第四節(jié)、混凝動力學(xué)(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四節(jié)、混凝動力學(xué)影響混凝效果的因素中，水力條件是個重要因素，要達到最佳的混凝效果，應(yīng)該創(chuàng)造良好的水力條件，即設(shè)計合理的混合池和絮凝池，而混凝動力學(xué)正是其設(shè)計的基礎(chǔ)。一、基本概念1、異向絮凝（perikinetic flocculation）異向絮凝指脫穩(wěn)膠體由于布朗運動相碰撞而凝聚的現(xiàn)象。異向絮凝主要對微小顆粒d1起作用。2、同向絮凝（orthokinetic flocculation）同向絮凝指借助于水力或機械攪拌使膠體顆粒相碰撞而凝聚的現(xiàn)象。同向絮凝主要對大顆粒d1起作用。說明：（1）在混合和絮凝初期，主要表現(xiàn)為異向絮凝，形成微絮凝體；（2）在絮凝初期以后，則主

2、要表現(xiàn)為同向絮凝，形成粗大絮凝體；（3）兩者在時間上沒有嚴格區(qū)分，在任何階段都可能同時存在，只是程度不同。3、碰撞速率碰撞速率指單位時間、單位體積內(nèi)顆粒的碰撞次數(shù)。4、絮凝速率絮凝速率指單位時間、單位體積內(nèi)顆?？倲?shù)量濃度的減少速率。絮凝速率1/2碰撞速率因為：（1）在計算顆粒i和顆粒j碰撞次數(shù)時，是將兩個顆粒相互碰撞數(shù)計算了兩次，即i向j碰撞一次，j又向i碰撞一次。而實際上兩個顆粒一次相碰就相互凝聚成一個大的顆粒，故絮凝速率為總計算碰撞數(shù)的1/2。（2）負號表示顆粒總數(shù)量隨絮凝時間而減少，這是小顆粒相互結(jié)成大顆粒的結(jié)果。二、異向絮凝布朗運動為一種無規(guī)則的熱運動，將導(dǎo)致水中顆粒相互碰撞。假設(shè)：水

3、中膠體顆粒已完全脫穩(wěn)；顆粒每次碰撞都是有效碰撞，都會導(dǎo)致顆粒相互聚集，使小顆粒變成大顆粒；顆粒為均勻球體。根據(jù)費克擴散定律，可導(dǎo)出顆粒碰撞速率為： （27）式中，NP 單位體積中的顆粒在異向絮凝中碰撞速率（1/cm3·s）； DB 布朗運動擴散系數(shù)（cm2/s）； d 顆粒直徑（cm）； n 顆粒數(shù)量濃度（個/cm3）。擴散系數(shù)DB用斯篤克斯愛因斯坦公式表示： （28）式中，K 波茨曼常數(shù)，K1.38×1016g·cm2/s2·K； T 水的熱力學(xué)溫度（K）； 水的動力粘度（g/cm·s）。將（28）代入（27）可得： （29）于是，異向絮凝速

4、率為： （210）公式（210）是根據(jù)顆粒每次碰撞都導(dǎo)致凝聚而推導(dǎo)出來的。實際上并非每次碰撞都有效，引入有效碰撞系數(shù)加以修正，則有： （211）有效碰撞系數(shù)反映顆粒脫穩(wěn)程度。1，表示完全脫穩(wěn)，不存在排斥作用；1，則存在排斥作用，碰撞時僅部分凝聚。有些研究者認為，在水處理中，有效碰撞系數(shù)通常為0.010.448。由（211）可知，異向絮凝速率與水溫有關(guān)，與顆粒數(shù)量濃度的平方成正比，而與顆粒粒徑無關(guān)。由于只有小顆粒才具有布朗運動，隨著顆粒凝聚增大，布朗運動將逐漸減弱，當d1時，布朗運動基本消失，故要使顆粒進一步碰撞凝聚，必須進行同向絮凝。公式（27）的推導(dǎo)過程如下：為討論簡便，設(shè)水中某一球體顆粒j

5、固定不動，所有其他球體顆粒i由于布朗運動而向j顆粒擴散。一旦i顆粒與j顆粒碰撞，則i顆粒數(shù)量濃度將隨之減小。根據(jù)費克擴散定律，可求得i和j的碰撞速率： （212）式中，Nij i與j顆粒碰撞速率（1/cm3·s）； ni i顆粒數(shù)量濃度（個/cm3）； Di i顆粒擴散系數(shù)（cm2/s）； Rij 碰撞半徑，Rijrirj（cm）。當j顆粒不是一個（nj1），且j顆粒也具有布朗運動時，則i和j的碰撞速率： （213）設(shè)i和j顆粒粒徑相等，從而擴散系數(shù)也相等，于是有：Rijrirj2rd，DiDj2D，ninjn，代入上式得到： （214）公式（214）即為（27）。三、同向絮凝1、層

