曹翀 賈曉珊 王曉昌

( 西安冶金建筑學(xué)院)

在文獻(xiàn)〔1〕中筆者通過試驗(yàn)資料分析，提出以GT/ 作為絮凝池的綜合指標(biāo)。當(dāng)原水濁度C o 一定時(shí)，該指標(biāo)可以作為小型絮凝試驗(yàn)結(jié)果推廣放大的依據(jù)。至于濁度，不少研究者早就注意到它對絮凝效果的顯著影響，并提出過一些包含濁度因素的絮凝指標(biāo) 〔2、3〕 。
在我國，地面水源的濁度差異很大，即使同一水源，濁度變化也是很大的。實(shí)際的絮凝試驗(yàn)很有必要考慮濁度的影響，此外，就某種絮凝池而言，也有必要搞清楚它對不同濁度的適用性。因此，在不同原水濁度下絮凝池綜合指標(biāo)應(yīng)取何種形式是一個(gè)值得研究的問題。

一、絮凝效果的測定方法

研究原水濁度對絮凝效果的影響，須先明確測定絮凝效果的方法。測定絮凝效果的方法有兩種:
1.攝影法取經(jīng)一定時(shí)間反應(yīng)的水樣，置于特制的器皿中進(jìn)行攝影，以測得水中絮凝體粒徑分布。根據(jù)絮凝體粒徑分布判定絮凝效果。
2.靜沉法水樣反應(yīng)一定時(shí)間后，靜置沉降，取上清液測定剩余濁度，根據(jù)剩余濁度判定絮凝效果。
攝影法應(yīng)按規(guī)定時(shí)間逐次取樣，其結(jié)果能準(zhǔn)確地反映絮凝體粒度隨反應(yīng)時(shí)間的變化，取得的資料可以直接與絮凝速度基礎(chǔ)式相驗(yàn)證，因而是一種比較科學(xué)的方法。但是，這個(gè)方法須將水樣置入2mm深的淺玻璃皿，顯微攝影(或近拍攝影)后，逐個(gè)量度絮體尺寸。每次所取水樣中絮體個(gè)數(shù)不宜少于200粒 〔4〕 ，如果一個(gè)絮凝過程取8個(gè)水樣，整理資料的工作量就相當(dāng)繁重。所以，此法只能用于專門研究。
靜沉法是國內(nèi)外普遍采用的方法。其依據(jù)是相同的絮體粒度分布必有相同的沉降效果，因而能夠用上清液余濁間接反映絮凝效果。這種方法簡單易行，一般設(shè)備條件和技術(shù)水平均可操作。
然而，由于通過沉淀余濁來測定絮凝效果，某結(jié)果難免受到沉淀過程中某些因素的影響。人們都注意到無論是反應(yīng)以后的絮凝體懸濁液還是未加藥反應(yīng)的原水，在靜沉過程中都有可能發(fā)生重力絮凝(自然絮凝)現(xiàn)象。這種絮凝是由于顆粒粒度不同，沉速不同引起的速度梯度所致，且濃度愈高，重力絮凝作用愈顯著。由此可見，靜沉法測定結(jié)果實(shí)質(zhì)上包含了兩種絮凝過程:反應(yīng)池絮凝和靜沉重力絮凝，測定結(jié)果是二者的綜合效果。因?yàn)闇y定方法本身不可能將這兩種絮凝作用區(qū)分開，所以從嚴(yán)格的研究絮凝過程要求來看，靜沉法是不合用的。但是，考慮到工程實(shí)用性，實(shí)際的反應(yīng)池后總要設(shè)置沉淀池，因而并不一定要求把兩種絮凝作用分開，所以靜沉法仍然是可行的。
有文獻(xiàn)指出，可能發(fā)生重力絮凝的條件是水中固體含量達(dá)到500mg/L 〔4〕 。若僅僅是為了測定固體粒度分布，為避免重力絮凝，可以采取稀釋法。但是，稀釋法對絮凝體這種特殊固體，操作上相當(dāng)困難，不能推廣。故而，采用靜沉法時(shí)，必須考慮重力絮凝因素。

