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1、第1章 引言1.1 研究背景在给水净化和废水处理的混凝、沉淀、过滤诸工艺中，混凝是其中的关键。实践证明，设计时混凝工艺如果选定合理，不仅可提高出水水质，还能达到节能、节约、降低运行费用的目的。混凝是以形成絮体为中心的单元净化过程，它的效果是由混凝剂的化学作用和构筑物的流体动力学作用两方面来决定的，高效、经济的混凝剂对混凝作用固然重要，但必须有良好的水力条件，从而形成密实度好的混凝颗粒，以利于后续沉淀、过滤工艺的高效运行。以前的研究考虑的是一个具体的变量及不同变量关系的研究。混凝效果的影响因素包括：pH值、温度 、浓度、混凝剂、水力条件等，但最重要的因素是后两个。混凝剂水解后会起到压缩双电层、吸
2、附电中和、吸附架桥的作用，从而使小颗粒凝聚在一起形成矾花。当水力条件改变时,所形成的絮体的尺寸、结构、强度及吸附特性等也会随着发生变化。因此, 确定合适的水力条件对于提高水质处理效果、指导实际生产具有重要意义。1.2 研究对象通过自行配水来模拟给水处理中出现的水质情况，我们研究的水样有膨润土、红黏土、煤泥、精煤、沸石粉5种水样。通过对不同水样及同种水样不同浊度进行最佳投药量、最优pH值、最优水力条件优化方法实验的研究，确定最优的絮凝水力条件并给予评价。1.3 研究现状1.3.1 混凝杯絮凝实验研究以成都市府南河水为原水, 在不同的快搅强度和不同的快搅时间下进行混凝杯罐实验, 混凝剂为硫酸铝、氯
3、化铁, 采用激光粒度仪M astersizer 2000测量絮体平均粒径随时间的变化过程, 以去除浊度为目标, 分析最优水力条件。实验得到如下结论: (1) 快搅强度对氯化铁混凝剂水质处理效果有着明显的影响, 快搅时间对硫酸铝和氯化铁混凝剂水质处理效果均有明显影响; (2) 以浊度为去除目标, 对于硫酸铝通过实验确定快速搅拌强度为250 r /m in时, 快速搅拌时间为60 s时, 水质处理效果最好; (3) 以浊度为去除目标, 对于氯化铁确定快速搅拌强度为300 r/m in时, 快速搅拌时间为60 s时, 水质处理效果最好。11.3.2 混凝动力学模型研究1.传统絮凝理论19161918
4、 年斯莫芦霍夫斯基(Smolounchowski) 首先提出了速度梯度理论,1943 年坎布( T.R.Camp) 和斯坦因(P.C.Stein) 两位工程学者把速度梯度理论直接应用于给水絮凝池的设计上,提出速度梯度表达式: (1-1)式中: G 为速度梯度; E 为单位时间、单位体积水中总能量耗散的空间平均值;为水的动力粘度。该理论是在层流条件下导出,未能揭示在紊流情况下的絮凝动力学本质。1962 年列维奇(Levich) 在紊流条件下,根据科尔摩哥罗夫( Kolmogoroff) 的局部各向同性理论提出: (1-2)式中: N 为单位体积水中单位时间内颗粒碰撞次数;为常数;为单位时间、单位
5、体积水中的有效能耗。其余符号意义同前。(1-2) 式虽是在紊流条件下导出,但仅适用于雷诺数足够大且处于能谱的高波数区域,即紊流粘性区,这就使公式的应用受到局限。2.絮凝动力机理絮凝一般是指水中的胶体在加入凝聚剂进行脱稳之后,相互接触碰撞,在吸引力作用下合并成长为大絮凝体的过程。在这一过程中,水力条件对絮凝体成长起决定性作用,因此可以将絮凝当作流体力学问题来进行研究。丹保在他的论文中以直流水槽为例进行了说明,水槽中水流沿垂直流向可分为三层:层流底层、过渡层和紊流层(惯性区) 。在紊流层内只能产生尺度大而强度低的涡流,在层流低层内不可能存在涡旋运动, 在这两层之间存在一速度梯度相当大、涡能量最大的
