【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 凝性質(zhì)很不相同，而其絮凝池的布置卻完全相同的情況。 根據(jù)規(guī)范或設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水力計(jì)算，是目前絮凝池設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的方法。應(yīng)該說它在大多數(shù)場(chǎng)合下是可行的，但并不一定是最優(yōu)的，況且，這些規(guī)定也只規(guī)定一些主要指標(biāo)，至于具體的布置還需由設(shè)計(jì)者確定 ，有些盡管 主要指標(biāo)完全相同，卻可設(shè)計(jì)成很不相同的布置形式，至于它們的效果差異則更難以鑒別。 合理的反應(yīng)速度應(yīng)符合流速漸變 的原則，即反應(yīng)速度由大到小呈直線變化，且反應(yīng)池進(jìn)口流速應(yīng) 大于或者等于 1米／秒。凡符合這二個(gè)條件的所謂 “ 模型絮凝池 ” 則被認(rèn)為是理想的絮凝池布置。 絮凝的目的是使細(xì)小顆粒彼此聚集。除了顆粒具有絮凝能力外，還必須創(chuàng)造顆粒彼此接觸，或者接近 (達(dá)到顆粒吸附的作用范圍以內(nèi) )的機(jī)會(huì)。否則，若保持顆粒間的相對(duì)位置不變，即使顆粒的絮凝性能極為良好，也無法聚集?？梢酝ㄟ^三個(gè)途徑，使顆粒達(dá)到彼此的接觸：水分子的熱力運(yùn)動(dòng)、顆粒的沉速差異和水體的流動(dòng)。 所謂熱力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的顆粒碰撞，是由于水分子進(jìn)行的雜亂而沒有規(guī)則的運(yùn)動(dòng) (布朗運(yùn)動(dòng) )， 不斷撞擊附近的膠體顆粒，使顆粒也進(jìn)行著雜亂而沒有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，從而獲得了顆粒彼此碰撞的機(jī)會(huì)。這種接觸機(jī)會(huì)與溫度有關(guān)，而與液體的流動(dòng)無關(guān)。因而只要保持溫度和時(shí)間的因素相同，熱力運(yùn)動(dòng)造成的碰撞也麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 是相同的。 至于沉速差異產(chǎn)生的顆粒碰撞，往往在沉淀池中有明顯的作用。然而在絮凝池中，由于其顆粒一般尚屬細(xì)小，沉速不大，可以說差異所產(chǎn)生的碰撞作用在絮凝池中，不占統(tǒng)治地位可予忽略。 一般認(rèn)為在絮凝池中，對(duì)顆粒碰撞起主導(dǎo)作用的主要是水體的流動(dòng)，也就是由于水體流動(dòng)所產(chǎn)生的能量損耗而造成的。 一般關(guān)于水體流動(dòng)所產(chǎn)生的碰撞公式 可表示為： J=2GD3N2/3 () 式中： J—— 單位時(shí)間單位體積內(nèi)顆粒接觸的機(jī)會(huì) 。 D—— 顆粒的有效粒徑； 單位 m。 N—— 單位體積內(nèi)的顆粒數(shù) 。 G—— 計(jì)算范圍內(nèi)的絕對(duì)平均速度梯度 ；單位 S1? 。 平均速度梯度值可用下式計(jì)算： G=(W/μ) 0。 5 () 式中： W—— 單位體積單位時(shí)間所消耗的功； 單位 KW。 μ —— 液體的動(dòng)力粘滯系數(shù)。 一般認(rèn)為式 (1)只適用于層流，而大多數(shù)絮凝池的水源均屬紊流。對(duì)于紊流條件下顆粒的碰撞頻率， 有 如下公式： J=12πβd 3n3(ε 0/μ) 0。 5 () 式中： β —— 系數(shù) 。 ε 0—— 有效能量消耗率。 單位 KW。 比較式 ()與式 (），除了系數(shù)差別外，主要是式 ()所用的功為有效能量，而式（ ）則采用計(jì)算的能量，兩者相差一個(gè)效率系數(shù)。而在實(shí) 用上有效能量是難以確定的，仍需用計(jì)算的能量來表示。 眾所周知，液體的切應(yīng)力可由二部分組成，即粘滯阻力及混摻阻力。對(duì)于層流條件，切應(yīng)力純由粘滯阻力產(chǎn)生。對(duì)于紊流條件，則主要由混摻阻力產(chǎn)生 (除邊界層附近外 )。這二種切應(yīng)力的大小都決定于液體的速度梯度。 