武道吉¹ 　李圭白¹　　譚風(fēng)訓(xùn)²　　張華²
（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150009　2.山東建筑工程學(xué)院環(huán)境工程系，濟(jì)南 250014）

　　摘要 混凝沉淀試驗(yàn)是水的物化處理研究及進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)的主要手段，文章介紹混凝沉淀試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)編制宗旨、主要內(nèi)容及有關(guān)問題的說明。
　　關(guān)鍵詞 混凝 沉淀 標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

　　對(duì)混凝沉淀過程的研究和控制有混凝沉淀試驗(yàn)法、電泳和流動(dòng)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(yàn)應(yīng)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(yīng)用于凈水廠的日常運(yùn)行管理、技術(shù)改造、產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)研究。40年代人們已認(rèn)識(shí)到該試驗(yàn)?zāi)軌蚰M生產(chǎn)中的混凝沉淀過程，并注意到對(duì)試驗(yàn)操作的要求，1964年美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）把它列為暫行的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，從1983年的ASTM標(biāo)準(zhǔn)年鑒開始，混凝沉淀試驗(yàn)已被正式列為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。同時(shí)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（JIS）也已正式將其列為水處理標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。
　　混凝沉淀試驗(yàn)在設(shè)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(cuò)綜復(fù)雜關(guān)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(diào)查的45個(gè)凈水廠中，42個(gè)水廠單用改試驗(yàn)方法控制混凝過程，3個(gè)廠用改試驗(yàn)和電泳淌度試驗(yàn)結(jié)合控制混凝過程，在單用燒杯試驗(yàn)的凈水廠中，由22個(gè)廠每班或每天作一次，9個(gè)廠每周作一次，其余的則按需要不定期地進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)查表明，我國大多數(shù)水廠在日常生產(chǎn)管理中也采用該方法指導(dǎo)混凝劑的投加和處理工況的判斷。但由于試驗(yàn)不規(guī)范，試驗(yàn)結(jié)果往往與生產(chǎn)實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，不能起到指導(dǎo)生產(chǎn)的作用。
　　為促進(jìn)混凝沉淀試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，更好地指導(dǎo)凈水廠工程建設(shè)及生產(chǎn)管理，1997年6月建設(shè)部中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（97）建標(biāo)協(xié)字第16號(hào)“關(guān)于下達(dá)1997年推薦性標(biāo)準(zhǔn)編制的涵”，正式下達(dá)編制混凝沉淀試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（簡稱標(biāo)準(zhǔn)）的任務(wù)，并于2000年12月通過了審查驗(yàn)收，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，近日將頒布實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：CECS130:2001。標(biāo)準(zhǔn)全文共分：總則、術(shù)語、技術(shù)要求和試驗(yàn)規(guī)程4章。

2 標(biāo)準(zhǔn)名稱

　　該試驗(yàn)方法最初始于1921年，稱為攪拌試驗(yàn)，定義為：利用攪拌時(shí)間、攪拌速度的快慢檔和轉(zhuǎn)速都可變化的多葉片攪拌裝置，對(duì)兩個(gè)以上的水樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以確定混凝劑投加量的試驗(yàn)；目前國內(nèi)外現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中一般稱其為：混凝試驗(yàn)、燒杯攪拌試驗(yàn)、燒杯試驗(yàn)或攪拌試驗(yàn)；而ASTM 規(guī)定其標(biāo)準(zhǔn)名稱為《standard practice for coagulation-flocculation jar test of water》。在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中考慮到該試驗(yàn)方法已是模擬混合、絮凝和沉淀三個(gè)凈水工藝過程的試驗(yàn)手段，因此在征求意見稿中將此標(biāo)準(zhǔn)名稱定為《混凝沉淀試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。有專家在對(duì)征求意見稿評(píng)議時(shí)指出，雖然標(biāo)準(zhǔn)中所稱盛水樣的攪拌杯，已非實(shí)驗(yàn)室常用的燒杯，應(yīng)考慮到標(biāo)準(zhǔn)名稱與現(xiàn)行文獻(xiàn)資料中的名稱銜接，因此將標(biāo)準(zhǔn)名稱修訂為定為《混凝沉淀燒杯試驗(yàn)》。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

　 主要就試驗(yàn)中所用攪拌器、攪拌杯的技術(shù)指標(biāo)以及攪拌功率的計(jì)算方法進(jìn)行了規(guī)定。
3.1 攪拌器
　　攪拌器是混凝沉淀試驗(yàn)中的關(guān)鍵設(shè)備，為使試驗(yàn)?zāi)軌蚰M實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)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(jié)作用，另一方面也受到流體紊動(dòng)對(duì)絮體的破碎作用，限制了絮體繼續(xù)增大。在一定的水流條件下，若輸入水體的能耗不變，經(jīng)過一定的絮凝時(shí)間就會(huì)達(dá)到絮體聚結(jié)與破碎的動(dòng)態(tài)平衡，絮體粒徑將保持不變。根據(jù)各國的大量研究，都得出了當(dāng)相同的原水和凝聚條件下，達(dá)到絮凝平衡時(shí)，絮體粒徑主要取決于速度梯度_G，根據(jù)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(guān)系：

