混凝沉淀工藝相似性的模擬試驗研究

童禎恭，衷 誠, 馮治華，童承乾，劉 名

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌330013）

混凝是水處理工藝中最重要的環(huán)節(jié)之一，混凝效果直接影響處理效果的好壞[1-2]。 混凝效果的影響因素很多[3]，如何調(diào)試影響混凝和沉淀效果的各項參數(shù)（如原水流量、pH、溫度、混凝劑量、濃度等)對混凝沉淀法處理水源水具有至關(guān)重要的作用。 其中，混凝沉淀燒杯試驗是研究控制和調(diào)試混凝過程用到的最廣的方法，可以反映混凝沉淀過程中諸多因素間的復(fù)雜關(guān)系[4]，為自來水廠的運行或工藝的技術(shù)改造提供參考數(shù)據(jù)。調(diào)查表明，我國大多數(shù)自來水廠混凝沉淀燒杯試驗的運行參數(shù)速度梯度G 值是通過理論計算或者現(xiàn)場實際測得來的，但是由于試驗方法的不規(guī)范和測定方法的局限性，其結(jié)果往往與實際相差甚遠(yuǎn)[5]。因此，研究如何準(zhǔn)確模擬出速度梯度G 值，對整個混凝沉淀燒杯試驗的準(zhǔn)確性是非常有意義的，對生產(chǎn)具有實際指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器與試劑

SC2000-6E 梅宇牌混凝試驗攪拌儀、網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池10 m3·h-1、TDT-2 型濁度儀、電子分析天平、PAC（聚合氯化鋁）

網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池平面圖如圖1。

1.2 實驗水樣

試驗用水取自江西某高校內(nèi)的湖水。 其水質(zhì)指標(biāo)：濁度范圍7～9 NTU、水溫20～25℃、pH 值6.5～7.5，氨氮3.5～7.6 mg·L-1，總磷1.7～1.9 mg·L-1，高錳酸鹽指數(shù)15.6～17.6 mg·L-1，總硬度0.6～0.7 mg·L-1。

1.3 實驗方法

參照中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《混凝沉淀燒杯試驗方法》[6]CECS130：2001。 標(biāo)準(zhǔn)試驗方法在確定混合、絮凝攪拌轉(zhuǎn)速和時間的模擬試驗中先是測定混合和絮凝過程中的速度梯度，然后設(shè)定不同的攪拌時間來確定模擬操作參數(shù)，而方法中并有提到如何測定速度梯度，實際中沒有直接測定速度梯度的儀器，通常的做法是測定設(shè)備中的水頭損失，然后根據(jù)甘布公式[7]求得速度梯度。 這樣得出的模擬參數(shù)與實際相差甚遠(yuǎn)，參考價值不高。

為此，本文提出一種改進(jìn)方法，能比較快捷并準(zhǔn)確的得出與實際相接近的模擬參數(shù)。 具體做法如下：因為水流在設(shè)備中的停留時間采用的是理論計算值與有效值相差甚微，理論計算值不影響其應(yīng)用價值[8]，所以該改進(jìn)方法首先確定攪拌時間，然后設(shè)定不同的攪拌轉(zhuǎn)速來確定模擬操作參數(shù)，這樣避免了測定速度梯度造成的誤差，大大提高了模擬參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖1 網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池平面圖（單位：mm）Fig.1 Planar graph of the sedimentation tank with grid flocculation inclined tube （mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 混合攪拌轉(zhuǎn)速和時間的確定

混合時間根據(jù)加藥點到網(wǎng)格1 進(jìn)水口的距離和管徑確定，加藥點至網(wǎng)格1 進(jìn)水口的距離是3.87 m ，管徑是DN40，計算出的混合時間為t1。 模擬試驗具體步驟如下：第1 步：確定t1 值，在網(wǎng)格絮凝池進(jìn)口處取實際生產(chǎn)中的混合后水樣1 000 mL，立即置于六聯(lián)攪拌儀的設(shè)定位置，并設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，攪拌5 min。 程序運行完成后靜置5 min 后取樣測定濁度；第2 步：將一組攪拌杯裝好試驗用水各1 000 mL 置于攪拌儀設(shè)定位置，設(shè)定混合時間為t1 ，同時各攪拌杯設(shè)定不同的混合攪拌轉(zhuǎn)速，接著設(shè)定攪拌轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，攪拌5 min；第3 步：程序設(shè)置完成后，加入與網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池使用相同品種和投藥量的藥劑，然后啟動攪拌儀，攪拌至設(shè)定的時間，各攪拌杯靜置5 min 后取樣測定濁度；第4 步：重復(fù)第2，第3 步，直到某一個攪拌杯水樣的濁度與第1 步測定濁度相同或相近，則該攪拌杯設(shè)定的攪拌轉(zhuǎn)速和時間即為模擬的混合攪拌轉(zhuǎn)速和時間。 結(jié)果見表1。

