毕业设计（论文）工业废水处理厂絮凝搅拌机的设计.doc

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1、编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 工业废水处理厂絮凝搅拌机的设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923271学生姓名： 指导教师： （职称： ）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 工业废水处理厂絮凝搅拌机的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械96 学 号： 0923271 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械

2、工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目工业废水处理厂絮凝搅拌机的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据课题来源：本次课题题目是工业废水处理厂絮凝搅拌机的设计，课题来源于无锡市某搅拌设备有限公司，其研究的内容是搅拌设备、釜用搅拌传动装置的设计、制造和研究开发。我国污水处理事业的历史始于1921年，到改革开放的近二十年来取得了迅速的发展，但仍然滞后于城市发展的需要。污水处理厂的建设，极大地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，我国的污水处理事业的实际情况是污水处理率低，很多老城区的排水管网甚至不成系统。所以絮凝搅拌机的设计很是重要

3、。选题依据：1. 絮凝搅拌机的图样及实物。 2. 搅拌机种类多且大批量生产。 3. 制造厂现有的生产条件，厂方对生产成本的要求。三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉絮凝搅拌机的发展历程，特别是近十几年来提出的一些问题； 熟练掌握cad、UG等软件绘图； 熟练掌握絮凝搅拌机原理； 熟悉掌握絮凝搅拌机各部件的作用； 熟悉掌握某些絮凝剂以及其用法； 熟悉掌握絮凝池的设计。四、接受任务学生： 机械96 班 姓名 夏栋洁 五、开始及完成日期：自2012年11月12日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名20

4、12年11月12日摘要搅拌机在搅拌设备中处于核心地位。在搅拌机设计及使用过程中，合理的选取搅拌机的结构，运动和工作参数，直接关系到搅拌质量和搅拌效率。完成絮凝经过的絮凝池(一般常称反映池)，井水除氟设备海扬，在净水料理中占据重要的名望。自然水中的悬浮精神及肢体精神的粒径分外微细。为去除这些精神平日借助于混凝的权谋，也就是说在原水中参与适当的混凝剂，经过充塞混和，使胶体安静性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝本能机能。而絮凝池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，反应池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝

5、的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。絮凝搅拌机是絮凝池机械搅拌的装置，它主要用于废水处理的搅拌过程。本设计提到了反应池的结构设计，搅拌机的结构设计，电动机及减速器的选型，搅拌机支架设计，密封设计以及其工艺流程。在设计过程中，我们应该充分考虑桨叶距离絮凝池顶端、底端以及侧壁预留的距离，还有就是轴的密封问题。关键词：絮凝池；混凝剂；沉淀效果；絮凝性能AbstractThe mixer is at the core position in the mixing equipment. In agitator design and use of the process, select the reaso

6、nable structure of the mixer, motion parameters and work, directly related to the mixing quality and efficiency of stirring. Accomplish flocculation pool (often called the flocculation after reflecting pool), water fluoride removal equipment HIYOUNG, occupy the important position in water purificati

7、on cuisine. Suspended spirit and spirit of natural water body size is fine. To remove these spiritual weekdays by coagulation of trickery, that is to say in the appropriate coagulant in water, after full mixing, so that colloidal quiet is bad (destabilization) and phase adsorption and mixed polymer

8、coagulant water after, the particles with flocculation performance. The flocculation pool purpose is to create appropriate waterpower condition makes this aggregation with flocculation properties of particles in contact with each other, to form a large flocs (flocs). Therefore, the reaction pool des

9、ign is appropriate, in relation to the effect of flocculation, sedimentation and flocculation effect has direct impact to follow-up treatment. The flocculation mixer is flocculation pool mechanicalrabble device, which is mainly used for mixing process in wastewater treatment. This design to structur

10、e design reaction tank, the structure design of mixer, selection of motor and reducer, mixer stent design, seal design and its processes. In the design process, we should give full consideration to blade distance flocculation pool at the top, bottom and side wall reserved distance, there is the prob

11、lem of shaft seal.Keywords: Flocculation pool;Coagulant;Precipitayion effect;Flocculation function目录摘要IIIABSTRACTIV目录V1 绪论11.1 絮凝搅拌机的研究内容和意义11.1.1 设计絮凝搅拌机的目的、意义11.1.2 絮凝搅拌机的研究范围11.1.3 絮凝搅拌机的要达到的技术要求11.2 国内外的发展概况21.2.1 国内外发展概述21.2.2 国内外发展状况21.2.3 存在问题41.3 设计搅拌机应达到的要求41.3.1 反应搅拌机的工作原理41.3.2 絮凝的工作原理51.

