混凝沉淀工艺相似性的模拟试验研究

2015-11-22童祯恭冯治华童承乾

华东交通大学学报 2015年5期

童祯恭，衷诚, 冯治华，童承乾，刘名

（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）

混凝是水处理工艺中最重要的环节之一，混凝效果直接影响处理效果的好坏[1-2]。混凝效果的影响因素很多[3]，如何调试影响混凝和沉淀效果的各项参数（如原水流量、pH、温度、混凝剂量、浓度等)对混凝沉淀法处理水源水具有至关重要的作用。其中，混凝沉淀烧杯试验是研究控制和调试混凝过程用到的最广的方法，可以反映混凝沉淀过程中诸多因素间的复杂关系[4]，为自来水厂的运行或工艺的技术改造提供参考数据。调查表明，我国大多数自来水厂混凝沉淀烧杯试验的运行参数速度梯度G 值是通过理论计算或者现场实际测得来的，但是由于试验方法的不规范和测定方法的局限性，其结果往往与实际相差甚远[5]。因此，研究如何准确模拟出速度梯度G 值，对整个混凝沉淀烧杯试验的准确性是非常有意义的，对生产具有实际指导意义。

1 材料与方法

1.1 实验仪器与试剂

SC2000-6E 梅宇牌混凝试验搅拌仪、网格絮凝斜管沉淀池10 m3·h-1、TDT-2 型浊度仪、电子分析天平、PAC（聚合氯化铝）

网格絮凝斜管沉淀池平面图如图1。

1.2 实验水样

试验用水取自江西某高校内的湖水。其水质指标：浊度范围7～9 NTU、水温20～25℃、pH 值6.5～7.5，氨氮3.5～7.6 mg·L-1，总磷1.7～1.9 mg·L-1，高锰酸盐指数15.6～17.6 mg·L-1，总硬度0.6～0.7 mg·L-1。

1.3 实验方法

参照中国工程建设标准化协会标准《混凝沉淀烧杯试验方法》[6]CECS130：2001。标准试验方法在确定混合、絮凝搅拌转速和时间的模拟试验中先是测定混合和絮凝过程中的速度梯度，然后设定不同的搅拌时间来确定模拟操作参数，而方法中并有提到如何测定速度梯度，实际中没有直接测定速度梯度的仪器，通常的做法是测定设备中的水头损失，然后根据甘布公式[7]求得速度梯度。这样得出的模拟参数与实际相差甚远，参考价值不高。

为此，本文提出一种改进方法，能比较快捷并准确的得出与实际相接近的模拟参数。具体做法如下：因为水流在设备中的停留时间采用的是理论计算值与有效值相差甚微，理论计算值不影响其应用价值[8]，所以该改进方法首先确定搅拌时间，然后设定不同的搅拌转速来确定模拟操作参数，这样避免了测定速度梯度造成的误差，大大提高了模拟参数的准确性。

图1 网格絮凝斜管沉淀池平面图（单位：mm）Fig.1 Planar graph of the sedimentation tank with grid flocculation inclined tube （mm）

2 结果与分析

2.1 混合搅拌转速和时间的确定

混合时间根据加药点到网格1 进水口的距离和管径确定，加药点至网格1 进水口的距离是3.87 m ，管径是DN40，计算出的混合时间为t1。模拟试验具体步骤如下：第1 步：确定t1 值，在网格絮凝池进口处取实际生产中的混合后水样1 000 mL，立即置于六联搅拌仪的设定位置，并设定搅拌转速为100 r·min-1，搅拌5 min。程序运行完成后静置5 min 后取样测定浊度；第2 步：将一组搅拌杯装好试验用水各1 000 mL 置于搅拌仪设定位置，设定混合时间为t1 ，同时各搅拌杯设定不同的混合搅拌转速，接着设定搅拌转速为100 r·min-1，搅拌5 min；第3 步：程序设置完成后，加入与网格絮凝斜管沉淀池使用相同品种和投药量的药剂，然后启动搅拌仪，搅拌至设定的时间，各搅拌杯静置5 min 后取样测定浊度；第4 步：重复第2，第3 步，直到某一个搅拌杯水样的浊度与第1 步测定浊度相同或相近，则该搅拌杯设定的搅拌转速和时间即为模拟的混合搅拌转速和时间。结果见表1。

表1 混合阶段最佳模拟搅拌转速和时间Tab.1 The optimal simulation stirring speed and time at mixing stage

根据上述结果得混合模拟试验曲线，见图2。

图2结果表明，T 随流量的增大而减小，搅拌转速n 随流量增大而增大。 Q-T 曲线符合幂函数方程T=23.583Q-1.022(复确定系数R2=0.985 1>0.95)，由于该净水设备投药点至网格1 进水口的距离比较短，使得混合时间比较快，时间T 值出现了小数点。且六联搅拌仪的程序中时间的设置是整数，所以表1中时间参数是四舍五入后所得。理论上Q-T 的曲线应符合方程T=22.628Q-1(R2=1)，系数22.628 是从投药点到网格1进水口之间管道内水样体积。Q-n 曲线符合指数方程n=132.58e0.1705(R2=0.991 8>0.95)，根据该方程可以计算各个流量下对应的混合搅拌转速。

