姜應和 　陳昱
武漢理工大學土木工程與建筑學院 430070

　　提 要：采用篩分粘土配制水樣進行氣動反應模型試驗。結果表明，氣動絮凝反應具有良好的促進絮凝的效果；曝氣強度宜控制在0.05～0.015m³空氣/m³水.min；氣泡粒徑越小，反應效果越好。

　　在水處理工藝中，為了使微小脫穩顆粒相互碰撞，形成肉眼可見的顆粒大且較為密實的絮凝體，常需設置絮凝反應池。根據提供攪拌的動力形式，國內外常見的反應池可分為水力絮凝池和機械絮凝池兩大類。前者土建結構較為復雜，且不能適應流量的變化；后者雖然能適應流量的變化，但其維修工作量較大。為了尋求其它動力形式的絮凝池，筆者提出氣動絮凝反應池，即向水中鼓入一定粒徑的空氣泡，利用氣泡在上升過程中所產生的摩擦力以及密度差所形成的水流動力，作為絮凝反應的攪拌動力。課題組首先進行了模型試驗，以探索氣動絮凝反應的可行性。

1.氣動絮凝反應模型設計

　　在氣動反應模型試驗中所設計的試驗裝置如圖1所示。

　　在模型試驗系統中，所有管道、閥門材料均為ABS工程塑料；反應沉淀筒為有機玻璃筒，尺寸為D×H=150×2000 mm；曝氣頭分別采用φ3、φ4mm的穿孔曝氣管和微孔曝氣頭。

2.氣動反應水樣的配制

　　原水水質對絮凝反應有重要影響，為了考察不同曝氣量、不同投藥量條件下的反應沉淀效果，需要保持相同的試驗原水水質。試驗水樣采用篩分后的粘土配制。
　　粘土制備：在先期氣動反應模型試驗階段，采用40目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑<0.6mm。在后續氣動反應模型試驗階段，采用160目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑<0.098mm。
　　試驗水樣配制：稱取一定量的篩分后的粘土，投入水中，攪拌均勻，配成一定重量濃度的水樣。
　　由于篩分后的粘土顆粒分布較均勻，所配制的水樣濁度與粘土重量濃度具有良好的相關性。若粘土配置水樣的重量濃度相等，則粒徑越小，顆粒數量越多，在水中對光的散射作用越強，相應的濁度就越高。此外濁度還與配制粘土水樣時的混合攪拌強度、時間有關，強度越大、時間越長，則濁度越高。

3. 模型試驗

3.1 主要材料
　　試驗水樣：采用40目或160目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑分別為 d<0.6mm或d<0.098mm的顆粒。
　　混凝劑：采用聚合氯化鋁（PAC），Al2O3>37%，一級品。
3.2 試驗方法
　　在反應沉淀筒內配制含一定重量粘土的水樣，并向該筒內投加一定量的PAC，曝氣裝置分別采用孔徑為3mm、4mm穿孔管和曝氣頭，大氣量曝氣混合，小氣量曝氣反應。反應氣量按反應時間分三級逐級減少。反應結束后，在模型裝置內靜止沉淀，測定水中剩余濁度，計算濁度去除率。依此方法進行一系列試驗，通過調整曝氣量，改變曝氣裝置的形式，判斷氣動絮凝反應的效果，確定滿足反應效果的曝氣量范圍和較佳的曝氣裝置形式。水中剩余濁度近似以模型裝置上第3個取樣口的取樣測定數據表示。
3.3 試驗結果
　　（1）以d<0.6mm的粘土配制水樣進行試驗，其結果見表1。
　　（2）以d<0.098mm的粘土配制水樣進行試驗，其結果見表2。