12、3.3 水处理中的搅拌设备51.3.4 絮凝搅拌机的适应条件和构造61.3.5 设计思路72 反应池的结构设计82.1 引言82.2 絮凝反应理论知识92.3 反应池的工艺性分析122.4 反应池的技术要求及设计效果163 搅拌机的结构设计183.1 设计数据183.2 设计要求183.3 设计计算数据193.4 桨叶的设计203.4.1 桨叶结构尺寸确定203.4.2 搅拌器转速计算203.4.3 搅拌功率计算224 电动机及减速器的选型234.1 减速器和电动机的选型条件234.2 电动机与减速器的选择234.3 联轴器的选型254.4 搅拌轴的设计264.5 轴与桨叶、联轴器的连接274

13、.5.1 桨式搅拌器与轴的连接274.5.2 联轴器与轴的连接274.6 轴承的选型以及轴的最终确定275 搅拌机支架设计285.1 搅拌机的支承部分285.1.1 机座285.1.2 轴承装置285.2 水下支撑座的设计295.2.1 轴承的选型295.2.2 支撑套的设计306 密封设计316.1 密封装置的类型316.2 填料密封316.2.1 填料的种类316.2.2 填料的选择326.2.3 填料的合理装填326.2.4 成型填料密封326.3 机械密封336.3.1 机械密封的工作原理336.3.2 机械密封前的准备工作346.3.3 机械密封材料346.3.4 机械密封与软填料密

14、封比较356.4 轴的密封选择357 结 论37参考文献38谢 辞39 1 绪论 搅拌可以使两种或多种不同的物质在彼此之中互相分散，从而达到均匀混合；也可以加速传热和传质过程。在工业生产中，搅拌操作时从化学工业开始的，围绕食品、纤维、造纸、石油、水处理等，作为工艺过程的一部分而被广泛应用。本章主要对絮凝搅拌机的研究内容和意义、国内外的发展概况以及设计搅拌机应达到的要求进行了阐述。 1.1 絮凝搅拌机的研究内容和意义本节讲述了设计絮凝搅拌机的目的、意义，絮凝搅拌机的研究范围以及要达到的技术要求。1.1.1 设计絮凝搅拌机的目的、意义废水处理中反应搅拌机的目的是由电机作为驱动装置，经减速器联轴器带

15、到直桨叶旋转使胶体颗粒絮凝形成较大的颗粒，以利沉淀，以满足水处理中水质净化的要求。废水处理中反应搅拌机的意义是在絮拟池中加入絮拟剂,在絮拟剂的作用下,通过搅拌机的作用,使原水中的悬浮物质及胶体物质凝聚,形成较大的颗粒,以利于沉淀,达到净水的目的。1.1.2 絮凝搅拌机的研究范围本题目主要涉及水处理中絮凝工艺中反应搅拌机的设备设计，主要解决的问题是水处理中该设备的设计，包括：主轴、絮凝搅拌机、电动机及减速器的选型、支撑装置设计、轴的密封设置、絮凝池的设计，并画出相应的设备图。1.1.3 絮凝搅拌机的要达到的技术要求搅拌机分为常规饲料搅拌机和添加剂搅拌机两种。常规饲料搅拌机有立式和卧式两种。立式搅