6、层,这一层就是过流层,实际上层流低层和过渡层都是极簿的流层,因此絮凝效果的好坏决定于紊流区。水中的胶体颗粒及小矾花的尺度很小,在惯性力为主导的区域内,流动过程中跟随性很好,若流层间无速度差,随水流动的两质点即使是相距为无穷近,也决不会发生相互接触碰撞现象,换言之要使颗粒产生接触碰撞,流层间就必须存在速度差,即:速度梯度或塑变形。紊流运动可以看成是各种不同尺度的涡旋运动迭加于平均流速束的结果,从絮凝观点看，并不是所有的涡旋都对絮凝有效,尺度小于絮体粒度的涡旋不仅难以带动颗粒作有效的变速运动,还增加了涡旋对絮体颗粒的冲击破坏作用,而大于絮体颗粒的涡旋不仅为絮体颗粒提供了运动空间,而且产生的脉动速度
7、梯度即脉动塑变形为颗粒间相互接触碰撞提供了条件。基于以上分析可以推断,对絮凝有效的涡旋尺度应大于颗粒粒度,而脉动速度梯度即脉动塑变形是产生紊流絮凝的推动力。3.有效能耗近壁区的层流地层和过流层都是极簿的流层,只占据絮凝池内的极少一部分体积,该区域内的能耗对絮凝体形成作用甚微,所以絮凝池有效能耗只能是分布在主流区内的脉动粘性能耗。在固壁限定空间中的紊流运动,其脉动动能方程对体积积分可得 : (1-3)式中: k 为脉动动能;为水的密度; , 为分别为i 向和j 向的脉动速度; 为动速度梯度; 为时均速度梯度; 为脉动能量生成率;为脉动粘性能耗率。絮凝属于定常问题,因此有 (1-4)当然这指的是该
8、空间内总的能量关系,还不能说明局部的能量关系。例如在总能量处于平衡状态时,局部可以是生成大于耗散,也可以是生成小于耗散。絮凝池中大尺度涡旋占主体的紊流惯性区内,生成大于耗散,两者的比值反映了有效能耗的利用率,即有效能耗系数: (1-5)根据量级估计: (1-6) (1-7)将(1-6) 、(1-7) 代入(1-5) 式得: (1-8)式中: 为涡旋特征速度; l 为涡旋特征尺度; Re(l)为涡旋特征雷诺数;其余符号意义同前。在实际应用中很难确定,但对于主流区的涡旋: (1-9)l L (1-10)由(1-9)、(1-10) 式得:Re(l) Re (1-11)(1-11) 代入(1-8) 式
9、得: 1/ Re (1-12)式中: 为摩擦速度; U 为主流特征速度; Re 为主流特征雷诺数;为阻力系数; L 为水流的特征尺度;其余符号意义同前。1982 年船水尚行、丹保宪仁发表的文章中,对实际应用较广的竖流隔板絮凝池的水力特性和能耗特性进行了专门论述。他们用热线流速仪测定了絮凝池内的流速分布和紊流能谱,试验及分析结果表明, 絮凝池总能耗E、有效能耗和特性雷诺数Re 之间有如下关系:,这一试验结果与本文导出的公式(1-12) 相吻合,证实了理论推导的可靠性。4.碰撞动力学模型Heisenbery 根据自己的研究提出, 即便是湍流也可把它看成是平均流来研究它的特征。如海水流动时虽然速度、
10、位置都随时间而变化,在很长的时间内观察时,可看成是湍流,但是在很短的时间内可将其看成是平均流。比如旋涡,如果在大的船上来观察,可认为是湍流,在水上飘浮的生物来观察,只能作为平均流,这与Cross 提出的紊流流动可模型化为一些复杂层流运动的组合的观点一致。因此由脉动速度梯度引起的单位体积水中单位时间内颗粒碰撞次数N可表示为: (1-13)由(1-5) 、(1-12) 式可得:G0 -0.25 Re-0.25= -0.25GRe-0.5 (1-14)则G值仅反映了对某一水体的平均施能水平,而- 0. 25 GRe - 0. 5不仅反映了脉动速度梯度的量级,还反映有效能耗利用率。将(1-14) 代入
11、(1-13) 式得: (1-15)式中: K, K 为系数; G0为可定义为有效絮凝强度;其余符号意义同前。91.3.3 管道絮凝过程的动力学和机理分析目前一般认为絮体的结构有原颗粒、原絮粒、絮体和聚集絮体四个层次，由少数原颗粒构成原絮粒, 由原絮粒构成絮体, 由絮体构成聚集絮体。为分析管道絮凝过程机理, 本文将管道絮凝处理高浊度原水的过程分为三个阶段, 即凝聚阶段, 絮凝阶段和沉降阶段。1).凝聚阶段凝聚是在絮凝剂与原水初始混合的短暂过程中出现的, 凝聚效果与絮凝剂在水中迅速扩散混合有密切关系, 由于铝和铁(III) 的单体水解形态和聚合形态在投加后0. 011s内即可形成，故对基于吸附脱稳
