压缩空气搅拌与机械搅拌混凝的比较

张海丰，孙宝盛，齐庚申
（天津大学 环境科学与工程学院，天津 3000072）

　　摘要：针对压缩空气搅拌混凝工艺在污水处理上的广泛应用，用模型试验来确定压缩空气搅拌反应的最优条件；通过该模型试验与机械搅拌下的烧杯试验进行比较，对试验结果进行分析得出两类搅拌方式的优缺点。试验结果表明，空气搅拌试验三阶段的最优反应条件为混合时间、一级反应时间和二级反应时间分别为1，3和5min，曝气量为0.4，0.04和0.02 m³/h。在空气搅拌试验的混合阶段，大的曝气量并没有改善出水的剩余浊度。空气搅拌试验在混凝时间、药剂用量上具有优势，但在沉淀性能上机械搅拌要优于空气搅拌。与烧杯试验相比，该模型试验对压缩空气搅拌混凝工艺的工程设计与生产运行更有针对性。
　　关键词：压缩空气；混凝工艺；模型试验；烧杯试验
　　中图分类号：TU991．22　　 文献标识码：A　　 文章编号：1004—2455(2004)05

Comparisons between Compressed Air—Agitated Coagulation and Mechanically—Agitated Coagulation
ZHANG Hai-feng,SUN Bao-sheng,QI Geng-shen
(School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072，China)

　　Abstract：In View of the wide application of the process of compressed air-agitated coagulation in wastewater treatment, a model test was made to determine the optimum conditions for compressed air-agitated reaction．Comparisons between the said model test and the beaker test using mechanical agitation were made and the test results were analyzed to find the advantages and disadvantages of each of the two types of agitation methods．It was shown by the results of the test that the optimum reaction conditions in the three stages of the air-agitated coagulation test were such that the times for mixing, primary reaction and secondary reaction were 1 min, 3 min and 5 min respectively，and the aerating capacities were 0.4，0.04 and 0.02 m³／h respectively．In the mixing stage of the air agitation test，bigger aerating capacity did not improve the residual turbidity in the effluent water．Air agitation was more advantageous than mechanical agitation in terms of coagulation time and consumption of chemical agent，while mechanical agitation was better than air agitation in term of sedimentation performance．Compared with beaker test， the model test was more pertinent to the engineering design and productive operation using the process of compressed air-agitated coagulation.
　　key words: compressed air；coagulation process；model test；beaker test

　　在工业废水处理中，絮凝(混凝)过程是应用最普遍的关键环节之一^[1]，对混凝过程有指导意义的试验结果对废水构筑物设计与生产运行至关重要。机械搅拌下的烧杯试验(jar test)已被美国材料试验学会(ASTM)于1983年正式列为标准试验^[2]，引，该实验对机械搅拌水处理构筑物的设计参数、混凝剂的投加量及混凝处理工况的判断有指导意义；随着压缩空气搅拌在废水处理混凝过程中的广泛应用[3]，机械搅拌下的烧杯试验结果往往与该工艺的实际工程应用相差甚远，但目前人们仍沿用烧杯试验结果指导空气搅拌下的混凝过程，这对生产和研究均带来不利的影响。
　　压缩空气搅拌混凝是压缩气泡在上升过程中所产生的剪切力以及由密度差所形成的涡流作为混凝反应的动力，由于在混凝过程中有气相的介入，因而空气搅拌与机械搅拌下的混凝过程之间存在差异，造成两种搅拌下的混凝效果不同。大量水处理文献报道压缩空气搅拌混凝工艺应用于制革废水、印染废水、高氮磷废水等处理上都优于机械搅拌混凝效果^[4]。本文用模型试验确定压缩空气搅拌下混凝的最优反应条件，并对两种搅拌方式的混凝实验结果进行比较。

1 压缩空气搅拌混凝的最优反应条件确定

1．1 模型实验装置
　　模型实验装置见图1。

　　针对污水处理压缩空气搅拌混凝工艺的模型装置按照六联搅拌设计，反应容器采用1000mL标准量筒，曝气量由流量计控制调节，曝气头设计为圆锥型，剖面底角α=45°；曝气微孑L直径1.5mm，材质为有机玻璃；曝气头距杯底1cm，保证气泡沿45°角射向器底与器壁，使大量气泡沿反应容器内壁均匀上升。
1．2 水样配置
　　将一定量的筛分后粘土投入水中并搅拌均匀，静止沉淀10h，取上清液，作为实验水样。实验水样在配置过程中搅拌强度、搅拌时间、沉淀时间上都相同，保证了实验水样的稳定性。
1．3 实验方法
　　混凝过程可分为混合和反应两阶段：其中在反应阶段，按所需要条件的不同，将其分为两级反应。在参考文献^[5]基础上，确定混合时间为1min，一级反应时间3 min，二级反应时间5 min；实验对各阶段分别调整曝气量，水样经反应容器内静止沉淀后，测定水中剩余浊度，确定出最优值，从而得出空气搅拌混凝反应的最优搅拌条件。
　　混凝剂采用三氯化铁，质量分数分别为1％和0.1％；原水浊度为49.7 mg／L，水温16℃，pH=7.8，浊度采用光电式浊度仪(HACH2100P)测定。
1．4 各阶段最佳曝气量的确定
　　实验分为三阶段，在确定各段反应时间1rain，3 min，5 min基础上，调整曝气量，测定沉淀后水样的剩余浊度，各水样混凝剂投加量均为3.5 mg／L。实验结果见表1。