16、拌机搅拌时间一般为，卧式机则为左右，搅拌配合饲料时应分批搅拌。立式搅拌机的优点是混合均匀，动力消耗少，缺点是混合时间长，生产率低，装料、出料不充分。卧式搅拌机主要工作部件为搅动叶片，叶片分为内外两层，它们的螺旋方向相反。在工作时叶片搅动饲料，使内外两层饲料作相对运动，以达到混合的目的。卧式搅拌机的优点是效率高，装料、出料迅速，缺点是动力消耗较大，占地面积大，价格也较高，因此一般较少采用。 在絮凝过程中，搅拌的作用有两点：一是混合，促进细微颗粒之间的碰撞，使颗粒逐渐长大；二是固体悬浮，使凝聚的颗粒能均匀地悬浮在液体中，防止其在絮凝池中沉淀。另外，絮凝搅拌过程还有一个重要的制约因素，即由剪切速率产

17、生的剪切应力，将对絮凝颗粒造成破碎作用，这就是为什么在进行絮凝搅拌设计时通常要考虑叶尖速度的限制。FRF系列搅拌机专用于絮凝过程，很低的转速、高排液量，高效轴流型桨叶，所以传统的G值或GT值也同样仅作为参考。 从搅拌技术观点看，流体搅拌可分为五种基本搅拌应用，而每一种搅拌应用又可根据物理过程和化学过程分为两种类型。因此，总共有十种基本的搅拌应用。每一种基本搅拌应用都有各自的搅拌特点，过程要求和放大设计准则。实际应用时，每种搅拌应用往往会有几种基本搅拌应用组成，如絮凝搅拌过程由液液混合和固体悬浮两个基本搅拌应用组成。搅拌机产生较高的流动作用和较低的压头，而小直径桨叶配以高转速则产生较高的压头和较

18、低的流动作用。在搅拌槽中，要使微团相互碰撞，唯一的办法是提供足够的剪切速率。从搅拌机理看，正是由于流体速度差的存在，才使流体各层之间相互混合，因此，凡搅拌过程总是涉及到流体剪切速率。剪切应力是一种力，是搅拌应用中气泡分散和液滴破碎等的真正原因。必须指出的是，整个搅拌槽中流体各点剪切速率的大小并不是一致的。通过对剪切速率分布的研究表明，在一个搅拌槽中至少存在四种剪切速率数值，它们是：实验研究表明，就桨叶区而言，无论何种浆型，当桨叶直径一定时，最大剪切速率和平均剪切速率都随转速的提高而增加。 高效轴流型桨叶快混搅拌机的设计方法是以搅拌机的排液量为基础，以平均停留时间内搅拌桨叶产生的排液量与快混池的

19、有效体积之比值（N）作为选型设计快速搅拌机的依据。由于受到加药量、搅拌槽几何尺寸形状以其他因素的影响，该比值不是固定不变的，但一般要求。同一种桨叶在达到同样的搅拌效果（即同样的比值n）时，搅拌功率将随D/T（T为槽体直径或等效直径）值的增大而下降，换句话讲，适合一个搅拌过程的搅拌机不止一种，可以有多种搅拌功率，搅拌转速和桨叶直径的组合。1.2 国内外的发展概况本节讲述了絮凝搅拌机的国内外发展概述，国内外发展概况以及存在的问题。1.2.1 国内外发展概述搅拌机的操作性能直接关系到产品的质量、能耗和生产成本，工程界和学术界对搅拌混合都非常重视，进行了大量的研究工作，取得了不少的研究成果。搅拌器是化

20、学工程和生物工程中最常见也是最重要的单元设备之一。目前，搅拌器的选型和内构件的设计在很大程度上依赖试验和经验，对放大规模还缺乏深入的认识，对于能耗和生产成本只能在一定规模的生产装置上对比后才能得出结论，由于对产品的回收率和质量要求越来越高，对搅拌器的研究日趋深入，已从早期对搅拌功率和混合时间的研究，20世纪80年代对反应釜内的流体速度场分布的研究，进入20世纪90年代以来的搅拌釜内三维流场的数值模拟研究。流场数值模拟必须在深入进行流体力学研究的基础上，综合考虑流体流动的三维性、随机性、非线性和边界条件不确定性。通过数值模拟不但可以解决反应器的放大机理，而且可以优化设计开发新型高效搅拌器，使机械

