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最優(yōu)混凝攪拌條件的研究

混凝操作一般采用先快速攪拌(快速混合)，然后慢速攪拌(絮凝)的水力條件?？焖贁嚢璧哪康氖菫榱耸?label class="lb" onclick="function anonymous(){g('混凝劑');}">混凝劑瞬間、快速、均勻地分散到水中，以避免藥劑分散不均勻，造成局部藥劑濃度過高，影響混凝劑(如：硫酸鋁)自身水解及其與水中膠體(或雜質(zhì)顆粒)的作用。慢速攪拌是為了使快速攪拌時生成的微絮凝體進(jìn)一步成長成粗大、密實(shí)的絮凝體，以實(shí)現(xiàn)固液分離?？焖贁嚢?混合)條件和慢速攪拌(絮凝)條件，現(xiàn)階段設(shè)計和生產(chǎn)中，通常是按某固定值進(jìn)行設(shè)計和控制的，即按某固定G值(攪拌強(qiáng)度)T值(攪拌時間)設(shè)計和控制，而沒有考慮攪拌條件隨投藥量、原水濁度、水溫等的變化而變化。這樣，不僅會使混凝費(fèi)用增加，而且有時還會使混凝效果惡化。本研究試圖通過實(shí)驗(yàn)考察最優(yōu)攪拌條件與投藥量、原水濁度、水溫等的關(guān)系，從而為生產(chǎn)中實(shí)時、最優(yōu)地控制攪拌條件提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法和條件

混凝研究通常是通過燒杯攪拌試驗(yàn)，考察不同混凝條件下的除濁效果。由于該過程經(jīng)過的環(huán)節(jié)太多(快速攪拌、慢速攪拌、沉淀、測濁度)，難免給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來誤差。故本實(shí)驗(yàn)擬采用直接測定絮凝體平均粒徑，以絮凝體平均粒徑為指標(biāo)來研究混凝，因?yàn)榛炷哪康木褪菫榱耸闺s質(zhì)顆粒凝聚變大。絮凝體平均粒徑的檢測使用了絮凝檢測儀，該儀器的檢測值R(無量綱)可以相對地反映絮凝體平均粒徑的大小[1]，而且該值不受水樣檢測部分污染及電子元件漂移的影響，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

混凝實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示?；炷蹫榉叫尾?，有效容積6.8L。攪拌采用型號為DD60-2F型無級調(diào)速攪拌器。用絮凝檢測儀聯(lián)機(jī)在線檢測混凝過程中絮凝體平均粒徑的變化(用檢測值R反映)，記錄儀同時將檢測信號自動記錄。原水用高嶺土和哈爾濱市自來水按標(biāo)準(zhǔn)方法配制而成。混凝劑用精制硫酸鋁，用NaOH和HCl調(diào)整pH值。

圖1混凝實(shí)驗(yàn)裝置的密度

1.2 攪拌強(qiáng)度G值的計算

G值按張洪源等

提出的公式(1)求攪拌器攪拌功率W，然后再由公式(2)求G值[2]。

W=14.35d4.38n2.69ρ00.69μ00.31 (1)

G= (2)

式中：d為攪拌葉片寬度(m)；n為攪拌器轉(zhuǎn)速(r/min)；ρ0為水的密度(1000/9.81kg·s2/m4)；μ0為水的絕對粘度(kg·s/m2)；V為水樣體積(m3)。

混凝實(shí)驗(yàn)裝置中攪拌葉片的尺寸和水樣體積之間的位置關(guān)系滿足公式(1)的要求，不需修正。

1.3 實(shí)驗(yàn)資料的處理方法

絮凝檢測儀對混凝過程中絮凝體平均粒徑變化的檢測結(jié)果，可以由微機(jī)或自動記錄儀在線連續(xù)記錄下來。圖2是絮凝檢測儀對高嶺土懸濁液混凝過程檢測的自動記錄儀記錄的結(jié)果。圖2中，投藥后經(jīng)過一定時間，R值開始快速增大，達(dá)到某一最大值后略有減小并趨于穩(wěn)定。由圖2資料至少可以獲得兩個數(shù)據(jù)：一個是最大的R值(與最大絮凝體平均粒徑對應(yīng))；二是R值最大時的攪拌時間(從加藥算起)。

在研究快速攪拌條件時，由于這時最終成長的絮凝體粒徑很小，快速攪拌條件對混凝的影響難以由絮凝體粒徑反映出來，故這時擬用絮凝體成長到最大(Rm值最大)所需時間t，即最優(yōu)快速攪拌時間作為指標(biāo)進(jìn)行研究。

圖2 混凝過程的檢測

在研究慢速攪拌條件時，由于這時絮凝體粒徑大，故擬以最終成長的最大絮凝體粒徑(用Rm反映)為參數(shù)進(jìn)行研究。并且為了簡便，快速攪拌的G值和時間t采用固定的值，分別為106s-1和300s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最優(yōu)快速攪拌條件