表1 混合階段最佳模擬攪拌轉(zhuǎn)速和時間Tab.1 The optimal simulation stirring speed and time at mixing stage

根據(jù)上述結(jié)果得混合模擬試驗曲線，見圖2。

圖2結(jié)果表明，T 隨流量的增大而減小， 攪拌轉(zhuǎn)速n 隨流量增大而增大。 Q-T 曲線符合冪函數(shù)方程T=23.583Q-1.022(復(fù)確定系數(shù)R2=0.985 1>0.95)，由于該凈水設(shè)備投藥點至網(wǎng)格1 進(jìn)水口的距離比較短，使得混合時間比較快，時間T 值出現(xiàn)了小數(shù)點。且六聯(lián)攪拌儀的程序中時間的設(shè)置是整數(shù)，所以表1中時間參數(shù)是四舍五入后所得。 理論上Q-T 的曲線應(yīng)符合方程T=22.628Q-1(R2=1)，系數(shù)22.628 是從投藥點到網(wǎng)格1進(jìn)水口之間管道內(nèi)水樣體積。Q-n 曲線符合指數(shù)方程n=132.58e0.1705(R2=0.991 8>0.95)，根據(jù)該方程可以計算各個流量下對應(yīng)的混合攪拌轉(zhuǎn)速。

2.2 絮凝攪拌轉(zhuǎn)速和時間的確定

將網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池的絮凝攪拌轉(zhuǎn)速和時間劃分為3 段，前段為網(wǎng)格1，2，3，4，5，6；中段為網(wǎng)格7，8，9，10；末段為網(wǎng)格11，12。 方法參照上述混合攪拌轉(zhuǎn)速和時間的確定方法。

實驗結(jié)果見表2。

圖2 混合試驗?zāi)M圖Fig.2 The simulation diagram of mixing experiment

表2 絮凝階段最佳模擬攪拌轉(zhuǎn)速和時間Tab.2 The optimal simulation stirring speed and time at flocculation stages

根據(jù)表2得絮凝階段各段模擬試驗曲線，見圖3。

圖3 絮凝階段試驗?zāi)M圖Fig.3 The simulation diagram of flocculation stages

網(wǎng)格每段中的水力停留時間是通過理論計算得來，結(jié)合絮凝前、中、末階段Q-T 和Q-n 的曲線擬合結(jié)果（見圖3），Q 和T 符合關(guān)系式Q=VT， 前、中、末各階段的Q-T 曲線方程分別是T=256 5 Q-1，T=171 0 Q-1，T=855 Q-1； 三段的Q-n 曲線均符合冪方程，分別 是n=67.496e0.1498Q（R2=0.999 4＞0.95)、 n=20.452e0.2451Q（R2=0.993 2＞0.95）、n=19.777e0.1131Q（R2=0.994 2＞0.95）， 根據(jù)曲線方程可以確定不同流量下對應(yīng)的絮凝攪拌轉(zhuǎn)速。

圖4 沉淀試驗?zāi)M圖Fig.4 The simulation diagram of settling experiment

2.3 沉淀時間的確定

根據(jù)2.1 和2.2 實驗結(jié)果，分別計算出絮凝池出水在沉淀池的清水區(qū)和斜管中的沉淀時間，參照計算結(jié)果設(shè)定一系列沉淀時間進(jìn)行實驗。 試驗方法參照上述混合和絮凝攪拌轉(zhuǎn)速和時間的確定方法。

沉淀燒杯試驗?zāi)M結(jié)果見圖4。

圖4中曲線符合指數(shù)方程T=134.82 Q-0.821（R2=0.996 5＞0.95）， 根據(jù)曲線方程可以確定不同流量下對應(yīng)的燒杯試驗所需的沉淀時間。

2.4 混凝沉淀燒杯試驗確定最佳投藥量

根據(jù)2.1，2.2，2.3 的研究結(jié)果，設(shè)置試驗條件如下：試驗流量采用6 m3·h－1；孔目湖原水，濁度為8.32 NTU，pH＝7.23，水溫約為20℃；混凝劑選用PAC，濃度1%；混合時間為4 s，轉(zhuǎn)速400 r·min-1；絮凝參數(shù)分別控制為：第1 階段反應(yīng)時間為428 s，轉(zhuǎn)速為165 r·min-1；第2 階段反應(yīng)時間為285 s，轉(zhuǎn)速為80 r·min-1；第3 階段反應(yīng)時間為143 s，轉(zhuǎn)速為40 r·min-1；沉淀時間為30 min。 試驗結(jié)果如表3所示。