21、搅拌器的设计理论更加完善。1.2.2 国内外发展状况（1）国产污水处理设备发展现状国产污水处理设备的生产始于20世纪70年代中后期，当时产品的标准化、成套化、系列化水平很低，定型产品较少。进人20世纪90年代以来，国家有关部门先后对主要污水处理设备制造企业进行了技术改造，提高了制造能力和制造水平，城市污水处理专用设备和与之配套的通用设备的生产水平都有了很大提高。目前，日处理5、10、25、50吨的城市污水处理厂的全部或主要设备都可实现国产化。其中，国产的微孔曝气器、高强度曝气机、带式压滤机、各类格栅除污机、刮泥机、刮砂机、曝气转刷、曝气鼓风机、大型污水泵、潜水电泵等已基本上能够适应国内市场需求

22、，还有部分产品出口。在产品设计方面，从日处理5万吨到50万吨规模的污水污泥提升系统、机械过滤沉淀系统、曝气处理系统、污泥脱水处理系统等国产设备，已相当于国际20世纪80年代水平，并能够提供成套设备。但在沼气发电系统、在线监控系统等方面，国产设备与国外发达国家相比，尚存在较大差距。在一些国际20世纪90年代最新形技术装备领域，还存在空白有待填补。在产品水平方面，能耗较大的鼓风机、水泵等产品，单机设备效率已接近国际20世纪80年代水平。成套产品的总体水平相当于国际20世纪七八十年代的水平。（2）发达国家污水处理设备发展现状发达国家污水处理设备目前已达到高度现代化水平，具有以下特点： 1）城市污水和

23、工业废水处理设备已实现标准化、定型化、系列化和成套化，已构成门类齐全、商品化程度高的水处理设备工业； 2）水处理单元设备，如沉淀、过滤、萃取、吸附、微滤、电渗析等已形成专业化规模生产，品种、规格、质量相对稳定，性能参数可靠，用户选择十分方便； 3）城市污水成套设备向大型化发展，工业废水处理设备随着工艺的成熟而趋于专门化、成套化； 4）与水处理相配套的风机、水泵、阀门等通用设备已逐步实现专门化设计，并组织生产，以满足特殊需要； 5）水资源紧张、水体富营养化、饮水安全导致废水深度处理设备和消毒设备有相当程度的发展；6）厌氧处理技术重新引起重视，促进了厌氧处理设备在高浓度有机废水处理上的应用。我国污

24、水处理事业的历史始于1921年，到改革开放的近二十年来取得了迅速的发展，但仍然滞后于城市发展的需要。污水处理厂的建设，极大地提高了城市污水的处理水平，但处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，我国的污水处理事业的实际情况是污水处理率低，很多老城区的排水管网甚至不成系统。城市污水处理能力增长缓慢和污水处理率低是造成我国水环境污染的主要原因，由此导致了水环境的持续恶化，并严重的制约了我国经济与社会的发展。我国城市污水处理能力增长缓慢的主要原因可以归结为：污水处理技术落后：城市污水处理技术是城市污水处理设施能否高效运转的关键，就目前的发展状况来看，在中小城市污水处理方面，尚缺乏适合我国实际国情的污

25、水处理技术和设备。因此，探索和发展适合我国国情的中小城市（镇）污水处理工艺，掌握一批在中小城市（镇）具有代表性的污染源的治理技术和城市污水处理技术，就势在必行。由于现在的水污染大部分是来自分散的非点源，对于这些非点源污染，控制措施和相关费用都具有很高的不确定性，今后城市在污水处理方面能够或应该做到什么程度，目前正在进行激烈的争论。合流制污水管网的老城市需要大量投资，来减少在雨季的污水溢流，而迅速发展的新兴城市又临着处理能力不足，导致生活污水管网溢流的问题。1.2.3 存在问题 现在搅拌机被广泛应用于石化，化工，矿业，制药，发酵，造纸，食品，水处理，环保，以及精细化工等行业，同时因其发展时间较短

