水與混凝劑的混合與絮凝反應(yīng)
 

一、混凝劑的配制與投配

    由于混凝劑配制過程中勞動強度較大，工作條件較差，因此在設(shè)計中需考慮工人運轉(zhuǎn)操作的方便，并保持一個良好的工作環(huán)境。
混凝劑的投配分干投法與濕投法，我國大都用濕投法。如混凝劑是塊狀或粒狀，則需先加以溶解，配成一定濃度后再投入水中，因此需要一套溶藥、配藥及投藥設(shè)備。
    溶藥池是把塊狀或粒狀的藥劑溶解成濃溶液，對難溶的藥劑或在冬季水溫低時，還可用蒸氣或熱水來加熱，但一般只要適當攪拌即可溶解，藥劑溶解后可流入溶液池，配成一定濃度，配制時也要適當攪拌，設(shè)計中每班配制溶液次數(shù)不宜過多。
    藥劑的溶解應(yīng)視用藥量大小，藥劑的性質(zhì)可采用水力，機械或壓縮空氣等攪拌方式。一般藥量小時采用水力攪拌，藥量大時采用機械攪絆。
溶液池應(yīng)采用兩個，交替使用。池子的出液管宜高出池底100毫米，保證藥劑中的雜質(zhì)不被帶出。
    溶藥池、溶液池、攪拌設(shè)備、泵及管道都應(yīng)考慮防腐。當采用FeCl₃時，工作間的墻面和地面也要考慮防腐。　

溶液池的容積Ｗ 可按下式計算：

                        (1.25)

式中 a——混凝劑較大用量（毫克／升）；
Q——處理的水量(米³／小時)；
b——溶液濃度，按藥劑固體重量百分數(shù)計算，一般用10-20；
n——每晝夜配制溶液的次數(shù)，一般為2—6次，甩手工操作時不宜多于3次。
溶藥池的容積Ｗ₁可按下式估算：

              Ｗ₁＝（0.2～0.3）Ｗ               (1.26)

    當用石灰調(diào)節(jié)水的堿度時，還要考慮將石灰粉碎，用量大時，宜設(shè)粉碎機，可用生石灰(市售石灰含40—80％CaO)制成石灰飽和溶液或石灰乳(可按純CaO含量的2～5％考慮)再行投配，石灰乳的配制要用機械或水泵攪拌，石灰溶液中雜質(zhì)較多，易堵塞管嘴。圖1.11為水泵攪拌系統(tǒng)示意圖。
    藥液的投配應(yīng)能準確計量、靈活調(diào)節(jié)、設(shè)備簡單、便于操作。
    采用計量泵較簡便可靠，我國經(jīng)營的計量泵型號較多，足以供給投藥使用。
    水射器也是常用的一種設(shè)備，它用于向壓力管內(nèi)投加藥液，因一般水凈化企業(yè)內(nèi)的給水管都有較高壓力，因此使用方便，見圖1.12。

     重力投加系統(tǒng)中常用孔口計量設(shè)備，見圖1.13，藥液液位由浮球閥保持恒定，在液位h的作用下孔口的出流量是不變的,只要調(diào)節(jié)孔口的大小就可調(diào)節(jié)加藥量。孔板的構(gòu)造可見圖1.14。
    投藥管道與零件宜用耐酸材料，并要便于沖洗，疏通。
    藥劑倉庫應(yīng)在加藥間旁，盡量靠近投藥點，藥劑的固定儲量一般按15～30天較大投藥量計算，其周轉(zhuǎn)儲量根據(jù)供藥點的遠近與當?shù)剡\輸條件而異。

二、混合設(shè)備

    混合的作用在于迅速、均勻地將藥劑擴散到水中。藥液進一步溶解和它所產(chǎn)生的膠體與水中的膠體、懸浮物等接觸后，就形成了微小的礬花。這一過程要求水流產(chǎn)生激烈的湍流，當使用多種藥劑時，可根據(jù)試驗結(jié)果先后加入水中。當專設(shè)混合池時，其混合時間一般不得超過2分鐘。
    藥劑的混合可用機械或水力的方法。
    機械混合可用漿板式攪拌機，因能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，適應(yīng)不同水質(zhì)，故混合效果好，消耗的功率可按每立方米設(shè)備容積需要0.75千瓦來估算。圖1.15所示為漿板式機械混合池。
    當一泵站與絮凝反應(yīng)設(shè)備距離很近時，一般盡量利用水泵葉輪進行混合。將藥液加于水泵吸水管或吸水井中，可以*好的混合效果。此法可節(jié)省設(shè)備，但對水泵葉輪有輕微腐蝕，使用時應(yīng)注意避免空氣進入水泵。
    如一泵站距反應(yīng)池較遠，此時可將藥劑溶液投入離反應(yīng)池前一定距離(應(yīng)不小于50倍管道直徑)的進水管中，使藥劑與水在管道內(nèi)混合，也有較好的效果。
    水力混合可采用隔板式(參看隔板式反應(yīng)池)，穿孔板式(圖1.16)和渦流式(圖1.17)等設(shè)備。


三、絮凝反應(yīng)設(shè)備

     表1.2 給出了礬花逐漸長大的資料。圖1.18為局部礬花結(jié)構(gòu)示意圖。圖中以短線 (有的接近小點)表示混凝劑所產(chǎn)生的膠體。從圖中可看出各種顆粒大小的相對關(guān)系(但不包括高分子助凝劑所產(chǎn)生的膠體)。
    反應(yīng)設(shè)備的主要設(shè)計參數(shù)為攪拌強度與攪拌時間。
攪拌強度常用相鄰兩水層中兩個顆粒運動的速度梯度來表示。速度梯度以G表示，是指由于攪拌在垂直水流的dy距離上的速度差du的比值
                                   (1.27)
　