2.1.1 投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間的影響

表1是在快速攪拌G值為106s-1，原水濁度42mg/L，水溫13～14℃，不同投藥量時，用絮凝檢測儀測得的絮凝體平徑粒徑最大時的攪拌時間t(即最優(yōu)快速攪拌時間)(篇幅限制，相應(yīng)的圖形曲線略)。

表1投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間的影響

Al2(SO4)3投量(mg/L)	最優(yōu)快速攪拌時間tm(s)
2	680
6	460
10	310
14	161
18	92

原水濁度42mg/L；快攪G值106s-1；水溫13～14℃；pH=7.2

表1的結(jié)果有明顯的規(guī)律，即隨著投藥量的增大，絮凝體平均粒徑最大時的攪拌時間t顯著減小。實(shí)驗(yàn)中快速攪拌的G值固定為106s-1，由于最優(yōu)快速攪拌時間隨投藥量的增大而減小，所以最佳GT值亦應(yīng)隨投藥量的變化而調(diào)整，才能使快速攪拌條件最優(yōu)。

表1的結(jié)果是由于低投藥量時，懸濁質(zhì)顆粒脫穩(wěn)不充分，導(dǎo)致混凝速度慢、時間長。而隨著投藥量的增大，懸濁質(zhì)顆粒脫穩(wěn)程度增大，顆粒之間凝結(jié)變得容易，使混凝速度加快，混凝時間變短。由此，生產(chǎn)中快速攪拌條件應(yīng)隨投藥量的變化而變化。當(dāng)投藥量較小時，應(yīng)將GT值增大；反之，可以減小GT值。

2.1.2 原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響

表2是在一定的快速攪拌強(qiáng)度(G值為106s-1)、一定投藥量、一定水溫的條件下，原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間影響的測定結(jié)果(圖形略)。共對四組不同投藥量進(jìn)行了研究。

表2的結(jié)果表明，當(dāng)投藥量較大時，隨原水濁度的提高，最佳攪拌時間t略有減小，但變化較?。欢端幜枯^小時，原水濁度對最佳攪拌時間t的影響

很大；另外表2還表明，當(dāng)原水濁度比較低時，最優(yōu)攪拌時間隨投量增大而縮短。由此，生產(chǎn)中當(dāng)投藥量較小時，快速攪拌條件(用GT值反映)最好隨原水濁度的變化適當(dāng)調(diào)整；而對于低濁度原水，增加混凝劑投量，快速攪拌GT值可以減小。

表2 原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響 時間(s)

Al2(SO4)3投量(mg/L)	濁度(mg/L)
3	20	50	100
3	610	504	206	102
6	400	280	220	95
14	170	110	98	91
17	120	100	95	88
快速攪拌G值106s-1；水溫13～14℃；pH=7.2

混凝劑必須與懸濁質(zhì)碰撞才能發(fā)揮其混凝作用。當(dāng)混凝劑投量較小時，原水濁度越大，混凝劑越容易與雜質(zhì)顆粒碰撞產(chǎn)生混凝作用，故其混凝速度快，時間短；相反，原水濁度較小時，混凝劑不易與雜質(zhì)顆粒碰撞凝聚，所以混凝速度慢，時間長。而當(dāng)混凝劑投量增大時，即使原水濁度比較小，混凝劑與雜質(zhì)顆粒也很容易碰撞，再加上加大投藥量，可使膠粒脫穩(wěn)充分，有利于提高混凝速度，縮短混凝時間，即高投藥量時，最優(yōu)快速攪拌時間受原水濁度影響不大。

2.1.3水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響

表3是水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響情況(圖形略)。

表3 水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響 時間(s)

Al2(SO4)3投量(mg/L)	水溫(℃)
2.1	4.8	10.2	14.9	20.3
3	700	650	520	400	270
14	160	140	120	108	96
17	120	110	105	97	90
快速攪拌G值106s-1；原水濁度42mg/L；pH=7.2

由表3可見，當(dāng)投藥量較低時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響很顯著，水溫越高，最優(yōu)快速攪拌時間越短；當(dāng)投藥量較大時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間的影響較??；對低溫水樣的混凝，投藥量增大，可使最優(yōu)快速攪拌時間明顯縮短。這些結(jié)果表明，對低溫水的混凝，通過增加投藥量可以使混凝反應(yīng)更充分；而當(dāng)投藥量較小，水溫較低時，通過延長快速攪拌時間可以保證混凝效果。一方面水溫影響混凝劑本身的水解反應(yīng)速度，溫度越低，水解反應(yīng)速度越慢；另一方面水溫還影響對混凝起關(guān)鍵作用的微渦旋以及水中各種微粒在水中的布朗運(yùn)動，水溫越低，布朗運(yùn)動越慢，越不利于混凝，故而產(chǎn)生了上述的結(jié)果。

2.1.4 快速攪拌G值與最優(yōu)快速攪拌時間t的關(guān)系

表4是快速攪拌G值與最優(yōu)攪拌時間t關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(關(guān)系圖略)。由表4可見，隨著快速攪拌強(qiáng)度G值的增大，最佳攪拌時間tm減小。

