水与混凝剂的混合与絮凝反应
 

一、混凝剂的配制与投配

    由于混凝剂配制过程中劳动强度较大，工作条件较差，因此在设计中需考虑工人运转操作的方便，并保持一个良好的工作环境。
混凝剂的投配分干投法与湿投法，我国大都用湿投法。如混凝剂是块状或粒状，则需先加以溶解，配成一定浓度后再投入水中，因此需要一套溶药、配药及投药设备。
    溶药池是把块状或粒状的药剂溶解成浓溶液，对难溶的药剂或在冬季水温低时，还可用蒸气或热水来加热，但一般只要适当搅拌即可溶解，药剂溶解后可流入溶液池，配成一定浓度，配制时也要适当搅拌，设计中每班配制溶液次数不宜过多。
    药剂的溶解应视用药量大小，药剂的性质可采用水力，机械或压缩空气等搅拌方式。一般药量小时采用水力搅拌，药量大时采用机械搅绊。
溶液池应采用两个，交替使用。池子的出液管宜高出池底100毫米，保证药剂中的杂质不被带出。
    溶药池、溶液池、搅拌设备、泵及管道都应考虑防腐。当采用FeCl₃时，工作间的墙面和地面也要考虑防腐。　

溶液池的容积Ｗ 可按下式计算：

                        (1.25)

式中 a——混凝剂较大用量（毫克／升）；
Q——处理的水量(米³／小时)；
b——溶液浓度，按药剂固体重量百分数计算，一般用10-20；
n——每昼夜配制溶液的次数，一般为2—6次，甩手工操作时不宜多于3次。
溶药池的容积Ｗ₁可按下式估算：

              Ｗ₁＝（0.2～0.3）Ｗ               (1.26)

    当用石灰调节水的碱度时，还要考虑将石灰粉碎，用量大时，宜设粉碎机，可用生石灰(市售石灰含40—80％CaO)制成石灰饱和溶液或石灰乳(可按纯CaO含量的2～5％考虑)再行投配，石灰乳的配制要用机械或水泵搅拌，石灰溶液中杂质较多，易堵塞管嘴。图1.11为水泵搅拌系统示意图。
    药液的投配应能准确计量、灵活调节、设备简单、便于操作。
    采用计量泵较简便可靠，我国经营的计量泵型号较多，足以供给投药使用。
    水射器也是常用的一种设备，它用于向压力管内投加药液，因一般水净化企业内的给水管都有较高压力，因此使用方便，见图1.12。

     重力投加系统中常用孔口计量设备，见图1.13，药液液位由浮球阀保持恒定，在液位h的作用下孔口的出流量是不变的,只要调节孔口的大小就可调节加药量。孔板的构造可见图1.14。
    投药管道与零件宜用耐酸材料，并要便于冲洗，疏通。
    药剂仓库应在加药间旁，尽量靠近投药点，药剂的固定储量一般按15～30天较大投药量计算，其周转储量根据供药点的远近与当地运输条件而异。

二、混合设备

    混合的作用在于迅速、均匀地将药剂扩散到水中。药液进一步溶解和它所产生的胶体与水中的胶体、悬浮物等接触后，就形成了微小的矾花。这一过程要求水流产生激烈的湍流，当使用多种药剂时，可根据试验结果先后加入水中。当专设混合池时，其混合时间一般不得超过2分钟。
    药剂的混合可用机械或水力的方法。
    机械混合可用浆板式搅拌机，因能调节转速，适应不同水质，故混合效果好，消耗的功率可按每立方米设备容积需要0.75千瓦来估算。图1.15所示为浆板式机械混合池。
    当一泵站与絮凝反应设备距离很近时，一般尽量利用水泵叶轮进行混合。将药液加于水泵吸水管或吸水井中，可以*好的混合效果。此法可节省设备，但对水泵叶轮有轻微腐蚀，使用时应注意避免空气进入水泵。
    如一泵站距反应池较远，此时可将药剂溶液投入离反应池前一定距离(应不小于50倍管道直径)的进水管中，使药剂与水在管道内混合，也有较好的效果。
    水力混合可采用隔板式(参看隔板式反应池)，穿孔板式(图1.16)和涡流式(图1.17)等设备。


三、絮凝反应设备

     表1.2 给出了矾花逐渐长大的资料。图1.18为局部矾花结构示意图。图中以短线 (有的接近小点)表示混凝剂所产生的胶体。从图中可看出各种颗粒大小的相对关系(但不包括高分子助凝剂所产生的胶体)。
    反应设备的主要设计参数为搅拌强度与搅拌时间。
搅拌强度常用相邻两水层中两个颗粒运动的速度梯度来表示。速度梯度以G表示，是指由于搅拌在垂直水流的dy距离上的速度差du的比值
                                   (1.27)
　

