絮凝池的合理设计

摘要：完成絮凝过程的絮凝池(一般常称反应池)，在净水处理中占有重要的地位。天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，絮凝池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。 关键词：絮凝池 混凝剂 沉淀效果 絮凝性能 前 言 完成絮凝过程的絮凝池(一般常称反应池)，在净水处理中占有重要的地位。天然水中的悬浮物质及肢体物质的粒径非常细小。为去除这些物质通常借助于混凝的手段，也就是说在原水中加入适当的混凝剂，经过充分混和，使胶体稳定性被坏(脱稳）并与混凝剂水介后的聚合物相吸附，使颗粒具有絮凝性能。而絮凝池的目的就是创造合适的水力条件使这种具有絮凝性能的颗粒在相互接触中聚集，以形成较大的絮凝体(絮粒)。因此，絮凝池设计是否确当，关系到絮凝的效果，而絮凝的效果又直接影响后续处理的沉淀效果。当然，为了获得良好的絮凝效果，混凝剂的合理选择是重要的，但是也不能忽视絮凝池设计的重要性。在生产实践中，不少水厂由于改进了絮凝池的布置，从而提高了出水水质，降低了药耗，或者增加了制水能力。在混凝沉淀的设计中，也出现了宁可延长一些反应时间以缩短沉淀时间的看法。这些都说明絮凝反应在净水处理中的重要作用。近年来，由于高效能沉淀以及过滤装置的出现，使水厂的平面布置(包括构筑物尺寸及占地面积)大为缩小。相对来说絮凝池所占比例就有所增加。例如，在原平流式沉淀池中，絮凝只占较小的体积。然而在斜管沉淀池中，絮凝部分的体积几乎与沉淀部分的体积相仿。为此，国内不少同志在这方面进行着如何改进絮凝构筑物的研究，并提出了不少设想。对设计工作者来说，亦迫切要求有一个科学的评价方法，以解决如何合理选择絮凝形式的问题。絮凝反应是一个很复杂的过程，它不仅受絮凝池水力条件的控制，而且还与原水性质、混凝剂品种和加药量以及混和过程都有密切关系。从目前国内外的研究情况来看，尚没有一个能定量地反映絮凝过程的完整数学模式，甚至作为定性分析，也还存在不少问题。这些情况就给具体设计工作者带来很多困难。严格地说，目前不少絮凝池的设计，仅是水力的验算，并没有对絮凝过程作完整的分析。因此，往往出现即使原水的絮凝性质很不相同，而其絮凝池的布置却完全相同的情况。根据规范或设计手册规定的设计数据，进行水力计算，是目前絮凝池设计中应用最广泛的方法。应该说它在大多数场合下是可行的，但并不一定是最优的，况且，这些规定也只规定一些主要指标，至于具体的布置还需由设计者确定。例如，一般规定隔板絮凝池的流速由0．6米／秒渐减至0．2米／秒。至于流速如何递减，以及隔板转折的布置和道数等等，都未作明确规定。因而尽管所用主要指标完全相同，却可设计成很不相同的布置形式，至于它们的效果差异则更难以鉴别。为了探讨絮凝池设计的合理方法，福建省净水工艺试验组曾提出了应用“模型絮凝池”的概念。其基本出发点就是认为：合理的反应速度应符合流速渐变的原则，即反应速度由大到小呈直线变化，且反应池进口流速应蚊祝耄隹诹魉傥?.1米／秒。凡符合这二个条件的所谓“模型絮凝池”则被认为是理想的絮凝池布置。“模型絮凝池”作为探讨整个絮凝过程变化规律的设想，是有其积极意义的。但是，要把“模型絮凝池”作为理想的絮凝形式，则尚缺乏足够的依据。作为问题之一，它脱离了原水性质的考虑。速度渐变原则应对不同水质条件有不同的要求，而不宜取作常量。