姜應(yīng)和 　陳昱
武漢理工大學土木工程與建筑學院 430070

　　提 要：采用篩分粘土配制水樣進行氣動反應(yīng)模型試驗。結(jié)果表明，氣動絮凝反應(yīng)具有良好的促進絮凝的效果；曝氣強度宜控制在0.05～0.015m³空氣/m³水.min；氣泡粒徑越小，反應(yīng)效果越好。

　　在水處理工藝中，為了使微小脫穩(wěn)顆粒相互碰撞，形成肉眼可見的顆粒大且較為密實的絮凝體，常需設(shè)置絮凝反應(yīng)池。根據(jù)提供攪拌的動力形式，國內(nèi)外常見的反應(yīng)池可分為水力絮凝池和機械絮凝池兩大類。前者土建結(jié)構(gòu)較為復雜，且不能適應(yīng)流量的變化；后者雖然能適應(yīng)流量的變化，但其維修工作量較大。為了尋求其它動力形式的絮凝池，筆者提出氣動絮凝反應(yīng)池，即向水中鼓入一定粒徑的空氣泡，利用氣泡在上升過程中所產(chǎn)生的摩擦力以及密度差所形成的水流動力，作為絮凝反應(yīng)的攪拌動力。課題組首先進行了模型試驗，以探索氣動絮凝反應(yīng)的可行性。

1.氣動絮凝反應(yīng)模型設(shè)計

　　在氣動反應(yīng)模型試驗中所設(shè)計的試驗裝置如圖1所示。

　　在模型試驗系統(tǒng)中，所有管道、閥門材料均為ABS工程塑料；反應(yīng)沉淀筒為有機玻璃筒，尺寸為D×H=150×2000 mm；曝氣頭分別采用φ3、φ4mm的穿孔曝氣管和微孔曝氣頭。

2.氣動反應(yīng)水樣的配制

　　原水水質(zhì)對絮凝反應(yīng)有重要影響，為了考察不同曝氣量、不同投藥量條件下的反應(yīng)沉淀效果，需要保持相同的試驗原水水質(zhì)。試驗水樣采用篩分后的粘土配制。
　　粘土制備：在先期氣動反應(yīng)模型試驗階段，采用40目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑<0.6mm。在后續(xù)氣動反應(yīng)模型試驗階段，采用160目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑<0.098mm。
　　試驗水樣配制：稱取一定量的篩分后的粘土，投入水中，攪拌均勻，配成一定重量濃度的水樣。
　　由于篩分后的粘土顆粒分布較均勻，所配制的水樣濁度與粘土重量濃度具有良好的相關(guān)性。若粘土配置水樣的重量濃度相等，則粒徑越小，顆粒數(shù)量越多，在水中對光的散射作用越強，相應(yīng)的濁度就越高。此外濁度還與配制粘土水樣時的混合攪拌強度、時間有關(guān)，強度越大、時間越長，則濁度越高。

3. 模型試驗

3.1 主要材料
　　試驗水樣：采用40目或160目平篩篩分粘土配制試驗水樣，篩下粘土粒徑分別為 d<0.6mm或d<0.098mm的顆粒。
　　混凝劑：采用聚合氯化鋁（PAC），Al2O3>37%，一級品。
3.2 試驗方法
　　在反應(yīng)沉淀筒內(nèi)配制含一定重量粘土的水樣，并向該筒內(nèi)投加一定量的PAC，曝氣裝置分別采用孔徑為3mm、4mm穿孔管和曝氣頭，大氣量曝氣混合，小氣量曝氣反應(yīng)。反應(yīng)氣量按反應(yīng)時間分三級逐級減少。反應(yīng)結(jié)束后，在模型裝置內(nèi)靜止沉淀，測定水中剩余濁度，計算濁度去除率。依此方法進行一系列試驗，通過調(diào)整曝氣量，改變曝氣裝置的形式，判斷氣動絮凝反應(yīng)的效果，確定滿足反應(yīng)效果的曝氣量范圍和較佳的曝氣裝置形式。水中剩余濁度近似以模型裝置上第3個取樣口的取樣測定數(shù)據(jù)表示。
3.3 試驗結(jié)果
　　（1）以d<0.6mm的粘土配制水樣進行試驗，其結(jié)果見表1。
　　（2）以d<0.098mm的粘土配制水樣進行試驗，其結(jié)果見表2。

