气动絮凝反应模型试验研究

姜应和 　陈昱
武汉理工大学土木工程与建筑学院 430070

　　提 要：采用筛分粘土配制水样进行气动反应模型试验。结果表明，气动絮凝反应具有良好的促进絮凝的效果；曝气强度宜控制在0.05～0.015m³空气/m³水.min；气泡粒径越小，反应效果越好。

　　在水处理工艺中，为了使微小脱稳颗粒相互碰撞，形成肉眼可见的颗粒大且较为密实的絮凝体，常需设置絮凝反应池。根据提供搅拌的动力形式，国内外常见的反应池可分为水力絮凝池和机械絮凝池两大类。前者土建结构较为复杂，且不能适应流量的变化；后者虽然能适应流量的变化，但其维修工作量较大。为了寻求其它动力形式的絮凝池，笔者提出气动絮凝反应池，即向水中鼓入一定粒径的空气泡，利用气泡在上升过程中所产生的摩擦力以及密度差所形成的水流动力，作为絮凝反应的搅拌动力。课题组首先进行了模型试验，以探索气动絮凝反应的可行性。

1.气动絮凝反应模型设计

　　在气动反应模型试验中所设计的试验装置如图1所示。

　　在模型试验系统中，所有管道、阀门材料均为ABS工程塑料；反应沉淀筒为有机玻璃筒，尺寸为D×H=150×2000 mm；曝气头分别采用φ3、φ4mm的穿孔曝气管和微孔曝气头。

2.气动反应水样的配制

　　原水水质对絮凝反应有重要影响，为了考察不同曝气量、不同投药量条件下的反应沉淀效果，需要保持相同的试验原水水质。试验水样采用筛分后的粘土配制。
　　粘土制备：在先期气动反应模型试验阶段，采用40目平筛筛分粘土配制试验水样，筛下粘土粒径<0.6mm。在后续气动反应模型试验阶段，采用160目平筛筛分粘土配制试验水样，筛下粘土粒径<0.098mm。
　　试验水样配制：称取一定量的筛分后的粘土，投入水中，搅拌均匀，配成一定重量浓度的水样。
　　由于筛分后的粘土颗粒分布较均匀，所配制的水样浊度与粘土重量浓度具有良好的相关性。若粘土配置水样的重量浓度相等，则粒径越小，颗粒数量越多，在水中对光的散射作用越强，相应的浊度就越高。此外浊度还与配制粘土水样时的混合搅拌强度、时间有关，强度越大、时间越长，则浊度越高。

3. 模型试验

3.1 主要材料
　　试验水样：采用40目或160目平筛筛分粘土配制试验水样，筛下粘土粒径分别为 d<0.6mm或d<0.098mm的颗粒。
　　混凝剂：采用聚合氯化铝（PAC），Al2O3>37%，一级品。
3.2 试验方法
　　在反应沉淀筒内配制含一定重量粘土的水样，并向该筒内投加一定量的PAC，曝气装置分别采用孔径为3mm、4mm穿孔管和曝气头，大气量曝气混合，小气量曝气反应。反应气量按反应时间分三级逐级减少。反应结束后，在模型装置内静止沉淀，测定水中剩余浊度，计算浊度去除率。依此方法进行一系列试验，通过调整曝气量，改变曝气装置的形式，判断气动絮凝反应的效果，确定满足反应效果的曝气量范围和较佳的曝气装置形式。水中剩余浊度近似以模型装置上第3个取样口的取样测定数据表示。
3.3 试验结果
　　（1）以d<0.6mm的粘土配制水样进行试验，其结果见表1。
　　（2）以d<0.098mm的粘土配制水样进行试验，其结果见表2。

表1 粗颗粒配制水样曝气絮凝反应模型试验数据表 试验序号 1 2 3 4 5 6 粘土溶液重量浓度mg/L 1000 原水浊度（NTU） 68 52.5 57 56 61 54 PAC投加量 （mg/L） — 5.0 曝气装置类型 穿孔管，8×φ3 4×φ3 2×φ4 混合时曝气量 （m³/h） — 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2 混合时间 （s） — 60 60 60 60 60 反应时曝气量 （m³/h） 第1级 — 0.5 0.4 0.3 0.15 0.15 第2级 — 0.35 0.3 0.2 0.1 0.10 第3级 — 0.25 0.2 0.15 0.05 0.05 各级反应时间 （min） 第1级 — 2.5 2.5 2.5 1.5 1.5 第2级 — 2.0 2.0 2.0 1.5 1.5 第3级 — 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 沉淀一定时间后剩余浊度 （NTU） 15min 51 8.8 8.0 7.5 5.7 10.5 30min 30 5.5 5.8 5.9 / 7.4 浊度去除率（%） 55.88 89.52 89.92 89.46 90.65 86.30

表2 细颗粒配制水样曝气絮凝反应模型试验数据表 试验序号 7 8 9 10 11 12 粘土溶液重量浓度mg/L 1000 1000 / / / / 试验水样条件 配制原液 配制原液静沉后上清液兑制^* 原水浊度（NTU） 169 173 62 55 63 66 PAC投加量（mg/L） — 15.0 5 10 15 20 曝气装置类型 微孔曝气头 混合时曝气量 （m³/h） — 1.2 混合时间（s） — 60 反应时曝气量（m³/h） 第1级 — 0.04 第2级 — 0.03 第3级 — 0.02 各级反应时间（min） 第1级 — 1.0 第2级 — 2.0 第3级 — 3.0 沉淀一定时间后剩余浊度（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 浊度去除率（%） 43.79 93.06 57.1 66.55 79.52 88.33

*将200g粘土（未筛分）投入50L水中，充分搅拌均匀后，静止沉淀45min，取其上清液（约20L），加到模型装置内，再加清水至设计水位。

3.4 试验结论
　　（1）采用气动絮凝反应具有良好的促进絮凝的效果。
　　（2）从表3可知，气动反应曝气强度选用范围较广，从经济角度出发，气动絮凝反应的曝气强度z曝气强度宜控制在0.05～0.015m³空气/m³水.min。

表3 气动反应曝气强度计算表 曝气量组合 各级
曝气量 各级

曝气时间 各级反应耗气量 单位面积反应曝气强度 单位体积单位时间耗气量 L/h Min L L/m².min m³空气/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：反应沉淀筒内水样体积为30L。

　　（3）试验中发现，采用微孔曝气头时，反应效果好于穿孔管；就穿孔管而言，孔径越大，反应效果越差。因此，气泡粒径越小，反应效果越好。
　　（4）对于胶体含量大、粘土颗粒细小的水样，可以通过增加絮凝剂投加量，投加助凝剂的方法提高浊度去除率。
　　（5）气动反应模型试验结果已成功应用于城市污水一级强化生产性试验中，目前该课题已基本完成，进入鉴定准备阶段。

参考文献（略）