混凝技术

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1.5 水与混凝剂的混合与絮凝反应
混凝剂的配制与投配 混合设备 絮凝反应设备
一、混凝剂的配制与投配
由于混凝剂配制过程中劳动强度较大，工作条件较差，因此在设计中必须考虑工人运转操作的方便，并保持一个良好的工作环境。
混凝剂的投配分干投法与湿投法，我国大都用湿投法。如混凝剂是块状或粒状，则需先加以溶解，配成一定浓度后再投入水中，因此需要一套溶药、配药及投药设备。
溶药池是把块状或粒状的药剂溶解成浓溶液，对难溶的药剂或在冬季水温低时，还可用蒸气或热水来加热，但一般只要适当搅拌即可溶解，药剂溶解后可流入溶液池，配成一定浓度，配制时也要适当搅拌，设计中每班配制溶液次数不宜过多。
药剂的溶解应视用药量大小，药剂的性质可采用水力，机械或压缩空气等搅拌方式。一般药量小时采用水力搅拌，药量大时采用机械搅绊。
溶液池应采用两个，交替使用。池子的出液管宜高出池底100毫米，保证药剂中的杂质不被带出。
溶药池、溶液池、搅拌设备、泵及管道都应考虑防腐。当采用FeCl3时，工作间的墙面和地面也要考虑防腐。
药剂的溶解、配液、投加过程可见下图：

溶液池的容积Ｗ 可按下式计算：
(1.25)
式中 a——混凝剂最大用量（毫克／升）；
Q——处理的水量(米3／小时)；
b——溶液浓度，按药剂固体重量百分数计算，一般用10-20；
n——每昼夜配制溶液的次数，一般为2—6次，甩手工操作时不宜多于3次。
溶药池的容积Ｗ1可按下式估算：
Ｗ1＝（0.2～0.3）Ｗ (1.26)
下图所示为水力溶药池，水从切线方向进入溶药池溶解药剂，然后溢流入溶液池，其结构简单，使用方便，适宜于小水量。

当用石灰调节水的碱度时，还要考虑将石灰粉碎，用量大时，宜设粉碎机，可用生石灰(市售石灰含40—80％CaO)制成石灰饱和溶液或石灰乳(可按纯CaO含量的2～5％考虑)再行投配，石灰乳的配制要用机械或水泵搅拌，石灰溶液中杂质较多，易堵塞管嘴。图1.11为水泵搅拌系统示意图。
药液的投配应能准确计量、灵活调节、设备简单、便于操作。采用计量泵最简便可靠，我国生产的计量泵型号较多，足以供给投药使用。
水射器也是常用的一种设备，它用于向压力管内投加药液，因一般水厂内的给水管都有较高压力，因此使用方便，见图1.12。


重力投加系统中常用孔口计量设备，见图1.13，药液液位由浮球阀保持恒定，在液位h的作用下孔口的出流量是不变的,只要调节孔口的大小就可调节加药量。孔板的构造可见图1.14。

投药管道与零件宜用耐酸材料，并要便于冲洗，疏通。
药剂仓库应在加药间旁，尽量靠近投药点，药剂的固定储量一般按15～30天最大投药量计算，其周转储量根据供药点的远近与当地运输条件而异。
二、混合设备
混合的作用在于迅速、均匀地将药剂扩散到水中。药液进一步溶解和它所产生的胶体与水中的胶体、悬浮物等接触后，就形成了微小的矾花。这一过程要求水流产生激烈的湍流，当使用多种药剂时，可根据试验结果先后加入水中。当专设混合池时，其混合时间一般不得超过2分钟。
药剂的混合可用机械或水力的方法。
机械混合可用浆板式搅拌机，因能调节转速，适应不同水质，故混合效果好，消耗的功率可按每立方米设备容积需要0.75千瓦来估算。图1.15所示为浆板式机械混合池。

当一泵站与絮凝反应设备距离很近时，一般尽量利用水泵叶轮进行混合。将药液加于水泵吸水管或吸水井中，可以得到好的混合效果。此法可节省设备，但对水泵叶轮有轻微腐蚀，使用时应注意避免空气进入水泵。
如一泵站距反应池较远，此时可将药剂溶液投入离反应池前一定距离(应不小于50倍管道直径)的进水管中，使药剂与水在管道内混合，也有较好的效果。
水力混合可采用隔板式(参看隔板式反应池)，穿孔板式(图1.16)和涡流式(图1.17)等设备。


三、絮凝反应设备
在混合作用完成后，水中胶体等微小颗粒已经有初步凝聚现象，产生了细小的矾花，其尺寸可达5微米以上，虽比水分子大得多，不再产生布朗运动，但还没有达到完全靠重力能下沉那样的尺寸(例如0.6～1.0毫米)。絮凝反应设备(简称反应设备)的任务就是使细小矾花逐渐絮凝成较大颗粒而便于沉淀。这种设备须满足下列要求：
1．要求水流有适当的紊流程度，为细小的矾花创造最好的相碰接触机会和吸附条件，并防止较大的矾花下沉。紊流程度太强烈，虽然相碰接触机会更多，但相碰太猛，也不能互相吸附。当矾花逐渐长大时，则更易破碎，所以在矾花长大过程中，最好逐渐降低紊流程度。
2.为了让矾花逐渐长到0.6～1.0毫米的尺寸，有一个过程，也就需要有一个搅拌时间，在这个时间内。经过紊动搅拌，微粒不断相碰、结合，尺寸逐渐变大，数目逐渐变少。
矾花长大资料 表1.2
反应时间 30秒 1分钟 5分钟 10分钟 25～35分钟
粒度 40 80 0.3毫米 0.5毫米 0.6毫米
表1.2 给出了矾花逐渐长大的资料。图1.18为局部矾花结构示意图。图中以短线 (有的接近小点)表示混凝剂所产生的胶体。从图中可看出各种颗粒大小的相对关系(但不包括高分子助凝剂所产生的胶体)。