二、原水自然靜沉試驗(yàn)

為了解重力絮凝的作用，首先觀察原水自然靜沉情況。
用高嶺土配制不同濁度的原水，高嶺土粒度分布如表1。平均粒徑為4.51μm，比實(shí)際原水粒度細(xì)(指多數(shù)水源)，關(guān)于這一點(diǎn)后面還要說明。

自然靜沉試驗(yàn)以水溫10℃，沉降20min，水面下5cm深處取水樣，測定剩余濁度C s 。
當(dāng)水溫非10℃時(shí)，可根據(jù)斯托克斯公式按照實(shí)際水溫的粘滯系數(shù)μt修正靜沉?xí)r間Tt

這樣就能保證不同水溫下靜沉效果的共同基準(zhǔn)，即在不同水溫條件測得相當(dāng)10℃水溫的靜沉效果，此為本文規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)靜沉試驗(yàn)條件。
根據(jù)上述試驗(yàn)方法測得不同初濁度C o 時(shí)的靜沉余濁C s ，并以余濁率ξ=C s /C o 作為參數(shù)，將實(shí)測C o 與ξ繪于雙對數(shù)坐標(biāo)上，結(jié)果如圖1。

由圖1看出，當(dāng)原水濁度較低時(shí)，不同原水濁度相應(yīng)的余濁率處于某水平線附近，基本是一個(gè)定值。這一結(jié)果表明，盡管原水濁度不同，水中固體粒子數(shù)量不同同，各粒子直徑有大有小，但各粒的沉降互不影響，因而出現(xiàn)相同的余濁率。一般認(rèn)為粒子互不影響的沉降是自由沉降狀態(tài)。
原水濁度較高時(shí)，余濁出現(xiàn)差異，而且差異程度隨原水濁度增加而加大。這就表明水中粒子在沉降過程中發(fā)生了“絮凝”現(xiàn)象。且當(dāng)C o >250度時(shí)，存在ξ= 的關(guān)系，規(guī)律性相當(dāng)明顯。
本試驗(yàn)所用高嶺土粒度較細(xì)，濁度繼續(xù)增大，靜沉?xí)r已出現(xiàn)渾液面，沉降屬于另一種規(guī)律，不在本文研究范圍之內(nèi)，故未列出這些數(shù)據(jù)。
綜上所述，原水在自然靜沉中呈現(xiàn)較強(qiáng)的規(guī)律性:濁度較低時(shí)，顆粒為自由沉降，余濁率接近某一常數(shù)；濁度較高時(shí)，出現(xiàn)重力絮凝作用，余濁率按 的規(guī)律驟減。這里不妨把具有前一種性質(zhì)的原水叫做低濁度水，而把具有后一種性質(zhì)的原水叫做中濁度水。
由于實(shí)際原水中形成濁度的固體粒度分布各不相同，故而不可能存在普遍意義的低、中濁度水定量界限值和余濁率表達(dá)式。筆者認(rèn)為這個(gè)定量界限值和余濁率的計(jì)算并不是主要的，重要的是原水自然靜沉的這種規(guī)律性，使我們有可能根據(jù)低、中濁度原水的重力絮凝特點(diǎn)，分別建立適用的絮凝綜合指標(biāo)。

三、考慮濁度因素的絮凝綜合指標(biāo)

使用同一原水進(jìn)行絮凝模型試驗(yàn)或絮凝試驗(yàn)時(shí)，可以不考慮濁度因素，余濁率與綜合指標(biāo)有以下關(guān)系 〔1〕

的關(guān)系。
為推求(3)式的具體形式，采用幾何尺寸比為2: :1的一組方形攪拌槽，即文獻(xiàn)〔5〕中的1 # ～3 # 模型(有效容積K分別為96，34，12L)進(jìn)行不同濁度原水的混凝試驗(yàn)，原水同前，混凝劑采用硫酸鋁，投量根據(jù)燒杯攪拌試驗(yàn)確定。