26、，故在搅拌器的应用过程中，存在一些问题，常见问题有：1）齿轮箱泄漏；2）由于轴在机械密封处偏摆量大，致使机械密封使用寿命短，泄漏；3）系统振动较大，噪音强烈；4）维护维修成本较高等。通常齿轮箱漏油可以换密封圈解决；机械密封可以更换易损件使其得以继续沿用；系统振动可以靠加固减弱之，但这些无疑是治标之策，也是成本的消耗。1.3 设计搅拌机应达到的要求 本节从反应搅拌机的工作原理，絮凝的工作原理，水处理中的搅拌设备以及絮凝搅拌机的适应条件和构造充分考虑了设计反应搅拌机应达到的要求，总结了设计反应搅拌机 的设计思路和方法。1.3.1 反应搅拌机的工作原理对于不同的介质，不同的化学反应过程，要求搅拌装置

27、的结构和搅拌速度不同，根据不同的场合一般分为以下几种情况：（1）液-液互溶系统的场合一般采用低速搅拌就能足够完成，这种场合常用浆叶式搅拌装置。（2）液-液互不相溶系统的场合这种场合则需要强烈的上下翻滚，常用浆叶搅拌器，在釜体内加有一定形状的挡板，或采用推进式搅拌器。（3）固-液相系统的场合反应介质里有少量的固体且不易沉降时可采用比较缓和的搅拌，反之当反应介质或反应过程的生成物中固体较多，且容易沉降时必须采用强烈的上下的翻动的搅拌，这些搅拌均属于固-液相的搅拌系统。在本人设计的课题中搅拌器中所搅拌的介质是废水，废水处理中反应搅拌机的目的是由电机作为驱动装置，经减速器联轴器带到直桨叶旋转使胶体颗粒

28、絮凝形成较大的颗粒，以利沉淀，以满足水处理中水质净化的要求，如图1.1所示。 图1.1 搅拌机搅拌示意图1.3.2 絮凝的工作原理胶体的脱稳阶段是第一阶段，絮凝是第二阶段，而絮凝指胶体脱稳以后结成大颗粒絮体的阶段。第一阶段相当于给水处理中加药混合后的极短的一段时间，可能在一秒钟内，而絮凝则主要是在反应设备中完成的，这是水处理中常用的方法，其工作原理如图1.2。 图1.2 絮凝沉淀处理流程示意图1.3.3 水处理中的搅拌设备水处理中的搅拌设备，分成溶药搅拌，混合搅拌，絮凝搅拌，澄清池搅拌，消化池搅拌和水下搅拌六种类型。絮凝搅拌是水处理的重要方法之一或基本单元操作之一，而且往往是必不可少的。它在生

29、活饮用水、工业用水、工业废水及生活污水的处理中都有广泛的应用，因而学习和研究絮凝科学及其在水处理中的应用具有十分重要的意义。其中絮凝搅拌机分为：刚性连接搅拌机和弹性连接搅拌机。本设计主要讨论的是刚性连接搅拌机。刚性连接搅拌机由：电动机，减速器，刚性联轴器，机座，轴承，搅拌轴，搅拌器。搅拌设备的工作部分，有搅拌器，搅拌轴和搅拌附件组成。1.3.4 絮凝搅拌机的适应条件和构造（1）絮凝搅拌机的适应条件絮凝搅拌机用于给水排水主力中混凝过程中的絮凝阶段。絮凝搅拌的作用是促使水中的胶体颗粒发生碰撞，吸附并逐渐结成一定大小的帆花，试绝大部分帆花截留在沉淀池内。搅拌强度和搅拌时间是决定絮凝效果的关键。絮凝池