12、的絮凝反应模式, 要获得最佳凝聚效果, 则絮凝剂与原水应达到“闪烁式混合”, 即在投加后水解反应完成之前就迅速分散到水中, 从而使其水解和聚合形态借助Brown运动和水流紊动尽快吸附在悬浮原颗粒上引起脱稳, 并碰撞吸附形成原絮粒即微小矾花。管道絮凝试验中凝聚阶段可认为出现在加药快混管段, 由于管道截面尺寸较小, 且水流为小截面活塞流, 使絮凝剂的定点小截面周向连续投加(喷口环隙处) 起到相当于向水体各较小单元体均匀分散投加的效果, 且借助射流作用易于使絮凝剂吸入后快速分散到水体中各微小单元, 实现“闪烁式混合”。2).絮凝阶段在凝聚阶段结束后水中已产生了大量原絮粒, 但其粒度大部分仍很小( 1
13、0Lm) , 还不足以依靠重力自然沉降, 继而开始原絮粒互相碰撞吸附长大成絮体的絮凝阶段。絮凝阶段主要是靠颗粒碰撞吸附絮凝而使絮体不断长大, 以同向絮凝为主。管道絮凝实验中, 初始絮凝期主要相应于快搅管段, 此时颗粒数目较多但粒径较小, 能承受较高的G 值以弥补小颗粒运动速度慢的不足, 加速碰撞吸附絮凝, 致使初始絮凝期所需停留时间较短。后续絮凝期则主要相应于慢搅管段, 此时由少数原絮粒构成的小絮体的粒径已比初始絮凝期大且颗粒数目相应减少, 由于絮体最大粒度的极限值与G 值成反比, 故为使絮体进一步长大而不被破碎, 速度梯度G 值必须相应地减少, 颗粒数目少且G 值小致使后续絮凝期碰撞吸附絮凝
14、慢, 所需停留时间相对较长。3).沉降阶段沉降阶段对应于管道絮凝结束后水体静沉过程, 开始时絮体都还处于悬浮态, 主要依靠重力作用而沉降, 此时由于絮体密度和尺度大小不同带来的沉速差异, 絮凝反应仍在继续, 但以沉淀絮凝机理为主, 即絮体下沉时把水中胶体颗粒同时“扫清”的絮凝过程, 形成聚集絮体(絮体的松散结合体) , 并会出现一个清水和浑水的交界面的下沉过程, 即分层沉降, 经测试, 分层沉降数分钟后即结束, 此时悬浮物绝大部分已沉降, 剩余的极少部分密度小、粒度小的未充分长大的矾花继续缓慢下沉并同时可能再碰撞吸附长大而加速沉降, 但沉降速度远小于分层沉降的速度, 约经30m in 后余浊(
15、悬浮的残余原颗粒等) 基本保持不变。131.3.4 混凝机理物理模型湛含辉10在总结国内外研究工作的基础上,从亚微观的角度提出了混凝机理的物理模型。该模型中定义混凝沉降过程为混合、凝聚和絮凝3个阶段:大絮体形成（2m）（絮凝剪切阶段）微絮体的形成（ 250r /min后其上升速率基本不再变化; FI的最大值在不同的快搅条件下没有显著差别。这说明在强化混凝过程中,絮体的形成速率明显受到快速搅拌速率的影响,但快搅速率对絮体大小没有显著影响。当以AlCl3 作混凝剂时上述趋势同样存在,只是F I上升速率在快搅速度提高到250 r/min以上时仍继续增加,但其值普遍显著低于PAC组。这表明一定强度的快
16、搅(转速 250 r/min, G 145 s- 1 )有利于迅速形成絮体,但不同的混凝剂对混凝的水力条件有不同的要求,这和混凝剂的性质有关。从铝的形态分析可知,AlCl3 中的铝以Ala 形态为主(占总铝的96% ) ,电中和能力较强,但水解形成可有效架桥的形态需要更长的时间和更强的混合条件,即快搅速度越大则混凝剂扩散、混合越充分,絮体形成越快;PAC中的铝以Alb 形态为主(占75%以上) ,不仅保留了很强的电中和能力,而且吸附架桥的能力也很强,在较低的快搅强度(250 r /min)下就可迅速形成体。对不同快搅强度下经PAC混凝处理的沉后水浊度和DOC进行了测定,结果显示:出水浊度随着搅
