混凝攪拌條件分析論文

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摘要：通過模型實驗，探討了最優混凝攪拌條件。實驗結果表明：最優快速攪拌條件(GT值)與原水濁度、投藥量、水溫等有關；最優慢速攪拌條件(G值)與投藥量等有關，慢速攪拌時間(T值)宜大于15min。

關鍵詞：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?？焖贁嚢璧哪康氖菫榱耸够炷齽┧查g、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(或雜質顆粒)的作用。慢速攪拌是為了使快速攪拌時生成的微絮凝體進一步成長成粗大、密實的絮凝體，以實現固液分離?？焖贁嚢?混合)條件和慢速攪拌(絮凝)條件，現階段設計和生產中，通常是按某固定值進行設計和控制的，即按某固定G值(攪拌強度)T值(攪拌時間)設計和控制，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，不僅會使混凝費用增加，而且有時還會使混凝效果惡化。本研究試圖通過實驗考察最優攪拌條件與投藥量、原水濁度、水溫等的關系，從而為生產中實時、最優地控制攪拌條件提供依據。

1實驗方法和條件

混凝研究通常是通過燒杯攪拌試驗，考察不同混凝條件下的除濁效果。由于該過程經過的環節太多(快速攪拌、慢速攪拌、沉淀、測濁度)，難免給實驗結果帶來誤差。故本實驗擬采用直接測定絮凝體平均粒徑，以絮凝體平均粒徑為指標來研究混凝，因為混凝的目的就是為了使雜質顆粒凝聚變大。絮凝體平均粒徑的檢測使用了絮凝檢測儀，該儀器的檢測值R(無量綱)可以相對地反映絮凝體平均粒徑的大小[1]，而且該值不受水樣檢測部分污染及電子元件漂移的影響，并且還可以實現在線連續檢測。

1.1實驗裝置

混凝實驗裝置如圖1所示?；炷蹫榉叫尾郏行莘e6.8L。攪拌采用型號為DD60-2F型無級調速攪拌器。用絮凝檢測儀聯機在線檢測混凝過程中絮凝體平均粒徑的變化(用檢測值R反映)，記錄儀同時將檢測信號自動記錄。原水用高嶺土和哈爾濱市自來水按標準方法配制而成?；炷齽┯镁屏蛩徜X，用NaOH和HCl調整pH值。

圖1混凝實驗裝置的密度

1.2攪拌強度G值的計算

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為攪拌器轉速(r/min)；ρ0為水的密度(1000/9.81kg·s2/m4)；μ0為水的絕對粘度(kg·s/m2)；V為水樣體積(m3)。

混凝實驗裝置中攪拌葉片的尺寸和水樣體積之間的位置關系滿足公式(1)的要求，不需修正。

1.3實驗資料的處理方法

絮凝檢測儀對混凝過程中絮凝體平均粒徑變化的檢測結果，可以由微機或自動記錄儀在線連續記錄下來。圖2是絮凝檢測儀對高嶺土懸濁液混凝過程檢測的自動記錄儀記錄的結果。圖2中，投藥后經過一定時間，R值開始快速增大，達到某一最大值后略有減小并趨于穩定。由圖2資料至少可以獲得兩個數據：一個是最大的R值(與最大絮凝體平均粒徑對應)；二是R值最大時的攪拌時間(從加藥算起)。

在研究快速攪拌條件時，由于這時最終成長的絮凝體粒徑很小，快速攪拌條件對混凝的影響難以由絮凝體粒徑反映出來，故這時擬用絮凝體成長到最大(Rm值最大)所需時間t，即最優快速攪拌時間作為指標進行研究。

圖2混凝過程的檢測

在研究慢速攪拌條件時，由于這時絮凝體粒徑大，故擬以最終成長的最大絮凝體粒徑(用Rm反映)為參數進行研究。并且為了簡便，快速攪拌的G值和時間t采用固定的值，分別為106s-1和300s。

2實驗結果及分析

2.1最優快速攪拌條件

2.1.1投藥量對最優快速攪拌時間的影響

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，用絮凝檢測儀測得的絮凝體平徑粒徑最大時的攪拌時間t(即最優快速攪拌時間)(篇幅限制，相應的圖形曲線略)。

表1投藥量對最優快速攪拌時間的影響

Al2(SO4)3投量(mg/L)

最優快速攪拌時間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的結果有明顯的規律，即隨著投藥量的增大，絮凝體平均粒徑最大時的攪拌時間t顯著減小。實驗中快速攪拌的G值固定為106s-1，由于最優快速攪拌時間隨投藥量的增大而減小，所以最佳GT值亦應隨投藥量的變化而調整，才能使快速攪拌條件最優。

表1的結果是由于低投藥量時，懸濁質顆粒脫穩不充分，導致混凝速度慢、時間長。而隨著投藥量的增大，懸濁質顆粒脫穩程度增大，顆粒之間凝結變得容易，使混凝速度加快，混凝時間變短。由此，生產中快速攪拌條件應隨投藥量的變化而變化。當投藥量較小時，應將GT值增大；反之，可以減小GT值。

2.1.2原水濁度對最優快速攪拌時間的影響

表2是在一定的快速攪拌強度(G值為106s-1)、一定投藥量、一定水溫的條件下，原水濁度對最優快速攪拌時間影響的測定結果(圖形略)。共對四組不同投藥量進行了研究。

表2的結果表明，當投藥量較大時，隨原水濁度的提高，最佳攪拌時間t略有減小，但變化較??；而投藥量較小時，原水濁度對最佳攪拌時間t的影響很大；另外表2還表明，當原水濁度比較低時，最優攪拌時間隨投量增大而縮短。由此，生產中當投藥量較小時，快速攪拌條件(用GT值反映)最好隨原水濁度的變化適當調整；而對于低濁度原水，增加混凝劑投量，快速攪拌GT值可以減小。