譬如，对于原水颗粒浓度不足以及絮凝体不易破碎的情况，将较高流速区的反应时间增加些，显然是有好处的。反之，则应增加较低流速区的比例。另外，隔板絮凝的转折，从“模型絮凝池”的要求考虑，显然是不符合要求的。但是实际上在絮凝的最初阶段，它往往起到了促进絮凝的效果。“模型絮凝池”用流速作为比较的相似关系，与絮凝理论所采用的以速度梯度作为相似关系有所区别。随着絮凝形式的不同，同样的流速，其速度梯度可相差达数倍。因此关于“模型絮凝池”的设想尚有不少问题需要进一步深入研究。目前絮凝池设计中一个普遍问题就是没有考虑进入絮凝池的处理水水质。众所周知，良好的絮凝反应必须具备二个条件，即具有充分絮凝能力的颗粒以及合适的反应水力条件。实际上，它们就是絮凝过程中的“内因”和“外因”。水力条件只有适合欲絮凝颗粒的絮凝要求时，才能促进絮凝的进行。反之则不仅不能促进絮凝的进行，甚至使已经絮凝的颗粒破坏。因此作为具体的絮凝池设计，就必须考虑到处理水的水质条件。但是这却是目前絮凝池设计中最薄弱的环节。本文的目的就是想探索一种能够根据原水条件来确定絮凝池合适指标的方法。应该说本文所述内容仅仅是一个设想，尚缺乏实验的验证。本文的目的是为引起有关同志对这一课题的重视，共同对此加以探讨。由于作者水平有限，时间仓足，所述内容可能存在不少错误，请大家批评指正。为了叙述方便起见，本文首先对这一设想的基本假设作探讨和阐明，然后就建议的方法作一概要介绍。最后就其可能获得的应用作一分析。 絮凝的相似关系 所谓合理设计，无非是从许多可供选择的方案中，选定一种最能符合要求的方案。同样，絮凝池的合理设计，就是要从诸多的絮凝形式，以及不同的指标中，选择一种最能适合具体絮凝条件而又切实可行的形式和指标。鉴于目前的研究水平，仅用理论的方法还无法解答上述课题，因此还需借助于实验手段。实验的目的就是可以在较小规模下模拟实际的效果，以便对可供选择的方案加以比较。和许多实验一样，絮凝的实验也需要解决一个模拟的相似问题。也就是说需要解决怎样在较小规模的试验中，获得与真实絮凝池同样的絮凝结果。对于絮凝反应来说，需待解决的相似关系主要有二个，即处理水的水质条件和絮凝池的水力条件。关于水质条件，一般采用真实水样还是容易办到的。例如选择若干具有代表性处理对象的原水，加注适量混凝剂，并经充分混和，即可供作絮凝的实验。至于水力条件，则不能依靠实际絮凝池来作试验。因设计的目的是要对多种方案进行对比，而这在实际絮凝池中是难以完全实现的。为此，需要寻找合适的水力条件作模拟相似。对于水力条件，一般可以采用雷诺数或弗鲁特数相似，也可采用相似准则。至于采用何种相似方法则应视研究对象而定。为此有必要就絮凝过程中水力条件的作用作一分析，以确定相似关系。絮凝的目的是使细小颗粒彼此聚集。除了颗粒具有絮凝能力外，还必须创造颗粒彼此接触，或者接近(达到颗粒吸附的作用范围以内)的机会。否则，若保持颗粒间的相对位置不变，即使颗粒的絮凝性能极为良好，也无法聚集。可以通过三个途径，使颗粒达到彼此的接触：水分子的热力运动、颗粒的沉速差异和水体的流动。所谓热力运动产生的颗粒碰撞，是由于水分子进行的杂乱而没有规则的运动(布朗运动)，不断撞击附近的胶体颗粒，使颗粒也进行着杂乱而没有规则的运动，从而获得了颗粒彼此碰撞的机会。这种接触机会与温度有关，而与液体的流动无关。因而只要保持温度和时间的因素相同，热力运动造成的碰撞也是相同的。至于沉速差异产生的颗粒碰撞，往往在沉淀池中有明显的作用。