17、拌强度的增加先下降后上升,存在一个最佳的快搅强度,即在250 r /min 附近时出水浊度最低。而DOC则呈现出不同的趋势,当快搅速度 250 r /min (G 145 s- 1 )后,对DOC的去除率不再随着搅拌强度的增加而明显变化。这表明有机物的去除主要取决于混凝剂的扩散和碰撞几率,且与絮体的破碎无关。4快搅强度和时间在混凝过程中起非常关键的作用。快搅强度必须和混凝剂的水解速度相匹配,必须在混凝剂完全水解之前将其均匀分布到水体中,并保证足够的运动时间使之充分发挥作用;但是时间又不可太长,如果快搅时间超过完全水解时间,则混凝剂将以失效的形态存在于水体中,这对下一阶段的絮凝有害无益,甚至会严
18、重降低混凝效果。快搅条件对强化混凝的效果影响明显,搅拌强度过低则沉后水浊度和DOC值都较高;而搅拌强度过高虽可增加碰撞几率和加速絮体的形成,却限制了絮体的粒度增长,对浊度去除不利。DOC的去除是和混凝剂的扩散紧密相关的,一定的搅拌强度(200 r /min, G106 s-1 )和时间(60 s)可以实现对有机物的较好去除。过度搅拌造成的絮体破碎对有机物的去除率没有显著影响。41.3.6 水力条件对絮凝效果的影响三氯化铁、PAC、硫酸铝三种絮凝剂达到最佳絮凝效果对应的反应速度梯度值各不相同,在不同水力条件下的絮凝除浊效果实验中反应速度梯度G值分别为59 s- 1、31s- 1和23 s- 1。
19、同一种絮凝剂在相同反应时间条件下,随着投加量的增大, 剩余浊度减小; 并且在絮凝剂投加量相同情况下, 反应时间越长, 剩余浊度越小。在原水pH、水温和浊度条件不变的情况下絮凝体形成的快慢受絮凝剂种类、投加量、反应时间、搅拌条件等多种因素的影响。三氯化铁、PAC和硫酸铝在反应阶段要求的GT值不同。在相同G值的条件下, 对于同一种絮凝剂, 为达到同样絮凝处理效果, 必须提高絮凝剂投加量, 才能缩短反应时间。在同等反应时间条件下, PAC投加量要比硫酸铝、三氯化铁小的多。G值过大, 会造成絮体颗粒破碎, 浊度升高,G值过小, 颗粒间碰撞次数少, 不利于矾花形成。因此大于或小于适宜的G值都不利于絮凝体
20、的形成。而且不同絮凝剂要求的反应的G值不一样, 这主要与絮凝剂和颗粒形成的絮凝体强度有关。三氯化铁比重大, Fe3+ 过渡金属离子, 属非惰气型, 具有3d5的外层电子结构, 因而变形性较显著, 极化力较强, 与胶粒发生较强的相互极化, 产生较牢固的结合, 增大搅拌强度一方面不会使絮凝体破碎, 另一方面增加颗粒之间的碰撞次数, 达到良好的絮凝效果。而硫酸铝、PAC 中铝离子为惰气型, 具有较高的电荷和较小的体积, 因而变形性小, 与胶粒之间的结合力不如三氯化铁, 因此要求反应速度梯度G值不易过高。从图1 中可知,三氯化铁絮凝剂不论在高G值还是低G值, 随投加量增加, 剩余浊度呈现减小趋势; 而
21、图2和图3中显示PAC、硫酸铝在高G值条件下随投加量增加到一定程度剩余浊度呈增大的趋势, 低G值条件下随絮凝剂投加量增加剩余浊度减小。由此可见, 水处理厂在选择絮凝剂后必须进行搅拌强度的调整, 否则不能取得良好的絮凝效果。5水力条件因素除与水流自身的物理属性如水的密度、水的粘滞系数等有关外, 还与水流的边界制约（包括扰流装置的几何尺寸）、输入水流的能耗及能耗分布有关：而Gt因素仅仅反映了输入水流的能耗, 而且还只是代表平均能耗, 并不代表能耗的分布情况。因此, 水力条件因素不仅对Gt因素有所包涵, 而且对Gt因素有所扩展。水力条件因素比Gt因素更能全面地反映絮凝过程, 影响着絮凝效果。影响絮凝
