淺析混凝沉降實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)際工藝的差異

劉 歡

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇徐州221008)

在給水和廢水處理中，混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒工藝是最基本的的工藝，尤其是混凝工藝起著關(guān)鍵性作用.混凝處理的好壞直接影響著整個(gè)工藝的處理狀況，在實(shí)踐中良好的混凝工藝，可以提高出水效果，降低處理成本.

目前，在實(shí)驗(yàn)室中模擬混凝沉降工藝的方法有燒杯攪拌實(shí)驗(yàn)和玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)，其中最基本最原始的是玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察添加過(guò)一定量混凝劑并混勻的水樣在玻璃量筒內(nèi)的沉降效果和沉降速度，可以對(duì)實(shí)際沉降工藝中混凝劑的投加量、種類、投加范圍有一定的指導(dǎo)及促進(jìn)作用.但玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)并不是嚴(yán)格按照實(shí)際沉降工藝來(lái)進(jìn)行的相似模擬實(shí)驗(yàn)，忽略了實(shí)際沉降工藝中很多重要的條件和特征，所以用玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際沉降工藝存在著很大的局限性.

1 實(shí)際混凝沉降工藝的特點(diǎn)及問(wèn)題

水的混凝沉降工藝主要可分為混合、反應(yīng)和沉降三個(gè)階段，需要分別在混合器、反應(yīng)器和沉降器中完成.通常在混合器前還需要設(shè)置藥液制備和投加計(jì)量設(shè)備.混合器的主要作用就是讓絮凝劑與水盡快而充分地混合，常用的混合設(shè)備有以下幾種:水泵混合、管道混合、壓力式孔板混合、機(jī)械攪拌混合、渦流式混合及射流混合等.藥劑與水混合后進(jìn)至反應(yīng)器.反應(yīng)器的主要作用是促進(jìn)顆粒的碰撞，形成易于沉降的大絮體.工業(yè)上常用的反應(yīng)器有水力式反應(yīng)池(如渦流式、隔板式、旋流式、網(wǎng)格式、折板式反應(yīng)池等)和機(jī)械攪拌反應(yīng)池.藥劑與水中的懸浮顆粒形成大絮體后進(jìn)至沉降器.對(duì)于低濃度水，一般采用沉淀池、澄清池進(jìn)行沉降;而高濃度水的混凝沉降就需要濃縮池(機(jī)).主要介紹濃縮池(機(jī))的工藝特點(diǎn)及存在的問(wèn)題.

分散系的混凝沉降行為有三種類型，一是在低濃度下，具有膠體穩(wěn)定性的即未發(fā)生絮凝的單個(gè)粒子的自由沉降;二是在高濃度的混凝體系中的沉降，成為區(qū)域沉降;三是壓縮狀態(tài)，此時(shí)可認(rèn)為粒子停止了從流體中的降落，而是以物理方式相互接觸，同時(shí)由于它們上方存在的粒子的質(zhì)量而被壓縮.在區(qū)域沉降的情況下，宜采用的設(shè)備是重力濃縮器，目前80%以上的混凝劑都是被用于重力澄清和濃縮池[1].壓縮狀態(tài)常發(fā)生于許多濃縮器中，它對(duì)流出液的濃度有重要影響.濃縮池(機(jī))是一種連續(xù)工作的濃縮和澄清設(shè)備，它主要用于濕式選礦作業(yè)中精、尾礦漿的脫水，也廣泛用于煤炭、鋼鐵、化工、建材、水源和污水處理等行業(yè)中固料漿的濃縮和凈化.目前，國(guó)內(nèi)外凈水廠排泥水處理系統(tǒng)一般主要采用調(diào)節(jié)、濃縮、脫水、處置四道基本工序.不同的水廠在各道工序的具體處理方式上有所差異，也可以根據(jù)不同處理水質(zhì)，合理選擇增加前處理工序.在整個(gè)工藝過(guò)程中，濃縮是關(guān)鍵[2].生產(chǎn)廢水濃縮的主要目的在于提高生產(chǎn)廢水含固率，達(dá)到減容的目的，并符合后續(xù)脫水機(jī)械的最佳操作條件.濃縮的方法有重力濃縮、氣浮濃縮、微孔濃縮、隔膜濃縮以及生物浮選等.由于重力濃縮工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉，給水廠生產(chǎn)廢水一般采用此種濃縮方式.污泥濃縮效果的好壞(濃縮后污泥含水率的高低)將直接影響污泥脫水效果，決定脫水工藝運(yùn)行成本.污泥濃縮效率低，則污泥在濃縮池中的停留時(shí)間長(zhǎng)，濃縮池污泥負(fù)荷低，導(dǎo)致濃縮池基建費(fèi)用高，運(yùn)行管理費(fèi)用加多，且容易因停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成污泥腐敗乃至濃縮效果的惡化.目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的重力濃縮池和氣浮濃縮池都存在著污泥負(fù)荷低、停留時(shí)間長(zhǎng)和濃縮后污泥含水率較高等問(wèn)題[3].