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

　　丹保憲仁利用沉降管和攝影的方法，對(duì)絮體粒徑、有效密度和沉速進(jìn)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 　　　?、?br> 　　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(shù)常數(shù)，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(duì)應(yīng)相等。實(shí)際工程中混合階段G=1000～500s^-1，絮凝階段G=100～20s^-1，為使試驗(yàn)?zāi)軌蚰M實(shí)際生產(chǎn)中的混合、絮凝過程，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定攪拌器產(chǎn)生的速度梯度G應(yīng)在1000～20s^-1范圍可調(diào)。
　　另外，實(shí)際生產(chǎn)工藝中混合強(qiáng)度大多為一檔，絮凝強(qiáng)度一般為3～4檔，所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定攪拌器轉(zhuǎn)速至少可預(yù)設(shè)置五檔，并且應(yīng)能夠連續(xù)運(yùn)行。
3.2 攪拌杯
　　目前在進(jìn)行攪拌試驗(yàn)時(shí)一般均采用1L玻璃燒杯，由于無阻流裝置，攪拌時(shí)在燒杯中心會(huì)產(chǎn)生漩渦，水體隨槳葉旋轉(zhuǎn)，影響攪拌效果，停止攪拌后，水體的旋轉(zhuǎn)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(dòng)式玻璃虹吸管，取樣時(shí)插入杯內(nèi)，用吸球吸取水樣，由于取樣管不固定，在取樣過程中宜晃動(dòng)，擾動(dòng)水樣，致使已經(jīng)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(yàn)結(jié)果。
　　由于實(shí)際混凝設(shè)施形式眾多，要使攪拌杯和每種實(shí)際混凝設(shè)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(nèi)外研究資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可將攪拌杯設(shè)計(jì)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(yàn)中一般采用平直葉單槳式攪拌器，攪拌強(qiáng)度計(jì)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(zhuǎn)速； v 為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)； C_D 為阻力系數(shù)；其余符號(hào)意義同前。
　　令 b/d=k₁、d/D=k₂ 代入⑶式得

　　即：

　　根據(jù)相似原理，模型試驗(yàn)推廣的前提是模型和原型現(xiàn)象相似即混凝效果相似，這種相似性除體現(xiàn)在模型和原型中某些無因次參數(shù)組合數(shù)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(tài)必須和原型一致，我們知道，水流可分為層流運(yùn)動(dòng)和紊流運(yùn)動(dòng)，兩者有質(zhì)的差別，當(dāng)水流的雷諾數(shù) R_e 小于某一臨界值( R_e 的下限)時(shí)，水流在層流狀態(tài)，當(dāng)水流的雷諾數(shù)R_e 大于另一臨界值( R_e 的上限)時(shí)，則水流在紊流狀態(tài)，由于實(shí)際絮凝池中水流多為紊流，因此模型水流中相當(dāng)于最小水流尺度（或水力半徑）和最小流速時(shí)的雷諾數(shù)應(yīng)大于上述臨界值，這就對(duì)模型設(shè)計(jì)加上了限制條件。關(guān)于雷諾數(shù)的臨界值，很多文獻(xiàn)指出，對(duì)于具備良好阻流條件的攪拌槽，當(dāng)雷諾數(shù) R_e ≥10³ 左右時(shí)，就可按完全紊流處理，即

　　R_e =nd²/r≥10³ 　　　　　　　　　 ⑸

　　為保證攪拌杯內(nèi)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(shù)。在實(shí)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(tài)，取最不利條件 v=1.2×10^-6m/s、C_D=0.5 、G=20s^-1 代入⑸式，計(jì)算不同 K₁ 、K₂ 值時(shí)所需的最小 D 設(shè)計(jì)值，見表1。

表1 最小D設(shè)計(jì)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(qiáng)度 G=20s^-1時(shí)，攪拌杯內(nèi)水流處于紊流。因此可將攪拌杯設(shè)計(jì)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(shè)取樣口。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的攪拌杯可行，將該攪拌杯與較大容積的攪拌池進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比（見《環(huán)境污染與防治》2001(3)），結(jié)果表明，相似攪拌條件下混凝結(jié)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(shí)際的混合、絮凝過程通常為紊流，為使試驗(yàn)?zāi)軌蚰M生產(chǎn)過程，試驗(yàn)中的混合和絮凝攪拌過程也須為紊流，為此攪拌功率計(jì)算通式推薦為：

　　P=CDρω³bd⁴/32 　　　　　　　　　　 ⑻

　　式中： P —槳葉在攪拌杯中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)消耗的功率，即攪拌功率，W；
　　　　　　ω —槳葉旋轉(zhuǎn)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(shù)，與槳葉、攪拌杯形式及在攪拌杯中的位置有關(guān)，為此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定攪拌器和攪拌杯應(yīng)為配套產(chǎn)品，一般應(yīng)通過測定后標(biāo)定；在無實(shí)測值時(shí)，建議C_D 取0.3～0.5。

4 試驗(yàn)規(guī)程

　　主要規(guī)定試驗(yàn)程序，即如何設(shè)定試驗(yàn)操作參數(shù)和步驟：⑴設(shè)定混合攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間；⑵設(shè)定絮凝攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間；⑶設(shè)定沉淀時(shí)間。特別需要指出的是用于指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行的混凝沉淀試驗(yàn)的操作參數(shù)，不能任意選用，應(yīng)通過模擬試驗(yàn)確定，標(biāo)準(zhǔn)闡述了模擬試驗(yàn)的操作方法和步驟。

5 結(jié)語

　　混凝沉淀燒杯試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于自來水廠、污水處理廠日常混凝沉淀工藝的模擬監(jiān)控，最佳混凝劑、助凝劑的優(yōu)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(chǎn)廠的最佳藥劑配方選擇，該標(biāo)準(zhǔn)的制定為其提供了指導(dǎo)。

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