武道吉¹ 　李圭白¹　　譚風訓²　　張華²
（1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院, 哈爾濱 150009　2.山東建筑工程學院環境工程系，濟南 250014）

　　摘要 混凝沉淀試驗是水的物化處理研究及進行實際生產指導的主要手段，文章介紹混凝沉淀試驗標準編制宗旨、主要內容及有關問題的說明。
　　關鍵詞 混凝 沉淀 標準

1 前言

　　對混凝沉淀過程的研究和控制有混凝沉淀試驗法、電泳和流動電流檢測法、膠體滴定法、顆粒分析法、電鏡法和X衍射法等，其中混凝沉淀試驗應用最為普遍。由于它能簡便地模擬凈水廠中混合、絮凝，沉淀等凈水過程，因而它廣泛應用于凈水廠的日常運行管理、技術改造、產品開發和科學研究。40年代人們已認識到該試驗能夠模擬生產中的混凝沉淀過程，并注意到對試驗操作的要求，1964年美國材料試驗學會（ASTM）把它列為暫行的標準試驗，從1983年的ASTM標準年鑒開始，混凝沉淀試驗已被正式列為一個標準試驗。同時日本工業標準委員會（JIS）也已正式將其列為水處理標準試驗方法。
　　混凝沉淀試驗在設備和操作都很簡單的條件下，能夠反映出混凝過程中很多因素間的錯綜復雜關系，所以一直是用來研究或控制混凝沉淀過程的最重要方法，例如，美國調查的45個凈水廠中，42個水廠單用改試驗方法控制混凝過程，3個廠用改試驗和電泳淌度試驗結合控制混凝過程，在單用燒杯試驗的凈水廠中，由22個廠每班或每天作一次，9個廠每周作一次，其余的則按需要不定期地進行試驗。調查表明，我國大多數水廠在日常生產管理中也采用該方法指導混凝劑的投加和處理工況的判斷。但由于試驗不規范，試驗結果往往與生產實際相差甚遠，不能起到指導生產的作用。
　　為促進混凝沉淀試驗技術的發展，更好地指導凈水廠工程建設及生產管理，1997年6月建設部中國工程建設標準化協會（97）建標協字第16號“關于下達1997年推薦性標準編制的涵”，正式下達編制混凝沉淀試驗標準（簡稱標準）的任務，并于2000年12月通過了審查驗收，填補了國內空白，達到國內領先水平，近日將頒布實施，標準號：CECS130:2001。標準全文共分：總則、術語、技術要求和試驗規程4章。

2 標準名稱

　　該試驗方法最初始于1921年，稱為攪拌試驗，定義為：利用攪拌時間、攪拌速度的快慢檔和轉速都可變化的多葉片攪拌裝置，對兩個以上的水樣試驗結果進行比較，以確定混凝劑投加量的試驗；目前國內外現有的文獻資料中一般稱其為：混凝試驗、燒杯攪拌試驗、燒杯試驗或攪拌試驗；而ASTM 規定其標準名稱為《standard practice for coagulation-flocculation jar test of water》。在標準編制過程中考慮到該試驗方法已是模擬混合、絮凝和沉淀三個凈水工藝過程的試驗手段，因此在征求意見稿中將此標準名稱定為《混凝沉淀試驗標準》。有專家在對征求意見稿評議時指出，雖然標準中所稱盛水樣的攪拌杯，已非實驗室常用的燒杯，應考慮到標準名稱與現行文獻資料中的名稱銜接，因此將標準名稱修訂為定為《混凝沉淀燒杯試驗》。

3 主要技術指標

　 主要就試驗中所用攪拌器、攪拌杯的技術指標以及攪拌功率的計算方法進行了規定。
3.1 攪拌器
　　攪拌器是混凝沉淀試驗中的關鍵設備，為使試驗能夠模擬實際的生產運行效果，所謂混凝效果相似是指形成的絮體尺度和密度相同。絮體在形成過程中，一方面受到顆粒間相互聚集的粘結作用，另一方面也受到流體紊動對絮體的破碎作用，限制了絮體繼續增大。在一定的水流條件下，若輸入水體的能耗不變，經過一定的絮凝時間就會達到絮體聚結與破碎的動態平衡，絮體粒徑將保持不變。根據各國的大量研究，都得出了當相同的原水和凝聚條件下，達到絮凝平衡時，絮體粒徑主要取決于速度梯度_G，根據這一原理，阿格曼等人提出了絮體平衡粒徑_d與速度梯度_G的關系：

　　d=C/G　　　　　(1)
　　式中： _C 為與原水絮凝性質有關的系數。

　　丹保憲仁利用沉降管和攝影的方法，對絮體粒徑、有效密度和沉速進行了測定，并建立了絮體的密度公式為：

　　ρ_e＝ρ_s -ρ＝a/d^k_ρ 　　　　⑵
　　式中： ρ_e 為絮體的有效密度，g/cm³；ρ_s 為絮體密度，g/cm³；ρ為水的密度，g/cm³；a 為常速，隨混凝劑品種和加注量而定，g/cm³； k_ρ為指數常數，隨混凝劑品種和加注量而定。