表1 粗顆粒配制水樣曝氣絮凝反應模型試驗數據表 試驗序號 1 2 3 4 5 6 粘土溶液重量濃度mg/L 1000 原水濁度（NTU） 68 52.5 57 56 61 54 PAC投加量 （mg/L） — 5.0 曝氣裝置類型 穿孔管，8×φ3 4×φ3 2×φ4 混合時曝氣量 （m³/h） — 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2 混合時間 （s） — 60 60 60 60 60 反應時曝氣量 （m³/h） 第1級 — 0.5 0.4 0.3 0.15 0.15 第2級 — 0.35 0.3 0.2 0.1 0.10 第3級 — 0.25 0.2 0.15 0.05 0.05 各級反應時間 （min） 第1級 — 2.5 2.5 2.5 1.5 1.5 第2級 — 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 第3級 — 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 沉淀一定時間后剩余濁度 （NTU） 15min 51 8.8 8.0 7.5 5.7 10.5 30min 30 5.5 5.8 5.9 / 7.4 濁度去除率（%） 55.88 89.52 89.92 89.46 90.65 86.30

表2 細顆粒配制水樣曝氣絮凝反應模型試驗數據表 試驗序號 7 8 9 10 11 12 粘土溶液重量濃度mg/L 1000 1000 / / / / 試驗水樣條件 配制原液 配制原液靜沉后上清液兌制^* 原水濁度（NTU） 169 173 62 55 63 66 PAC投加量（mg/L） — 15.0 5 10 15 20 曝氣裝置類型 微孔曝氣頭 混合時曝氣量 （m³/h） — 1.2 混合時間（s） — 60 反應時曝氣量（m³/h） 第1級 — 0.04 第2級 — 0.03 第3級 — 0.02 各級反應時間（min） 第1級 — 1.0 第2級 — 2.0 第3級 — 3.0 沉淀一定時間后剩余濁度（NTU） 15min 122 32.3 37.1 29.8 22.3 12.3 30min 95 12.0 26.6 18.4 12.9 7.7 濁度去除率（%） 43.79 93.06 57.1 66.55 79.52 88.33

*將200g粘土（未篩分）投入50L水中，充分攪拌均勻后，靜止沉淀45min，取其上清液（約20L），加到模型裝置內，再加清水至設計水位。

3.4 試驗結論
　　（1）采用氣動絮凝反應具有良好的促進絮凝的效果。
　　（2）從表3可知，氣動反應曝氣強度選用范圍較廣，從經濟角度出發，氣動絮凝反應的曝氣強度z曝氣強度宜控制在0.05～0.015m³空氣/m³水.min。

表3 氣動反應曝氣強度計算表 曝氣量組合 各級
曝氣量 各級

曝氣時間 各級反應耗氣量 單位面積反應曝氣強度 單位體積單位時間耗氣量 L/h Min L L/m².min m³空氣/m³水.min 1 500 2.5 20.83 471.81 0.21 350 2.0 11.67 330.27 250 2.0 8.33 235.90 2 400 2.5 16.67 377.45 0.17 300 2.0 10.00 283.09 200 2.0 6.67 188.72 3 300 2.5 12.50 283.09 0.125 200 2.0 6.67 188.72 150 2.0 5.00 141.54 4 150 1.5 3.75 141.54 0.05 100 1.5 2.50 94.36 50 3.0 2.50 47.18 5 40 1.0 0.67 37.74 0.015 30 2.0 1.00 28.31 20 3.0 1.00 18.87

注：反應沉淀筒內水樣體積為30L。

　　（3）試驗中發現，采用微孔曝氣頭時，反應效果好于穿孔管；就穿孔管而言，孔徑越大，反應效果越差。因此，氣泡粒徑越小，反應效果越好。
　　（4）對于膠體含量大、粘土顆粒細小的水樣，可以通過增加絮凝劑投加量，投加助凝劑的方法提高濁度去除率。
　　（5）氣動反應模型試驗結果已成功應用于城市污水一級強化生產性試驗中，目前該課題已基本完成，進入鑒定準備階段。

參考文獻（略）