對應(yīng)前面定義的低濁度區(qū)，取原水為25，50，75，100度四種濁度，中濁度區(qū)從250至2000度取八個(gè)濁度，各濁度用兩種攪拌速度分別在三個(gè)攪拌槽中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如按ξ～GT/ 關(guān)系整理得到如圖2形式的曲線(以下簡稱余濁率曲線)。試驗(yàn)取得的余濁率曲線形式相同，下面以圖2的曲線為代表，對該類曲線進(jìn)行分析。
反應(yīng)時(shí)間較短(即GT/ 指標(biāo)較小)時(shí)，余濁率呈直線規(guī)律，反應(yīng)時(shí)間較長(指標(biāo)值較大)時(shí)余濁率也是直線關(guān)系，中間有一個(gè)彎曲段。第一直線段因其反應(yīng)時(shí)間甚短(例如圖2曲線，相當(dāng)T<2min)，余濁率大于0.6，絮凝效果差。第二直線段反應(yīng)時(shí)間長(如大于8min)余濁率基本不再變化，表明絮凝體已達(dá)到成長平衡，繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間不可能提高絮凝效果。研究這兩個(gè)直線段并沒有實(shí)際意義，因而把重點(diǎn)放在中間彎曲段。

將彎曲段數(shù)據(jù)按照不同濁度點(diǎn)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)上，如圖3。由圖3看出，各濁度的數(shù)據(jù)均成較好的直線關(guān)系，表明余濁率曲線彎曲段可用下式表示

式中，logθ(C o )是圖3中各直線的截距，顯然它是C o 的函數(shù)。m是各直線斜率。由數(shù)據(jù)初步整理發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)m值接近-1，故按m=-1整理得各濁度C o 時(shí)的θ(C o )，值列于表2。
θ(C o )值的差異表明了原水濁度對絮凝速度的影響。當(dāng)原水濁度不同時(shí)，絮凝效果不僅與GT/ 有關(guān)，而且取決于C o 的函數(shù)θ(C o )值。為建立C o 對余濁率的關(guān)系，需將圖3結(jié)果作進(jìn)一步整理。


將C o 與θ(C o )點(diǎn)繪于雙對數(shù)坐標(biāo)上，如圖4。圖中低濁區(qū)與中濁區(qū)的C o 與θ(C o )關(guān)系分別接近直線規(guī)律，統(tǒng)計(jì)整理得

再把(6)、(7)式和m=-1代入(5)式得到低、中濁區(qū)余濁率曲線彎曲段表達(dá)式

式中L、M均為常數(shù)。
以上是適合本試驗(yàn)條件的余濁率表達(dá)式。推廣到其它某種原水，只要形成濁度的固體粒度分布及特性相同，其不同濁度之間也應(yīng)存在上述規(guī)律，即可以劃分為低濁區(qū)及中濁區(qū)，兩個(gè)

參數(shù)決定余濁率。當(dāng)然，不同的原水，其濁度分區(qū)及各分區(qū)的L、M值可能不同，但這種共同的規(guī)律性是可以成立的。據(jù)此寫出余濁率的一般表達(dá)式