　　由此可以看出，絮體尺度及其密度取決于混凝過程中的速度梯度G，因此要使混凝效果相似，速度梯度G須對應相等。實際工程中混合階段G=1000～500s^-1，絮凝階段G=100～20s^-1，為使試驗能夠模擬實際生產中的混合、絮凝過程，標準規定攪拌器產生的速度梯度G應在1000～20s^-1范圍可調。
　　另外，實際生產工藝中混合強度大多為一檔，絮凝強度一般為3～4檔，所以標準規定攪拌器轉速至少可預設置五檔，并且應能夠連續運行。
3.2 攪拌杯
　　目前在進行攪拌試驗時一般均采用1L玻璃燒杯，由于無阻流裝置，攪拌時在燒杯中心會產生漩渦，水體隨槳葉旋轉，影響攪拌效果，停止攪拌后，水體的旋轉不能立即停止，從而影響沉淀。沒有專門的取樣裝置，采用活動式玻璃虹吸管，取樣時插入杯內，用吸球吸取水樣，由于取樣管不固定，在取樣過程中宜晃動，擾動水樣，致使已經沉淀的絮體重新浮起；另外，取樣口高度也不易固定，致使每次取樣高度不能完全一致，這些都影響試驗結果。
　　由于實際混凝設施形式眾多，要使攪拌杯和每種實際混凝設施幾何相似是不可能的，為使攪拌杯具有較好的模擬作用、良好的阻流條件，借助國內外研究資料和實踐經驗,可將攪拌杯設計為方形杯，其中D:H=1:1 （D為攪拌杯的邊長；H為攪拌杯中的有效水深）。
　　攪拌器形式雖然眾多，混凝攪拌試驗中一般采用平直葉單槳式攪拌器，攪拌強度計算式為：

　　式中：P 為攪拌功率； d 為槳葉直徑； b 為槳葉高度；V 為水樣體積；n 為槳葉轉速； v 為水的運動粘滯系數； C_D 為阻力系數；其余符號意義同前。
　　令 b/d=k₁、d/D=k₂ 代入⑶式得

　　即：

　　根據相似原理，模型試驗推廣的前提是模型和原型現象相似即混凝效果相似，這種相似性除體現在模型和原型中某些無因次參數組合數相同外，還要求在模型和原型中某些初始條件必須相似，即，模型中的流態必須和原型一致，我們知道，水流可分為層流運動和紊流運動，兩者有質的差別，當水流的雷諾數 R_e 小于某一臨界值( R_e 的下限)時，水流在層流狀態，當水流的雷諾數R_e 大于另一臨界值( R_e 的上限)時，則水流在紊流狀態，由于實際絮凝池中水流多為紊流，因此模型水流中相當于最小水流尺度（或水力半徑）和最小流速時的雷諾數應大于上述臨界值，這就對模型設計加上了限制條件。關于雷諾數的臨界值，很多文獻指出，對于具備良好阻流條件的攪拌槽，當雷諾數 R_e ≥10³ 左右時，就可按完全紊流處理，即

　　R_e =nd²/r≥10³ 　　　　　　　　　 ⑸

　　為保證攪拌杯內的攪拌為紊流，攪拌中就必須滿足⑸式提出的限制條件，則：

　　攪拌器一般 K₁=0.1～1.0、K₂=0.2～0.6、C_D=0.2～0.5，且在通常溫度下，水的粘滯性變化很小，可大致視為一常數。在實際混凝工藝過程中,混合階段G=700～1000 s^-1,絮凝階段 G=20～70s^-1 。為保證混合、絮凝階段均處于紊流狀態，取最不利條件 v=1.2×10^-6m/s、C_D=0.5 、G=20s^-1 代入⑸式，計算不同 K₁ 、K₂ 值時所需的最小 D 設計值，見表1。

表1 最小D設計值　 單位：m K₂ K₁ 0.1 1.0 0.2 0.061 0.091 0.6 0.039 0.069

　　從表中可以看出,只要 D 大于0.091m，就能保證在最小攪拌強度 G=20s^-1時，攪拌杯內水流處于紊流。因此可將攪拌杯設計為有效容積1L方形杯，斷面10cm×10cm，高15cm，有效水深10cm，水面下1/2水深處設取樣口。為驗證設計的攪拌杯可行，將該攪拌杯與較大容積的攪拌池進行了試驗對比（見《環境污染與防治》2001(3)），結果表明，相似攪拌條件下混凝結果相似，這說明用1L方形杯來模擬混凝工藝可行。
3.3 攪拌功率的確定
　　實際的混合、絮凝過程通常為紊流，為使試驗能夠模擬生產過程，試驗中的混合和絮凝攪拌過程也須為紊流，為此攪拌功率計算通式推薦為：

　　P=CDρω³bd⁴/32 　　　　　　　　　　 ⑻

　　式中： P —槳葉在攪拌杯中轉動時消耗的功率，即攪拌功率，W；
　　　　　　ω —槳葉旋轉角速度，s^-1；
　　　　　　d —槳葉直徑，m；
　　　　　　b —槳葉高度，m；
　　　　　　ρ —水樣的密度，kg/m³。
　　　　　　C_D —為阻力系數，與槳葉、攪拌杯形式及在攪拌杯中的位置有關，為此標準規定攪拌器和攪拌杯應為配套產品，一般應通過測定后標定；在無實測值時，建議C_D 取0.3～0.5。

4 試驗規程

　　主要規定試驗程序，即如何設定試驗操作參數和步驟：⑴設定混合攪拌轉速和時間；⑵設定絮凝攪拌轉速和時間；⑶設定沉淀時間。特別需要指出的是用于指導生產運行的混凝沉淀試驗的操作參數，不能任意選用，應通過模擬試驗確定，標準闡述了模擬試驗的操作方法和步驟。

5 結語

　　混凝沉淀燒杯試驗廣泛應用于自來水廠、污水處理廠日?；炷恋砉に嚨哪M監控，最佳混凝劑、助凝劑的優選和確定，大專院校、科研院所的混凝沉淀研究，水處理藥劑生產廠的最佳藥劑配方選擇，該標準的制定為其提供了指導。

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