30、内搅拌强度(即搅拌速度梯度值G)应递减，各档搅拌器桨叶中心处的线速度依次逐渐减慢，且要有足够的搅拌时间来完成絮凝过程。絮凝搅拌机可满足絮凝规律的要求，使絮凝过程中各段具有不同的搅拌强度，可以适合水量和水温的变化，优点是水头损坏小，池体结构简单，外加能量组合方便。絮凝搅拌机设置无级调速后可随水量，原水浊度和投药量的变化而调整搅拌强度，达到满意的絮凝效果，节约药剂的用量。絮凝搅拌机根据搅拌轴的安装分式分为立式搅拌机和卧失搅拌机两种。卧式絮凝搅拌机的桨板接近池底旋转，一般絮凝池不存在积泥问题。（2）絮凝搅拌机的构造絮凝立式搅拌机有工作部分(垂直搅拌轴，框式搅拌器)，支承部分(轴承装置，机座)和驱动部

31、分(电动机，摆线针轮减速机)组成，如图1.3所示。 图1.3 立体搅拌机总体结构图 1-减速机；2-螺栓；3-垫圈；4-螺母；5-机架；6-螺栓；7-垫圈；8-垫板；9-桨板； 10-主轴；11-螺栓；12-垫圈；13-螺母；14-螺栓；15-垫圈；16-螺母；17-水下轴承座框式搅拌器分直桨叶，斜桨叶和网桨叶三种。 直桨叶是最常用的一种普通桨叶，其结构如图1.4。 图1.4 直桨叶框式搅拌器示意图1.3.5 设计思路1）反应池的结构尺寸的确定；2）搅拌机大小的确定及转速和功率的计算；3）由搅拌机功率来做电机的选型设计；4）由电机的型号尺寸来做联轴器的选型设计；5）由联轴器的型号尺寸来决定轴径

32、以及对所决定的轴径进行计算验证；6）由轴径来做轴承的选型；7）由轴承的尺寸来做机座及支撑座的选型设计。2 反应池的结构设计天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而反应池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，反应池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。本章主要介绍了反应池的一些理论知识，对反应池的工艺性分析，提到了反应池的技术要求以

33、及技术效果。2.1 引言完成絮凝过程的反应池(一般常称絮凝池)，在净水处理中占有重要的地位。如图2.1， 图2.1 絮凝池示意图天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而反应池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，反应池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。当然，为了获得良好的絮凝效果，混凝剂的合理选择是重要的，但是也不能忽视絮凝池

34、设计的重要性。在生产实践中，不少水厂由于改进了絮凝池的布置，从而提高了出水水质，降低了药耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的设计中，也出现了宁可延长一些反应时间以缩短沉淀时间的看法。这些都说明絮凝反应在净水处理中的重要作用。近年来，由于高效能沉淀以及过滤装置的出现，使水厂的平面布置(包括构筑物尺寸及占地面积)大为缩小。相对来说絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占较小的体积。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的体积几乎与沉淀部分的体积相仿。为此，国内不少同志在这方面进行着如何改进絮凝构筑物的研究，并提出了不少设想。对设计工作者来说，亦迫切要求有一个科学的评价方法，以解决如何合理

35、选择絮凝形式的问题。絮凝反应是一个很复杂的过程，它不仅受絮凝池水力条件的控制，而且还与原水性质、混凝剂品种和加药量以及混和过程都有密切关系。从目前国内外的研究情况来看，尚没有一个能定量地反映絮凝过程的完整数学模式，甚至作为定性分析，也还存在不少问题。这些情况就给具体设计工作者带来很多困难。严格地说，目前不少絮凝池的设计，仅是水力的验算，并没有对絮凝过程作完整的分析。因此，往往出现即使原水的絮凝性质很不相同，而其絮凝池的布置却完全相同的情况。根据规范或设计手册规定的设计数据，进行水力计算，是目前絮凝池设计中应用最广泛的方法。应该说它在大多数场合下是可行的，但并不一定是最优的，况且，这些规定也只规

36、定一些主要指标，至于具体的布置还需由设计者确定。例如，一般规定隔板絮凝池的流速由渐减至。至于流速如何递减，以及隔板转折的布置和道数等等，都未作明确规定。因而尽管所用主要指标完全相同，却可设计成很不相同的布置形式，至于它们的效果差异则更难以鉴别。为了探讨絮凝池设计的合理方法，福建省净水工艺试验组曾提出了应用“模型絮凝池”的概念。其基本出发点就是认为：合理的反应速度应符合流速渐变的原则，即反应速度由大到小呈直线变化，且反应池进口流速应大于或者等于。凡符合这二个条件的所谓“模型絮凝池”则被认为是理想的絮凝池布置。“模型絮凝池”作为探讨整个絮凝过程变化规律的设想，是有其积极意义的。但是，要把“模型絮凝

