最優(yōu)混凝攪拌條件的研究
于水利（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院）
孫鳳鳴（大慶石油管理局供水公司）
摘 要：通過模型實(shí)驗(yàn)，探討了最優(yōu)混凝攪拌條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：最優(yōu)快速攪拌條件（GT值）與原水濁度、投藥量、水溫等有關(guān)；最優(yōu)慢速攪拌條件（G值）與投藥量等有關(guān)，慢速攪拌時(shí)間（T值）宜大于15min.
關(guān)鍵詞：混凝；快速攪拌；慢速攪拌；給水處理
Research on the optimum coagulation mixing condition of coagulation
YU Shui-li
( Sch.of Municipal &Environ.Engin ,Harbin Institute of Technology)
SUN Feng-ming
( Water Supply Co. , Daqing Oil Administrative Bureau)
Abstract: A model test was conducted in the optimum mixing condition of coagulation. It was found that the optimum flash mixing condition of coagulation(GT)was concerned with turbidity,dose,watertemperate,etc.The optimum low rate mixing(G)was concerned with dose etc.and the low rate mixing time(T)should be above 15min.
Key words: coagulation; flash mixing; low rate mixing; feed water treatment
0．前言
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。快速攪拌的目的是為了使混凝劑瞬間、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(shí)生成的微絮凝體進(jìn)一步長(zhǎng)成粗大、密實(shí)的絮凝體，以實(shí)現(xiàn)固液分離?？焖贁嚢瑁ɑ旌希l件和慢速攪拌（絮凝）條件，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，通常是按某固定值進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制的，即按某固定G值（攪拌強(qiáng)度）T值（攪拌時(shí)間）時(shí)間和控制，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(huì)使混凝費(fèi)用增加，而且有時(shí)還會(huì)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(shí)、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(cè)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(cè)定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(cè)使用了絮凝檢測(cè)儀，該儀器的檢測(cè)值R（無量綱）可以相對(duì)地反映絮凝體平均粒徑的大小[1]，而且該值不受水樣檢測(cè)部分污染及電子元件漂移的影響，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)。
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
混凝實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。混凝槽為方形槽，有效容積6.8L。攪拌采用型號(hào)為DD60－2F型無級(jí)調(diào)速攪拌器。用絮凝檢測(cè)儀聯(lián)機(jī)在線檢測(cè)混凝過程中絮凝體平均粒徑的變化（用檢測(cè)值R反映），記錄儀同時(shí)將檢測(cè)信號(hào)自動(dòng)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?；炷齽┯镁屏蛩徜X，用NaOH和HCl調(diào)整pH值。
1.2 攪拌強(qiáng)度G值的計(jì)算
W=14.35D4.38n2.69ρ00.69μ0.310
G值按張洪源等提出的公式 ⑴ 求攪拌器攪拌功率W，然后再由公式 ⑵ 求G值[2]。
G=(W/μV)0.5
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（1000/9.81kg·s2/m4）；
μ0—為水的絕對(duì)粘度（kg·s/m2）；
V—為水樣體積（m3）。
混凝水樣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 ⑴ 的要求，不需修正。
1.3 水樣資料的處理方法
絮凝檢測(cè)儀對(duì)混凝過程中絮凝體平均粒徑變化的檢測(cè)結(jié)果，可以由微機(jī)或自動(dòng)記錄儀在線連續(xù)記錄下來。圖2是絮凝檢測(cè)儀隨高嶺土懸濁液混凝過程檢測(cè)的自動(dòng)記錄儀記錄的結(jié)果。圖2 中，投藥后經(jīng)過一定時(shí)間，R值開始快速增大，達(dá)到某一最大值后略有減少并趨于穩(wěn)定。由圖2資料至少可以獲得兩個(gè)數(shù)據(jù)：一個(gè)是最大的R值（與最大絮凝體平均粒徑對(duì)應(yīng)）；二是R值最大時(shí)的攪拌時(shí)間（從加藥算起）。
在研究快速攪拌條件時(shí)，由于這時(shí)最終成長(zhǎng)的絮凝體粒徑很小，快速攪拌條件對(duì)混凝的影響難以由絮凝體粒徑反映出來，故這時(shí)擬用絮凝體成長(zhǎng)到最大（R值最大）所需時(shí)間tm，即最優(yōu)快速攪拌時(shí)間作為指標(biāo)進(jìn)行研究。
在研究慢速攪拌條件時(shí)，由于這時(shí)絮凝體粒徑大，故擬以最終成長(zhǎng)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(jiǎn)便，快速攪拌的G值和時(shí)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(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)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(shí)，用絮凝檢測(cè)儀測(cè)得的絮凝體平均粒徑最大時(shí)的攪拌時(shí)間tm(即最優(yōu)快速攪拌時(shí)間)（篇幅限制，相應(yīng)的圖形曲線略）。