在速度梯度 G中，所謂消耗的功，也就是指切應(yīng)力所做的功。因?yàn)橹挥星袘?yīng)力所做的功是不可逆的，也就是由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。 通過對(duì)絮凝過程中一些主要現(xiàn)象的分析，包括顆粒的碰撞，因碰撞產(chǎn)生的聚集、絮凝體尺寸的限麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 制以及水流對(duì)絮凝體的剪切，我們得到了可用真實(shí)水樣模擬水質(zhì)特征 以及用 G值模擬水流特征這樣兩個(gè)關(guān)系。 采用 G值來模擬絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用處的，一是可以把真實(shí)絮凝池的研究縮小到在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也就是只要維持實(shí)驗(yàn)條件的 G值與真實(shí)池相同。其結(jié)果也應(yīng)相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比較，也就是即使絮凝池的水流形態(tài)相差甚大，只要其過程的 G值相同， (當(dāng)然還應(yīng)考慮不同絮凝池形式有效能量利用的差別 )效果也應(yīng)相同。 反映時(shí)間與沉速的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn) 作為研究的方法可以是微觀的，也可以是宏觀的。大多理論研究都以微粒作為對(duì)象。由于實(shí)際的原水是由不同顆粒所組成，不僅粒徑呈一定 分布，而且其性質(zhì)也各不相同。對(duì)于水流條件來說，同樣存在一個(gè)斷面內(nèi)的速度梯度各不相同。可能在同一時(shí)刻同一斷面上，既有顆粒的絮凝，又有顆粒的破碎。因此，采用微粒的分析方法，問題要復(fù)雜的多。甚至在很多情況下難以辦到。微觀現(xiàn)象的分析，可以幫助我們對(duì)問題的考慮 (如前節(jié)所作的那樣 )，但試驗(yàn)還應(yīng)以整個(gè)懸濁液在絮凝過程中的平均效果作代表。這樣，我們就不必去分析諸如顆粒大小的組成分布，斷面各點(diǎn)的速度梯度分布以及絮凝顆粒的沉速分布等等。而分別用平均粒徑、平均速度梯度以及平均沉速來表示。 對(duì)于絮凝效果的評(píng)價(jià)，一般可以采用顆粒粒徑 、顆粒沉速以及沉淀后濁度去除率等來表示。無論是顆粒粗徑的加大，沉速的加快以及沉淀后濁度去除率的增加都能反映絮凝效果的提高。在理論研究方面，一般以粒徑為指標(biāo)的居多。許多理論公式都與粒徑有關(guān)。對(duì)于后續(xù)處理的沉淀計(jì)算來說，采用沉速的概念較為有利。因?yàn)槌恋沓卦O(shè)計(jì)希望提供反應(yīng)后的沉速數(shù)據(jù)。然而對(duì)于測(cè)定來說，采用濁度指標(biāo)最為方便。實(shí)際上這三個(gè)指標(biāo)都是相互關(guān)聯(lián)的。沉淀后濁度去除率可以間接地表達(dá)懸濁液的平均沉速。 為了探討方便起見，我們?cè)谘芯吭O(shè)想方案時(shí)，仍以平均沉速作為指標(biāo)；而作為實(shí)驗(yàn)的手段，則以沉淀后濁度去除率為指標(biāo)。 此外，我們還作了一個(gè)假設(shè)，就是由不同方式獲得相同絮凝效果的懸濁液，在其進(jìn)一步作絮凝反應(yīng)時(shí)，應(yīng)獲得同樣的結(jié)果，例如采用 G1值的速度梯度反應(yīng) T1時(shí)間后，得到了懸濁液的平均沉速為 V，而用另一 G2值反應(yīng) T2時(shí)間后也可得到平均沉速為 V，我們就認(rèn)為這二者效果相同，同時(shí)，盡管它們形成的條件各不相同，但在進(jìn)一步絮凝時(shí)，二者應(yīng)該獲得同等的絮凝條件。 根據(jù)以上對(duì)絮凝過程以及基本假設(shè)的分析，我們就可以進(jìn)而討論絮凝池合理設(shè)計(jì)的設(shè)想方案。 如果把單位體積中顆粒所占的比例用 φ 來表示，即： φ=N(π/6)d 3 () 則參照式 ()及式 ()，并假定顆粒的每一次碰撞均產(chǎn)生聚集，那么顆粒濃度的時(shí)間變化率麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 就應(yīng)為： dN/dt=KsN () 式中： Ks取決于 G和 φ ，即 Ks＝ kGφ 。 