    图l.19(a)表示在dy长度内，流速u没有增量，即du=0的情况，两个颗粒继续前进时，仍然保持dx距离，因此不能相撞。图1.19(b)表示在2y长度内，流速u增量du≠0的情况，d₁颗粒的速度为u+du，du>0，因此当它们继续前进时，d₁颗粒一定会追上d₂颗粒，但要发生两个颗粒相碰的现象，还需dy≤½(d₁+d₂)这个条件。
    正是由于这个速度差，才引起相邻水层的两个颗粒的碰撞。速度差越大，速度快的颗粒越易赶上速度慢的颗粒，而间距越小也越易相碰。可以认为速度梯度G实质上反映了颗粒碰撞的机会或次数。
    根据水力学原理，两层水流间的摩擦力F和水层接触面积A间有如下关系：
                                          (1.28)
    单位体积液体搅拌所需功率为
                                       (1.29)
    将式(1.28)代入（1.29）即得
                                             (1.30)
式中P——单位体积水流所需功率(公斤·米／秒·米³)；
μ——水的动力粘滞系数(公斤·秒／米²)；
G——水流速度梯度(秒^-1)。

    当用机械搅拌时，P即为单位体积液体所耗机械的功率。当用水力搅拌时，式中P可按水头损失计算：
                                         (1.31)
式中Q——池中流量（米³/秒）；
    γ——水的容量（公斤/米³）；
    h——水流过池子的水头损失（米）；
    V——池容量（米³）。

    根据目前给水和废水处理已有的反应池运转数据的计算，平均速度梯度G值约在10～100秒^-1范围内。GT值可间接地表示整个反应时间T内颗粒碰撞的总次数，可用来控制反应效果，如G已定的条件下，可增加T来改善反应效果。GT值在104～105 之间。
    从混合的搅拌反应看，混合时间小于2分钟时可用G＝500～1000秒^-1，混合时间达5分钟时G<500～1000秒^-1。
    根据研究，颗粒间碰撞的机率N与速度梯度G的关系如下：
                                  (1.32)
式中N——单位时间的单位体积溶液中的颗粒碰撞次数
   n₁n₂——单位体积内具有d₁、d₂颗粒的数目。因实际水流中颗粒的组成与水流运动状况很为复杂，上式只是粗略说明：在颗粒浓度和粒径一定的条件下，颗粒间相碰的次数是与水流速度梯度有关。在G值的推导中，应用层流的概念在理论上也是有缺陷的，但在实际应用中速度梯度G还是为公众所接受的。
当同一种颗粒时，假定部分颗粒相撞后将永远粘结在一起，则经过搅拌时间t后，总的颗粒数将下降为
                                          (1.33)
式中，n——t时的总颗粒数(颗粒浓度)；
      n₀——为0时的总颗粒数；
      a₀——碰撞后粘结在一起的次数占总次数的分数；
      t——搅拌时间；
      G——搅拌强度(速度梯度)；
          f——t为0时单位液体中颗粒所占体积(颗粒的体积比)
                                           (1.34)
      d——t为0时颗粒的直径。

    从式（1.33）中可看出，当n₀、a₀、G、及t都是常数时n值与e^f成反比关系，即颗粒的原体积比大，n值就小，说明在接触凝聚中，保持一定的悬浮层颗粒体积浓度对去除水中的矾花的重要性(参看下章澄清池)。
    近年来一些研究者提出应以G·T·C值控制反应效果，理由是反应效果与水中颗粒浓度有关，常有这样的情况，当低浓度时反应设备的效率就降低，如果人工投加粘土就能改进效果。有的资料建议GTC值控制在100左右为好。
    一般情况下，可以用搅拌器，烧杯做混凝的模拟试验。在一定的水温与控制合适的搅拌强度与时间的条件下，用不同混凝剂种类和投量，调节不同的水的pH值做试验，看混凝效果，从而确定较佳(指试验条件下的)pH值及投加量。
    我国大多采用水力搅拌的反应设备，其搅拌强度可由水流速度来控制，搅拌时间即水在反应设备中的停留时间，一般采用5—30分钟。
    新建水净化企业常用机械式反应池，反应时间通常采用15—30分钟，池内一般设3—4挡搅拌机，搅拌机的转速系根据浆板半径*处的线速度算，线速度一般自*挡的0.5米／秒逐渐减小至末挡的0.2米／秒。