22、效果的水力条件因素可用五个准数：，来阐明, 使影响絮凝效果的水力条件因素变得更直观、更易于理解。6混合过程中的水力条件对絮凝体的形成十分重要,有时甚至起决定性作用。G值过大，会造成絮体颗粒破碎，浊度升高。G值过小，颗粒间碰撞次数少，不利于矾花形成。因此适宜的G值才利于絮凝体的形成。对于不同絮凝剂要求的反应G值不一样，这主要与絮凝剂和颗粒形成的絮凝体强度有关。在原水pH 为8.1，温度8.03,浊度23NTU的条件下考虑三氯化铁、PAC、硫酸铝3种絮凝剂在不同速度梯度下的絮凝效果。81.3.7 颗粒计数器的应用研究实践逐渐证明，浊度对水中许多颗粒无法显示，低浊度的水中仍然存在着大量的颗粒物。再加
23、之，日趋严格化的水质标准使得浊度仪的测定已达到了其灵敏度的极限，这就要求我们寻求更加实用可行的检测水质的方法。颗粒计数仪可直接计数并确定颗粒物的大小，它较全面地提供了有关水中悬浮颗粒物特征的信息，尤其对颗粒物的微小变化比较敏感，能从细节方面提供水中悬浮颗粒体系的微观特性。该实验首次通过采用颗粒计数仪对絮凝过程的水质进行在线检测和表征，通过一系列的实验，研究水力条件和投药量对絮凝过程中颗粒数量及大小变化的影响，并在此基础上分析并确定絮凝反应的最佳条件，从而达到优化絮凝剂的投加量，提高出水水质和降低成本的目的，为水厂的运行提供一定的参考。以水中高岭土颗粒和腐殖酸有机物为去除对象，首次采用颗粒计数仪
24、对铝盐絮体的动态絮凝变化过程进行了在线监测和分析。通过改变水力条件和投药量，分析硫酸铝和聚合氯化铝（PAC）絮凝剂絮凝过程中各阶段的絮体颗粒粒径分布情况，在此基础上分析并确定絮凝反应的最佳条件。通过实验表明：颗粒计数仪能够较好地表现出絮凝过程的粒径分布变化，同时得出颗粒总数变化与絮凝效果的相关性很好，可以灵敏地表征絮凝效果的好坏，因而可以用来优化絮凝剂的投加量，提高出水水质和降低出水成本。可以预期，颗粒计数器在未来水处理中一定会得到广泛的应用。111.3.8 絮凝效果分析方法1. 絮体的三维流场分布分析絮凝主要用以改变水中悬浮颗粒的粒度分布。絮凝反应设备创造的水力条件直接影响其内部三维流场的分
25、布, 进而对絮体成长及粒度分布起决定性作用。以聚合氯化铝( PAC) 为絮凝剂、水中高岭土悬浮颗粒为去除对象, 采用浊度仪、颗粒计数仪等在线仪器对絮凝过程进行实时监测和数据记录。固定PAC投药量为10mg /L, 以静沉20min后的剩余浊度作为正交试验的评价指标, 选取快搅速度、快搅时间、慢搅速度、慢搅时间4个因素, 每个因素分别设定3个水平进行L9 ( 34 )正交试验,确定的最佳水力条件为快搅速度250 r/m in、快搅时间10 s、慢搅速度60 r/min、慢搅时间20min;改变絮凝条件, 研究不同絮凝条件下絮体粒度分布的动态变化特征;对反应设备内的三维流场进行仿真计算并分析不同絮
26、凝条件对水流结构和絮凝过程产生的影响。对絮凝反应器内三维流场进行仿真计算实现了反应器内流动、能量耗散等计算的可视化. 计算结果表明, 适宜的搅拌条件及反应设备的形状, 能有效地改善反应器内水流的紊动效果, 大幅度地增加絮体颗粒的碰撞次数, 促进絮凝反应的有效进行. 同时, 反应过程中需要有效地控制涡旋剪切力。实现不同条件下反应器中流动、能量耗散等计算的可视化, 利用其研究絮凝过程的水流结构和絮体颗粒的分布规律, 为描述和解释复杂的絮凝过程提供一种直观可靠的研究方法。102. 响应面分析法在传统的助凝剂的助凝效果及其影响因素的研究过程中，研究者一般应用正交表进行正交试验设计。但是正交试验提供的数
27、据分析方法所获得的优选值,只能是试验所用水平的某种组合，优选结果不会超越所取水平的范围；另外，也不能给进一步的试验提供明确的指向性，使试验仍然带很强的摸索性色彩，不很精确。这样，正交试验法用在初步筛选时显得收敛速度缓慢、难于确定数据变化规律，增加试验次数。而响应面法( RSM)则克服了上述缺点，不仅可以减少试验量，更能定量地描述变化过程。响应面法( Response Surface Methodology，简称: RSM)是数学方法和统计方法结合的产物，是用来对所感兴趣的响应受多个变量影响的问题进行建模和分析, 其最终目的是优化该响应值。由于RSM把仿真过程看成一个黑匣子，能够较为简便地与随机