將式 ()積分，可得： N=N0eKst () 式中： N—— 絮凝時(shí)間為 t時(shí)的顆?？倽舛龋?單位 mol/L。 No—— 絮凝開始時(shí) (t＝ 0)的顆?？倽舛?；單位 mol/L。 假如絮凝過程中密度保持不變，即 φ 固定，則上式可換算成粒徑的變化關(guān)系。即： d=d0eb b=(Kst/3) （ ） 式中： d—— 時(shí)間 t時(shí)的顆粒粒徑 ；單位 m。 do—— 時(shí)間 t＝ 0時(shí)的顆粒粒徑 ；單位 m。 也就是說 ， 如果顆粒的每次碰撞均屬有效，則其粒徑的增長(zhǎng) (或相 應(yīng)沉速的增長(zhǎng) )理論上應(yīng)如圖21 所示的形式。粒徑 (或沉速 )隨時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系增加 ， 其增長(zhǎng)的速率取決于 ks值。即 Ks越大增長(zhǎng)速率越快 ， ks與水流的速度梯度及原水顆粒體積比成正比。因此當(dāng) G值增加?；蛘哳w粒濃度增加時(shí)，粒徑（或沉速）的增長(zhǎng)就迅速。 圖 21 理論曲線圖 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 21所示為理論曲線，然而，根據(jù)一般攪拌試驗(yàn)的結(jié)果，所得圖形與圖 21有很大出入，大致得到象圖 21實(shí)線所示的曲線。也就是說，在維持 G值不變情況下，沉速增長(zhǎng)的速率不一定是隨時(shí)間增加而加速。在開始時(shí)或開始以后較短時(shí)間，沉速增長(zhǎng)形式與理論曲線大 致相似。但以后其增長(zhǎng)率不僅不是逐步增加，相反出現(xiàn)逐步減小，最后趨向于某一極值 Vmax。我們不妨稱 Vmax為某一 G值時(shí)的極限沉速。例如，在作一般反應(yīng)的攪拌試驗(yàn)時(shí)，最初 5～ 10分鐘效果增長(zhǎng)較明顯。然而超過 10 分鐘以后其反應(yīng)效果一般很少有明顯增加。如果不改變攪拌速度，那么即使攪拌 20分鐘或 30分鐘，其結(jié)果往往不會(huì)有什么變化。 產(chǎn)生理論曲線與試驗(yàn)曲線不一致的原因，很容易得到 解釋 。理論曲線假定顆粒的每一次碰撞都產(chǎn)生聚集，實(shí)際上顆粒碰撞時(shí)不僅不一定聚集，而且還可能被破碎。圖 22中陰影部分實(shí)際上代表了碰撞中的無效和破碎 部分。由于 V與絮凝結(jié)果的沉速相比是微小的，故一般可略而不計(jì)。 圖 22 試驗(yàn)曲線圖 但是圖 22的試驗(yàn)曲線是用同一水質(zhì)、同一 G值試驗(yàn)的結(jié)果。如果改變 G值，情況就會(huì)不同。實(shí)際上在進(jìn)行攪拌試驗(yàn)時(shí)，用肉眼也可發(fā)現(xiàn)。在經(jīng)一定時(shí)間攪拌后，停止?jié){板的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于水流的慣性，液體仍在旋轉(zhuǎn)。但 G值顯然逐漸減小，此時(shí)所看到的絮凝體往往明顯地優(yōu)于攪拌時(shí)的絮凝體。其原因也較清楚，由于 G值減小，其極限沉速就相應(yīng)增大，雖然此時(shí)的絮凝時(shí)間尚達(dá)不到相應(yīng)的極限沉速，但顆粒還是向加大的方向發(fā)展。 因此，為了探索合理的絮凝水流條件，就應(yīng)該 對(duì)不同 G值情況下的絮凝分別進(jìn)行試驗(yàn)。圖 23所示麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 為可能獲得的一組試驗(yàn)結(jié)果。 a、 b、 c分別代表低、中、高三種不同的 G值，按照理論曲線 (虛線 )應(yīng)該出現(xiàn) G值越高，增長(zhǎng)越快。但實(shí)際情況在在有所出入。在開始階段無凝應(yīng)該是 G值越高絮凝效果增長(zhǎng)越快。因?yàn)榇藭r(shí)顆粒尚屬細(xì)小。碰撞產(chǎn)生的絮凝作用應(yīng)是主要的。但是當(dāng)顆粒增長(zhǎng)到某一程度后，顆粒聚集受到一定限制，還將受到破碎的影響，也就是逐步趨向于某一極限沉速。