刘 欢

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008)

在给水和废水处理中，混凝、沉淀、过滤、消毒工艺是最基本的的工艺，尤其是混凝工艺起着关键性作用.混凝处理的好坏直接影响着整个工艺的处理状况，在实践中良好的混凝工艺，可以提高出水效果，降低处理成本.

目前，在实验室中模拟混凝沉降工艺的方法有烧杯搅拌实验和玻璃量筒沉降实验，其中最基本最原始的是玻璃量筒沉降实验，通过观察添加过一定量混凝剂并混匀的水样在玻璃量筒内的沉降效果和沉降速度，可以对实际沉降工艺中混凝剂的投加量、种类、投加范围有一定的指导及促进作用.但玻璃量筒沉降实验并不是严格按照实际沉降工艺来进行的相似模拟实验，忽略了实际沉降工艺中很多重要的条件和特征，所以用玻璃量筒沉降实验来指导实际沉降工艺存在着很大的局限性.

1 实际混凝沉降工艺的特点及问题

水的混凝沉降工艺主要可分为混合、反应和沉降三个阶段，需要分别在混合器、反应器和沉降器中完成.通常在混合器前还需要设置药液制备和投加计量设备.混合器的主要作用就是让絮凝剂与水尽快而充分地混合，常用的混合设备有以下几种:水泵混合、管道混合、压力式孔板混合、机械搅拌混合、涡流式混合及射流混合等.药剂与水混合后进至反应器.反应器的主要作用是促进颗粒的碰撞，形成易于沉降的大絮体.工业上常用的反应器有水力式反应池(如涡流式、隔板式、旋流式、网格式、折板式反应池等)和机械搅拌反应池.药剂与水中的悬浮颗粒形成大絮体后进至沉降器.对于低浓度水，一般采用沉淀池、澄清池进行沉降;而高浓度水的混凝沉降就需要浓缩池(机).主要介绍浓缩池(机)的工艺特点及存在的问题.

分散系的混凝沉降行为有三种类型，一是在低浓度下，具有胶体稳定性的即未发生絮凝的单个粒子的自由沉降;二是在高浓度的混凝体系中的沉降，成为区域沉降;三是压缩状态，此时可认为粒子停止了从流体中的降落，而是以物理方式相互接触，同时由于它们上方存在的粒子的质量而被压缩.在区域沉降的情况下，宜采用的设备是重力浓缩器，目前80%以上的混凝剂都是被用于重力澄清和浓缩池[1].压缩状态常发生于许多浓缩器中，它对流出液的浓度有重要影响.浓缩池(机)是一种连续工作的浓缩和澄清设备，它主要用于湿式选矿作业中精、尾矿浆的脱水，也广泛用于煤炭、钢铁、化工、建材、水源和污水处理等行业中固料浆的浓缩和净化.目前，国内外净水厂排泥水处理系统一般主要采用调节、浓缩、脱水、处置四道基本工序.不同的水厂在各道工序的具体处理方式上有所差异，也可以根据不同处理水质，合理选择增加前处理工序.在整个工艺过程中，浓缩是关键[2].生产废水浓缩的主要目的在于提高生产废水含固率，达到减容的目的，并符合后续脱水机械的最佳操作条件.浓缩的方法有重力浓缩、气浮浓缩、微孔浓缩、隔膜浓缩以及生物浮选等.由于重力浓缩工艺简单、运行稳定、成本低廉，给水厂生产废水一般采用此种浓缩方式.污泥浓缩效果的好坏(浓缩后污泥含水率的高低)将直接影响污泥脱水效果，决定脱水工艺运行成本.污泥浓缩效率低，则污泥在浓缩池中的停留时间长，浓缩池污泥负荷低，导致浓缩池基建费用高，运行管理费用加多，且容易因停留时间过长而造成污泥腐败乃至浓缩效果的恶化.目前国内外普遍采用的重力浓缩池和气浮浓缩池都存在着污泥负荷低、停留时间长和浓缩后污泥含水率较高等问题[3].

连续型重力浓缩池可采用沉淀池形式，一般为竖流式或辐流式.竖流式浓缩池的基本工作状况是:泥水从中心筒进入浓缩池，在中心筒下方的环形挡流板的作用下会形成一定的上升水流，絮体随水流上升到一定高度后便开始沉降，沉降下来后形成的污泥由池底(底流)排出，而澄清水从池上部的溢流堰溢出[4].结合实际工艺经验，浓缩池处理单位重量所需面积一般为0.47 ～0.93 m2/t·d[5]，停留时间一般为 3 ～5 h，上升流速一般为12～25 mm/s.

2 混凝沉降实验及其特点

混凝沉降实验是筛选混凝剂并确定它们的应用条件的最普遍的方法.其中玻璃量筒沉降实验是最基本最原始的方法.将实验分散系置于玻璃量筒中，加入试剂并混匀，然后观察效果，最常观测的是界面的沉降速度及上清液的残余浊度.玻璃量筒沉降实验如果加药适当的话，一般不到10 min就能达到很好的沉降效果[6].

混凝沉降实验的目的是为获得可重复性的实验条件.当使用水解盐类(如硫酸铝、氯化铝、三氯化铁、硫酸铁等)作为絮凝剂时，絮凝剂与水介质间发生很迅速的化学反应;当使用聚合物(如聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚合氯化铁、聚丙烯酰胺)絮凝剂时，常常发生迅速的不可逆吸附.这些现象都要求做到迅速混合，因而实验时少量的试剂必须被加入到一个体积大得多的分散系中去.为了利于混合，所用的聚合物一般配制为很稀的溶液，例如0.01%的浓度.对于浓分散体系，容器实验时的机械搅拌不能一直像在脱稳反应中那样快，任何过强的搅拌都会导致絮体的降解.一般的方法是迅速将试剂加入盛有分散系的试管中，封闭试管然后颠倒几次以达到混合目的.