表1 投藥量對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響
Al2(SO4)3投量（mg/L）
最優(yōu)快速攪拌時(shí)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(shí)的攪拌時(shí)間tm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(shí)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(shí)，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(shí)間變得短。由此，生產(chǎn)中快速攪拌研究應(yīng)隨投藥量的變化而變化。當(dāng)投藥量較小時(shí)，應(yīng)將GT值增大；反之，可以減小GT值。
2.1.2 原水濁度對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響
表2 時(shí)在一定的快速攪拌強(qiáng)度（G值為106s－1）、一定的投藥量、一定水溫的條件下，原水濁度對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間影響的測(cè)定結(jié)果（圖形略）。共對(duì)四組不同投藥量進(jìn)行了研究。
表2原水濁度對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響 時(shí)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
表2 的結(jié)果表明，當(dāng)投藥量較大時(shí)，隨原水濁度的提高，最佳攪拌時(shí)間tm略有減少，但變化較?。欢端幜枯^小時(shí)，原水濁度對(duì)最佳攪拌時(shí)間tm的影響很大；另外表2 還表明，當(dāng)原水濁度比較低時(shí)，最優(yōu)攪拌時(shí)間隨投量增大而縮短。由此，生產(chǎn)中當(dāng)投藥量較小時(shí)，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(duì)于低濁度原水，增加混凝劑投量，快速攪拌GT值可以減小。
混凝劑必須與懸濁質(zhì)碰撞才能發(fā)揮混凝作用。當(dāng)混凝劑投量較小時(shí)，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(shí)間短；相反，原水濁度較小時(shí)，混凝劑不易與雜質(zhì)顆粒碰撞凝聚，所以混凝速度慢，時(shí)間長(zhǎng)。而當(dāng)混凝劑投量增大時(shí)，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(shí)間，即高投藥量時(shí)，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間受原水濁度影響不大。
2.1.3 水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響
表3是水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響情況（圖形略）。
表3 水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響 時(shí)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
快攪G值106s－1；原水濁度42mg/l；pH =7.2
由表3可見，當(dāng)投藥量降低時(shí)，水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響很顯著，水溫越高，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間越短；當(dāng)投藥量較大時(shí)，水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響較?。粚?duì)低溫水樣的混凝，投藥量增大，可使最優(yōu)快速攪拌時(shí)間明顯縮短。這些結(jié)果表明，對(duì)低溫水的混凝，通過增加投藥量可以使混凝反映更充分；而當(dāng)投藥量較小，水溫降低時(shí)，通過延長(zhǎng)快速攪拌時(shí)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(duì)混凝起關(guān)鍵所用的微渦旋以及水中各種微粒在水中的布朗運(yùn)動(dòng)，水溫越低，布朗運(yùn)動(dòng)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(shí)間tm的關(guān)系
表4 是快速攪拌G值與攪拌時(shí)間tm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(shí)間tm減小。
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(shí)，GT時(shí)存在一個(gè)最佳值，此時(shí)的快速攪拌條件最佳，混凝效果最好，這時(shí)G值若增大，t減??；反之t增大。
表4 G值與最佳快速攪拌時(shí)間tm的關(guān)系
快速攪拌G值（s－1）
最優(yōu)快速攪拌時(shí)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
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(shí)，快速攪拌（G＝106s－1）5min,慢速攪拌20min，考察慢速攪拌的G值對(duì)混凝效果的影響。共作了兩組不同投藥量的實(shí)驗(yàn)，表5時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（曲線圖形略）。
表5 最優(yōu)慢速攪拌G值對(duì)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
1.95
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(shí)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(shí)，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?。?.8～10.4 s－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，又不致時(shí)絮凝體產(chǎn)生破碎，故存在一個(gè)最佳的慢速攪拌G值。投藥量比較小時(shí)，最佳G值偏大，可能時(shí)由于混凝劑投量小時(shí)，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(shí)間