連續(xù)型重力濃縮池可采用沉淀池形式，一般為豎流式或輻流式.豎流式濃縮池的基本工作狀況是:泥水從中心筒進(jìn)入濃縮池，在中心筒下方的環(huán)形擋流板的作用下會(huì)形成一定的上升水流，絮體隨水流上升到一定高度后便開(kāi)始沉降，沉降下來(lái)后形成的污泥由池底(底流)排出，而澄清水從池上部的溢流堰溢出[4].結(jié)合實(shí)際工藝經(jīng)驗(yàn)，濃縮池處理單位重量所需面積一般為0.47 ～0.93 m2/t·d[5]，停留時(shí)間一般為 3 ～5 h，上升流速一般為12～25 mm/s.

2 混凝沉降實(shí)驗(yàn)及其特點(diǎn)

混凝沉降實(shí)驗(yàn)是篩選混凝劑并確定它們的應(yīng)用條件的最普遍的方法.其中玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)是最基本最原始的方法.將實(shí)驗(yàn)分散系置于玻璃量筒中，加入試劑并混勻，然后觀察效果，最常觀測(cè)的是界面的沉降速度及上清液的殘余濁度.玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)如果加藥適當(dāng)?shù)脑?，一般不?0 min就能達(dá)到很好的沉降效果[6].

混凝沉降實(shí)驗(yàn)的目的是為獲得可重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)條件.當(dāng)使用水解鹽類(如硫酸鋁、氯化鋁、三氯化鐵、硫酸鐵等)作為絮凝劑時(shí)，絮凝劑與水介質(zhì)間發(fā)生很迅速的化學(xué)反應(yīng);當(dāng)使用聚合物(如聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚合氯化鐵、聚丙烯酰胺)絮凝劑時(shí)，常常發(fā)生迅速的不可逆吸附.這些現(xiàn)象都要求做到迅速混合，因而實(shí)驗(yàn)時(shí)少量的試劑必須被加入到一個(gè)體積大得多的分散系中去.為了利于混合，所用的聚合物一般配制為很稀的溶液，例如0.01%的濃度.對(duì)于濃分散體系，容器實(shí)驗(yàn)時(shí)的機(jī)械攪拌不能一直像在脫穩(wěn)反應(yīng)中那樣快，任何過(guò)強(qiáng)的攪拌都會(huì)導(dǎo)致絮體的降解.一般的方法是迅速將試劑加入盛有分散系的試管中，封閉試管然后顛倒幾次以達(dá)到混合目的.

由于一個(gè)適宜的聚合物絮凝劑僅能在一個(gè)很狹小的濃度范圍內(nèi)發(fā)揮其效能，因此實(shí)驗(yàn)必須在一個(gè)很大的投藥范圍內(nèi)并且以相當(dāng)小的濃度間隔進(jìn)行[1]，如:1、3、10、30、100 mg/L 等.

在混凝沉降實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為得到可靠的結(jié)果，必須嚴(yán)格做到如下幾點(diǎn)[7]:

(1)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中圓筒形容器應(yīng)該是垂直的.

(2)圓筒形容器必須為真正的圓筒形，許多玻璃圓筒從上到下漸漸變細(xì)，而且底面實(shí)際上是一凹面.器壁不垂直會(huì)顯著影響沉降速度.凹形的底面則使沉淀物體積的測(cè)量變得困難.

(3)體系必須能很好的進(jìn)行恒溫控制.

為此，在混凝沉降實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有機(jī)玻璃沉降柱及玻璃量筒底部都得進(jìn)行特殊處理，可以采取將圓盤(pán)狀薄片粘接于沉降柱和量筒的內(nèi)底部，使其完全水平;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)在恒溫室中進(jìn)行操作，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性.