由于一个适宜的聚合物絮凝剂仅能在一个很狭小的浓度范围内发挥其效能，因此实验必须在一个很大的投药范围内并且以相当小的浓度间隔进行[1]，如:1、3、10、30、100 mg/L 等.

在混凝沉降实验过程中，为得到可靠的结果，必须严格做到如下几点[7]:

(1)在实验过程中圆筒形容器应该是垂直的.

(2)圆筒形容器必须为真正的圆筒形，许多玻璃圆筒从上到下渐渐变细，而且底面实际上是一凹面.器壁不垂直会显著影响沉降速度.凹形的底面则使沉淀物体积的测量变得困难.

(3)体系必须能很好的进行恒温控制.

为此，在混凝沉降实验过程中，有机玻璃沉降柱及玻璃量筒底部都得进行特殊处理，可以采取将圆盘状薄片粘接于沉降柱和量筒的内底部，使其完全水平;同时，实验在恒温室中进行操作，以确保实验结果的科学性和可靠性.

3 从相似理论来解释混凝沉降实验和实际工艺的差异

模型试验是流体力学试验中的常用手段，是把自然界原体的物理现象通过相似原理在按一定比例缩小的模型中重演，用以研究水流运动、预报水流影响和工程效果.因此在试验研究中，只有模型上发生的现象与在原型上发生的现象相似时，其试验结果才有可能应用到原型上去[8]而这种重演原体现象的理论就是"相似理论".相似理论是人们通过长期实践、总结出来的用于指导自然规律研究的全新理论.它是把数学解析法和试验法的优点结合起来，用来研究和解决实际生产和工程中的问题.

根据相似理论混凝沉降实验和实际沉降工艺在现象相似的的前提下，要满足几何尺寸、初始条件、运动条件、边界条件和物理条件等单值条件的相似，才能达到相似的处理效果.玻璃量筒沉降实验如果加药适当、混合充分的话，一般不到10 min就能达到很好的沉降效果;而实际沉降工艺(如重力浓缩池)达到相似沉降效果的停留时间却要远远大于10 min.从相似理论的角度分析，主要有以下三方面的不相似导致了这种明显的差异.

(1)几何尺寸不相似量筒从上到下都是圆形的，是真正的圆筒形容器.而重力浓缩池上面一部分是圆柱形的，下面一部分却是圆锥形的倾斜面.

(2)初始条件不相似

量筒实验中絮凝剂和水样的混合时间较长(一般为3～5 min)，大絮体的形成较好，所以沉降速度快沉降效果好;而浓缩池混合时间很短(10～30 s)，难以做到混合均匀，大絮体的形成不够充分，极大的影响了沉降的速度和效果.

(3)运动条件不相似

量筒实验中无上升水流，水样基本上处于静止状态，加药后其形成的大絮体依靠自身重力沉降，并同时较完全地网捕卷扫沉降途中的细小颗粒，从而达到去除悬浮颗粒的目的，不仅沉降速度快而且出水水质较好;而浓缩池中存在上升水流，絮体的沉降则受上升水流的阻力作用，沉降速度减慢，甚至使中、小絮体克服自身重力，悬浮于水体中或随水体向上运动，进而随溢流水从周边溢流，使其出水浊度增高.另外浓缩池内由于中心筒出口在一定的深度，有一部分大絮体就无法去网捕卷扫中心筒出口高度以上的微小悬浮固体和胶体杂质，而是直接向下沉降.这样就导致了中心筒出口高度以上的网捕卷扫作用很不充分，这一部分的微小悬浮固体和胶体杂质还需要慢慢相互聚结而变为较大的微粒才能沉降下来.这样一来就极大的延长了混凝沉降时间.

4 结语及展望

混凝沉降工艺在给水和废水处理中均是不可缺少的工艺环节，因而研究其实验室模拟并用来指导实践具有极其重要的意义.笔者介绍了目前国内外的主流混凝沉降工艺的过程和形式，重点介绍了应用最为广泛的浓缩池(机)的工作情况和特点，并指出了其存在的不足.从相似理论的角度分析，指出了玻璃量筒沉降实验和实际沉降工艺的差异.笔者认为今后的混凝沉降实验应该进一步符合相似理论，即要满足一个或多个相似准则，从而更加合理地模拟实际沉降工艺，使实验结果能更好地用来指导和促进实际沉降工艺的改进，达到更快更好的处理效果.

[1] 常 青.水处理絮凝学[M].北京:化学工业出版社，2011.

[2] 刘 辉，许建华.自来水厂排泥水处理的国内外发展概况[J].中国给水排水.2001，17(8):26 ～28.

[3] 何纯提.净水厂排泥水处理[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[4] 高廷耀，顾国维，周 琪.水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社，2007.

[5] 丁亚兰.国内外给水工程设计实例[M].北京:化学工业出版社，1999.

[6] 胡筱敏.混凝理论与应用[M].北京:科学出版社，2007.

[7] 费霞丽.净水厂生产废水优化回用工艺的试验研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文，2005.

[8] 杨俊杰.相似理论与结构模型试验[M].武汉:武汉理工大学出版社，2005.