    圖l.19(a)表示在dy長度內(nèi)，流速u沒有增量，即du=0的情況，兩個顆粒繼續(xù)前進時，仍然保持dx距離，因此不能相撞。圖1.19(b)表示在2y長度內(nèi)，流速u增量du≠0的情況，d₁顆粒的速度為u+du，du>0，因此當它們繼續(xù)前進時，d₁顆粒一定會追上d₂顆粒，但要發(fā)生兩個顆粒相碰的現(xiàn)象，還需dy≤½(d₁+d₂)這個條件。
    正是由于這個速度差，才引起相鄰水層的兩個顆粒的碰撞。速度差越大，速度快的顆粒越易趕上速度慢的顆粒，而間距越小也越易相碰。可以認為速度梯度G實質(zhì)上反映了顆粒碰撞的機會或次數(shù)。
    根據(jù)水力學(xué)原理，兩層水流間的摩擦力F和水層接觸面積A間有如下關(guān)系：
                                          (1.28)
    單位體積液體攪拌所需功率為
                                       (1.29)
    將式(1.28)代入（1.29）即得
                                             (1.30)
式中P——單位體積水流所需功率(公斤·米／秒·米³)；
μ——水的動力粘滯系數(shù)(公斤·秒／米²)；
G——水流速度梯度(秒^-1)。

    當用機械攪拌時，P即為單位體積液體所耗機械的功率。當用水力攪拌時，式中P可按水頭損失計算：
                                         (1.31)
式中Q——池中流量（米³/秒）；
    γ——水的容量（公斤/米³）；
    h——水流過池子的水頭損失（米）；
    V——池容量（米³）。

    根據(jù)目前給水和廢水處理已有的反應(yīng)池運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的計算，平均速度梯度G值約在10～100秒^-1范圍內(nèi)。GT值可間接地表示整個反應(yīng)時間T內(nèi)顆粒碰撞的總次數(shù)，可用來控制反應(yīng)效果，如G已定的條件下，可增加T來改善反應(yīng)效果。GT值在104～105 之間。
    從混合的攪拌反應(yīng)看，混合時間小于2分鐘時可用G＝500～1000秒^-1，混合時間達5分鐘時G<500～1000秒^-1。
    根據(jù)研究，顆粒間碰撞的機率N與速度梯度G的關(guān)系如下：
                                  (1.32)
式中N——單位時間的單位體積溶液中的顆粒碰撞次數(shù)
   n₁n₂——單位體積內(nèi)具有d₁、d₂顆粒的數(shù)目。因?qū)嶋H水流中顆粒的組成與水流運動狀況很為復(fù)雜，上式只是粗略說明：在顆粒濃度和粒徑一定的條件下，顆粒間相碰的次數(shù)是與水流速度梯度有關(guān)。在G值的推導(dǎo)中，應(yīng)用層流的概念在理論上也是有缺陷的，但在實際應(yīng)用中速度梯度G還是為公眾所接受的。
當同一種顆粒時，假定部分顆粒相撞后將永遠粘結(jié)在一起，則經(jīng)過攪拌時間t后，總的顆粒數(shù)將下降為
                                          (1.33)
式中，n——t時的總顆粒數(shù)(顆粒濃度)；
      n₀——為0時的總顆粒數(shù)；
      a₀——碰撞后粘結(jié)在一起的次數(shù)占總次數(shù)的分數(shù)；
      t——攪拌時間；
      G——攪拌強度(速度梯度)；
          f——t為0時單位液體中顆粒所占體積(顆粒的體積比)
                                           (1.34)
      d——t為0時顆粒的直徑。

    從式（1.33）中可看出，當n₀、a₀、G、及t都是常數(shù)時n值與e^f成反比關(guān)系，即顆粒的原體積比大，n值就小，說明在接觸凝聚中，保持一定的懸浮層顆粒體積濃度對去除水中的礬花的重要性(參看下章澄清池)。
    近年來一些研究者提出應(yīng)以G·T·C值控制反應(yīng)效果，理由是反應(yīng)效果與水中顆粒濃度有關(guān)，常有這樣的情況，當?shù)蜐舛葧r反應(yīng)設(shè)備的效率就降低，如果人工投加粘土就能改進效果。有的資料建議GTC值控制在100左右為好。
    一般情況下，可以用攪拌器，燒杯做混凝的模擬試驗。在一定的水溫與控制合適的攪拌強度與時間的條件下，用不同混凝劑種類和投量，調(diào)節(jié)不同的水的pH值做試驗，看混凝效果，從而確定較佳(指試驗條件下的)pH值及投加量。
    我國大多采用水力攪拌的反應(yīng)設(shè)備，其攪拌強度可由水流速度來控制，攪拌時間即水在反應(yīng)設(shè)備中的停留時間，一般采用5—30分鐘。
    新建水凈化企業(yè)常用機械式反應(yīng)池，反應(yīng)時間通常采用15—30分鐘，池內(nèi)一般設(shè)3—4擋攪拌機，攪拌機的轉(zhuǎn)速系根據(jù)漿板半徑*處的線速度算，線速度一般自*擋的0.5米／秒逐漸減小至末擋的0.2米／秒。