表2原水濁度對最優快速攪拌時間的影響時間(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碰撞才能發揮其混凝作用。當混凝劑投量較小時，原水濁度越大，混凝劑越容易與雜質顆粒碰撞產生混凝作用，故其混凝速度快，時間短；相反，原水濁度較小時，混凝劑不易與雜質顆粒碰撞凝聚，所以混凝速度慢，時間長。而當混凝劑投量增大時，即使原水濁度比較小，混凝劑與雜質顆粒也很容易碰撞，再加上加大投藥量，可使膠粒脫穩充分，有利于提高混凝速度，縮短混凝時間，即高投藥量時，最優快速攪拌時間受原水濁度影響不大。

2.1.3水溫對最優快速攪拌時間的影響

表3是水溫對最優快速攪拌時間的影響情況(圖形略)。

表3水溫對最優快速攪拌時間的影響時間(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，當投藥量較低時，水溫對最優快速攪拌時間的影響很顯著，水溫越高，最優快速攪拌時間越短；當投藥量較大時，水溫對最優快速攪拌時間的影響較??；對低溫水樣的混凝，投藥量增大，可使最優快速攪拌時間明顯縮短。這些結果表明，對低溫水的混凝，通過增加投藥量可以使混凝反應更充分；而當投藥量較小，水溫較低時，通過延長快速攪拌時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速度，溫度越低，水解反應速度越慢；另一方面水溫還影響對混凝起關鍵作用的微渦旋以及水中各種微粒在水中的布朗運動，水溫越低，布朗運動越慢，越不利于混凝，故而產生了上述的結果。

2.1.4快速攪拌G值與最優快速攪拌時間t的關系

表4是快速攪拌G值與最優攪拌時間t關系的實驗結果(關系圖略)。由表4可見，隨著快速攪拌強度G值的增大，最佳攪拌時間tm減小。

表4G值與最佳快速攪拌時間t的關系

快速攪拌G值(s-1)

最佳攪拌時間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

以上結果與傳統的GT值概念相吻合(理論不贅述)。即在一定的G值范圍內，可以以GT值為指標控制混凝的攪拌條件。就快速攪拌的條件而言，當G值控制在一定范圍時，GT值存在一個最佳值，此時的快速攪拌條件最佳，混凝效果最好，這時G值若增大，t減??；反之，t增大。

2.2最優慢速攪拌G值

2.2.1最優慢速攪拌G值

混凝實驗時，快速攪拌(G=106s-1)5min，慢速攪拌20min，考察慢速攪拌的G值對混凝效果的影響。共作了兩組不同投藥量的試驗，表5是試驗結果(曲線圖形略)。

表5最優慢速攪拌G值對混凝效果的影響

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；快攪時間5min；pH=7.2

表5表明，慢速攪拌存在最佳的G值，并且當投藥量較小(如：投量3.0mg/L)時，最佳G值偏大(15.2～20.8s-1)；當投藥量較大(如：14mg/L)，最佳G值偏小(4.8～10.4s-1)。

合適的慢速攪拌強度既能使脫穩膠粒之間發生碰撞，又不致使絮凝體產生破碎，故存在一個最佳的慢速攪拌G值。投藥量比較小時，最佳G值偏大，可能是由于混凝劑投量小時，膠粒脫穩不充分，只有提高G值才能保證絮凝充分。

2.2.2最佳慢速攪拌時間

慢速攪拌G值為15.2s-1時，慢速攪拌時間對混凝效果的影響情況如表6所示。由表6的結果可見，當慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果幾乎沒有影響；當慢速攪拌時間小于10min時，混凝效果有所變差，這可能是由于攪拌時間小于10min時，脫穩膠粒之間攪拌不充分，碰撞機率小的緣故。

表6最優慢速攪拌時間

慢速攪拌時間(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結論

用絮凝檢測儀對混凝過程進行在線檢測，考察了最優的快速攪拌條件和最優的慢速攪拌條件，得到了以下結果：

1.投藥量對最優快速攪拌時間t影響較大，投藥量越大，最優快速攪拌時間tm越小。

2.原水濁度對最優快速攪拌時間t有影響。當投藥量較小時影響較大，這時最優快速攪拌時間tm隨濁度增加顯著減??；當投藥量較大時，濁度對最優快速攪拌時間的影響較小。

3.水溫對最優快速攪拌時間tm有影響。當投藥量較小時，隨水溫增大，最優快速攪拌時間tm明顯減??；當投藥量較大時，水溫對最優快速攪拌時間t影響較??；水溫較低時，增加投藥量，可使最優快速攪拌時間t減小。

4.當其它條件一定時，最優快速攪拌時間t隨快速攪拌G值增大而減小。

5.慢速攪拌存在一個最佳的攪拌強度G值。當投藥量較小時，最佳G值偏大(本研究約15.2～20.8s-1)；當投藥量較大時，最佳G值偏小(本研究約為4.8～10.4s-1)。

6.慢速攪拌時間大于15min以后，慢速攪拌時間對混凝效果的影響很小。但慢速攪拌時間小于10min時，會影響混凝效果。

根據以上結果，生產中快速攪拌的GT值應考慮隨原水濁度、投藥量、水溫等的變化適當調整。最優慢速攪拌強度G值應考慮投藥量對其影響，并且慢速攪拌時間應大于15min。

參考文獻：

.[1]于水利.新型光學絮凝檢測儀的原理及制造[J].傳感器技術，1997，(2)：22-25.

.[2]許保玖.燒杯攪拌試驗的發展[J].中國給水排水，1985，(1)：7-11.