3 從相似理論來(lái)解釋混凝沉降實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工藝的差異

模型試驗(yàn)是流體力學(xué)試驗(yàn)中的常用手段，是把自然界原體的物理現(xiàn)象通過(guò)相似原理在按一定比例縮小的模型中重演，用以研究水流運(yùn)動(dòng)、預(yù)報(bào)水流影響和工程效果.因此在試驗(yàn)研究中，只有模型上發(fā)生的現(xiàn)象與在原型上發(fā)生的現(xiàn)象相似時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果才有可能應(yīng)用到原型上去[8]而這種重演原體現(xiàn)象的理論就是"相似理論".相似理論是人們通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐、總結(jié)出來(lái)的用于指導(dǎo)自然規(guī)律研究的全新理論.它是把數(shù)學(xué)解析法和試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，用來(lái)研究和解決實(shí)際生產(chǎn)和工程中的問(wèn)題.

根據(jù)相似理論混凝沉降實(shí)驗(yàn)和實(shí)際沉降工藝在現(xiàn)象相似的的前提下，要滿足幾何尺寸、初始條件、運(yùn)動(dòng)條件、邊界條件和物理?xiàng)l件等單值條件的相似，才能達(dá)到相似的處理效果.玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)如果加藥適當(dāng)、混合充分的話，一般不到10 min就能達(dá)到很好的沉降效果;而實(shí)際沉降工藝(如重力濃縮池)達(dá)到相似沉降效果的停留時(shí)間卻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 min.從相似理論的角度分析，主要有以下三方面的不相似導(dǎo)致了這種明顯的差異.

(1)幾何尺寸不相似量筒從上到下都是圓形的，是真正的圓筒形容器.而重力濃縮池上面一部分是圓柱形的，下面一部分卻是圓錐形的傾斜面.

(2)初始條件不相似

量筒實(shí)驗(yàn)中絮凝劑和水樣的混合時(shí)間較長(zhǎng)(一般為3～5 min)，大絮體的形成較好，所以沉降速度快沉降效果好;而濃縮池混合時(shí)間很短(10～30 s)，難以做到混合均勻，大絮體的形成不夠充分，極大的影響了沉降的速度和效果.

(3)運(yùn)動(dòng)條件不相似

量筒實(shí)驗(yàn)中無(wú)上升水流，水樣基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，加藥后其形成的大絮體依靠自身重力沉降，并同時(shí)較完全地網(wǎng)捕卷掃沉降途中的細(xì)小顆粒，從而達(dá)到去除懸浮顆粒的目的，不僅沉降速度快而且出水水質(zhì)較好;而濃縮池中存在上升水流，絮體的沉降則受上升水流的阻力作用，沉降速度減慢，甚至使中、小絮體克服自身重力，懸浮于水體中或隨水體向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而隨溢流水從周邊溢流，使其出水濁度增高.另外濃縮池內(nèi)由于中心筒出口在一定的深度，有一部分大絮體就無(wú)法去網(wǎng)捕卷掃中心筒出口高度以上的微小懸浮固體和膠體雜質(zhì)，而是直接向下沉降.這樣就導(dǎo)致了中心筒出口高度以上的網(wǎng)捕卷掃作用很不充分，這一部分的微小懸浮固體和膠體雜質(zhì)還需要慢慢相互聚結(jié)而變?yōu)檩^大的微粒才能沉降下來(lái).這樣一來(lái)就極大的延長(zhǎng)了混凝沉降時(shí)間.

4 結(jié)語(yǔ)及展望

混凝沉降工藝在給水和廢水處理中均是不可缺少的工藝環(huán)節(jié)，因而研究其實(shí)驗(yàn)室模擬并用來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐具有極其重要的意義.筆者介紹了目前國(guó)內(nèi)外的主流混凝沉降工藝的過(guò)程和形式，重點(diǎn)介紹了應(yīng)用最為廣泛的濃縮池(機(jī))的工作情況和特點(diǎn)，并指出了其存在的不足.從相似理論的角度分析，指出了玻璃量筒沉降實(shí)驗(yàn)和實(shí)際沉降工藝的差異.筆者認(rèn)為今后的混凝沉降實(shí)驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)一步符合相似理論，即要滿足一個(gè)或多個(gè)相似準(zhǔn)則，從而更加合理地模擬實(shí)際沉降工藝，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果能更好地用來(lái)指導(dǎo)和促進(jìn)實(shí)際沉降工藝的改進(jìn)，達(dá)到更快更好的處理效果.

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