混凝攪拌條件分析論文
時(shí)間：2022-07-06 07:20:00
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摘要：通過(guò)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
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(guò)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)一步成長(zhǎng)成粗大、密實(shí)的絮凝體，以實(shí)現(xiàn)固液分離。快速攪拌(混合)條件和慢速攪拌(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)設(shè)計(jì)和控制，而沒(méi)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(guò)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(guò)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(guò)程經(jīng)過(guò)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(lái)誤差。故本實(shí)驗(yàn)擬采用直接測(cè)定絮凝體平均粒徑，以絮凝體平均粒徑為指標(biāo)來(lái)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(wú)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，并且還可以實(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(wú)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(guò)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(lái)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(jì)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(duì)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(cè)儀對(duì)混凝過(guò)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(lái)。圖2是絮凝檢測(cè)儀對(duì)高嶺土懸濁液混凝過(guò)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(guò)一定時(shí)間，R值開(kāi)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(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(lái)，故這時(shí)擬用絮凝體成長(zhǎng)到最大(Rm值最大)所需時(shí)間t，即最優(yōu)快速攪拌時(shí)間作為指標(biāo)進(jìn)行研究。
圖2混凝過(guò)程的檢測(cè)
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)得的絮凝體平徑粒徑最大時(shí)的攪拌時(shí)間t(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(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)不充分，導(dǎo)致混凝速度慢、時(shí)間長(zhǎng)。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(shí)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(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(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t略有減小，但變化較小；而投藥量較小時(shí)，原水濁度對(duì)最佳攪拌時(shí)間t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。
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
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(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
快速攪拌G值106s-1；原水濁度42mg/L；pH=7.2
由表3可見(jiàn)，當(dāng)投藥量較低時(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)間的影響較小；對(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(guò)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(shí)，通過(guò)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)鍵作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t的關(guān)系
表4是快速攪拌G值與最優(yōu)攪拌時(shí)間t關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(關(guān)系圖略)。由表4可見(jiàn)，隨著快速攪拌強(qiáng)度G值的增大，最佳攪拌時(shí)間tm減小。
表4G值與最佳快速攪拌時(shí)間t的關(guān)系
快速攪拌G值(s-1)
最佳攪拌時(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
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值存在一個(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(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(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
1.85
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(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(gè)最佳的慢速攪拌G值。投藥量比較小時(shí)，最佳G值偏大，可能是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(jiàn)，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(méi)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，碰撞機(jī)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(guò)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t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t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明顯減小；當(dāng)投藥量較大時(shí)，水溫對(duì)最優(yōu)快速攪拌時(shí)間t影響較小；水溫較低時(shí)，增加投藥量，可使最優(yōu)快速攪拌時(shí)間t減小。
4.當(dāng)其它條件一定時(shí)，最優(yōu)快速攪拌時(shí)間t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值偏小(本研究約為4.8～10.4s-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。
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