37、池”作为理想的絮凝形式，则尚缺乏足够的依据。作为问题之一，它脱离了原水性质的考虑。速度渐变原则应对不同水质条件有不同的要求，而不宜取作常量。譬如，对于原水颗粒浓度不足以及絮凝体不易破碎的情况，将较高流速区的反应时间增加些，显然是有好处的。反之，则应增加较低流速区的比例。另外，隔板絮凝的转折，从“模型絮凝池”的要求考虑，显然是不符合要求的。但是实际上在絮凝的最初阶段，它往往起到了促进絮凝的效果。“模型絮凝池”用流速作为比较的相似关系，与絮凝理论所采用的以速度梯度作为相似关系有所区别。随着絮凝形式的不同，同样的流速，其速度梯度可相差达数倍。因此关于“模型絮凝池”的设想尚有不少问题需要进一步深入研究

38、。目前絮凝池设计中一个普遍问题就是没有考虑进入絮凝池的处理水水质。众所周知，良好的絮凝反应必须具备二个条件，即具有充分絮凝能力的颗粒以及合适的反应水力条件。实际上，它们就是絮凝过程中的“内因”和“外因”。水力条件只有适合欲絮凝颗粒的絮凝要求时，才能促进絮凝的进行。反之则不仅不能促进絮凝的进行，甚至使已经絮凝的颗粒破坏。因此作为具体的絮凝池设计，就必须考虑到处理水的水质条件。但是这却是目前絮凝池设计中最薄弱的环节。2.2 絮凝反应理论知识所谓合理设计，无非是从许多可供选择的方案中，选定一种最能符合要求的方案。同样，絮凝池的合理设计，就是要从诸多的絮凝形式，以及不同的指标中，选择一种最能适合具体絮

39、凝条件而又切实可行的形式和指标。鉴于目前的研究水平，仅用理论的方法还无法解答上述课题，因此还需借助于实验手段。实验的目的就是可以在较小规模下模拟实际的效果，以便对可供选择的方案加以比较。和其它许多实验一样，絮凝的实验也需要解决一个模拟的相似问题。也就是说需要解决怎样在较小规模的试验中，获得与真实絮凝池同样的絮凝结果。对于絮凝反应来说，需待解决的相似关系主要有二个，即处理水的水质条件和絮凝池的水力条件。关于水质条件，一般采用真实水样还是容易办到的。例如选择若干具有代表性处理对象的原水，加注适量混凝剂，并经充分混和，即可供作絮凝的实验。至于水力条件，则不能依靠实际絮凝池来作试验。因设计的目的是要对

40、多种方案进行对比，而这在实际絮凝池中是难以完全实现的。为此，需要寻找合适的水力条件作模拟相似。对于水力条件，一般可以采用雷诺数或弗鲁特数相似，也可采用其它相似准则。至于采用何种相似方法则应视研究对象而定。为此有必要就絮凝过程中水力条件的作用作一分析，以确定相似关系。絮凝的目的是使细小颗粒彼此聚集。除了颗粒具有絮凝能力外，还必须创造颗粒彼此接触，或者接近(达到颗粒吸附的作用范围以内)的机会。否则，若保持颗粒间的相对位置不变，即使颗粒的絮凝性能极为良好，也无法聚集。可以通过三个途径，使颗粒达到彼此的接触：水分子的热力运动、颗粒的沉速差异和水体的流动。所谓热力运动产生的颗粒碰撞，是由于水分子进行的杂