表1 粗顆粒配制水樣曝氣絮凝反應(yīng)模型試驗數(shù)據(jù)表 試驗序號 1 2 3 4 5 6 粘土溶液重量濃度mg/L 1000 原水濁度（NTU） 68 52.5 57 56 61 54 PAC投加量 （mg/L） — 5.0 曝氣裝置類型 穿孔管，8×φ3 4×φ3 2×φ4 混合時曝氣量 （m³/h） — 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2 混合時間 （s） — 60 60 60 60 60 反應(yīng)時曝氣量 （m³/h） 第1級 — 0.5 0.4 0.3 0.15 0.15 第2級 — 0.35 0.3 0.2 0.1 0.10 第3級 — 0.25 0.2 0.15 0.05 0.05 各級反應(yīng)時間 （min） 第1級 — 2.5 2.5 2.5 1.5 1.5 第2級 — 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 第3級 — 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 沉淀一定時間后剩余濁度 （NTU） 15min 51 8.8 8.0 7.5 5.7 10.5 30min 30 5.5 5.8 5.9 / 7.4 濁度去除率（%） 55.88 89.52 89.92 89.46 90.65 86.30

表2 細顆粒配制水樣曝氣絮凝反應(yīng)模型試驗數(shù)據(jù)表 試驗序號 7 8 9 10 11 12 粘土溶液重量濃度mg/L 1000 1000 / / / / 試驗水樣條件 配制原液 配制原液靜沉后上清液兌制^* 原水濁度（NTU） 169 173 62 55 63 66 PAC投加量（mg/L） — 15.0 5 10 15 20 曝氣裝置類型 微孔曝氣頭 混合時曝氣量 （m³/h） — 1.2 混合時間（s） — 60 反應(yīng)時曝氣量（m³/h） 第1級 — 0.04 第2級 — 0.03 第3級 — 0.02 各級反應(yīng)時間（min） 第1級 — 1.0 第2級 — 2.0 第3級 — 3.0 沉淀一定時間后剩余濁度（NTU） 15min 122 32.3 37.1 29.8 22.3 12.3 30min 95 12.0 26.6 18.4 12.9 7.7 濁度去除率（%） 43.79 93.06 57.1 66.55 79.52 88.33

*將200g粘土（未篩分）投入50L水中，充分攪拌均勻后，靜止沉淀45min，取其上清液（約20L），加到模型裝置內(nèi)，再加清水至設(shè)計水位。

3.4 試驗結(jié)論
　　（1）采用氣動絮凝反應(yīng)具有良好的促進絮凝的效果。
　　（2）從表3可知，氣動反應(yīng)曝氣強度選用范圍較廣，從經(jīng)濟角度出發(fā)，氣動絮凝反應(yīng)的曝氣強度z曝氣強度宜控制在0.05～0.015m³空氣/m³水.min。

表3 氣動反應(yīng)曝氣強度計算表 曝氣量組合 各級
曝氣量 各級

曝氣時間 各級反應(yīng)耗氣量 單位面積反應(yīng)曝氣強度 單位體積單位時間耗氣量 L/h Min L L/m².min m³空氣/m³水.min 1 500 2.5 20.83 471.81 0.21 350 2.0 11.67 330.27 250 2.0 8.33 235.90 2 400 2.5 16.67 377.45 0.17 300 2.0 10.00 283.09 200 2.0 6.67 188.72 3 300 2.5 12.50 283.09 0.125 200 2.0 6.67 188.72 150 2.0 5.00 141.54 4 150 1.5 3.75 141.54 0.05 100 1.5 2.50 94.36 50 3.0 2.50 47.18 5 40 1.0 0.67 37.74 0.015 30 2.0 1.00 28.31 20 3.0 1.00 18.87

注：反應(yīng)沉淀筒內(nèi)水樣體積為30L。

　　（3）試驗中發(fā)現(xiàn)，采用微孔曝氣頭時，反應(yīng)效果好于穿孔管；就穿孔管而言，孔徑越大，反應(yīng)效果越差。因此，氣泡粒徑越小，反應(yīng)效果越好。
　　（4）對于膠體含量大、粘土顆粒細小的水樣，可以通過增加絮凝劑投加量，投加助凝劑的方法提高濁度去除率。
　　（5）氣動反應(yīng)模型試驗結(jié)果已成功應(yīng)用于城市污水一級強化生產(chǎn)性試驗中，目前該課題已基本完成，進入鑒定準備階段。

參考文獻（略）