表1 各阶段气量的调节对剩余浊度的变化

　　实验中各水样经20min静止沉淀后，均在水面下8cm处取样测定剩余浊度。由表1混合阶段可看出大的曝气量并未取得最佳的效果，说明剧烈搅拌一定要在短时间内完成，在本模型实验中，超过0.5m³／h的曝气量，混合时间应小于1 min；而小的曝气量未到达混合应“快速剧烈”的要求，本模型混合阶段曝气量选定0.4m³／h较理想。
　　混凝反应的两个阶段是为了方便研究气动混凝的操作条件而提出的，在实际的混凝反应中两过程的间隔是瞬间的，几乎是同步的^[6]。反应阶段是创造最大程度的脱稳与碰撞机会的过程，当絮体形成之后，为防止其破碎，反应曝气量应渐小，便于絮体颗粒稳定并逐渐增大，从而完成反应阶段；由表1反应阶段的实验数据，本模型最佳的曝气量为—级反应0.04m³／h，二级反应0.02m³／h。

2 两种搅拌方式下混凝效果的比较

2．1 最优试验条件的比较
　　现科研中广泛采用章非娟、张玉先^[7](简称章法)关于机械搅拌条件下烧杯试验的最优搅拌条件。表2是两类搅拌方式下最优搅拌条件的比较。

表2 两类搅拌方式下最优搅拌条件的比较

　　从表2可以看出，两类搅拌条件有其相似性都经历了剧烈混合到逐渐温和的搅拌过程；从试验的完成时间上，压缩空气搅拌下的模型试验大大节省了混凝过程的时间，这对混凝池的设计有很强的指导意义。
2. 2 混凝剂投加量的比较
　　混凝剂投加量的控制是混凝的关键，它决定了水中胶体的脱稳效果及絮体数量的多少，图2是两类搅拌方式下投药量的改变而引起的水样浊度去除效率的变化。烧杯试验采用定时变速六联搅拌机，实验方法采用章法^[7]。

　　图2的结果说明，两类搅拌方式下对混凝剂的投加量有共性，低投加量颗粒脱稳不充分，颗粒数量少，沉降性能差，水样剩余浊度大；过量投加混凝剂会发生胶体的“再稳”现象；对该水样，压缩空气搅拌下模型试验的最佳投药量为3.5 mg/L，机械搅拌下烧杯试验的最佳投药量为4.5 mg/L，两类搅拌方式在最佳去除率的投药用量比较上，表明压缩空气搅拌下混凝反应节省药剂量。
2. 3 沉淀性能的比较
　　在相同水质、温度、pH值条件下，对两类混凝搅拌方式下的沉降性能进行比较，结果见表3。

表3 两类混凝搅拌条件下沉降性能比较

　　从表3中可得出在相同沉淀时间下，在静沉10 min内，机械搅拌颗粒沉降性能要优于压缩空气搅拌。原因可能由于在压缩空气搅拌下絮体颗粒上附有微小气泡，造成沉降性能差；在静沉20min后，压缩空气搅拌显出优越性，比较而言压缩空气搅拌混凝工艺静沉时间应长些。

3 结论

　　通过以上试验比较及分析，说明压缩空气搅拌方式在混凝时间、药剂用量上有其优势，尤其对混凝—好氧生物处理工艺，有其特殊意义；但在沉淀性能上，机械搅拌要明显优于压缩空气搅拌，因而对于易造成气浮的水质，机械搅拌方式应为首选。
　　此外，本文还得出如下结论：
　　①压缩空气搅拌下的模型试验三阶段最优反应条件分别为：0.4 m³/h(1min),0.04m³/h(3min)，0.02m³／h(5min)；
　　②在压缩空气搅拌下的混合阶段，大的曝气量并没有改善水样的剩余浊度，这验证了大量高频率小涡旋对紊流扩散系数的影响不大^[8]，因而采用过高的输入功率是不必要的。

参考文献：
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[2] 武道吉．烧杯搅拌试验中需探讨的几个问题IJ]．水处理技术，1998，24(1)：51—53．
[3] 刘珊．制革污水预曝气处理效果研究[引．西安公路交通大学学报，1998，18(2)：118—120．
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[5] 姜应和．气动絮凝反应模型试验[J)．中国给水排水，2002(11)：41—42．
[6] 李伟英．混凝新释义及混凝技术[J]．工业用水及废水，2001，32(2)：37—39．
[7] 李伟英．烧杯搅拌试验的规范化[J]．城市公用事业，2000，14(4)： 22—24．
[8] AWWA．Coagulation committee report：coagulation as an Integrated water treatment process[J]．Am Warer Works Assoc，1989，81(10)： 71—80．

作者简介：张海丰(1974—)，男，吉林省吉林市人，天津大学硕 士研究生，主要从事环境污水处理工程研究，电话(022)81567759。