由于 G值高的，極限沉速小，而 G值低的，極限沉速大，因而它們的試驗(yàn)曲線必然相交 (如圖 22中的 A點(diǎn)及 B點(diǎn) )；也就是說，當(dāng)用C的 G值反應(yīng) tA時(shí)，與用 b的 G值反應(yīng) tA時(shí)，將獲得同樣的顆粒沉速。同樣，對(duì)用 c的 G值反應(yīng) tB時(shí)，與用 a 的 G 值反應(yīng) tB時(shí)應(yīng)具同等效果。然而當(dāng)絮凝時(shí)間超過交點(diǎn)時(shí)，低的 G 值將可獲得較快的顆粒沉速增長(zhǎng)，高的 G值沉速增長(zhǎng)反而減慢，這也就是絮凝池設(shè)計(jì)中采用改變流速的原因。由圖 23可知，如果不考慮絮凝時(shí)間的長(zhǎng)短，采用低的 G值可以獲得較好的絮凝效果。但是這樣的設(shè)計(jì)顯然也是不合理的。因?yàn)樾跄睾侠碓O(shè)計(jì)的目的就是要求以最短的時(shí)間獲得最好的效果。 圖 23 試驗(yàn)結(jié)果圖 圖 23所示的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)進(jìn)行絮凝池的合理設(shè)計(jì)很為有用，后面將作進(jìn)一步討論。 此外，如前所述，絮凝效果不僅與水流條件 (G值 )有關(guān)，而且也與處理水的性質(zhì)有很大關(guān)系。那么在這樣的試驗(yàn)中，水質(zhì)的差異能否得到反映，這是需要考慮的。 從絮凝角度考慮的水質(zhì)特征，主要應(yīng)包括原水的顆粒濃度，顆粒的絮凝能力以及顆粒的抗剪強(qiáng)度。 顆粒濃度高，粒間的接觸機(jī)會(huì)多，因而就具有較迅速增大顆粒的可能。如果單體顆粒的絮凝能力和麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 抗剪強(qiáng)度都一樣，那么濃度的高低基本上對(duì)其極限沉速值不會(huì)產(chǎn)生很大影響。但如果考慮除水流切應(yīng)力外，顆粒碰撞時(shí)尚有其衡量的作用 ，則可能出現(xiàn)高濃度的極限沉速略小于低濃度的現(xiàn)象。當(dāng)然，對(duì)于濃度高到某一程度 (例如污泥循環(huán)等類型 )，是否尚有其它絮凝作用機(jī)理，尚有待進(jìn)一步探討。因此圖 24a所示的二條曲線大致上反映了其它條件相同時(shí)濃度高低的影響。由圖可見。一般情況下，達(dá)到同一沉速所需的絮凝時(shí)間隨濃度增加而減少。 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 24 反應(yīng)曲線圖 顆粒的絮凝能力在絮凝過程中起著重要作用。例如由于混凝劑選擇不當(dāng)或加注量不足，均可使顆粒缺乏必要的絮凝能力，此時(shí)，即使接觸機(jī)會(huì)很多，然而其聚集效果卻很差。對(duì)這些絮凝能力差的水質(zhì)，其絮凝進(jìn)展必然非常緩慢 ，相應(yīng)的極限沉速也很低。而要達(dá)到極限沉速所需的時(shí)間也很長(zhǎng)，實(shí)際生產(chǎn)中，往往采用不斷調(diào)整混凝劑加注量的辦法，來調(diào)節(jié)絮凝效果，其實(shí)質(zhì)也就是不斷改變顆粒凝絮能力，以滿足絮凝的要求。圖 24b 的曲線代表了絮凝能力的影響。由圖可知，對(duì)絮凝能力弱的處理水，其無效碰撞占有重要比例。 顆粒的抗剪強(qiáng)度取決于原水顆粒性質(zhì)以及絮凝體的組成結(jié)構(gòu)。例如對(duì)于主要由色度組成的原水，由于膠體所帶負(fù)電荷較強(qiáng)，聚集顆粒組成的結(jié)構(gòu)就與一般濁度組成的原水不同。相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度也有所區(qū)別。顆?？辜魪?qiáng)度的大小直接影響著絮凝顆粒的極限沉速，抗剪強(qiáng)度大，允 許的極限沉速也大。圖 24c曲線代表了抗剪強(qiáng)度的影響。由圖可知，如顆粒的絮凝能力相同，則在其開始反應(yīng)階段，抗剪強(qiáng)度的影響不顯著。只有接近其極限沉速時(shí)，將產(chǎn)生明顯的區(qū)別。 麗水學(xué)院 2020 屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 以上只是根據(jù)某些理論以及概念所作的分析。事實(shí)上水質(zhì)條件還要復(fù)雜得多，除了上述這些影響因