6、流條件下的同向絮凝在層流條件下，i和j顆粒均隨水流前進，i顆粒的前進速率小于j顆粒，則某一時刻，i與j必將碰撞。設(shè)水中顆粒為均勻球體，即didjd，i與j的碰撞速率為： （215）式中，G 速度梯度（s-1），Gdu/dz； du 相鄰兩流層的流速增量（cm/s）； dz 垂直于水流方向的兩流層之間距離。公式（215）的推導(dǎo)過程：為便于討論，首先假定i顆粒靜止不動，j顆粒隨水流運動。i和j因流速梯度而相互碰撞，見圖27。圖27 層流條件下兩球形顆粒相碰示意如果j顆粒中心位于圓柱體半徑為Rij范圍以內(nèi)，j顆粒均會與i顆粒相撞，則i和j在單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù)取決于j顆粒數(shù)量濃度nj和流過圓柱體的流

7、量Q（ni1）。X軸上方半圓柱體的微元流量為： （216）又有： （217） （218）將式（217）和（218）代入（216）得到： （219）對（219）進行積分得到： （220）在x軸下方半圓柱體流量Q2與x軸上方流量完全一樣，即Q2Q1，所以流過圓柱體的總流量為： （221）因此顆粒i與j的碰撞速率為： （222）當i顆粒數(shù)量濃度為ni，則碰撞速率為： （223）若i與j顆粒的粒徑相等，有rirj，Rijrirj2rd，且ninjn，則上式就為： （224）故同向絮凝速率為： （225）若考慮有效碰撞系數(shù)，則有： （226）在公式（215）中，n和d為原水雜質(zhì)特性，G是控制混凝效果的水

8、力條件，當原水雜質(zhì)特性一定時，要提高混凝效果，就要控制速度梯度G。故在絮凝設(shè)施的設(shè)計中，往往以G作為重要的控制參數(shù)之一。2、紊流條件下的同向絮凝在實際混凝過程中，水流一般均處于紊流狀態(tài)，流體內(nèi)部存在大小不等的渦旋，除前進速度外，還存在縱向和橫向脈動速度。層流條件下推導(dǎo)出來的同向絮凝碰撞速率公式（215）中控制混凝效果的水力條件為Gdu/dz，G為速度梯度，其表達式在紊流條件下不適用，甘布（T.R.Camp）和斯泰因（P.C.Stein）仍然利用層流條件下碰撞速率公式的形式，但對G值表達式進行了變化，以一個瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的單位體積水流所耗功率計算G值來替代Gdu/dz，G值表達式推導(dǎo)如下：如圖2

9、8所示，在受攪拌的水中取出一微團來分析它在x方向的受力情況。這一微團瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的過程中，剪力做了扭轉(zhuǎn)功。由于剪應(yīng)力的作用，在x方向產(chǎn)生切應(yīng)變。x方向即相當于圖27中水的運動方向。這一微團在z方向存在一個速度梯度du/dz，同樣也與圖27一致。由于值很小，切應(yīng)變速度梯度du/dz。圖中p及分別表示微團在x方向所受的壓力及切應(yīng)力。圖28 速度梯度的推導(dǎo)圖示由牛頓內(nèi)摩擦力公式，剪力為： （227）則扭轉(zhuǎn)功率為：于是單位體積水流所耗功率為： （228）所以，速度梯度G值表達式為： （229）公式（229）中，當用機械攪拌時，式中P由機械攪拌的功率提供；當用水力攪拌時，功率P為水流本身的能量消耗。設(shè)

10、被攪拌的水流體積為V，水頭損失為h，則總功率為： （230）而V=QT，代入上式得到： （231）所以水力攪拌時的速度梯度G值表達式為： （232）式中， 水的重度（kg/m2·s2）； h 混凝設(shè)備中的水頭損失（m）； 水的動力粘度（kg/m·s） T 水流在混凝設(shè)備中的停留時間（s）公式（229）和（232）為著名的甘布公式，公式中G值反映了能量消耗的概念。以該公式G值表達式代替層流條件下的公式中Gdu/dz，則可得到紊流條件下同向絮凝速率： （233）或為： （234）3、局部各向同性紊流理論近年來，有些專家學(xué)者認為甘布公式所求G值直接代入層流公式來求得的紊流條件下的

