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最优混凝搅拌条件的研究
混凝操作一般采用先快速搅拌(快速混合)，然后慢速搅拌(絮凝)的水力条件。快速搅拌的目的是为了使混凝剂瞬间、快速、均匀地分散到水中，以避免药剂分散不均匀，造成局部药剂浓度过高，影响混凝剂(如：硫酸铝)自身水解及其与水中胶体(或杂质颗粒)的作用。慢速搅拌是为了使快速搅拌时生成的微絮凝体进一步成长成粗大、密实的絮凝体，以实现固液分离。快速搅拌(混合)条件和慢速搅拌(絮凝)条件，现阶段设计和生产中，通常是按某固定值进行设计和控制的，即按某固定G值(搅拌强度)T值(搅拌时间)设计和控制，而没有考虑搅拌条件随投药量、原水浊度、水温等的变化而变化。这样，不仅会使混凝费用增加，而且有时还会使混凝效果恶化。本研究试图通过实验考察最优搅拌条件与投药量、原水浊度、水温等的关系，从而为生产中实时、最优地控制搅拌条件提供依据。 1 实验方法和条件
混凝研究通常是通过烧杯搅拌试验，考察不同混凝条件下的除浊效果。由于该过程经过的环节太多(快速搅拌、慢速搅拌、沉淀、测浊度)，难免给实验结果带来误差。故本实验拟采用直接测定絮凝体平均粒径，以絮凝体平均粒径为指标来研究混凝，因为混凝的目的就是为了使杂质颗粒凝聚变大。絮凝体平均粒径的检测使用了絮凝检测仪，该仪器的检测值R(无量纲)可以相对地反映絮凝体平均粒径的大小[1]，而且该值不受水样检测部分污染及电子元件漂移的影响，并且还可以实现在线连续检测。
1.1 实验装置
混凝实验装置如图1所示。混凝槽为方形槽，有效容积6.8L。搅拌采用型号为DD60-2F型无级调速搅拌器。用絮凝检测仪联机在线检测混凝过程中絮凝体平均粒径的变化(用检测值R反映)，记录仪同时将检测信号自动记录。原水用高岭土和哈尔滨市自来水按标准方法配制而成。混凝剂用精制硫酸铝，用NaOH和HCl调整pH值。
图1混凝实验装置的密度
1.2 搅拌强度G值的计算
G值按张洪源等提出的公式(1)求搅拌器搅拌功率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为搅拌叶片宽度(m)；n为搅拌器转速(r/min)；ρ0为水的密度(1000/9.81kg·s2/m4)；μ0为水的绝对粘度(kg·s/m2)；V为水样体积(m3)。
混凝实验装置中搅拌叶片的尺寸和水样体积之间的位置关系满足公式(1)的要求，不需修正。
1.3 实验资料的处理方法
絮凝检测仪对混凝过程中絮凝体平均粒径变化的检测结果，可以由微机或自动记录仪在线连续记录下来。图2是絮凝检测仪对高岭土悬浊液混凝过程检测的自动记录仪记录的结果。图2中，投药后经过一定时间，R值开始快速增大，达到某一最大值后略有减小并趋于稳定。由图2资料至少可以获得两个数据：一个是最大的R值(与最大絮凝体平均粒径对应)；二是R值最大时的搅拌时间(从加药算起)。
在研究快速搅拌条件时，由于这时最终成长的絮凝体粒径很小，快速搅拌条件对混凝的影响难以由絮凝体粒径反映出来，故这时拟用絮凝体成长到最大(Rm值最大)所需时间t，即最优快速搅拌时间作为指标进行研究。
图2 混凝过程的检测
在研究慢速搅拌条件时，由于这时絮凝体粒径大，故拟以最终成长的最大絮凝体粒径(用Rm反映)为参数进行研究。并且为了简便，快速搅拌的G值和时间t采用固定的值，分别为106s-1和300s。
2 实验结果及分析
2.1 最优快速搅拌条件
2.1.1 投药量对最优快速搅拌时间的影响
表1是在快速搅拌G值为106s-1，原水浊度42mg/L，水温13～14℃，不同投药量时，用絮凝检测仪测得的絮凝体平径粒径最大时的搅拌时间t(即最优快速搅拌时间)(篇幅限制，相应的图形曲线略)。
表1投药量对最优快速搅拌时间的影响