表4 G值與最佳快速攪拌時間t的關(guān)系

快速攪拌G值(s-1)	最佳攪拌時間tm(s)
50.8	730
98.2	510
148.8 <	370
199.2	290
原水濁度42mg/L；投藥量14mg/L；水溫13～14℃；pH=7.2

以上結(jié)果與傳統(tǒng)的GT值概念相吻合(理論不贅述)。即在一定的G值范圍內(nèi)，可以以GT值為指標(biāo)控制混凝的攪拌條件。就快速攪拌的條件而言，當(dāng)G值控制在一定范圍時，GT值存在一個最佳值，此時的快速攪拌條件最佳，混凝效果最好，這時G值若增大，t減小；反之，t增大。

2.2 最優(yōu)慢速攪拌G值

2.2.1最優(yōu)慢速攪拌G值

混凝實(shí)驗(yàn)時，快速攪拌(G=106s-1)5min，慢速攪拌20min，考察慢速攪拌的G值對混凝效果的影響。共作了兩組不同投藥量的試驗(yàn)，表5是試驗(yàn)結(jié)果(曲線圖形略)。

表5 最優(yōu)慢速攪拌G值對混凝效果的影響

Al2(SO4)3投量(mg/L)	G (s-1)
3.2	4.8	7.2	10.4	15.2	20.8	35
3	-	-	1.7	2.1	2.63	2.54	1.85
14	0.7	2.5	2.6	2.4	1.8	-	-
原水濁度42mg/L；快速攪拌G值106s-1；快攪時間5min；pH=7.2

表5表明，慢速攪拌存在最佳的G值，并且當(dāng)投藥量較小(如：投量3.0mg/L)時，最佳G值偏大 (15.2～20.8s-1)；當(dāng)投藥量較大(如：14mg/L)，最佳G值偏小(4.8～10.4s-1)。

合適的慢速攪拌強(qiáng)度既能使脫穩(wěn)膠粒之間發(fā)生碰撞，又不致使絮凝體產(chǎn)生破碎，故存在一個最佳的慢速攪拌G值。投藥量比較小時，最佳G值偏大，可能是由于混凝劑投量小時，膠粒脫穩(wěn)不充分，只有提高G值才能保證絮凝充分。

2.2.2最佳慢速攪拌時間

慢速攪拌G值為15.2s-1時，慢速攪拌時間對混凝效果的影響情況如表6所示。由表6的結(jié)果可見，當(dāng)慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果幾乎沒有影響；當(dāng)慢速攪拌時間小于10min時，混凝效果有所變差，這可能是由于攪拌時間小于10min時，脫穩(wěn)膠粒之間攪拌不充分，碰撞機(jī)率小的緣故。

表6 最優(yōu)慢速攪拌時間

慢速攪拌時間 (s)	最大絮體粒徑Rm
5	1.80
10	1.90
15	2.6
20	2.4
30	2.3
50	2.5
原水濁度42mg/L；慢速攪拌G值15.2s-1；水溫13～14℃；pH=7.2

3 結(jié)論

用絮凝檢測儀對混凝過程進(jìn)行在線檢測，考察了最優(yōu)的快速攪拌條件和最優(yōu)的慢速攪拌條件，得到了以下結(jié)果：

1.投藥量對最優(yōu)快速攪拌時間t影響較大，投藥量越大，最優(yōu)快速攪拌時間tm越小。

2.原水濁度對最優(yōu)快速攪拌時間t有影響。當(dāng)投藥量較小時影響較大，這時最優(yōu)快速攪拌時間tm隨濁度增加顯著減??；當(dāng)投藥量較大時，濁度對最優(yōu)快速攪拌時間的影響較小。

3.水溫對最優(yōu)快速攪拌時間tm有影響。當(dāng)投藥量較小時，隨水溫增大，最優(yōu)快速攪拌時間tm明顯減??；當(dāng)投藥量較大時，水溫對最優(yōu)快速攪拌時間t影響較??；水溫較低時，增加投藥量，可使最優(yōu)快速攪拌時間t減小。

4.當(dāng)其它條件一定時，最優(yōu)快速攪拌時間t隨快速攪拌G值增大而減小。

5.慢速攪拌存在一個最佳的攪拌強(qiáng)度G值。當(dāng)投藥量較小時，最佳G值偏大(本研究約15.2～20.8s-1)；當(dāng)投藥量較大時，最佳G值偏小(本研究約為4.8～10.4s-1)。

6.慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果的影響很小。但慢速攪拌時間小于10min時，會影響混凝效果。

根據(jù)以上結(jié)果，生產(chǎn)中快速攪拌的

GT值應(yīng)考慮隨原水濁度、投藥量、水溫等的變化適當(dāng)調(diào)整。最優(yōu)慢速攪拌強(qiáng)度G值應(yīng)考慮投藥量對其影響，并且慢速攪拌時間應(yīng)大于15min