11、同向絮凝速率在理論上依據(jù)不足，進而直接從紊流理論出發(fā)來探討顆粒碰撞速率。例如，列維奇（Levich）等人根據(jù)科爾摩哥羅夫（Kolmogoroff）的局部各向同性紊流理論來推導(dǎo)了同向絮凝速率方程。局部各向同性紊流理論的要點如下：（1）在各向同性紊流中，存在各種尺度不等的渦旋；（2）大渦旋將能量輸送給小渦旋，小渦旋又將一部分能量輸送給更小的渦旋；（3）小渦旋逐漸增多，水的粘性增強，從而產(chǎn)生能量損耗；（4）當渦旋的尺度與顆粒直徑或碰撞半徑相近時，才會使顆粒相互碰撞。在物理學(xué)中有一個現(xiàn)象：大渦旋減小小渦旋（慣性區(qū)）減小更小渦旋（粘性區(qū)）湮滅在粘性區(qū)渦旋尺度與顆粒粒徑d相近（即為同一數(shù)量級），造成顆粒相

12、互碰撞，混凝效果最好。故在絮凝設(shè)備中應(yīng)多增加小渦旋。小渦旋的無規(guī)則脈動類似于布朗運動，可得碰撞速率為： （235）式中D為紊流擴散和布朗擴散系數(shù)之和，在紊流中，布朗擴散遠小于紊流擴散，D近似為紊流擴散系數(shù)，有： （236）為脈動流速，由下式表示： （237）設(shè)渦旋尺度d，將式（236）和（237）代入（235）得到： （238）式中， 單位時間、單位體積流體的有效能耗； 水的運動粘度。該公式與甘布公式相比，如果令，則兩式僅是系數(shù)不同。和也非常相似，不同的是P為平均流速和脈動流速所耗功率，而為脈動流速所耗功率。兩者實質(zhì)比較接近，均為控制混凝效果的重要參數(shù)。由于公式（237）僅適用于粘性區(qū)，而實際

13、上水中顆粒尺寸大小不等，且有效功率很難確定，故公式（238）雖然有理論依據(jù)，但其應(yīng)用受到局限。因此仍然沿用甘布公式作為同向絮凝的控制指標。柵條絮凝池中的混凝現(xiàn)象即可用局部各向同性紊流理論來解釋。四、G值、GT值的含義1、G值增大，碰撞速率增大，則顆粒碰撞次數(shù)也增加，G值可作為一種攪拌強度的指標；但G值太大，絮凝體會破碎。一般控制平均G值為：（1）混合階段以異向絮凝為主，要求將混凝劑快速溶解于水中使膠體脫穩(wěn)，一般G7001000s-1。（2）絮凝階段以同向絮凝為主，要促使微絮凝體變成粗大絮凝體，又要防止絮凝體破碎，一般G2070s-1。2、水流在混凝設(shè)備中停留時間T越大，顆粒碰撞的次數(shù)越多，但T

14、太長，經(jīng)濟上不合理，一般控制T為：（1）混合階段T1020s，不超過2min。（2）絮凝階段T1030min。不同的絮凝池設(shè)計停留時間不同。3、G值間接反映單位時間顆粒碰撞次數(shù)，GT值反映總的碰撞次數(shù)，一般控制絮凝池的平均GT1×1041×105。第五節(jié)、混合和絮凝設(shè)備一、混合和絮凝的工藝要求1、混合工藝要求在混合階段，水中雜質(zhì)顆粒尺寸微小，異向絮凝占主導(dǎo)地位。（1）作用在混合階段進行劇烈攪拌的目的是使藥劑快速均勻地擴散在水中，使膠體脫穩(wěn)凝聚，產(chǎn)生微絮凝體（微絮凝體d5）。（2）要求混合要快速劇烈。2、絮凝工藝要求在絮凝階段，必須借助于機械或水力攪拌進行同向絮凝。（1）作用

15、使微絮凝體通過合適的水力條件變成粗大絮凝體（粗大絮凝體d0.6mm）。（2）要求1）提供足夠的碰撞次數(shù)；2）攪拌強調(diào)要遞減；3）絮凝體不能在絮凝池中沉淀，因此要求流速不能太小。（3）措施1）增大顆粒濃度，即增大n。對低濁度水可投加粘土、增加投礬量等。2）增大顆粒尺寸，即增大d。例如投加高分子助凝劑活化硅酸、PAM等。3）要有適當?shù)乃俣忍荻菺，且G值要逐漸遞減，一般通過控制流速v來控制G值遞減。一般在絮凝池進口v0.50.6m/s，在絮凝池出口v0.10.2m/s。4）要提供足夠的碰撞次數(shù)，就要有足夠的絮凝時間，T1030min。5）改善水流狀態(tài)，即在絮凝池中設(shè)置擾流裝置，在水中形成脈動流速，提