然而在絮凝池中，由于其颗粒一般尚属细小，沉速不大，可以说差异所产生的碰撞作用在絮凝池中，不占统治地位可予忽略。一般认为在絮凝池中，对颗粒碰撞起主导作用的主要是水体的流动，也就是由于水体流动所产生的能量损耗而造成的。一般关于水体流动所产生的碰撞公式可表示为： J=2Gd3N2/3(1)式中：J为单位时间单位体积内颗粒接触的机会；d为颗粒的有效粒径；N为单位体积内的颗粒数；G为计算范围内的绝对平均速度梯度。平均速度梯度值可用下式计算： G=(W/μ)0.5(2)式中：W为单位体积单位时间所消耗的功；μ为液体的动力粘滞系数。 一般认为式(1)只适用于层流，而大多数絮凝池的水源均属紊流。对于紊流条件下颗粒的碰撞频率，Levich提出了如下公式: J=12πβd3n3(ε0/μ)0.5(3)式中：β为系数；ε0为有效能量消耗率。 比较式(1)与式(3），除了系数差别外，主要是式(3)所用的功为有效能量，而式（1）则采用计算的能量，两者相差一个效率系数。而在实用上有效能量是难以确定的，仍需用计算的能量来表示。因此，无论是式(1)或式(3)，作为单位时间单位体积内颗粒碰撞的因素都是颗粒的粒径、浓度以及水流的速度梯度。实际上，这里包含了二个方面的内容，即以颗粒的粒径及浓度为代表的参与絮凝的水质条件和以G为代表的絮凝池水力条件。由于粒径和浓度已由真实水样来模拟，因而只要保持G值相似，理论上即可得到同样的颗粒碰撞条件。但是应该指出，颗粒的碰撞并不就是颗粒的聚集。对于不同絮凝能力的颗粒，在同样碰撞次数时，应该得到程度不同的聚集。也就是说它们的有效聚集比例是各不相同的。但是，如采用真实水样作为絮凝的模拟，则这一因素同样可在实验中获得反映。另外，在模拟絮凝水力条件时还需考虑一个重要的现象，即絮凝体的破碎，或絮凝体大小的限制条件。絮凝体所能承受的水流剪力是有限度的。随着絮凝体的增大，相应的抗剪能力会减弱。与水流共同运动的絮凝体，受到液体切应力的作用。因此，当液体的切应力大于絮凝体的抗剪能力时，絮凝体将被破碎。因此在模拟絮凝反应时，除了模拟颗粒碰撞而产生的聚集外，还需要模拟因液体的切应力而产生的破碎。众所周知，液体的切应力可由二部分组成，即粘滞阻力及混掺阻力。对于层流条件，切应力纯由粘滞阻力产生。对于紊流条件，则主要由混掺阻力产生(除边界层附近外)。这二种切应力的大小都决定于液体的速度梯度。在速度梯度G中，所谓消耗的功，也就是指切应力所做的功。因为只有切应力所做的功是不可逆的，也就是由机械能转化为热能。丹保宪仁教授在分析絮凝过程中，考虑到水流切应力对絮粒的破碎影响，引入了颗粒最大成长度Sm的概念，也就是说Sm代表在一定的水流条件下，能形成最大粒径的原始颗粒数。丹保教授通过试验得出，在原水水质条件不变时，Sm是有效能量消耗率ε0(或速度梯度G)的函数。通过对絮凝过程中一些主要现象的分析，包括颗粒的碰撞，因碰撞产生的聚集、絮凝体尺寸的限制以及水流对絮凝体的剪切，我们得到了可用真实水样模拟水质特征以及用G值模拟水流特征这样两个关系。采用G值来模拟絮凝池的水流絮凝特征，至少在二方面是有用处的，一是可以把真实絮凝池的研究缩小到在实验室内进行，也就是只要维持实验条件的G值与真实池相同。其结果也应相同。另一是可以用作不同絮凝形式的比较，也就是即使絮凝池的水流形态相差甚大，只要其过程的G值相同，(当然还应考虑不同絮凝池形式有效能量利用的差别)效果也应相同。