| Al2(SO4)3投量(mg/L)
| 最优快速搅拌时间tm(s)
| | 2
| 680
| | 6
| 460
| | 10
| 310
| | 14
| 161
| | 18
| 92
|
原水浊度42mg/L；快搅G值106s-1；水温13～14℃；pH=7.2
表1的结果有明显的规律，即随着投药量的增大，絮凝体平均粒径最大时的搅拌时间t显著减小。实验中快速搅拌的G值固定为106s-1，由于最优快速搅拌时间随投药量的增大而减小，所以最佳GT值亦应随投药量的变化而调整，才能使快速搅拌条件最优。
表1的结果是由于低投药量时，悬浊质颗粒脱稳不充分，导致混凝速度慢、时间长。而随着投药量的增大，悬浊质颗粒脱稳程度增大，颗粒之间凝结变得容易，使混凝速度加快，混凝时间变短。由此，生产中快速搅拌条件应随投药量的变化而变化。当投药量较小时，应将GT值增大；反之，可以减小GT值。
2.1.2 原水浊度对最优快速搅拌时间的影响
表2是在一定的快速搅拌强度(G值为106s-1)、一定投药量、一定水温的条件下，原水浊度对最优快速搅拌时间影响的测定结果(图形略)。共对四组不同投药量进行了研究。
表2的结果表明，当投药量较大时，随原水浊度的提高，最佳搅拌时间t略有减小，但变化较小；而投药量较小时，原水浊度对最佳搅拌时间t的影响很大；另外表2还表明，当原水浊度比较低时，最优搅拌时间随投量增大而缩短。由此，生产中当投药量较小时，快速搅拌条件(用GT值反映)最好随原水浊度的变化适当调整；而对于低浊度原水，增加混凝剂投量，快速搅拌GT值可以减小。
表2 原水浊度对最优快速搅拌时间的影响 时间(s)
| Al2(SO4)3投量(mg/L)
| 浊度(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
| | 快速搅拌G值106s-1；水温13～14℃；pH=7.2
|
混凝剂必须与悬浊质碰撞才能发挥其混凝作用。当混凝剂投量较小时，原水浊度越大，混凝剂越容易与杂质颗粒碰撞产生混凝作用，故其混凝速度快，时间短；相反，原水浊度较小时，混凝剂不易与杂质颗粒碰撞凝聚，所以混凝速度慢，时间长。而当混凝剂投量增大时，即使原水浊度比较小，混凝剂与杂质颗粒也很容易碰撞，再加上加大投药量，可使胶粒脱稳充分，有利于提高混凝速度，缩短混凝时间，即高投药量时，最优快速搅拌时间受原水浊度影响不大。
2.1.3水温对最优快速搅拌时间的影响
表3是水温对最优快速搅拌时间的影响情况(图形略)。
表3 水温对最优快速搅拌时间的影响 时间(s)
| Al2(SO4)3投量(mg/L)
| 水温(℃)
| | 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
| | 快速搅拌G值106s-1；原水浊度42mg/L；pH=7.2
|
由表3可见，当投药量较低时，水温对最优快速搅拌时间的影响很显著，水温越高，最优快速搅拌时间越短；当投药量较大时，水温对最优快速搅拌时间的影响较小；对低温水样的混凝，投药量增大，可使最优快速搅拌时间明显缩短。这些结果表明，对低温水的混凝，通过增加投药量可以使混凝反应更充分；而当投药量较小，水温较低时，通过延长快速搅拌时间可以保证混凝效果。一方面水温影响混凝剂本身的水解反应速度，温度越低，水解反应速度越慢；另一方面水温还影响对混凝起关键作用的微涡旋以及水中各种微粒在水中的布朗运动，水温越低，布朗运动越慢，越不利于混凝，故而产生了上述的结果。
2.1.4 快速搅拌G值与最优快速搅拌时间t的关系
表4是快速搅拌G值与最优搅拌时间t关系的实验结果(关系图略)。由表4可见，随着快速搅拌强度G值的增大，最佳搅拌时间tm减小。
表4 G值与最佳快速搅拌时间t的关系
| 快速搅拌G值(s-1)
| 最佳搅拌时间tm(s)
