深度净化处理技术目前较为普遍的有：活性炭吸附，臭氧氧化，光催化氧化，膜分离技术等[3]。根据现有技术和需求展望未来水处理技术有高级氧化技术（TiO2/UV光催化氧化工艺与H2O2/UV处理工艺）、消毒技术（紫外线消毒、膜消毒）、膜分离技术以及电磁离子交换技术等。
　　在水处理常规工艺中，混凝是各项步骤的基础。它是指向水中投加混凝剂，通过快速混合，使药剂均匀分散在污水中，然后混合形成大的可沉淀的絮体矾花。混凝过程可分为为3个阶段：①药剂和水的快速混合；②药剂使胶体颗粒脱稳碰撞形成微粒的过程称为凝聚；③微粒在外力扰动下相互碰撞，聚集而形成的较大絮体的过程称为絮凝。在混凝过程中，絮凝的作用是我们研究水处理的重要环节。目前对絮凝技术的研究一方面侧重开发新型、高效、安全的絮凝剂，好的絮凝剂可以促进絮凝体的生成，并且有效的去除水中的浊度，脱色，降低PH值等等。
　　在水处理中絮凝颗粒粒径的增大是由于絮凝的结果，这种粒径增大的絮凝过程可以分解为两个过程：絮凝颗粒运动接近过程和碰撞粘结过程。絮凝颗粒能否接近接触，取决于絮凝颗粒的相对运动和相互碰撞，是碰撞频率的问题；絮凝颗粒能否碰撞粘结，取决于絮凝颗粒之间短程微观力和流体作用，是碰撞效率的问题。因此，絮凝效果的好坏取决于絮凝颗粒的本身性质及所处流体的水力条件[4]。水力条件是我们可以调节和控制的主要因素。
　　3 混合器的机理及研究
　　3.1 混合器的机理
　　混合是应用于工业生产的普遍操作，无论是简单的溶解还是复杂的多项系统都需要合理的混合操作，这对后续的反应速率、效果起决定性作用。要想设计出混合效果好的混合器，就必须对它的工作机理进行细致的研究和分析。混合装置依其获得所需能量方式的不同可分为两大类，一类是以机械加注能量的机械搅拌式及动态混合器；一类是以消耗自身水头为能源的水力式及静态混合器。由于静态混合器具有很好的混合效果，同时操作成本低，占地面积小，能耗低，结构紧凑和制造安装方便等优点，因而广泛应用于各种化工单元操作过程中，特别适用于粘度较大的流体的混合、传热和传质，在静态混合器不断发展的形式下，它在过程工业中应用越来越广泛，甚至在很多场合有取代传统的搅拌反应器的趋势[5]。
　　3.2 国内外静态混合器研究
　　静态混合器是国外70年代初发展起来的一种新型混合设备。静态混合器就是在管路中放置一系列结构相似，按一定规则排列的静止元件，使用这些元件并借助流体的自身动能，实现流体的不断分割、变形、位移和汇合[6]，达到流体的充分混合，来完成各种工艺操作。它依靠设备的特殊结构和流体的运动，使互不相溶的液体各自分散，彼此混合起来达到良好的混合效果。流体通过静态混合器时，混合元件使物流时而左旋，时而右旋，不断改变流动的方向，不但将中心的液流推向周边，而且将周边的流体推向中心，从而获得良好的径向混合效果[7]，管内无死区亦不发生短路现象。与此同时，在相邻元件连接处的界面上流体亦会发生自旋。这种完善的径向环流混合作用，使流体在管子横截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低，从而获得良好的两相流体的混合效果。它可以在很宽的雷诺数范围内操作。但是对于层流和湍流等不同流动状态，静态混合器的混合机理是不尽相同的。静态混合器的主要优点是流体可以在很宽的雷诺数范围内进行混合，且不需要设计运动部件就可以达到混合的目的。

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