28、仿真和确定性仿真问题结合起来，所以得到了非常广泛的应用。响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数。本质上来说，响应面法是一种统计方法，用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的最佳响应值。1.3.9 生物絮凝剂研究生物絮凝剂( Bioflocculant或Microbial Flocculant)是利用生物技术, 通过微生物发酵、分离提取而得到的具有生物分解性和安全性的新型、高效、廉价、无毒、无二次污染的水处理剂, 可广泛应用于给水处理和污水处理领域。采用5 g /L的高岭土配水进行混凝杯罐试验，经过大量试验表明：各因素按照影响絮凝效果的强弱排
29、序为: pH值水力条件水温絮凝剂投加量 CaCl2投加量。1.4 目前问题与研究内容1.4.1 目前问题前人的絮凝理论考虑的是同向絮凝对絮凝效果的影响，忽略了在絮凝初期异向絮凝对于絮凝效果的影响，因此我们此次实验的研究通过进行水力条件优化来验证我们的理论。1.4.2 研究内容（1） 混凝沉淀试验机的选择与絮凝杯的开发采用六联搅拌器，絮凝杯采用有机玻璃自制，容量1L，在不同高度设置3个取样口，各取样水深分别是30mm，60mm，90mm。（2） 试验水样的确定我们研究的水样有膨润土、红黏土、煤泥、精煤、沸石粉5种水样，这五种水样是给水处理中常见的水质情况，很有研究意义。（3） 混凝化学条件的确定
30、主要是混凝剂投药量的确定，混合所需pH环境的确定。这次实验所用的混凝剂有AlCl3、FeCl3，酸碱调节剂有HCl和NaOH。（4）试验混合条件的确定试验水样、混凝化学条件与试验混合条件的确定是通过试验探讨絮凝水力条件的前提与基础，其中确定混合条件的方法目前尚无成熟办法可参考，是试验研究需要探讨的主要内容之一。（5）絮凝水力条件的试验研究（6）絮凝水力条件的优化方法研究（7）絮凝水力条件的后评价方法与指标研究（8）絮凝水力条件的确定第2章 絮凝理论2.1 絮凝动力学研究水中胶体在絮凝过程中的颗粒浓度随时间的减少过程称为絮凝动力学。絮凝讨论絮凝的速度问题，只有具有一定速度的絮凝过程才能满足水处理
31、对出水水量的要求，因而才具有实际意义，所以对絮凝动力学的讨论水处理絮凝学的重要方面。根据产生颗粒的动力来源，可以把絮凝分为异向絮凝和同向絮凝。异向絮凝指胶体的相互碰撞是由于布朗运动引起的，由于布朗运动方向的不规律性，对某一个胶体颗粒来说，它可能同时受到来自各个方面的颗粒的碰撞，这就是称为“异向”的颗粒。由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集称为同向絮凝。当在同一方向上运动的两个颗粒间存在速度差，两个颗粒早垂直运动方向上的球心距离小于它们的半径之和时，速度快的颗粒将赶上速度慢的颗粒，从而相碰撞接触产生絮凝现象。2.2 接触絮凝理论当原水浊度较低时，除了采用助凝剂促进水中胶体和悬浮物混凝外，还可以采用高浓
32、度泥渣的接触絮凝方法以及微絮凝过滤法。接触絮凝是在澄清池内进行的。澄清池内浓度高达数千的活性泥渣是悬浮物和胶体的絮凝介质或称絮凝核心。根据混凝动力学方程，由于泥渣浓度很高，故而碰撞絮凝速度很快。而且原水经投药、混合后形成的絮凝颗粒粒径往往远小于泥渣颗粒粒径，更有利于泥渣对微絮粒的吸附絮凝。近年来，国外采用活性沙或无烟煤作为接触介质来替代澄清池内的泥渣，也已开始应用。活性砂是由粒径小于的粉沙粒经高分子混凝剂活化后形成。假设在悬浮液中仅有两种大小的颗粒，一种是初级颗粒，其粒径，一种是絮体及絮凝生成物，其粒径。由于，所以颗粒结合可看作恒等于颗粒，即 。1. 异向絮凝颗粒碰撞速率为：（太小可忽略） (