中濁度原水的絮凝綜合指標(biāo)。

四討論

在GT指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入水流雷諾數(shù)Re 的意義已做過專門討論 〔1〕 ，這里只對絮凝綜合指標(biāo)中的原水濁度C o 進(jìn)行討論。
低濁度原水由于固體粒數(shù)濃度甚低，故而不論是自然靜沉還是絮凝后靜沉，粒子互相碰撞結(jié)合的機(jī)率很小，重力絮凝作用都不明顯，可認(rèn)為靜沉法測得的絮凝效果完全反映了反應(yīng)池的絮凝效果。巴賓科夫的著作 〔2〕 介紹了如下結(jié)論:用水解混凝劑處理水的條件下，可以利用C o GT乘積作為準(zhǔn)數(shù)。丹保則提出以無因次絮凝時(shí)間m值(m～C o GT)作為控制參數(shù) 〔3〕 。這些結(jié)論表明，反應(yīng)池絮凝效果與原水濁度C o 成正比關(guān)系，在這一點(diǎn)上本文結(jié)果與前人的研究結(jié)果是一致的。
中濁度原水時(shí)，靜沉過程中的重力絮凝不能忽視，用靜沉法測得的是反應(yīng)池絮凝和靜沉重力絮凝的綜合效果。絮凝綜合指標(biāo)中C o 方次的升高，顯然是重力絮凝作用所致，也可以說是靜沉法造成的偏差。這種偏差對于研究純絮凝過程當(dāng)然是不能接受的，因?yàn)樗从车牟粏渭兪切跄^程本身的規(guī)律，還包括后繼的靜沉重力絮凝規(guī)律，所以又稱它為絮凝靜沉綜合指標(biāo)。
既然不同尺寸反應(yīng)池絮凝綜合效果(包括靜沉重力絮凝的影響)，在同一濁度區(qū)服從同一綜合指標(biāo)，如(11)式，而該式實(shí)質(zhì)上就是中濁度水絮凝的準(zhǔn)數(shù)方程式，所以中濁度水絮凝靜沉現(xiàn)象存在相似性。前已述及，靜沉重力絮凝本身也存在相應(yīng)的規(guī)律性，故而靜沉法測定的效果能夠間接表明反應(yīng)池絮凝效果。
當(dāng)然，靜沉法不能直接給出中濁度水反應(yīng)池絮凝效果，但作為一種實(shí)用的測定方法是可以為人們所接受的。實(shí)際工程上并不一定需要求出純粹的反應(yīng)池絮凝效果，因?yàn)樗畯S反應(yīng)池后的沉淀池中必然也發(fā)生重力絮凝，所以只要能相對地推測或比較反應(yīng)效果就足夠了。因此，中濁度水的絮凝綜合指標(biāo)是具有實(shí)際意義的。

五、結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果和以上分析可得下列結(jié)論。
1.根據(jù)固體粒子在靜沉過程中重力絮凝影響程度的大小，可將原水進(jìn)行濁度分區(qū)。靜沉過程中重力絮凝作用不明顯，粒子處于自由沉降狀態(tài)的原水可定義為低濁度水。靜沉過程中重力絮凝作用明顯，但未形成界面沉降的原水可定義為中濁度水。
2.考慮原水濁度的影響，適用于低濁度區(qū)

3.同一濁度區(qū)綜合指標(biāo)相同，從而絮凝試驗(yàn)的模擬范圍可以擴(kuò)大。對一定原水，在某濁度下的絮凝試驗(yàn)資料可用來推算該濁度區(qū)范圍內(nèi)任一濁度的工作參數(shù)。
在做不同濁度原水絮凝試驗(yàn)時(shí)，掌握投藥量規(guī)律是十分重要的，否則試驗(yàn)結(jié)果就失去了可比性。限于篇幅，本文略去了這一方面的敘述。

參考文獻(xiàn)

〔1〕 曹翀等，《絮凝池綜合指標(biāo)淺析》，中國給水排水，第3卷，第2期。
〔2〕 E.д.巴賓科夫，《論水的混凝》，郭連起譯，1981年。
〔3〕 丹保憲仁等，《フロツキ工レ—夕—の合理的設(shè)計(jì)》，水道協(xié)會(huì)雜志(日)，第431號。
〔4〕 大山義年，《化學(xué)工學(xué)》Ⅱ，巖波全書254，1964。
〔5〕 曹翀等，《絮凝池相似規(guī)律的探討(二)》，西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào)，1985.3。