16、高有效能耗。例如設(shè)置柵條、網(wǎng)格、波紋板等。二、混合設(shè)備常用混合方式有水力和機械兩類。水力混合簡單，但不能適應(yīng)流量變化；機械混合可隨流量變化而調(diào)節(jié)，但機械需維修。1、管式混合管式混合是利用水廠進水管的水流，通過管道或管道配件(彎頭、漸縮管、三通等)，也可在管道內(nèi)設(shè)置阻流物，以產(chǎn)生局部阻力使水流發(fā)生湍流，從而使水體和藥劑混合。設(shè)置阻流物的形式很多，常用的有孔板、文氏管、擴散混臺器、靜態(tài)混合器等。如：1）擴散混合器，見圖29，為孔板混合器加上錐形配藥帽所組成。錐形帽順水流方向的投影面積為進水管總面積的l4，孔板的孔面積為進水管總面積的34；2）靜態(tài)混合器，見圖210，是利用在管道內(nèi)設(shè)置多節(jié)固定分流板

17、使水流成對分流同時又有交叉和旋渦反向旋轉(zhuǎn)以達到較好的混合效果。圖29 管道擴散混合器圖210 管道靜態(tài)混合器2、混合池采用混合池混合有多種形式，如隔板混合池、渦流混合池、穿孔混合池等。（1）隔板混合池，如圖211所示，利用水體的曲折行進所產(chǎn)生的湍流進行混合。般為設(shè)有三塊隔板的窄長形水槽。（2）渦流混合池，如圖212所示，適用于中小型水廠，特別適合于石灰乳的混合。其平面形狀呈正方形或圓形，與此相適應(yīng)的下部呈倒金字塔形或圓錐形。（3）穿孔混合池，如圖213所示，為設(shè)有三塊隔板的矩形水槽，板上有較多的孔眼，以造成較多的渦流。適用于1000m3/h以下的水廠，不適用于石灰乳或者有較大渣子的藥劑混合，以

18、免石灰粒子或渣子堵塞孔眼。圖211 隔板混合池3、水泵混合藥劑溶液加于水泵吸水管中，通過水泵葉輪高速轉(zhuǎn)動達到混合效果。藥劑一般采用重力投加，為防止空氣進入水泵吸水管內(nèi)，必須設(shè)一個裝有浮球閥的水封箱，對于投加腐蝕性強的藥劑應(yīng)注意避免腐蝕水泵葉輪及管道。對于泵房距凈水構(gòu)筑物距離較遠時不宜采用。4、機械混合機械混合系通過漿板的轉(zhuǎn)動攪拌水體，以達到混合目的。如圖214所示?；旌蠙C械包括驅(qū)動電動機和垂直軸懸掛漿板。漿板有漿式、推進式、渦流式等。采用較多的為漿式，結(jié)構(gòu)簡單易制造，但所供混合功率較小。為加強混合效果，除了設(shè)快速旋轉(zhuǎn)槳板外，還可在周壁上設(shè)固定擋板。圖212 渦流混合池圖213 穿孔混合池圖21

19、4 機械混合池表21 混合方式比較三、絮凝設(shè)備絮凝池的型式很多，主要有隔板、穿孔旋流、渦流、折板、機械和網(wǎng)格、柵條等。1、隔板絮凝池隔板絮凝池的布置見圖215和216所示。利用水流在隔板之間，水流斷面上流速分布不均勻所造成的速度梯度，使顆粒碰撞達到絮凝目的。限板絮凝池有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種。（1）往復(fù)式隔板絮凝池是水流沿槽呈180°轉(zhuǎn)彎，來回往復(fù)前進，在轉(zhuǎn)彎處消耗能量較大，有利于顆粒碰撞，但易引起絮粒破碎。（2）回轉(zhuǎn)式隔板絮凝池是水流由中間進入，成90°轉(zhuǎn)彎，回轉(zhuǎn)向外流出，轉(zhuǎn)彎處能量消耗較拄復(fù)式小，有利于避免絮粒破碎，但也減少了碰撞機會。因此，也出現(xiàn)了有利于絮凝的先往復(fù)、后回轉(zhuǎn)等組合式的隔板絮凝池。圖215 往復(fù)式隔板絮凝池2、穿孔旋流絮凝池 穿孔旋流絮凝池是由多個進水窗孔和旋流室串聯(lián)組成的絮凝池。水流通過對角交錯的孔口，呈多次旋流，達到良好絮凝。如圖217所示。3、折板絮凝池折板絮凝池的布置見圖218所式。拆板絮凝池是由隔板巡池發(fā)展而來，有水平和豎流，但大多布置成豎流式折板絮凝池。其作用除同隔板絮凝，增加轉(zhuǎn)折碰撞外，更利用廠板間多次轉(zhuǎn)折或縮放水流形成渦流，使沿程能量消耗均勻，較好地絮凝。折板又有同波折板和異波折板等。4、柵條、網(wǎng)格絮凝池柵條、網(wǎng)格絮凝池的布置見圖219所示。柵條或