33、2-1) 式中：表示初级颗粒1和絮体2的相对速度，分别表示初级颗粒1和絮体2的粒径，分别表示初级颗粒1和絮体2的浓度。又， (2-2）， (2-3)式中：为波兹曼常数，。T为水的绝对温度，K。为颗粒1的质量，。为颗粒1的粒径。为颗粒的密度，。将(2-2)、（2-3）代入（2-1）得初级颗粒1和絮体2的碰撞速率为： (2-4)2.同向絮凝同理可得，颗粒碰撞速率为: (2-5)式中:G表示速度梯度,s-1。其它同上。3.二者比较（其中异向絮凝时G5，同向絮凝G=5100） (2-6)(1). 令，又，,G=5时，由此可知G5时，异向絮凝占主导。(2)令，又，,时，G=13.33，说明当G达到13.
34、33时，同向絮凝与异向絮凝所起的作用才相同。（3）令，G=5,时，说明只有很大，达到192.3时，同向絮凝才开始起主导作用。第3章 杯罐实验3.1 实验目的给水处理中的混凝工艺, 混凝剂的种类、投量、水力条件等是影响处理效果的重要因素。水力条件改变时, 所形成的絮体的尺寸、结构、强度及吸附特性等也会随着发生变化。因此, 确定合适的水力条件对于提高水质处理效果、指导实际生产具有重要意义。制造更优的混合和絮凝设备, 如何使设备所提供的水力条件更加有利于絮体的形成、更加有利于水质处理效果的提高，是我们通过研究絮凝水力条件的目的。3.2 实验内容1.处理方法选择与确定其最优pH值、最优投药量。研究不同
35、水样、不同浊度下可以选用的混凝剂种类及其相应最优pH值、最优投药量，探讨其耐冲击能力，并研究稳定出水水质的措施，从而筛选基本的给水处理方法。2.絮凝水力条件优化实验研究。探讨絮凝过程中速度梯度最优的时间分布，并考察水质条件和投药条件对速度梯度时间分布的影响。3.3 实验方法和设备3.3.1 实验方法本部分研究涉及的水样根据试验需要自行配制的水样有膨润土水样、煤泥水样、沸石粉水样等，根据试验所需浓度，采用重量法配制，其配水浊度有50NTU、100NTU、200NTU、400NTU、600NTU左右等的水样。实验采用杯罐实验法。具体的实验方法、步骤与控制参数见各部分实验内容的详细介绍。3.3.2
36、实验设备1.实验主体设备混凝搅拌实验机：实验机为湖北潜江市梅宇仪器厂生产的MY3000-6M型混凝搅拌实验机。搅拌桨板形式采用双平叶桨板，桨板直径d=50mm，高h=40mm。转速在10-800r/min之间可任意调节。混凝沉淀实验杯：实验杯利用有机玻璃自制。内径D=103mm，静态水深H=122mm，有效容积V=1000mL。在不同的高度设置取样口共3个，各取样水深分别为30mm、60mm和90mm，水平方向上三个取样口交错布置，其轴线水平投影夹角为120。我们用的取样口是水深60mm处的水样。搅拌器施加给水流的功率按许保玖先生介绍的式(3-1)计算。 式3-1适用于搅拌器和实验杯具有固定的
37、尺寸比例的情况。当D/d=2.5-4.0，H/D=0.61.6，h/d=1/51/3时，计算的功率应乘以校正系数f，f由式（3-2）计算。 W=14.35d4.38n2.690.690.31 （3-1）式中：W搅拌功率，W；d桨板直径，m；n转速，r/s；水的密度，1000kg/m3；水的动力黏度，Ns/m2。 (3-2)式中：D水样容器直径；H水样容器水深；h桨板高度；d桨板直径。对1m3水的搅拌功率P为： （3-3）搅拌的速度梯度G为： （3-4）六联搅拌器的桨板直径d=50mm，高h=40mm。实验杯的内径D=103mm，静态水深H=122mm。温度T=20时，水的动力黏度=0.001N
