第四節(jié)、混凝動(dòng)力學(xué)(共17頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四節(jié)、混凝動(dòng)力學(xué)影響混凝效果的因素中，水力條件是個(gè)重要因素，要達(dá)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(jì)合理的混合池和絮凝池，而混凝動(dòng)力學(xué)正是其設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)相碰撞而凝聚的現(xiàn)象。異向絮凝主要對(duì)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(jī)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(duì)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(shí)間上沒有嚴(yán)格區(qū)分，在任何階段都可能同時(shí)存在，只是程度不同。3、碰撞速率碰撞速率指單位時(shí)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(shí)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?yàn)椋海?）在計(jì)算顆粒i和顆粒j碰撞次數(shù)時(shí)，是將兩個(gè)顆粒相互碰撞數(shù)計(jì)算了兩次，即i向j碰撞一次，j又向i碰撞一次。而實(shí)際上兩個(gè)顆粒一次相碰就相互凝聚成一個(gè)大的顆粒，故絮凝速率為總計(jì)算碰撞數(shù)的1/2。（2）負(fù)號(hào)表示顆?？倲?shù)量隨絮凝時(shí)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(yùn)動(dòng)為一種無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，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(huì)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(fèi)克擴(kuò)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(yùn)動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）； d 顆粒直徑（cm）； n 顆粒數(shù)量濃度（個(gè)/cm3）。擴(kuò)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(dòng)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(shí)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(shí)僅部分凝聚。有些研究者認(rèn)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(wú)關(guān)。由于只有小顆粒才具有布朗運(yùn)動(dòng)，隨著顆粒凝聚增大，布朗運(yùn)動(dòng)將逐漸減弱，當(dāng)d1時(shí)，布朗運(yùn)動(dòng)基本消失，故要使顆粒進(jìn)一步碰撞凝聚，必須進(jìn)行同向絮凝。公式（27）的推導(dǎo)過程如下：為討論簡(jiǎn)便，設(shè)水中某一球體顆粒j

5、固定不動(dòng)，所有其他球體顆粒i由于布朗運(yùn)動(dòng)而向j顆粒擴(kuò)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(fèi)克擴(kuò)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(gè)/cm3）； Di i顆粒擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）； Rij 碰撞半徑，Rijrirj（cm）。當(dāng)j顆粒不是一個(gè)（nj1），且j顆粒也具有布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)，則i和j的碰撞速率： （213）設(shè)i和j顆粒粒徑相等，從而擴(kuò)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(jìn)，i顆粒的前進(jìn)速率小于j顆粒，則某一時(shí)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(dòng)，j顆粒隨水流運(yùn)動(dòng)。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(huì)與i顆粒相撞，則i和j在單位時(shí)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(duì)（219）進(jìn)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(dāng)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(dāng)原水雜質(zhì)特性一定時(shí)，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(jì)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(shí)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(jìn)速度外，還存在縱向和橫向脈動(dòng)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(dá)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(duì)G值表達(dá)式進(jìn)行了變化，以一個(gè)瞬間受剪而扭轉(zhuǎn)的單位體積水流所耗功率計(jì)算G值來替代Gdu/dz，G值表達(dá)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(tuán)來分析它在x方向的受力情況。這一微團(tuán)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(dāng)于圖27中水的運(yùn)動(dòng)方向。這一微團(tuán)在z方向存在一個(gè)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(tuán)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(dá)式為： （229）公式（229）中，當(dāng)用機(jī)械攪拌時(shí)，式中P由機(jī)械攪拌的功率提供；當(dāng)用水力攪拌時(shí)，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(shí)的速度梯度G值表達(dá)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(dòng)力粘度（kg/m·s） T 水流在混凝設(shè)備中的停留時(shí)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(dá)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?yàn)椋?（234）3、局部各向同性紊流理論近年來，有些專家學(xué)者認(rèn)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(jìn)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(diǎn)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(qiáng)，從而產(chǎn)生能量損耗；（4）當(dāng)渦旋的尺度與顆粒直徑或碰撞半徑相近時(shí)，才會(huì)使顆粒相互碰撞。在物理學(xué)中有一個(gè)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(jí)），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(wú)規(guī)則脈動(dòng)類似于布朗運(yùn)動(dòng)，可得碰撞速率為： （235）式中D為紊流擴(kuò)散和布朗擴(kuò)散系數(shù)之和，在紊流中，布朗擴(kuò)散遠(yuǎn)小于紊流擴(kuò)散，D近似為紊流擴(kuò)散系數(shù)，有： （236）為脈動(dòng)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(shí)間、單位體積流體的有效能耗； 水的運(yùn)動(dòng)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(dòng)流速所耗功率，而為脈動(dòng)流速所耗功率。兩者實(shí)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(shí)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(biāo)。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(qiáng)度的指標(biāo)；但G值太大，絮凝體會(huì)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(shí)間T越大，顆粒碰撞的次數(shù)越多，但T

14、太長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)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(jì)停留時(shí)間不同。3、G值間接反映單位時(shí)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(jìn)行劇烈攪拌的目的是使藥劑快速均勻地?cái)U(kuò)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(jī)械或水力攪拌進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(dāng)?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(jìn)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(shí)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(dòng)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(jī)械兩類。水力混合簡(jiǎn)單，但不能適應(yīng)流量變化；機(jī)械混合可隨流量變化而調(diào)節(jié)，但機(jī)械需維修。1、管式混合管式混合是利用水廠進(jìn)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(kuò)散混臺(tái)器、靜態(tài)混合器等。如：1）擴(kuò)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?biāo)鞣较虻耐队懊娣e為進(jìn)水管總面積的l4，孔板的孔面積為進(jìn)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(duì)分流同時(shí)又有交叉和旋渦反向旋轉(zhuǎn)以達(dá)到較好的混合效果。圖29 管道擴(kuò)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(jìn)所產(chǎn)生的湍流進(jìn)行混合。般為設(shè)有三塊隔板的窄長(zhǎng)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(dòng)達(dá)到混合效果。藥劑一般采用重力投加，為防止空氣進(jìn)入水泵吸水管內(nèi)，必須設(shè)一個(gè)裝有浮球閥的水封箱，對(duì)于投加腐蝕性強(qiáng)的藥劑應(yīng)注意避免腐蝕水泵葉輪及管道。對(duì)于泵房距凈水構(gòu)筑物距離較遠(yuǎn)時(shí)不宜采用。4、機(jī)械混合機(jī)械混合系通過漿板的轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌水體，以達(dá)到混合目的。如圖214所示。混合機(jī)械包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和垂直軸懸掛漿板。漿板有漿式、推進(jìn)式、渦流式等。采用較多的為漿式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易制造，但所供混合功率較小。為加強(qiáng)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(jī)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(jī)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(dá)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(jìn)，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(jìn)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(jī)會(huì)。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(gè)進(jìn)水窗孔和旋流室串聯(lián)組成的絮凝池。水流通過對(duì)角交錯(cuò)的孔口，呈多次旋流，達(dá)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