41、乱而没有规则的运动(布朗运动)，不断撞击附近的胶体颗粒，使颗粒也进行着杂乱而没有规则的运动，从而获得了颗粒彼此碰撞的机会。这种接触机会与温度有关，而与液体的流动无关。因而只要保持温度和时间的因素相同，热力运动造成的碰撞也是相同的。至于沉速差异产生的颗粒碰撞，往往在沉淀池中有明显的作用。然而在絮凝池中，由于其颗粒一般尚属细小，沉速不大，可以说差异所产生的碰撞作用在絮凝池中，不占统治地位可予忽略。一般认为在絮凝池中，对颗粒碰撞起主导作用的主要是水体的流动，也就是由于水体流动所产生的能量损耗而造成的。一般关于水体流动所产生的碰撞公式可表示为： （2.1）式中：单位时间单位体积内颗粒接触的机会；：颗粒

42、的有效粒径；单位；：单位体积内的颗粒数；：计算范围内的绝对平均速度梯度；单位。平均速度梯度值可用下式计算： （2.2）式中：W:单位体积单位时间所消耗的功，单位；液体的动力粘滞系数。一般认为式(1)只适用于层流，而大多数絮凝池的水源均属紊流。对于紊流条件下颗粒的碰撞频率，提出了如下公式： （2.3）式中：系数；：有效能量消耗率，单位。比较式（2.1）与式（2.3），除了系数差别外，主要是式（2.3）所用的功为有效能量，而式（2.1）则采用计算的能量，两者相差一个效率系数。而在实用上有效能量是难以确定的，仍需用计算的能量来表示。因此，无论是式（2.1）或式（2.3），作为单位时间单位体积内颗粒碰

43、撞的因素都是颗粒的粒径、浓度以及水流的速度梯度。实际上，这里包含了二个方面的内容，即以颗粒的粒径及浓度为代表的参与絮凝的水质条件和以G为代表的絮凝池水力条件。由于粒径和浓度已由真实水样来模拟，因而只要保持G值相似，理论上即可得到同样的颗粒碰撞条件。但是应该指出，颗粒的碰撞并不就是颗粒的聚集。对于不同絮凝能力的颗粒，在同样碰撞次数时，应该得到程度不同的聚集。也就是说它们的有效聚集比例是各不相同的。但是，如采用真实水样作为絮凝的模拟，则这一因素同样可在实验中获得反映。另外，在模拟絮凝水力条件时还需考虑一个重要的现象，即絮凝体的破碎，或絮凝体大小的限制条件。絮凝体所能承受的水流剪力是有限度的。随着絮

44、凝体的增大，相应的抗剪能力会减弱。与水流共同运动的絮凝体，受到液体切应力的作用。因此，当液体的切应力大于絮凝体的抗剪能力时，絮凝体将被破碎。因此在模拟絮凝反应时，除了模拟颗粒碰撞而产生的聚集外，还需要模拟因液体的切应力而产生的破碎。众所周知，液体的切应力可由二部分组成，即粘滞阻力及混掺阻力。对于层流条件，切应力纯由粘滞阻力产生。对于紊流条件，则主要由混掺阻力产生(除边界层附近外)。这二种切应力的大小都决定于液体的速度梯度。在速度梯度G中，所谓消耗的功，也就是指切应力所做的功。因为只有切应力所做的功是不可逆的，也就是由机械能转化为热能。丹保宪仁教授在分析絮凝过程中，考虑到水流切应力对絮粒的破碎影

45、响，引入了颗粒最大成长度的概念，也就是说代表在一定的水流条件下，能形成最大粒径的原始颗粒数。丹保教授通过试验得出，在原水水质条件不变时，是有效能量消耗率 (或速度梯度G)的函数。通过对絮凝过程中一些主要现象的分析，包括颗粒的碰撞，因碰撞产生的聚集、絮凝体尺寸的限制以及水流对絮凝体的剪切，我们得到了可用真实水样模拟水质特征以及用G值模拟水流特征这样两个关系。采用G值来模拟絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用处的，一是可以把真实絮凝池的研究缩小到在实验室内进行，也就是只要维持实验条件的G值与真实池相同。其结果也应相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比较，也就是即使絮凝池的水流形态相差甚大，只要其过程的G值相同