38、s/m2。将不同转速n代入（3-4）得搅拌器的速度梯度G如表3-1所示：表3-1 20时搅拌机转速与速度梯度的关系n/(r/min)102050100150200250300350G/s-11.82 4.63 15.87 40.33 69.57 102.4 138.3 176.7 217.5 n/(r/min)400450500550600650700750800G/s-1260.2 304.9 351.3 399.4 449.0 500.0 552.4 606.1 661.1 2.主要水质指标的分析方法与设备（1） 剩余浊度的测定：美国哈希出品的306_2100an台式浊度仪，测量范围为01
39、0000NTU。（2） pH值和温度的测量：美国哈纳出品的HI2223专业实验室 pH/ORP/温度测定仪，pH值测量范围为-2.0016.00，温度范围是-20.0120.0。3.3.3混凝剂的选择和机理此次实验用的混凝剂是铝盐混凝剂，由于SO42-可能有较大的影响，所以选择的是氯化铝。铝离子Al3+的水解基本反应有：Al3+HOAl(OH)2+H；Al3+2HOAl(OH)2+H；Al3+3HOAl(OH)33H；Al3+4HOAl(OH)4-4H；2Al3+2HOAl2(OH)24+2H；3Al3+4HOAl3(OH)45+4H；Al(OH)3（无定形）Al3+2OH。有反应式可知，铝离
40、子通过水解产生的物质分为4类：未水解的水合离子；单核羟基配合物；多喝羟基配合物或聚合物；氢氧化铝沉淀物。对铝盐混凝剂而言，当pH3时，简单水和铝离子Al(HO)3+可起压缩双电层作用。带在给水处理中，这种情况很少见；在pH=4.56.0范围内（视混凝剂投量不同而定），主要是多核羟基配合物对负电荷胶体起电性中和作用，凝聚体比较密实；在pH=77.5范围内，电中性氢氧化铝聚合物Al(OH)3n可起吸附架桥作用，同时也存在某些羟基配合物的电性中和作用。天然水的pH值一般在6.57.8之间，铝盐的混凝作用主要是吸附架桥和电性中和，两者何以为主，决定于铝盐投加量；当铝盐投加量超过一定限度时，会产生“胶体
41、保护”作用，使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定（常称“再稳”现象）；当铝盐投药量再次增大、超过氢氧化铝溶解度而产生大量氢氧化铝沉淀物时，则起网捕和卷扫作用。实际上，在一定的pH值下，几种作用都可能同时存在，知识程度不同，这与铝盐投加量和水中胶体含量有关。如果水中胶粒含量过低，往往需投加大量铝盐混凝剂使之产生卷扫作用才能发生混凝作用。223.4 絮凝试验研究3.4.1 试验目的根据原水的水质特点，本研究采用调节pH值和调节投药量相结合的处理法为主导处理工艺。混凝实验的目的，在于分别探讨不同浊度原水处理的化学条件。主要内容为pH值，混凝剂种类、投量对混凝效果的影响及其最优条件的确定。3.4
42、.2 试验研究试验方法：研究采用混凝杯罐试验法，试验装置如前所述。试验水力条件（如表3-2） 表3-2 混凝水力条件段号时间/min转速/ r/min加药G/s-1T/预混阶段11400258.320混合阶段21800656.120絮凝阶段31200101.720阶段4215069.120阶段5212051.220阶段6101004020沉淀阶段7200201. 煤泥水样浊度100NTU实验（1）水样原水水样用50g煤泥与60L自来水均匀混合。用浊度仪和酸度计测量得到如下结果：原水浊度：123NTU；pH值：7.77；水温：17.5。煤泥的特点： 1、粒度细、微粒含量多，尤其是小于200目的微粒约占70%90%. 2、 持水性强，水分含量高。经圆盘真空过滤机脱水的煤泥含水一般在30%以上；折带式过滤机脱水的煤泥含水在26%29%;压滤机脱水的煤泥含水在20%24%. 3、 灰分含量高，发热量较低。按灰分及热值的高低可以把煤泥分成三类：低灰煤泥灰分为20%32%，热值为12.520MJ/kg;中灰煤泥灰分为30%55%，热值为8.412