| | 50.8
| 730
| | 98.2
| 510
| | 148.8
| 370
| | 199.2
| 290
| | 原水浊度42mg/L；投药量14mg/L；水温13～14℃；pH=7.2
|
以上结果与传统的GT值概念相吻合(理论不赘述)。即在一定的G值范围内，可以以GT值为指标控制混凝的搅拌条件。就快速搅拌的条件而言，当G值控制在一定范围时，GT值存在一个最佳值，此时的快速搅拌条件最佳，混凝效果最好，这时G值若增大，t减小；反之，t增大。
2.2 最优慢速搅拌G值
2.2.1最优慢速搅拌G值
混凝实验时，快速搅拌(G=106s-1)5min，慢速搅拌20min，考察慢速搅拌的G值对混凝效果的影响。共作了两组不同投药量的试验，表5是试验结果(曲线图形略)。
表5 最优慢速搅拌G值对混凝效果的影响
| 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
| -
| -
| | 原水浊度42mg/L；快速搅拌G值106s-1；快搅时间5min；pH=7.2
|
表5表明，慢速搅拌存在最佳的G值，并且当投药量较小(如：投量3.0mg/L)时，最佳G值偏大 (15.2～20.8s-1)；当投药量较大(如：14mg/L)，最佳G值偏小(4.8～10.4s-1)。
合适的慢速搅拌强度既能使脱稳胶粒之间发生碰撞，又不致使絮凝体产生破碎，故存在一个最佳的慢速搅拌G值。投药量比较小时，最佳G值偏大，可能是由于混凝剂投量小时，胶粒脱稳不充分，只有提高G值才能保证絮凝充分。
2.2.2最佳慢速搅拌时间
慢速搅拌G值为15.2s-1时，慢速搅拌时间对混凝效果的影响情况如表6所示。由表6的结果可见，当慢速搅拌时间大于15min以后，慢速搅拌时间对混凝效果几乎没有影响；当慢速搅拌时间小于10min时，混凝效果有所变差，这可能是由于搅拌时间小于10min时，脱稳胶粒之间搅拌不充分，碰撞机率小的缘故。
表6 最优慢速搅拌时间
| 慢速搅拌时间 (s)
| 最大絮体粒径Rm
| | 5
| 1.80
| | 10
| 1.90
| | 15
| 2.6
| | 20
| 2.4
| | 30
| 2.3
| | 50
| 2.5
| | 原水浊度42mg/L；慢速搅拌G值15.2s-1；水温13～14℃；pH=7.2
|
3 结论
用絮凝检测仪对混凝过程进行在线检测，考察了最优的快速搅拌条件和最优的慢速搅拌条件，得到了以下结果：
1.投药量对最优快速搅拌时间t影响较大，投药量越大，最优快速搅拌时间tm越小。
2.原水浊度对最优快速搅拌时间t有影响。当投药量较小时影响较大，这时最优快速搅拌时间tm随浊度增加显著减小；当投药量较大时，浊度对最优快速搅拌时间的影响较小。
3.水温对最优快速搅拌时间tm有影响。当投药量较小时，随水温增大，最优快速搅拌时间tm明显减小；当投药量较大时，水温对最优快速搅拌时间t影响较小；水温较低时，增加投药量，可使最优快速搅拌时间t减小。
4.当其它条件一定时，最优快速搅拌时间t随快速搅拌G值增大而减小。
5.慢速搅拌存在一个最佳的搅拌强度G值。当投药量较小时，最佳G值偏大(本研究约15.2～20.8s-1)；当投药量较大时，最佳G值偏小(本研究约为4.8～10.4s-1)。
6.慢速搅拌时间大于15min以后，慢速搅拌时间对混凝效果的影响很小。但慢速搅拌时间小于10min时，会影响混凝效果。
根据以上结果，生产中快速搅拌的GT值应考虑随原水浊度、投药量、水温等的变化适当调整。最优慢速搅拌强度G值应考虑投药量对其影响，并且慢速搅拌时间应大于15min | 
发表于 2009-3-4 16:44:27
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