2.2 絮凝搅拌转速和时间的确定

将网格絮凝斜管沉淀池的絮凝搅拌转速和时间划分为3 段，前段为网格1，2，3，4，5，6；中段为网格7，8，9，10；末段为网格11，12。方法参照上述混合搅拌转速和时间的确定方法。

实验结果见表2。

图2 混合试验模拟图Fig.2 The simulation diagram of mixing experiment

表2 絮凝阶段最佳模拟搅拌转速和时间Tab.2 The optimal simulation stirring speed and time at flocculation stages

根据表2得絮凝阶段各段模拟试验曲线，见图3。

图3 絮凝阶段试验模拟图Fig.3 The simulation diagram of flocculation stages

网格每段中的水力停留时间是通过理论计算得来，结合絮凝前、中、末阶段Q-T 和Q-n 的曲线拟合结果（见图3），Q 和T 符合关系式Q=VT，前、中、末各阶段的Q-T 曲线方程分别是T=256 5 Q-1，T=171 0 Q-1，T=855 Q-1；三段的Q-n 曲线均符合幂方程，分别是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），根据曲线方程可以确定不同流量下对应的絮凝搅拌转速。

图4 沉淀试验模拟图Fig.4 The simulation diagram of settling experiment

2.3 沉淀时间的确定

根据2.1 和2.2 实验结果，分别计算出絮凝池出水在沉淀池的清水区和斜管中的沉淀时间，参照计算结果设定一系列沉淀时间进行实验。试验方法参照上述混合和絮凝搅拌转速和时间的确定方法。

沉淀烧杯试验模拟结果见图4。

图4中曲线符合指数方程T=134.82 Q-0.821（R2=0.996 5＞0.95），根据曲线方程可以确定不同流量下对应的烧杯试验所需的沉淀时间。

2.4 混凝沉淀烧杯试验确定最佳投药量

根据2.1，2.2，2.3 的研究结果，设置试验条件如下：试验流量采用6 m3·h－1；孔目湖原水，浊度为8.32 NTU，pH＝7.23，水温约为20℃；混凝剂选用PAC，浓度1%；混合时间为4 s，转速400 r·min-1；絮凝参数分别控制为：第1 阶段反应时间为428 s，转速为165 r·min-1；第2 阶段反应时间为285 s，转速为80 r·min-1；第3 阶段反应时间为143 s，转速为40 r·min-1；沉淀时间为30 min。试验结果如表3所示。

表3 混凝沉淀烧杯试验记录表Tab.3 Record of coagulation sedimentation beaker test

由表1-3 可以初步确定网格絮凝斜板沉淀池的最佳投药量为45 mg·L-1，此时浊度去除率达到95%。

根据经验自来水厂正常运行的投药量在10 mg·L-1左右，该实验中网格絮凝斜板沉淀池的最佳投药量为45 mg·L-1，投药量偏大，主要原因是实验水样受到生活污水的污染，综合表现已经超出Ⅴ类水源的范围。如表4所示。

表4 地表水环境质量标准V 类水标准限值对比表Tab.4 The contrast of the fifth level limit for surface-water environment quality standard

实验室进行烧杯试验的方法同标准方法一致，实测出设备的速度梯度（原水水质及混凝剂选用同前），然后计算出搅拌转速（具体参数如下：混合时间为4 s，转速800 r·min-1；絮凝参数分别控制为：第1 阶段反应时间为428 s，转速为76 r·min-1；第2 阶段反应时间为285 s，转速为76 r·min-1；第3 阶段反应时间为143 s，转速为67 r·min-1；沉淀时间为30 min。），由此得出的参数做的混凝沉淀烧杯试验确定的最佳投药量如表5所示。

表5 混凝沉淀烧杯试验记录表Tab.5 The record of coagulation sedimentation beaker test

由表5可以初步确定原始方法得出网格絮凝斜板沉淀池的最佳投药量为70 mg·L－1。

2.5 运行分析

根据方法改进后进行的最佳投药量的试验结果（表3）指导网格絮凝斜管沉淀池的运行，当反应池的工作流量为6 m3·h－1时，投药量为44 mg·L－1，工作稳定后沉淀池的出水浊度为0.461 NTU，这与混凝沉淀烧杯试验45 mg·L－1投药量和沉淀后0.456 NTU 浊度的结果非常接近；反应池的工作流量为2 m3·h－1时，投药量为44 mg·L－1，反应池工作稳定后沉淀池的出水浊度为0.326 NTU，这与混凝沉淀烧杯试验45 mg·L－1投药量和沉淀后0.368 NTU 浊度的结果同样非常接近。

根据使用标准方法进行的最佳投药量的试验结果（表5）指导网格絮凝斜管沉淀池的运行，当反应池的工作流量为6 m3·h－1时，投药量为70 mg·L－1，工作稳定后沉淀池的出水浊度为4.285 NTU，这不仅与混凝沉淀烧杯试验70 mg·L－1投药量和沉淀后0.678 NTU 浊度的结果相差甚远，且浊度不满足出水要求。

因此，改进后的混凝沉淀烧杯试验方法得出的混合、絮凝、沉淀参数与反应池实际运行参数非常接近，有实际应用价值，且在生产中可以根据实际流量从模拟曲线中查出相应的搅拌转速和时间。