表3 混凝沉淀燒杯試驗記錄表Tab.3 Record of coagulation sedimentation beaker test

由表1-3 可以初步確定網(wǎng)格絮凝斜板沉淀池的最佳投藥量為45 mg·L-1，此時濁度去除率達(dá)到95%。

根據(jù)經(jīng)驗自來水廠正常運行的投藥量在10 mg·L-1左右，該實驗中網(wǎng)格絮凝斜板沉淀池的最佳投藥量為45 mg·L-1，投藥量偏大，主要原因是實驗水樣受到生活污水的污染，綜合表現(xiàn)已經(jīng)超出Ⅴ類水源的范圍。 如表4所示。

表4 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V 類水標(biāo)準(zhǔn)限值對比表Tab.4 The contrast of the fifth level limit for surface-water environment quality standard

實驗室進(jìn)行燒杯試驗的方法同標(biāo)準(zhǔn)方法一致，實測出設(shè)備的速度梯度（原水水質(zhì)及混凝劑選用同前），然后計算出攪拌轉(zhuǎn)速（具體參數(shù)如下：混合時間為4 s，轉(zhuǎn)速800 r·min-1；絮凝參數(shù)分別控制為：第1 階段反應(yīng)時間為428 s，轉(zhuǎn)速為76 r·min-1；第2 階段反應(yīng)時間為285 s，轉(zhuǎn)速為76 r·min-1；第3 階段反應(yīng)時間為143 s，轉(zhuǎn)速為67 r·min-1；沉淀時間為30 min。 ），由此得出的參數(shù)做的混凝沉淀燒杯試驗確定的最佳投藥量如表5所示。

表5 混凝沉淀燒杯試驗記錄表Tab.5 The record of coagulation sedimentation beaker test

由表5可以初步確定原始方法得出網(wǎng)格絮凝斜板沉淀池的最佳投藥量為70 mg·L－1。

2.5 運行分析

根據(jù)方法改進(jìn)后進(jìn)行的最佳投藥量的試驗結(jié)果（表3）指導(dǎo)網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池的運行，當(dāng)反應(yīng)池的工作流量為6 m3·h－1時，投藥量為44 mg·L－1，工作穩(wěn)定后沉淀池的出水濁度為0.461 NTU，這與混凝沉淀燒杯試驗45 mg·L－1投藥量和沉淀后0.456 NTU 濁度的結(jié)果非常接近；反應(yīng)池的工作流量為2 m3·h－1時，投藥量為44 mg·L－1， 反應(yīng)池工作穩(wěn)定后沉淀池的出水濁度為0.326 NTU， 這與混凝沉淀燒杯試驗45 mg·L－1投藥量和沉淀后0.368 NTU 濁度的結(jié)果同樣非常接近。

根據(jù)使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行的最佳投藥量的試驗結(jié)果（表5）指導(dǎo)網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池的運行，當(dāng)反應(yīng)池的工作流量為6 m3·h－1時，投藥量為70 mg·L－1，工作穩(wěn)定后沉淀池的出水濁度為4.285 NTU，這不僅與混凝沉淀燒杯試驗70 mg·L－1投藥量和沉淀后0.678 NTU 濁度的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，且濁度不滿足出水要求。

因此，改進(jìn)后的混凝沉淀燒杯試驗方法得出的混合、絮凝、沉淀參數(shù)與反應(yīng)池實際運行參數(shù)非常接近，有實際應(yīng)用價值，且在生產(chǎn)中可以根據(jù)實際流量從模擬曲線中查出相應(yīng)的攪拌轉(zhuǎn)速和時間。

3 結(jié)論

1） 通過網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池的運行生產(chǎn)，可推廣改進(jìn)后的混凝沉淀燒杯試驗方法到自來水廠，以該試驗方法確定混凝沉淀攪拌的速度梯度G 值和停留時間T 值，通過混凝沉淀燒杯試驗確定的最佳投藥量與實際生產(chǎn)效果基本相同。

2） 在實際生產(chǎn)中，不同季節(jié)源水的水質(zhì)、水溫，用水量的變化會引起凈水構(gòu)筑物運行參數(shù)的變化，所以混凝沉淀燒杯實驗改進(jìn)后的方法可以為自來水廠建立完整的運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫，為水廠的維護(hù)和管理提供方便。

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