反应设备的主要设计参数为搅拌强度与搅拌时间。
搅拌强度常用相邻两水层中两个颗粒运动的速度梯度来表示。速度梯度以G表示，是指由于搅拌在垂直水流的dy距离上的速度差du的比值
(1.27)

图l.19(a)表示在dy长度内，流速u没有增量，即du=0的情况，两个颗粒继续前进时，仍然保持dx距离，因此不能相撞。图1.19(b)表示在2y长度内，流速u增量du≠0的情况，d1颗粒的速度为u+du，du>0，因此当它们继续前进时，d1颗粒一定会追上d2颗粒，但要发生两个颗粒相碰的现象，还需dy≤½(d1+d2)这个条件。
正是由于这个速度差，才引起相邻水层的两个颗粒的碰撞。速度差越大，速度快的颗粒越易赶上速度慢的颗粒，而间距越小也越易相碰。可以认为速度梯度G实质上反映了颗粒碰撞的机会或次数。
根据水力学原理，两层水流间的摩擦力F和水层接触面积A间有如下关系：
(1.28)
单位体积液体搅拌所需功率为
(1.29)
将式(1.28)代入（1.29）即得
(1.30)
式中P——单位体积水流所需功率(公斤•米／秒•米3)；
μ——水的动力粘滞系数(公斤•秒／米2)；
G——水流速度梯度(秒-1)。
当用机械搅拌时，P即为单位体积液体所耗机械的功率。当用水力搅拌时，式中P可按水头损失计算：
(1.31)
式中Q——池中流量（米3/秒）；
γ——水的容量（公斤/米3）；
h——水流过池子的水头损失（米）；
V——池容量（米3）。
根据目前给水和废水处理已有的反应池运转数据的计算，平均速度梯度G值约在10～100秒-1范围内。GT值可间接地表示整个反应时间T内颗粒碰撞的总次数，可用来控制反应效果，如G已定的条件下，可增加T来改善反应效果。GT值在104～105 之间。
从混合的搅拌反应看，混合时间小于2分钟时可用G＝500～1000秒-1，混合时间达5分钟时G<500～1000秒-1。
根据研究，颗粒间碰撞的机率N与速度梯度G的关系如下：
(1.32)
式中N——单位时间的单位体积溶液中的颗粒碰撞次数
n1n2——单位体积内具有d1、d2颗粒的数目。因实际水流中颗粒的组成与水流运动状况很为复杂，上式只是粗略说明：在颗粒浓度和粒径一定的条件下，颗粒间相碰的次数是与水流速度梯度有关。在G值的推导中，应用层流的概念在理论上也是有缺陷的，但在实际应用中速度梯度G还是为公众所接受的。
当同一种颗粒时，假定部分颗粒相撞后将永远粘结在一起，则经过搅拌时间t后，总的颗粒数将下降为
(1.33)
式中，n——t时的总颗粒数(颗粒浓度)；
n0——为0时的总颗粒数；
a0——碰撞后粘结在一起的次数占总次数的分数；
t——搅拌时间；
G——搅拌强度(速度梯度)；
——t为0时单位液体中颗粒所占体积(颗粒的体积比)
(1.34)
d——t为0时颗粒的直径。
从式（1.33）中可看出，当n0、a0、G、及t都是常数时n值与e成反比关系，即颗粒的原体积比大，n值就小，说明在接触凝聚中，保持一定的悬浮层颗粒体积浓度对去除水中的矾花的重要性(参看下章澄清池)。
近年来一些研究者提出应以G•T•C值控制反应效果，理由是反应效果与水中颗粒浓度有关，常有这样的情况，当低浓度时反应设备的效率就降低，如果人工投加粘土就能改进效果。有的资料建议GTC值控制在100左右为好。
一般情况下，可以用搅拌器，烧杯做混凝的模拟试验。在一定的水温与控制合适的搅拌强度与时间的条件下，用不同混凝剂种类和投量，调节不同的水的pH值做试验，看混凝效果，从而确定最佳(指试验条件下的)pH值及投加量。
我国大多采用水力搅拌的反应设备，其搅拌强度可由水流速度来控制，搅拌时间即水在反应设备中的停留时间，一般采用5—30分钟。
新建水厂常用机械式反应池，反应时间通常采用15—30分钟，池内一般设3—4挡搅拌机，搅拌机的转速系根据浆板半径中心处的线速度算，线速度一般自第一挡的0.5米／秒逐渐减小至末挡的0.2米／秒。水平轴机械式反应池见图1.20。