慢速攪拌G值為15.2s－1時(shí)，慢速攪拌時(shí)間對(duì)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(shí)間大于15min以后，慢速攪拌時(shí)間對(duì)混凝效果幾乎沒有影響；當(dāng)慢速攪拌時(shí)間小于10min時(shí)，混凝效果有所變差，這可能是由于攪拌時(shí)間小于10min時(shí)，脫穩(wěn)膠粒之間攪拌不充分，碰撞幾率小的緣故。
表6 最優(yōu)慢速攪拌時(shí)間
慢速攪拌時(shí)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(cè)儀對(duì)混凝過程進(jìn)行在線檢測(cè)，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(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm影響較大，投藥量越大，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm越小。
2．原水濁度對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm有影響。當(dāng)投藥量較小時(shí)影響較大，這時(shí)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm隨濁度增加顯著減小；當(dāng)投藥量較大時(shí)，濁度對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間的影響較小。
3．水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm有影響。當(dāng)投藥量較小時(shí)，隨水溫增大，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm明顯減?。划?dāng)投藥量較大時(shí)，水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm影響較?。凰疁亟档蜁r(shí)，增加投藥量，可使最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm減小。
4．當(dāng)其它條件一定時(shí)，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間tm 隨快速攪拌G值增大而減小。
5．慢速攪拌存在一個(gè)最佳的攪拌強(qiáng)度G值。當(dāng)投藥量較小時(shí)，最佳G值偏大（本研究約15.2～20.8s－1）；當(dāng)投藥量較大時(shí)，最佳G值偏?。ū狙芯考s為4.8～10.4 s－1）。
6．慢速攪拌時(shí)間大于15min以后，慢速攪拌時(shí)間對(duì)混凝效果的影響很小。但慢速攪拌時(shí)間小于10min時(shí)，會(huì)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(duì)其影響，并且慢速攪拌時(shí)間應(yīng)大于15min。
參考文獻(xiàn)
[1] 于水利. 新型光學(xué)絮凝檢測(cè)儀的原理及制造[J]. 傳感器技術(shù)，1997， ⑵ ：22－25
[2] 許保玖. 燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)的發(fā)展[J]. 中國(guó)給水排水，1985， ⑴ ：7－11.
于水利簡(jiǎn)歷
于水利，1962.10生?，F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，市政工程系主任，國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）會(huì)員、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)工業(yè)給水排水委員會(huì)副主任、《工業(yè)用水與廢水》雜志編審委員會(huì)副主任、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)村鎮(zhèn)建設(shè)分會(huì)理事。
長(zhǎng)期從事水環(huán)境科學(xué)與工程的教學(xué)與科研工作?？蒲谐晒@國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明3等獎(jiǎng)1項(xiàng)，建設(shè)部科技進(jìn)步1等獎(jiǎng)1項(xiàng)，黑龍江省科技進(jìn)步2等獎(jiǎng)2項(xiàng)，遼寧省優(yōu)秀圖書1等獎(jiǎng)1項(xiàng)以及“高校青年教師獎(jiǎng)”1項(xiàng)。研究課題曾得到“國(guó)家自然科學(xué)基金”、“黑龍江省杰出青年基金”、“高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師教學(xué)科研獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”、“霍英東教育基金”、“黑龍江省自然科學(xué)基金”以及“中國(guó)地質(zhì)大學(xué)湖北省廢物地質(zhì)處置與環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金”等的資助。出版專著2部，參編給水排水專業(yè)全國(guó)統(tǒng)編教材1部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇。1997年和1998年分別被建設(shè)部和黑龍江省授予“有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”和“優(yōu)秀中青年專家”稱號(hào)。
電 話：0451——2323613（H） 0451——6282101（0）
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此文曾刊載于1999年第6期的《哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)》
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